CN101542547A - 射频识别天线 - Google Patents

Abstract

一种特别适用于射频识别(RFID)应答机的天线。第一和第二半段每一个包括主要限定辐射特征的标称直线导电部分，以及创建该天线的一个正电抗特征的标称螺旋导电部分。该直线导电部分具有用于将该天线连接到该RFID应答机的馈电点，且还与对应的螺旋导电部分相连接。所述第一和第二半段将该天线表征为偶极子型，并且增加一个与该直线导电部分相连接的可选环形部分，可以进一步将其表征为折叠偶极子型。

Description

射频识别天线

技术领域

本发明一般涉及电子通信，更具体地涉及条件响应指示系统，更进一步具体地涉及可检测的设备或标签(tag)，再进一步具体涉及其中可检测设备或标签具有用于发送和接收信号的特定天线集波器(aerial wavecollector)结构的情况。

背景技术

现今射频识别(RFID)系统得到了广泛和不断增长的应用。图1(现有技术)是示出了包括一个询问机和一个应答机的范例RFID系统的示意图。在某些RFID系统中，“识别”信息在制造期间被写入到应答机之中且永不改变，使询问机仅仅作为读取器。然而，在其他系统中，应答机中的识别信息可以被改变，于是所用的询问机可以既作为读取器也作为写入器。考虑到这个问题，术语“询问机”在此处一般指的是读取器、写入器或两者。术语“应答机”和“标签”已几乎成为同义词，在此处作同义词来用。

RFID标签一般按照它们是有源还是无源分类。无源型的RFID标签包括应答机电路和天线，而有源型的RFID标签附加地包括电源，诸如电池、燃料电池或某个等价物。现今在应答机中的电路通常包含在一个单一的集成电路中，因此通常使用术语“应答机芯片”。

图1绘出了一个无源型的RFID标签。因为这样的标签是现今最常用的类型，并且因为它们用于本发明通常获益更为显著，所以在本讨论中主要将它们用作示例。虽然如此，仍应理解许多有源型RFID设计应用于本发明也将获益。

无源型RFID标签从外部提供的射频(RF)波提取能量。通常，这个RF波是一种询问信号，该询问信号用于激活天线来读取标签中的信息或将信息写入到标签中。不设内置能量源，有助于使无源型RFID标签制造成本低、持续时间长且更为可靠。这也有助于使它们保护环境，因为它们不包括通常在电源中使用的污染环境的材料。然而，不设内置能量源，也限制了无源RFID标签相对于询问信号中给定能量的有效工作范围。比如，为了增加工作范围，或是如果在询问器和标签之间的信号传播有点受限制，接着发生的便是与无源RFID标签配套使用的询问机将不得不以更高的功率级来辐射询问信号，以完成手头的任务。

不幸的是，仅仅通过增加询问信号的功率级来保证成功的询问器-标签通信并非总是可行的。例如，仅效率低下就可以使询问机中诸如电池寿命和散热的问题恶化。更为忧虑的是，为一个系统设定的射频能量辐射可能会与其他电子系统相干扰，而且在极端的情况下，可能对诸如人、动物、植物等生物体构成危险。为此原因，大多数政府限制射频能量辐射等级，美国和欧洲在这方面尤为突出。

再参照图1，其所绘出的范例无源型RFID标签包括一个天线、一个匹配网络、一个调制器、一个整流器以及一个逻辑子电路。该天线是偶极子型，且现今在RFID系统中很常用。如下面所讨论的，因为匹配网络是可选的，所以以虚线轮廓示出。在图1中的匹配网络、调制器、整流器中示出的电路仅为代表性，而在逻辑子电路中没有示出电路，因为这样的电路变化可能相当多，且与本讨论并非特别紧密。天线和匹配网络通常必须实现在分离的组件中，但是调制器、整流器以及逻辑子电路现今通常被实现为一单一的集成电路“应答机芯片”。

暂时忽略匹配网络，该天线连接到应答机芯片的“前端”，且冲击在天线上的询问信号的电磁场必须在应答机芯片对其进行整流之前产生一个具有高于给定阈值的电压的输出信号。

对已接收的询问信号的整流可以服务于多个目的。在无源RFID标签中，它提供了操作逻辑子电路以及最终还操作调制器所需的功率，这允许应答机以反向散射辐射形式向询问机“发送”回其识别信息。此外，若询问信号正在向应答机提供信息，整流过程将解调该询问信号。如果利用识别信息对逻辑子电路进行编程，或是利用逻辑子电路可接受的任何其他程序进行编程，情况即是如此，所述识别信息是应答机在随后被读取时要用以“答复”的识别信息。此外，询问信号的RF载波也可以包括给配套工作的应答机的某个指示，指示该询问信号是一有效的询问信号，例如是特定的子载波频率。这就使得该应答机在被其他无效射频信号激励时保持沉默。

