專利名稱：射頻標識近場線性微帶天線的制作方法
相關申請的交叉引用本申請要求Shafer等人于2004年11月2日提出的發(fā)明名稱為“NEAR FIELD PROBE FOR READING RFID TAGS AND LABELSAT CLOSE RANGE”的美國臨時專利申請第60/624,402號、和Copeland等人于2005年3月7日提出的發(fā)明名稱為“LINEARMONOPOLE MICROSTRIP RFID NEAR FIELD ANTENNA”的美國臨時專利申請第60/659,289號的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，在此其全部內(nèi)容通過引用而并入。
背景技術：
讀取RFID(射頻標識)標簽的現(xiàn)有手段應用了為RFID標簽提供大讀取范圍的傳統(tǒng)天線。這種手段提供了用在遠場中的大部分天線能量。遠場區(qū)被定義為d＞＞λ/2π的距離，其中，λ是波長。對于915MHz的UHF(特高頻)頻率，這個值是大約5cm。因此，在915MHz的遠場區(qū)基本上超過5cm，類似地，近場區(qū)基本上在5cm以內(nèi)。大多數(shù)RFID讀取器天線被設計成讀取例如最遠幾米的標簽，當然，這個距離完全在遠場區(qū)內(nèi)。
在某些應用中，即，RFID標簽敷貼機和編程器中，希望只讀寫相互靠近的一組標簽內(nèi)的一個RFID標簽。例如，在標簽敷貼機上，將標簽封裝在卷軸上以便于在機器上進行處理。在卷軸上，這些標簽并排地或首尾相接地緊靠著。然而，由于傳統(tǒng)UHF天線一般具有寬輻射方向圖并適當?shù)貙⒛芰恳蜻h場，所以傳統(tǒng)UHF天線難以每次只將能量引向一個標簽。寬輻射方向圖照射天線范圍內(nèi)的所有RFID標簽。如果試圖將產(chǎn)品代碼或序列號寫入一個標簽中，所有被照射的標簽都被編程為具有相同的代碼或序列號。
用在這種RFID UHF應用中的傳統(tǒng)遠場輻射天線是小片天線。通常，輻射的小片區(qū)通過由RFID電子線路激勵的連接器饋入。通常，導電板安裝在背面并與小片區(qū)隔開一小段距離。
對于諸如每次需要編程、測試和應用一個標簽的標簽敷貼機希望在非常近的距離從RFID標簽中讀取信息或?qū)⑿畔懭隦FID標簽的上述那些應用，傳統(tǒng)遠場天線表現(xiàn)不良。傳統(tǒng)輻射天線要求被標記項分開相當大距離，以防止多個項被同時讀取或編程，或要求利用金屬窗來屏蔽除了被編程或讀取的標簽之外的所有其它標簽。
但是，這種技術不能完全解決問題，因為，如果標簽被進一步隔開，則敷貼機吞吐量就會降低，以及給定卷軸尺寸中的標簽數(shù)量就會受到限制。如果使用屏蔽技術，則要求對每種不同標簽形狀和間隔使用不同屏蔽。因此，需要各種改變來處理敷貼線上的不同標簽，從而也使吞吐量顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及一種包括基本線性單元微帶天線的近場RFID天線組件，所述基本線性單元微帶天線被配置成使得天線所發(fā)射的局部化E電場基本上處于由近場限定的區(qū)域內(nèi)。局部化E場沿著相應于半波到全波結(jié)構(gòu)的天線的有效長度引導電流分布。
基本線性微帶天線可以包括基本長方形的微帶；具有第一表面和第二表面以及在它們之間限定的厚度的基底；以及接地面。微帶可以置于基底的第一表面上，以及接地面可以置于基底的第二表面上。所述天線組件可以包括在線性微帶的一端的饋入點和在線性微帶的另一端的終接電阻，該電阻與接地面電耦合。
在一個實施例中，線性微帶具有寬度W，以及基底具有厚度H，使得所述天線組件的輸入阻抗Z以歐姆為單位基本等于如下公式(1)Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>
其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>以及εr是基底的相對介電常數(shù)。
W/H的比值可以大于或等于1?；缀徒拥孛娴拿恳粋€都可以具有至少五倍于寬度W(5W)的寬度。線性微帶可以具有第一和第二縱向邊緣，以及微帶可以基本上位于基底的中心，使得基底的邊緣和接地面的邊緣的每一個從第一和第二縱向邊緣延伸至少兩倍于寬度W(2W)的距離?；椎南鄬殡姵?shù)εr可以從大約2到大約12。
線性微帶可以具有從饋入點延伸到終接電阻并包括終接電阻的長度L，長度L由如下公式(2)給出L=ncfϵre---(2)]]>其中，c是以m/s為單位的光速(大約3×108m/s)，f是以Hz為單位的工作頻率，εre是ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>，以及n從用于等效半波偶極天線的大約0.5到用于等效全波偶極天線的大約1.0。
天線在饋入點的輸入阻抗可以約等于在饋入點供應饋入信號的電纜的特性阻抗。所述線性微帶跡線可以具有從大約10微米到大約30微米的厚度。
在一個實施例中，所述基底具有沿著基底長度的第一和第二邊緣，以及所述接地面置于基底的第一表面的至少一部分上，并且不與微帶接觸。所述接地面置于基底的第一和第二邊緣上和基底的第二表面上。
