射频标识近场线性微带天线的制作方法

专利名称：射频标识近场线性微带天线的制作方法
相关申请的交叉引用本申请要求Shafer等人于2004年11月2日提出的发明名称为“NEAR FIELD PROBE FOR READING RFID TAGS AND LABELSAT CLOSE RANGE”的美国临时专利申请第60/624,402号、和Copeland等人于2005年3月7日提出的发明名称为“LINEARMONOPOLE MICROSTRIP RFID NEAR FIELD ANTENNA”的美国临时专利申请第60/659,289号的优先权的权益，在此其全部内容通过引用而并入。
背景技术：
读取RFID(射频标识)标签的现有手段应用了为RFID标签提供大读取范围的传统天线。这种手段提供了用在远场中的大部分天线能量。远场区被定义为d＞＞λ/2π的距离，其中，λ是波长。对于915MHz的UHF(特高频)频率，这个值是大约5cm。因此，在915MHz的远场区基本上超过5cm，类似地，近场区基本上在5cm以内。大多数RFID读取器天线被设计成读取例如最远几米的标签，当然，这个距离完全在远场区内。
在某些应用中，即，RFID标签敷贴机和编程器中，希望只读写相互靠近的一组标签内的一个RFID标签。例如，在标签敷贴机上，将标签封装在卷轴上以便于在机器上进行处理。在卷轴上，这些标签并排地或首尾相接地紧靠着。然而，由于传统UHF天线一般具有宽辐射方向图并适当地将能量引向远场，所以传统UHF天线难以每次只将能量引向一个标签。宽辐射方向图照射天线范围内的所有RFID标签。如果试图将产品代码或序列号写入一个标签中，所有被照射的标签都被编程为具有相同的代码或序列号。
用在这种RFID UHF应用中的传统远场辐射天线是小片天线。通常，辐射的小片区通过由RFID电子线路激励的连接器馈入。通常，导电板安装在背面并与小片区隔开一小段距离。
对于诸如每次需要编程、测试和应用一个标签的标签敷贴机希望在非常近的距离从RFID标签中读取信息或将信息写入RFID标签的上述那些应用，传统远场天线表现不良。传统辐射天线要求被标记项分开相当大距离，以防止多个项被同时读取或编程，或要求利用金属窗来屏蔽除了被编程或读取的标签之外的所有其它标签。
但是，这种技术不能完全解决问题，因为，如果标签被进一步隔开，则敷贴机吞吐量就会降低，以及给定卷轴尺寸中的标签数量就会受到限制。如果使用屏蔽技术，则要求对每种不同标签形状和间隔使用不同屏蔽。因此，需要各种改变来处理敷贴线上的不同标签，从而也使吞吐量显著降低。

发明内容
本公开涉及一种包括基本线性单元微带天线的近场RFID天线组件，所述基本线性单元微带天线被配置成使得天线所发射的局部化E电场基本上处于由近场限定的区域内。局部化E场沿着相应于半波到全波结构的天线的有效长度引导电流分布。
基本线性微带天线可以包括基本长方形的微带；具有第一表面和第二表面以及在它们之间限定的厚度的基底；以及接地面。微带可以置于基底的第一表面上，以及接地面可以置于基底的第二表面上。所述天线组件可以包括在线性微带的一端的馈入点和在线性微带的另一端的终接电阻，该电阻与接地面电耦合。
在一个实施例中，线性微带具有宽度W，以及基底具有厚度H，使得所述天线组件的输入阻抗Z以欧姆为单位基本等于如下公式(1)Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>
其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>以及εr是基底的相对介电常数。
W/H的比值可以大于或等于1。基底和接地面的每一个都可以具有至少五倍于宽度W(5W)的宽度。线性微带可以具有第一和第二纵向边缘，以及微带可以基本上位于基底的中心，使得基底的边缘和接地面的边缘的每一个从第一和第二纵向边缘延伸至少两倍于宽度W(2W)的距离。基底的相对介电常数εr可以从大约2到大约12。
线性微带可以具有从馈入点延伸到终接电阻并包括终接电阻的长度L，长度L由如下公式(2)给出L=ncfϵre---(2)]]>其中，c是以m/s为单位的光速(大约3×108m/s)，f是以Hz为单位的工作频率，εre是ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>，以及n从用于等效半波偶极天线的大约0.5到用于等效全波偶极天线的大约1.0。
天线在馈入点的输入阻抗可以约等于在馈入点供应馈入信号的电缆的特性阻抗。所述线性微带迹线可以具有从大约10微米到大约30微米的厚度。
在一个实施例中，所述基底具有沿着基底长度的第一和第二边缘，以及所述接地面置于基底的第一表面的至少一部分上，并且不与微带接触。所述接地面置于基底的第一和第二边缘上和基底的第二表面上。
