包括三维环形天线的射频识别(rfid)标签的制作方法

专利名称：包括三维环形天线的射频识别(rfid)标签的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制品管理的射频识别(RFID)系统，更具体地讲涉及RFID标签。
背景技术：
射频识别(RFID)技术事实上已经广泛地应用于各个行业，包括交通、制造、废物 管理、邮政跟踪、航空行李调度、和公路收费管理。典型的RFID系统包括多个RFID标签、至 少一个具有用于与RFID标签通信的天线的RFID阅读器(也称为“询问器”)或检测系统、 和控制RFID阅读器的计算装置。RFID阅读器包括可以向标签提供能量或信息的发射机，和 从标签接收身份和其它信息的接收机。计算装置处理由RFID阅读器获得的信息。通常，从RFID标签接收的信息是具体应用所特有的，但通常对其上固定有标签的 制品进行识别。示例性的制品包括制造品、书籍、文件、动物或人，或几乎任何其他有形制 品。也可以提供制品的额外的信息。标签可以用于制备处理期间，以(例如)表明制造过 程中汽车底盘的油漆颜色或其它有用的信息。RFID阅读器的发射机通过天线输出射频(RF)信号，以形成能够使标签返回携带 信息的RF信号的电磁场。在一些构型中，发射机启动通信，然后利用放大器激励具有调制 输出信号的天线，以与RFID标签通信。在其它构型中，RFID标签从RFID阅读器接收连续 波信号，然后通过立即响应与其信息开始通信。常规的标签可以是包括内部电源的“有源”标签，或通过由RFID阅读器产生的RF 场带电(通常通过电感耦合)的“无源”标签。在任一种情况下，标签都使用预先定义的协 议通信，从而允许RFID阅读器从一个或多个标签接收信息。计算装置通过接收来自RFID 阅读器的信息并且执行某些操作(例如更新数据库)而起到信息管理系统的作用。另外， 计算装置还可以起到通过发射机将数据编程到标签中的装置的作用。

发明内容
本发明整体描述了可以减小对RFID标签性能的不利影响的三维(3D)环形天线， 该不利影响可归因于RFID标签与其上设置RFID标签的导电表面之间的耦合。根据本公开 设计的RFID标签包括耦合到RFID电路的3D环形天线。如本文详细所述，3D环形天线包 括第一导电部分，第一导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度并且位于第一平面内。第 一导电部分电耦合到第二导电部分，第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度并且位 于第二平面内。第一平面和第二平面基本上彼此平行。电流被激发流经电流回路中的第一 导电部分和第二导电部分，该电流回路位于基本上不平行于第一平面和第二平面的第三平 面内。流经第一导电部分和第二导电部分的激发电流可以(例如)是由RFID电路反向散 射的重新调制的询问信号，如就无源RFID标签而言。在其它情况下，如就有源RFID标签而 言，RFID电路可以生成激发电流流经导电部分的信号。RFID标签被构造为使得当设置在制品表面上时，第一平面和第二平面基本上平行 于制品表面。这样，通其激发电流的电流回路的平面基本上不平行于附接RFID标签的制品表面。例如，在一些实施例中，天线的电流回路所在的平面可以基本上垂直于制品表面。在一些实施例中，3D环形天线的第一导电部分和第二导电部分可以由天线材料限 定，天线材料包括限定连续环路的一个或多个部分，以用于RF电流。在其它实施例中，3D环 形天线可以由天线材料与其上设置RFID标签的导电制品表面的组合限定。在后一个实施 例中，导电制品表面和天线材料限定电流的闭环。因此，导电制品表面充当3D天线的一部 分。导电表面和天线材料可以通过直接电气连接或通过电容耦合来形成闭环。还可以将3D环形天线设计为使得天线的一部分用作调谐元件，以将天线的阻抗 与连接天线的IC芯片的阻抗相匹配。例如，形成3D环形天线的导电迹线可以包括一个或 多个用作电容调谐元件的狭缝。又如，3D环形天线可以具有用作电容调谐元件的重叠导电 部分。还如，形成3D环形天线的导电迹线可以包括交指型导电区域，以增大电容以用于更 好地调谐。可以通过安装构件将RFID标签附接到制品的基本上非平面的表面。安装构件可 以是柔性的，以适形于弯曲或不规则成形(基本上非平面)的表面，并且可以附接到RFID 标签的下部，即RFID标签与制品表面之间。安装构件可以是有棱纹的，包括多个彼此间隔 开的部分，或者说是具有促进柔韧性的结构。在一个实施例中，射频识别(RFID)标签具有包括第一导电部分的环形天线，第一 导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度。第一导电部分的长度和宽度基本上位于第一平 面内。第一导电部分的至少一部分形成用于调谐环形天线阻抗的调谐元件。环形天线也包 括第二导电部分，第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度。第二导电部分的长度和 宽度基本上位于与第一平面基本上平行的第二平面内。第二导电部分电耦合到第一导电部 分。RFID标签也包括电连接到环形天线的RFID电路，以通过环形天线激发电流流经电流回 路中的第一导电部分和第二导电部分，该电流回路位于基本上垂直于第一平面和第二平面 的第三平面内。在另一个实施例中，射频识别(RFID)系统包括被构造为输出询问射频(RF)场的 阅读器单元、和RFID标签。RFID标签包括具有第一导电部分的环形天线，第一导电部分的 长度和宽度基本上超出其厚度。第一导电部分的长度和宽度基本上位于第一平面内。第一 导电部分的至少一部分形成用于调谐环形天线阻抗的调谐元件。环形天线也包括第二导电 部分，第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度。第二导电部分的长度和宽度基本上 位于与第一平面基本上平行的第二平面内。第二导电部分电耦合到第一导电部分。RFID标 签也包括电连接到环形天线的RFID电路，以激发流经电流回路中的第一导电部分和第二 导电部分的电流，以响应询问RF信号来输出RF信号，该电流回路位于基本上垂直于第一平 面和第二平面的第三平面内。在另一个实施例中，制品包括导电表面和连接到制品导电表面的射频识别(RFID) 标签。RFID标签包括具有第一导电部分的环形天线，第一导电部分的长度和宽度基本上超 出其厚度，其中第一导电部分的长度和宽度基本上位于第一平面内。第一导电部分的至少 一部分形成用于调谐环形天线阻抗的调谐元件。环形天线也包括第二导电部分，第二导电 部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中第二导电部分的长度和宽度基本上位于与第一 平面基本平行的第二平面内。第二导电部分电耦合到第一导电部分。RFID标签也包括电连 接到环形天线的RFID电路，以通过环形天线激发电流流经电流回路中的第一导电部分和第二导电部分，该电流回路位于基本上不平行于制品的导电平面的第三平面内。在另一个实施例中，组件包括RFID标签、安装构件，该安装构件被构造为将RFID 标签安装在基本上非平面的表面上。安装构件包括具有上表面和与上表面相背的下表面的 基本上平坦柔性基座构件，以及多个从下表面突出的安装结构。在另一个实施例中，方法包括用固化性树脂至少部分地填充腔体，将成形工具压 入腔体中使树脂成形，待材料固化后移除成形工具，从而限定多个从基座构件延伸的安装 结构，从腔体中移除基座构件和多个安装结构，基座构件为基本上平坦的并且具有上表面 和下表面，上表面被构造为附接到射频识别(RFID)标签，安装结构从下表面延伸，并且将 一个或多个RFID标签连接到基座构件的上表面。在另一个实施例中，射频识别(RFID)标签具有包括第一导电部分的环形天线，第 一导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度。第一导电部分的长度和宽度基本上位于第一 平面内。环形天线也包括第二导电部分，第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度。第 二导电部分的长度和宽度基本上位于与第一平面基本上平行的第二平面内。第二导电部分 电耦合到第一导电部分。第二导电部分也被构造为连接到附接RFID标签的制品的导电表 面。RFID标签也包括电连接到环形天线的RFID电路，以通过环形天线激发电流流经电流回 路中的第一导电部分、第二导电部分和附接RFID标签的制品的导电表面，该电流回路位于 基本上垂直于第一平面和第二平面的第三平面内。在另一个实施例中，射频识别(RFID)系统包括被构造为输出询问射频(RF)场的 阅读器单元、和RFID标签。RFID标签包括具有第一导电部分的环形天线，第一导电部分的 长度和宽度基本上超出其厚度。第一导电部分的长度和宽度基本上位于第一平面内。环形 天线也包括第二导电部分，第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度。第二导电部分 的长度和宽度基本上位于与第一平面基本上平行的第二平面内。第二导电部分电耦合到第 一导电部分。第二导电部分也被构造为连接到附接RFID标签的制品的导电表面。RFID标 签也包括电连接到环形天线的RFID电路，以激发电流流经电流回路中的第一导电部分、第 二导电部分和附接RFID标签的制品的导电表面，以响应询问RF信号来输出RF信号，该电 流回路位于基本上垂直于第一平面和第二平面的第三平面内。在另一个实施例中，制品包括导电表面和连接到制品导电表面的射频识别(RFID) 标签。RFID标签包括具有第一导电部分的环形天线，第一导电部分的长度和宽度基本上超 出其厚度，其中第一导电部分的长度和宽度基本上位于第一平面内。环形天线也包括第二 导电部分，第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中第二导电部分的长度和宽 度基本上位于与第一平面基本平行的第二平面内。第二导电部分电耦合到第一导电部分。 第二导电部分也被构造为连接到附接RFID标签的制品的导电表面。RFID标签也包括电连 接到环形天线的RFID电路，以通过环形天线激发电流流经电流回路中的第一导电部分、第 二导电部分和附接RFID标签的制品的导电表面，该电流回路位于基本上不平行于制品的 导电表面的第三平面内。附图和下文的具体实施方式
