RFID天線系統和方法與流程
2023-09-20 10:39:25 2
技術領域
本發明涉及射頻識別(「RFID」)通信領域，且具體地是涉及RFID收發器(RFID transponder)構造。
背景技術：
射頻識別(RFID)設備正在各種各樣的工業、零售、交通運輸以及其他應用中變得越來越流行。RFID技術通過使用無源射頻信號提供了對於攜帶RFID收發器的任何物體、人員或類似物的主動識別。在典型的應用中，RFID收發器包括天線和集成電路。當單獨的RFID讀取設備廣播射頻信號時，該信號與RFID收發器天線相互作用。收發器天線將接收到的RF信號能量的一部分轉換成電流。該電流為集成電路提供能量。集成電路隨後調節其阻抗，以產生返回RF信號。該返回RF信號隨後由RFID讀取設備中的天線檢測到。該調節後的RF返回信號攜帶著基於先前儲存在集成電路中的數據的關於收發器的編碼數據。例如，收發器的序列號可經由該調節後的RF信號而被返回到RFID讀取設備。最後，RFID讀取設備對從收發器返回的信號進行解碼，以完成識別。
RFID收發器被集成到越來越多的應用中。僱員身份標記、動物身份設備、零售定價和編制設備(retail pricing and inventory device)、零售安全設備、產品製造和材料跟蹤設備、交通工具識別設備以及類似物僅僅是對於RFID技術的應用的擴大領域的幾個例子。RFID收發器理想地適於與各種各樣的產品集成，並且處於各種各樣的環境中。RFID收發器可以為純粹的無源設備，其中用於操作集成電路的所有能量來自於廣播RF信號。可選地，有源RFID系統可包括板上電池(on-board battery)，以對身份片提供能量和/或為收發器的返回RF信號提供能量。在固定的系統，例如用於自動收費系統的機動交通工具收發器中，板上電池的附加成本通過性能改進的設備來容易地證明是合理的。相反，在成本敏感性應用，例如零售定價和安全標籤中，RFID收發器設備必須儘可能的便宜，且因此典型的為無源設備。
板上天線(on-board antenna)是實現RFID收發器設備的技術的關鍵。廣播RF能量可以是如典型的無線信號廣播中的磁場、電場或混合場的形式。收發器天線的形狀和尺寸基於廣播RF能量的特性，例如場的類型和信號頻率來設計。此外，RFID標籤的設計典型地要求通常通過匹配電路使天線阻抗和負載阻抗匹配，以最大化來自讀取器的詢問的RF能量或標籤天線接收到的要被最小損失地傳遞到RFIC的指令信號，由此實現最佳的標籤敏感性。理論上，通過使阻抗匹配共軛來實現最大能量傳遞，這要求來自天線的阻抗儘可能接近RFID輸入阻抗的數學共軛值。這代表理想的阻抗匹配。
在很多應用中，期望減小特定的RFID設備的總尺寸或「軌跡」。包括在具有小尺寸的零售商品上面或裡面可能要求減小的尺寸。可選地，可能簡單地期望使RFID設備儘可能不起眼。雖然存在極大地減小RFID設備的IC元件的尺寸的技術，但是，RFID設備的天線的類似的小型化可導致性能的顯著降低。如上所述，RFID設備的特定的IC和天線理想地具有匹配的阻抗特性。通過減小RFID設備的總尺寸，以及因此減小天線的總尺寸，可能證明，對於設備的有效功能而言難以足夠地提供阻抗特性。因此，RFID可遭受：到IC的低效的能量傳遞、相對於詢問器的減小的操作範圍，以及作為響應的弱的返回信號。
此外，連接到RFID標籤的天線一般地被設計成在基片的具體的或窄的範圍上操作，天線可附於該基片。其他基片可引起天線的輻射效率，以從最佳設計的安裝基片劣化。因此，天線，以及因此RFID設備，將不再如期望的來工作。天線效率的該損失可能是由於很多可變的包裝因素。例如，每個基片具有其自身的介電特性和傳導特性，這些特性典型地影響無線通信設備和其天線之間的阻抗匹配。阻抗匹配確保天線和無線通信設備之間的最有效的能量傳遞，如上面所討論的，且將RFID設備放置在特定範圍以外的具有介電屬性和傳導屬性的表面附近可能會降低RFID設備的性能。這些對RFID設備的性能的不良影響還可作用在包括或集成的電子商品防盜(「EAS」)標籤或設備上。這種EAS設備通常包括磁-聲機構(magneto-acoustic mechanism)，該磁-聲機構具有一個或多個金屬元件，該一個或多個金屬元件可隨後幹涉或降低特定的RFID設備的性能特性。
鑑於以上內容，將期望提供一種RFID設備，該RFID設備具有減小的軌跡，同時提供對各種表面和/或結合EAS標籤的有效操作。