在一个实施例中，所述天线组件的接地面与导电外壳电耦合。所述导电外壳可以通过至少一个介电隔离物与微带天线隔开。所述介电隔离物可以包括气隙。
所述天线组件被配置成使得所述天线组件的局部化E电场与沿着天线组件的长度纵向取向的RFID标签耦合。


在说明书的结论部分中具体指出和明确声明了被当作实施例的主题。但是，通过结合附图读取如下详细描述，可以更好地理解有关本发明构造和操作方法的实施例，以及本发明的目的、特征和优点，在附图中图1例示了根据现有技术，与RFID标签相隔一段距离的小片辐射天线组件的透视图；图2例示了上方存在大RFID标签的根据本公开的线性单极微带天线组件的一个实施例的顶透视图；图3是图2的线性天线组件的平面图；图4是沿着图3的线段4-4取出的横断面正视图；图5是沿着图3和4的天线组件的线性微带天线迹线的电流的图形表示；图6是图4的线性天线组件上的半波电场(E场)分布的图形表示；图7是在0°相位图4的线性天线组件上的全波E场分布的图形表示；图8是在90°相位图4的线性天线组件上的全波E场分布的图形表示；图9是图4的线性天线组件以及沿着线性天线组件的长度取向并由空隙隔开的RFID标签的平面图；图10是根据本公开，具有扩展接地面的线性单极微带天线组件的一个实施例的平面图；图11是沿着图10的线段11-11取出的横断面端正视图；图12是示出电场分布的图10的天线组件的端视图；图13是示出电场分布的图10的天线组件的侧视图；图14是根据本公开，具有导电外壳的线性单极微带天线组件的一个实施例的平面图；图15是沿着图14的线段15-15取出的横断面端正视图；
图16是根据本公开的曲折线单极微带天线组件的一个实施例的顶透视图；图17是图16的曲折线天线组件的顶平面图；图18是沿着图17的线段18-18取出的横断面正视图；图19是图17的曲折线天线组件以及沿着曲折线天线组件的长度取向并由空隙隔开的RFID标签的平面图；图20是根据本公开，具有扩展接地面的曲折线单极微带天线组件的一个实施例的平面图；图21是沿着图20的线段21-21取出的横断面端正视图；图22是根据本公开，具有导电外壳的曲折线单极微带天线组件的一个实施例的平面图；以及图23是沿着图22的线段22-22取出的横断面正视图。
具体实施例方式
通过结合附图对本发明的特定实施例进行如下详细描述，可以更全面地了解本公开，但是，不应该理解为本发明仅局限于特定实施例，而只是为了说明起见。
这里给出许多具体细节是为了帮助人们全面了解本公开的许多可能实施例。但是，本领域的普通技术人员应该明白，不用这些具体细节也可以实现这些实施例，在其它情况下，为了不使这些实施例重点不突出，未详细描述众所周知的方法、过程、部件和电路。应该认识到，这里公开的具体结构和功能详细是代表性的，未必限制这些实施例的范围。
一些实施例可能利用措词“耦合”和“连接”以及它们的派生词来描述。例如，一些实施例可能利用术语“连接”来描述，以指示两个或更多个单元相互直接物理或电接触。在另一个例子中，一些实施例可能利用术语“耦合”来描述，以指示两个或更多个单元直接物理或电接触。但是，术语“耦合”也可能指两个或更多个单元非相互直接接触，但仍然相互协作或作用。这里公开的实施例在这一点上未必受到限制。
注意到在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的任何引用指的是结合该实施例所述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中是有价值的。出现在说明书中的各个地方的短语“在一个实施例中”未必都指同一实施例。
现在转到本公开的细节。图1示出了包括小片天线12的小片辐射天线组件10，RFID标签20被描绘成相隔一段距离。沿着RFID标签20的偶极取向的小片天线E场分量激励RFID标签20，并允许RFID标签20上的信息在与天线组件10相隔Z1的距离d被读取，其中，Z1比λ/2π大得多，λ是波长。
通常，作为辐射天线的小片天线12被设计成天线阻抗基本上是实数并主要由辐射阻抗组成。实阻抗的值基本上与通常是50欧姆的来自馈入系统的信号源阻抗相匹配。天线阻抗主要是实数并主要是辐射电阻。本公开涉及有意削弱远场辐射并增强近场区中的局部化E电场的近场天线组件。更具体地说，这样的近场天线组件将能量限制在与天线接近的区域，即近场区，并防止远场区中的辐射。因此，物理上与近场天线接近的RFID标签被询问，但位于近场区之外的那些不会被询问。在工作频率为915MHz的情况下，近场区离天线大约是5cm。5cm范围以外的标签不会被读写。
