专利名称：用于无源rfid标签的天线系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及射频识别(RFID)技术，更具体地涉及无源RFID标签的天线系统。
背景 射频识别(RFID)是一种远程识别技术，这种技术利用通常以集成电路(IC)形式出现的其中存储有信息的RFID标签。可通过RFID标签和RFID读取器之间的RF通信来检取所存储的信息。RFID读取器是与一个或多个RFID标签通信的设备，所述一个或多个RFID标签可设置或粘附在不同的物体上。RFID系统可利用手持RFID读取器，当该RFID读取器足够靠近RFID标签时，能读取要么由标签发出要么从标签反向散射出的RFID标签信号。RFID系统用于许多场合，包括许多不同工业以及图书馆和医院的仓库管理和产品追踪。
RFID标签一般分成三类无源的、半无源的和有源的。无源RFID标签本身没有能量或电源，并通过从RFID读取器的RF场获取能量而工作。无源标签通过调制和反向散射由RFID读取器发出的RF辐射来与RFID读取器通信。
无源RFID标签实质上包括连接于集成电路(IC)的天线。该天线被设计成工作在RFID读取器工作频率f(波长λ)上，并发挥双重作用从读取器RF场捕获能量以使IC加电和驱动和以调制方式将一些入射RF场反射回RFID读取器以传达信息，例如其识别号。
天线在其尺寸和结构上必须满足多种设计和系统约束，同时仍然提供要求的性能水平以履行其功能。当前用于无源RFID标签的天线一般都具有一个或多个不合需的特征，例如太大、天线臂彼此分开延伸以及当若干RFID标签彼此过于靠近(即相隔距离远小于RFID读取器所使用的RF波长λ)时难以接受的性能灵敏度。
概述 本发明的一个方面是包含集成电路(IC)的射频识别(RFID)标签的天线系统。该系统包括具有与IC毗邻设置的近端、以及远端的天线基板。该系统还包括形成在天线基板上并具有电气连接于IC的近端的第一迂回天线元件。第二天线元件从IC开始沿与第一迂回天线元件相同的方向延伸并具有连接于IC的近端。第二天线元件或者是形成在天线基板元件上的第二迂回天线元件或者是导电线。分路电气连接第一和第二天线元件并配置成有利于天线系统和IC之间的阻抗匹配。当第二天线元件是第二迂回天线元件时，该系统进一步包括电气连接于第一和第二迂回天线元件中的至少一个的阻抗匹配电路。
本发明的另一方面是包含IC的RFID标签的天线系统。该系统包括具有近端和远端的天线基板。该系统还包括第一和第二迂回天线元件，这些天线元件各自由天线基板支承并各自具有近端和远端。该系统还具有第一和第二馈电点，这些馈电点设置在天线基板近端并连接于第一和第二迂回天线元件的各个近端以提供到IC的电气连接，所述IC设置在天线基板近端附近。该系统进一步包括或者电气连接于各个迂回天线元件或者连接于天线馈电点中之一的导电线，所述导电线沿与迂回天线元件相同的方向延伸并配置成利于阻抗匹配和使电流在天线系统和IC之间流动。该系统还具有分路，该分路电气连接于第一和第二迂回天线元件或交替地连接于迂回天线元件和导电线中的一个。该分路配置成利于天线系统和IC之间的阻抗匹配。
本发明的另一方面是包括IC的用于RFID标签的天线系统。该系统包括具有近端和远端的天线基板、长度LM、由天线基板支承并各自具有沿相同方向延伸的近端和远端的第一和第二迂回天线元件。该系统还具有第一和第二馈电点，这些馈电点设置在天线基板近端并电气连接于第一和第二迂回天线元件各自的近端以向IC提供电气连接，所述IC设置在天线基板近端附近。该系统还包括阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路电气连接于第一和迂回天线元件中的一个并配置成有利于天线系统和IC之间的阻抗匹配和电流流动。该系统进一步包括分路，该分路电气连接于第一和第二迂回天线元件并配置成有利于天线系统和IC之间的阻抗匹配。还公开了利用本发明RFID天线的RFID标签和RFID系统。