技術實現要素：
本發明有利地提供了一種用於RFID/EAS設備的方法和系統。根據本發明的第一方面，提供的RFID設備具有介電基片主體(dielectric substrate body)、設置在基片主體上的天線，以及第一間隔元件，其中基片的至少一部分被包裹圍繞間隔元件的一部分。
基片可由包括聚醯亞胺、聚酯、玻璃纖維、陶瓷、塑料以及紙張中的至少一種的材料製成，且天線可由包括銅、鋁以及導電墨(conductive ink)中的至少一種的材料製成。天線可包括圖案化到基片主體的表面上的導電材料。特別地，圖案包括多個多邊形，例如具有實質上矩形的形狀的一個或多個多邊形，該實質上矩形的形狀具有方形或圓形拐角。圖案還可包括曲折線(meanderline)(曲折圖案)片段。多個多邊形的天線可以是非連續的和/或其中包括非傳導性開口或斷開，以由此提供單個導電通路。此外，可在基片上設置一個或多個電容器，且該一個或多個電容器與天線電氣通信。
在本發明的另一個方面中，提供了一種RFID/EAS設備。該RFID/EAS設備一般可包括介電基片主體、設置在基片主體上的天線、第一間隔元件，以及第二間隔元件。此外，可在第一間隔元件和第二間隔元件之間設置EAS元件，且基片主體的至少一部分可被定為成包圍第一間隔元件和第二間隔元件的一部分。EAS元件可包括聲光-磁設備(acousto-magentic device)和/或微波設備。
在本發明的另一個方面中，提供了一種裝配RFID/EAS設備的方法，其中該方法包括步驟：提供具有介電基片主體和設置在基片主體上的天線的RFID設備。該方法還包括：將EAS元件定位在第一間隔元件和第二間隔元件之間，以及隨後使RFID設備的至少一部分包裹圍繞第一間隔元件和第二間隔元件的至少一部分。
附圖說明
通過參考結合附圖考慮的下列詳細描述，將更容易地理解對本發明以及其附帶的優勢和特徵的更全面的理解，其中：
圖1圖解了根據本發明構建的RFID設備的實施方式；
圖2圖解了用於根據本發明構建的RFID設備的天線圖案的可選的實施方式；
圖3圖解了用於根據本發明構建的RFID設備的天線圖案的另一個實施方式；
圖4圖解了電連接到根據本發明構建的天線的一個或多個電容器的使用；
圖5圖解了根據本發明的天線將被包裹圍繞間隔物元件(spacer element)的能力；以及
圖6圖解了根據本發明使用的間隔物元件的一種可選的構造。
具體實施方式
現在參照附圖，其中，相同的參考標號表示相同的元件，圖1中示出了根據本發明的原理構建的示例性設備的示圖，且該示例性設備一般標識為「10」。設備10是RFID設備，其一般可包括基片主體12和天線16，其中集成電路(「IC」)元件14連接到基片主體12，天線16設置在基片主體12上，與IC元件14電氣通信。天線16一般可包括導電材料的圖案。具體地，天線16可包括具有方形或圓形拐角的多個實質上正方形或矩形形狀的多邊形18，其中多邊形18的一部分被挖空，即不包含導電材料。多個多邊形18可通過導電材料20的條或部分電連接到彼此，導電材料20的條或部分連接每個多邊形18，並且進一步將多個多邊形18連接到IC元件14。儘管未示出，但是還考慮了天線16的圖案可採取曲折線片段的形式，使得天線16的總長度大於從天線的連接到IC元件14的端點到基片主體12的外邊緣的距離。這可以例如，通過當天線16從IC元件14延伸到基片主體12的外邊緣時允許天線16沿著基片主體12來回地「曲折」來實現。曲折線片段可獨立地使用或與一個或多個多邊形結合使用。天線16還可包括位於IC元件14的任一側上天線16的第一部分和第二部分之間的電導耦合器(conductive coupling)(未示出)。該耦合器可提供電流迴路，來增加或以其他方式優化天線16的性能特性。
設備10還可包括間隔元件22，其中基片主體12的至少一部分包圍間隔元件22的至少一部分。以下詳細描述的，RFID設備10還可包括諸如聲光-磁設備(圖1中未示出)的EAS元件，該EAS元件連接到基片主體12和/或間隔元件22中的至少一個。
