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      例如用于rfid應(yīng)答器系統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)的制作方法

      文檔序號:6350424閱讀:235來源:國知局
      專利名稱:例如用于rfid應(yīng)答器系統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)的制作方法
      例如用于RFID應(yīng)答器系統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的天線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及該天線結(jié)構(gòu)的制造方法。天線例如與遠程識別電路一起使用。迄今為止,UHF RFID應(yīng)答器市場已被劃分成便宜的標簽和在金屬平臺上也能夠應(yīng)用的更昂貴的剛性標簽。典型的剛性應(yīng)答器大且昂貴,因而,僅能夠應(yīng)用在大且昂貴的物品上。某些小的剛性標簽已經(jīng)進入了市場,但是其性能比大的剛性標簽明顯要差。在當今市場上,已經(jīng)可利用某些小的可金屬安裝的RFID應(yīng)答器。在本上下文中, 可以將“小”定義為應(yīng)答器的占用面積(footprint area)小于IOcm2,并且最大尺寸小于波長的四分之一(在867MHz下為86mm)。通常,這些小標簽的問題在干,使應(yīng)答器的尺寸很小常常導(dǎo)致某些折衷。實際上,這些折衷縮小了讀取范圍,而讀取范圍是用于評價無源RFID 系統(tǒng)的可靠性和性能的關(guān)鍵參數(shù)。首先,通過尺寸限制降低了應(yīng)答器的輻射效率。這基本上是不能完全克服的物理事實,只能利用例如最佳材料來最小化。但對于非常小的天線,與降低的輻射效率相比,微芯片與天線之間的很差的阻抗匹配通常引起讀取范圍的甚至更大一部分損失。通常,最佳操作所需的天線與微芯片之間的共軛阻抗耦合不能用非常小的天線和當前方法來實現(xiàn)。利用非常小的標簽的最典型的方案是僅提供電抗耦合,這是部分方案。在具有天線的更復(fù)雜的無線電系統(tǒng)(諸如,移動設(shè)備和基站)的情況下,通常使用分立部件(電容器和電感器) 或微帶元件(microstrip element)來獲得所需的該阻抗匹配。對于小的RFID標簽,微帶元件是ー種大大的方式。分立部件應(yīng)當足夠小,但是使用分立部件毫無疑問是出于成本和加工性能的原因。當今市場上存在的小的金屬安裝的應(yīng)答器具有稍微折衷的性能。除了小天線的低輻射效率外,這些應(yīng)答器的讀取范圍由于微芯片與天線之間很差的阻抗匹配而顯著減小。有若干不同類型的RFID應(yīng)答器無源RFID應(yīng)答器、半無源(或電池輔助的無源) RFID應(yīng)答器和有源RFID應(yīng)答器、以及能夠電感地、電容地或借助于射頻輻射場來進行連接的RFID應(yīng)答器。無源應(yīng)答器由對準它們的RF場來生成它們所需的電能。在有源應(yīng)答器和半無源應(yīng)答器中,存在単獨的電池或其他電源。電感連接的RFID和遠程傳感器系統(tǒng)通常在 IOOkHz至125kHz或13. 56MHz的頻率下工作。本發(fā)明的最優(yōu)選實施例涉及能夠使用射頻輻射場讀取的無源RFID應(yīng)答器,但是天線類型在如下所有應(yīng)用中都是有利的要求天線具有長的讀取距離和小尺寸,并且要求天線能夠附接至某個基部,例如,貨物或者封裝件的表面。這樣的表面通常是平坦的。最有利地適于本發(fā)明的頻率是869MHz和2. 45GHz。RFID應(yīng)答器是ー種包括天線和具有存儲器的微電路的小型設(shè)備,當微電路接收到來自讀取設(shè)備的傳輸命令并且讀取設(shè)備利用無線電信號來照射微電路吋,微電路通過反向散射來傳輸其存儲器的內(nèi)容。無源RFID應(yīng)答器中沒有電池,而是無源RFID應(yīng)答器根據(jù)向其發(fā)送的無線電信號來提取其需要的工作功率。應(yīng)答器與讀取設(shè)備之間的功率和信息的傳輸可以借助于磁場、電場或輻射的無線電信號而進行。