在一個實施例中，所述天線組件的接地面與導電外殼電耦合。所述導電外殼可以通過至少一個介電隔離物與微帶天線隔開。所述介電隔離物可以包括氣隙。
所述天線組件被配置成使得所述天線組件的局部化E電場與沿著天線組件的長度縱向取向的RFID標簽耦合。


在說明書的結(jié)論部分中具體指出和明確聲明了被當作實施例的主題。但是，通過結(jié)合附圖讀取如下詳細描述，可以更好地理解有關本發(fā)明構(gòu)造和操作方法的實施例，以及本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點，在附圖中圖1例示了根據(jù)現(xiàn)有技術，與RFID標簽相隔一段距離的小片輻射天線組件的透視圖；圖2例示了上方存在大RFID標簽的根據(jù)本公開的線性單極微帶天線組件的一個實施例的頂透視圖；圖3是圖2的線性天線組件的平面圖；圖4是沿著圖3的線段4-4取出的橫斷面正視圖；圖5是沿著圖3和4的天線組件的線性微帶天線跡線的電流的圖形表示；圖6是圖4的線性天線組件上的半波電場(E場)分布的圖形表示；圖7是在0°相位圖4的線性天線組件上的全波E場分布的圖形表示；圖8是在90°相位圖4的線性天線組件上的全波E場分布的圖形表示；圖9是圖4的線性天線組件以及沿著線性天線組件的長度取向并由空隙隔開的RFID標簽的平面圖；圖10是根據(jù)本公開，具有擴展接地面的線性單極微帶天線組件的一個實施例的平面圖；圖11是沿著圖10的線段11-11取出的橫斷面端正視圖；圖12是示出電場分布的圖10的天線組件的端視圖；圖13是示出電場分布的圖10的天線組件的側(cè)視圖；圖14是根據(jù)本公開，具有導電外殼的線性單極微帶天線組件的一個實施例的平面圖；圖15是沿著圖14的線段15-15取出的橫斷面端正視圖；
圖16是根據(jù)本公開的曲折線單極微帶天線組件的一個實施例的頂透視圖；圖17是圖16的曲折線天線組件的頂平面圖；圖18是沿著圖17的線段18-18取出的橫斷面正視圖；圖19是圖17的曲折線天線組件以及沿著曲折線天線組件的長度取向并由空隙隔開的RFID標簽的平面圖；圖20是根據(jù)本公開，具有擴展接地面的曲折線單極微帶天線組件的一個實施例的平面圖；圖21是沿著圖20的線段21-21取出的橫斷面端正視圖；圖22是根據(jù)本公開，具有導電外殼的曲折線單極微帶天線組件的一個實施例的平面圖；以及圖23是沿著圖22的線段22-22取出的橫斷面正視圖。
具體實施例方式
通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的特定實施例進行如下詳細描述，可以更全面地了解本公開，但是，不應該理解為本發(fā)明僅局限于特定實施例，而只是為了說明起見。
這里給出許多具體細節(jié)是為了幫助人們?nèi)媪私獗竟_的許多可能實施例。但是，本領域的普通技術人員應該明白，不用這些具體細節(jié)也可以實現(xiàn)這些實施例，在其它情況下，為了不使這些實施例重點不突出，未詳細描述眾所周知的方法、過程、部件和電路。應該認識到，這里公開的具體結(jié)構(gòu)和功能詳細是代表性的，未必限制這些實施例的范圍。
一些實施例可能利用措詞“耦合”和“連接”以及它們的派生詞來描述。例如，一些實施例可能利用術語“連接”來描述，以指示兩個或更多個單元相互直接物理或電接觸。在另一個例子中，一些實施例可能利用術語“耦合”來描述，以指示兩個或更多個單元直接物理或電接觸。但是，術語“耦合”也可能指兩個或更多個單元非相互直接接觸，但仍然相互協(xié)作或作用。這里公開的實施例在這一點上未必受到限制。
注意到在說明書中對“一個實施例”或“實施例”的任何引用指的是結(jié)合該實施例所述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在至少一個實施例中是有價值的。出現(xiàn)在說明書中的各個地方的短語“在一個實施例中”未必都指同一實施例。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到本公開的細節(jié)。圖1示出了包括小片天線12的小片輻射天線組件10，RFID標簽20被描繪成相隔一段距離。沿著RFID標簽20的偶極取向的小片天線E場分量激勵RFID標簽20，并允許RFID標簽20上的信息在與天線組件10相隔Z1的距離d被讀取，其中，Z1比λ/2π大得多，λ是波長。
通常，作為輻射天線的小片天線12被設計成天線阻抗基本上是實數(shù)并主要由輻射阻抗組成。實阻抗的值基本上與通常是50歐姆的來自饋入系統(tǒng)的信號源阻抗相匹配。天線阻抗主要是實數(shù)并主要是輻射電阻。本公開涉及有意削弱遠場輻射并增強近場區(qū)中的局部化E電場的近場天線組件。更具體地說，這樣的近場天線組件將能量限制在與天線接近的區(qū)域，即近場區(qū)，并防止遠場區(qū)中的輻射。因此，物理上與近場天線接近的RFID標簽被詢問，但位于近場區(qū)之外的那些不會被詢問。在工作頻率為915MHz的情況下，近場區(qū)離天線大約是5cm。5cm范圍以外的標簽不會被讀寫。
盡管在行話中常稱為天線，但正如這里所使用的那樣，天線組件被定義為零件的組件，其中至少一個零件包括直接發(fā)送或接收電磁能量或信號的天線。