尽管在行话中常称为天线，但正如这里所使用的那样，天线组件被定义为零件的组件，其中至少一个零件包括直接发送或接收电磁能量或信号的天线。
在本公开的一个实施例中，图2示出了包括迹线线性单元微带天线112的近场天线组件110，其上方附近存在大的RFID标签120。此外，如图3和4所示，近场天线组件110包括厚度为“t”的微带天线112，微带天线112在馈入点端116与电缆114耦合，以及在相反或终接端118终接到通常50欧姆的终接电阻“R1”，电缆114通常是同轴电缆，但不局限此。电缆114具有第一或信号端114a和第二或地参考端114b。在馈入点116上通过馈入系统124从电缆114馈入信号。该信号通常是50欧姆。
在一个实施例中，电容性匹配小片122(图3)可以在50欧姆终接端118与线性天线112电耦合，以达到阻抗匹配，通常使反射最小。
正如图3和4最佳例示的那样，线性微带组件110包括基本长方形的微带迹线112，以及具有第一表面140a和与之相反的第二表面140b的基底140。第一和第二表面140a和140b之间的距离限定基底140的厚度“H”。
微带组件110还包括接地面150，并且被配置成微带线112位于基底140的第一表面140a上以及接地面150位于基底140的第二表面140b上。在一个实施例中，接地面150通过介电隔离物164与第二表面140b隔开，所述介电隔离物164可以是气隙(未示出适当结构支持)。电缆114的第一端114a与微带天线112电耦合，而第二端114b与接地面150电耦合。
在一个实施例中，线性微带线112基本上是长方形的并具有宽度“W”。天线组件110的长度“L”从馈入点116延伸到终接电阻“R1”并包括终接电阻“R1”。线性微带线112通常是诸如铜的薄导体，但不局限于铜。对于UHF范围内的频率，厚度“t”通常从大约10微米到大约30微米。
基底140是介电材料，它通常可以包括陶瓷或FR-4介电材料，具有厚度“H”和总宽度“Ws”，以及接地面150处在下面。在线性微带112的终接端118，终接电阻R1将线性微带线112的末端118与接地面150电耦合。
线性微带天线112在馈入点116的输入阻抗“Z”被设计成大致等于供应馈入信号的电缆114的特性阻抗，以便使从读取器耦合的功率最大(读取器是馈入系统124的一部分，并且是与电缆114或传输网络分开的电子系统。天线组件110通过电缆114与读取器系统耦合)。比值W/H通常大于或等于1，尤其可以从大约1到大约5。
在这种情况下，线性微带天线组件110的输入阻抗“Z”以欧姆为单位由如下公式给出
Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(11+12HW)-12]]>εr是基底140的相对介电常数。因此，阻抗“Z”主要由微带宽度W和基底高度H来决定。
在一个实施例中，基底相对介电常数“εr”从大约2到大约12。在另一个实施例中，线性微带近场天线组件110的长度“L”对应于半波到全波器件的等效或有效长度，等效物理长度大约是L=ncfϵre]]>，其中，c是光速(大约3×108m/s)，f是以Hz为单位的工作频率，以及“εr”是基底相对介电常数，以及n从用于等效半波偶极天线的大约0.5到用于等效全波偶极天线的大约1.0。
在一个实施例中，将终接电阻“R1”调整成使得馈入点116的输入阻抗为大约50欧姆或馈入电缆114的特性阻抗。
在另一个实施例中，线性微带天线112具有第一和第二纵向边缘112a和112b，以及微带天线112基本上位于基底140和接地面150的中心，使得基底140的纵向侧边142a和142b以及接地面150的纵向侧边152a和152b的每一个都从第一和第二纵向边缘112a和112b延伸至少两倍于宽度“W”(“2W”)的距离。其结果是，基底140和接地面150的每一个都具有至少五倍于宽度“W”(“5W”)的总宽度“Ws”。基底140进一步包括馈入点116所在的横向侧边142c和终接电阻R1所在的横向侧边142d。类似地，接地面150进一步包括馈入点116所在的横向侧边152c和终接电阻R1所在的横向侧边152d。
近场天线组件110有意削弱远场并增强近场区。更具体地说，近场RFID天线组件110包括单元天线112，单元天线112配置成使得天线112所发射的局部化E电场基本上处于近场所限定的区域内，以及天线112所发射的辐射场基本上处于相对于天线112由远场限定的区域内。因此，近场天线组件110具有许多便于调整的优点。这种天线组件在不带50欧姆终接阻抗的情况下实阻抗非常低。因此，辐射电阻较低。通常加上50欧姆终接阻抗R1，使得输入阻抗将近50欧姆，以便与通过电缆114供电的馈入系统124相匹配。这种配置和操作方法也导致天线“Q”因子非常低，使得天线宽带。