为了使天线产生的电压最大化，并由此增加提供给应答机的能量，天线和应答机之间的阻抗在所用特定询问信号的工作频率处应该匹配。一种增进该阻抗匹配的已知方法是使用例如电感和电容网络的分离组件或诸如微带结构的分布式元件的电路。图1中所示的电感和电容匹配网络是一个示例。不幸的是，这些方法通常不理想，因为它们增加了RFID标签的成本、复杂性和尺寸，并且降低了它的效率。

明显地，非常希望能够生产具有一个直接与应答机芯片的射频电路匹配的天线的RFID标签，以使接收到大多数询问信号以及增加RFID标签和其配套使用的询问机之间的可能工作范围。不幸的是，直到现在为止，在不接受其他不希望后果的情况下，还不可能实现。

为达到最佳阻抗匹配，应答机天线应该为应答机芯片的阻抗的共轭。然而，由于它使用了二极管和电容器，所以应答机芯片前端的整流器在几乎所有情况下都具有一个复数值的输入阻抗，包括正的实部和负的虚部。因此，天线的阻抗应该具有相同的实部以及正的虚部。与谐振二极管相比，这通常需要增加天线尺寸，这尤其与减小应答机总体尺寸与成本的通常设计目标冲突。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的天线结构以及在射频识别(RFID)应答机(或‘标签’)中应用该结构的方法。

简而言之，本发明的一个优选实施方案是用于射频识别(RFID)应答机的天线。提供了第一半段和第二半段，均包括直线导电部分以及螺旋导电部分。

直线导电部分主要限定天线的辐射特性，而螺旋导电部分创建天线的正电抗特性。直线导电部分每一个具有一个馈电点，天线在该馈电点可以连接到RFID应答机。直线导电部分与它们对应的螺旋导电部分有效地连接，从而使第一半段和第二半段将天线表征为偶极子类型。

简而言之，本发明的另一优选实施方案也是用于射频识别(RFID)应答机的天线，具有前述实施方案的全部元件，并且额外具有一个连接第一半段和第二半段的直线导电部分的环形部分，从而进一步将天线表征为折叠偶极子类型。

本发明的优点之一在于，由于它高效的优点，所以特别适用于无源型RFID标签。尽管本发明对于用于许多有源型RFID标签设计也是很适用并且有益的。

本发明的另一优点在于，它可以被实现为具有小尺寸的简单结构，因此使得它适合服务于尺寸受限的应用，并且使其制造和材料要求非常经济。

本发明的另一优点在于，它允许一种比现有许多设计都更为全方位的天线模式，有助于连续的并且可靠的应答机探测。

本发明的另一个优点在于，它与该使用其的RFID设备的整流器匹配很好，不需要使用额外的、分离的电路元件。

对于本领域技术人员，在阅读对于当前已知的执行本发明的最佳模式以及在说明和附图中示出的优选实施方案的工业应用性的描述之后，本发明的这些和其他的目的和优点将变得清楚。

附图说明

通过下列详细描述以及结合附图，本发明的目的和优点将显而易见，其中：

图1(现有技术)是绘出了一个其中包括询问机、应答机和代表性电路的示例RFID系统的示意图。

图2示出了根据本发明的偶极子型天线。

图3示出了根据本发明的另一偶极子型天线。

图4示出了根据本发明的折叠偶极子型天线。

以及图5示出了根据本发明的折叠另一偶极子型天线。

在附图的各个图中，相同的参考数字用于表示相同或相似的元件或步骤。

优选实施方式

本发明的一个优选实施例是用于射频识别(RFID)应答机的天线。由此处各幅附图所示，特别参看图2-5，本发明的优选实施例由通用参考数字10、30、50和70描述。

图2绘出了根据本发明的天线10，包括两个部分12、14。该第一部分12包括主要辐射组件，此处是直线导电迹线16，而该第二部分14包括基本电抗组件，此处是螺旋导电迹线18。此处图中所示的螺旋是一般性的，可能会有任意数量的缠绕、长度、宽度等。

在偶极子型天线的表征方式中，此处的天线10具有左半个偶极子20，成镜像的右半个偶极子22。天线10的这些半个与12、14部分不相应，不应与之混淆。天线10的左半个偶极子20包括第一部分12和第二部分14，右半个偶极22也是如此。每个第一部分12包括一个馈电点24，用于将天线10连接到应答机芯片(未示出)。如图所示，每个第一部分12也直接地或间接地连接到它对应的第二部分14。

在应用中，第二部分14的螺旋结构(图2中的螺旋导电迹线18)基本上增加了天线10的阻抗的虚部。使用这样的螺旋结构相对于传统的弯折线结构具有特定的优势，因为它以更紧凑的尺寸创建了阻抗的正电抗分量。

图3示出了另一个天线30，扩展了图2中的天线10的偶极子型原理。天线30也包括两个部分12、14，但是此处的第二部分14具有两个部分，子部分14a和子部分14b，这两个部分包括四个螺旋导电迹线18。

