專利名稱：超高頻射頻識別標簽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于射頻識別(“RFID”)標簽的天線設(shè)計。更具體地說，本發(fā)明涉及用于特別是在超高頻(“UHF”)操作頻帶中操作的RFID標簽的設(shè)計。
背景技術(shù)：
已經(jīng)建議將射頻識別(“RFID”)用在許多應(yīng)用中，其中，將RFID標簽貼在物品上，隨后詢問或讀取以便獲得有關(guān)那個物品的信息。例如，U.S.專利No.6,232,870和6,486,780以及PCT公開號WO00/10122描述了用于RFID系統(tǒng)的各種功能和應(yīng)用，以及示例將RFID標簽用在圖書館中。U.S.專利No.5,963,134還描述了RFID系統(tǒng)在圖書館中和用于其他應(yīng)用的一些用法。
典型的RFID標簽的設(shè)計在半導(dǎo)體和印刷電路板工廠反映其起源。不管功能如何，設(shè)計具有各種特色，增加成品的價格以及特別是在超高頻(“UHF”)的效率。在諧振RFID標簽中，與電容器并行連接天線的電感，以便使由此形成的諧振頻率調(diào)整到預(yù)定值。在更先進的形式中，RFID標簽的電路可以包括電子和機械地焊接到襯底上的天線的集成電路，其中，由閱讀器信號，在天線中/上感應(yīng)的電壓提供操作集成電路的功率。
已經(jīng)開發(fā)了各種方法來設(shè)計RFID標簽，諸如在下述文獻U.S.專利No.6,501,435；U.S.專利No.6,100,804和PCT公開號WO00/26993中所公開的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供一種超高頻(“UHF”)射頻識別(“RFID”)標簽。UHF RFID標記包括a)介電襯底；b)連在介電襯底上的天線，其中，天線包括i)第一天線元件，其中，第一天線元件包括第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體，其中，每個導(dǎo)體具有第一端和與第一端相對的第二端，其中，選擇第一天線元件以便提供天線的所需操作頻率范圍；以及ii)第二天線元件，其中，第二天線元件包括第一部分和第二部分，其中，第一部分連在第一導(dǎo)體的第二端，以及第二部分連在第二導(dǎo)體的第二端，以及其中，選擇第二天線元件以便提供天線的所需阻抗值；以及c)集成電路，連在第一導(dǎo)體的第一端和第二導(dǎo)體的第一端上。
在上述UHF RFID標簽的一個優(yōu)選實施例中，集成電路具有第一阻抗值，以及天線具有第二阻抗值，以及第二阻抗值的實分量的大小基本上與第一阻抗值的實分量的大小類似，以及第二阻抗值的虛(imaginary)分量的大小基本上與第一阻抗值的虛分量的大小類似，以及第一阻抗值的虛分量的相位和第二阻抗值的虛分量的相位相反。在該實施例的另一方面中，第一阻抗值具有第一實分量值和第一虛分量值，第二阻抗值具有第二實分量值和第二虛分量值，第一實分量值基本上類似于第二實分量值，以及第一虛分量值基本類似于第二虛分量值，其中第二阻抗值的虛分量的大小基本類似于第一阻抗值的虛分量的大小，以及第一阻抗值的虛分量的相位和第二阻抗值的虛分量的相位相反。在該實施例的另一方面中，第一阻抗值具有第一實分量值和第一虛分量值，第二阻抗值具有第二實分量值和第二虛分量值，其中第一實分量值等于第二實分量值以及第一虛分量值等于第二虛分量值，以及第二阻抗值的虛分量的大小等于第一阻抗值的虛分量的大小，以及第一阻抗值的虛分量的相位和第二阻抗值的虛分量的相位相反。
在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，以及選擇天線的第二部分以便提供有助于平衡第一實分量值和第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供與集成電路的第一阻抗值基本上類似的天線的第二阻抗值。在該實施例的另一方面中，天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，以及選擇天線的第二部分以便提供有助于平衡第一實分量值和第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供等于集成電路的第一阻抗值的天線的第二阻抗值。
在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分和第二天線元件的第二部分均以閉環(huán)的形狀。在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分和第二天線元件的第二部分均以多邊形的形狀。在上述UHF RFID標簽的又一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分在形狀方面與第二天線元件的第二部分不同。
在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分在形狀方面與第二天線元件的第二部分類似。在上述UHF RFID標簽的又一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分在大小方面不同于第二天線元件的第二部分。在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體包括彎折處(meander)。在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體均由導(dǎo)線、成形導(dǎo)電箔或印刷導(dǎo)電軌跡制成。在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第一天線元件由不同于第二天線元件的導(dǎo)電材料制成。
