天線結構、轉發器和製造天線結構的方法

2023-09-16 18:11:35 1

專利名稱：天線結構、轉發器和製造天線結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種天線結構。此外，本發明涉及一種轉發器(transponder)。最後，本發明涉及一種製造天線結構的方法。
背景技術：
自動識別系統的重要性正在增加，尤其是在服務部門、物流領域、 商業領域和工業生產領域中這種現象更明顯。因而，自動識別系統在 這些領域和其它領域中正得到越來越多地實施，並且在未來將很可能 替代條形碼系統。識別系統更進一步的應用涉及個人和動物的識別。在具體的非接觸識別系統中，例如像轉發器系統，這些系統適合快 速地執行數據的無線傳輸，而不需要可能令人煩惱的電纜連接。這些 系統利用電磁波的輻射和吸收，特別是利用在高頻區域中電磁波的輻 射和吸收。具有低於大約800 MHz操作頻率的系統通常是基於線圈的 電感耦合，藉助電容器使系統達到諧振狀態，因而這些系統只適合在 可達一米的小距離範圍內進行通信。由於物理邊界條件，具有800 MHz和更高操作頻率的轉發器系統 特別適合在幾米的距離範圍內進行數據傳輸。這些系統就是所謂的長 距離RFID系統("射頻識別")。區分兩種類型的RFID系統，即有源 RFID系統(具有它們自己的電源器件，例如包含電池)和無源RFID 系統(其中，根據由天線吸收的電磁波獲得電源，其中通過在RFID 系統中包含的整流子電路，整流在天線中合成的交流，用於產生直流)。 此外，可以使用半有源(半無源)系統，該系統以無源地方式被激活， 並在需要時使用電池(例如，用於發射數據)。轉發器或RFID標籤包括半導體晶片(具有集成電路)，在半導體4晶片中可以編程和重寫數據，還包括高頻天線，該高頻天線與所使用的操作頻帶(例如，在美國902 MHz至928 MHz的頻帶，在歐洲863 MHz至868 MHz的頻帶，或其它ISM-頻帶("工業、科學及醫療專用 頻帶")，例如2.4 GHz至2.83 GHz)相匹配。除RFID標籤之外，RFID 系統還包括讀出設備和系統天線，該系統天線能夠在RFID標籤與讀 出設備之間實現雙向的無線數據通信。另外，可以使用輸入/輸出設 備(例如，計算機)控制讀出設備。半導體晶片(IC，集成電路)直接被耦合(例如，通過引線接合、 倒裝片封裝)到高頻天線，或者作為SMD("表面安裝器件")器件(例 如，TSSOP實例，"薄縮小外型封裝")被安裝到高頻天線。半導體芯 片和高頻天線被設置在載體基底上，載體基底可以由塑料材料製成。 該系統也可以被製造在印刷電路板(PCB)上。為了提高這種轉發器的效率，應使用有效的天線。此外，在天線與 半導體晶片之間的能量反射應當儘可能地小。這可以通過使半導體芯 片的電磁特性與天線的電磁特性相匹配來實現。如果半導體晶片的阻抗值&hip是天線阻抗值的復共軛^nt，就可以發送最大量的功率Zchip — Zant (1) 尺chip + j 乂chip =尺ant - j 乂ant (2)在方程式(2)中，Rehip表示半導體晶片的歐姆電阻，j是虛數，Xchip是半導體晶片的(感性或容性)電抗。R礎表示天線的歐姆電阻， X自是天線的(感性或容性)電抗。從方程式(1)和(2)中可以看出，對於合適的阻抗匹配，半導體 晶片和天線的複數阻抗的實部的絕對值應當相等，複數阻抗的虛部的 絕對值應當恆等，其中半導體晶片的電抗應當是天線電抗的復共軛。根據半導體晶片的製造工藝，半導體晶片的阻抗通常受容性作用的控制，即，虛部Xehip通常是負的。因此，對於有效的轉發器天線設計， 天線的電抗應當受感性作用的控制，即，電抗Xant應當為正，它的絕 對值應當等於半導體晶片的阻抗的虛部。如果是這種情況，並且如果滿足了兩個實部Rehip和R皿t相等的條件，那麼能實現有效的功率匹配， 並可以獲得在半導體晶片與天線之間的高能傳輸。這樣，對於有效的 天線設計，天線阻抗的實部和虛部應當與半導體晶片的給定阻抗相匹 配。發明內容現在，本發明的目的是提供一種允許寬帶操作的天線結構。 為了實現上面限定的目標，提供了根據獨立權利要求的一種天線結 構、 一種轉發器和一種製造天線結構的方法。根據本發明的示例性實施例，提供了一種天線結構，該天線結構包括具有第一端和第二端的第一導電元件；具有第一端和第二端的第二 導電元件；和耦合結構，通過電連接在第一和第二端之間位置上的導 電元件，該耦合結構短接第一導電元件與第二導電元件，其中集成電 路可以連接在第一導電元件的第一端與第二導電元件的第一端之間。根據本發明的其它示例性實施例，提供了一種轉發器，該轉發器包 括基底，具有上述特徵的天線結構，該天線結構被配置在基底上和/ 或基底中，還包括集成電路，該集成電路被連接在第一導電元件的第 一端與第二導電元件的第一端之間。仍根據本發明的其它示例性實施例，提供了一種製造天線結構的方 法，該方法包括步驟設置具有第一端和第二端的第一導電元件，設 置具有第一端和第二端的第二導電元件，通過藉助耦合結構電連接在 第一和第二端之間位置上的導電元件，短接第一導電元件與第二導電 元件，並適配這些導電元件，以使在第一導電元件的第一端與第二導 電元件的第一端之間可連接集成電路。