專利名稱：用于rfid標(biāo)簽的天線結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有第一天線臂和第二天線臂的天線結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)天線臂中的每個(gè)天線臂由導(dǎo)電材料制成，以及具有第一末端和第二末端，并具有從第一末端延伸到第二末端的縱向方向，以及其中兩個(gè)第一末端被安排成互相隔開(kāi)第一距離和彼此相鄰，以及在所有情形下預(yù)定和被設(shè)計(jì)成被導(dǎo)電地連接到信號(hào)接收器或信號(hào)源的終端，以及其中兩個(gè)第二末端被安排成互相隔開(kāi)第二距離和互相遠(yuǎn)離，所述第二距離大于第一距離。
本發(fā)明還涉及用于與通信站非接觸通信的數(shù)據(jù)載體，該數(shù)據(jù)載體配備有用于非接觸通信的天線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在第一段落中提到的這種天線結(jié)構(gòu)例如是從專利文件US 6 028564獲知的。在已知的天線結(jié)構(gòu)中，--正如例如從專利文件US 6 028 564的圖4可以看到的一其設(shè)計(jì)是使得兩個(gè)天線臂被設(shè)計(jì)和被安排成是直線的并在它們的縱向方向?qū)?zhǔn)。考慮已知的天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為了得到滿意的天線特性，必須把天線臂配置成具有大的長(zhǎng)度，因此，天線結(jié)構(gòu)整個(gè)地具有大的總長(zhǎng)度，它在各種已知應(yīng)用中要大于20厘米。然而，這樣的大的總長(zhǎng)導(dǎo)致不希望的限制，因?yàn)槭褂眠@種已知天線結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品其總長(zhǎng)度必須大于天線結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)。這正是從上述的專利文件獲知的已知的天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用的情形，也就是在所謂的標(biāo)記和標(biāo)簽中使用的情形，從而使這些標(biāo)記和標(biāo)簽具有大的總長(zhǎng)度。這意味著，只有當(dāng)相關(guān)的物品、相關(guān)的貨物和相關(guān)的產(chǎn)品具有足夠長(zhǎng)的容納區(qū)域，標(biāo)記和標(biāo)簽才可以以簡(jiǎn)單的方式和對(duì)于簡(jiǎn)單的通信運(yùn)行所必須的方式被應(yīng)用到物品、貨物和其它產(chǎn)品上。然而，對(duì)于具有相對(duì)較小的尺度的物品、貨物和其它產(chǎn)品也存在著越來(lái)越多的使用這樣的標(biāo)記和標(biāo)簽的愿望。在這樣的情形下，從上述的專利文件獲知的天線結(jié)構(gòu)由于這種天線結(jié)構(gòu)具有太大的總長(zhǎng)而不能被使用。
為了減小如上所述的已知的天線結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度，已經(jīng)提出使得這樣的天線結(jié)構(gòu)的兩個(gè)天線臂成為曲折的走向。雖然這意味著，可得到具有較小的總長(zhǎng)度的天線結(jié)構(gòu)，但不幸地，折彎的設(shè)計(jì)帶來(lái)缺點(diǎn)因?yàn)閷?duì)于這樣的曲折形式，在互相平行地布置的天線臂部分之間在工作期間形成所謂的平行電容，這些平行電容降低效率，由此有害地導(dǎo)致較小的通信范圍。
對(duì)于上述的已知的天線結(jié)構(gòu)，可參閱專利文件US 6 097 347 A。
發(fā)明目的和概要本發(fā)明的目的是避免上述的困難和產(chǎn)生改進(jìn)的天線結(jié)構(gòu)。