图4示出了根据本发明的天线50，同样包括两个部分52、54。第一部分52包括主要辐射组件(直线导电迹线56)，而第二部分54包括基本电抗组件(螺旋导电迹线58)。此处的天线50也有一个左折叠半个偶极子60和一个镜像的右折叠半个偶极子62，其中每个第一部分52包括一个馈电点64，用于连接到应答机芯片，且其中每个第一部分52也直接地或间接地连接到它对应的第二部分54。然而，与图2中的偶极子天线10不同，图3中的天线50具有一个环形部分66，该环形部分66以常规使用的导电环的方式连接半个偶极子60和62，以创建折叠偶极子型天线。

在应用中，此处也是一样，第二部分54的螺旋结构(图3中的螺旋导电迹线58)基本增加了天线50的阻抗的虚部，并且将其与诸如基于弯折线结构的设计的常规结构区别开。

图5绘出了另一个天线70，扩展了图4中的天线50的折叠偶极子型原理。该天线70也包括两个部分52、54，但此处的第二部分54具有两个部分，子部分54a和子部分54b，这两个部分包括四个螺旋导电迹线58。

本发明提供的优点是有重大价值的。例如，在915兆赫处输入阻抗虚部为63欧姆的标准(直线)偶极子天线中，长度应超过160mm。然而，使用图2中的实施方案(天线10)，利用长度仅50mm而宽度仅8mm就能够获得同样的值，这相对于标准的偶极子天线是一个相当大的进步。

综上所述，本发明涉及射频识别(RFID)系统，并且更具体涉及用于RFID设备中的天线，其中阻抗更优化地与应答机芯片中的相应射频(RF)线路相匹配。两个主要的部分形成了该天线，其中一个包括例如金属导电迹线的主要辐射组件，另一个是例如包括螺旋金属迹线的基本电抗组件。这些部分直接或间接地与主要辐射组件连接，该主要辐射组件具有合适的用于连接到应答机芯片的馈电点。可选地，可以通过以主要的常规方式向刚才已描述过的创造性天线的折叠偶极子结构提供一个环形部分来增加环形天线特征。

尽管上文已经描述了大量实施方案，但是应该理解它们只是以示例的方式提出的，并非为了限制。因此，本发明的宽度和范围并不应被上述任何一个示范实施方案所限制，而仅仅应该依照下述权利要求书以及它们的等价物来限定。

Claims (16)

1.一种用于射频识别(RFID)应答机的天线，该天线包括：

一个第一半段和一个第二半段，每个包括：

一个直线导电部分，主要限定天线的辐射特性；

一个螺旋导电部分，创建天线的正电抗特征；

所述直线导电部分具有一个馈电点，天线在该馈电点可被连接到该RFID应答机；以及

所述直线导电部分与其对应的螺旋导电部分有效地连接，从而使所述第一半段和所述第二半段将该天线表征为偶极子型。

2.权利要求1所述的天线，其中所述第一半段和第二半段是位于一平面内的镜像相对部分。

3.权利要求1所述的天线，其中所述第一半段和所述第二半段是由印刷电路板迹线形成的。

4.权利要求1所述的天线，其中所述螺旋导电部分每一个包括两个相对的螺旋状的子部分。

5.权利要求1所述的天线，还包括一个环形部分，用于连接所述第一半段和所述第二半段的所述直线导电部分，从而进一步将该天线表征为折叠偶极子型。

6.权利要求5所述的天线，其中所述第一半段和所述第二半段是镜像相对部分，并且位于一平面内。

7.权利要求5所述的天线，其中所述第一半段和所述第二半段是由印刷电路板迹线形成的。

8.权利要求5所述的天线，其中所述螺旋导电部分每一个包括两个相对的螺旋形状子部分。

9.一种用于射频识别(RFID)应答机的天线，该天线包括：

第一和第二偶极子装置，以辐射或接收射频(RF)能量；

所述第一和第二偶极子装置每一个包括直线导电装置，以主要限定该天线的辐射特征；

所述第一和第二偶极子装置每一个进一步包括螺旋导电装置，以创建该天线的一个正电抗特性；

所述直线导电装置每一个在其一端处与其所对应的所述螺旋导电装置有效地连接，而在其包括馈电点的另一端处将该天线连接到该RFID应答机。

10.权利要求9中所述的天线，其中所述第一和第二偶极子装置是位于一平面内的镜像相对部分。

11.权利要求9中所述的天线，其中所述第一和第二偶极子装置是由印刷电路板迹线形成的。

12.权利要求9所述的天线，其中所述螺旋导电装置每一个包括两个相对的螺旋形子部分。

13.权利要求9所述的天线，还包括一个环形装置，该环形装置连接所述第一偶极子装置和所述第二偶板子装置的所述直线导电装置，从而进一步将该天线表征为属于折叠偶极子型。

14.权利要求13的天线，其中所述第一和第二偶极子装置是位于一平面内的镜像相对部分。

15.权利要求13的天线，其中所述第一和第二偶极子装置是由印刷电路板迹线形成的。

16.权利要求13所述的天线，其中所述螺旋导电装置每一个包括两个相对的螺旋型子部分。

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