详细描述了本发明的一个或多个实施例。根据本发明 的具体实施方式
、附图以及权利要求书，本发明的其它特征、对象和优点将显而易见。
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图1为用于定位多个制品的示例性射频识别(RFID)系统的透视图。图2A为根据本发明的RFID标签的一个实施例的示意透视图，其包括3D天线、垫 片层、IC芯片。图2B为图2的RFID标签的剖视图。图3A为根据本发明的RFID标签的另一个实施例的示意透视图。图3B为图3的RFID标签的剖视图。图4A和图4B为展示RFID标签的天线阻抗响应与RFID标签的长度之间关系的图。图5A和图5B为展示RFID标签的天线阻抗响应与RFID标签的宽度之间关系的图。图6A和图6B为展示RFID标签的天线阻抗响应与RFID标签的高度之间关系的图。图7A和图7B为展示RFID标签的天线阻抗响应与RFID标签的馈电点之间关系的 图。图8为用于测试RFID标签的阅读范围的测试系统的示意图。图9为用于能够将RFID标签附接到基本上非平面的表面的RFID标签的示例性安 装构件的透视图。图IOA和图IOB图解了用于安装构件的示例性构型。图IlA为图解了用于安装构件的另一个实例构型的平面图。图IlB为图解了用于安装构件的额外的实例构型的平面图。图12为图解了用于安装构件的另一个实例构型的平面图。图13A和图13B图解了用于制备RFID标签的实例方法，该RFID标签具有能够将 RFID标签附接到基本上非平面的表面的安装构件。图14A-14E为图解了用于制备RFID标签的另一个实例方法的概念图，该RFID标 签具有能够将RFID标签附接到基本上非平面的表面的安装构件。图15A为根据本公开的实例RFID标签的示意透视图。图15B为图15A的RFID标签的剖视图。图16A和图16B为图解两种天线设计的实例总阻抗的史密斯圆图。图17A和图17B为展示将图15A和图15B的RFID标签的狭缝长度(L狭缝)参数 化的实例电阻曲线与电抗曲线的图。图18A和图18B为展示将图15A和图15B的RFID标签的狭缝偏移(S偏移)参数 化的实例电阻曲线与电抗曲线的图。图19A和图19B为展示将图15A和图15B的RFID标签的狭缝偏移(S偏移)参数 化的实例电阻曲线与电抗曲线的图。图20A为根据本公开的另一个RFID标签的示意透视图。图20B为图20A的RFID标签的剖视图。
具体实施例方式事实上，RFID系统已广泛用于每个行业中，以追踪制品并且防止从受保护的区域 (例如图书馆或零售店)非法移除制品。然而，当用于这种RFID系统的常规RFID标签附接 到具有导电表面的制品上时，可能会遭遇多种不利影响。例如，常规RFID标签与其附接的制品的导电表面之间的连接可能导致阅读范围缩小。换句话讲，可阅读的标签范围缩小。本公开描述了可以减小对RFID性能(例如读取范围缩小)的不利影响的三维 (3D)环形天线，该不利影响可归因于RFID标签与其上设置RFID标签的导电表面之间的耦 合。即，与利用偶极子天线或其它大体二维(2D)或3D天线构型的常规RFID标签不同，当 RFID标签附接到导电表面上时，根据本公开设计的3D环形天线的读取范围不会过度地受 限。根据本公开设计的RFID标签包括耦合到RFID电路的3D环形天线。如本文详细 所述，3D环形天线包括第一导电部分，第一导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度并且 位于第一平面内。第一导电部分电耦合到第二导电部分，第二导电部分的长度和宽度基本 上超出其厚度并且位于第二平面内。第一平面和第二平面基本上彼此平行。在电流回路中 的第一导电部分和第二导电部分激发电流，该电流回路位于基本上不平行于第一平面和第 二平面的第三平面内。在第一导电部分和第二导电部分激发的电流可以(例如)是由RFID 电路反向散射的重新调制的询问信号，如就无源RFID标签而言。在其它情况下，如就有源 RFID标签而言，RFID电路可以生成激发电流流经导电部分的信号。RFID标签被构造为使得当设置在制品表面上时，第一平面和第二平面基本上平行 于制品表面。这样，通过RFID电路激发电流的电流回路的平面基本上不平行于附接RFID 标签的制品表面。例如，在一些实施例中，天线的电流回路所在的平面可以基本上垂直于制 品表面。在一些实施例中，3D环形天线的第一导电部分和第二导电部分可以由天线材料限 定，天线材料包括限定连续环路的一个或多个部分，以用于RF电流。在其它实施例中，3D环 形天线可以由天线材料与其上设置RFID标签的导电制品表面的组合限定。在后一个实施 例中，导电制品表面和天线材料限定电流的闭环。因此，导电制品表面充当3D天线的一部 分。导电表面和天线材料可以通过直接电气连接或通过电容耦合来形成闭环。“3D构型”是指天线位于三维空间中，为了便于说明，可参考正交的x-y-z轴，天线 具有χ轴分量、y轴分量和ζ轴分量。例如，3D环形天线的第一导电部分和第二导电部分可 以位于χ-y平面内，而连接第一导电部分和第二导电部分的天线部分位于y-ζ平面内。更 具体地讲，第一导电部分和第二导电部分的长度可以沿着χ轴延伸，第一导电部分和第二 导电部分的宽度可以沿着y轴延伸。将第一部分和第二部分彼此连接的天线部分可以包括沿 着ζ轴延伸的长度和沿着y轴延伸的宽度。这种天线构型会引起电流回路位于χ-ζ平面内，如 下文所进一步详述。3D环形天线可以在超高频率(UHF)范围内工作，如在大约300兆赫(MHz) 至大约3千兆赫(GHz)的频率范围内。然而，也可以使用射频光谱中的其它工作范围。根据本公开构造的3D环形天线可以减小对RFID标签性能的不利影响，例如读取 范围减小，这种不利影响归因于RFID标签与其上设置RFID标签的导电表面之间的连接。换 句话讲，根据本公开构造的3D环形天线即使在连接到导电表面上时也可以保持或可能增 大其读取范围，同时询问装置仍保持相对较小的询问发射功率。相反，包括3D环形天线的 RFID天线即使在连接到导电表面上时，仍可以(例如)显示具有大于大约10英尺(大约3 米)的读取范围。一般来讲，术语“读取范围”是指阅读器与RFID标签之间的通信工作距离。然而应当理解，本发明并不限于大于大约10英尺的读取范围。相反，如本公开所 述，可以将3D环形天线设计为支持任何读取范围，例如小于大约1英尺(大约30厘米)、大约1英尺至大约10英尺(大约30厘米至大约3米)、或大于大约10英尺(大于大约3 米)的读取范围。可以调整3D环形天线的多种设计参数以实现性能与尺寸之间的理想的 权衡。这些权衡可能受3D环形天线的具体设计用途的支配。另外，可以在不会导致天线失谐的情况下通过调整天线的馈电点来改进RFID标 签维度。天线的馈电点是集成电路(IC)芯片连接天线的位置。因此，可以通过将IC芯片 从天线的中心偏移至任一侧来改进RFID标签。通过调整馈电点重新调谐3D环形天线，使 RFID标签在无性能劣化的条件下能够具有相对紧凑的RFID标签结构。在一些实施例中， RFID标签可以具有相对较小的尺寸，如大约四分之一波长或更小，同时保持大约10英尺或 更大(大约3米或更大)的读取范围，而无需提高读取功率。还可以将3D环形天线设计为使得天线的一部分用作调谐元件，以将天线的阻抗 与连接天线的IC芯片的阻抗相匹配。例如，形成3D环形天线的导电迹线可以包括一个或 多个用作电容调谐元件的狭缝。又如，3D环形天线可以具有用作电容调谐元件的重叠导电 部分。还如，形成3D环形天线的导电迹线可以包括交指型导电区域，以增大电容以用于更 好地调谐。尽管独立地描述了不同的调谐元件设计，但3D环形天线可以利用不止一种类型 的调谐元件，如重叠导电部分和狭缝。也描述了用于将RFID标签(例如本公开所述的RFID标签)连接到基本上非平面 的表面的安装构件。