将在下面的详细说明中陈述本发明的其它特征和优点，并且通过说明书，部分内容对本领域内技术人员是显而易见的，或通过如本文所述的、包括下面给出的详细说明、权利要求书以及附图的本发明的实践来理解部分内容。
要理解，前面的一般说明和接下来的详细说明均给出本发明的实施例，并旨在如权利要求那样提供对理解本发明的属性和特征的总览或框架。附图旨在提供对本发明的进一步理解，并结合和构成本说明书的一部分。附图示出本发明的各实施例，并与说明书一起用来解释本发明的原理和操作。
附图简述
图1是示出根据本发明的RFID标签的示例性实施例的基本构件的示意图； 图2是根据本发明的包括RFID读取器和图1所示类型的两个无源RIFD标签的通用RFID系统的示意图； 图3是用于无源RFID标签的、根据本发明第一示例性实施例的平面示意图，其中该天线包括两个迂回天线元件和导电线； 图4是迂回天线元件中的一个的远端的近观视图，其示出天线极板以及迂回天线元件的天线极板和导电线的尺寸； 图5是图3的RFID标签和天线的平面示意图，但其中导电线具有数个弯折部； 图6是与图3相似的平面示意图，但其示出其中导电线不由天线基板支承的示例性实施例； 图7是与图6相似的示意图，其示出其中导电线电气连接于迂回天线元件中的一个的远端的示例性实施例； 图8是与图3相似的示意图，其示出其中由导电线代替迂回天线元件中的一个的示例性实施例； 图9是与图3相似的示意图，其示出其中天线不包括导电线并使用阻抗匹配电路来实现阻抗匹配的实施例； 图10是图9的阻抗匹配电路的近观图，其示出其中阻抗匹配电路具有单个电容器的示例性实施例；以及 图11是针对三种不同天线设计结构的、由于彼此靠近的两相似RFID标签从天线到IC的阻抗不匹配引起的模拟功率传输损失的功率传输损失(dB)相对于天线距离(mm)的曲线图。
详细说明 现在对本发明若干示例性实施例进行详细说明，且在附图中示出其示例。只要可能，在全部附图中用相同的附图标记来表示相同或相似部件。
广义的RFID标签和RFID系统 图1是根据本发明的无源RFID标签10的示例性实施例的基本构成的示意图。RFID标签10包括在天线馈电点32(图中示出两个馈电点32A和32B)处电气耦合于集成电路(IC)30的天线系统(“天线”)20。天线20包括至少一个迂回天线元件22。图1中示出两个迂回元件22A和22B，并在下面的说明中给出以便于说明。在一个示例性实施例中，迂回元件22A和22B各自具有长度LM。另外在图1中示出长度LC的导电线60，其在下文中结合天线系统20的示例性实施例予以介绍和讨论。
每个迂回天线元件22具有近端22P(例如22AP和22BP)以及远端22D(例如22AD和22BD)。由具有狭长尺寸LS、毗邻IC30的近端25P和远端25D的天线基板24支承每个迂回天线元件22。在示例性实施例中，天线基板24形成自或以其它方式包括要么是柔性(例如聚酯薄膜(Mylar)或纸)的要么是刚性(例如陶瓷、玻璃或塑料)的介电材料。在示例性实施例中，天线基板24是矩形的。由标签基板40支承天线20和IC30。
图2是根据本发明的一般RFID系统100的示意图，其包括RFID标签读取器(“RFID读取器”)110和图1所示类型的两个无源RFID标签10。RFID读取器110包括电气连接于RF信号处理电子器件130的读取器天线120。RFID系统100还可包括使用电气连接于RF信号处理电子器件130的无线天线162通过非无线连接150(例如光纤电缆或以太网电缆)或通过无线连接(信号)160链接于RFID读取器110的数据库单元140。