在很多應(yīng)答器應(yīng)用中,閱讀器與應(yīng)答器之間的距離很長(甚至達到若干米)是很重要的。本發(fā)明旨在至少消除現(xiàn)有技術(shù)中的一些缺陷,以產(chǎn)生全新類型的天線和用于制造該天線的方法。本發(fā)明涉及實現(xiàn)尤其用于遠程操作的高性能、小型且低成本的全平臺應(yīng)答器的技術(shù)萬案。本發(fā)明基于使用磁偶極子作為遠程RFID應(yīng)答器中的天線(發(fā)射器)。在本發(fā)明的有利方案中,通過天線的集成部分、通過電容式阻抗變換器形成從發(fā)射器到微芯片的共軛阻抗匹配。小的磁偶極子(環(huán)形)天線的饋電阻抗的電阻部分非常低。這種類型的天線的電抗是正的,并且與電阻相比,該電抗非常高。另ー方面,微芯片的阻抗是電容式的,并且實部大于非匹配環(huán)形天線中的阻抗的實部。這使得能夠通過使用電容式阻抗變換器來實現(xiàn)磁偶極子天線與微芯片之間的極好的共軛阻抗匹配。新的制造天線的方法提供了將該電容式變換器并且因而將極好的阻抗匹配作為天線的一部分,而無需任何外部元件。本發(fā)明涉及全平臺UHF RFID應(yīng)答器(或標簽),該應(yīng)答器的尺寸很小,但是仍然提供很長的讀取范圍。本發(fā)明還包括實現(xiàn)應(yīng)答器的低成本且高可靠性的制造過程的方案。很好的性能和平臺容限(tolerance)是建立在將磁偶極子用作發(fā)射器并且甚至更重要地提供天線與微芯片之間的共軛阻抗匹配的基礎(chǔ)上的。這在使用小型應(yīng)答器的情況下通常是很困難的。通過新的實現(xiàn)阻抗變換器的方式來實現(xiàn)阻抗匹配。這是用標準處理和廉價且普通的材料來實現(xiàn)的。更具體地,根據(jù)本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)的特征在于權(quán)利要求1的特征部分中所述的內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征還在于權(quán)利要求10的特征部分中所述的內(nèi)容。借助于本發(fā)明獲得了相當多的優(yōu)點。可以通過本發(fā)明來實現(xiàn)長的讀取范圍、小尺寸、平臺容限和低成本??梢杂萌缦聭?yīng)答器來對例如大量的金屬物加標簽,該應(yīng)答器與現(xiàn)有應(yīng)答器相比在具有相應(yīng)的讀取范圍的情況下更小且更便宜。因此,天線類型不受其所附接的表面的影響。此外,根據(jù)本發(fā)明實施例的天線類型對于制造而言是經(jīng)濟的。另外,傳感器結(jié)構(gòu)也可以很容易且以低成本與例如RFID電子設(shè)備組合。下面,將根據(jù)附圖、借助于實施方式的示例解釋本發(fā)明。

      圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種天線結(jié)構(gòu)的透視圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種天線結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D。圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)答器的等同電路。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另ー種天線結(jié)構(gòu)的透視圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另ー種天線結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖6a用俯視圖更詳細地示出了圖4的ー個可能實施例。圖6b用俯視圖示出了圖4的ー個優(yōu)選實施例。在根據(jù)本發(fā)明的小型應(yīng)答器中,基本構(gòu)思是在沒有昂貴的分立部件的情況下進行阻抗匹配。進行阻抗匹配所需的電容器是由天線結(jié)構(gòu)的金屬層和介電層形成的,從而將這些電容器集成為應(yīng)答器的一部分,而不使用昂貴的附加元件。