然而，安装构件并不限于与本公开所述的包括3D环形天线的RFID标 签一起使用。相反，安装构件可以用于将任何合适的RFID标签附接到基本上非平面的表 面。安装构件可以包括将安装构件连接到弯曲或不规则成形(基本上非平面)表面的促进 柔韧性的特征，例如沿着或横越RFID标签延伸的多个有棱纹的结构、彼此间隔开的多个柱 子、槽形结构或其它促进柔韧性的结构。图1为用于定位多个制品12A_12N(统称为“制品12”)的示例性射频识别(RFID) 系统10的透视图。RFID系统10包括附接到制品12A-12N的RFID标签14A-14N以及适于 询问RFID标签14A-14N(统称为“RFID标签14”)中的每一个并且从这些标签获得数据的 便携式RFID阅读器16。制品12既可以(例如)是导电元件、又可以是非导电元件。RFID 标签14A-14N各具有沿着χ轴测得的长度、沿着y轴测得的宽度、以及沿着ζ轴测得的高 度。参考图1所示的正交的x-y-z轴，以有助于说明本公开的RFID标签，x-y-z轴并不旨 在以任何方式限制本发明的范围。在x_y平面内的RFID标签14A-14N中的每一个的表面 与各自的制品12A-12N相邻，并且限定“接触表面区域”。在一个实施例中，例如，用压敏粘 合剂、胶带或泡沫、或任何其它合适的连接方式将RFID标签14中的每一个的x-y平面附接 到各自的制品12A-12N。在一些实施例中，安装构件可以附接到RFID标签14中的每一个。 在这种实施例中，RFID标签14通过安装构件附接到各自的制品12。将RFID标签14设置到各自的制品12A-12N上，使RFID阅读器16将制品12A-12N 的说明通过射频(RF)信号18和19与各自的RFID标签14A-14N能够关联起来。例如，将 RFID标签14A设置在制品12A上，使用户能够利用手持式RFID阅读器16，以将与制品12A 有关的说明或其它信息通过RF信号18和19与RFID标签14A关联起来。在替代实施例中， 可以将阅读器16结合到自动或半自动过程中，因而用户无需利用阅读器16。阅读器16通 过生成RF信号18可以询问RFID标签14A，该RF信号由设置在RFID标签14A内的天线接 收。信号能量通常将功率和指令均承载到RFID标签14A。RFID标签14A接收由阅读器16
12辐射的RF能量，并且，如果RF信号18的场强超出读取阈值，RFID标签14A就被激发并反 向散射来自接收器的被调制为包括标签所附接对象有关信息的RF信号18。该反向散射的 信号在图1中表示为RF信号19。即，天线使RFID标签14A能够收集足以向连接到天线的 RFID电路(如IC芯片)供电的能量。通常，RFID电路响应一个或多个指令来重新调制来自阅读器16的RF信号，然后 通过天线反向散射调制的信号，以输出有待阅读器16检测的RF响应。响应可以由RFID标 签标识符组成，该RFID标签标识符可以匹配储存在RFID手持式阅读器16的数据库或RFID 管理系统(未示出)内的标识符。或者，响应可以由从RFID标签14至阅读器16的数据传 输组成。阅读器16可以与用于阅读器16与RFID管理系统之间数据通信的RFID管理系统 的数据通信端口接口。用户(或自动或半自动机器)可以利用RFID阅读器16通过将RFID 阅读器16指向各自的RFID标签14来定位一个或多个制品12。或者，一个或多个制品12 可以从RFID阅读器16前面通过。当包括本领域熟知类型的天线的RFID标签附接到导电表面上时，RFID标签的读 取范围可能会基本上缩小。本领域熟知类型的天线可以是2D偶极子天线、另一个2D天线、 或本领域已知的其它3D天线。当这种天线被询问RF信号(如RF信号18)激发时，询问信 号在其上设置RFID标签的导电表面内感应电流。导电表面上的电流产生电磁场。该电磁场 至少部分地抵消由天线产生的场。导电表面也可以引起天线的阻抗从初始设计值偏移。天 线阻抗的偏移和整个由天线辐射的场的减小可以降低，使得它不会超出RFID标签的读取 阈值。换句话讲，RFID标签的读取范围可能会缩小，使得RFID标签变得无用，即阅读器16 不能从有效距离进行读取。例如，RFID标签可以附接到制品的导电表面，由于物理限制，制 品被设置或设计为使得阅读器16的位置与RFID标签的距离不能更靠近大约10英尺(大 约3米)。在这种情况下，如果场强减小，使得读取范围小于10英尺(大约3米)，那么阅 读器16可能无法读取RFID标签。然而，根据本公开，RFID标签14中的一个或多个包括3D环形天线，该3D环形天 线缓解上述在存在导电表面的情况下相对于读取范围缩小的问题中的至少一些。如参照图 2和图3更详细的讨论，3D环形天线包括第一导电部分，第一导电部分的长度和宽度基本上 超出其厚度并且位于第一平面内。第一导电部分电耦合到第二导电部分，第二导电部分的 长度和宽度基本上超出其厚度并且位于第二平面内。第一平面和第二平面基本上彼此平 行。电流被激发流经电流回路中的第一导电部分和第二导电部分，该电流回路位于基本上 不平行于第一平面和第二平面的第三平面内。在某些情况下，第三平面可以基本上垂直于 第一平面和第二平面。3D环形天线被构造为使得当设置在制品表面上时，由电流回路限定的第三平面基 本上不平行于附接RFID标签的制品表面。在一些实施例中，天线的电流回路所在的第三平 面可以基本上垂直于制品表面。换句话讲，可以设想3D环形天线的导电部分中的每一个的 厚度限定基本上垂直于制品表面的平面。然而应当理解，只要由3D环形天线的电流回路限 定的第三平面基本上不平行于制品表面，3D环形天线就可以相对于制品表面以任何方式取 向。在一些实施例中，天线由被形成以限定3D环的二维(2D)导电材料件所限定。导 电材料的长度和宽度基本上超出材料的厚度，因此可以视为是2D的。当形成限定3D环时，导电材料可以视为具有第一导电部分和第二导电部分，其中第一导电部分的长度和宽度位 于第一平面内，第二导电部分的长度和宽度位于基本上平行于第一平面的第二平面内。在其它实施例中，3D环形天线由被形成以限定环的一部分的2D导电材料件所限 定，并且附接RFID标签的导电表面限定环的其余。2D导电材料件连接到导电表面，以形成 3D环。连接可以是电耦合，如直接物理电气连接或电磁耦合。这样，导电制品表面的至少一 部分形成3D环形天线。在任何情况下，3D环形天线都形成闭合电路，当3D天线被RF信号 激发时，电流通过该闭合电路连续流动。这样，与电流在基本上平行于连接天线的制品表面的平面内流动的本领域熟知的 偶极或其它2D天线不同，3D环形天线被取向为使得3D环形天线不会受到可归因于导电制 品表面的不利影响。例如，当3D环形天线连接到导电制品表面或设置为几乎接触导电制品 表面时，其读取范围基本上不会缩小。相反，当被询问RF信号激发时，3D环形天线可以在导 电表面内感应可提高3D环形天线读取范围的镜像电流，即产生可建设性地添加到由3D环 形天线产生的场的电磁场。即，当3D环形电流直接接触或几乎接触导电制品表面时，制品 表面可以充当成像靠近它的电磁元件的地平面。由于RFID标签20相对于导电制品表面的 取向，如图2A、图2B、图3A和图3B所示，镜像的电流不抵消由3D环形天线辐射的场，但相 反地增大由3D环形天线辐射的场。因此，导电制品表面成像流经3D环形天线的电流，从而 导致尺寸大约为3D环形天线的两倍的“虚拟天线”。“虚拟天线”包括3D环形天线和成像 的电流回路。无论3D天线是否由一件导电材料限定还是由一件导电材料和其上设置RFID标签 的导电表面限定，3D环形天线都不在导电表面内感应抵消由电流回路(即3D环形天线)产 生的场的电磁场。事实上，导电表面内感应的镜像电流形成场，该场增强由3D环形天线形 成的电流回路所产生的场。因此，RFID标签14的读取范围可以大于本领域已知的其它2D 或3D天线可能具有的读取范围，同时不会显著提高询问器的传输功率。例如，RFID标签14 的读取范围可以大于大约10英尺(大于大约3米)，同时询问器的发射功率保持相对恒定。 然而应当理解，其它读取范围也是可以的。其它实例读取范围包括小于大约1英尺(大约 30厘米)的读取范围，以及大约1英尺至大约10英尺(大约30厘米至大约3米)的读取 范围。图2A为包括3D环形天线22、垫片材料24和IC芯片26的实例RFID标签20的示 意透视图。RFID标签20设置在制品表面28上。尽管图2A中未示出，但RFID标签20可以 包括有助于保护IC芯片26和天线22免于被污染物(例如环境碎屑)污染的外层。外层 也可以是刚性的，以有助于保护IC芯片26和3D环形天线22免受物理损坏。外层可以由 任何合适的材料形成，例如刚性材料(如玻璃或陶瓷)或柔性材料(如聚酰亚胺)。在其它 实施例中，外层也可以在侧42和侧46的上方延伸，并且因此完全包封RFID标签20。IC芯片26通过形成天线22的导电材料2D条的相对两端48A和48B电耦合到3D 环形天线22。例如，IC芯片26可以直接或者通过使用通孔或交叉线路连接到天线22，即 连接到末端48A和48B，并且可以嵌入RFID标签20内或作为表面安装器件(SMD)安装。IC芯片26可以包括固件和/或电路，以将唯一识别和其它理想的信息、从询 问硬件接收的解释指令和过程指令、询问器(如图1的阅读器16)对信息请求的响应 储存在RFID标签20内，以及解决因多个标签同时响应询问而导致的冲突。可任选地是，IC芯片26可以响应更新内部存储器中储存的信息的指令(读/写)，而不是仅仅 读取信息(只读)。适用于RFID标签20的IC芯片26的集成电路除了别的以外，包 括得自 TexasInstruments (Dallas, Texas)的产品(即 Gen 2IC 系列产品)、得自 NXP Semiconductors (Eindhoven, Netherlands)的产品(即 I-CODE 系列产品)、以及得自 ST Microelectronics (Geneva，Switzerlandand)的产品。尽管 RFID 标签 20 被描述为包括 IC 芯片，但除了使用IC芯片26以外(或不使用IC芯片26)，还可以使用其它RFID电路。例 如，RFID标签20可以包括表面声波(SAW)、有机电路、或其它RFID识别元件、或它们的组