在操作中，RFID读取器110发出具有频率f和相应波长λ的RF盘查信号SI。在RFID读取器的读取范围DR内的这些RFID标签10能够从盘查信号SI捕获足够的能量以对IC30供电并将一部分信号SI以受调制方式反射回给RFID读取器作为标签信号ST。标签信号ST传达存储在IC中的信息，例如RFID标签识别号或有关标签所粘附的物品(未示出)的信息。标签信号ST由RFID读取器110接收并由RF信号处理电子器件130处理，以恢复和存储信息和/或将信息发送至数据库单元140。
天线设计考量 本发明针对用于无源RFID标签10的天线20，其包括IC30并工作在超高频(UHF)带或更高频带的频率下。本发明RFID标签最适用的RFID UHF频带的例子包括866MHz、915MHz和2.45GHz频带。
某些实施例的RFID标签10的天线20满足数个设计要求。第一个要求是由至少一个迂回天线元件22构成天线20的主要部分。在一个示例性实施例中，至少一个迂回天线元件22以由介电天线基板24支承至少一个金属性导电线的形式(例如形成于其上)出现。在一示例中，至少一个迂回天线元件22的狭长尺寸LM明显短于所使用的RF波长λ的半波长。在一示例性实施例中，LM≤0.25(λ/2)。
第二个要求是IC30位于天线基板近端25P处。这可通过使天线馈电点32位于天线基板近端来达成。
第三个设计要求是使多个狭长尺寸天线元件沿同一方向延伸(例如彼此平行设置)。
第四个设计要求是当标签间距DT较小时令天线20具有降低的读取范围(DR)灵敏度(即当靠近其它类似天线设置时(＜＜1波长距离)应使相对于读取范围减小的天线灵敏度最小化)。
第五个设计要求是天线20与其负载(即IC30)阻抗匹配。
天线20的上述要求提供了紧凑的形状因数FF(将在下文说明)，这允许在给定工作频率下具有比现有技术RFID标签明显更小的RFID标签。在天线基板24的同一端提供IC30的天线馈电点32允许为了多种不同目的将IC30设置在标签的一端，而不是像传统中央馈电天线结构那样设置在中间。要求沿相同方向彼此平行延伸的狭长尺寸天线器件的天线设计特征实现了这种功能。天线接近效应的灵敏度降低对标签间隔紧密并且要求保持良好性能的应用来说是重要的。阻抗匹配要求允许通过天线20将最优的RF功率量提供给IC30，因此即便来自RFID读取器的RF场削弱，也能向IC供电。这用来增加读取距离DR。
天线示例性实施例 图3是用于根据本发明的无源RFID标签10的、根据本发明的天线20的示例性实施例的平面示意图。一般来说，天线20包括至少一个迂回天线元件，而图3的示例性实施例包括两个迂回天线元件22A和22B。在一示例性实施例中，迂回天线元件22A和22B以天线迹线(例如金属导电线)的形式出现，这些迹线沿相同方向(也就是“平行的”)延伸，即沿天线基板24的狭长方向并离开相应的天线馈电点32A、32B。在一示例性实施例中，使用标准技术由例如导电墨水、金属等导电金属性材料形成天线元件22A和22B。
在一示例性实施例中，天线元件22A和22B分别包括在各自远端22AD和22BD处的平整接触区(“天线极板”)PA和PB。图4是迂回天线元件22A的远端22AD的近观图，其示出天线极板PA与迂回天线元件22A的导电线的相应线宽的相对尺寸。迂回天线元件22A具有线宽WL而天线极板PA具有正交宽度WPX和WPY。在一示例性实施例中，天线极板PA和PB是矩形的并且是包含天线元件剩余部分的关联导电线的大约两倍尺寸(宽度)或明显大于两倍尺寸(宽度)。天线极板PA和PB提供大金属区，这使天线总长度减小。天线极板PA和PB还用来增加天线功率获取效率和天线带宽。
迂回天线元件22A和22B在其各近端22AP和22BP处与各天线馈电点32A、32B电气接触，天线馈电点32A、32B均位于天线基板24的近端25P附近。天线元件22A和22B的迂回天线图案实现比全半波偶极子设计更为紧凑的天线。迂回天线元件22A和22B构成长度LM和宽度WM的主天线本体200。
天线20具有相关形状因数FF＝LM/λ，其中λ是天线20的工作波长。在一示例性实施例中，FF≤λ/2。在一示例性实施例中，LM＝40nm＜0.25*(λ/2)。
