屏蔽背腔式缝隙去耦合rfid标签的制作方法

屏蔽背腔式缝隙去耦合rfid标签的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种屏蔽背腔式去耦合RFID标签，具有由导电材料壁形成的三维腔体和位于导电材料壁中的用于创建使处于RFID标签工作频率的RF通信信号进入三维腔体和/或从三维腔体输出的主要通道的至少一个缝隙。采用本申请的技术方案，可以在降低对环境特性的敏感度的同时允许标签工作频率范围内的RF通信信号顺利通过。
【专利说明】屏蔽背腔式缝隙去耦合RF ID标签

【技术领域】
[0001]本发明包括屏蔽去耦合RFID标签，该屏蔽去耦合RFID标签包括去耦合器和标签，其中该去耦合器包括由导电材料壁形成的三维腔体、位于该腔体中的标签以及位于导电材料壁中的用于创建使RF通信信号进入三维腔体和/或从三维腔体输出的通道的至少一个缝隙。

【背景技术】
[0002]现今，在市场存在基于空腔共振器构建的去耦合RFID标签，如果放置在可能降低标签性能的表面(例如，金属表面)上，该去耦合RFID标签表现得也较好。在这些设计中，空腔共振器很大程度上将标签(“标签”通常是天线和集成电路(IC)的组合，例如，如果标签由空腔共振器和IC构成，则回路IC或偶极子IC标签或多个标签能够是空腔共振器去耦合IC)与背景表面(background surface)去稱合。因此,与传统偶极子标签相反，当被放置在金属物体上时，这些类型的标签也不完全丧失其性能。
[0003]这些设计中的空腔共振器在两个或者多个表面是开放的(主要来说，在现有实例中侧表面是开放的)并被认为是开放式空腔共振器。因此，来自标签(或者到达标签)的辐射场通过所有这些开口。该场与周围材料直接相互作用，因此，读取范围和工作频带发生改变。因此，从其不会由于环境特性的改变而完全丧失其性能以及其在不同的条件下的性能可接受而且可靠的观点来看，基于开放式空腔共振器的标签对环境不敏感。然而，基于空腔共振器构建的当前RFID标签仍然面临着操作频率的变化以及读取范围的损失，而这些都是不希望的。当读取装置的敏感度较低(读取器可检测到的最小功率水平较高)或在不同的环境中需要相当一致的标签时，该敏感度(频率和读取范围的变化)会产生问题。因此，对不受该频率和/或读取范围敏感度影响的基于空腔共振器的RFID标签存在需求。


【发明内容】

[0004]针对现有技术存在的问题，本发明的一个方案是一种屏蔽去耦合RFID标签，该屏蔽去耦合RFID标签包括:三维腔体，由导电材料壁所包围；单个缝隙，位于导电材料壁中，用于创建使RF通信信号进入三维腔体和/或从三维腔体输出的通道；以及RFID标签，位于该腔体中，其中该RFID标签包括芯片和天线。
[0005]本发明的另一个方案是具有至少一个缝隙开口的至少一个屏蔽金属腔体，其中开口几何形状被设计为在限制信号波与周围环境相互作用(或者将RF组件与周围环境去耦合)以降低对环境特性的敏感度的同时允许标签工作频率范围内的RF通信信号平滑地通过。

【专利附图】

【附图说明】
[0006]图1为本发明的具有管状腔体的屏蔽去耦合RFID标签的实施例；
[0007]图2为本发明的具有由正方形的导电壁形成的腔体的屏蔽去耦合RFID标签的实施例；
[0008]图3为本发明的屏蔽去耦合RFID标签实施例的组件的示意图；
[0009]图4为屏蔽去耦合RFID标签的替代实施例的组件的示意图，其中RFID标签使用印刷电路板方法来制造；
[0010]图5a_5c为本发明的屏蔽去耦合RFID标签实施例的特征，其中图5a为包括RFID标签的内部特征的视图；图5b为RFID标签去耦合器的视图；以及图5c为位于屏蔽去耦合RFID标签的腔体18中的标签(1C/天线结构)的视图；以及
[0011]图6为图5的屏蔽去耦合RFID标签的正入射读取范围响应与频率的绘图，其中RFID标签被放置在三种不同的操作环境中:(i)自由空间中的RFID标签；(ii)安装在小的金属表面上的RFID标签；以及(iii)安装在大的金属表面上的RFID标签。

【具体实施方式】
[0012]本发明涉及屏蔽去耦合RFID标签，该屏蔽去耦合RFID标签包括去耦合器，该去耦合器具有由导电壁形成的容纳标签的腔体结构，其中该腔体结构还包括允许标签与读取器之间的RF通信信号通过缝隙的开口或缝隙。
