专利名称：天线和读写器装置的制作方法
技术领域：
本申请描述的实施方式涉及天线和读写器装置。
背景技术：
近来，射频识别(RFID)作为非接触式自动识别技术已被广泛使用。在射频识别中，通过无线电波在集成电路(IC)标签和读写器装置之间进行非接触式数据通信，其中，该集成电路(IC)标签包括半导体存储器，该读写器装置从该IC标签的半导体存储器读取数据以及向其写入数据。 射频识别中的读写器装置包括向IC标签发射无线电波的通信天线(读写器天线)。如图13所示，通常使用贴片天线(patch antenna)作为这种通信天线，所述贴片天线包括位于由电介质材料制成的基板210上的、用于发射无线电波的矩形导体图案212。
例如，当这种贴片天线被用于识别直径约为40毫米的小IC标签的位置时，该贴片天线还可以被小型化以与该IC标签相符。 然而，仅仅使贴片天线小型化所带来的问题是降低了提供给IC标签的辐射功率(radiation power)，使得IC标签的位置识别变得困难。为了避免该问题，可以采用诸如陶瓷材料这样的具有高介电常数的电介质材料，作为贴片天线的基板。然而，诸如陶瓷材料这样的电介质材料是昂贵的，因此使用该电介质材料增加了制造成本。诸如FR-4这样的玻璃环氧树脂(glass印oxy resin)是一种比陶瓷材料便宜的电介质材料，它可用作贴片天线的基板，但是FR-4的介电常数比陶瓷材料的低。因而，整个天线需要大型化以获得与在陶瓷材料情况下相同的辐射功率。 为了确保发射到IC标签的辐射功率足够大，已经提出了各种类型的天线，这些天线在其基板上带有经修改的导体图案。例如，所提出的一种天线带有呈曲折线形的导体图案(参见PCT国际申请的已公布的日文翻译版本No. 2008-519571)。通过形成这种曲折的导体图案，形成了相对于基板的尽可能大的导体表面积，由此防止其辐射功率的降低。
然而，对于这种天线，如果使用诸如FR-4基板这样的具有低介电常数的廉价基板，则可能需要增加导体图案的长度以确保提供给IC标签的辐射功率足够大，因此增大了导体图案的在长度方向上的尺寸。结果增大了整个天线的尺寸。
发明内容
本发明所公开的技术方案致力于解决常规技术方案中的上述问题。本发明所公开的技术方案的目的是提供一种天线和读写器装置，所述天线使用具有低介电常数的廉价基板，但是没有显著增大尺寸和减小辐射功率。 根据本发明的一个方面，一种能够与读写器装置连接的天线被配置为能够与无线标签进行通信，所述天线包括由电介质材料制成的基板和在所述基板上形成的导体图案。所述导体图案包括供电点，其位于所述导体图案的一端，所述天线经由所述供电点能够与所述读写器装置连接；自由端，其位于所述导体图案的另一端；供电侧延伸部，其从所述供电点开始延伸第一预定距离；以及螺旋部，其从所述供电侧延伸部的与所述供电点对置的
对置端开始按照螺旋形螺旋地延伸到作为所述螺旋部的终端的所述自由端。所述螺旋部包
括所述自由端和与所述供电侧延伸部并列设置的自由端侧延伸部。向所述供电点输入功率
时所述自由端侧延伸部中的电流为零的位置被称为零点，垂直于所述自由端侧延伸部并且
经过所述零点的虚拟直线与所述供电侧延伸部相交的位置被称为交叉点，沿所述导体图案
的长度方向从所述零点到所述交叉点的距离，被设定为第二预定距离，在所述第二预定距
离的情况下，当输入功率时"作为在所述零点产生的电场和在所述交叉点产生的电场两者
的结合而产生"的电场的强度变成使得能够与所述无线标签进行通信的值。 本发明的目的及优点借助于在本发明各个技术方案中特别指出的要素及组合来
实现和获得。 应当理解，前面的一般性描述和下面的详细描述两者都只是示例性和说明性的，不构成对所要求保护的本发明的限制。
图1是根据本发明的一个实施方式的天线的配置的立体图； 图2示意示出IC标签放置在根据该实施方式的天线上的状态； 图3是图1所示的天线的平面图； 图4是表示沿导体图案的长度方向的电流分布的曲线图； 图5是表示沿导体图案的长度方向的电场分布的曲线图； 图6示意示出在零点产生的电场和在交叉点产生的电场的彼此结合的状态； 图7是示出从天线提供给IC标签的功率与频率的关系的曲线图； 图8是根据该实施方式的天线的一个变型例的视图； 图9是根据该实施方式的天线的另一变型例的视图； 图10是表示根据该实施方式的天线被连接到读写器装置的状态的视图； 图11是带有根据该实施方式的导体图案的天线的应用示例的示意图； 图12是带有根据该实施方式的导体图案的天线的另一应用示例的示意图；以及 图13是贴片天线的配置的立体图。