口 O在图2A所示的实例中，3D环形天线22包括第一导电部分40，该第一导电部分的 长度和宽度基本上超出其厚度。第一导电部分40位于第一平面45A内。在图2A图解的实 例中，第一平面45A位于x-y平面内。环形天线22也包括第二导电部分44，该第二导电部 分的长度和宽度基本上超出其厚度。第二导电部分44位于基本上平行于第一平面45A的 第二平面45B内。更具体地讲，第二平面45B也基本上位于x-y平面内。第一导电部分40 通过导电部分42和46电耦合到第二导电部分44。因此，导电部分40、42、44和46被电耦 合以形成闭环。在一些实施例中，导电部分40、42、44和46由围绕垫片材料24缠绕的单个 2D导电材料条形成，以限定环路。在其它实施例中，导电部分40、42、44和46可以由不止一 个2D条形成。图2A的实例图解了为基本上矩形环的3D环形天线22。导电部分40、42、44和46 限定基本上由垫片材料24填充的矩形空间。导电部分40和44基本上彼此平行，并且一般 来讲限定基本上矩形环的侧。导电部分40和44具有沿着χ轴方向测量的长度和沿着y轴 方向测量的宽度。在图2A图解的实例中，导电部分44和导电部分40具有相同的长度和宽 度。然而，在其它实施例中，导电部分40可以比导电部分44长，导电部分44可以比导电部 分40长，导电部分44可以比导电部分40宽，或者导电部分40可以比导电部分44宽。
连接导电部分40和44的导电部分42和46限定基本上垂直于导电部分40和44、 以及因此垂直于平面45A和45B的矩形环的侧。侧42和46基本上彼此平行，并且各具有 一般来讲等于RFID标签20的高度的长度，可沿着ζ轴测量此长度。导电部分42和46也 具有沿着y轴方向测量的宽度。在一些实施例中，导电部分42和46的长度和宽度基本上 大于各自导电部分的厚度。尽管描述为基本上矩形环形天线，但可以改进RFID标签20的3D环形天线22，使 得3D环形天线22限定数量更多或更少的侧，因此呈现不同的形状。例如，导电部分40和 44可以基本上彼此不平行，或导电部分42和46可以基本上彼此不平行，或同时满足两种情况。然而，无论有几个侧，当3D环形天线22被RF信号(如图1的RF信号18)激发时， 都可以基本上限定电流连续流经的闭环，以形成闭合电路。具体地讲，IC芯片26激发电流 流经位于第三平面45C内的电流回路中的导电部分40、42、44和46。通过导电部分40、42、 44和46的电流回路在图2B中用导电部分40、42、44和46中的实线箭头表示。如图所示， 电流回路所在的第三平面45C基本上不平行于第一平面45A和第二平面45B。在一些实施 例中，第三平面45C可以基本上垂直于第一平面45A和第二平面45B。在图2A图解的实例中，RFID标签20被构造为使得当设置在制品30的表面28上时，第一平面45A和第二平面45B基本上平行于制品30的表面28。这样，限定第三平面45C 的电流回路基本上垂直于制品表面28。然而，平面45A、45B和45C可以在其它位置中取向， 使得第三平面45C(即限定第三平面45C的电流回路)基本上不平行于附接RFID标签的制 品表面28，但仍与制品表面28形成一定角度。即，3D环形天线22可以任何构型取向，使得 平面45C基本上不平行于制品表面28。然而，一般来讲可能理想的是将3D环形天线22取 向，使得平面45C基本上垂直于制品表面28，因为此构型可以实现最大的读取范围。可能并 不理想的是将3D环形天线22取向为使得平面45C基本上平行于制品表面28，因为这种构 型在制品表面28内不引起可建设性地添加到由3D环形天线22产生的场中的镜像电流。制品表面28可以是平面的或非平面的制品表面。在图2A所示的实例中，制品表 面28为平表面。在某些情况下，制品表面28为导电材料，例如(但不限于)金属材料，包 括铜、铝、磁性金属和金属合金，例如镍铁导磁合金、石墨复合材料、和导电的其它材料。可 以用粘合剂(未示出)将RFID标签20附接到制品表面28。粘合剂可以由任何合适的粘 合剂形成，这可能取决于RFID标签20的具体应用。例如，在一些实施例中，粘合剂可以为 压敏粘合剂或胶带。在替代实施例中，可以用安装构件或其它合适的附接模式将RFID标签 20附接到制品表面28。图9-12图解了可以用于将RFID标签20附接到基本上非平表面上 的实例安装构件。在任何情况下，可以将RFID标签20附接到制品表面28，使得3D环形天线22与制 品表面28发生电磁相互作用。在图2A中，可以用导电粘合剂将RFID标签20附接到制品 表面28。因此，当3D环形天线22被RF信号激发时，制品表面28内的电流可以增强由天 线22辐射的场。具体地讲，通过3D环形天线22激发的电流感应其上设置RFID标签的制 品表面28上的一个或多个电流。例如，流经导电部分44的电流可以感应制品表面28上的 电流。制品表面28上感应的电流在图2B中用制品表面28内的虚线箭头表示。制品表面28上的感应电流会辐射电磁场。与感应电流可抵消天线场的至少一部 分的常规天线构型不同，3D环形天线22取向为使得制品表面28上的感应电流不抵消3D环 形由天线22辐射的场的一部分。更具体地讲，制品表面28上的感应电流不抵消由3D环形 天线22辐射的场，因为限定第三平面的电流回路基本上不平行于制品表面28的平面。事 实上，在某些情况下，由于3D环形天线22的取向，制品表面28内的感应电流所产生的场实 际上可以增强由3D环形天线22辐射的场。例如，制品表面28可以充当成像3D环形天线 22的地平面。如下文相对于图2B的更详细的描述，由3D环形天线22和导电表面28形成 的电流回路限定尺寸大约为3D环形天线22的实际尺寸的两倍的“虚拟天线”。即，由天线 22产生的场的量级基本上提高了。如此前所述，本领域所熟知的某些2D和3D天线几何形状当附接到导电表面上时 可能显示具有过度限制的读取范围。然而，与本领域已知的许多其它2D和3D天线几何形 状相比，3D环形天线22在制品表面28内感应的电流使RFID标签20能够具有增大的读取 范围。证明RFID标签的读取范围与RFID标签20类似的实验结果示于下表1中。可以对3D环形天线22的长度LANT、宽度Want和高度Hant进行选择，以增强由3D环 形天线22产生的场的效应。换句话讲，长度Lant、宽度Want和高度Hant影响RFID标签20的 读取范围。因此，3D环形天线22的具体读取范围可以在长度Lant、宽度Want和高度Hant的某 些范围内得以优化。在一些实施例中，例如在尺寸不是主要设计参数的实施例中，选择的长度Lwt可以在标签20的工作频率的大约四分之一波长至大约二分之一波长的范围内。以 915MHz为例，选择的长度Lant可以在大约0. 5英寸至大约6英寸(大约1厘米至大约15厘 米)的范围内。选择的宽度Want通常可以与长度成比例，和/或用其它已知的指导原则进行 选择。再以915MHz为例，选择的宽度Want可以在大约0. 25英寸至大约1. 5英寸(大约6毫 米至大约40毫米)的范围内。在一些实施例中，形成3D环形天线的导电部分的长度和宽度 基本上大于其厚度。在图2A图解的实例中，导电部分40和44的长度等于天线长度Lant，宽 度等于天线宽度WANT。导电部分40和44以及42和46的实例厚度可以在大约0. 00025英 寸至大约0. 04英寸(大约0. 006mm至Imm)的范围内、更优选地在大约0. 001英寸至0. 01 英寸(大约0. 025mm至0. 25mm)的范围内。3D环形天线22的高度Hant取决于多个因素，包括设置在导电部分40与44之间的 垫片材料24的高度。选择的高度Hant可以使得RFID标签20不会从附接RFID标签20的 制品表面28显著地突出。如果RFID标签20从制品表面28显著地突出，RFID标签20和 /或天线22可能易受损坏。也可以选择高度Hant，使得3D环形天线22不会显著干扰紧邻 RFID标签20的元件。例如，高度Hant可以在大约0. 02英寸至大约0. 4英寸(大约0. 