在本公開的一個實施例中，圖2示出了包括跡線線性單元微帶天線112的近場天線組件110，其上方附近存在大的RFID標簽120。此外，如圖3和4所示，近場天線組件110包括厚度為“t”的微帶天線112，微帶天線112在饋入點端116與電纜114耦合，以及在相反或終接端118終接到通常50歐姆的終接電阻“R1”，電纜114通常是同軸電纜，但不局限此。電纜114具有第一或信號端114a和第二或地參考端114b。在饋入點116上通過饋入系統(tǒng)124從電纜114饋入信號。該信號通常是50歐姆。
在一個實施例中，電容性匹配小片122(圖3)可以在50歐姆終接端118與線性天線112電耦合，以達到阻抗匹配，通常使反射最小。
正如圖3和4最佳例示的那樣，線性微帶組件110包括基本長方形的微帶跡線112，以及具有第一表面140a和與之相反的第二表面140b的基底140。第一和第二表面140a和140b之間的距離限定基底140的厚度“H”。
微帶組件110還包括接地面150，并且被配置成微帶線112位于基底140的第一表面140a上以及接地面150位于基底140的第二表面140b上。在一個實施例中，接地面150通過介電隔離物164與第二表面140b隔開，所述介電隔離物164可以是氣隙(未示出適當結(jié)構(gòu)支持)。電纜114的第一端114a與微帶天線112電耦合，而第二端114b與接地面150電耦合。
在一個實施例中，線性微帶線112基本上是長方形的并具有寬度“W”。天線組件110的長度“L”從饋入點116延伸到終接電阻“R1”并包括終接電阻“R1”。線性微帶線112通常是諸如銅的薄導體，但不局限于銅。對于UHF范圍內(nèi)的頻率，厚度“t”通常從大約10微米到大約30微米。
基底140是介電材料，它通?？梢园ㄌ沾苫騀R-4介電材料，具有厚度“H”和總寬度“Ws”，以及接地面150處在下面。在線性微帶112的終接端118，終接電阻R1將線性微帶線112的末端118與接地面150電耦合。
線性微帶天線112在饋入點116的輸入阻抗“Z”被設計成大致等于供應饋入信號的電纜114的特性阻抗，以便使從讀取器耦合的功率最大(讀取器是饋入系統(tǒng)124的一部分，并且是與電纜114或傳輸網(wǎng)絡分開的電子系統(tǒng)。天線組件110通過電纜114與讀取器系統(tǒng)耦合)。比值W/H通常大于或等于1，尤其可以從大約1到大約5。
在這種情況下，線性微帶天線組件110的輸入阻抗“Z”以歐姆為單位由如下公式給出
Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(11+12HW)-12]]>εr是基底140的相對介電常數(shù)。因此，阻抗“Z”主要由微帶寬度W和基底高度H來決定。
在一個實施例中，基底相對介電常數(shù)“εr”從大約2到大約12。在另一個實施例中，線性微帶近場天線組件110的長度“L”對應于半波到全波器件的等效或有效長度，等效物理長度大約是L=ncfϵre]]>，其中，c是光速(大約3×108m/s)，f是以Hz為單位的工作頻率，以及“εr”是基底相對介電常數(shù)，以及n從用于等效半波偶極天線的大約0.5到用于等效全波偶極天線的大約1.0。
在一個實施例中，將終接電阻“R1”調(diào)整成使得饋入點116的輸入阻抗為大約50歐姆或饋入電纜114的特性阻抗。
在另一個實施例中，線性微帶天線112具有第一和第二縱向邊緣112a和112b，以及微帶天線112基本上位于基底140和接地面150的中心，使得基底140的縱向側(cè)邊142a和142b以及接地面150的縱向側(cè)邊152a和152b的每一個都從第一和第二縱向邊緣112a和112b延伸至少兩倍于寬度“W”(“2W”)的距離。其結(jié)果是，基底140和接地面150的每一個都具有至少五倍于寬度“W”(“5W”)的總寬度“Ws”?；?40進一步包括饋入點116所在的橫向側(cè)邊142c和終接電阻R1所在的橫向側(cè)邊142d。類似地，接地面150進一步包括饋入點116所在的橫向側(cè)邊152c和終接電阻R1所在的橫向側(cè)邊152d。
近場天線組件110有意削弱遠場并增強近場區(qū)。更具體地說，近場RFID天線組件110包括單元天線112，單元天線112配置成使得天線112所發(fā)射的局部化E電場基本上處于近場所限定的區(qū)域內(nèi)，以及天線112所發(fā)射的輻射場基本上處于相對于天線112由遠場限定的區(qū)域內(nèi)。因此，近場天線組件110具有許多便于調(diào)整的優(yōu)點。這種天線組件在不帶50歐姆終接阻抗的情況下實阻抗非常低。因此，輻射電阻較低。通常加上50歐姆終接阻抗R1，使得輸入阻抗將近50歐姆，以便與通過電纜114供電的饋入系統(tǒng)124相匹配。這種配置和操作方法也導致天線“Q”因子非常低，使得天線寬帶。
理論上，如圖5所示，微帶天線112是半波“λ/2”天線，電流分布沿著跡線微帶天線112的長度。
在饋入點116，電流是峰值并基本上與來自饋入系統(tǒng)124的施加電壓同相。電流在微帶天線112的中點降低到零，然后在終接端118繼續(xù)降低到負峰值。