在這種類型的集成電容器的情況下,可以獲得非常高的Q值,這是因為它們的面積與表面安裝部件相比很大,并且接觸電阻是可忽略的。本發(fā)明還包括將微芯片、集成電容器和天線本身進行結(jié)合的新的原理,這保持該結(jié)構(gòu)仍簡單且容易處理。標簽可以例如通過在一片塑料周圍卷繞柔性鑲嵌物來制成。也可以使用印刷電路板技術(shù)來進行制造。在使用印刷電路板技術(shù)來進行制造的情況下,僅需要在標簽的端部處穿過整個板的兩個通孔。不需要任何特殊的材料,諸如,具有高介電常數(shù)的材料(有時用于小型應(yīng)答器)。然而,諸如PE或PP的便宜塑料是用于應(yīng)答器的非常好的基材。具有金屬圖案和微芯片的柔性鑲嵌物可以使用廉價的標準卷對卷處理來制成,卷對卷處理由于其用于制造標簽應(yīng)答器的用途而存在。使用集成的分立電容來調(diào)節(jié)微芯片的阻抗的自由允許我們使用磁偶極子作為發(fā)射器,同時仍然能夠獲得微芯片的適當阻杭。學(xué)術(shù)上為磁偶極子的垂直磁環(huán)是ー種非常有效的小型發(fā)射器。不同于電偶極子,該垂直磁環(huán)不受近場干擾的影響。因此,可以容易地將應(yīng)答器制成為平臺容忍的,從而允許也在金屬表面上使用應(yīng)答器,金屬表面對于RFID應(yīng)答器而言是最具挑戰(zhàn)性的安裝平臺。磁偶極子僅有的大問題(饋電阻抗對于微芯片而言太低)現(xiàn)在可以通過由集成的電容器形成的阻抗變換器來克服。形成用于阻抗變換器的電容器的方法使得能夠容易地改變電容值,并且因而使各種阻抗匹配。因此,可以基于例如特定應(yīng)用的需要來自由地選擇天線本身的尺寸。非常小的應(yīng)答器尤其在具有很高的內(nèi)部Q值的情況下的ー個普遍問題是天線的帶寬很窄。這對制造過程的容限提出了具有挑戰(zhàn)性的要求,因為尺寸的小變化可能導(dǎo)致讀取范圍很大程度地減小。根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)答器還包括對這個問題的解決方案。由于這種類型的處理中的典型制造誤差是金屬層之間的未對準,所以電容器被制成不對稱的,使得盡管這些層相對于彼此未對準,但它們的截面面積不會變化。下面,圖1中繪出了應(yīng)答器的結(jié)構(gòu)。圖1是具有通過彎曲天線導(dǎo)體來制造的應(yīng)答器的實際功能原型的透明中間層的結(jié)構(gòu)的透視圖,天線導(dǎo)體在這種情況下是在塑料磚形式的基板3周圍的箔鑲嵌物1。圖2示出了通過彎曲所制造的應(yīng)答器的側(cè)視圖。應(yīng)答器10包括包含薄塑料載體箔5上的金屬圖案的鑲嵌物1和微芯片2。該薄且柔性的鑲嵌物1卷繞在塑料磚3周圍,以形成天線結(jié)構(gòu)15和阻抗變換電容器Ila和lib。阻抗變換電容器Ila 和lib是由在點如和4b的區(qū)域中與自身重疊的鑲嵌物1形成的。參照以上描述,本發(fā)明的ー個構(gòu)思是使得每個連接電容器的上電極和下電極不對稱,以使得一個電極(通常為嵌入的電極)較大,而另ー個較小的電極制造在較大電極的區(qū)域上。通過這種方式,較小的電極限定了電容器的電容值。通過選擇較小電極以使其面積能夠易于精確地制造或者之后精確地調(diào)整,可以實現(xiàn)微芯片2與天線15之間的非常好的耦合。換言之,電容器的電極對Ila 和lib是由具有不同面積的電極形成的。在附圖中,鑲嵌物的重疊部分之間具有可選的薄塑料片5。可以選擇鑲嵌物的塑料載體的材料以及尺寸,使得將不需要該附加部分。圖3示出了該結(jié)構(gòu)的等同電路。由于小型磁環(huán)發(fā)射器是電感式的,因此其由天線電感La與天線電阻Ra的串聯(lián)連接來表示。集成的電容器Cp (并聯(lián)電容)等同于圖2的11b,以及Cs (串聯(lián)電容)等同于11a。替選地,根據(jù)圖5,耦合電極1 Ia和1 Ib可以以具有長且窄的彎曲的電極間隙30的并聯(lián)指狀電極的形式形成在相同的平面上。電容器Ila和lib的值可以根據(jù)間隙30的長度和寬度來調(diào)節(jié)。圖4示出了通過印刷電路板(PCB)技術(shù)制造的類似結(jié)構(gòu)。通過使用這種技術(shù),應(yīng)答器包含具有如下三個金屬層的天線導(dǎo)體1以形成天線結(jié)構(gòu)15以及阻抗變換電容器Ila和 lib 接地層13、中間層14和頂層15。