专利名称：射频识别应用中的多环天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线。特别的，其涉及射频识别应用中的天线。
背景技术：
射频(RF)通信技术在现代的通信系统中得到广泛使用。 一个实例 是射频识别(RFID)系统。在RFID系统中，RFID读取天线用于分别向 RFID标签发射RF信号以及接受来自于RFID标签的RF信号。存储在 RFID标签内的信息通常是可编辑的，并由此是可更新的。因此，RFID 系统一般用于物流应用中，例如用于管理仓库中的存货流转。
近场RFID系统通常使用环形天线来耦合RF信号。然而，由于RFID 标签的定向而造成现有的环形天线与RFID标签之间有效通信的覆盖范 围很有限。
此外，很多环形天线具有复杂的结构，这并不令人满意，并且其制 造成本高昂。当需要将大量环形天线设置到所需覆盖范围内时，会带来 相当高的制造成本。
由此需要一种增加覆盖范围且改善成本效率的用在RFID系统中的 天线。
发明内容
以下公开用在RFID应用中的本发明的多个实施例，其增加了覆盖 范围且改善了成本效率。
根据本发明的一个实施例，公开了-一种用于射频识别的天线。该天
线包括至少具有一个环元件的第一辐射元件，以及在空间上与第一辐射
元件错开、具有至少两个相互连接的环元件的第二辐射元件。该天线还
包括用于对第一辐射元件和第二辐射元件进行电耦合的耦合器。特别地，
当用于产生第一磁场的第一电流在第一辐射元件中流过并且用于产生第
二磁场的第二电流在第二辐射元件中流过时，第-一磁场和第二磁场中之 一与另一个相叠加，用于在第一辐射元件和第二辐射元件的近场内产生
询问区域。
根据本发明的另 一实施例，公开了 一种射频识别中的天线的成形方 法。该方法涉及以下步骤，提供具有至少- 一个环元件的第一辐射元件的 步骤，以及提供空间上与第一辐射元件错开、并具有至少两个相互连接 的环元件的第二辐射单元的步骤。该方法还涉及提供用于对第一辐射元 件和第二辐射元件进行电耦合的耦合器的歩骤。特别地，当用于产生第 一磁场的第 一 电流在第 一辐射元件中流过并且用于产生第二磁场的第二 电流在第二辐射元件中流过时，第 一 磁场和第二磁场中之 一 与另 一 个相 叠加，用于在第 一 辐射元件和第二辐射元件的近场内产生询问区域。
根据本发明的又一实施例，公开了一种用于构造出射频识别应用中 的天线的系统。该系统具有用于发射和接收数据的主机。该系统还包括 耦合到主机上，用于控制发射给主机以及来自于主机的数据的网关，和
耦合到网关上，用于读取射频信号的RFID读取器。该系统还包括至少一 个用于发射和接收射频信号的天线，至少是----个天线中的每一个均具有 第一辐射元件和第二辐射元件，以及天线多路复用器，其耦合到网关和 RFID读取器上，用于选定至少一个天线来读取数据，其中当用于产生第 一磁场的第一电流在第- 辐射元件中流过并且用于产生第二磁场的第二 电流在第二辐射元件中流过时，第 一磁场和第二磁场中之-一与另一个相 叠加，用于在第一辐射元件和第二辐射元件的近场内产生询问区域。
以下将结合附图对本发明的实施例进行详细说明，其中
图la是根据本发明第一实施例的天线的示意图，该天线具有两个辐 射元件，在第一对环处相互连接；
图lb是图la中天线的横截面图2是表示出图1中天线在第二对环处相互连接的示意图3是图1中天线中两个辐射元件中之一的平面图4说明图3中辐射元件的工作原理；
图5是表示出图1中天线的磁场分布状态的曲线图6是表示出图1中天线的测量回波损耗的曲线图7说明图1中天线的环形的示范性几何形状；
图8是表示出图1中在衬底同一侧所形成的两个成形部分的示意图9a和9b是图1中天线的环形的示范性构造；
图IO到图13是图1中天线的示范性实施方式；以及
图14是RFID应用中的系统框图。
具体实施例方式
结合附图，公开了一种根据本发明实施例的射频识别(RFID)系统 中所应用的天线，其增加了覆盖范围且改善了成本效率。
出于简明扼要以及清楚的目的，以下将仅限于近场RFID应用来对 本发明进行说明。然而这并不妨碍本发明各种实施例在其他那些操作性 能与近场RFID应用相类似的应用中的使用。对本发明实施例很重要的操 作和实用原则在不同实施例中是共同的。