在上述UHF RFID標簽的又一優(yōu)選實施例中，介電襯底包括在850MHz和960MHz間的介電常數(shù)ε≤10*ε0，ε0是自由空間的介電常數(shù)(ε0＝8.85×10-12C2/N.m2)。在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，介電襯底包括第一側(cè)面和與第一側(cè)面相對的第二側(cè)面，天線連在第一側(cè)面上，以及集成芯片連在第二側(cè)面上。在上述UHF RFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分和第一導(dǎo)體間的距離不同于第二天線元件的第二部分和第二導(dǎo)體間的距離。在上述UHFRFID標簽的另一優(yōu)選實施例中，第一導(dǎo)體的長度不同于第二導(dǎo)體的長度。
本發(fā)明的另一方面提供一種制造超高頻(“UHF”)射頻識別(“RFID”)標簽的方法。該方法包括步驟a)提供介電襯底；b)選擇由第一天線元件和第二天線元件組成的天線，其中，選擇第一天線元件以便提供天線的所需操作頻率范圍，其中，選擇第二天線元件以便提供所需阻抗值，其中，第一天線元件包括第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體，其中，每個導(dǎo)體具有第一端和與第一端相對的第二端，以及其中，第二天線元件包括第一部分和第二部分；以及c)將天線連在介電襯底上，以便使第二天線元件的第一部分連在第一導(dǎo)體的第二端，以及使第二天線元件的第二部分連在第二導(dǎo)體的第二端；以及d)使集成電路連在第一導(dǎo)體的第一端和第二導(dǎo)體的第一端。
在上述方法的一個優(yōu)選實施例中，集成電路具有第一阻抗值，以及第二天線元件具有第二阻抗值，以及第二阻抗值的實分量的大小基本上與第一阻抗值的實分量的大小類似，以及第二阻抗值的虛分量的大小基本上與第一阻抗值的虛分量的大小類似，以及第一阻抗值的虛分量的相位和第二阻抗值的虛分量的相位相反。在該實施例的另一方面，第一阻抗值具有第一實分量值和第一虛分量值，第二阻抗值具有第二實分量值和第二虛分量值，第一實分量值基本類似于第二實分量值，并且第一虛分量值基本類似于第二虛分量值，第二阻抗值的虛分量的大小基本類似于第一阻抗值的虛分量的大小，以及第一阻抗值的虛分量的相位和第二阻抗值的虛分量的相位相反。在該實施例的另一方面，第一阻抗值具有第一實分量值和第一虛分量值，其中，第二阻抗值具有第二實分量值和第二虛分量值，第一實分量值等于第二實分量值以及第一虛分量值等于第二虛分量值，第二阻抗值的虛分量的大小等于第一阻抗值的虛分量的大小，以及，第一阻抗值的虛分量的相位和第二阻抗值的虛分量的相位相反。
在上述方法的另一優(yōu)選實施例中，天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，選擇天線的第二部分以便提供有助于平衡第一實分量值和第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供與集成電路的第一阻抗值基本上類似的天線的第二阻抗值。在該實施例的另一方面中，天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，選擇天線的第二部分以便提供有助于平衡第一實分量值和第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供等于集成電路的第一阻抗值的天線的第二阻抗值。
在上述方法的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分和第二天線元件的第二部分均以閉環(huán)的形狀。在上述方法的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分和第二天線元件的第二部分均以多邊形的形狀。在上述方法的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分在形狀方面與第二天線元件的第二部分不同。在上述方法的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分在形狀方面與第二天線元件的第二部分類似。在上述方法的另一優(yōu)選實施例中，第二天線元件的第一部分在大小方面不同于第二天線元件的第二部分。


將參考附圖，進一步描述本發(fā)明，其中在幾個圖中，用相同的數(shù)字引用相同的結(jié)構(gòu)，以及其中圖1是本發(fā)明的RFID標簽的一個實施例的俯視圖；圖2是示例說明現(xiàn)有技術(shù)的折疊偶極天線的所計算阻抗的圖；以及圖3是示例說明本發(fā)明的RFID標簽的天線的所計算阻抗的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明用于在通常從850MHz到960MHz的范圍，最好是歐洲為868MHz、USA為915MHz以及日本為956MHz的超高頻(“UHF”)頻帶中操作的射頻識別(“RFID”)標簽。