理论上，如图5所示，微带天线112是半波“λ/2”天线，电流分布沿着迹线微带天线112的长度。
在馈入点116，电流是峰值并基本上与来自馈入系统124的施加电压同相。电流在微带天线112的中点降低到零，然后在终接端118继续降低到负峰值。
如图5所示，这种在半波偶极配置下工作的电流分布线性微带天线组件110在馈入端116产生正E场并在终接端118产生负E场。
图6例示了近场微带天线112上方的近场E场耦合。更具体地说，图6是对于半波长情况，微带天线112上方的归一化时变E场在某个时刻的图形表示。在馈入点116，E场达到最大。在微带天线112的中点，E场降低到零。在终接端118，E场降低到负峰值或最小。由于RFID标签120正好位于这种天线上方(参见图2)，来自微带天线112的差动E场沿着RFID标签天线120的长度驱动或引导电流，因此激活RFID标签120，使得RFID读取器，即近场天线组件112接着可以对其进行读取或写入。
其结果是，位于微带天线112上方并沿着微带天线组件110的长度“L”取向的RFID标签120接着将信息传送到微带天线112。应该注意到，对于半波偶极天线配置，根据基底140的材料，基底140有效地形成慢波结构，导致总天线长度“L”是l=c2fϵr]]>，其中，c是真空光速，f是工作频率，以及“εr”是基底材料的相对电容率或相对介电常数。因此，随着基底140的相对电容率或相对介电常数“εr”增大，总天线组件长度“L”缩短，使得这样的天线组件可以用于较小的RFID标签。例如，如果使用介电常数为12.5的陶瓷基底，则在实验中实现4.7cm的总微带长度，理论长度为4.6cm。较小的天线组件用于读取或检测较小项目级别的RFID标签。
在一个实施例中，将线性微带天线组件110的长度延长到对应于全波的长度。图7和8分别示出了分别在0°和90°相位，在全波微带天线组件，例如线性微带天线组件110上方某个时刻的时变E场。
由于通过电缆114在馈入点116供应的馈入信号经历整个360°相位，所以可以观察到差动E场在某个时刻的两个特定瞬像。在零相位，存在两对差动E场，而在90°相位只存在一对。与上面的RFID标签120耦合的实际差动E场沿着线性微带天线112的长度“L”掠过。这有利于线性微带天线112与RFID标签120之间的对准。增加基底140的材料的介电强度(或相对电容率“εr”)至少部分补偿增加总天线长度“L”的需要。
参照图9，一系列RFID标签120a到120e相隔间隙距离“d”，这些RFID标签之一120c位于单个线性微带天线组件110上方。RFID标签120a到120e被取向，使得RFID标签120a到120e的天线偶极子沿着线性微带天线组件110的长度“L”纵向取向。
为了防止近场线性微带天线组件110读写接近被寻址标签120c的标签120b或120d，可以相应调整微带宽度“W”、长度“L”和总基底宽度“Ws”。随着RFID标签120a到120e之间的间隙“d”缩小，必须缩小微带宽度“W”以及大约“5W”的总基底宽度“Ws”。间隙“d”的尺寸将相邻标签120a、120b、120c、120d适当地设置在线性微带天线112的基底140的侧边142a、142b之外，使得微带天线组件110检测不到相邻RFID标签120a、120b、120c、120d的存在。迹线宽度W、长度L和基底参数W/H以及εr被调整，使得实现电流分布有效对应于半波到全波结构。
在如图10和11所示的一个实施例中，线性微带天线组件110′包括扩展或环绕的接地面。更具体地说，线性微带天线组件110′与线性微带110相同，除了取代接地面150，微带线112处于基底140的第一表面140a上，以及接地面150′处于基底140的第一表面140a的至少一部分上并且不与微带线112接触。接地面150′还分别处于基底140的第一和第二边缘142a和142b上以及基底140的第二表面140b上。接地面150′还可以通过介电隔离物164与第二表面140b隔开。
接地面150′还可以包括叠在第一表面140a上并且分别朝向边缘112a和112b向内延伸距离“WG”但不与迹线微带112接触的折片或端部180a和180b。
如图11所示，RFID标签120a到120e可以非常接近地位于天线组件110′上方，使得虽然一个标签120c处在迹线线性微带112上方，但相邻标签120b和120c一般分别处在接地面150′的折片或端部180a和180b上方。如图12所示，天线组件110′通过传播近场能量，并通过分别朝向边缘112a和112b向内延伸距离WG但不与迹线微带112接触的折片或端部180a和180b环绕的接地面150′，来控制射频能量的位置。因此，E场基本上只从迹线微带112延伸到折片或端部180a和180b，从而有效地终接E场并防止天线组件110′与相邻标签120b和120d耦合。