在下文中所给出的详细说明以及在图1到14中所图示出的，用相同 的附图标记来表示相同的元件。
以下用RFID应用中RFID系统的天线来更为详细说明本发明实施例。
参看图1，根据本发明实施例的天线100具有第一辐射元件102a以 及第二辐射元件102b。优选的，第一辐射元件102a和第二辐射元件102b 彼此平行并以定距离间隔开。第一辐射元件102a和第二辐射元件102b 用于向RFID标签发射加电信号，并对由RFID标签所发射的RFID信号 进行接收。
优选的，第一辐射元件102a和第二辐射元件102b在空间上以预定 距离h错开。优选的，支撑衬底104 (图lb中示出)用来在空间上使第 一辐射元件102a与第二辐射元件102b错开，并使第一辐射元件102a与 第二辐射元件102b之间保持预定距离h。距离数值h取决于第一辐射元 件102a与第二辐射元件102b的构造。
优选的，支撑衬底104是平的，且具有纵向跨度。优选的，支撑衬 底104是由非导体材料制成，例如泡沫塑料，纸张或木头。可替换的， 第一辐射元件102a与第二辐射元件102b可用自由空间间隔开。
电源106可连接到第一辐射元件102a与第二辐射元件102b上，用 于加电，并分别向第一辐射元件102a与第二辐射元件102b发射RFID信 号以及接收来自于第一辐射元件102a与第二辐射元件102b的RFID信 号。阻抗匹配网络108连接在第一辐射元件102a、第二辐射元件102b 与电源106之间，用于使第一辐射元件102a、第二辐射元件102b与电源 106之间的阻抗相匹配。
以下对天线100的说明是关于x轴，y轴以及z轴进行。三个坐标 轴彼此垂直。x轴和y轴沿支撑衬底104延伸并与其重合。特别是，x轴 沿支撑衬底104的纵向跨度中心延伸，并与第 一辐射元件102a、第二辐 射元件102b的中心线重合。
优选的，第-一辐射元件102a、第二辐射元件102b中的每一个均包 括第一形状部分IIO和第二形状部分118。第一形状部分IIO优选的是连
续的波形。第-一形状部分110包括有关于x轴交替出现的若千个突出部 分112。
优选的，突出部分112具有例如多边形或半圆形的几何形状，并且 优选的是基本上沿x轴纵向排列。每个突出部分112优选的沿y轴延伸 并远离x轴，并在其两端终止。优选的，每个突出部分112均在连接点 1.14处连接，在此处将突出部分112的一端或两端通过连接器116连接到 相邻的突出部分112上。
优选的，第二形状部分118与第一形状部分110间隔开。优选的， 第二形状部分118具有突出部分112以及连接器116，为了实现两部分之 间的对称，第二形状部分118所具有的突出部分112以及连接器116基 本上在形状以及尺寸上均与第一形状部分110中的类似。虽然第二形状 部分118基本上是第一形状部分110的复制品，但优选的，第二形状部 分118绕x轴翻转，并由此是关于第一形状部分110的镜像。以此方式， 第一形状部分110和第二形状部分118中的突出部分均沿x轴纵向设置。 特别是，第一形状部分110中的各个突出部分112基本上直接与第二形 状部分118中相应镜像的突出部分112是相对的，结果是限定出环120。
可替换的，第一形状部分110和第二形状部分118中的突出部分112 具有其他几何形状，例如是矩形。
优选的，第一辐射元件102a中的各个环120具有不同于第二辐射元 件102b中相应的重叠环120的几何形状。此外，优选的，第一辐射元件 102a中的各个环与第二辐射元件102b中相应的重叠环120均具有基本上 相同的内环距离。这意味着相邻环120间的中心距离是恒量，且对于第 一辐射元件102a和第二辐射元件102b来说是基本相同的。
优选的，第一辐射元件102a中的各个环120以预定横向位移/与第 二辐射元件102b中相应的环120横向错开。优选的横向位移/是沿x轴 的。特别优选的是，第一辐射元件102a中的各个突出部分U2沿x轴横
向错开，并以预定横向位移/与第二辐射元件102b中相应的突出部分112 错开。