根據本發明描述的特徵尤其具有以下優點由於本發明的天線結構可以在寬範圍的操作頻率內靈活地操作，因此提供了一種特別適合用於RFID轉發器("射頻識別標籤")的天線結構。具體地，這個優點 可以從所提供的耦合結構中獲得，該耦合結構短接了天線結構的兩個 導電元件。通過靈活選擇這種短接的位置和/或幾何特性和/或它與 導電元件特性的關係，可以獲得寬帶功能。本發明的一種示例性實施例涉及一種適於RFID應用的天線配置， 特別是適於應用在800MHz以上的頻率範圍中。這種標籤或天線設計 顯示了與給定轉發器晶片相匹配的寬帶阻抗。因此，根據本發明示例 性實施例的標籤/天線結構對抵禦在轉發器近場中邊界條件的變化很 穩健。天線的輸入阻抗尤其取決於在天線自身近場區域內的直接耦合。換 句話說，當天線的直接近場區域發生改變(例如，在這個區域中出現 其它物體)時，這對天線的輸入阻抗具有反饋，以使天線的諧振頻率 發生偏移，從而影響了包含這種天線的轉發器的整體性能。具體地， 與寬帶解決方案相比較，窄帶天線或轉發器的配置具有明顯的缺陷。按照前面所述的考慮，本發明的一種示例性實施例涉及一種轉發器 或天線設計，它們對在天線的直接近場區域內環境特性的變化相對穩 健。通過對給定晶片阻抗的寬帶調整，在天線諧振頻率上的偏移就不 會對天線的功能產生負面影響。因而，本發明的一個實施例涉及一種RFID標籤的天線，特別是涉 及一種寬帶RFID轉發器。為此目的，根據本發明的示例性實施例， 提供了具有兩個導體(優選為不同長度)的摺疊偶極子天線，這些導 體在距天線連接點的特定距離處被短接。所述偶極子天線的一個期望特性是適當(proper)匹配如前面所述 的RFID標籤的集成電路。因此，所述導體在距天線連接點的預定距 離處被短接。另外，所述導體可以具有不同的長度。通過改變兩個導 體的幾何參數，可以在較寬的頻率範圍內使阻抗匹配，這可以使RPID 標籤對環境變化產生很高的抵抗力，此外，這兩個導體可以彼此平行。這兩個導電元件的連接可以被實現為DC短接(也就是直接電連 接)、或AC短接(也就是藉助電容耦合或電斷開)。更多的調整參數是選擇在導電元件環境中的介質材料。通過調整在 導電元件附近的介電常數，就可以影響天線結構的阻抗，例如使天線 阻抗與晶片阻抗相匹配。為此目的，可以相應地選擇基底的材料。例 如，對於在其中或其上部提供有導電元件的基底，該基底的不同部分 可以由不同的介質材料製成。為了調整天線結構的材料和/或幾何參數，以便實現阻抗匹配，可 以執行有限元件分析或任何其它的數值分析。參考從屬權利要求，將描述本發明更多的示例性實施例，這些實施 例也適用於轉發器和製造天線結構的方法。根據本發明的示例性實施例的天線設計，可以斷開第一導電元件的 第二端和第二導電元件的第二端。換句話說，集成電路(IC)可以橋 接或可跨接第一端，其它端可以免於任何的電耦合。第一導電元件和第二導電元件可以實質上被實現為條型(stripe shaped)元件，這些條型元件實質上彼此平行地排列。因此，天線結 構可以由兩個平行對準的布線條來形成，在一端，可以通過IC連接布 線條，在它們的另一端，可以電隔離布線條。第一導電元件和第二導電元件可以實質上被實現為條型元件，這些 條型元件具有不同的長度。換句話說，這兩個條型導電元件中的一個 導電元件的延伸可能大於另一個導電元件。這種與適當選擇的耦合結 構配置相結合的不對稱配置，可以支持合適的阻抗匹配。天線結構的耦合結構可以適於歐姆耦合第一導電元件與第二導電 元件。換句話說，耦合結構可以是在兩個導電元件之間的電連接，因 此這兩個導電元件是對直流(DC)的短接。換句話說，對於直流，這 個實施例的耦合結構充當短接電路(short circuit)。可替換地，耦合結構可以適於電容耦合第一導電元件與第二導電元 件。根據這種配置，該耦合結構具體充當對流過天線結構的電流高頻 分量的短接電路，從而提供了對交流(AC)的短接電路。仍然參考所描述的實施例，耦合結構可以通過實現電容器來實現， 也就是通過連接在兩個導電元件之間作為分立電子器件的電容器來實 現。例如，這種電容器可以被實現為表面安裝器件(SMD)。仍然參考通過電容耦合元件實現耦合結構的實施例，該耦合結構可 以被實現為多個金屬化結構，這些金屬化結構在水平和/或垂直方向 上(相對於介質基底)彼此間隔一定距離進行排列。具體地，該耦合 結構可以包括用這種方式彼此重疊的兩個部分，即，使重疊部分形成 電容。根據所述的實施例，垂直堆疊層被配置在重疊部分的基底上和/或基底中，其中在重疊部分之間的中間層可以使用具有足夠高值的 相對電容率^的材料製成。這可以導致電容值的增加。通過形成中間層，使中間層具有足夠小的厚度，就可以實現電容值的進一步增加。作為所描述的實施例的替換，金屬化結構和介質材料可以在與基底 的主表面平行的平面內重疊，在該基底的主表面上形成了天線結構。 基底的主表面可以被限定為在其中或其上提供有天線結構的基底表 面。