5毫 米至大约10毫米)的范围内。应当理解，其它高度也是可以的。对于大于915MHz的工作频率，长度Lant和高度Hant可以相应地减小，对于小于 915MHz的工作频率，长度Lant和高度Hant可以相应地增大。因此，应当理解，这些值仅是示 例性的，并且不应视为以任何方式限制本发明的范围。此外，尽管通常认为理想情况是RFID 标签的尺寸尽可能小，但本公开所述的RFID标签(例如RFID标签20)可以被构造为适合 应用的任何尺寸。垫片材料24可以由固体材料或由整体颗粒物组成的材料形成。合适的垫片材料 24包括重量较轻的非导电材料，例如(但不限于)聚碳酸酯。另一种合适的垫片材料可以 是低损耗磁性材料。RFID标签20也可以不使用垫片材料24来构造。S卩，3D环形天线22 的中心或孔可以填充空气，而不是固体材料。这样，空气可以充当垫片材料24。因为与固体 或整体颗粒材料相比，空气的重量较轻，所以在(例如)航空应用和其它运输应用中，空气 可能是理想和特别有利的。3D环形天线22的具体性质取决于RFID标签20所需的工作频率。天线22接收 由询问器(如图1的阅读器16)辐射的射频(RF)能量。例如，询问器发出的RF信号可以 是超高频率(UHF) RF信号，通常是指约300兆赫(MHz)至约3千兆赫(GHz)范围内的频率。 该RF能量将功率和指令两者承载到RFID标签20。在一个实施例中，3D环形天线22从询 问器收集RF能量，并将能量转换以向IC芯片26供电，该IC芯片提供有待询问器检测的响 应。因此，3D环形天线22的性质或特性(即设计参数)应与其结合的系统相匹配。更具体地讲，为了实现增强的功率传递，3D环形天线22的阻抗可以共轭方式与IC 芯片26的阻抗相匹配。一般来讲，RFID IC硅芯片具有低电阻和较大的负电抗。因此，为 了实现共轭匹配，可以将3D环形天线22设计为具有相等的电阻和大小相等方向相反的较 大负电抗。然而，当3D环形天线22放得极近时，即与导电材料(例如金属或液体)发生电 磁接触(或相互作用)时，3D环形天线22的阻抗会失谐，从而导致功率传递损失。特别是 相对于3D环形天线22，当3D环形天线22附接到导电表面(例如制品表面28)上时，其阻 抗会被改变。
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可以调整3D环形天线22的维度，即长度LANT、宽度Want和高度HANT，以使3D环形天 线22的阻抗与IC芯片26的阻抗相匹配。此外，还可以调节馈电点Fant，即3D环形天线22 上连接IC芯片26的位置，以改变3D环形天线22的阻抗，以更好地匹配IC芯片26的阻抗。 如图2所示，测得的馈电点Fant在RFID标签20的中心34(在图2中用竖虚线表示)与IC 芯片26的位置之间。在一些实施例中，可以调节馈电点FANT，使得IC芯片26直接连接到制 品表面28。在这种情况下，IC 26直接接地。如果以该方法调节图2A中的馈电点Fant，示出 的IC芯片26将位于侧42或侧46上。3D环形天线22与IC芯片26的阻抗匹配可以称为 3D环形天线22的“调谐”。图2B为结合制品表面28的RFID标签20的剖视图。相同的参考标号代表相同的 部件。如上所述，RF信号18激发流经3D环形天线22的电流，因此形成通过导电部分40、 42、44和46的电流回路。通过3D环形天线22的电流回路用箭头表示。如果制品表面28 适当的大，制品表面28就可以充当地平面。采用镜像原理，可建立3D环形天线22的代表 性电气模型。使用该电气模型可见，由于制品表面28的原因，电流回路的面积大约为3D环 形天线22的物理面积的两倍大。具体地讲，制品表面28可增大电流回路的面积，而电流回 路可增强整体辐射。又如，3D环形天线的至少一部分由附接RFID标签的导电制品表面的一部分限定。 该实例如图3A和图3B进一步所示。图3A为包括3D环形天线52的RFID标签50的另一个实例构型的示意透视图。在 图3A中，RFID标签50包括3D环形天线52、垫片材料54、IC芯片26和制品表面58。RFID 标签50通常以与图2中的RFID标签20类似的方式工作。然而，RFID标签50的构型与 RFID标签20的构型不同。具体地讲，图3A中的2D导电材料条60不完全围绕垫片材料54。 相反，2D条60包括在2D条60的相对两端上的结构51A和51B，该结构连接到制品表面58 上。这样，制品表面58形成3D环形天线52的至少一部分。在一个实例+中，结构5IA和5IB可以直接连接到制品表面58，即电连接到制品表 面58。又如，结构51A和51B可以间接连接到制品表面58，如通过电磁耦合连接到制品表 面58。即，在前一个实例中，结构51A和51B可以通过(如)导电粘合剂“直接”接触制品 表面58，在后一个实例中，通过电磁耦合接触表面58，如通过间隙层。间隙层可以(例如) 具有在结构51A、51B与制品表面58之间的电“间隙”的非导电粘合剂。然而，在两种情况 下，当RFID标签50被RF信号激发时，3D环形天线52的至少一部分由制品表面58形成。 更具体地讲，电流连续流经2D导电材料条60和制品表面58的一部分，以形成闭合电路。如图3A所示，2D条60可以包括电耦合到IC芯片26的两个单独的2D条。然而， 为清楚起见，在本公开中，这两个单独的2D条可以统称为“2D条60”。在其它实施例中，2D 导电材料条60可以包括单个连续的导电材料件。图3A图解了限定三个导电部分62、64和 66以及结构5IA和5IB的2D条60。在本公开中，结构5IA和5IB可以称为“翼5IA和51B” 或“接触点”。导电部分62、64和66被设置为围绕垫片材料24缠绕，同时使垫片材料24的 底部部分暴露于制品表面58。这样，导电部分62、64、66和制品表面58限定基本上由垫片 材料24填充的空间，导电部分66和64各限定基本上垂直于制品表面58的平面的至少一 部分的平面。在一些实施例中，制品表面58也可以包括曲线部分，在这种情况下，导电部分 64和66可以基本上不垂直于整个制品表面58。如前文相对于图2所述，垫片材料24可以
18是空气或固体电介质材料，例如(但不限于)聚碳酸酯。3D环形天线52的第一导电部分60的长度和宽度基本上超出其厚度。第一导电部 分60位于第一平面55A内。在图2图解的实例中，第一平面55A位于x-y平面内。3D环形 天线52的翼51A和51B的长度和宽度也基本上超出翼51A或51B的厚度。翼51A和51B 位于基本上平行于第一平面55A的第二平面55B内。更具体地讲，第二平面55B也基本上 位于x-y平面内。第一导电部分62通过导电部分66和64分别电耦合到翼5IA和5IB。RF信号18激发流经电流回路57A中的导电部分62、64和66以及制品表面58的 电流，其中电流回路位于第三平面55C内。如图所示，电流回路57A所在的第三平面55C基 本上不平行于第一平面55A和第二平面55B。在一些实施例中，第三平面55C可以基本上垂 直于第一平面55A和第二平面55B。在图3A所示的示例性实施例中，第三平面55C位于垂 直于x-y平面的x-z平面内。在图3图解的实例中，RFID标签50被构造为使得当设置在制品表面58上时，第 一平面55A和第二平面55B基本上平行于制品表面58。这样，限定第三平面55C的电流回 路57A基本上垂直于制品表面58。然而，导电部分可以在其它位置中取向，使得电流回路 57A限定基本上不平行于附接RFID标签的制品表面58的第三平面，但仍与制品表面58形 成一定角度。即，3D环形天线52可以任何构型取向，使得平面55C基本上不平行于制品表 面58。然而，一般来讲可能理想的是将3D环形天线52取向为使得平面55C基本上垂直于 制品表面58，因为此构型可以实现最大的读取范围。如图3A所示，导电部分62具有长度LP1，并且基本上平行于制品表面58。形成翼 51A和51B的导电部分分别具有长度Lp2a和LP2b。长度Lp2a和Lp2b可以(例如)为大约0. 5 英寸和1英寸。在该实例中，长度基本上相等的长度。然而，在其它实施例中， 长度Lp2a和Lp2b可以是不同的长度。导电部分64和66基本上彼此平行，并且具有基本上等 于高度Hant的长度。在其它实施例中，导电部分64和66基本上彼此不平行。导电部分62、 64和66以及翼51A和51B具有沿着y轴方向测得的均一宽度1 。然而，在其它实施例中， 导电部分62、64和66或翼51A和51B中的任何者的宽度可以有差别。翼51A和51B沿着 χ轴方向延伸超过垫片材料24的任一侧，并且将2D条60直接连接或电磁耦合到制品表面 58。这样，翼51A和51B充当将2D条60连接到制品表面58的接触点。当2D条60和制品 表面58彼此电磁耦合时，每一个翼51A和51B可起到平行板电容器的一个侧的作用，而另 一侧由制品表面58的基础部分形成。可以将翼51A和51B的尺寸设计为使得电容器接近 短路或使得它形成另一个阻抗调谐元件。如上文相对于图3所述，导电部分62、64和66和 /或翼51A和51B可以具有不同的宽度和长度。可以根据所需的电容值选择翼51A和51B的尺寸，特别是接触制品表面58的表面 积。例如，可以用以下公式1和2计算实现具体电容值所需的翼51A、51B的尺寸。可以将 工作频率连同足以实现短路的阻抗值输入公式1。然后可用公式1求解电容值C。然后将 电容值C的计算值输入具有介电常数和距离(即翼51A或51B中的一个与表面58之间的 距离)的公式2。然后可用公式2求解可用于设计翼51A和51B的尺寸的面积。例如，在使 用工作频率为915的情况下，大约30皮法(pF)或更大的电容来接近短路可能是理想的。公式1 (Z = Ι/j ω C) Ζ=1/jωC