具体实施例方式
下面结合附图详细阐述根据本发明的天线和读写器装置的示例性实施方式。 首先说明根据本发明的一个实施方式的天线的配置。图1是根据该实施方式的天
线1的配置的立体图；而图2示意示出IC标签2放置在天线1上的状态。 如图1所示，天线1包括基板IO，其由诸如玻璃环氧树脂的电介质材料(例如
FR-4)制成；导体图案12，其形成在基板10上；以及接地部(GND) 14，其形成在基板10的相
对于导体图案12的背面。导体图案12包括位于导体图案12 —端的供电点12a以及位于
导体图案12另一端的自由端12b。 天线1被用在作为自动识别技术之一的射频识别中，并且天线1经由供电点12a连接到读写器装置(未示出)，该读写器装置被配置成能够与带有半导体存储器的IC标签2进行通信，如图2所示。读写器装置经由天线1向停放在天线1上的IC标签2发射无线电波以及从其接收无线电波，由此识别IC标签2相对于基板10的位置，并且从IC标签2 的半导体存储器读取数据以及向其写入数据。 导体图案12包括供电侧延伸部20和与该供电侧延伸部20连接的螺旋部22，并且 该导体图案12是通过多次弯曲单个连续线性导体而形成的。 供电侧延伸部20从供电点12a开始线性地延伸一预定长度。螺旋部22从与供电 侧延伸部20的供电点12a对置的一端开始螺旋地延伸到作为终端的自由端12b。在本实施 方式中，螺旋部呈四边形的形状。该近似四边形的四条边是通过将形成导体图案12的线性 导体4次弯曲而形成的。 与曲折形地形成的导体图案12相比，通过将供电侧延伸部20的端部与螺旋形螺 旋部22相连接所形成的整个导体图案12变得更加紧凑。因此抑制了整个天线1尺寸的增 大。 螺旋部22包括位于螺旋部22自由端处的自由端12b，该螺旋部22形成有与供电 侧延伸部20并列设置的自由端侧延伸部23。自由端侧延伸部23和供电侧延伸部20的彼 此并列设置意指自由端侧延伸部23和供电侧延伸部20以彼此保持预定间隔的方式相邻布 置，并且所述彼此并列设置还包括这样一种布置自由端侧延伸部23和供电侧延伸部20彼 此平行。 特别是，在天线1中供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23以彼此并列的方式定
位，使得当功率被输入到供电点12a时在供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23之间的空
间中产生强电场。在下文说明供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23的具体配置。 图3是图l示出的天线1的平面图。如图3所示，当向供电点12a输入功率时，自
由端12b附近的电流变为零，因此在自由端侧延伸部23的自由端12b附近产生电流为零的
零点"a"。经过零点"a"且垂直于自由端侧延伸部23的线V被定义为虚拟直线。 在本实施方式中，沿导体图案12的长度方向从虚拟直线"V"与供电侧延伸部20
之间的交叉点"b"到零点"a"的距离"Lab"(如图3中以双箭头所示)被设定为这样一距
离，在所述距离的情况下，当输入功率时"作为在零点"a"产生的电场和在交叉点"b"产生
的电场两者的结合而得到"的电场的强度使得能够与停放在基板10上的IC标签2进行通信。 具体而言，沿导体图案12的长度方向从零点"a"到交叉点"b"的距离"Lab"被设 定为用于天线1的无线电波的波长A的一半。用于天线1的无线电波的波长A是将下述 影响考虑在内而选择的波长，所述影响是由所使用的电介质材料的介电常数导致的波长压 縮效应(wavelengthcompression effect)对所使用的无线电波在自由空间中的波长造成 的影响。 一般而言，用于天线1的无线电波的波长A受其上形成有导体图案12的基板10 的介电常数e的影B向，因此该波长A小于所使用的无线电波在自由空间中的波长。该波 长A按照取决于基板10的厚度的方式在导体图案12上被压縮至大约1/V^。