阻抗匹配分路 在无源RFID标签中，IC30由通过天线20接收的RF能量供电。为了使从天线20传输至IC30的RF功率量最大化，需要使天线和IC之间的阻抗匹配——即如果天线20的复阻抗为Z20而IC30的复阻抗为Z30，则当Z20＝Z*30时发生阻抗匹配，其中“*”表示复共轭。
为了利于阻抗匹配，天线20的示例性实施例包括分路54，该分路54电气连接于天线元件22A、22B，并可设置在，例如，天线元件近端22AP和22BP附近。分路54有助于与天线20和IC30之间的(复)阻抗的虚部(即电抗)的匹配。在本发明中使用分路54是为了实现要求的复阻抗匹配同时保持尽可能小的天线波束射到地面的覆盖面积(即形状因数)。本领域内技术人员所能理解的相关分路参数包括分路附连于迂回天线元件22A和22B的位置以及离天线馈电点32A和32B的距离，这个参数用来定义在分路环中的面积并因此定义天线的电感。
可调整分路与迂回天线元件22A、22B的附连点以增加或减小天线20的阻抗的虚部(即电感)。分路54也充当DC断路电阻，它有助于消除高电压放电(ESD)并使其不会伤害到IC30。分路电感和IC电容形成有益于近场UHF RFID应用的谐振电路。
导电线 在一示例性实施例中，天线20还包括长度LC的导电线60。在一示例性实施例中，导电线60附连于相应天线馈电点(例如所示的馈电点32A)附近的迂回天线元件(例如图所示的天线元件22A)。导电线60的尺寸设计成有利于天线20和IC30之间的阻抗匹配并改善去往/来自IC的天线电流(例如至最佳工作点)。导电线60也用来减小天线20的总尺寸。
选择导电线60的长度以使天线20的阻抗最好地匹配于IC30，同时在给定频带上增加功率获取效率，在示例性实施例中，所述给定频率为900MHz-930MHz。在示例性实施例中，这是使用天线模拟软件通过计算机模拟来实现的，从而确定给定频率和输入阻抗下的最佳导电线长度。假设具有固定的输入阻抗，则长度随着频率(相对于波长)而变化。
如前所述，天线20和IC30之间的良好阻抗匹配确保来自RF盘查信号(场)SI的RF功率的良好RF功率捕获，并因此获得相对大的读取范围DR。也可认为导电线60是“天线元件”。但在本文中将其称为“导电线”以在至少一个迂回天线元件之间作出区别。
在一个示例性实施例中，导电线60是直的。然而，导电线60不需要是直的。并且在一示例性实施例中，可以是弯折的或显著弯曲的，但仍然有效地发挥功能的。具有沿任何方向弯折多达90度的导电线60的天线20的模拟和测试仅表现出很小的性能影响。甚至与导电线60平直度的更大偏离也是可行的，只要天线元件不向后弯曲到抵住其本身和/或以其它方式耦合于其本身即可。靠近和/或与附近天线的另一导电线缠绕在一起的导电线60的测试对性能的影响非常小。图5示出与图3所示相似的示例性实施例，但其中导电线60包括数个弯折。这些弯折使天线20更为紧凑。
在结合连接器式光纤电缆使用的示例性实施例中，天线20显著短于半波偶极天线同时获得像理论偶极子天线那样尽可能多的功率。如果导电线60也是迂回的，那么天线长度更短。相对于天线性能唯一重要的长度是迂回天线元件22A和22B的长度，因为这两个元件与连接器集成在一起，尽管导电线60不一定如此集成并且在本发明某些实施例中可与光缆(未示出)集成。
在一示例性实施例中，导电线60不一定形成为导电迹线，并如图3所示由天线基板24支承，而是传统的无支承导线。在一示例性实施例中，导电线60如图6所示延伸过天线基板远端25D。注意在图6的RFID标签10的示例性实施例中，在没有来自天线基板24的支承时，如有必要可采用标签基板40来支承导电线60。本发明的又一些实施例包括具有形成在基板上的导电路径或任何其它类型导电引线的导电线。