為了達(dá)到上述目的，在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中提供按照本發(fā)明的特征，以使得按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)具有以下特征本發(fā)明涉及具有第一天線臂和第二天線臂的天線結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)天線臂的每個(gè)天線臂由導(dǎo)電材料制成，以及具有第一末端和第二末端，并具有從第一末端延伸到第二末端的縱向方向，以及其中兩個(gè)第一末端被安排成互相隔開(kāi)第一距離和彼此相鄰，以及在所有情形下預(yù)定和被設(shè)計(jì)成被導(dǎo)電地連接到信號(hào)接收器或信號(hào)源的終端，以及其中兩個(gè)第二末端被安排成互相隔開(kāi)第二距離和彼此遠(yuǎn)離，所述第二距離大于第一距離，以及其中兩個(gè)天線臂的兩個(gè)縱向方向互相圍成一個(gè)開(kāi)度銳角，以及其中該開(kāi)度銳角具有在15°和90°之間的數(shù)值。
通過(guò)提供按照本發(fā)明的特征，改進(jìn)的天線結(jié)構(gòu)是以簡(jiǎn)單的方式達(dá)到的，它與已知的設(shè)計(jì)相比較沒(méi)有附加裝置，采用術(shù)語(yǔ)“改進(jìn)”，是因?yàn)橛捎诎凑毡景l(fā)明的設(shè)計(jì)，按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)可被設(shè)計(jì)成在它的總長(zhǎng)方面，比起至今已知的設(shè)計(jì)要小得多。無(wú)可否認(rèn)地，按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)，比起至今已知的設(shè)計(jì)，具有更大的總寬度，所述總寬度是垂直于總長(zhǎng)度而延伸的，但較大的總寬度是無(wú)關(guān)緊要的，并且在大多數(shù)應(yīng)用中是不重要的。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，在兩個(gè)天線臂的縱向方向之間的開(kāi)度銳角的角度可以具有各種數(shù)值，例如15°，20°，60°，70°，80°，和90°。角度值的選擇取決于許多參數(shù)，它們必須根據(jù)想要的應(yīng)用來(lái)規(guī)定或確認(rèn)，然后--可能在進(jìn)行大量測(cè)試系列后--可以選擇最適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度角度。已經(jīng)證明如果所述開(kāi)度銳角處在25°和45°之間的角度范圍內(nèi)是很有利的。在研究開(kāi)發(fā)按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)時(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上述的角度范圍在非常大量的應(yīng)用中可保證滿意的結(jié)果。
在上述的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果所述開(kāi)度銳角具有30°±10％的數(shù)值將是特別有利的。這個(gè)數(shù)值已證明具體地對(duì)于在所謂的“射頻標(biāo)識(shí)”(RFID)的領(lǐng)域中天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是非常有利的。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)天線臂可被設(shè)計(jì)成以曲線的形式伸展。然而，它已證明如果天線臂被設(shè)計(jì)成以直線伸展是特別有利的。這在把設(shè)計(jì)做得盡可能簡(jiǎn)單方面是有利的。
然而，在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，也已證明如果天線臂被設(shè)計(jì)成以曲折形式伸展是有利的。雖然這導(dǎo)致效率降低和從而導(dǎo)致范圍的減小--正如以上在已知的天線結(jié)構(gòu)方面已提到的--，但它確實(shí)允許產(chǎn)生在表面積方面特別小的天線結(jié)構(gòu)。
這里應(yīng)當(dāng)提到，按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)的兩個(gè)天線臂還可被設(shè)計(jì)成以波浪形式伸展。而且，還應(yīng)當(dāng)提到，按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)的兩個(gè)天線臂不必取相同的走向，而是可被設(shè)計(jì)成以不同的方式伸展。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，它還以證明如果在兩個(gè)天線臂之間提供至少一個(gè)耦合隔片(web)是非常有利的，該耦合隔片由導(dǎo)電材料制成，以及至少延伸到在兩個(gè)天線臂之間的區(qū)域，而且它是與兩個(gè)天線臂電絕緣的。提供這樣的耦合隔片帶來(lái)好處有可能以簡(jiǎn)單的方式影響和規(guī)定天線結(jié)構(gòu)的天線阻抗。