RFID標簽可以是有源或無源。無源RFID標簽，特別是在UHF頻帶中操作的那些，使用來自由RFID閱讀器發(fā)出的入射電磁場的射頻信號來供電該標簽。射頻閱讀器可以提供數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和RFID標簽間，或用戶和RFID標簽間的接口。當(dāng)RFID標簽從入射電磁場接收射頻信號時，天線吸收由射頻信號接收的射頻能量，以及將該能量引導(dǎo)到RFID標簽上的集成電路。該集成電路將一部分吸收的射頻能量轉(zhuǎn)換成電位能，以及將該能量存儲在集成電路的內(nèi)部電路部分中。電位能在集成電路的內(nèi)部電源連接處，出現(xiàn)為電壓。集成電路中的其他電路，包括微處理器、任選存儲器以及用于通信的解碼和編碼電路均由該存儲能供電。
來自RFID閱讀器的入射電磁能可以包含編碼成射頻信號的數(shù)據(jù)或指令。指令可以包括命令RFID標簽傳送其序列號或集成電路中數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。使用在集成電路上存儲的能量，然后，集成電路能向RFID閱讀器傳送回在集成電路的板上存儲器中存儲的數(shù)據(jù)的詳情。能“讀取”RFID標簽的距離，即參與與RFID閱讀器的雙向通信，由RFID閱讀器的輸出功率、周圍環(huán)境和RFID標簽與入射電磁場相互作用的效率而定。RFID標簽?zāi)軐⑿聰?shù)據(jù)“寫入”其存儲器的范圍通常小于“讀取”范圍，因為“寫”操作要求通常較高電壓。對特別是UHF RFID標簽，RFID標簽通過調(diào)制RFID天線上的負載，使一部分入射電磁能反向散射到RFID閱讀器，與RFID閱讀器通信。閱讀器接收反向散射的電磁輻射以及解碼該調(diào)制信號。
通過由政府規(guī)章限制的RFID閱讀器功率發(fā)射，通過更有效的標簽天線設(shè)計，更最唯一可能提高閱讀范圍。因此，需要增加的入射射頻能的天線吸收效率以及將吸收能傳送到集成電路。UHF RFID標簽天線應(yīng)當(dāng)對吸收入射電磁輻射和將電磁輻射反向散射到RFID閱讀器有效。此外，RFID標簽天線和集成電路間的連接需要即使以操作距離的上限，即以分開RFID閱讀器和RFID標簽的大的距離，例如三米，也能向集成電路有效地提供足夠的能量。
電磁場和RFID標簽的交互作用的效率基于RFID標簽天線設(shè)計和將電磁能從天線耦合到集成電路中的效率。該效率與天線的阻抗和集成電路的阻抗而定。適度高效UHF天線能由偶極子或兩個導(dǎo)體，特別是約一半波長的級制成。在900MHz，自由空間波長為約300mm。天線和集成電路間的電磁能的有效耦合由天線的阻抗與集成電路的輸入連接處的阻抗的基本上匹配或精確匹配而定。阻抗Z能由復(fù)數(shù)表示，其中，實分量(表示為Re Z)表示電阻負載，其中與電壓同相的隨時間變化的電流(Φ＝0，其中，Φ定義為電壓和電流波形間的相位角)導(dǎo)致耗散損耗函數(shù)。虛分量(表示為Im Z)表示時間變化電壓，使受限負載中的時間變化電流超前(Φ＝π/2，電感)或滯后(Φ＝-π/2，電容)特性相位角Φ。天線的復(fù)阻抗和集成電路的復(fù)阻抗能由實分量和虛分量的和表示?？梢允褂糜糜趶?fù)變量的慣例數(shù)字規(guī)則，生成阻抗、電壓和電流的復(fù)數(shù)表示。
通過設(shè)計接近，最好等于集成電路輸入阻抗的實分量(Re ZIC)的天線阻抗的實分量(Re ZANT)，可以實現(xiàn)天線和集成電路間的輸入連接兩端的電磁能量的有效耦合。匹配天線和集成電路輸入阻抗的實分量將有助于最小化天線和集成電路間的邊界處的電磁能量的反射，使得RFID標簽更有效。該現(xiàn)象在The Art of Electronics，由Paul Horowitz和Winfield Hill(劍橋大學(xué)出版社，劍橋，英格蘭)1980，pp 565-568中教導(dǎo)過，在此引入以供參考。
在包括特別是UHF操作頻帶的各種操作頻帶中，天線的虛阻抗和集成電路的虛阻抗(分別為Im ZANT和Im ZIC)將影響到集成電路中的功率傳送的效率。術(shù)語“功率因數(shù)”用來特征化由天線吸收的、由RFID閱讀器發(fā)送的吸收射頻電磁能量將轉(zhuǎn)換成集成電路中的存儲能的效率。(在The Art of Electronics，由Paul Horowitz和Winfield Hill(劍橋大學(xué)出版社，劍橋，英格蘭)1980，pp29中進一步論述了功率因數(shù)的定義和說明，在此引入以供參考。)當(dāng)電流和電壓同相時，功率因數(shù)為最大，這能通過平衡集成電路輸入的虛(電容)阻抗分量和天線的虛(電感)阻抗分量來實現(xiàn)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易理解簡單偶極天線的操作以及可以由Maxwell方程式來描述。簡單偶極天線在Elements of Physics，由GeorgeShortley and Dudley Williams，Prentice-Hall，Inc.Englewood Cliffs，NJ(1971)中進一步論述過，在此引入以供參考。使用為彎曲部分或沿偶極天線的迂回電路路徑的彎折處30，可以減小偶極天線的整個物理長度，以便增加偶極天線的有效電長度(信號路徑)，同時維持最佳物理長度。彎折處可以是均勻或不均勻的。