具體地，斷開部分可以具有直線或非直線的形狀，像曲折式、螺 線形等形狀。斷開部分也可以具有任何其它的幾何形狀。斷開部分的 長度越長，所得到的電容器就越高，電容耦合也就越顯著。通過提供像交叉指型(interdigitated)結構的金屬化結構，就可以 獲得類似曲折式的結構，例如，該交叉指型結構具有彼此聯鎖的指狀 結構。通過提供具有螺旋形的金屬化結構的端(end)特性，就可以實 現螺旋形的連接區域，其中這樣建立的兩個螺旋形被嵌入在彼此內部。根據本發明的其它示例性實施例，該天線結構可以包括在不同的多 個金屬化結構之間的介質材料。通過採用這種措施，可以增強器件的 電容耦合。該介質材料可以是高介電值(high-k)材料(例如，氧化 鋁，A1203)，也就是具有高介電常數值的材料。該介電常數材料也可 以是鐵電體材料或半導體材料，也就是具有小於金屬導電性的導電性 材料。可以配置導電元件的材料和/或尺寸，以使天線結構的阻抗值實質 上等於集成電路阻抗的復共軛。通過這種阻抗匹配，可以最優化在集 成電路與天線之間的功率傳輸。根據本發明的實施例，通過簡單地調 整天線結構的尺寸，就可以實現阻抗匹配。這提供了足夠自由度的集 成電路設計，因此，為了優化阻抗匹配，就可以調整這些參數，而不 需要附加的元件。具體地，天線結構可以被實現為摺疊偶極子天線。這種摺疊偶極子 天線實質上可以具有不同長度的兩個平行對準的條的形狀，這些條通 過集成電路被連接成某種U字形。在下文中，將解釋轉發器的示例性實施例。然而，這些實施例也適 用於天線結構和製造天線結構的方法。轉發器可以被實現為射頻識別標籤(RFID)或智慧卡。 RFID標籤可以包括半導體晶片(具有集成電路)，在該晶片中可以 編程和重寫數據，還包括高頻天線，該高頻天線與所使用的操作頻帶 (例如，13.56 MHz，或在美國卯2MHz至928 MHz的頻帶，在歐洲 863 MHz至868 MHz的頻帶，或其它ISM-頻帶("工業、科學及醫療 專用頻帶")，例如2，4 GHz至2.83 GHz)相匹配。除RFID標籤之外， RFID系統可以包括讀/寫設備和系統天線，該系統天線能夠在RFID 標籤與讀/寫設備之間實現雙向的無線數據通信。另外，可以使用輸 入/輸出設備(例如，計算機)控制讀/寫設備。區分有不同類型的 RFID系統，即有源RFID系統(具有它們自身的電源設備，例如包含 電池)和無源RFID系統(其中，根據分別由線圈和天線吸收的電磁 波來實現電源，其中通過在RFID系統中包含的整流子電路，可以整 流在天線中合成的交流，用於產生直流)。此外，可以是半有源(半無 源)系統，該系統是以無源方式被激活，並在需要時使用電池(例如， 用於發送數據)。智慧卡或晶片卡可以是微型安全保密處理器，該處理器被嵌入在信 用卡大小的卡內或甚至更小的卡內，諸如GSM卡。智慧卡通常不包 含電池，但通過卡的讀寫器來提供電源，也就是，使用該讀和/或寫 設備從智慧卡中讀取數據或在智慧卡中寫入數據，從而控制智慧卡的 功能。智慧卡設備通常被應用在金融、安全訪問和運輸領域。智慧卡 可以包含高安全性的處理器，這些處理器作為數據的安全存儲裝置， 該數據是諸如持卡人數據(例如姓名、帳號、收集忠誠度數量)。只有 在卡被插入到讀/寫終端時，才可以訪問這些數據。接著，將描述製造天線結構的方法的示例性實施例。然而，這些實 施例也適用於天線結構和轉發器。根據該方法的示例性實施例，可以配置導電元件的材料和/或尺 寸，以使天線結構的阻抗值實質等於集成電路阻抗的復共軛。術語"阻 抗匹配"具體表示使集成電路的阻抗與摺疊偶極子天線的阻抗相匹配， 以便最優化在集成電路與摺疊偶極子天線之間的能量傳輸。更具體地，通過調整耦合結構連接這些導電元件的位置，就可以使天線結構的阻抗值實質等於集成電路阻抗的復共軛。在這兩個導電元 件之間的短接位置，可以顯著影響天線結構的阻抗，並因此可以充當 敏感參數，用於調製系統的阻抗。具體地，第一導電元件和第二導電元件可以實質上被實現為條型元 件，這些元件實質彼此平行地進行排列，通過調整由寬度、長度和距 離組成的集合中的至少一個參數，可以使天線結構的阻抗值實質上等 於集成電路阻抗的復共軛，該寬度是導電元件和耦合結構中的至少一 個的寬度，該長度是導電元件中的至少一個導電元件的長度，該距離 是在導電元件之間的距離。電路設計師可以容易地修改這些幾何參數， 這些參數對天線阻抗具有顯著的影響，因此可以作為合適的參數，同 樣用於調整集成電路的阻抗。從下文描述的實施例的實例中，將很明顯得到上面所限定的方面和 本發明的其它方面，這些限定的方面和本發明的其它方面將參照實施 例的這些實例進行說明。