在具有至少一個(gè)耦合隔片的天線結(jié)構(gòu)中，耦合隔片被安排成平行于在兩個(gè)天線臂的縱向方向之間的夾角的角平分線而伸展。然而，如果至少一個(gè)耦合隔片被安排成橫截兩個(gè)天線臂的縱向方向之間的銳開(kāi)度角的角平分線伸展，則是有利的。如果至少一個(gè)耦合隔片被安排成垂直于該角平分線伸展，則是特別有利的。實(shí)際上，由此可在至少一個(gè)耦合隔片的兩側(cè)達(dá)到對(duì)于天線臂的相同的影響。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，還證明如果提供多個(gè)耦合隔片是非常有利的，這些耦合隔片隨著離天線臂的第一末端的距離增加而具有增加的長(zhǎng)度。這樣，對(duì)于按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)可達(dá)到對(duì)于天線臂和從而天線阻抗的特別大的影響。
如果至少一個(gè)耦合隔片被設(shè)計(jì)成以直線伸展，特別是如果兩個(gè)天線臂被設(shè)計(jì)成以直線伸展，則是更有利的。
在耦合隔片被設(shè)計(jì)成以直線伸展的情形下，還證明如果該至少一個(gè)耦合隔片具有窄條形式則是有利的。這特別是在提供多個(gè)耦合隔片時(shí)是有利的。
然而，還證明該如果該至少一個(gè)耦合隔片具有寬板形式則是有利的。在這種情形下，比起上述的窄的帶條，板的寬度是這個(gè)窄帶條的寬度的倍數(shù)，例如窄帶條的寬度的10倍或20倍。這樣的寬板可以具有矩形的形式或梯形的形式。應(yīng)當(dāng)提到，具有相當(dāng)大的寬度的矩形外形的耦合單元也可被設(shè)計(jì)成框的形式，于是在耦合單元內(nèi)部提供空隙。這樣的板形的耦合單元--它與窄的帶條相比較是寬的--提供這樣的優(yōu)點(diǎn)，即利用這樣的板形的耦合單元可以得到更大的電磁耦合。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，至少一個(gè)耦合隔片可以僅僅在位于兩個(gè)天線臂之上的區(qū)域延伸。已經(jīng)證明如果至少一個(gè)耦合隔片在位于兩個(gè)天線臂之上的區(qū)域延伸并延伸到兩個(gè)天線臂以外，則是非常有利的。在這種情形下，該至少一個(gè)耦合隔片例如被嵌入在用于兩個(gè)天線臂的基片材料內(nèi)，或該至少一個(gè)耦合隔片被提供在用于兩個(gè)天線臂的基片的一側(cè)表面上，該表面是與確實(shí)提供兩個(gè)天線臂的該側(cè)表面對(duì)面的面。藉助于該至少一個(gè)耦合單元延伸到兩個(gè)天線臂以外的設(shè)計(jì)，可在兩個(gè)天線臂之間達(dá)到特別好的電磁耦合。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，相對(duì)于用于兩個(gè)天線臂的基片，可把兩個(gè)天線臂提供在基片的同一側(cè)表面上。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果相對(duì)于用于兩個(gè)天線臂的基片，把兩個(gè)天線臂提供在基片的對(duì)面的二個(gè)表面上，則是特別有利的。結(jié)果，在兩個(gè)天線臂之間可達(dá)到更大的電磁耦合，即由于基片或基片材料給出的有效介電常數(shù)的影響。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，還已經(jīng)證明，相對(duì)于用于兩個(gè)天線臂的基片，如果兩個(gè)天線臂一起被提供在基片的第一側(cè)表面上，和該至少一個(gè)耦合隔片被提供在基片的相對(duì)的第二側(cè)表面上，則是有利的。在這種情形下，基片材料的有效介電常數(shù)在達(dá)到在天線結(jié)構(gòu)的兩個(gè)天線臂之間盡可能大的電磁耦合方面，具有有利的效果。
在按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)中，它已經(jīng)證明如果天線結(jié)構(gòu)預(yù)定和被設(shè)計(jì)成在用于與通信站的非接觸通信的非接觸數(shù)據(jù)載體中使用(該數(shù)據(jù)載體包含一個(gè)IC和天線結(jié)構(gòu))，則是特別有利的。這是特別有利的，因?yàn)榘凑毡景l(fā)明的天線結(jié)構(gòu)在為非接觸通信的數(shù)據(jù)載體設(shè)計(jì)中的使用已證明是特別有用和高效的，以及是有利的。