本領(lǐng)域也非常公知的偶極天線的另一變化是折疊偶極子，其中，使集成電路相對的兩個自由遠端延伸折疊回它們自身上并電連接。示例性的折疊偶極天線的阻抗，其中折疊偶極天線的直線段的長度為140mm，計算為當(dāng)f＝915MHz時，Z折疊偶極子(I0＝140mm)＝(24.58Ω，-j 13.93Ω)其中，I0是折疊偶極天線的直線段的端對端長度。使用可從位于Riverton，UT的Nittany Scientific商業(yè)地獲得的NEC(數(shù)值電磁編碼)Win-Pro，執(zhí)行計算。如果該示例折疊偶極子的長度有效地降低1％，計算顯示阻抗轉(zhuǎn)變成當(dāng)f＝915MHz時，Z折疊偶極子(I＝0.99*I0)＝(4.83Ω，-j 8.635Ω)對折疊偶極物理特性長度的相對小的偏移，所計算的天線阻抗的大的偏移示例說明折疊偶極天線對其整個長度的小變化的敏感性。
本發(fā)明的RFID標簽提供將由天線接收的射頻功率有效地耦合到RFID集成電路，特別是在UHF操作頻帶中操作的那些RFID標簽的天線設(shè)計。天線設(shè)計是小型的，使得它適合于RFID標簽或期望最小化整個RFID標簽大小的類似的應(yīng)用。易于修改天線設(shè)計以幫助匹配和平衡被選操作頻率的復(fù)數(shù)天線阻抗和集成電路的復(fù)數(shù)輸入阻抗。
圖1示例說明本發(fā)明的RFID標簽10的一個實施例。RFID標簽10特別用在UHF范圍中，因此，可以是UHF RFID標簽10。RFID標簽10包括介電襯底12，該介電襯底12具有第一側(cè)面14和與第一側(cè)面16相對的第二側(cè)面16。天線18連接到介電襯底12的第一側(cè)面14。優(yōu)選地，通過本領(lǐng)域已知的任何裝置，例如，通過具有壓敏的疊片、可固化的粘接薄或通過直接放置在襯底上，使天線18連在介電襯底12。RFID標簽10還包括連在介電襯底12的第一側(cè)面14上的集成電路。最好，集成電路36通過本領(lǐng)域公知的任何方式，例如，通過各向異性導(dǎo)電薄膜粘合劑、焊料、或熱壓力接合連在介電襯底12上。
天線18包括第一天線元件20和第二天線元件22。第一天線20最好是包括第一導(dǎo)體24和第二導(dǎo)體26的偶極天線。在一個優(yōu)選實施例中，導(dǎo)體24，26包括彎折處30。彎折處30有助于減小偶極天線的整個物理長度和幫助增加電長度(信號路徑)。每個導(dǎo)體24，26包括第一端27和與第一端27的相對第二端28。第二天線元件包括第一部分32和第二部分34。在一個優(yōu)選實施例中，第一部分32和第二部分34均以閉環(huán)或多邊形的形狀。在一個實例中，如圖1所示，第一部分32可以以圓形的形狀，以及第二部分34可以以橢圓形的形狀。然而，第二天線元件的部分32，34可以是任何形狀。第二天線元件的部分32，34可以類似地成形，或相同。第二天線元件的部分32，34可以調(diào)整成大小類似，或大小不同。然而，可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員選擇第二天線元件的部分32，34的形狀和大小，以便幫助平衡天線18的阻抗和集成電路36的阻抗，如下所述。
導(dǎo)體24，26的第一端27電連接到集成電路36，最好通過單個焊盤(未示出)。在一個優(yōu)選實施例中，第二導(dǎo)體24的第二端28連到或電連接到第二天線元件22的第一部分32，以及第二導(dǎo)體26的第二端28連到或電連接到第二天線元件22的第二部分34。在第一導(dǎo)體24的第二端278和第一導(dǎo)體24的曲線部分間測量的長度“c”(如圖1所示)可以等于或不同于在第二導(dǎo)體26的第二端28和第二導(dǎo)體24的曲線部分3間測量的長度“d”?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域的技術(shù)人員分別選擇長度c和d以幫助平衡天線18的阻抗和集成電路36的阻抗，如下所述。
為調(diào)諧RFID天線18的操作頻帶，可以修改組成第一天線元件20的第一導(dǎo)體24和第二導(dǎo)體26的長度。通過選擇第一導(dǎo)體24和第二導(dǎo)體26的長度，可以選擇第一天線元件20來確定RFID標簽10的天線18的操作頻率范圍。導(dǎo)體24，26的長度可以相同或不同。導(dǎo)體24，26的最佳長度在85mm至170mm的范圍中，以及導(dǎo)體24，26的更優(yōu)選長度為約140mm。
第一天線元件20的設(shè)計也幫助匹配天線18的阻抗的實部和集成電路26的輸入阻抗的實部。第一天線元件20的設(shè)計提供一種裝置，通過該裝置，如果需要，可以增加或減小天線18的阻抗的實部，以便基本上匹配或等于集成電路36輸入阻抗的范圍。
第二天線元件22的設(shè)計幫助修改第一天線元件20的第一和第二導(dǎo)體24，26的第二端28的電流分布。通過修改導(dǎo)體24，26的第二端28的電流分布，第二天線元件修改天線18的阻抗的虛分量以便平衡集成電路36的輸入阻抗的虛分量。當(dāng)天線18和集成電路36的實阻抗基本上匹配以及平衡天線18和集成電路36的虛阻抗分量時，能將由天線吸收的射頻能量從天線18有效地傳送到集成電路36中。