[0013]术语“标签”在本文用来表示EM标签。EM标签为典型地包括芯片和操控电磁辐射或通信信号的天线结构的器件(例如，RFID器件)。在本发明中使用的标签可以是被动式标签、主动式标签或电池辅助被动式标签。
[0014]本文使用的术语“去耦合器”表示无标签的缝隙腔体结构。
[0015]术语“RFID标签”在本文用来表示去耦合器和标签的组合。
[0016]如上所述，本发明的屏蔽去稱合RFID标签被构建为包括各种标签，该各种标签包括IC和经由辐射将信号传递至IC或从IC传递信号的金属图案天线(例如，回路天线或偶极天线)的组合。去耦合器腔体外的周围环境可以仅通过去耦合器中的一个或多个缝隙(该一个或多个缝隙优选地仅位于该腔体的一个平坦表面(壁)上)访问该“标签”。
[0017]具有一个或多个缝隙的腔体的结构在本文称为去耦合器。由RFID标签读取器发出的电磁场仅经由缝隙开口访问该标签，反之亦然。该缝隙开口被优选布置在腔体表面上，该腔体表面不是直接布置在被RFID标记的物体的表面上或不直接紧密接触被RFID标记的物体的表面。优选的是，该缝隙位于与去耦合器安装表面相对的去耦合器腔体表面。缝隙形状是任意的。然而，为了便于制造，该缝隙将典型地具有限定的几何形状，例如，圆形、环形、正方形、矩形、三角形、十字形、X形、t形、η形等。这些几何形状的组合也是可行的。
[0018]所有其它去耦合器表面优选为实体壁，该实体壁将该腔体与指向该壁的外部电磁场的直接相互作用隔离。本文使用的词语“实体”表示物理上是实体的导电壁——壁中的导电材料是连续不中断的，除了一个或多个缝隙之外。词语“实体”还表示使处于RFID标签工作频率的电磁信号基本上不渗透的壁。
[0019]应注意，标签一旦被布置在腔体中就被高度隔离但并不完全隔离，这是由于辐射的外部电磁场在屏蔽腔体的壁的表面上感生出电流(间接相互作用)，并且这些电流能够与周围环境相互作用，尤其是与被标记物体的组成材料相互作用。然而，这些与电磁场的间接相互作用少于与EM场的直接相互作用。因此，位于腔体中的标签对周围环境(例如，被标记物体的材料)的敏感度显著减小，即，该标签与附接有屏蔽背腔式缝隙去耦合器的物体的表面显著去耦合。例如，布置得靠近或远离金属表面的标签在频率和读取范围方面展示出类似的非常小的变化。当与目前商用标签设计的改变相比，这些变化是很小的。
[0020]本发明的屏蔽去耦合RFID标签能够被调整以用于各种共振场合。例如，去耦合器和标签能够被设计为使得在缝隙不处于共振时标签在工作频带内处于共振。可替代地，去耦合器和标签能够被设计为使得缝隙仅在标签的工作频带内处于共振。在再一个替代实施方式中，去耦合器和标签被设计为使得缝隙和标签这二者在工作频带内都处于共振。在又一个替代实施方式中，去耦合器和标签被设计为使得缝隙、标签以及屏蔽腔体在工作频带内都处于共振。最后，本发明的去耦合器和标签组合能够包括在工作频带内与标签、缝隙和屏蔽腔体共振的包含在屏蔽腔体内的第二金属结构(例如，附加回路或偶极子)。
[0021]本发明的屏蔽背腔式缝隙去耦合器能够包括由任意导电材料制成的壁。可选的一种材料或多种材料能够被用来填充去耦合器腔体。所使用的填充材料能够是空气或任意介电材料、磁性材料或磁介电材料(还已知为基于介电质宿主(dielectric host)和金属包含物的组合构建的人造磁性材料)以及其任意组合。
[0022]填充材料能够被成块或成层地(在本文称为间隔件)放置在腔体中。而且，间隔件能够位于三维腔体内部和/或位于覆盖缝隙的缝隙表面的顶部。这种间隔件布局可以针对不同的目的而进行，包括使结构的尺寸小型化、提高辐射增益、改变或控制指向角以及波束形成。间隔件能够由包括任意介电材料、磁性材料或磁介电材料的任意有用材料制成。当间隔件位于腔体内部时，介电材料可以是空气。
[0023]另外，腔体结构的壁能够包括介电材料衬背(backing)和/或该壁除了包括导电材料之外还能够装入任意介电材料、磁性材料、磁介电材料、人造磁性材料及其组合。
[0024]本发明的屏蔽去耦合RFID标签包括位于去耦合器腔体内部的标签。为了允许读取器与屏蔽去耦合RFID标签之间的处于标签工作频率的RF/微波通信波的较强的传递，为了允许较强的场型式(field patterns),与天线的工作模式相关联的电磁场型式应该被耦合至与缝隙的工作模式相关联的电磁场型式。例如，在屏蔽去耦合RFID标签中，标签天线的第一共振模式可以耦合至缝隙的第一共振模式。在另一个设计中，在天线的第一共振模式与缝隙的第一共振模式去耦合时，天线的第二共振模式可以耦合至缝隙的第一共振模式。如果场型式是正交的，则缝隙和天线被完全去耦合，并且RF微波不通过缝隙到达天线。如果场型式是平行的，则缝隙和天线能够被耦合。这种情况下，如果腔体中天线的位置被调谐，则可以调节缝隙与天线之间的耦合强度，使得其被强耦合并优选地充分耦合，以给IC芯片供电。