例如，当所使用的无线电波是UHF无线电波(约952兆赫兹)且基板10是介电常 数为4. 4的FR-4时，自由空间中的波长约为31厘米，因而用于天线1的无线电波的波长A 在导体图案12上约为15厘米。据此将沿导体图案12的长度方向从零点"a"到交叉点"b" 的距离"Lab"设定为1/2 A ，即，约为7. 5厘米。 通过将沿导体图案12的长度方向从零点"a"到交叉点"b"的距离"Lab"设定为
6用于天线1的无线电波的波长A的一半，使得交叉点"b"的电流相位相对于零点"a"的电 流相位偏移了 180度。 该偏移在图4中示出。图4是表示沿导体图案12的长度方向的电流分布的曲线 图。如图4所示，交叉点"b"的电流相位相对于零点"a"的电流相位偏移了 180度，因此， 与零点"a"类似，交叉点"b"的电流为0。 图5是表示沿导体图案12的长度方向的电场分布的曲线图。图5中示出的电场 分布对应于图4中示出的电流分布。如图5所示，当沿导体图案12的长度方向从零点"a" 到交叉点"b"的距离"Lab"被设定为用于天线1的无线电波的波长A的一半时，在零点 "a"产生的电场在正方向最大，而在交叉点"b"产生的电场在负方向最大。因此，当向供电 点12a输入功率时，在供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23之间的空间"S "中，在零点 "a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场沿相同方向发射并且彼此结合。
图6示意示出在零点"a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场的彼此结合的状 态。图6示意性示出沿图3所示的虚拟直线"V"的竖直方向剖视的天线1的截面。
如图6左上所示，在零点"a"产生的电场强度为最大值"Ea"。该电场的方向是正 方向，即，远离自由端侧延伸部23的方向。如图6右上所示，在交叉点"b"产生的电场强度 为最大值"Eb" ( = "Ea")。该电场的方向是负方向，即，朝向供电侧延伸部20的方向。
也就是说，在供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23之间的空间"S"中，在零点 "a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场都从图6的左侧指向右侧，S卩，从自由端侧延伸 部23指向供电侧延伸部20。因此，如图6下部所示，在零点"a"产生的电场和在交叉点"b" 产生的电场两者在空间"S"中表现为彼此增强。结果是，在零点"a"产生的电场和在交叉 点"b"产生的电场在空间S中彼此结合，结合后的电场强度变成Ea+Eb。于是，结合得到的 电场的电场强度Ea+Eb已经被增加到能够与停放在基板10上的IC标签2 (参见图2)进行 通信的值。 因而，在本实施方式中，沿导体图案12的长度方向从零点"a"到交叉点"b"的距 离"Lab"被设定成这样的距离，在所述距离的情况下，当输入功率时"作为在零点"a"产生 的电场和在交叉点"b"产生的电场两者的结合而生成"的电场的强度使得能够与IC标签2 进行通信。即，距离"Lab"被设定为用于天线l的无线电波的波长A的一半。换句话说，供 电侧延伸部20和自由端侧延伸部23彼此并列布置，使得当向供电点12a输入功率时，在包 括零点"a"的自由端侧延伸部23和包括交叉点"b"的供电侧延伸部20之间的空间S中， 在零点"a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场两者彼此增强到使得能够与IC标签2 进行通信的程度。因此，彼此并列的供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23之间的电场强 度在局部被增强。因此，即使使用具有低介电常数的廉价基板(例如，FR-4等)，也可以在 抑制天线1尺寸增加的同时防止辐射功率降低。 下面说明利用连接到根据本实施方式的天线1的读写器装置检查提供给IC标签 2的供给功率(辐射功率)的结果。图7是示出当IC标签2放置于天线1上(见图2)时 从天线1提供给IC标签2的功率与频率的关系的曲线图。在图7中，由读写器装置输入给 天线1的功率为10dBm。 如图7所示，当沿导体图案12的长度方向从零点"a"到交叉点"b"的距离"Lab" 被设定为用于天线1的无线电波的波长A的一半时，在952兆赫兹的UHF频率，提供给IC