在下文中將參考實施例的實例對本發明進行更具體的描述，但本發 明並不局限於這些實例。圖1顯示了根據本發明示例性實施例的RFID標籤的平面圖； 圖2顯示了根據本發明示例性實施例的其它RFID標籤的平面圖； 圖3顯示了描述根據本發明示例性實施例的優化寬帶RFID天線阻 抗的實部和虛部以及散射參數的視圖；圖4描述了非優化寬帶RFID天線阻抗的實部和虛部以及散射參數；圖5描述了天線阻抗、實部和虛部的相對變化、以及中頻的相對偏 移，該相對偏移是作為在第一導電元件的第一端與第一導電元件被耦 合到耦合結構的位置之間長度的函數；圖6描述了天線阻抗、實部和虛部的相對變化、以及中頻的相對偏 移，該相對偏移是作為在兩個條型導電元件之間的距離的函數；圖7描述了天線阻抗、實部和虛部的相對變化、以及中頻的相對偏移，該相對偏移是作為耦合結構的寬度的函數；圖8描述了天線阻抗、實部和虛部的相對變化、以及中頻的相對偏 移，該相對偏移是作為在第二導電元件的第二端與耦合結構連接第二 導電元件的位置之間距離的函數；圖9描述了天線阻抗、實部和虛部的相對變化、以及中頻的相對偏 移，該相對偏移是作為條型第二導電元件的寬度的函數；圖10描述了天線阻抗、實部和虛部的相對變化、以及中頻的相對 偏移，該相對偏移是作為在第一導電元件的第二端與第一導電元件耦 合到耦合結構的位置之間長度的函數；圖11描述了天線阻抗、實部和虛部的相對改變、以及中頻的相對 偏移，該相對偏移是作為條型第一導電元件的寬度的函數；圖12顯示了被實現為多個金屬化結構的耦合結構的橫截面圖，這 些金屬化結構在垂直方向上彼此間隔一定距離進行排列；圖13顯示了被實現為多個金屬化結構的耦合結構的平面圖，這些 金屬化結構在水平方向上彼此間隔一定距離進行排列；圖14描述了被實現為多個金屬化結構的耦合結構，這些金屬化結 構在水平方向上彼此間隔一定距離進行排列。附圖中的描述是示意性的。在不同附圖中，使用相同的參考標記表 示相似或相同的元件。
具體實施方式
下文中，將參考圖1，描述根據本發明第一示例性實施例的RFID 標籤100。 RFID標籤100包括塑料基底101、設置在塑料基底101上 的天線結構106、和集成電路(IC) 105。天線結構106包括第一導電元件102，該第一導電元件具有第一端 (end)和第二端。此外，設置了第二導電元件103,該第二導電元件 具有第一端和第二端。在天線結構106的第一導電元件102的第一端 與第二導電元件103的第一端之間連接有IC 105。提供了歐姆短接元 件104，即另一個電連接元件，用於將第一導電元件102與第二導電 元件103接成電路，該歐姆短接元件104在導電元件102、 103的第一端和第二端之間的可調整位置處連接導電元件102、 103。集成電路105可以是矽晶片片，也就是由矽晶元製成的電子晶片， 該晶片具有在其中集成的電路。集成電路105可以具有RFID標籤的 集成電路的典型特徵，例如接收和處理命令以及用於產生響應的能力。 此外，集成電路105可以提供例如整流功能的功能。正如在圖1中可以看到的，第一導電元件102的第二端和第二導電 元件103的第二端各自被斷開。此外，第一導電元件102和第二導電 元件103被實現為實質上條型的元件，這些元件實質上彼此平行地排 列。這兩個導電元件102和103具有不同的長度。第一導電元件102 具有長度lo + lp而第二導電元件103具有長度1。 + 12。在從連接點10 到集成電路105的距離上，提供了歐姆短接元件104，該歐姆短接元 件實質與導電元件102、 103的延伸方向垂直，用於使導電元件102、 103接成電路(circuit)。條型第一導電元件102的寬度被表示為w" 其中第二導電元件103的寬度被表示為w2。歐姆短接元件104的寬度 被表示為wQ。在這兩個條型元件102、 103之間的距離被表示為d0。導電元件102、 103的材料和尺寸以及塑料基底101的材料被配置 成，使天線結構106的阻抗值實質等於集成電路105的阻抗復共軛， 從而實現合適的阻抗匹配。天線結構106是由導電金屬化元件構成(例如由銅、金、銀、鋁等、 對應的合金或超導材料製成)，這些金屬化元件被設置在塑料基底101 上，該塑料基底充當載體材料。可替換地，基底101可以由任何陶瓷、 具有嵌入陶瓷微粒的塑料等材料製成，特別是由具有介電常數值e rW 和/或磁化率W^1的材料製成。通過使用合適的多層技術，可以在 基底101上沉積(deposite)金屬化物，或者可以將金屬化物嵌入基底 101中。使用例如蝕刻、碾磨、絲網印刷、壓紋或粘附技術等常規技 術，就可以實現金屬化，可以將金屬化沉積和圖案形成在基底101上。通過將所述天線結構106的第一端連接到RFID轉發器半導體105，可以形成轉發器100。這可以通過常規的方法和技術來實現(例如 SMD、接合、倒裝片等)。圖1顯示了天線的原理和物理結構。金屬天線結構102、 103被沉積在載體材料101上，也可替換地被沉積在印刷電路板等上。在對應 的天線連接處接觸半導體晶片105。在下文中，將參考圖2，描述根據本發明第二示例性實施例的RFID 標籤200。 RFID標籤200與RFID標籤100之間的主要差異在於使用 電容器202替換歐姆短接元件104。電容器202通過短接元件201被 連接到導電元件102、 103，從而形成天線結構203。與歐姆耦合相比， 正如圖1中的實例，圖2的配置實現了兩個導電元件102、 103的電容 耦合。