图13例示了从诸如天线组件110′的接地面150′的侧边152b的侧边之一看过去，天线组件110′的近场微带天线112上方的时变近电场E的耦合的瞬时图。更具体地说，图13是半波长情况的归一化E场的图形表示。与如图6所示的方式类似，在馈入点116，E场最大。在微带天线112沿着长度“L”的中点，E场降低到零。在终接点118，E场降低到负峰值或最大。
由于如图12所示，RFID标签120正好位于天线组件110′上方，来自微带天线112的差动E场沿着RFID标签120的长度驱动或引导电流，并因此激活RFID标签120，使得RFID读取器，即近场天线组件112接着可以读取或写入。其结果是，位于微带天线112上方并沿着微带天线组件110′的长度L取向的RFID标签120c也适当地与微带天线112耦合。并且，迹线宽度W、长度L和基底参数W/H以及εr被调整，使得实现有效电流分布有效对应于半波到全波结构。
参照图14和15，在一个实施例中，可以将线性微带天线组件110(或110′)安装在导电外壳160内或导电外壳160上。导电外壳160包括底板162、通常两个纵向侧壁162a和162b、以及通常与它们正交连接的两个横向侧壁162c和162d。接地面150的底面位于底板162上，以便使导电外壳160与接地面150电耦合。因此，导电外壳160通过接地面150接地。
可以将侧壁162a到162d与基底140的边缘142a到142d隔开。边缘142a到142d可以与导电外壳160接触，但可能需要空间余量以便将天线组件110(或110′)装在外壳160中。侧壁162a到162d也可以通过介电隔离材料170与线性微带天线112隔开，使得导电外壳160与线性微带天线112、电容性负载122和终接电阻R1电隔离。介电隔离材料170可以包括气隙。导电外壳160的材料可以包括铝、铜、黄铜、不锈钢或类似的金属物质。可以设想，增加具有与微带天线组件110的基底140的侧边142a到142d相邻的侧壁162a到162d所实现的扩展侧表面的导电外壳160可以进一步降低相邻RFID标签120与线性微带天线组件110的非期望耦合。
在如图16-18所示的本公开的一个实施例中，曲折线单元微带天线组件210用于对于例如被用于读取小RFID标签的给定总天线尺寸，使得表现天线长度“L”更长。曲折线天线组件210在许多方面都与线性微带天线组件110类似，因此，这里只在识别结构和操作上的差异所需的程度上描述它。
更具体地说，图16-18示出了包括曲折线状单元微带天线212的近场天线组件210。曲折线状天线迹线212当沿着长度“L”从馈入点116前进到终接端118的终接电阻R1时跨越基底140的宽度“Ws”“曲折”。曲折线状微带天线迹线212具有厚度“t”，在馈入点端116与电缆114电耦合，并在终接端118终接于通常50欧姆的终接电阻R1。
曲折线状微带天线212与线性微带天线112的不同之处在于，曲折线状微带天线212二维地引导电流。更具体地说，在一个实施例中，曲折线状微带组件210包括多个交替正交接触的导电段214和216，导电段214和216分别配置在形成曲折线状微带迹线天线212的方波图案中。导电段214与长度“LM”平排并基本上与基底140的纵向侧边142a和142b的至少一个平行。导电段216与平排导电段216横向对准并接触以形成方波图案。导电段216的每一个相对于沿着导电段的长度Ls延伸并平分宽度的中心线轴C-C取向。接触的各导电段214和216可以整体形成单条微带迹线。曲折线状天线212可以用不遵从方波图案的其它图案形成，其中，交替接触导电段214和216不正交。这些实施例在这一点上不受限制。各段214和216的配置使局部化E电场能够二维地驱动或引导电流。
基底140的至少一个边缘142a、142b具有长度“LM”，并且正交接触导电段214、216被布置成相对于至少一个边缘142a、142b交替横向和纵向取向。
如图17所示，导电段214被布置成纵向取向，并且一起限定从馈入点116延伸到终接端118的终接电阻R1并包括终接端118的终接电阻R1的曲折线状微带迹线212的总长度“LM”。曲折线状迹线212的宽度“WM”被定义成纵向取向导电段214之一的宽度。
与线性微带天线组件110类似，曲折线状微带组件210的长度“LM”具有从基本上等于等效半波偶极天线的长度到等效全波偶极天线的长度的总尺度。所得电场(E场)分布与针对线性天线组件110所述、如图6-8所示的电场分布相同。