7标签2的供给功率约为7. 5dBm。当距离"Lab"不等于用于天线1的无线电波的波长A的 一半时，在952兆赫的UHF频率，提供给IC标签2的供给功率约为3. 5dBm。根据这些结果 可以确定，当距离"Lab"被设定为1/2* A时获得的供给功率比当距离"Lab"未被设定为 1/2 A时获得的供给功率高约4dBm。 S卩，当距离"Lab"被设定为1/2 A时，在零点"a"产生的电场和在交叉点"b"产 生的电场变成相反极性的最大值(参见图4至图6)。因此，这使得能够尽可能地增强在彼 此并列的供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23之间的电场强度的在局部增大的效果。
当距离"Lab"未被设定为1/2 A时，提供给IC标签2的供给功率被减小。这是 因为在零点"a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场两者均变得小于最大值，因此"作为 在零点"a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场两者的结合而产生"的电场的强度在供 电侧延伸部20和自由端侧延伸部23之间的空间S中被减弱。 因此，优选按照如下方式选择距离"Lab"的值S卩，使得当输入功率时"作为在零 点"a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场两者的结合而产生"的电场的强度不会变成 小于使得能够与IC标签2进行通信的值。也就是说，即使距离"Lab"不是用于天线1的无 线电波的波长A的一半，优选将距离"Lab"设定为大于等于用于天线1的无线电波的波长 入的1/4且小于等于用于天线1的无线电波的波长A的3/4。通过将距离"Lab"设定为 大于等于用于天线1的无线电波的波长A的1/4且小于等于用于天线1的无线电波的波 长A的3/4，使得"作为在零点"a"产生的电场和在交叉点"b"产生的电场两者的结合而 产生"的电场的强度在供电侧延伸部20和自由端侧延伸部23之间的空间S中被保持在一 个值，该值不小于使得能够与IC标签2进行通信的值。 在本实施方式中，螺旋部22是四边形的，但是可以采用诸如图8所示的三角形这 样的多边形或者如图9所示的圆形形状。 如图10所示，天线1经由供电点12a与读写器装置3相连接。例如，天线1优选 通过具有50欧姆阻抗的匹配电路4连接到读写器装置3。通过在天线1和读写器装置3之 间布置匹配电路4，便于在天线1和读写器装置3之间的阻抗匹配，并且读写器装置3的性 能得以有效发挥。 下面对包括根据本实施方式的导体图案12的天线的应用示例进行说明。图11和 图12是带有导体图案12的天线的应用示例的示意图。下文中采用相同的附图标记表示与 前述部件相同的部件以避免重复说明。 如图11所示，根据该应用示例的天线5包括由电介质材料制成的基板110和按照 矩阵方式布置的多个导体图案12。预先规定每个导体图案12在基板110上的二维位置。 各个导体图案12均经由连接到供电点12a的配线5a至5c电连接到读写器装置6。由于这 种配置，当IC标签(未示出)被放置在基板110上的任意一个导体图案12的位置处时，读 写器装置6能够基于经由配线5a至5c从IC标签所处的导体图案12接收的信号轻易地识 别出基板110上的该IC标签的位置。 在图12所示的应用示例中，转换开关(changer-over switch) 7被布置在图11所 示的天线5和读写器6之间。转换开关7经由配线5a至5c连接到天线5，即，连接到多个 导体图案12，并且还经由配线7a连接到读写器装置6。转换开关7选择性地向读写器装置 6发送来自多个导体图案12的经由配线5a至5c发送的信号。例如，当转换开关7选择来自基板110上的图12最左侧的三个导体图案12的信号时，来自其余那些导体图案12的信 号不被发送到读写器装置6。因此，读写器6装置识别出被放置在图12左侧中间的IC标签 Tl的位置，但读写器装置6未识别出被放置于图12右下方的IC标签T2的位置。因此，通 过将多个导体图案12经由转换开关7连接到读写器装置6，使得允许采用各种方法来识别 IC标签的位置。 这里给出的所有例子及限定性语言都是为教示目的，旨在帮助阅读者理解本发明 人为扩展现有技术而贡献的本发明及其思想，这里给出的所有例子及限定性语言应被理解 为既不将本发明限制为这些具体叙述的例子和情况，同时说明书中的这些例子的组织方式 也不涉及对本发明不同方案的优劣的展示。虽然已经详细描述了本发明的各个实施方式， 但是应当理解，在不脱离本发明精神和范围的条件下，能够对本发明做出各种改变、替换和 变型。