由发明人执行的模拟和实验已证明当用于RFID系统100时RFID标签10的综合性能对于导线60相对于主天线本体200的准确位置或角度并不特别敏感。
图3、图5和图6的天线20的示例性实施例示出在IC30附近的一个点处附连于迂回天线元件22中的一个的导电线60。然而这种布置并非严格的，如下文中示例性实施例所述。图7是与图6相似的示意图，其示出一示例性实施例，其中导电线60电气连接于迂回天线元件22A的远端22AD。
图8是与图3相似的示意图，其示出天线20的示例性实施例，其中由导电线60代替迂回天线元件22B中之一。由发明人执行的模拟证明图7和图8的天线的示例性实施例能像图3的示例性实施例那样工作甚至比它更好，至少就与给定IC阻抗的阻抗匹配而言。
示例性天线设计参数在示例性实施例中，图3的天线20被设计成工作在915MHz频带中，并具有尺寸LM＝40mm、WM＝9mm和LC＝105mm。形状因数FF＝40mm/328mm＝0.12。在这种情形下，天线20的总长度近似等于LC，也就是大约(1/3)λ，而LM大约为(1/8)λ。
如此地的布置和形成分路54的形状，使天线20具有大约100欧姆阻抗的电抗部分，以与典型IC30的容抗匹配。发明人使用该特殊例天线结构结合两种不同的市场上可购得的IC(来自德州仪器公司和Impinj公司的EPC globalClass 1，Gen2RFID IC)进行的实验表明RFID标签可读的读取距离DR高达大约40英尺。应当理解，如果IC30与不同输入阻抗一起使用，则平直的导电线60的最佳长度LC可能不是105mm，且分路54的准确位置也可能改变。
具有阻抗匹配电路的天线 如上所述，导电线60和分路54帮助控制天线输入阻抗，并因此对优化天线和IC之间的RF电流作出贡献。在天线20的另一示例性实施例中，不是使用附连于迂回天线元件中之一的导电线60，而是使用由分立电子器件(例如电容器和电感器)构成的阻抗匹配电路70。在一示例性实施例中，阻抗匹配电路70包括通常用于天线阻抗匹配的串联电感器和并联电容器的标准配置。然而，这并非必需的配置。在一示例性实施例中，阻抗匹配电路70中分立电容器和/或电感器的已知配置用于本发明中以定制电抗而获得更好的阻抗匹配。
图9是与图3相似的示意图，其示出RFID标签10的一个实施例，该RFID标签10包括可作用地设置在IC30和天线20之间的阻抗匹配电路70。这种由分立电子器件构成的电路70可位于天线20上使天线性能最大化的任何位置。
作为示例，图10是示出包括串联地设置在IC30和分路54之间的单个电容器72的示例性实施例阻抗匹配电路70的近观图。模拟结果表示具有几皮法电容的电容器72提高了图9所示天线实施例的阻抗匹配。
减小的标签接近影响 如上面提到的，天线20的一个特征是当两个或更多个RFID标签10紧密靠近并在RFID读取器110的读取范围DR内时有助于防止RFID系统性能劣化。总的来说，紧密靠近的两个天线(例如比λ更近)会遭受互阻抗影响，这将使其性能降低。在这种情形下，每个RFID标签10中的天线20的阻抗改变，造成天线和负载(即IC30)之间的不匹配。发明人已发现由于本发明的天线20的这种接近影响造成的预期劣化表现出小于理论偶极子天线或一些市场上可购得的RFID标签的劣化。发明人的调查表示尽管相隔15mm的本发明RFID标签的读取范围DR可能减小12％-25％，然而这明显小于理论偶极子天线和具有中央馈电天线的市场上可得RFID标签的大约50％的相应读取范围减小量。
图11是功率传输损失(dB)相对于天线间距(mm)的曲线图，该曲线图针对两相似和接近设置的RFID标签因天线20至IC30的阻抗不匹配造成的模拟功率传输损失。图11的曲线图包括三条曲线曲线A针对图3的天线20，曲线B针对传统RFID标签天线，而曲线C针对偶极子天线。对RFID标签间距很小的天线20来说，其功率传输损失明显小于其它天线的功率传输损失。