[0025]附图示出本发明的屏蔽背腔式缝隙RF去耦合器和RFID标签的一些可行实施例。屏蔽背腔式缝隙RF去耦合器在图1中示出。去耦合器10是管状的并且包括由包括顶壁13、侧壁14以及底壁16的壁形成的腔体18，这些壁每一个均彼此连续且每一个由导电材料制成。有助于RF微波通信信号进出腔体18的环形缝隙12位于顶壁13处。去耦合器10包括安装表面，该安装表面为与缝隙12相对的底壁16。
[0026]图2为屏蔽去耦合RFID标签的另一个实施例，该屏蔽去耦合RFID标签包括具有形成腔体18的屏蔽壁的去耦合器10。该去耦合器包括多个导电矩形壁一形成腔体18的顶壁13、侧壁14以及底壁16。该去耦合器包括在顶壁13上开放的允许RF微波通信信号进出腔体18的矩形缝隙12。包括偶极天线24及其相关IC22的标签位于第一介电间隔件26与第二介电间隔件28 (其全都位于腔体18中)之间的界面30处。
[0027]图3示出本发明的用于构造屏蔽去耦合RFID标签的方法。该方法使用具有由包括顶壁13、侧壁14以及底壁16 (其还用作器件安装表面)的导电矩形壁的组合形成的腔体18的去耦合器10。包括回路天线25和IC芯片22的标签被夹设在第一介电材料间隔件和第二介电材料间隔件26、28之间。该介电夹层结构(dielectric sandwich)然后被放置在腔体18中。然后，通过将金属顶壁13放置在开放的顶部上方，并用被引导穿过顶壁13和侧壁14中的孔23的螺丝钉21将顶壁13连附至侧壁14，完成了该屏蔽去耦合RFID标签。顶壁13能够通过本领域已知的任意其它连附机构(例如，通过使用粘合剂)被连附至侧壁
14。顶壁13包括有助于RF微波通信信号进出腔体18的矩形缝隙12。第一介电间隔件和第二介电间隔件26、28能够用粘合材料在界面30处被可选地彼此连附，并且标签能够同样地被粘合至间隔件之一或全部两个间隔件。
[0028]图4为本发明的屏蔽去耦合RFID标签的又一个实施例，该屏蔽去耦合RFID标签使用两片电路板层压板(laminate)经由平面制造方法来制备，其中每一片包括多个材料层。第一 PCB板32包括具有均匀的金属层33的介电材料芯31以及通过蚀刻已经被部分去除以形成薄的导电周边条34的顶部金属层。PCB板32的侧壁37包括多个紧密地间隔开的金属(优选铜)通孔35 (其在本文还称为通孔篱笆)。多个金属通孔35结合介电芯材料形成侧壁37。每一个金属通孔35的一端被连附至均匀的金属层33并且其第二端被连附至导电周边条34。在侧壁37中，相邻的金属条35之间的距离被设定为使得金属通孔35基本上一起防止处于标签工作频率的RF信号通过侧壁37并进入腔体18。在本实施例中，对于到达腔体18的场传递和来自腔体18的场传递，侧壁37的金属通孔35表现得就像由连续的导电材料制成的壁。优选的是金属通孔35之间的空间小于工作波长的1/15。
[0029]第二 PCB板39在构造上类似于第一 PCB板32，通过每个PCB板的薄的导电周边条34彼此邻接以形成小的腔体18。在第一印刷电路板32的被部分去除的金属顶层上蚀刻出包括环状回路36的标签，并且然后IC芯片22被连附至该标签。类似地，在第二 PCB板39的均匀金属层33上蚀刻开通环形缝隙45。最后，将第一 PCB板和第二 PCB板32、39使用半固化片层(prepreg layer)或通过使用其它粘合材料(未示出)合并以将PCB板接合在一起，从而形成单个多层屏蔽去耦合RFID标签。
[0030]如上所述，对于工作频带，RF通信信号的通过将仅经由环状缝隙45。
[0031]图5a_5c示出本发明的屏蔽去耦合RFID标签的又一个实施例的各种特征。应当注意，图5a-5c中示出的RFID标签将典型地被完全包覆在招箔或铜箔中，除图5b所示的缝隙结构52外。图5a为去耦合器腔体18的视图，其中用剖面线标识内部特性。图5b为具有包括顶壁13、侧壁14以及底壁16的导电壁以及腔体18和缝隙12的RFID标签去耦合器的视图。缝隙12不需要具有与回路天线50相同的几何结构或形状。