公式2 (C = ε A/D) C =—在上述公式中，Z为电抗，ω为频率(弧度/秒)，C为电容，A为电容板的面积，D 为电容板之间的距离，ε为间隙的介电常数。一般来讲，RFID标签50的工作方式与RFID标签20类似。S卩，当被RF信号激发 后，电流连续流经3D环形天线52，如2D条60和翼51Α与51Β之间的制品表面58的一部 分。然而，制品表面58不仅可充当3D环形天线的一部分，还可在制品表面58内感应电流。 例如，制品表面58再次可以充当成像2D条60中的电流的地平面。如相对于图3Β更详细 所述，相对于制品表面58的电流回路导致镜像的电流，从而增强由3D环形天线52辐射的 场。这样，3D环形天线52工作时，其尺寸就好像大约是3D环形天线52的两倍。换句话讲， 所得场的大小增大，从而增大3D环形天线52的读取范围。可以再次选择具体长度Lant、宽度Want和Hant,以调谐3D环形天线52。此外，还可 以选择导电部分62 (Lpi)、64和66以及翼51Α和51B(LP2a和Lp2b)的长度和宽度，以调谐3D 环形天线52。RFID标签50中的垫片材料54可以与RFID标签20所用垫片材料24相同。 另外，可以调节馈电点Fnat以实现相同的读取范围，但RFID标签50的长度Lant和/或厚度 Hant较小。这在下文中更详细地描述。可以通过与RFID标签20类似的方式将RFID标签50附接到制品表面58。S卩，可 以将粘合剂(例如压敏粘合剂)、胶带或泡沫附接到RFID标签50的下部，以便将其固定到 表面58上。在一些实施例中，可以将粘合剂涂敷到垫片材料54以及翼51A和51B上。然 而，在其它实施例中，可以将粘合剂只涂敷到垫片材料54上。如此前所述，粘合剂可以是导 电的，从而在2D条60与制品表面58之间提供直接电气连接。粘合剂也可以是非导电的， 从而在2D条60与制品表面58之间形成电容耦合。或者，可以用安装构件或其它机械装置 将RFID标签50附接到表面58。实例安装构件如下文所述。根据本公开的RFID标签也可以用于希望增大读取范围以及在制品上施加RFID标 签的有限空间的应用，无论制品是否导电。对于许多应用而言，希望减小RFID标签20的长 度和宽度，以便适应某些尺寸的制品或以其它方式限制RFID标签所占用的制品表面积大 小。然而，这样改进RFID标签的维度可能因共振频率偏移至较高频率而使UHF应用的RFID 标签失谐。RFID标签的失谐如图4A、图4B、图5A和图5B所示。如下文参照图4A、图4B、图 5A、图5B、图6A、图6B、图7A和图7B所述，实验结果表明可以通过调节馈电点Fant使RFID 标签14失谐，该馈电点是沿着χ轴方向(沿着RFID标签的长度)在IC芯片的中心与天 线的中心34(通常为RFID标签的中心)之间测得的。因此，可以通过调节馈电点Fant缩短 3D环形天线和/或使其更薄，同时保持相对较长的读取范围，如大于大约10英尺(大约3 米)。图7A和图7B图解了具有多种馈电点的RFID标签的性能。在一些实施例中，RFID标签的尺寸可以设计为大约等于或小于工作频率的四分之 一波长。例如，在使用915MHz的工作频率的情况下，RFID标签的长度可以等于或小于大约 lcm，即使当附接到导电表面上时，也可以保持良好的读取范围。图3B为结合制品表面58的RFID标签50的剖视图。相同的参考标号代表相同的 部件。如上所述，导电部分62、64、66和导电制品表面58形成闭环。RF信号18激发流经导 电部分62、64、66的电流，如实线箭头所示。如果制品表面58适当的大，制品表面58就可以充当地平面。采用镜像原理，可建立3D环形天线22的代表性电气模型。使用该电气模 型可见，由于制品表面58的原因，电流回路的面积大约为3D环形天线22的物理面积的两 倍大。具体地讲，制品表面58可增大电流回路的面积，而电流回路可增强整体辐射。图4A、图4B、图5A、图5B、图6A、图6B、图7A和图7B为展示根据本发明的RFID标 签(如RFID标签20或RFID标签50)的可调谐实质的图。这些图提供天线阻抗(从IC看 到)的实(电阻)部分和虚(电抗)部分随频率的变化。更具体地讲，图4A-7B将RFID标 签的环形天线的长度、宽度、高度和馈电点参数化，并且提供了用于设计RFID标签的参数， 该RFID标签显示具有在性能与尺寸(即波形因子)之间的所需平衡。如上所述，环形天线 的长度、宽度和高度可以包括多种导电部分(包括导电翼51A和51B)，可通过调节导电部分 的长度和宽度来调谐RFID标签的环形天线。图4A-7B所示的图是使用安装有得自Computer SimulationTechnology (Wellesley Hi lis, Massachusetts)的 CST MicrowaveStudio 软件 的计算机建模系统生成的。具体地讲，图4A图解了长度Lant分别为约50mm、约75mm和约IOOmm的RFID标签 的实例电阻曲线70A、72A和74A。图4B中的曲线70B、72B和74B分别为长度Lant等于约 50mm、约75mm和约IOOmm的RFID标签的电抗曲线。在该实例中，可以通过改变Lant将RFID 标签调谐至具体阻抗，并且设计为以915MHz的频率工作。对于图4A和图4B中的每一条 曲线，其它参数(如宽度Want、高度Hant和馈电点Fant)都保持恒定。具体地讲，宽度Want为 约12. 5mm,高度Hant为约5mm，馈电点Fant为约Omm(即IC芯片与3D环形天线的中心34 — 致)。图4A和图4B所示的曲线表明，RFID标签缩短时，共振频率变大。图5A和图5B为展示将根据本发明的RFID标签的宽度Want参数化的实例电阻曲线 和电抗曲线图。曲线80A和80B、82A和82B、84A和84B以及86A和86B分别为宽度Want等 于约12. 5mm、约25mm、约37. 5mm和约50mm的RFID标签的电阻曲线和电抗曲线。长度LMT、 高度Hant和馈电点Fant分别为约100mm、5mm和Omm。因此，图5A和图5B所示的曲线表明， 减小RFID标签的宽度可增大共振的斜率，即Q。变化的斜率可有助于使3D环形天线的阻抗 与不同的IC芯片阻抗值相匹配。图6A和图6B为展示将根据本发明的RFID标签的高度Hant参数化的实例电阻曲 线和电抗曲线图。曲线90A和90B、92A和92B以及94A和94B分别为高度Hant等于约2mm、 约4mm和约6mm的RFID标签的电阻曲线和电抗曲线。图6A和图6B所示的计算机建模结
果表明，减小标签厚度可提高共振频率。图7A和图7B为展示将根据本发明的RFID标签的馈电点Fant参数化的实例电阻 曲线和电抗曲线图。在图7A中，曲线100A、102A、104A、106A和108A分别为馈电点Fant等 于约5mm、约15mm、约25mm、约35mm和约45mm的RFID标签的电阻曲线。在图7B中，曲线 100B、102B、104B、106B和108B分别为馈电点Fant等于约5mm、约15mm、约25mm、约35mm和约 45mm的RFID标签的电抗曲线。RFID标签的长度LANT、宽度Want和高度Hant分别为约100mm、 约12. 5mm和约5mm。图7A和图7B所示的图表明，增大RFID标签的馈电点Fant可降低RFID 标签的第一共振频率。如此前所述，可能理想的是，在某些应用中减小RFID标签的长度Lant和高度Hant， 以便适应附接到相对较小的制品或具有有限空间的制品。在这些应用中，附接RFID标签的 空间可能是有限的。然而，如图4A-4B和图6A-6B所示，减小RFID标签的长度Lant和高度Hant可提高共振频率，从而可能会使RFID失谐。然而，如图7A、图7B所示，调节馈电点Fant 可降低共振频率。因此，可以通过调节馈电点Fant缓解因RFID标签缩短和/或变薄而带来 的不利影响。图8为用于测试RFID标签112的读取范围的测试系统110的示意图。测试环境 110通常包括阅读器114(安装在地面116以上高度H的托架上)、RFID标签112、测试表面 118和支承体120。以下讨论的实验在小型无回声室中进行。为抑制电磁干扰，室的内部用 铜片材屏蔽。在铜片材的顶部，整个室内都固定有蓝色吸收锥，以抑制室内的电磁波反射。 阅读器114设置在室的一端处，RFID标签112设置在室的另一端处。阅读器114与RFID标 签112之间的距离为大约5英尺。下文所述的实验中使用了不同的RFID标签。RFID标签被设计成证实具有图5A-8B 所示的3D环形天线的RFID标签的长度Lmt、宽度WANT、高度Hant和馈电点Fant的参数化结果。 