如圖5所示，這種在半波偶極配置下工作的電流分布線性微帶天線組件110在饋入端116產(chǎn)生正E場并在終接端118產(chǎn)生負E場。
圖6例示了近場微帶天線112上方的近場E場耦合。更具體地說，圖6是對于半波長情況，微帶天線112上方的歸一化時變E場在某個時刻的圖形表示。在饋入點116，E場達到最大。在微帶天線112的中點，E場降低到零。在終接端118，E場降低到負峰值或最小。由于RFID標簽120正好位于這種天線上方(參見圖2)，來自微帶天線112的差動E場沿著RFID標簽天線120的長度驅(qū)動或引導電流，因此激活RFID標簽120，使得RFID讀取器，即近場天線組件112接著可以對其進行讀取或?qū)懭搿?br> 其結(jié)果是，位于微帶天線112上方并沿著微帶天線組件110的長度“L”取向的RFID標簽120接著將信息傳送到微帶天線112。應該注意到，對于半波偶極天線配置，根據(jù)基底140的材料，基底140有效地形成慢波結(jié)構(gòu)，導致總天線長度“L”是l=c2fϵr]]>，其中，c是真空光速，f是工作頻率，以及“εr”是基底材料的相對電容率或相對介電常數(shù)。因此，隨著基底140的相對電容率或相對介電常數(shù)“εr”增大，總天線組件長度“L”縮短，使得這樣的天線組件可以用于較小的RFID標簽。例如，如果使用介電常數(shù)為12.5的陶瓷基底，則在實驗中實現(xiàn)4.7cm的總微帶長度，理論長度為4.6cm。較小的天線組件用于讀取或檢測較小項目級別的RFID標簽。
在一個實施例中，將線性微帶天線組件110的長度延長到對應于全波的長度。圖7和8分別示出了分別在0°和90°相位，在全波微帶天線組件，例如線性微帶天線組件110上方某個時刻的時變E場。
由于通過電纜114在饋入點116供應的饋入信號經(jīng)歷整個360°相位，所以可以觀察到差動E場在某個時刻的兩個特定瞬像。在零相位，存在兩對差動E場，而在90°相位只存在一對。與上面的RFID標簽120耦合的實際差動E場沿著線性微帶天線112的長度“L”掠過。這有利于線性微帶天線112與RFID標簽120之間的對準。增加基底140的材料的介電強度(或相對電容率“εr”)至少部分補償增加總天線長度“L”的需要。
參照圖9，一系列RFID標簽120a到120e相隔間隙距離“d”，這些RFID標簽之一120c位于單個線性微帶天線組件110上方。RFID標簽120a到120e被取向，使得RFID標簽120a到120e的天線偶極子沿著線性微帶天線組件110的長度“L”縱向取向。
為了防止近場線性微帶天線組件110讀寫接近被尋址標簽120c的標簽120b或120d，可以相應調(diào)整微帶寬度“W”、長度“L”和總基底寬度“Ws”。隨著RFID標簽120a到120e之間的間隙“d”縮小，必須縮小微帶寬度“W”以及大約“5W”的總基底寬度“Ws”。間隙“d”的尺寸將相鄰標簽120a、120b、120c、120d適當?shù)卦O置在線性微帶天線112的基底140的側(cè)邊142a、142b之外，使得微帶天線組件110檢測不到相鄰RFID標簽120a、120b、120c、120d的存在。跡線寬度W、長度L和基底參數(shù)W/H以及εr被調(diào)整，使得實現(xiàn)電流分布有效對應于半波到全波結(jié)構(gòu)。
在如圖10和11所示的一個實施例中，線性微帶天線組件110′包括擴展或環(huán)繞的接地面。更具體地說，線性微帶天線組件110′與線性微帶110相同，除了取代接地面150，微帶線112處于基底140的第一表面140a上，以及接地面150′處于基底140的第一表面140a的至少一部分上并且不與微帶線112接觸。接地面150′還分別處于基底140的第一和第二邊緣142a和142b上以及基底140的第二表面140b上。接地面150′還可以通過介電隔離物164與第二表面140b隔開。
接地面150′還可以包括疊在第一表面140a上并且分別朝向邊緣112a和112b向內(nèi)延伸距離“WG”但不與跡線微帶112接觸的折片或端部180a和180b。
如圖11所示，RFID標簽120a到120e可以非常接近地位于天線組件110′上方，使得雖然一個標簽120c處在跡線線性微帶112上方，但相鄰標簽120b和120c一般分別處在接地面150′的折片或端部180a和180b上方。如圖12所示，天線組件110′通過傳播近場能量，并通過分別朝向邊緣112a和112b向內(nèi)延伸距離WG但不與跡線微帶112接觸的折片或端部180a和180b環(huán)繞的接地面150′，來控制射頻能量的位置。因此，E場基本上只從跡線微帶112延伸到折片或端部180a和180b，從而有效地終接E場并防止天線組件110′與相鄰標簽120b和120d耦合。
圖13例示了從諸如天線組件110′的接地面150′的側(cè)邊152b的側(cè)邊之一看過去，天線組件110′的近場微帶天線112上方的時變近電場E的耦合的瞬時圖。更具體地說，圖13是半波長情況的歸一化E場的圖形表示。與如圖6所示的方式類似，在饋入點116，E場最大。在微帶天線112沿著長度“L”的中點，E場降低到零。在終接點118，E場降低到負峰值或最大。