為了達(dá)到上述的目的，預(yù)定用于這個(gè)用途的、用于與通信站進(jìn)行非接觸通信的數(shù)據(jù)載體配備有按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)。通過(guò)這樣的數(shù)據(jù)載體，可以達(dá)到相應(yīng)于上述有利之處的優(yōu)點(diǎn)。
從下面描述的實(shí)施例的例子將呈現(xiàn)本發(fā)明的上述的方面和另外的方面，并且相對(duì)于這些實(shí)施例的例子說(shuō)明本發(fā)明的這些方面。
附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明將相對(duì)于附圖顯示的實(shí)施例的例子被描述，然而，本發(fā)明不限于此。


圖1示意地顯示具有按照本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)例子的天線結(jié)構(gòu)的、按照本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)例子的數(shù)據(jù)載體。
實(shí)施例說(shuō)明圖1顯示數(shù)據(jù)載體，它在本例中是標(biāo)簽，通常稱為標(biāo)記。圖1所述的標(biāo)記1具有基片20，它在本例中由具有電絕緣特性的薄膜那樣的塑料材料制成。然而，基片20也可以由紙或板或用于印刷電路板的基底材料制成。而且，標(biāo)記1具有IC 2和天線結(jié)構(gòu)3，該天線結(jié)構(gòu)以導(dǎo)電方式被連接到IC 2。
IC 2被設(shè)計(jì)成所謂的轉(zhuǎn)發(fā)器IC，它具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和與所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共同工作的數(shù)據(jù)處理裝置，轉(zhuǎn)發(fā)器IC被提供來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)識(shí)別特定的物品、貨物和其它產(chǎn)品。天線結(jié)構(gòu)3被提供來(lái)使能以非接觸方式發(fā)送上述的數(shù)據(jù)到IC2和從IC2發(fā)送數(shù)據(jù)，該天線結(jié)構(gòu)3被設(shè)計(jì)來(lái)與通信站的站天線非接觸地合作。
天線結(jié)構(gòu)3具有第一天線臂4和第二天線臂5。兩個(gè)天線臂4和5被設(shè)計(jì)成以直線伸展，以及由導(dǎo)電材料制成。在本例中，兩個(gè)天線臂由銅條制成，其中銅條是以印刷工藝施加在基片20上的。然而，由銅條形成的天線臂也可以使用其它已知技術(shù)，例如通過(guò)蝕刻而施加上。兩個(gè)天線臂4和5的各天線臂具有第一末端6和7以及第二末端8和9。而且，每個(gè)天線臂4和5具有縱向方向10和11，這個(gè)方向是從第一末端6和7延伸到第二末端8和9，該縱向方向在每種情形下由圖1的虛線表示。
如圖1所示，兩個(gè)第一末端6和7被安排成互相相隔第一距離d和彼此相鄰。兩個(gè)第一末端6和7在本例中預(yù)定和被設(shè)計(jì)成使兩個(gè)第一末端6和7各被連接到IC終端12到13。相對(duì)于天線結(jié)構(gòu)3，IC2在接收模式下形成信號(hào)接收器(sink)和在發(fā)送模式下形成信號(hào)源。兩個(gè)天線臂4和5的兩個(gè)第二末端8和9安排成互相相隔第二距離D和彼此遠(yuǎn)離，因?yàn)榈诙嚯xD明顯地大于第一距離d。
在圖1所示的天線結(jié)構(gòu)3，以特別有利的方式提供，兩個(gè)天線臂4和5的兩個(gè)縱向方向10和11互相圍成一個(gè)開(kāi)度銳角α。在圖1所示的標(biāo)記1的天線結(jié)構(gòu)3的設(shè)計(jì)中，開(kāi)度銳角α具有約32°的數(shù)值。