在一个实施例中，曲折线状微带天线组件210具有可以大于或等于1，并且尤其从大约1到大约5的比值“WM/H”。基底140可以具有从大约2到大约12的相对介电常数。基底140的至少一个边缘142a、142b可以配置成从布置成纵向取向的导电段214横向延伸基本上大于或等于曲折线状微带迹线212的宽度“WM”的两倍(“2WM”)的距离。在另一个实施例中，接地面150的至少一个边缘152a、152b可以从布置成纵向取向的导电段214横向延伸基本上大于或等于曲折线状微带迹线212的宽度“WM”的距离。还可以设想，曲折线状天线组件210可以包括通常在终接电阻R1附近与曲折线状微带迹线212电耦合的电容性负载122。
如图17-19所示，以及以与如图9所示的线性天线组件110相似的方式所述，一系列RFID标签120a到120e相隔间隙距离“d”，这些RFID标签之一120c位于单个曲折线状微带天线组件210上方。曲折线状微带天线组件210被配置成使得曲折线状天线212的局部化E电场与沿着曲折线状微带天线组件210的长度纵向取向的一个RFID标记或标签120耦合。局部化E电场沿天线212二维地驱动或引导电流。
为了防止近场曲折线状微带天线组件210读写接近被寻址标签120c的标签120b或120d，可以相应调整微带宽度“WM”、长度“LM”和总基底宽度“Ws”。随着RFID标签120a到120e之间的间隙“d”缩小，微带宽度“WM”以及总基底宽度“Ws”也缩小。间隙“d”的尺寸将相邻标签120a、120b、120c和120d适当地设置在曲折线状微带天线212的基底140的侧边142a、142b之外，使得微带天线组件210检测不到相邻RFID标签120a、120b、120c、120d的存在。在曲折线微带天线的情况下，迹线宽度WM、总有效长度LM和基底参数被调整，使得实现相应于半波到全波结构的有效电流分布。这可以通过增加每个给定固定长度LM的曲折线迹线周期L′M数量来实现。
在诸如图20和21所示实施例的一个实施例中，曲折线状微带天线组件210′包括扩展或环绕的接地面。更具体地说，曲折线状微带天线组件210′与曲折线状微带210相同，除了取代接地面150，微带线212处在基底140的第一表面140a上，以及接地面150′处在基底140的第一表面140a的至少一部分上并且不与微带线212接触。与线性微带110′的方式相似，接地面150′还分别处在基底140的第一和第二边缘142a和142b上以及基底140的第二表面140b上。接地面150′还可以通过一个或多个介电隔离物164与基底隔开。
接地面150′还可以包括叠在第一表面140a上并分别朝向边缘112a和112b向内延伸距离“WG”但不与迹线微带212接触的折片或端部180a和180b。
如图21所示，RFID标签120a到120e可以非常接近地位于天线组件210′上方，使得虽然一个标签120c处在迹线曲折线状微带212上方，但相邻标签120b和120c一般分别处在接地面150′的折片或端部180a和180b上方。
更进一步，如图22和23所示，以及与如图14和15所示实施例的方式相似，可以将曲折线状微带天线组件210(或210′)的接地面150与导电外壳160电耦合。可以将侧壁162a到162d与基底140的边缘142a到142d隔开。边缘142a到142d可以与导电外壳160接触，但可能需要空间余量，以便将天线组件110(或110′)装在外壳160中。侧壁162a到162d也可以通过介电隔离材料170与曲折线状微带天线212隔开，使得导电外壳160与曲折线状微带天线212、电容性负载122和终接电阻R1电隔离。导电外壳160的材料可以包括铝、铜、黄铜、不锈钢或类似的金属物质。
正如前面所讨论的那样，迹线宽度WM、总有效长度LM和基底参数被调整，使得实现对应于半波到全波结构的有效电流分布。这可以通过增加每个给定固定长度LM的曲折线迹线周期L′M数量来实现。
近场天线组件110、110′、210、210′的前述实施例被公开成在单元配置中通过电缆114和终接电阻R1供电。本领域的普通技术人员应该认识到，近场天线组件110、110′、210、210′也可以通过包括变压器的偶极配置供电。这些实施例在这一点上不受限制。
鉴于前述情况，本公开的实施例涉及读取RFID标签的近场天线组件110、110′、210、210′，其中，近场天线组件110、110′、210、210′被配置成天线组件110、110′、210、210′以工作波长“λ”发射的局部化E电场基本上处在由近场限定的区域内，以及天线组件110、110′、210、210′以工作波长“λ”发射的辐射场基本上处在相对于天线组件110、110′、210、210′由远场限定的区域内。