由于如圖12所示，RFID標簽120正好位于天線組件110′上方，來自微帶天線112的差動E場沿著RFID標簽120的長度驅(qū)動或引導電流，并因此激活RFID標簽120，使得RFID讀取器，即近場天線組件112接著可以讀取或?qū)懭?。其結(jié)果是，位于微帶天線112上方并沿著微帶天線組件110′的長度L取向的RFID標簽120c也適當?shù)嘏c微帶天線112耦合。并且，跡線寬度W、長度L和基底參數(shù)W/H以及εr被調(diào)整，使得實現(xiàn)有效電流分布有效對應于半波到全波結(jié)構(gòu)。
參照圖14和15，在一個實施例中，可以將線性微帶天線組件110(或110′)安裝在導電外殼160內(nèi)或?qū)щ娡鈿?60上。導電外殼160包括底板162、通常兩個縱向側(cè)壁162a和162b、以及通常與它們正交連接的兩個橫向側(cè)壁162c和162d。接地面150的底面位于底板162上，以便使導電外殼160與接地面150電耦合。因此，導電外殼160通過接地面150接地。
可以將側(cè)壁162a到162d與基底140的邊緣142a到142d隔開。邊緣142a到142d可以與導電外殼160接觸，但可能需要空間余量以便將天線組件110(或110′)裝在外殼160中。側(cè)壁162a到162d也可以通過介電隔離材料170與線性微帶天線112隔開，使得導電外殼160與線性微帶天線112、電容性負載122和終接電阻R1電隔離。介電隔離材料170可以包括氣隙。導電外殼160的材料可以包括鋁、銅、黃銅、不銹鋼或類似的金屬物質(zhì)?？梢栽O想，增加具有與微帶天線組件110的基底140的側(cè)邊142a到142d相鄰的側(cè)壁162a到162d所實現(xiàn)的擴展側(cè)表面的導電外殼160可以進一步降低相鄰RFID標簽120與線性微帶天線組件110的非期望耦合。
在如圖16-18所示的本公開的一個實施例中，曲折線單元微帶天線組件210用于對于例如被用于讀取小RFID標簽的給定總天線尺寸，使得表現(xiàn)天線長度“L”更長。曲折線天線組件210在許多方面都與線性微帶天線組件110類似，因此，這里只在識別結(jié)構(gòu)和操作上的差異所需的程度上描述它。
更具體地說，圖16-18示出了包括曲折線狀單元微帶天線212的近場天線組件210。曲折線狀天線跡線212當沿著長度“L”從饋入點116前進到終接端118的終接電阻R1時跨越基底140的寬度“Ws”“曲折”。曲折線狀微帶天線跡線212具有厚度“t”，在饋入點端116與電纜114電耦合，并在終接端118終接于通常50歐姆的終接電阻R1。
曲折線狀微帶天線212與線性微帶天線112的不同之處在于，曲折線狀微帶天線212二維地引導電流。更具體地說，在一個實施例中，曲折線狀微帶組件210包括多個交替正交接觸的導電段214和216，導電段214和216分別配置在形成曲折線狀微帶跡線天線212的方波圖案中。導電段214與長度“LM”平排并基本上與基底140的縱向側(cè)邊142a和142b的至少一個平行。導電段216與平排導電段216橫向?qū)什⒔佑|以形成方波圖案。導電段216的每一個相對于沿著導電段的長度Ls延伸并平分寬度的中心線軸C-C取向。接觸的各導電段214和216可以整體形成單條微帶跡線。曲折線狀天線212可以用不遵從方波圖案的其它圖案形成，其中，交替接觸導電段214和216不正交。這些實施例在這一點上不受限制。各段214和216的配置使局部化E電場能夠二維地驅(qū)動或引導電流。
基底140的至少一個邊緣142a、142b具有長度“LM”，并且正交接觸導電段214、216被布置成相對于至少一個邊緣142a、142b交替橫向和縱向取向。
如圖17所示，導電段214被布置成縱向取向，并且一起限定從饋入點116延伸到終接端118的終接電阻R1并包括終接端118的終接電阻R1的曲折線狀微帶跡線212的總長度“LM”。曲折線狀跡線212的寬度“WM”被定義成縱向取向?qū)щ姸?14之一的寬度。
與線性微帶天線組件110類似，曲折線狀微帶組件210的長度“LM”具有從基本上等于等效半波偶極天線的長度到等效全波偶極天線的長度的總尺度。所得電場(E場)分布與針對線性天線組件110所述、如圖6-8所示的電場分布相同。
在一個實施例中，曲折線狀微帶天線組件210具有可以大于或等于1，并且尤其從大約1到大約5的比值“WM/H”。基底140可以具有從大約2到大約12的相對介電常數(shù)。基底140的至少一個邊緣142a、142b可以配置成從布置成縱向取向的導電段214橫向延伸基本上大于或等于曲折線狀微帶跡線212的寬度“WM”的兩倍(“2WM”)的距離。在另一個實施例中，接地面150的至少一個邊緣152a、152b可以從布置成縱向取向的導電段214橫向延伸基本上大于或等于曲折線狀微帶跡線212的寬度“WM”的距離。還可以設想，曲折線狀天線組件210可以包括通常在終接電阻R1附近與曲折線狀微帶跡線212電耦合的電容性負載122。
如圖17-19所示，以及以與如圖9所示的線性天線組件110相似的方式所述，一系列RFID標簽120a到120e相隔間隙距離“d”，這些RFID標簽之一120c位于單個曲折線狀微帶天線組件210上方。曲折線狀微帶天線組件210被配置成使得曲折線狀天線212的局部化E電場與沿著曲折線狀微帶天線組件210的長度縱向取向的一個RFID標記或標簽120耦合。局部化E電場沿天線212二維地驅(qū)動或引導電流。