特別地，基片主體12可一般地界定第一表面13a以及與第一表面13a相對的第二表面13b，其中第一表面13a可接收IC元件14以及天線16的至少一部分。第一表面13a可包括介電屬性，以便減少或消除與天線16幹涉的可能性或以其他方式防止天線16和/或IC元件14短路。第二表面13b可適於固定或另外地連接到特定的物件、包裝或類似物。例如，第二表面13b可包括粘合屬性或類似屬性，以便於放置RFID設備10。此外，第二表面13b可具有與第一表面的介電屬性類似的介電屬性。基片主體12可包括一層或多層基片，該一層或多層基片由柔性材料，諸如類似例如聚醯亞胺或聚酯的有機材料製成。基片主體12可具有為給定的應用適當設計的尺寸的細長矩形形狀，但是對於不同的環境可使用無數的形狀和尺寸。
RFID設備10的IC元件14可連接或以其他方式定位在基片主體12的第一表面13a上。IC元件14一般可包括能夠儲存多位數據的集成電路設備，且可以進一步能夠調節RFID設備10的天線中的電流，以由此將數據編碼到RF信號上。特別地，IC元件14可包括基於半導體的設備，例如矽片，且還可包括集成在其上的有源元件和/或無源元件，例如電晶體、電阻器、電容器，以及類似物。例如，IC元件14可包括對輸入的RF信號表現共振響應的電阻器、電容器和/或電感器的無源網絡。此外，IC元件14可包括二極體設備，以簡單地整流輸入的RF信號。IC元件14還可包括固定的響應頻率和/或識別數據圖案(identifying data pattern)，並且可選地可包括可編程的和/或可預編程的響應頻率和/或識別數據圖案。
本發明的RFID設備10還包括設置在基片主體12的第一表面13a上的天線16，其中天線16能夠傳導RF信號。天線16可包括與IC元件14電氣通信的圖案化構造(patterned configuration)的導電材料，以將信號傳遞到IC元件14以及從IC元件14傳遞信號。天線16的圖案可被改變和/或選擇成提供期望的阻抗特性來符合IC元件14的電特性，以便得到RFID設備10的最佳使用和性能。天線16可包括具有足夠高的導電性的材料，例如包含銅(Cu)或鋁(Al)的金屬材料，或微波導電碳纖維。天線16可利用任何普通的已知的圖案化方法(patterning method)，例如但不限於光刻法、離子蝕刻、化學蝕刻或氣相沉積方法，來圖案化到基片主體12的第一表面13a上。天線16一般可包括帶有IC元件14的雙極構造，但是本發明可同等地應用單極構造。
此外，天線16可被圖案化為提供單個導電通路或，可選地，多個串聯的電通路。例如，天線圖案可包括提供用於傳導期望的信號的通路的多個連接的多邊形18。每個多邊形18可具有實質上連續的形狀，其中多個多邊形18被連接到彼此以界定穿過其中的一系列導電通路。特定的天線圖案的多邊形可被「挖空」或具有不同直徑或厚度的導電材料，以便提供用於特定應用的期望阻抗。
可選地，如圖2所示，天線16可包括提供單個導電流動通路的「開放的」多邊形18的圖案。圖2中的多邊形18的圖案是非連續的，即每個多邊形18的一側或一部分是非傳導性的，由此提供了通過天線12的長度的單個導電流動通路。在圖2中，多邊形18被構造為交替圖案。類似於圖1中描寫的上述的天線布置，多個非連續的多邊形18可通過將多個多邊形18連接到一起以及將天線圖案連接到IC元件14的導電材料的連接物或沉積物而彼此電氣通信。此外，如果天線16包括在IC元件14的任一側延伸的雙極構造，則可具有將天線的兩側彼此連接以在IC元件14外部或獨立於IC元件14形成電流迴路或電通路的導電條或部分23，如圖2所示。
圖3圖解了另一種天線構造，其中每個多邊形18是非連續的，如圖2所示的實施方式中的。然而，在該構造中，每個多邊形18的方向是重複的。本發明不限於多邊形18的任何特定的方位，且可包括各圖案的組合，且不只限於圖2和圖3中描寫的方位。通過改變多邊形18的圖案(或曲折線)，可獲得不同的總阻抗。
注意，儘管圖2和圖3所示的實施方式示出了在IC片14的每側的對稱的天線片段，但是本發明不限於此。考慮了可例如，通過在IC片14的每側採取不同數量的多邊形18來實施不對稱的天線片段。
類似地，如圖1-3的示例性的實施方式所示，用於使天線匹配到IC片14的阻抗的電容性部分和電感性部分可源自天線16自身，而不需要外部的分立設備。通過改變天線16的導電通路的長度，可以改變阻抗的電容性部分和電感性部分。通過非限制性例子，延長天線16的長度導致阻抗的電容性部分和電感性部分的增加。在諸如圖1所示的情況中，其中天線16的所得到的長度超出間隔物22(或EAS元件)的長度，如下文詳細描述的，基片主體12(連同天線16)可被包裹圍繞間隔物，以使總包裝尺寸最小化。