权利要求
一种能够与读写器装置连接的天线，所述天线被配置为能够与无线标签进行通信，所述天线包括由电介质材料制成的基板；以及在所述基板上形成的导体图案，并且所述导体图案包括供电点，其位于所述导体图案的一端，所述天线经由所述供电点能够与所述读写器装置连接；自由端，其位于所述导体图案的另一端；供电侧延伸部，其从所述供电点开始延伸第一预定距离；以及螺旋部，其从所述供电侧延伸部的与所述供电点对置的对置端开始按照螺旋形螺旋地延伸到作为所述螺旋部的终端的所述自由端，所述螺旋部包括所述自由端和与所述供电侧延伸部并列设置的自由端侧延伸部，其中，向所述供电点输入功率时所述自由端侧延伸部中的电流为零的位置被称为零点，垂直于所述自由端侧延伸部并且经过所述零点的虚拟直线与所述供电侧延伸部相交的位置被称为交叉点，沿所述导体图案的长度方向从所述零点到所述交叉点的距离被设定为第二预定距离，在所述第二预定距离的情况下，当输入功率时“作为在所述零点产生的电场和在所述交叉点产生的电场两者的结合而产生”的电场的强度变成使得能够与所述无线标签进行通信的值。
2. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述第二预定距离大于等于用于所述天线的无线电波的波长的1/4且小于等于所述波长的3/4。
3. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述第二预定距离等于用于所述天线的无线电波的波长的一半。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其中，所述螺旋部呈多边形。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其中，所述螺旋部呈圆形。
6. —种读写器装置，其包括读写器，其配置成能够与无线标签进行通信；以及天线，其能够与所述读写器连接，所述天线包括由电介质材料制成的基板；以及在所述基板上形成的导体图案，并且所述导体图案包括供电点，其位于所述导体图案的一端，所述天线经由所述供电点能够与所述读写器装置连接；自由端，其位于所述导体图案的另一端；供电侧延伸部，其从所述供电点开始延伸第一预定距离；以及螺旋部，其从所述供电侧延伸部的与所述供电点对置的对置端开始按照螺旋形螺旋地延伸到作为所述螺旋部的终端的所述自由端，所述螺旋部包括所述自由端和与所述供电侧延伸部并列设置的自由端侧延伸部，其中，向所述供电点输入功率时所述自由端侧延伸部中的电流为零的位置被称为零点，垂直于所述自由端侧延伸部并且经过所述零点的虚拟直线与所述供电侧延伸部相交的位置被称为交叉点，沿所述导体图案的长度方向从所述零点到所述交叉点的距离被设定为第二预定距离，在所述第二预定距离的情况下，当输入功率时"作为在所述零点产生的电场和在所述交叉点产生的电场两者的结合而产生"的电场的强度变成使得能够与所述无线标签进行通信的值。
全文摘要
一种天线，其包括由电介质材料制成的基板和在该基板上形成的导体图案，该导体图案包括供电点；自由端；供电侧延伸部，其从该供电点开始延伸；以及螺旋部，其从该供电侧延伸部的对置端开始螺旋地延伸到该自由端。该螺旋部包括与该供电侧延伸部并列设置的自由端侧延伸部。向该供电点输入功率时该自由端侧延伸部中的电流为零的位置被称为零点，垂直于该自由端侧延伸部且经过该零点的虚拟直线与该供电侧延伸部相交的位置被称为交叉点，沿该导体图案的长度方向从所述零点到所述交叉点的距离被设定为第二预定距离，在该第二预定距离的情况下，当输入功率时“作为在该零点产生的电场和该交叉点产生的电场的结合而产生”的电场的强度使得能够与无线标签进行通信。
文档编号H01Q13/08GK101714696SQ20091015908
公开日2010年5月26日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年9月30日
发明者二宫照尚, 甲斐学 申请人:富士通株式会社