為了防止近場曲折線狀微帶天線組件210讀寫接近被尋址標簽120c的標簽120b或120d，可以相應調(diào)整微帶寬度“WM”、長度“LM”和總基底寬度“Ws”。隨著RFID標簽120a到120e之間的間隙“d”縮小，微帶寬度“WM”以及總基底寬度“Ws”也縮小。間隙“d”的尺寸將相鄰標簽120a、120b、120c和120d適當?shù)卦O置在曲折線狀微帶天線212的基底140的側(cè)邊142a、142b之外，使得微帶天線組件210檢測不到相鄰RFID標簽120a、120b、120c、120d的存在。在曲折線微帶天線的情況下，跡線寬度WM、總有效長度LM和基底參數(shù)被調(diào)整，使得實現(xiàn)相應于半波到全波結(jié)構(gòu)的有效電流分布。這可以通過增加每個給定固定長度LM的曲折線跡線周期L′M數(shù)量來實現(xiàn)。
在諸如圖20和21所示實施例的一個實施例中，曲折線狀微帶天線組件210′包括擴展或環(huán)繞的接地面。更具體地說，曲折線狀微帶天線組件210′與曲折線狀微帶210相同，除了取代接地面150，微帶線212處在基底140的第一表面140a上，以及接地面150′處在基底140的第一表面140a的至少一部分上并且不與微帶線212接觸。與線性微帶110′的方式相似，接地面150′還分別處在基底140的第一和第二邊緣142a和142b上以及基底140的第二表面140b上。接地面150′還可以通過一個或多個介電隔離物164與基底隔開。
接地面150′還可以包括疊在第一表面140a上并分別朝向邊緣112a和112b向內(nèi)延伸距離“WG”但不與跡線微帶212接觸的折片或端部180a和180b。
如圖21所示，RFID標簽120a到120e可以非常接近地位于天線組件210′上方，使得雖然一個標簽120c處在跡線曲折線狀微帶212上方，但相鄰標簽120b和120c一般分別處在接地面150′的折片或端部180a和180b上方。
更進一步，如圖22和23所示，以及與如圖14和15所示實施例的方式相似，可以將曲折線狀微帶天線組件210(或210′)的接地面150與導電外殼160電耦合?？梢詫?cè)壁162a到162d與基底140的邊緣142a到142d隔開。邊緣142a到142d可以與導電外殼160接觸，但可能需要空間余量，以便將天線組件110(或110′)裝在外殼160中。側(cè)壁162a到162d也可以通過介電隔離材料170與曲折線狀微帶天線212隔開，使得導電外殼160與曲折線狀微帶天線212、電容性負載122和終接電阻R1電隔離。導電外殼160的材料可以包括鋁、銅、黃銅、不銹鋼或類似的金屬物質(zhì)。
正如前面所討論的那樣，跡線寬度WM、總有效長度LM和基底參數(shù)被調(diào)整，使得實現(xiàn)對應于半波到全波結(jié)構(gòu)的有效電流分布。這可以通過增加每個給定固定長度LM的曲折線跡線周期L′M數(shù)量來實現(xiàn)。
近場天線組件110、110′、210、210′的前述實施例被公開成在單元配置中通過電纜114和終接電阻R1供電。本領域的普通技術人員應該認識到，近場天線組件110、110′、210、210′也可以通過包括變壓器的偶極配置供電。這些實施例在這一點上不受限制。
鑒于前述情況，本公開的實施例涉及讀取RFID標簽的近場天線組件110、110′、210、210′，其中，近場天線組件110、110′、210、210′被配置成天線組件110、110′、210、210′以工作波長“λ”發(fā)射的局部化E電場基本上處在由近場限定的區(qū)域內(nèi)，以及天線組件110、110′、210、210′以工作波長“λ”發(fā)射的輻射場基本上處在相對于天線組件110、110′、210、210′由遠場限定的區(qū)域內(nèi)。
本公開的各種實施例被設計成可以相對于輻射場的幅度來提高局部化E電場的幅度，以及只有當標記或標簽120c位于近場區(qū)內(nèi)時，才由天線或天線組件110、110′、210、210′讀取RFID標記或標簽120c(當標記或標簽120c位于遠場區(qū)內(nèi)時不讀取)。此外，可以相對于局部化E電場的幅度來降低輻射場的幅度，使得只有當標記或標簽120c位于近場區(qū)內(nèi)時才由天線或天線組件110、110′、210、210′讀取RFID標記或標簽120c(當標記或標簽120c位于遠場區(qū)內(nèi)時不讀取)。天線組件110、110′、210、210′具有相對介電常數(shù)“εr”。
天線或天線組件110、110′、210、210′被配置成按距離天線組件110、110′、210、210′的距離等于“λ/2π”來定義近場區(qū)，其中“λ”是天線或天線組件110、110′、210、210′的工作波長。在一個實施例中，天線或天線組件110、110′、210、210′以大約915MHz的頻率工作，使得近場區(qū)距離是大約5cm。