換句話說，結構104可以被認為是對DC電流的短接結構，其 中圖2中顯示的結構201、 202可以被認為是對AC電流的短接結構， 特別是在足夠高頻的情況下。在下文中，將參考圖3描述框圖300，該框圖300描述了圖1中顯 示的RFID標籤100的寬帶功能。沿著框圖300的橫坐標301，描繪 了以MHz為單位的頻率。沿著縱坐標302，描繪了以dB為單位的散 射參數s (參見第一曲線)，以及(優化的)寬帶RFID天線06的輸入阻抗^如,Rant+j * X加的虛部Xant (參見第二曲線304)和實部R加(參見第三曲線305)。散射參數s 是一種表示源極(這裡天線106) 是如何被合適地適配到漏極(這裡晶片105)的度量。在數學式上，它被定義為如下內容formula see original document page 14其中乙a:/是乙ant的復共軛，"abs"是絕對值。上面公式涉及功率，而formula see original document page 14涉及電壓和電流。圖3目前顯示了寬帶RFID轉發器的典型輸入參數。天線106以這 樣的方式被計量尺寸(dimension),即，使天線106在915 MHz頻率 上與近似(15—j*270) Q的阻抗的給定晶片105相匹配。因此，915 MHz的"中頻"對應於美國UHF頻段(902 MHz至928 MHz)的中心或中央部分。通過彼此接近的兩個單諧振，產生輸入阻 抗匹配的寬帶特性(由s-參數來反映)。這可以從天線不對稱(涉及中 頻)的諧振曲線中看到，這是由於輕微改變增加在920 MHz和960MHz 之間區域中的天線阻抗的虛部而引起的。單諧振的不同強度在不同匹 配中具有它的起源(origin),也就是說較低的諧振更強，這是由於它 得到更好地匹配。較高的諧振不太明顯。在下文中，將參考圖4描述框圖400，框圖400描述了非優化天線 的寬帶功能。沿著框圖400的橫坐標401，描繪了以MHz為單位的頻 率。沿著縱坐標402，描繪了以dB為單位的散射參數Sll (參見第一 曲線403)，以及非優化天線的輸入阻抗Zant = Rant + j * X加的虛部Xant (參見第二曲線404)和實部R加(參見第三曲線405)。在下文中，將描述根據本發明示例性實施例的寬帶RFID轉發器 IOO的示例性優化參數。根據本發明的示例性實施例的天線106的幾何配置提供了多個參 數，這些參數允許修改天線106的性狀(behavior),以及/或者使天 線106的形狀適應給定條件。重要的方面，也就是可以被優化的方面， 是-使天線106的輸入阻抗2^與轉發器半導體^^的輸出阻抗適配， 以便減少或最小化這兩個元件之間的反射； -使天線106的輻射效率最大化，-使天線106與IC 105進行阻抗匹配，該阻抗匹配應當儘可能是寬帶。在下文中，將論述天線設計的不同參數，並描述為了允許快速的天 線適配，這些參數的變化對輸入特徵(s 、 Rant、 Xant)的影響。正如已經描述過的內容，天線阻抗是由兩個接近設置(closely located)的單諧振組成，這實質上是由兩部分的導電元件102、 103 產生的。第一諧振是由在晶片105與短接元件104 (具有近似的長度2 1。 + 之間的部分產生的。第二諧振是由在它的自由端與短接元件 104 (具有長度12)之間的第二導電元件103部分產生的。通過改變天線106的尺寸，可以實現天線阻抗^ant與轉發器晶片阻 抗&hip的匹配。對於下面的參數修改，是參考圖1實現的。換句話說， 修改參數lo、 WQ、 dD、 l,、 Wl、 12和W2。當然，除這些參數之外，可以 實現另外的多個天線修改，這也可以對天線特性具有影響。也可以同 時修改特殊的參數組合，這也可以對天線特性具有影響。因此，下面 描述只涉及一種示例性參數修改的選擇。該論述主要涉及一些特定的 特性參數，這些參數允許可以同時或彼此獨立地修改天線阻抗^am(實 部R^和虛部Xant)的不同分量，以便允許與期望的晶片阻抗進行適 配。此外，該參數修改可以被局限於與上述單諧振相關的兩個部分方 面。在這個上下文中，產生第一諧振的結構也可以被認為是摺疊偶極 子的一種特殊形式，產生第二諧振的結構可以被認為是單極天線的一種特殊形式。這兩種天線結構的組合可以具有RFID天線106的特殊 寬帶諧振頻譜的效果，這兩種天線結構是與使用結構1,實現的耦合結 構相結合。在下文中，將描述對於RFID標籤IOO的各種參數，如何修改天線結構106，以便獲得天線阻抗^M與集成電路105的阻抗^hip的匹配。接著，將描述修改長度lo的影響，該長度lo也就是在第一導電元 件102的第一端與提供歐姆短接元件104的導電元件102的位置之間 的距離。長度1。也可以被限定為在第二導電元件103的第一端與連接 歐姆短接元件104的導電元件103的位置之間的距離。假定所有的其它參數保持不變，在圖5所示的框圖500中描繪了天 線阻抗2ant的特徵和中頻Af的偏移。沿著框圖的橫坐標501，描繪了 以毫米為單位的長度lo。