本公开的各种实施例被设计成可以相对于辐射场的幅度来提高局部化E电场的幅度，以及只有当标记或标签120c位于近场区内时，才由天线或天线组件110、110′、210、210′读取RFID标记或标签120c(当标记或标签120c位于远场区内时不读取)。此外，可以相对于局部化E电场的幅度来降低辐射场的幅度，使得只有当标记或标签120c位于近场区内时才由天线或天线组件110、110′、210、210′读取RFID标记或标签120c(当标记或标签120c位于远场区内时不读取)。天线组件110、110′、210、210′具有相对介电常数“εr”。
天线或天线组件110、110′、210、210′被配置成按距离天线组件110、110′、210、210′的距离等于“λ/2π”来定义近场区，其中“λ”是天线或天线组件110、110′、210、210′的工作波长。在一个实施例中，天线或天线组件110、110′、210、210′以大约915MHz的频率工作，使得近场区距离是大约5cm。
读写RFID标记或标签120c的方法也得到公开，该方法包括如下步骤提供近场天线组件110、110′、210、210′，所述近场天线组件110、110′、210、210′被配置成天线或天线组件110、110′、210、210′以工作波长“λ”发射的局部化E电场基本上处于由近场限定的区域内，以及天线或天线组件110、110′、210、210′以工作波长“λ”发射的辐射场基本上处于相对于天线组件110、110′、210、210′由远场限定的区域内；以及将近场天线组件110、110′、210、210′的局部化E电场与处在近场区内的RFID标记或标签120c耦合。
天线组件110、110′、210、210′的有效长度L或LM可以是这样的，通过天线引导的电流分布引起波长与nv/f成正比的波形，其中，v是等于光速除以天线组件110、110′、210、210′的相对介电常数的平方根的传播波速，f是以Hz为单位的频率，以及n从用于半波的大约0.5到用于全波的大约1.0。
该方法还可以包括如下步骤相对于辐射场的幅度而增加局部化E电场的幅度，使得只有当标记或标签120c位于近场区内时，才由天线组件110、110′、210、210′读取RFID标记或标签120c，但当标记或标签120c位于远场区内时，天线组件110、110′、210、210′不读取RFID标记或标签120c。
该方法还可以包括如下步骤相对于局部化E电场的幅度而降低辐射场的幅度，使得只有当标记或标签120c位于近场区内时，才由天线组件110、110′、210、210′读取RFID标记或标签120c，但当标记或标签120c位于远场区内时，天线组件110、110′、210、210′不读取RFID标记或标签120c。该方法可以包括如下步骤将天线组件110、110′、210、210′配置成按距离天线组件110、110′、210、210′的距离等于“λ/2π”来定义近场区，其中“λ”是天线的工作波长。该方法可以进一步包括如下步骤使近场天线以大约915MHz的频率工作，使得近场区距离是大约5cm。天线组件110、110′、210、210′的有效长度L或LM可以是这样的，通过天线引导的电流分布引起波长与nv/f成正比的波形，其中，v是等于光速除以天线组件110、110′、210、210′的相对介电常数的平方根的传播波速，f是以Hz为单位的频率，以及n从用于半波的大约0.5到用于全波的大约1.0。
可以设想，本公开近场天线组件的有利特性包括(1)读写RFID标签120a到120e的范围限于近场距离d＜＜λ/2π；(2)近场天线112或212的主要场能耗散在终接负载电阻R1中；(3)近场天线组件与辐射远场天线组件相比呈现低Q因子；(4)由低Q因子引起的宽工作带宽可用于全球UHF宽带应用；(5)宽工作带宽和低Q因子允许简化的RFID读取器电子线路，不需要跳频来防止读取器相互干扰；(6)近场天线组件与辐射天线组件相比呈现低辐射电阻和辐射效率。因此，远场辐射显著降低；(7)配有带有迹线尺度、基底特性和接地面的微带型天线的近场天线组件被设计成从半波天线到全波天线地工作；(8)电输入或电缆直接与微带天线的开头连接以及连接器的地线直接与基底底面上的接地面连接的单元馈入配置与可能需要变换器的可替代差分馈入配置相比，提供了更简单、成本更划算的馈入配置；(9)近场天线组件处于其开口顶侧的导电外壳与天线组件的接地面接地连接。导电外壳有助于使往往与相邻RFID标签耦合的杂散电场最小，相邻RFID标签与正好位于微带天线上方的RFID标签相邻；以及(10)使发射的电场局部化在近场区便于遵从规章要求。