讀寫RFID標記或標簽120c的方法也得到公開，該方法包括如下步驟提供近場天線組件110、110′、210、210′，所述近場天線組件110、110′、210、210′被配置成天線或天線組件110、110′、210、210′以工作波長“λ”發(fā)射的局部化E電場基本上處于由近場限定的區(qū)域內(nèi)，以及天線或天線組件110、110′、210、210′以工作波長“λ”發(fā)射的輻射場基本上處于相對于天線組件110、110′、210、210′由遠場限定的區(qū)域內(nèi)；以及將近場天線組件110、110′、210、210′的局部化E電場與處在近場區(qū)內(nèi)的RFID標記或標簽120c耦合。
天線組件110、110′、210、210′的有效長度L或LM可以是這樣的，通過天線引導的電流分布引起波長與nv/f成正比的波形，其中，v是等于光速除以天線組件110、110′、210、210′的相對介電常數(shù)的平方根的傳播波速，f是以Hz為單位的頻率，以及n從用于半波的大約0.5到用于全波的大約1.0。
該方法還可以包括如下步驟相對于輻射場的幅度而增加局部化E電場的幅度，使得只有當標記或標簽120c位于近場區(qū)內(nèi)時，才由天線組件110、110′、210、210′讀取RFID標記或標簽120c，但當標記或標簽120c位于遠場區(qū)內(nèi)時，天線組件110、110′、210、210′不讀取RFID標記或標簽120c。
該方法還可以包括如下步驟相對于局部化E電場的幅度而降低輻射場的幅度，使得只有當標記或標簽120c位于近場區(qū)內(nèi)時，才由天線組件110、110′、210、210′讀取RFID標記或標簽120c，但當標記或標簽120c位于遠場區(qū)內(nèi)時，天線組件110、110′、210、210′不讀取RFID標記或標簽120c。該方法可以包括如下步驟將天線組件110、110′、210、210′配置成按距離天線組件110、110′、210、210′的距離等于“λ/2π”來定義近場區(qū)，其中“λ”是天線的工作波長。該方法可以進一步包括如下步驟使近場天線以大約915MHz的頻率工作，使得近場區(qū)距離是大約5cm。天線組件110、110′、210、210′的有效長度L或LM可以是這樣的，通過天線引導的電流分布引起波長與nv/f成正比的波形，其中，v是等于光速除以天線組件110、110′、210、210′的相對介電常數(shù)的平方根的傳播波速，f是以Hz為單位的頻率，以及n從用于半波的大約0.5到用于全波的大約1.0。
可以設想，本公開近場天線組件的有利特性包括(1)讀寫RFID標簽120a到120e的范圍限于近場距離d＜＜λ/2π；(2)近場天線112或212的主要場能耗散在終接負載電阻R1中；(3)近場天線組件與輻射遠場天線組件相比呈現(xiàn)低Q因子；(4)由低Q因子引起的寬工作帶寬可用于全球UHF寬帶應用；(5)寬工作帶寬和低Q因子允許簡化的RFID讀取器電子線路，不需要跳頻來防止讀取器相互干擾；(6)近場天線組件與輻射天線組件相比呈現(xiàn)低輻射電阻和輻射效率。因此，遠場輻射顯著降低；(7)配有帶有跡線尺度、基底特性和接地面的微帶型天線的近場天線組件被設計成從半波天線到全波天線地工作；(8)電輸入或電纜直接與微帶天線的開頭連接以及連接器的地線直接與基底底面上的接地面連接的單元饋入配置與可能需要變換器的可替代差分饋入配置相比，提供了更簡單、成本更劃算的饋入配置；(9)近場天線組件處于其開口頂側(cè)的導電外殼與天線組件的接地面接地連接。導電外殼有助于使往往與相鄰RFID標簽耦合的雜散電場最小，相鄰RFID標簽與正好位于微帶天線上方的RFID標簽相鄰；以及(10)使發(fā)射的電場局部化在近場區(qū)便于遵從規(guī)章要求。
作為前述情況的結(jié)果，本公開的實施例允許相互非常接近地編程RFID標簽。例如，卷軸上的RFID標簽具有每個標簽之間的分開距離小的特征。本公開的實施例不要求標簽分得很開，并防止多個標簽被一起讀取和編程。此外，本公開的實施例便于識別位于具有適當功能標簽附近的有缺陷標簽。
雖然上面的描述包括了許多細節(jié)，但這些細節(jié)不應該被理解為對本公開范圍的限制，而只是作為本公開優(yōu)選實施例的范例。本領域的普通技術人員可以設想出在本公開的范圍和精神之內(nèi)的許多其它可能變體。
權(quán)利要求
1.一種包括基本線性單元微帶天線的近場RFID天線組件，所述基本線性單元微帶天線被配置成使得天線所發(fā)射的局部化E電場基本上處于由近場限定的區(qū)域內(nèi)，以及所述局部化E場沿著對應于半波到全波結(jié)構(gòu)的天線有效長度引導電流分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線組件，其中，所述基本線性微帶天線包括基本長方形的微帶；具有第一表面和第二表面以及在它們之間限定的厚度的基底；以及接地面，其中，所述微帶位于所述基底的第一表面上，以及所述接地面位于所述基底的第二表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線組件，進一步包括在所述線性微帶的一端的饋入點和在線性微帶的另一端的終接電阻，該電阻與接地面電耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線組件，其中，所述線性微帶具有寬度W，以及所述基底具有厚度H，使得天線組件的輸入阻抗Z以歐姆為單位基本等于如下公式(1)Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>以及εr是基底的相對介電常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線組件，其中，W/H的比值大于或等于1。