沿著縱坐標502，描繪了長度lo的修改對於中頻A f偏移的影響，以及阻抗Zant的實部R加t和虛部Xant修改的相關 性。第一曲線503描繪了實部Rant的變化，第二曲線504顯示了虛部 X^t的變化，第三曲線505描述了中頻Af的偏移。從圖5中可以看到，天線阻抗Ant的實部Rant和虛部Xant實質上與 長度1。的修改成比例相關。實部Rant顯示出比虛部Xant稍微更強的相 關性。用於修改天線結構106的另外參數是距離dQ， do也就是在條型導 體102、 103之間的距離。這個參數可以對在天線結構106的金屬化部 分之間的電容耦合具有強烈影響。因此，這種耦合可以被用於修改天線阻抗2皿t，並可以用於使天線阻抗^nt與晶片阻抗&hip相匹配。當減少距離do時，會增加在天線106的第一和第二金屬化結構102、 103之間的電容耦合。這就得到複數天線阻抗乙am的實部R礎可以受電容 特性的控制，而不是受電感特性的控制的結果，這樣，實部Rant變得 更小。由於Xant的變化，中頻也可以作為do的函數發生偏移。比較天線阻抗^m的實部R^和虛部X^的相對變化，可以認識到實部Rant要比虛部x^對距離的變化更敏感(例如兩倍的因子)。在圖6所示的框圖600中描述了所描述的特徵。沿著橫坐標601， 描繪了以毫米為單位的長度do,沿著框圖600的縱坐標602，描繪了 天線阻抗2am的實部R^和虛部Xant以及中頻△ f的偏移。第一曲線603涉及阻抗^ant的實部R礎，第二曲線604涉及阻抗2ant的虛部X肌t，第三曲線605涉及中頻Af的偏移。與長度lo的修改對比，耦合距離do的修改所具有的優點是，可以以更強的方式影響天線阻抗&nt的實部Ram。除了所論述的沿著由部分長度1和1,限定的相對金屬結構102、103 的整個長度，恆定地適配耦合距離do之外，也可以適合沿著延伸10 和l,來改變耦合距離，以便可以使距離dx沿著長度lc)+l!而不同。例如， 沿著長度lo的耦合距離山可以不同於沿著長度1,的耦合距離d2。期望具有這樣一種參數，該參數只對一種天線特性具有顯著的影 響，但不會影響其它特性。這種參數就是短接結構104的寬度Wo，將 在下文對它進行論述。當這種結構的寬度Wo被修改時，這對天線阻抗^ant的實部Rant具 有強烈影響。然而，在這種修改情況下，天線阻抗乙ant的虛部X^幾 乎保持不變。圖7中顯示了相應的圖形描述。圖7中所描繪的框圖700顯示出， 沿著橫坐標701，作為參數的歐姆短接元件104的寬度wo。沿著縱坐標602，描繪了天線阻抗Zant的實部R抓和虛部X郵以及中頻△ f的偏移。具體地，第一曲線703顯示了對天線阻抗^nt的實部Rant的強烈影響，其中第二曲線704和第三曲線705顯示出對w。相對小的影響和 相關性，該第二曲線704描述了阻抗乙ant的虛部Xant，第三曲線705 描述了中頻Af的偏移。這樣，歐姆短接元件104的寬度we提供了只選擇調整天線阻抗的實部Ram的機會。換句話說，可行的設計優化是通過改變長度10和 /或耦合距離do，對天線阻抗^M的虛部Xant進行適配。在進一步的 步驟中，通過修改寬度W。，可以使天線阻抗^nt的實部Rant與天線阻 抗^hip的實部Rehip達到適配。在下文中，將論述單極天線的參數修改。除長度lo之外，用於配置 天線中頻的合適參數可以是長度12。圖8中顯示了修改長度12對天線 輸入參數的影響，該天線輸入參數是作為長度12的函數。圖8描述了具有橫坐標801的框圖800，沿著橫坐標801，描繪了 以毫米為單位的長度12。沿著框圖800的縱坐標802，描繪了天線阻 抗^nt的實部Rant和虛部X加以及中頻Af的偏移。第一曲線803顯 示了阻抗^ant的實部Rant，第二曲線804描述了阻抗2ant的虛部Xant， 第三曲線805顯示了頻率偏移厶f。與寬度wo相似，修改配合(fit)參數12具有的優點是，可以選擇只修改阻抗Z礎的虛部Xant。從圖中可以看到，虛部X加保持幾乎不變(等於長度1。"145mm)。與上面描述的特徵(寬度wo的修改)對 比，可以認識到實部R礎真正的變化(在130mm^l^l50mm之間的區 域)實質上比較小，大約近似2倍。通過調整寬度wo，這可以用於粗 略調整實部R^。在進一步的步驟中，可以通過調整長度12進行精細 調諧。為了修改複數天線阻抗乙ant的兩個部分(Rant， Xant)，可以適配單 極金屬化的寬度W2。當修改這個參數時，應當考慮到並沒有對稱地進 行修改。換句話說，當改變寬度W2時，距離dQ保持不變。這意味著， 通過修改寬度W2，並沒有明顯修改在導電元件102、 103以及長度h 之間的耦合。圖9中所示的框圖900顯示了修改寬度W2對天線特性的影響。沿著橫坐標卯l，描繪了以毫米為單位的寬度W2，沿著縱坐標902，描 繪了天線阻抗Z加的實部R礎和虛部Xant以及中頻△ f的偏移。第一曲 線903涉及天線阻抗的實部R^，第二曲線904涉及天線阻抗gant的虛部X加t，第三曲線905涉及中頻Af的偏移。實部和虛部顯示了相反特徵。當寬度W2增加時，實部R皿t會增加， 而阻抗Z咖的虛部X礎卻減少。