本领域内技术人员应当明白，可对本发明作出各种修正和变化而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在覆盖本发明的这些修正和变化，假设它们落在所附权利要求及其等效物的范围内。
权利要求
1.一种用于包含集成电路(IC)的射频识别(RFID)标签的天线系统，包括
天线基板，所述天线基板具有与所述IC毗邻设置的近端，以及远端；
第一迂回天线元件，所述第一迂回天线元件形成在所述天线基板上，并具有电气连接于所述IC的近端；
第二天线元件，所述第二天线元件从IC开始沿与所述第一迂回天线元件相同的方向延伸，并具有连接于所述IC的近端，所述第二天线元件包括形成在所述天线基板元件上的第二迂回天线元件和导电线中的至少一者；
分路，所述分路电气连接于所述第一迂回天线元件和第二天线元件，所述分路配置为促成所述天线系统和所述IC之间的阻抗匹配；并且
其中，当所述第二天线元件包括所述第二迂回天线元件时，所述天线系统进一步包括电气连接于所述第一和第二迂回天线元件中的至少一个的阻抗匹配电路。
2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第二天线元件包括所述导电线。
3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第二天线元件包括所述第二迂回天线元件。
4.如权利要求1-3任何一项所述的天线系统，其特征在于，所述第二天线元件包括所述第二迂回天线元件，并且所述天线系统还包括电气连接于所述第一或第二迂回天线元件的导电线。
5.一种用于包含集成电路(IC)的射频识别(RFID)标签的天线系统，包括
具有近端和远端的天线基板；
第一和第二迂回天线元件，这些天线元件的每一个由所述天线基板支承并各自具有近端和远端；
第一和第二馈电点，这些馈电点设置在所述天线基板近端，并连接于所述第一和第二迂回天线元件各自的近端以向所述IC提供电气连接，所述IC毗邻所述天线基板近端设置；
导电线，所述导电线电气连接于所述迂回天线元件和所述天线馈电点中的至少一者，所述导电线沿与迂回天线元件相同的方向延伸，并配置为促成所述天线系统和所述IC之间的阻抗匹配及电流流动；以及
分路，所述分路电气连接于所述第一和第二迂回天线元件或所述迂回天线元件和所述导电线中的一者，所述分路配置为促成所述天线系统和所述IC之间的阻抗匹配。
6.如权利要求1或5所述的天线系统，其特征在于，还包括在所述第一和第二迂回天线元件各自的远端处的第一和第二天线极板。
7.如权利要求5或6所述的天线系统，其特征在于，所述第一和第二迂回天线元件和所述导电线由形成在所述天线基板上的金属导电线构成。
8.如权利要求1-7任何一项所述的天线系统，其特征在于，所述天线基板具有长度LM，所述天线系统具有工作波长λ和形状因数FF＝LM＜λ/2。
9.一种RFID系统，包括
如权利要求1-8所述的至少一个RFID标签；以及
配置成与至少一个RFID标签进行RF通信的RFID读取器。
全文摘要
用于无源射频识别(RFID)标签的天线系统。该天线系统具有非常小的形状因数和良好的功率获取并在与其它天线接近时具有良好的性能。该天线系统包括至少一个、较佳为两个，平行的迂回天线元件，这些迂回天线元件形成在天线基板上并由其支承，以使RFID标签集成电路(IC)能在天线基板的一端与天线系统形成电气接触。沿与至少一个迂回天线元件相同的方向延伸的导电线用来匹配阻抗并提高天线性能以及天线和IC之间的功率流动。可采用阻抗匹配电路来取代导电线以利于天线和IC之间的阻抗匹配。
文档编号H01Q9/16GK101785016SQ200880104077
公开日2010年7月21日 申请日期2008年8月7日 优先权日2007年8月13日
发明者A·查马蒂, J·D·唐尼, J·S·萨瑟兰, R·E·瓦格纳, M·S·怀廷, B·R·图罗 申请人:康宁光缆系统有限公司