在每個導(dǎo)體24，26的第二端28，第二天線元件22電連接到導(dǎo)體24，26的第二端28。為幫助平衡集成電路36的容抗，選擇第二天線元件22的第一部分32和第二部分34以便使主感應(yīng)反作用引入到天線18阻抗和射頻信號中的相關(guān)相移內(nèi)。第二天線元件22也可以具有一小部分相關(guān)容抗，但第二天線元件22的凈電感性阻抗幫助平衡集成電路的電容阻抗。第二天線元件22的部分32，34可以以具有從信號的波長的1/8一樣小到射頻信號的波長的1/2一樣大的范圍的周長的閉環(huán)的形式。通過沿天線18的第一部分20的長度以及在每個導(dǎo)體24，26的第二端28的電流的分布，確定第二天線元件22阻抗的影響的大小。與現(xiàn)有技術(shù)公知的偶極天線的電流分布相比，第二天線元件22的存在幫助修改用于電流的邊界條件。與現(xiàn)有技術(shù)中已知的偶極天線的相移相比，改進的邊界條件在天線的電流分布中引入另外的相移。與現(xiàn)有技術(shù)已知的偶極天線相比，由第二天線元件22引入的電流分布的相移對修改第一天線元件20的第二端28的射頻能量的反射有影響。通過基于本說明書的教導(dǎo)，選擇第二天線元件22，能將天線18阻抗的虛分量選擇成電感，從而平衡集成電路36的(電容)虛分量。
天線18的設(shè)計有助于使天線阻抗的實部Re ZANT與集成電路輸入阻抗的實分量Re ZIC匹配，以幫助將射頻信號從天線18有效地耦合到集成電路36。天線18阻抗的虛部Im ZANT平衡集成電路36輸入阻抗的虛部Im ZIC，但最好反相。在匹配和平衡阻抗分量的條件下，由天線18吸收的射頻功率有效地耦合到集成電路。
RFID標簽10的優(yōu)選操作條件的一個實施例概述如下Re ZIC≈Re ZANT以及|Im ZIC|≈|Im ZANT|，以及Φ(ZIC)≈Φ(ZANT)其中，Φ是復(fù)數(shù)阻抗的相位角。
即使以RFID操作頻率，不可能使天線18復(fù)數(shù)阻抗與集成電路輸入復(fù)數(shù)阻抗精確匹配，與不良匹配相比，在該操作頻率的基本上或近似接近的阻抗匹配將導(dǎo)致天線18更有效地耦合到集成電路36。
圖2是示例說明具有偶極長度(距離a為140mm以及終端長度(距離b)為10mm)的現(xiàn)有技術(shù)折疊偶極天線的計算阻抗的圖。線50根據(jù)頻率函數(shù)，繪制天線阻抗的實分量Re ZANT。線52根據(jù)頻率的函數(shù)，繪制天線阻抗的虛分量Im ZANT。注意用于指定射頻范圍915Mz的ReZANT和Im ZANT，在915MHz，Z現(xiàn)有技術(shù)偶極ANT＝(24.6Ω，-j13.6Ω)。
圖2表示現(xiàn)有技術(shù)折疊環(huán)形偶極天線的復(fù)數(shù)阻抗的實和虛分量的所計算值。使用天線模擬程序，執(zhí)行計算(NEC數(shù)字電磁編碼，可從Nittany Scientific，Inc.，作為NEC WINPro商業(yè)地獲得)。注意915MHz時的復(fù)數(shù)阻抗接近(24.575Ω-j13.93Ω)。接近感興趣的射頻(915MHz)，現(xiàn)有技術(shù)折疊偶極天線表示小實阻抗(電阻)分量和具有負(即電容)相位的小虛阻抗分量。折疊偶極阻抗的實(24Ω電阻)的小的大小不與集成電路輸入阻抗的大的實(65Ω電阻)分量匹配。折疊偶極阻抗的虛分量的小的大小(13.93Ω電容)不與集成電路輸入阻抗的虛擬分量的較大大小(720Ω電容)匹配。折疊偶極阻抗的虛分量的相位(-j，電容)與集成電路輸入阻抗的虛分量的相位(-j，電容)的相位相同。因此，折疊偶極天線的虛分量不與集成電路輸入阻抗的虛分量匹配以便基本上彼此抵消(相消)。在天線和集成電路阻抗的不匹配實分量和不平衡虛分量的這些條件下，由天線吸收的電磁信號將低效率，即低功率傳送耦合到集成電路。
圖3是示例說明本發(fā)明的RFID標簽的天線18的計算阻抗的圖，其中，距離a等于140mm，以及距離b等于10mm。注意該圖的放大比例不同于圖2中的圖的放大比例，以致能更清楚地顯示本發(fā)明的天線設(shè)計的較大阻抗值特性。線54根據(jù)頻率的函數(shù)，繪制天線18阻抗的實分量Re ZANT。線56根據(jù)頻率的函數(shù)，繪制天線18阻抗的虛分量Im ZANT。注意對指定頻率915MHz的ReZANT和ImZANT的值，Z本發(fā)明偶極ANT＝(67.0Ω+j 751.5Ω)。使用上述天線模擬程序(NEC數(shù)字電磁編碼)，執(zhí)行計算。在感興趣的射頻(915MHz)附近，天線18表示實(電阻)阻抗分量和具有正(即電感)相位的虛阻抗分量。該例子的本天線的阻抗的實(67Ω電阻)的大小與集成電路36輸入阻抗的實(65Ω電阻)分量近似匹配。該例子的本天線的阻抗的虛分量的大小(751Ω電感)與集成電路36輸入阻抗的虛分量的大小(720Ω電容)近似匹配。該例子的本發(fā)明天線的阻抗的虛分量的相位(+j，電感)與集成電路36輸入阻抗的虛分量的相位(-j，電容)相反。該例子的阻抗/本發(fā)明天線的虛分量與集成電路36輸入阻抗近似平衡，以便基本上彼此抵消(相消)。在天線18和集成電路36阻抗的匹配實分量和平衡虛分量的優(yōu)選模式中，與圖2有關(guān)的、上述的現(xiàn)有折疊偶極天線相比，由天線18吸引的電磁信號將天線高效率地耦合到集成電路36。