為了實現期望的天線阻抗^^t，因而可 以使用這個特徵(除已經提到的修改之外)。接著，將論述耦合結構104的參數修改。正如已經描述的，為了使天線阻抗&M與需要的晶片阻抗Zehip相匹配，可以使用在天線的金屬 化結構部分之間的電容耦合。通過與單極平行的金屬化，尤其可以修 改單極的耦合。在這個上下文中，長度l,和寬度W,是特別重要的。首先，將論述長度l,對天線阻抗&nt的影響。圖10中所示的框圖 IOOO顯示了相應的相關性。圖1000具有橫坐標1001和縱坐標1002，沿著橫坐標IOOI，描繪 了長度I,，沿著縱坐標1002，描繪了天線阻抗Z礎的實部R加和虛部 X加以及中頻Af的偏移。從圖1000中可以看到，虛部Xant保持幾乎不變，而實部Rant強烈地依賴於耦合長度l,。圖IO顯示了獨特的特性-當增加長度h時，實部R^增加到最大值，而當長度h進一步增加時， 實部R^又減少。為了具有相對的寬帶匹配，可以調整長度，以使操 作狀態接近圖10中曲線1003的最大值。其次，將論述修改金屬化寬度w,對天線特性的影響。當修改這個參數時，應當注意到並沒有對稱地進行修改。換句話說，通過寬度W2的改變，距離d。保持不變。這又意味著寬度w,的修改並沒有明顯改 變在導電元件102、 103的各自長度h之間的耦合。圖11中所示的圖IIOO描述了相應的特徵。沿著橫坐標1101，描 繪了以毫米為單位的寬度Wi，沿著縱坐標1102，描繪了天線阻抗^^ 的實部Rant和虛部X加以及中頻△ f的偏移。第一曲線1103顯示了天線阻抗^t的實部R^的特徵，第二曲線 1104顯示了天線阻抗^nt的虛部X^的特徵。第三曲線1105顯示了中 頻偏移A f與寬度Wl的相關性。在圖11中可以看到，實部Rant和虛部X肌t顯示出在很小寬度下的 不同特徵。相關的變化是相反的，這意味著如果虛部X^減少，實部R加會增加。這種情況在寬度w,等於大約2mm時出現。如果寬度Wl 進一步增加，兩個曲線將顯示相同的相關性，並減少相應的值。在下文中，將描述天線設計的更多示例性實施例。例如，系統可以 被適用於使用不允許歐姆短接電路104的半導體元件。作為轉發器半 導體的內部結構(設計)的結果，有些IC可能不與包含電子(DC) 短接電路(例如摺疊偶極子或環形天線)的天線結構相連。這是由於 這種電路可能對半導體的直流電壓電源具有負面影響，轉發器將不能 工作的事實造成的。為了解決這種問題，可以使用如圖2中所示的電 容耦合，替換圖1中天線設計的歐姆短接電路104。這就為高頻信號 提供了有效的"短接"(也就是耦合將儘可能的大)，其中直流部分 不可以通過這種電容耦合(也就是具有最小損耗和非常高的隔離)。這 可以使用不同技術來實現。 一種可行的技術是使用電容器202來替換 電子歐姆短接電路104，例如使用SMD元件(表面安裝器件)。可替 換地，可以使用電容耦合結構來替換電子或歐姆短接電路104，例如 使用以水平和垂直的方式彼此間隔一定距離排列的金屬化結構。此外，可以使用特定材料來修改該耦合。正如所顯示的，為了使天線^nt的阻抗與IC的特定晶片阻抗^hip相匹配，通過改變在天線的金 屬化結構部分之間的電子或電容耦合，就可以修改天線的阻抗Zant。這尤其可以通過改變在金屬化結構之間的距離來實現。另外或可替換 地，為了提高電容耦合，可以使用具有相對介電常數值、〉1的材料， 填充在金屬化耦合結構之間的間隙。此外，可以在載體材料中嵌入耦 合結構部分，以便增加、的"有效"值，這是由於這種情況下導電材 料被嵌入在具有介質特性的載體材料中。在下文中，將參考圖12至圖14，論述金屬化結構的幾何配置的實例，這些金屬化結構被配置為彼此間隔一定距離進行排列，以便形成 電容耦合結構。圖12顯示了根據本發明實施例的天線結構的電容耦合結構1200 的橫截面圖，其中耦合結構的第一金屬化結構1202被提供為在載體基底1201上沉積的金屬化層。使用具有相對高的介電常數值e r的介電 層1204，覆蓋第一金屬化結構1202，這樣就形成了對第一金屬化結構 的保護層，同時提供了用於在隨後(following)形成電容器的電容介 質。在介電層1204的部分上和在重疊第一金屬化結構1202的部分上， 通過沉積導電材料層來形成第二金屬化結構1203,這樣就實現了在層 順序1202至1204的重疊部分中形成電容器。根據圖12，第一金屬化 結構1202、介電層1204和第二金屬化結構1203在垂直方向上重疊。 接著，參考圖13，將描述根據本發明其它實施例的天線結構的電容耦 合結構1300。在圖13中，顯示了根據本發明其它實施例的天線結構的電容耦合 結構1300的平面圖。使用鄰近第二金屬化結構1302的第一金屬化結 構1301，構成電容耦合結構1300。在這個鄰接部分中，第一金屬化結 構1301具有多個第一指狀結構1301a，第二金屬化結構1302具有多 個第二指狀結構1302a。第一指狀結構1301a和第二指狀結構1302a 被配置為形成交叉指型結構，以便獲得曲折式的電容耦合部分1303。 