[0032]图5c为腔体18的截面的视图，腔体18包括回路天线结构50和与第一介电间隔件26相关联的IC芯片22。图6为当RFID标签暴露于如下三种不同环境中时图5所示的屏蔽去耦合RFID标签的正入射的读取范围响应(RR)与频率的绘图:(i)自由空间或“不在金属上的空间”中的RFID标签；(ii)安装在金属表面上的RFID标签；以及(iii)安装在大的金属表面上的RFID标签。所绘制的结果表明，本发明的屏蔽去耦合RFID标签对周围环境的敏感度非常低。在金属上/不在金属上的响应显示出该结构的共振频率(大约2MHz)的可忽略不计的变化。而且，读取范围的变化较小(最大18%)。图6中的标签的频率响应示出本发明的去耦合RFID标签可以是通用的。图5的屏蔽去耦合RFID标签的天线和缝隙在RFID标签的工作频带内处于共振。在其它实施例中，该腔体能够被设计为在标签的工作频率共振。
[0033]我们还发现本发明的屏蔽背腔式缝隙RF去耦合器的场辐射型式朝向上半球具有较强的主波瓣波束(该半球具有与腔体的缝隙表面之间的边界)。朝向下半球的后旁波瓣和造成主要与安装表面的相互作用的旁波瓣相对较小。本发明的屏蔽背腔式缝隙RF去耦合器可以被设计为在上半球中创建全向辐射型式(其能够沿所有方向/角度基本等同地发送并接收RF信号)，或者本发明的屏蔽背腔式缝隙RF去耦合器可以利用波束形成方法或者通过使用人造磁性材料在上半球被设计为更具方向性(该辐射型式能够针对所设计的角度进行发送和接收)。例如，如果去耦合RFID标签基于屏蔽背腔式缝隙RF去耦合器在上半球设计有全向辐射型式，则其在所有的入射角均提供很相似的读取范围，即，设计对入射角是不敏感的。
[0034]在本发明的一些实施例中使用的介电材料可以选自现在已知的或者未来发现的用于制造RFID标签的任意介电材料。有用介电材料的非限制性实例包括天然纤维或人造纤维、塑料、纤维素、玻璃或者陶瓷。
[0035]在实施例中使用的导电材料可以是已知导电的任意材料，例如，铜箔、铝箔和导电性油墨。
[0036]本发明的屏蔽去耦合器与操纵到达或来自识别器件(例如，RF标签，还已知为RFID标签)的电磁通信信号的EM标签结合是有益的。这种标签使用将该标签从降低其读取性能的表面(例如，金属表面、液体容器的表面以及潮湿表面)去耦合(即隔离)的结构。
[0037]本发明的屏蔽去耦合RFID标签旨在永久或可逆地连附至物体。该连附可以通过本领域已知的任意方法来进行。特别有用的一种方法是将粘合剂涂覆至去耦合器安装表面并用保护纸片将其覆盖。然后，该纸片能够被去除以暴露粘合层，并且然后粘着性地将RFID标签连附至物体表面。可替代地，本发明的屏蔽去耦合RFID标签能够包括安装孔，这些安装孔能够被构造到所连附的物体的表面等。
[0038]本发明的屏蔽去耦合RFID标签可以包括覆盖该器件的非导电外壳。该非导电外壳甚至能够覆盖缝隙而不妨碍器件工作。该外壳能够由用来保护和/或容置RFID标签的任意材料制成。该外壳可以是能够被印刷上的塑料或纸质材料，或者其能够是预先印刷的材料。粘合剂将典型地被用来将该外壳连附至本发明的器件。
[0039]如上所述，天线是典型的与本发明的去耦合器相关联的标签的组件。所使用的天线可以是本领域已知的对去耦合EM标签有用的任意天线。在本发明中使用的标签可以仅需要小的天线。随着去耦合器将辐射耦合到金属腔体中并产生高电场，位于腔体中的标签将在高电场区域中工作，并且可以不需要大的调谐天线。因此本发明的去耦合器能够与所谓的低Q标签一起使用。包括天线的低Q标签可以仅稍微大于芯片本身，并可以被放置在本发明的任意去耦合器腔体中。
[0040]已经以示意性方式描述了本发明。应理解的是，所使用的术语旨在具有描述性词语的本质而非用于限制。考虑以上教导可以对本发明进行许多修改和变型。因此，在所附权利要求的范围内，可以用除了所具体描述的方式之外的方式实现本发明。
【权利要求】
1.一种屏蔽去耦合RFID标签，包括: 去耦合器，包括具有导电材料壁的三维腔体； 标签，位于所述三维腔体中；以及 至少一个缝隙，位于所述导电材料壁中，用于创建使RF通信信号进入所述三维腔体和/或从所述三维腔体输出的通道。
2.根据权利要求1所述的屏蔽去耦合RIFD标签，其中，所述至少一个缝隙是单个缝隙。
3.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述标签包括IC芯片和天线。