介電襯底12可以是現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何介電材料。用于襯底12的適當(dāng)?shù)慕殡姴牧系睦影ň蹖Ρ蕉姿嵋叶减?通稱為聚酯或PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(通稱為PEN)、PET和PEN的共聚物、聚酰亞胺以及聚丙烯。最好，介電襯底的厚度在0.010mm至0.200mm的范圍中，最好，在0.025mm至0.100mm的范圍中。然而，介電襯底可以是任何厚度，以及甚至可以是不均勻厚度。
適當(dāng)?shù)募呻娐?6的例子可從設(shè)立在Eindhoven，荷蘭的PhilipsSemiconductor商業(yè)地獲得，在零件號SL3ICS30。
天線18可以由任何類型的半導(dǎo)體材料，諸如導(dǎo)線、導(dǎo)電金屬圖形(諸如由金屬箔，諸如蝕刻的鋁，蝕刻的銅、電鍍的銅等等形成)、印刷導(dǎo)電圖(諸如由導(dǎo)電墨水，或其他含金屬材料，可選地，包括提高導(dǎo)電性的工藝步驟制成的那些)、模壓銅粉(例如在公開的U.S.專利申請2003/0091789中所公開的，在此引入以供參考)、印刷或模壓石墨或碳黑，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他導(dǎo)電材料制成。
在圖1中所示的天線18是具有第一導(dǎo)體24和第二導(dǎo)體26的偶極天線。然而，結(jié)合第二天線部件22，可以使用本領(lǐng)域公知的其他公知天線，例如折疊偶極子、螺線天線、“Z形”天線、環(huán)形天線或它們的補充，諸如隙縫天線。
將參考下述詳細例子，進一步描述本發(fā)明的操作。提供這些例子以便進一步示例說明各個具體和優(yōu)選的實施例和技術(shù)。然而，應(yīng)理解到在仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)的同時，可以做出許多改變和改進。
例子如圖1所示，實現(xiàn)本發(fā)明的RFID標簽10的一個優(yōu)選實施例。在圖1中示出了天線18的尺寸，以及該例子的天線包括140mm的“a”距離和10mm的“b”距離。也做出了現(xiàn)有技術(shù)折疊偶極天線的比較例子。
通過可從在商標名Kapton E薄膜下，設(shè)立在Wilmington，DE的Dupont Electronics商業(yè)地獲得的0.25mm厚聚酰亞胺襯底12上電鍍0.118mm厚度銅，實現(xiàn)天線18?？梢詫⒖蓮脑谏虡嗣鸐acDermid SF320下，設(shè)計在Wilmington，DE的MacDermid，Inc商業(yè)地獲得的光致抗蝕劑材料層壓到電鍍銅膜的表面上。將光致抗蝕劑材料應(yīng)用于襯底，以所需最終天線18的形式。
蝕刻掉暴露的銅，留下所需最終天線18的圖形中的銅。使用由光致抗蝕劑制造商建議的方法，使剩余的光致抗蝕劑材料剝離銅。在剝離光致抗蝕劑材料后，使以其最終形式的成型銅天線19留存聚酰亞胺襯底12上。合成0.018mm銅跡線(trace)具有與開始銅箔厚度相同的厚度。銅跡線為1.000mm寬，除連接到集成電路焊盤的兩條短軌跡外，這兩條跡線為0.100mm寬。集成電路連接到端27。
天線20具有140mm的“a”尺寸和10mm的“b”尺寸。第二天線元件的第一部分形成為具有5mm的半徑的圓，并連在第一導(dǎo)體24的端28上，具有4mm的“c”尺寸。第二天線元件的第二部分形成為具有5mm半徑的圓，連接到第二導(dǎo)體26的端28上，具有58mm的“d”尺寸。
可從在零件號SL3ICS30，設(shè)立在Eindhoven，荷蘭的PhilipsSemiconductor商業(yè)地獲得的集成電路36通過各向異性導(dǎo)電薄膜粘合劑，連在聚酰亞胺襯底12上。該集成電路36已知在915MHz時，ZIC＝(65Ω-j720Ω)的輸入阻抗特性。
使用相同的過程，以及與上述本發(fā)明天線相同的尺寸，形成比較例子天線，除比較天線不具有第二天線元件和所連接的端28外。
由于因為測量裝置加載天線，從而影響測量值，測量實和虛天線阻抗的手段提供可疑結(jié)果，估計天線和IC的復(fù)阻抗間的平衡的優(yōu)選手段是測量讀取距離。讀取距離越大，表示更平衡的阻抗。
通過在商標名SAMSYS，零件號MP9320下，從SAMSYSTechnologies，Richmond Hill，Ontario，加拿大商業(yè)地獲得的，以及以1瓦特輸出功率操作的915MHz RFID閱讀器，測量本發(fā)明的UHF RFID標簽10的讀取距離。RFID閱讀器連接到在商標名CUSHCRAFT、零件號S9028PC下，Cushcraft Corporation，Manchester，NH商業(yè)地獲得的圓極化天線上。
具有相同型號Phjlips集成電路模型SL3ICS30的簡單偶極天線的比較例子的讀取距離小于0.3m。示例性本發(fā)明UHF RFID標簽10的讀取距離為1.5m。

表1集成電路的阻抗的實和虛分量，比較例子和本發(fā)明的例子上述測試和測試結(jié)果僅意圖是示例性的，而不是預(yù)測，以及能期望測試過程中的變化來產(chǎn)生不同的結(jié)果。