作为前述情况的结果，本公开的实施例允许相互非常接近地编程RFID标签。例如，卷轴上的RFID标签具有每个标签之间的分开距离小的特征。本公开的实施例不要求标签分得很开，并防止多个标签被一起读取和编程。此外，本公开的实施例便于识别位于具有适当功能标签附近的有缺陷标签。
虽然上面的描述包括了许多细节，但这些细节不应该被理解为对本公开范围的限制，而只是作为本公开优选实施例的范例。本领域的普通技术人员可以设想出在本公开的范围和精神之内的许多其它可能变体。
权利要求
1.一种包括基本线性单元微带天线的近场RFID天线组件，所述基本线性单元微带天线被配置成使得天线所发射的局部化E电场基本上处于由近场限定的区域内，以及所述局部化E场沿着对应于半波到全波结构的天线有效长度引导电流分布。
2.根据权利要求1所述的天线组件，其中，所述基本线性微带天线包括基本长方形的微带；具有第一表面和第二表面以及在它们之间限定的厚度的基底；以及接地面，其中，所述微带位于所述基底的第一表面上，以及所述接地面位于所述基底的第二表面上。
3.根据权利要求2所述的天线组件，进一步包括在所述线性微带的一端的馈入点和在线性微带的另一端的终接电阻，该电阻与接地面电耦合。
4.根据权利要求3所述的天线组件，其中，所述线性微带具有宽度W，以及所述基底具有厚度H，使得天线组件的输入阻抗Z以欧姆为单位基本等于如下公式(1)Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>以及εr是基底的相对介电常数。
5.根据权利要求4所述的天线组件，其中，W/H的比值大于或等于1。
6.根据权利要求4所述的天线组件，其中，所述基底和接地面的每一个都具有至少五倍于宽度W(5W)的宽度。
7.根据权利要求6所述的天线组件，其中，所述线性微带具有第一和第二纵向边缘，以及所述微带基本上位于基底的中心，使得基底的边缘和接地面的边缘的每一个都从所述第一和第二纵向边缘延伸至少两倍于宽度W(2W)的距离。
8.根据权利要求4所述的天线组件，其中，基底的相对介电常数εr从大约2到大约12。
9.根据权利要求3所述的天线组件，其中，所述线性微带具有从馈入点延伸到终接电阻并包括终接电阻的长度L，所述长度L由如下公式(2)给出L=ncfϵre---(2)]]>其中，c是以m/s为单位的光速(大约3×108m/s)，f是以Hz为单位的工作频率，εre是ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>，以及n从用于等效半波偶极天线的大约0.5到用于等效全波偶极天线的大约1.0。
10.根据权利要求3所述的天线组件，其中，所述馈入点处的天线输入阻抗约等于在馈入点供应馈入信号的电缆的特性阻抗。
11.根据权利要求2所述的天线组件，其中，所述线性微带迹线具有从大约10微米到大约30微米的厚度。
12.根据权利要求2所述的天线组件，其中，所述基底具有沿着基底长度的第一和第二边缘；以及所述接地面位于基底的第一表面的至少一部分上但不与微带接触，所述接地面位于基底的第一和第二边缘上以及基底的第二表面上。
13.根据权利要求12所述的天线组件，其中，所述线性微带具有宽度W，以及所述基底具有厚度H，使得所述天线组件的输入阻抗Z以欧姆为单位基本等于如下公式(1)Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>以及εr是基底的相对介电常数。
14.根据权利要求13所述的天线组件，其中，W/H的比值大于或等于1。
15.根据权利要求13所述的天线组件，其中，所述基底和接地面的每一个都具有至少五倍于宽度W(5W)的宽度。
16.根据权利要求2所述的天线组件，其中，所述天线组件的接地面与导电外壳电耦合。
17.根据权利要求16所述的天线组件，其中，所述导电外壳通过至少一个介电隔离物与微带天线隔开。
18.根据权利要求17所述的天线组件，其中，所述介电隔离物包括气隙。
19.根据权利要求1所述的天线组件，其中，所述天线组件被配置成使得所述天线组件的局部化E电场与沿着天线组件的长度纵向取向的RFID标签耦合。
20.根据权利要求2所述的天线组件，进一步包括与线性微带电耦合的电容性负载。
全文摘要
本发明公开了一种近场线性单元微带天线，它被配置成读取RFID标签，使得天线以工作波长发射的局部化E电场基本上处于由近场限定的区域内。所述局部化E场沿着对应于半波到全波结构的天线有效长度引导电流分布。
文档编号H01Q9/06GK101076644SQ200580042711
公开日2007年11月21日 申请日期2005年11月2日 优先权日2004年11月2日
发明者理查德·L.·科佩兰德, 加里·M.·沙弗尔 申请人:传感电子公司