在圖4中，一個或多個分立電容器26可被電連接到天線16的任一端或兩端，以提供RFID設備的期望的電電容特性。如這裡所使用的，術語「電容器」意圖包括呈現出電容屬性的任何元件或結構。例如，它可包括天線16的延長的部分或類似物，且不限於由兩個充電的傳導面(charged conducting surface)構成的分立「電容器」元件的構造，這兩個充電的傳導面具有由電介質分開的相反的極性。儘管不必要基於天線16自身的導電通路長度的使用來創建匹配阻抗，但是這裡所描述的任何一種天線布置中可實施分立電容器26和/或分立電感器(未示出)。
如以上所描述的，本發明的RFID設備10還可包括一個或多個間隔元件22，該一個或多個間隔元件22連接到基片主體12，以便偏置或以其他方式操縱基片主體12的位置，或其相對於彼此的任何部分。每個間隔元件22可界定具有非傳導屬性和/或介電屬性的實質上平面的主體，且可由不導電塑料、聚合物或其他合適的絕緣材料製成。例如，間隔元件22可構成絕緣泡沫的實質上矩形形狀的部分，其中該間隔元件的厚度小於大約3mm。
圖5示出了本發明的使用任何前述天線構造的RFID設備10的示例性構造。如上面所討論的，IC元件14被連接到基片主體12的非傳導表面。天線16從基片主體12上的IC元件14延伸並與IC元件14電氣通信，以提供期望的阻抗特性，如上所述。RFID設備10的基片主體12的至少一部分可隨後圍繞間隔元件22的外周或外部部分定位。接著，基片主體12可實質上被包裹、摺疊或以其他方式圍繞間隔元件22設置，使得IC元件14和天線16面向或以其他方式接近間隔元件22。注意，儘管圖5示出了與基片主體12分開的間隔元件22，但是考慮了可將蓋子原料(cover stock)(未示出)定位在基片主體12上方，使得當基片主體12被圍繞自身包裹時，蓋子原料起到間隔元件22的作用。蓋子原料，例如，紙板、紙張、塑料等的厚度可被改變，以當基片主體12被包裹在自身上方時建立期望的所得到的間隔。
當基片12基本上包裹圍繞間隔元件22以及包裹在間隔元件22上方時，所得到的RFID設備10具有與間隔物元件實際上相同的物理尺寸，而沒有折衷或減小天線16的實際長度。間隔元件22防止天線16短路，因為它提供了天線16的相對的部分之間的緩衝器。結果是，當天線16被包裹在間隔元件22上方時，天線16的總阻抗與IC元件14的阻抗匹配，而RFID設備10的尺寸由於基片12摺疊在間隔元件22上方的能力而顯著地減小了。因此，由於基片12「包裹」在間隔元件22上方，RFID設備10達到了在IC元件14和適當的天線圖案之間匹配的阻抗，而又極大地減小了其總尺寸，而同時由於間隔元件22的原因從而防止了設備10上的天線或電路中的短路。
本發明的設備還可包括連接到基片主體12的電子商品防盜(「EAS」)元件24。EAS元件24可包括具有非晶鐵磁金屬條的聲光-磁設備，其中這些條自由地機械振蕩，且通過它們對感應磁場的共振響應來識別。
可選地，EAS元件可包括微波設備，該微波設備具有連接到微波和靜電天線的非線性元件(例如二極體)。一個天線發出低頻(大約100kHz)場，而另一個天線發出微波場，其中該設備起到重新發出來自兩個場的組合信號的混合器的作用，以觸發警報器。本領域已知的附加的合適的EAS設備和/或標籤可同等地適於用於本發明。
現在參照圖6，EAS元件24可被嵌入或以其他方式設置在一個或多個間隔元件22之間，而基片主體12仍然圍繞一個或多個間隔元件22的外周設置。特別地，EAS元件24可被設置在第一間隔元件22a和第二間隔元件22b(這裡共同地被稱為「間隔元件22」)之間，其中具有IC元件14和天線16的基片主體12圍繞第一間隔元件和第二間隔元件22的周邊的一部分設置，從而導致圖5所示的摺疊構造。因為基片主體12和EAS元件24彼此並不電氣通信，因此，天線/IC元件配對的期望的阻抗特性保持原樣，同時允許RFID設備10提供識別功能和商品防盜功能。
在RFID設備10的示例性使用中，RFID設備10可被連接到或以其他方式定位在商品或物品上。RFID設備10可包括嵌入一個或多個間隔元件內的EAS元件24。此外，由於使設備的至少一部分包裹圍繞一個或多個間隔元件，從而大大地減小了RFID設備的總軌跡。
本領域技術人員應理解，本發明不限於以上這裡已經特定地示出和描述的內容。此外，應注意，除非以上做出了相反的聲明，否則所有附圖都不是按比例繪製的。鑑於以上示教，各種修改和變化都是可能的而不背離僅由以下權利要求所限制的本發明的範圍和精神。