現(xiàn)在已經(jīng)參考幾個實施例描述了本發(fā)明。僅為理解清楚，給出上述詳細描述和例子。不應(yīng)由此理解不必要的限制。在此所述的所有專利和專利申請在此引入以供參考。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以在所述的實施例中做出許多改變。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)限制到在此所述的具體細節(jié)和結(jié)構(gòu)，而是由權(quán)利要求的語言所述的結(jié)構(gòu)以及這些結(jié)構(gòu)的等效來限定。
權(quán)利要求
1.一種超高頻(“UHF”)射頻識別(“RFID”)標簽，包括a)介電襯底；b)連在所述介電襯底上的天線，其中，所述天線包括i)第一天線元件，其中，所述第一天線元件包括第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體，其中，每個導(dǎo)體具有第一端和與所述第一端相對的第二端，其中，選擇所述第一天線元件以便提供天線的所需操作頻率范圍；以及ii)第二天線元件，其中，所述第二天線元件包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分連在所述第一導(dǎo)體的第二端，以及所述第二部分連在所述第二導(dǎo)體的第二端，以及其中，選擇所述第二天線元件以便提供天線的所需阻抗值；以及c)集成電路，連在所述第一導(dǎo)體的第一端和所述第二導(dǎo)體的第一端上。
2.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述集成電路具有第一阻抗值，以及其中，所述天線具有第二阻抗值，以及其中，所述第二阻抗值的實分量的大小基本上與所述第一阻抗值的實分量的大小類似，以及所述第二阻抗值的虛分量的大小基本上與所述第一阻抗值的虛分量的大小類似，以及其中，所述第一阻抗值的虛分量的相位和所述第二阻抗值的虛分量的相位相反。
3.如權(quán)利要求2所述的UHF RFID標簽，其中，所述第一阻抗值具有第一實分量值和第一虛分量值，其中，所述第二阻抗值具有第二實分量值和第二虛分量值，其中，所述第一實分量值等于所述第二實分量值，以及其中，所述第二阻抗值的虛分量的大小等于所述第一阻抗值的虛分量的大小，以及其中，所述第一阻抗值的虛分量的相位和所述第二阻抗值的虛分量的相位相反。
4.如權(quán)利要求2所述的UHF RFID標簽，其中，所述天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及所述天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，以及其中，選擇所述天線的第二部分以便提供有助于平衡所述第一實分量值和所述第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供與所述集成電路的第一阻抗值基本上類似的所述天線的第二阻抗值。
5.如權(quán)利要求4所述的UHF RFID標簽，其中，所述天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及所述天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，以及其中，選擇所述天線的第二部分以便提供有助于平衡所述第一實分量值和所述第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供等于所述集成電路的第一阻抗值的所述天線的第二阻抗值。
6.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第二天線元件的第一部分和所述第二天線元件的第二部分是閉環(huán)的形狀。
7.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第二天線元件的第一部分和所述第二天線元件的第二部分是多邊形的形狀。
8.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第二天線元件的第一部分在形狀方面與所述第二天線元件的第二部分不同。
9.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第二天線元件的第一部分在形狀方面與所述第二天線元件的第二部分類似。
10.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第二天線元件的第一部分在大小方面不同于所述第二天線元件的第二部分。
11.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體包括彎折處。
12.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體均由導(dǎo)線、成形導(dǎo)電箔或印刷導(dǎo)電軌跡制成。
13.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第一天線元件由不同于所述第二天線元件的導(dǎo)電材料制成。
14.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述介電襯底包括在850MHz和960MHz間的介電常數(shù)ε≤10*ε0，其中，ε0是自由空間的介電常數(shù)(ε0＝8.85×10-12C2/N.m2)。