如图lb中所示，优选的，第一辐射元件102a中的第一形状部分110 和第二形状部分118形成在第一衬底105a的相对两侧上，该第一衬底 105a的厚度为&。类似的，优选的，第二辐射元件102b中的第一形状 部分110和第二形状部分118形成在第二衬底105b的相对两侧上，该第 ::衬底105b的厚度为/^。由此，第-一辐射元件102a和第二辐射元件102b 中的每一个上的第一形状部分110和第二形状部分118在连接点119处 之外均在空间上是间隔开的。第一形状部分110和第二形状部分118的 连接最好通过在连接点119处形成传导通路来实现，从而将两部分110 和118彼此电耦合。
优选的，第一辐射元件102a是连续的铜丝，其位于第一衬底105a 的对面，而第二辐射元件102b优选的也是连续的铜丝，其位于第二衬底 105b的对面。第一衬底105a和第二衬底105b优选的是印刷电路板 (PCB)，或是由非导体材料制成，例如泡沫塑料、纸张和木头。
优选的，耦合器130用于将第一辐射元件102a和第二辐射元件102b 相互连接起来。优选的，耦合器130包括第一连接线132和第二连接线 134。优选的，第一连接线132将第一辐射元件102a中的第一形状部分 IIO连接到第二辐射元件102b中的第-一形状部分IIO上。优选的，第二 连接线134将第一辐射元件102a中的第二形状部分118连接到第二辐射 元件102b中的第二形状部分118 ...t。优选的通过该耦合器将第一辐射元 件102a和第二辐射元件102b连接到阻抗匹配网络108上，并进一步连 接到电源106上。特别的，第二辐射元件102b上的第一形状部分110和 第二形状部分118均连接到阻抗匹配网络108的终端上。
如图2中所示，阻抗匹配网络108示范性地连接到第二辐射元件102b 中的一个环120上，并经由耦合器130连接到第-辐射元件102a中相应 的重叠环120上。阻抗匹配网络108可连接到辐射元件102b的任意部分 上，该阻抗匹配网络108取决于设计以及系统需求。
第一辐射元件102a和第二辐射元件102b中的环120的排布使第---辐射元件102a上的任意环120中有电流i流过，从而该电流旋转方向与 第二辐射元件102b上相应环120中的电流旋转方向相同。在第一辐射元 件102a和第二辐射元件102b中每-一个上的任意两个相邻环120上所流 过的电流i的电流旋转方向相反。以此方式，在第一辐射元件102a与第 二辐射元件102b之间的两个相应环120中流动的电流i由此是同相的， 而在第---辐射元件102a与第二辐射元件102b之间的两个相邻环120中 流动的电流i由此是反相的。
图3表示出在操作期间辐射元件102a， 102b中之一，此时经由电源 106有电流i流过其中。环120的构造使电流i以一种旋转方向在任意一 个环120中流动，而在任意两个相邻环120内电流i以相反方向旋转， 并由此在沿着x轴方向上形成交变磁通量。以此方式，在两个相邻环120 内流过的电流i由此是反相的。
如图4中所示，电流i使环120通电，并由此产生磁场200，该交互 作用产生询问区域202。直接环绕于每个环120的空间和通过交叉点114 或连接器116而间隔开的两相邻环120之间的空间以及在天线100的上 面和下面空间限定出询问区域2 02 。
磁场200激励并给RFID标签204加电，该RFID标签位于询问区域 202内。RFID标签204随后产生RFID信号，该信号内包含有存储在其 内的标签数据。RFID信号依次由天线IOO来接收，并通过天线100发射 给RFID读取器。
在两相邻环120内流过的反相电流i有利于产生磁场200，整个询问 区域202在振幅—匕基本上是相同的。令人满意的是，辐射元件102的这 一构造以及询问区域202内所产生出的均匀磁场200，使得基本上不依赖
标签204的方向就可对RFID标签204进行读取。
磁场200的强度取决于电流i的大小、各个环120的面积以及相邻 环120之间的位移。
如前面所述以及图4中所示，当运转第一辐射元件102a和第二辐射 元件102b时，第-- 辐射元件102a和第二辐射元件102b中的每一个均产 生磁场200。由第一辐射元件102a和第二辐射元件102b中的每一个所产 生出的磁场200均有无效区域，磁场内的该区域的强度是最低等级。