4.根据权利要求1-2中任何一个权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述标签是IC芯片和共振器的组合。
5.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述标签相对于所述缝隙被布置使得从所述缝隙到所述天线的耦合场给所述IC供电。
6.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述标签被布置在所述腔体内从所述缝隙到所述天线的场被强耦合的位置处。
7.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，一个或多个间隔件位于所述标签与所述缝 隙之间。
8.根据权利要求7所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述一个或多个间隔件由空气、介电材料、磁性材料、人造磁性材料、磁介电材料及其组合制成。
9.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，一个或多个间隔件被放置在所述缝隙上方。
10.根据权利要求9所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述一个或多个间隔件由介电材料、磁性材料、人造磁性材料、磁介电材料或其组合制成。
11.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，由非导电材料制成的外壳覆盖所述导电材料壁的外表面。
12.根据权利要求11所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，非导电材料外壳罩住所述缝隙。
13.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，非导电材料外壳包括覆盖有安装粘合剂的壁部。
14.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述缝隙在工作频率处共振，例如半波长共振器。
15.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述腔体在工作频率处共振，例如半波长共振器。
16.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述标签在工作频率处共振，例如半波长共振器。
17.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述缝隙的几何形状是任意的。
18.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述缝隙的几何形状选自圆形、环形、正方形、矩形、三角形以及十字形。
19.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，材料大体填充所述三维腔体。
20.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述导电材料壁基本上防止处于工作频率的RF信号进入所述腔体。
21.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，与所述缝隙和天线相关联的电磁场型式是耦合的。
22.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述标签、所述缝隙以及所述腔体在工作频率处全部共振。
23.根据任何在前的 权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述去耦合器包括外壁部，所述外壁部包括安装粘合剂。
24.根据任何在前的权利要求所述的屏蔽去耦合RFID标签，其中，所述标签是选自被动式标签、主动式标签或电池辅助被动式标签。
【文档编号】G06K19/077GK104050496SQ201410017348
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】巴拉克·莫豪杰-伊拉瓦尼, 查尔斯·维尔纳 申请人:欧姆尼-Id（开曼）有限公司