例如，相对于实验1，使用了五个不同的RFID标签。在这种情况下，RFID标签中的每一个都 被构造为与图2中的RFID标签20的构型类似的构型。实验2-4是用得自实验1的RFID标 签中的某一个进行的。实验5是用具有与图3A中的RFID标签50类似的构型的两个RFID 标签进行的。在该实验中的每一个中，所有标签都用5mm厚的发泡芯和约12. 5mm宽的铜条 制成，其中铜条的背面具有导电粘合剂，以用于将标签附接到测试表面138。所用的硅IC芯 片为 Phillips ISO 18000-6B 封装元件。用测试系统110测试导电测试表面138和非导电测试表面上的RFID标签 112的读取范围。铜片材用作导电表面。测试导电测试表面上的RFID标签112时， 用得自 3M Innovative Properties 公司(St. Paul, Minnesota)的 Double Stick Scotch Tape (Scotch 双面胶带)将RFID标签112附接到测试表面138。为测试非导电表 面上的RFID芯片112的性能，在发泡芯上测试RFID芯片112，其性质与自由空间没有显著 不同。因此，发泡芯近似自由空间。为确定RFID标签112的读取范围，将阅读器114的功率电平设置为某个值，然后 以IdB的增量衰减，直到标签112不再可读。具体地讲，将阅读器114的功率电平设置为 31dBm，并且假定电缆损耗为ldB。因此，阅读器114的所得输出功率为30dBm。以下公式3 和4提供了从衰减的功率(dB)向理论预期范围(英尺)的转换。
权利要求
一种射频识别(RFID)标签，包括环形天线，所述环形天线包括第一导电部分，所述第一导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第一导电部分的所述长度和所述宽度基本上位于第一平面内，所述第一导电部分的至少一部分形成用于调谐所述环形天线的阻抗的调谐元件；和第二导电部分，所述第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第二导电部分的所述长度和所述宽度基本上位于基本上平行于所述第一平面的第二平面内，所述第二导电部分被电耦合到所述第一导电部分上；和电连接到所述环形天线上的RFID电路，其中通过所述环形天线激发电流流经电流回路中的所述第一导电部分和所述第二导电部分，所述电流回路位于基本上垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面内。
2.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述RFID标签被构造为使得当被附接到制 品表面上时，所述第三平面基本上垂直于所述制品的表面。
3.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述第二导电部分连接到制品的导电表面 上，形成位于所述第三平面内的所述电流回路。
4.根据权利要求3所述的RFID标签，其中所述第二导电部分包括一对接触点，所述接 触点连接到所述导电表面，以形成所述电流回路。
5.根据权利要求3所述的RFID标签，其中所述第二导电部分电耦合到所述制品的所述 导电表面，以形成所述电流回路。
6.根据权利要求3所述的RFID标签，其中所述第二导电部分电磁耦合到所述制品的所 述导电表面，以形成所述电流回路。
7.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述RFID标签被构造为使得流经所述环形 天线的电流在附接所述RFID标签的制品的导电表面内感应电流，以增强由所述环形天线 产生的磁场。
8.根据权利要求7所述的RFID标签，其中在所述制品的所述导电表面内感应的所述电 流使由所述环形天线的所述电流回路封闭的区域基本上加倍。
9.根据权利要求1所述的RFID标签，所述环形天线限定长度，其中所述RFID电路处于 所述长度的中心。
10.根据权利要求1所述的RFID标签，所述环形天线限定长度，其中所述RFID电路偏 离于所述环形天线的所述长度的中心。
11.根据权利要求1所述的RFID标签，其中其中所述第一导电部分包括在所述第一导 电部分中形成间隙的至少一个狭缝，其用作调谐元件，以用于将所述天线的所述阻抗调谐 为与连接所述天线的所述RFID电路的阻抗基本上匹配。
12.根据权利要求11所述的RFID标签，其中所述RFID电路在偏离于所述环形天线中 心的位置处被连接到所述环形天线的第一导电部分，并且在所述环形天线的第一导电部分 中形成间隙的所述狭缝以所述RFID电路偏离所述环形天线中心的相同方向偏离所述RFID 电路。
13.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述第一导电部分包括第一导电迹线，所述 第一导电迹线基本上与第二导电迹线的至少一部分重叠，以形成所述调谐元件，以用于将所述天线的所述阻抗调谐为与连接所述天线的所述RFID电路的阻抗基本上匹配。
14.根据权利要求12所述的RFID标签，还包括分离所述重叠导电迹线的非导电材料。
15.根据权利要求12所述的RFID标签，其中所述RFID电路在偏离于所述环形天线 中心的位置处被连接到所述环形天线的第一导电部分，并且所述重叠导电迹线以所述RFID 电路偏离所述环形天线中心的相同方向偏离所述RFID电路。
16.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述环形天线被调谐为在所述射频频谱的 超高频率(UHF)范围内工作。
17.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述第一导电部分的所述长度和所述第二 导电部分的所述长度为至少大约50毫米(mm)，所述第一导电部分的所述宽度和所述第二 导电部分的所述宽度在大约12_50mm之间，并且所述第一导电部分和所述第二导电部分的 所述厚度为小于大约1mm。
18.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述环形天线限定内部空间，所述RFID标 签还包括设置在所述内部空间内的垫片材料。
19.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述RFID电路包括集成电路(IC)、表面声 波(SAW)和有机电路中的一者。
20.一种射频识别(RFID)系统，包括阅读器单元，所述阅读器单元被构造为输出询问射频(RF)场；禾口RFID标签，所述RFID标签包括环形天线，所述环形天线包括第一导电部分，所述第一导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第一导 电部分的所述长度和所述宽度基本上位于第一平面内，所述第一导电部分的至少一部分形 成用于调谐所述天线的阻抗的调谐元件；和第二导电部分，所述第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第二导 电部分的所述长度和所述宽度基本上位于基本上平行于所述第一平面的第二平面内，所述 第二导电部分被电耦合到所述第一导电部分上；和电连接到所述环形天线上的RFID电路，其中激发电流流经电流回路中的所述第一导 电部分和所述第二导电部分，以响应所述询问RF信号而输出RF信号，所述电流回路位于基 本上垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面内。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述RFID标签被构造为使得当被附接到制品的 表面时，所述第三平面基本上垂直于所述制品的所述表面。
22.根据权利要求20所述的系统，其中所述第二导电部分连接到制品的导电表面上， 形成位于所述第三平面内的所述电流回路。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述第二导电部分包括一对连接到所述导电表 面上的接触点。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述第二导电部分通过电气连接和电磁耦合之 一连接到所述制品的所述导电表面，以形成所述电流回路。
25.根据权利要求20所述的系统，其中所述RFID标签被构造为使得流经所述环形天线 的电流在连接所述RFID标签的制品的导电表面内感应电流，以增强由所述环形天线产生的磁场。
26.根据权利要求25所述的系统，其中在所述制品的所述导电表面内感应的所述电流 使所述环形天线的所述磁场基本上加倍。
27.根据权利要求20所述的系统，所述环形天线限定长度，其中所述IC芯片处于所述 长度中心。
28.根据权利要求20所述的系统，所述环形天线限定长度，其中所述IC芯片偏离于所 述环形天线的所述长度的中心。