根據曲折式電容耦合部分的可替換結構，可以採用將它們沿著圖13 的垂直方向排列，從而形成交叉指型結構的方式，來提供第一和第二 金屬化結構1301和1302的指狀結構。根據這個可替換的曲折式配置， 第一和第二金屬化結構實質上沿著圖13的水平方向排列。參考圖14，描述了根據本發明其它實施例的摺疊偶極子天線的電 容耦合結構1400。正如在圖14的平面圖中的顯示，電容耦合結構1400 具有第一金屬化結構1401和第二金屬化結構1402。第一金屬化結構 1401和第二金屬化結構1402形成斷幵的摺疊偶極子天線結構。在第 一金屬化結構1401的端部分，顯示了第一螺旋形結構1401a。此外， 在第二金屬化結構1402的端部分，顯示了第二螺旋形結構1402a。第 一螺旋形結構1401a和第二螺旋形結構1402a使用下述方式被電容耦 合，即，提供了螺旋形電容耦合部分1403，該螺旋形電容耦合部分用 於將第一金屬化結構1401與第二金屬化結構1402進行電容耦合。最後，應當注意術語"包括"並不排除其它元件或步驟，"一"或 "一個"並不排除複數。另外，可以組合與不同實施例相聯繫的描述元件。應當注意到，權利要求書中的參考標記將不被解釋為是限制該 權利要求書的範圍。
權利要求
1.一種天線結構(106)，包括-第一導電元件(102)，它具有第一端和第二端，-第二導電元件(103)，它具有第一端和第二端，-耦合結構(104)，通過在第一端和第二端之間的位置處電連接導電元件(102、103)，所述耦合結構短接第一導電元件(102)與第二導電元件(103)，-其中集成電路(105)可連接在第一導電元件(102)的第一端與第二導電元件(103)的第一端之間。
2. 根據權利要求1的天線結構(106),其中，第一導電元件(102) 的第二端和第二導電元件(103)的第二端被斷開。
3. 根據權利要求1的天線結構(106)，其中，第一導電元件(102) 和第二導電元件(103)被實現為實質上條形的元件，這些條形的元件 實質上彼此平行地排列。
4. 根據權利要求1的天線結構(106)，其中，第一導電元件(102) 和第二導電元件(103)被實現為實質上條形的元件，這些條形的元件 具有不同的長度。
5. 根據權利要求l的天線結構(106)，其中，耦合結構(104)適 於歐姆耦合第一導電元件(102)與第二導電元件(103)。
6. 根據權利要求1的天線結構(106)，其中，耦合結構(201)適 於容性耦合第一導電元件(102)與第二導電元件(103)。
7. 根據權利要求1的天線結構(106)，其中，配置導電元件(102、 103)的材料和/或尺寸，以使天線結構(106)的天線阻抗值&nt實 質上等於集成電路(105)的晶片阻抗的復共軛^hip。
8. 根據權利要求7的天線結構(106)，其中，配置耦合結構(104) 連接導電元件(102、 103)的位置，以使天線結構(106)的天線阻抗 2加值實質上等於集成電路(105)的晶片阻抗^hip的復共軛。
9. 根據權利要求3和權利要求7的天線結構(106)，其中，選擇 包括以下參數的組中的至少一個參數，以使天線結構U06)的天線阻抗2ant值實質上等於集成電路(105)的晶片阻抗^hip的復共軛導電 元件(102、 103)和耦合結構(104)中的至少一個的寬度(Wo、 Wl、w2)、導電元件(102、 103)中至少一個的長度(lo、 l,、 12)以及導電 元件(102、 103)之間的距離(d0)。
10. 根據權利要求1的天線結構(106)，其中，該天線結構被實現 為摺疊偶極子天線。
11. 一種轉發器(100)，包括 -基底(101)，-設置在基底(101)上和/或基底(101)中的、根據權利要求l 的天線結構(106)，-集成電路(105)，它被連接在第一導電元件(102)的第一端與 第二導電元件(103)的第一端之間。
12. —種製造天線結構(106)的方法，該方法包括步驟 -設置具有第一端和第二端的第一導電元件(102)，-設置具有第一端和第二端的第二導電元件(103)， -通過藉助耦合結構(104)在第一端和第二端之間的位置處電連 接導電元件(102、 103)，短接第一導電元件(102)與第二導電元件 (103)，以及-適配導電元件(102、 103)，以使在第一導電元件(102)的第一 端與第二導電元件(103)的第一端之間可連接集成電路(105)。
全文摘要
一種天線結構(106)，包括具有第一端和第二端的第一導電元件(102)；具有第一端和第二端的第二導電元件(103)；以及耦合結構(104)，通過在第一端和第二端之間位置處電連接導電元件(102、103)，該耦合結構短接第一導電元件(102)與第二導電元件(103)，其中集成電路(105)可以連接在第一導電元件(102)的第一端與第二導電元件(103)的第一端之間。
文檔編號H01Q1/22GK101233532SQ200680028176
公開日2008年7月30日 申請日期2006年8月1日 優先權日2005年8月2日
發明者阿希姆·希爾格斯 申請人:Nxp股份有限公司