這些層通過通孔12彼此連接。這也是實際原型的截面圖。兩個應(yīng)答器原型(圖1和圖4)的尺寸是50mm*10mm*3mm,但該技術(shù)還實現(xiàn)了更小的應(yīng)答器。使用這種技術(shù)以及廉價的標準材料所設(shè)計的最小原型的尺寸是9mm*9mm*3mm。本發(fā)明實現(xiàn)了各種尺寸和形狀因子的應(yīng)答器。尺寸和形狀因子可以根據(jù)客戶的需求以及基于應(yīng)用的需求來確定。已設(shè)計從50*10*3mm3降至最小9*9*3mm3的原型(尺寸以 mm為單位)。圖6a中呈現(xiàn)了通過本發(fā)明的ー個優(yōu)選實施例解決的問題。在圖6a中,導(dǎo)電頂層 15與導(dǎo)電中間層14未對準,因此,未獲得電容器lib的設(shè)計值,但電容器lib的電容小于設(shè)計值。在圖6b中,通過使導(dǎo)電中間層14在電容器lib的區(qū)域的中間形成得較小來解決這個對準問題。換言之,在正常的制造過程中,使得兩個電極中的ー個電極較小,而且處于與較大的電極完全重疊的位置。通過這種方式,頂層15的很小的未對準不影響電容器lib 的電容值。相應(yīng)地,在電容器lib的區(qū)域中,可以使得頂層15較小,同時保持中間層14大于頂層。基于PCB處理的制造所需的所有技術(shù)都容易獲得,并且已解決與制造有關(guān)的主要問題。還沒有任何商業(yè)伙伴實施通過彎曲來實現(xiàn)的替選制造方法。本發(fā)明旨在針對遠程RFID應(yīng)答器,遠程RFID應(yīng)答器是指讀取范圍能夠超過1米的應(yīng)答器。在本發(fā)明的ー種具體方案中,對于867MHz應(yīng)答器,結(jié)構(gòu)的尺寸如下環(huán)形面積(環(huán)的橫截面)50mm*3mm
      電容器1 Ia的間隙0. 2mm電容器1 Ib的間隙0. 2mm電容器Ila的有效面積5mm2電容器lib的有效面積6mm2在具有這些參數(shù)的原型的情況下,已經(jīng)測量出細的讀取范圍(使用NXP Ucode G2XM微芯片)。
      權(quán)利要求
      1.一種用于遠程射頻識別RFID芯片O)的天線結(jié)構(gòu),所述天線結(jié)構(gòu)包括 基板⑶, 由所述基板⑶支承的導(dǎo)電材料⑴形成的天線(15),以及 用于將所述天線(15)耦合至電路(2)的耦合裝置(11a,11b),其特征在干, 所述天線(15)是磁偶極子,以及 所述耦合裝置(11a,lib)是由所述天線導(dǎo)體(1)的延伸部(11a,lib)形成的。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在干,所述耦合裝置(lla,llb)是由所述天線導(dǎo)體(1)的重疊延伸部(11a,lib)形成的(圖1)。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在干,所述耦合裝置(lla,llb)是由所述天線導(dǎo)體(1)的平行延伸部(11a,lib)形成的(圖5)。
      4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在于,所述布置包括微芯片⑵。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在干,所述耦合裝置(11a,lib)是通過具有不同但完全重疊的面積的電極對(11a,lib)、由所述天線導(dǎo)體(1)的重疊延伸部 (lla,llb)形成的(圖1),由此較小的面積限定所述耦合裝置(11a,lib)的電容值。
      6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在干,所述天線(15)和所述耦合裝置(11a,lib)是通過在基板(3)周圍卷繞導(dǎo)電層⑴來形成的。
      7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在干,所述天線(15)和所述耦合裝置(11a,lib)是通過印刷電路板技術(shù)來形成的。