29.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一导电部分包括在所述第一导电部分中 形成间隙的至少一个狭缝，所述狭缝用作所述调谐元件，以用于将所述天线的所述阻抗调 谐为与连接所述天线的所述RFID电路的阻抗基本上匹配。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述RFID电路在偏离于所述环形天线的中心 的位置处被连接到所述环形天线的第一导电部分，并且在所述环形天线的第一导电部分中 形成间隙的所述狭缝以所述RFID电路偏离所述环形天线中心的相同方向偏离所述RFID电 路。
31.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一导电部分包括第一导电迹线，所述第 一导电迹线基本上与第二导电迹线的至少一部分重叠，以形成所述调谐元件，以用于将所 述天线的所述阻抗调谐为与连接所述天线的所述RFID电路的阻抗基本上匹配。
32.根据权利要求31所述的系统，还包括分离所述重叠导电迹线的非导电材料。
33.根据权利要求31所述的系统，其中所述RFID电路在偏离于所述环形天线的中心的 位置处被连接到所述环形天线的第一导电部分，并且所述重叠导电迹线以所述RFID电路 偏离所述环形天线中心的相同方向偏离所述RFID电路。
34.根据权利要求20所述的系统，其中所述环形天线在所述射频频谱的超高频率 (UHF)范围内工作。
35.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一导电部分的所述长度和所述第二导电 部分的所述长度为至少大约50毫米(mm)，所述第一导电部分的所述宽度和所述第二导电 部分的所述宽度在大约12_50mm之间，并且所述第一导电部分和所述第二导电部分的所述 厚度为小于大约1mm。
36.一种制品，包括导电表面；和射频识别(RFID)标签，所述RFID标签连接到所述制品的所述导电表面，所述RFID标 签包括环形天线，所述环形天线包括第一导电部分，所述第一导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第一导 电部分的所述长度和所述宽度基本上位于第一平面内，所述第一导电部分的至少一部分形 成用于调谐所述环形天线的阻抗的调谐元件；和第二导电部分，所述第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第二导 电部分的所述长度和所述宽度基本上位于基本上平行于所述第一平面的第二平面内，所述 第二导电部分被电耦合到所述第一导电部分上；和电连接到所述环形天线上的RFID电路，其中通过所述环形天线激发电流流经电流回路中的所述第一导电部分和所述第二导电部分，所述电流回路位于基本上不平行于所述制 品的所述导电表面的第三平面内。
37.根据权利要求36所述的制品，其中所述RFID标签被构造为使得所述第三平面基本 上垂直于所述制品的所述导电表面。
38.根据权利要求36所述的系统，其中所述第二导电部分连接到所述制品的所述导电 表面上，以形成位于所述第三平面内的所述电流回路。
39.根据权利要求38所述的制品，其中所述第二导电部分包括一对连接到所述制品的 所述导电表面上的接触点。
40.根据权利要求38所述的系统，其中所述第二导电部分通过电气连接和电磁耦合之 一连接到所述制品的所述导电表面，以形成所述电流回路。
41.根据权利要求36所述的制品，其中所述RFID标签被构造为使得流经所述环形天线 的电流在所述制品的导电表面内感应电流，以增强由所述环形天线产生的磁场。
42.根据权利要求41所述的制品，其中在所述制品的所述导电表面内感应的所述电流 使所述环形天线的所述磁场基本上加倍。
43.根据权利要求36所述的制品，其中所述第一导电部分包括在所述第一导电部分中 形成间隙的至少一个狭缝，所述狭缝用作调谐元件，以用于将所述天线的所述阻抗调谐为 与连接所述天线的所述RFID电路的阻抗基本上匹配。
44.根据权利要求43所述的制品，其中所述RFID电路在偏离于所述环形天线的中心 的位置处被连接到所述环形天线的第一导电部分，并且在所述环形天线的第一导电部分中 形成间隙的所述狭缝以所述RFID电路偏离所述环形天线中心的相同方向偏离所述RFID电 路。
45.根据权利要求36所述的制品，其中所述第一导电部分包括第一导电迹线，所述第 一导电迹线基本上与第二导电迹线的至少一部分重叠，以形成所述调谐元件，以用于将所 述天线的所述阻抗调谐为与连接所述天线的所述RFID电路的阻抗基本上匹配。
46.根据权利要求45所述的制品，还包括分离所述重叠导电迹线的非导电材料。
47.根据权利要求45所述的制品，其中所述RFID电路在偏离于所述环形天线的中心的 位置处被连接到所述环形天线的第一导电部分，并且所述重叠导电迹线以所述RFID电路 偏离所述环形天线中心的相同方向偏离所述RFID电路。
48.一种组件，包括射频识别(RFID)标签；安装构件，所述安装构件被构造为将所述RFID标签安装到基本上非平面的表面上，所 述安装构件包括基本上平坦的柔性基座构件，所述基座构件包括上表面和与所述上表面相对的下表 面；和多个从所述下表面伸出的安装结构。
49.根据权利要求48所述的组件，其中所述多个安装结构为下列中的一者各自包括 沿着所述RFID标签的长度取向的纵向轴线的多个肋，所述多个肋包括横跨所述RFID标签 的长度取向的所述纵向轴线；从所述基座构件的下表面突出的多个柱状结构；或形成一个 或多个以至少相对于所述RFID标签的方向延伸的沟槽的多个安装结构。
50.根据权利要求48所述的组件，其中所述多个安装结构彼此间隔开。
51.根据权利要求48所述的组件，其中所述安装结构中的每一个具有锥形边缘。
52.根据权利要求48所述的组件，其中所述多个安装结构与所述基座构件为整体构成。
53.根据权利要求48所述的组件，其中所述RFID标签包括环形天线，所述环形天线包括第一导电部分，所述第一导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第一导 电部分的所述长度和所述宽度基本上位于第一平面内；和第二导电部分，所述第二导电部分的长度和宽度基本上超出其厚度，其中所述第二导 电部分的所述长度和所述宽度基本上位于基本上平行于所述第一平面的第二平面内，所述 第二导电部分被电耦合到所述第一导电部分上；和电连接到所述环形天线上的RFID电路，其中通过所述环形天线激发电流流经电流回 路中的所述第一导电部分和所述第二导电部分，所述电流回路位于基本上垂直于所述第一 平面和所述第二平面的第三平面内。
54.一种方法，包括用固化性树脂至少部分地填充腔体；将成形工具压入所述腔体中，使所述树脂成形；在所述材料固化后移除所述成形工具，从而限定多个从基座构件伸出的安装结构；从所述腔体中取出所述基座构件和多个安装结构，所述基座构件基本上平坦并且具有 被构造为附接到射频识别(RFID)标签上的上表面和下表面，所述安装结构从所述下表面 伸出；以及将一个或多个RFID标签连接到所述基座构件的上表面上。
55.根据权利要求54所述的方法，其中将所述一个或多个RFID标签连接到所述安装结 构上包括将RFID标签和一个或多个保护膜置于所述腔体的底部，并且其中至少部分地填 充所述腔体包括将所述固化性树脂倾倒在所述保护膜和RFID标签上，所述保护膜用于防 止所述RFID标签被所述树脂损坏。
56.根据权利要求54所述的方法，其中将所述一个或多个RFID标签连接到所述安装结 构上包括将一个或多个RFID标签连接到所述安装结构的上表面上。
57.根据权利要求56所述的方法，其中连接所述RFID标签涉及将粘合剂涂覆到所述安 装结构的上表面上，以及在所述上表面上滚动RFID标签辊。
58.根据权利要求54所述的方法，其中所述多个安装结构包括以下列中的一者沿着 所述RFID标签的长度布置的多个肋形部分；横穿所述RFID标签的长度布置的多个肋形部 分；从所述平坦结构的下表面突出的多个柱状部分；以及在至少相对于所述RFID标签的方 向形成一个或多个沟槽的多个部分。
全文摘要
本公开描述了射频识别(RFID)标签，该射频识别(RFID)标签包括三维(3D)环形天线。所述3D环形天线包括长度和宽度基本上超出厚度的第一导电部分。第一导电部分的长度和宽度基本上位于第一平面内。所述3D环形天线包括长度和宽度基本上超出厚度的第二导电部分。第二导电部分的长度和宽度基本上位于与第一平面基本上平行的第二平面内。电连接到所述环形天线的RFID电路激发电流流经电流回路中的所述第一导电部分和所述第二导电部分，所述电流回路位于基本上不平行于所述第一平面和所述第二平面的第三平面内。在某些情况下，所述第三平面可以基本上垂直于所述第一平面和所述第二平面。
文档编号G06K19/077GK101960471SQ200980108004
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年2月14日
发明者大卫·K·米塞梅, 威廉·C·埃格伯特, 斯瓦加塔·R·班纳吉, 罗伯特·A·萨伊纳蒂 申请人:3M创新有限公司