由第-一辐射元件102a所产生出的磁场200与由第二辐射元件102b 所产生出的磁场200相互作用，并产生合成磁场，具有如图5曲线图中 所示的磁场分布状态。合成磁场是由第一辐射元件102a和第二辐射元件 102b中任意--个所产生出的磁场200的重叠。更准确地说，利用由第二 辐射元件102b所产生出的磁场200中的非无效区域对由第一辐射元件 102a所产生出的磁场200中的各个无效区域进行补偿或叠加，反之亦然。
图5的曲线图表示出，沿x轴方向合成磁场的磁场获得了比由第--辐射元件102a和第二辐射元件102b中任意一个所产生出的磁场200沿 相同x轴方向的磁场分布状态更为均匀的分布状态。合成磁场的高均匀 度磁场分布状态有利于在询问区域200内更可靠地进行射频识别。从而 令人满意的是，改进均匀度的磁场分布状态提高了对在询问区域200内 所找到的RFID标签204进行读取的读取速度。
图6是表示出天线100在13.56MHz的测量回波损耗曲线图。测量 数值表示出天线100在测量频率13.56MHz时具有良好匹配的阻抗匹配 特性。这也提出了图1中的天线100，例如通过使用阻抗匹配网络108， 有利于能够提供50-ohm阻抗匹配。
图7表示出环120的示范性几何形状。各个环120的尺寸和几何形 状取决于设计需求。例如，图3中的突出部分112基本上为矩形，从而 第一形状部分IIO和第二形状部分118中的各个突出部分112的宽度rf,， 其示范性尺寸优选的大致为80毫米(mm)。与此同时，两相邻环120之 间的横向位移^优选的大致为65mm，同时两个相对突出部分112端部 之间的空间距离^优选的大致为30mm。
如图8中所示，第一形状部分110和第二形状部分118也可以是共 面的并形成在同- --表面上，例如在第 4寸底105a或第二衬底105b相对 两面中的一个表面上。优选的，利用介电层，例如空隙或电桥，将各个 连接器116与相邻的连接器116物理. t:分离。优选的，介电层也使第一 形状部分110和第二形状部分118之间的任意重叠部分物理上分离。第 一形状部分110和第二形状部分118在连接点119处连接。如图9a和9b 中所示，天线100的环120可具有不同尺寸大小，并以尺寸大小递增或 递减的顺序进行排布。此外，可利用导电材料根据其他几何形状来构造 环120，例如椭圆形，三角形，多边形或环形。
如图IO至13中所示的图示出了用于读取RFID标签204的天线100 示范性实施方式的实施例。把图10中所示的天线100放在架子1000的 不同位置上，例如搁架1002的上面或下面以及两个搁架1002之间。图 11表示出将第一辐射元件102a放在搁架1002的下侧，将第二辐射元件 102b放在另一块搁架1004的上部，该搁架1004就在搁架1002的下面， 从而第一辐射元件102a和第二辐射元件102b用自由空间间隔开。在该 自由空间内识别RFID标签204。图12表示出嵌入到桌面1200内或放在 桌面1200下侧的天线100。图13表示出放在曲面1300上的天线100。
图14表示出根据本发明另一实施例的用于RFID应用的系统1400 的方框图，例如用于读取和跟踪RFID标签。系统1400具有主机1402， 其使用户能够发送和接收与所跟踪RFID标签有关的数据。RFID标签通 常附在存储在箱状结构内的物品上，如放在架子或橱柜内的物品。网关 1404耦合到主机1402上，用于控制由生机1402发射数据或向主机1402 发射数据，并且RFID读取器1406耦合到网关1404上，用于读取RFID
信号。系统1400优选的包含不止一个的天线100，用于发射和接收射频 信号，并进一步还包括天线多路复用器1408，其耦合到网关1404以及 RFID读取器1406上，用亍当由多个天线100来读取RFID信号时能够 对其进行切换和选择。
主机1402，例如计算机，或如便携式电脑或个人数字助理(PDA) 的移动装置，优选的是主机1402能够执行在特别模式或基础模式下支持 例如IEEE 802.11规格的无线通信。优选的，主机1402可在系统1400 的用户提出请求时显示出关于所跟踪RFID标签的信息。优选的，主机 1402还为支持系统1400的多用户提供了路由选择能力。