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線組件，其中，所述基底和接地面的每一個都具有至少五倍于寬度W(5W)的寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線組件，其中，所述線性微帶具有第一和第二縱向邊緣，以及所述微帶基本上位于基底的中心，使得基底的邊緣和接地面的邊緣的每一個都從所述第一和第二縱向邊緣延伸至少兩倍于寬度W(2W)的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線組件，其中，基底的相對介電常數(shù)εr從大約2到大約12。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線組件，其中，所述線性微帶具有從饋入點延伸到終接電阻并包括終接電阻的長度L，所述長度L由如下公式(2)給出L=ncfϵre---(2)]]>其中，c是以m/s為單位的光速(大約3×108m/s)，f是以Hz為單位的工作頻率，εre是ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>，以及n從用于等效半波偶極天線的大約0.5到用于等效全波偶極天線的大約1.0。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線組件，其中，所述饋入點處的天線輸入阻抗約等于在饋入點供應饋入信號的電纜的特性阻抗。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線組件，其中，所述線性微帶跡線具有從大約10微米到大約30微米的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線組件，其中，所述基底具有沿著基底長度的第一和第二邊緣；以及所述接地面位于基底的第一表面的至少一部分上但不與微帶接觸，所述接地面位于基底的第一和第二邊緣上以及基底的第二表面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的天線組件，其中，所述線性微帶具有寬度W，以及所述基底具有厚度H，使得所述天線組件的輸入阻抗Z以歐姆為單位基本等于如下公式(1)Z=120πϵre[WH+1.393+0.667ln(WH+1.444)]-1---(1)]]>其中，ϵre=(ϵr+12)+(ϵr-12)(1+12HW)-12]]>以及εr是基底的相對介電常數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的天線組件，其中，W/H的比值大于或等于1。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的天線組件，其中，所述基底和接地面的每一個都具有至少五倍于寬度W(5W)的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線組件，其中，所述天線組件的接地面與導電外殼電耦合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的天線組件，其中，所述導電外殼通過至少一個介電隔離物與微帶天線隔開。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的天線組件，其中，所述介電隔離物包括氣隙。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線組件，其中，所述天線組件被配置成使得所述天線組件的局部化E電場與沿著天線組件的長度縱向取向的RFID標簽耦合。
20.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線組件，進一步包括與線性微帶電耦合的電容性負載。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近場線性單元微帶天線，它被配置成讀取RFID標簽，使得天線以工作波長發(fā)射的局部化E電場基本上處于由近場限定的區(qū)域內(nèi)。所述局部化E場沿著對應于半波到全波結(jié)構(gòu)的天線有效長度引導電流分布。
文檔編號H01Q9/06GK101076644SQ200580042711
公開日2007年11月21日 申請日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者理查德·L.·科佩蘭德, 加里·M.·沙弗爾 申請人:傳感電子公司