15.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述介電襯底包括第一側(cè)面和與所述第一側(cè)面相對的第二側(cè)面，其中，所述天線連在所述第一側(cè)面上，以及所述集成芯片連在所述第二側(cè)面上。
16.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第二天線元件的第一部分和所述第一導(dǎo)體間的距離不同于所述第二天線元件的第二部分和所述第二導(dǎo)體間的距離。
17.如權(quán)利要求1所述的UHF RFID標簽，其中，所述第一導(dǎo)體的長度不同于所述第二導(dǎo)體的長度。
18.一種制造超高頻(“UHF”)射頻識別(“RFID”)標簽的方法，包括步驟a)提供介電襯底；b)選擇由第一天線元件和第二天線元件組成的天線，其中，選擇所述第一天線元件以便提供所述天線的所需操作頻率范圍，其中，選擇所述第二天線元件以便提供所需阻抗值，其中，所述第一天線元件包括第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體，其中，每個導(dǎo)體具有第一端和與所述第一端相對的第二端，以及其中，所述第二天線元件包括第一部分和第二部分；以及c)將所述天線連在所述介電襯底上以便使所述第二天線元件的第一部分連在所述第一導(dǎo)體的第二端，以及使所述第二天線元件的第二部分連在所述第二導(dǎo)體的第二端；以及d)使集成電路連在所述第一導(dǎo)體的第一端和所述第二導(dǎo)體的第一端。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述集成電路具有第一阻抗值，以及其中，所述天線具有第二阻抗值，以及其中，所述第二阻抗值的實分量的大小基本上與所述第一阻抗值的實分量的大小類似，以及所述第二阻抗值的虛分量的大小基本上與所述第一阻抗值的虛分量的大小類似，以及其中，所述第一阻抗值的虛分量的相位和所述第二阻抗值的虛分量的相位相反。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第一阻抗值具有第一實分量值和第一虛分量值，其中，所述第二阻抗值具有第二實分量值和第二虛分量值，其中，所述第一實分量值等于所述第二實分量值，以及其中，所述第二阻抗值的虛分量的大小等于所述第一阻抗值的虛分量的大小，以及其中，所述第一阻抗值的虛分量的相位和所述第二阻抗值的虛分量的相位相反。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及所述天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，以及其中，選擇所述天線的第二部分以便提供有助于平衡所述第一實分量值和所述第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供與所述集成電路的第一阻抗值基本上類似的所述天線的第二阻抗值。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述天線的第一部分具有第一實分量值和第一虛分量值，以及所述天線的第二部分具有第二實分量值和第二虛分量值，以及其中，選擇所述天線的第二部分以便提供有助于平衡所述第一實分量值和所述第一虛分量值的第二實分量值和第二虛分量值，以便提供等于所述集成電路的第一阻抗值的所述天線的第二阻抗值。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第二天線元件的第一部分和所述第二天線元件的第二部分是閉環(huán)的形狀。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第二天線元件的第一部分和所述第二天線元件的第二部分是多邊形的形狀。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第二天線元件的第一部分在形狀方面與所述第二天線元件的第二部分不同。
26.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第二天線元件的第一部分在形狀方面與所述第二天線元件的第二部分類似。
27.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第二天線元件的第一部分在大小方面不同于所述第二天線元件的第二部分。
全文摘要
用于射頻識別(RFID)標簽的天線設(shè)計。更具體地說，本發(fā)明涉及設(shè)計特別是在超高頻(UHF)操作頻帶中操作的RFID標簽。該天線包括i)第一天線元件(10)，其中第一天線元件包括第一導(dǎo)體(24)和第二導(dǎo)體(26)，以及選擇第一天線元件(20)來提供天線的所需操作頻率范圍，以及ii)第二天線元件(22)，其中，將第一部分連在第一導(dǎo)體上，以及第二部分連在第二導(dǎo)體上，以及其中，選擇第二天線元件(22)來提供天線的所需阻抗值。
文檔編號G06K19/077GK1898683SQ200480038499
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月23日
發(fā)明者威廉姆·C·埃格伯特 申請人:3M創(chuàng)新有限公司