网关1404具有既能执行无线通信也能执行有线通信的能力，并优选 的，在主机1402， RFID读取器1406以及天线多路复用器1408之间，提 供IEEE 802.11无线通信。优选的，网关1404的IEEE 802.11无线通信 既可在特殊模式下执行也可在基础模式下执行。特殊模式更为合算，并 在无线通信基础不可使用的情况下是适合的。在需要高宽带通信的情况 下基础模式是适合的，尤其对于管理存货流转来说。
优选的，RFID读取器1406支持读取13.56兆赫(MHz)或其他高 频的高频(HF) RFID信号。RFID读取器1406经由天线多路复用器1408 将加电信号提供给天线100。将加电信号发射给RFID标签，用于激励 RFID标签。 一旦RFID标签被激励，包含有存储在RFID标签内数据的 RFID信号随后从那里被发射出。标签数据包括有与RFID标签有关的信 息。由天线100来接收RFID信号，并之后由RFID读取器1406对其进 行读取。RFID读取器1406之后经由网关1404向主机1402提供RFID 信号，用于将存储在RFID标签内的标签数据显示出来。
优选的，天线多路复用器"08是可层叠的，并具有多个输出端，用 于优化和迁就不同的多个天线构造的需求。天线多路复用器1408还切换 和选择天线100，用来在系统1400---个用户或多个用户提出请求时读取RFID标签。
在前述方式中，已公开了 一种用于RFID应用的RFID系统中的天线。 虽然仅公开了本发明的几个实施例，对于本领域技术人员来说，无需违 背本发明范围和精神而得到多个变形和/或改良，是显而易见的。例如， 能以多种形状和尺寸中形成衬底，以满足特殊设计或系统需求。
权利要求
1、一种用于射频识别的天线，该天线包括第一辐射元件，具有至少一个环元件；第二辐射元件，与第一辐射元件空间上错开，并具有至少两个相互连接的环元件；以及耦合器，用于对第一辐射元件与第二辐射元件进行电耦合，其特征在于，当第一电流流过第一辐射元件中用以产生第一磁场、第二电流流过第二辐射元件中用以产生第二磁场时，第一磁场和第二磁场中之一与它们中的另一个叠加，用以在第一辐射元件和第二辐射元件的近场内产生询问区域。
2、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在亍，流过第二辐射元件 中至少两个相互连接的环元件中之一的第二电流，其旋转方向与在第二 辐射元件中至少两个相互连接的环元件中另--个内的旋转方向相反。
3、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，流过第一辐射元件 中至少- 一 个环元件中的第 一 电流，其旋转方向与在第二辐射元件中眾少 两个相互连接的环元件中之 一 内的旋转方向相同。
4、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，第一磁场具有至少 一个非无效区域，第二磁场具有至少- 一个无效区域，第一磁场中的至少 一个非无效区域与第二磁场中至少一个无效区域相互补偿，从而在询问 区域内提供一个基本上磁场强度相等的合成磁场。
5、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，第一辐射元件和第 二辐射元件均基本上是平的。
6、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，第一辐射元件和第 二辐射元件均形成在基本上为平的表面...匕。
7、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，第一辐射元件基本 上平行于第二辐射元件。
8、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，第一辐射元件和第二辐射元件形成在同 一衬底的相反两面上。
9、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，第^-^辐射元件基本 上相对于第二辐射元件横向位移一段预定距离。