      8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在于,通孔(12)用于形成所述天線(15)。
      9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的天線結(jié)構(gòu),其特征在于,所述微芯片(2)與所述天線(15)之間的共軛阻抗匹配是通過使用集成在所述天線(15)中的電容式阻抗變換器來實現(xiàn)的。
      10.一種用于形成用于遠程射頻識別RFID芯片O)的天線結(jié)構(gòu)的方法,所述方法包括以下步驟 在基板⑶上由導(dǎo)電材料⑴形成天線(15),以及 形成用于將所述天線(15)耦合至電路(2)的耦合裝置(11a,11b),其特征在干, 將所述天線(15)形成為磁偶極子,以及 將所述耦合裝置(11a,lib)形成為所述天線導(dǎo)體(1)的延伸部(11a,lib)。
      11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其特征在干,由所述天線導(dǎo)體(1)的重疊延伸部 (11a, lib)形成所述耦合裝置(11a,lib)(圖1)。
      12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其特征在干,由所述天線導(dǎo)體(1)的平行延伸部 (11a, lib)形成所述耦合裝置(11a,lib)(圖5)。
      13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,其特征在于,將微芯片( 連接至所述耦合裝置(11a,lib)。
      14.根據(jù)權(quán)利要求10、11或13所述的方法,其特征在干,通過具有不同但完全重疊的面積的電極對(11a,lib)、由所述天線導(dǎo)體(15)的重疊延伸部(11a,lib)來形成所述耦合裝置(11a,lib)(圖1),由此較小的面積限定所述耦合裝置(11a,lib)的電容值。
      15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,其特征在干,通過在基板C3)周圍卷繞導(dǎo)電層(1)來形成所述天線(15)和所述耦合裝置(11a,lib)。
      16.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項所述的方法,其特征在干,通過印刷電路板技術(shù)來形成所述天線(15)和所述耦合裝置(11a,lib)。
      17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,其特征在干,使用通孔(12)來形成所述天線(15)。
      18.根據(jù)前述方法權(quán)利要求中任一項所述的方法,其特征在干,通過使用集成在所述天線(15)中的電容式阻抗變換器來實現(xiàn)所述微芯片(2)與所述天線(15)之間的共軛阻抗匹配。
      19.一種權(quán)利要求1中所限定的天線在平臺上的用途,所述用途使得由所述天線(15) 引起的磁場被布置成基本上與所述平臺平行,以使所述平臺的材料的影響最小化。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種用于遠程RFID芯片(2)的天線結(jié)構(gòu),該天線結(jié)構(gòu)包括基板(3)、由所述基板(3)支承的導(dǎo)電材料(1)形成的天線(15)以及用于將天線(15)耦合至電路(2)的耦合裝置(11a,11b)。根據(jù)本發(fā)明,天線(15)是磁偶極子,并且耦合裝置(11a,11b)是由天線導(dǎo)體(1)的延伸部(11a,11b)來形成的。
      文檔編號G06K19/077GK102576927SQ201080041365
      公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
      發(fā)明者卡勒·亞科拉 申請人:Vtt技術(shù)研究中心
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