10、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，第一辐射元件中 的至少 一 个环元件基本上与第二辐射元件中的至少两个相互连接的环元 件之一-重叠。
11、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，耦合器进一步耦 合到阻抗匹配网络上用于匹配第- 一 辐射元件、第二辐射元件与电源之间 的阻抗。
12、 根据权利要求1中所述的天线，其特征在于，耦合器包括至少 两个连接线，用于将第-一辐射元件与第二辐射元件彼此连接。
13、 根据权利要求12中所述的天线，其特征在于，至少两个连接线 将第一辐射元件中至少一个环元件连接到第二辐射元件中至少两个相互 连接的环元件之一上。
14、 一种用于构造射频识别中天线的方法，该方法包括以下步骤 提供第一辐射元件，其具有至少一个环元件；提供第二辐射元件，其与第一辐射元件空间上错开，并具有至少两个相互连接的环元件；提供耦合器，用于将第-一辐射元件与第二辐射元件电耦合；以及 其特征在于，当第一电流流过第一辐射元件中用以产生第一磁场、第二电流流过第二辐射元件中用以产生第二磁场时，第一磁场和第二磁场中之 一 与它们中的另 一 个叠加，用以在第--辐射元件和第二辐射元件的近场内产生询问区域。
15、 根据权利耍求14中所述的方法，其特征在于，进一步包括在第 二辐射元件中至少两个相互连接环元件中之一内以与第二辐射元件中至 少两个相互连接的环元件中另一个内相反的电流旋转方向流过第二电流 的步骤。
16、 根据权利要求14中所述的方法，其特征在亍，进一步包括在第 一辐射元件中至少 一个环元件中流过第--电流的步骤，该电流旋转方向 与在第二辐射元件中至少两个相互连接的环元件中之一内的电流旋转方 向相同。
17、 根据权利要求14中所述的方法，其特征在于，进一步包括提供 合成磁场的步骤，该合成磁场在询问区域内的磁场强度基本上相同。
18、 根据权利要求14中所述的方法，其特征在于，提供用于将第--辐射元件与第二辐射元件电耦合的耦合器的步骤中，包括提供用于将第 一辐射元件与第二辐射元件相互连接的至少两个连接线的步骤。
19、 根据权利要求18中所述的方法，其特征在于，提供至少两个连 接线的步骤中，包括将第一辐射元件中至少一个环元件连接到第二辐射 元件中眾少两个相互连接的环元件中之一上的步骤。
20、 根据权利要求14中所述的方法，其特征在亍，提供用于将第一 辐射元件与第二辐射元件电耦合的耦合器的步骤中，还包括将耦合器耦 合到阻抗匹配网络上的步骤，用于匹配第一辐射元件、第二辐射元件与 电源之间的阻抗。
21、 -一种用于射频识别应用的系统，该系统包括 主机，用于发射和接收数据；网关，耦合到主机上，用于控制向主机发射数据以及接收来自于主 机的数据；射频识别读取器，耦合到网关上，用于读取射频信号； 至少一个天线，用于发射和接收射频信号，该至少一个天线中每一 个均具有第一辐射元件和第二辐射元件；以及 天线多路复用器，耦合到网关以及射频识别读取器上，用于选择出 至少一个天线来读取数据，其特征在于，当第一电流流过第一辐射元件中用以产生第一磁场、 第二电流流过第二辐射元件中用以产生第二磁场时，第一磁场和第二磁 场中之一与它们中的另一个叠加，用以在第一辐射元件和第二辐射元件的近场内产生询问区域。
全文摘要
公开了一种用于射频识别的天线。该天线包括具有至少一个环元件的第一辐射元件，以及在空间上与第一辐射元件错开、具有至少两个相互连接的环元件的第二辐射元件。该天线还包括耦合器，用于对第一辐射元件与第二辐射元件进行电耦合。特别的，其中当第一电流流过第一辐射元件中用以产生第一磁场、第二电流流过第二辐射元件中用以产生第二磁场时，第一磁场和第二磁场中之一与它们中的另一个叠加，用以在第一辐射元件和第二辐射元件的近场内产生询问区域。
文档编号H01Q3/00GK101356690SQ200680050728
公开日2009年1月28日 申请日期2006年8月15日 优先权日2005年11月19日
发明者卿显明, 蔡爱连, 陈志宇 申请人:新加坡科技研究局