在圖1所示的標(biāo)記1的天線結(jié)構(gòu)3的設(shè)計(jì)中，在兩個(gè)天線臂4和5之間提供四個(gè)耦合隔片14，15，16和17。四個(gè)耦合隔片14到17由導(dǎo)電材料以與天線臂4和5相同的方式制成。在本例中，四個(gè)耦合隔片14到17同樣由銅條組成，它與兩個(gè)天線臂4和5同時(shí)藉助于印刷工藝被施加到基片20上。四個(gè)耦合隔片14到17被安排成橫截在兩個(gè)天線臂4和5的縱向方向之間10和11的夾角α的角平分線18而伸展，以及與兩個(gè)天線臂4和5電絕緣。這種電絕緣以簡(jiǎn)單的方式達(dá)到，即四個(gè)耦合隔片14到17以它們的兩個(gè)末端中的每個(gè)末端在每種情形下離兩個(gè)天線臂4和5一個(gè)距離，這樣，在兩個(gè)天線臂4和5與四個(gè)耦合隔片14到17之間的電絕緣通過(guò)電絕緣的基片20而得以保證。在本例中，橫截該角平分線18而伸展的四個(gè)耦合隔片14到17被安排成垂直于該角平分線18而伸展。然而，四個(gè)耦合隔片14到17和可以被安排成相對(duì)于角平分線18以一個(gè)不同于90°的角度而伸展。當(dāng)離兩個(gè)天線臂4和5的第一末端6和7的距離增加時(shí)，四個(gè)耦合隔片14到17長(zhǎng)度增加，正如從圖1看到的。
圖1所示的標(biāo)記1和在標(biāo)記1中提供的天線結(jié)構(gòu)3只代表許多可能的變例實(shí)施例的一個(gè)變例實(shí)施例。下面將給出關(guān)于其它變例實(shí)施例和關(guān)于用于實(shí)施其它變例實(shí)施例的知識(shí)和設(shè)計(jì)可能性的另外的細(xì)節(jié)。
本發(fā)明涉及特別適用于在高于800MHz的HF范圍中的“射頻標(biāo)識(shí)”(RFID)領(lǐng)域中使用的新穎的天線結(jié)構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)的新穎設(shè)計(jì)的一個(gè)具體優(yōu)點(diǎn)是天線結(jié)構(gòu)的最大尺寸的減小以及天線結(jié)構(gòu)的天線阻抗與預(yù)定的源阻抗的簡(jiǎn)單的匹配。
新穎的天線結(jié)構(gòu)可用于各種無(wú)線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，例如與標(biāo)準(zhǔn)ISO18092有關(guān)的電信和所謂的藍(lán)牙通信和所謂的NFC通信的領(lǐng)域。一個(gè)特別適用的應(yīng)用領(lǐng)域由一些自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)提供，這些自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)越來(lái)越多被使用于服務(wù)區(qū)域和征購(gòu)與分布后勤系統(tǒng)和商業(yè)區(qū)域和生產(chǎn)工廠。
特別地，非接觸識(shí)別系統(tǒng)，例如所謂的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)，被使用來(lái)快速交換數(shù)據(jù)而無(wú)需任何電纜連接，這種連接有時(shí)是一種妨礙。在工作在低于約800MHz的系統(tǒng)中，非接觸通信是基于發(fā)射線圈的電感耦合，這些線圈連同至少一個(gè)電容一起形成諧振電路，這意味著這些只適用于約幾厘米的小距離。由于物理邊界條件，工作在高于約800MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)特別適用于在幾米范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交換。在這方面，有源轉(zhuǎn)發(fā)器(它們包含分開(kāi)的電源，例如電池)和無(wú)源轉(zhuǎn)發(fā)器(它們的電源來(lái)自一個(gè)將非接觸地接收的HF信號(hào)整流的整流器電路)以及半無(wú)源轉(zhuǎn)發(fā)器(其中，在以非接觸方式實(shí)行喚醒操作后，例如啟動(dòng)電池作電源用)是已知的。轉(zhuǎn)發(fā)器包含半導(dǎo)體芯片(IC)，它存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)，而且常常是可編程的和可重寫(xiě)的；還包括相關(guān)的天線結(jié)構(gòu)(高頻天線)，它被調(diào)諧到適當(dāng)?shù)念l段，例如在美國(guó)，UHF頻段902到928MHz，或在歐洲，頻段863到868MHz，或已知的ISM頻段例如頻段2.4GHz到2.83GHz。
為了保證這樣的轉(zhuǎn)發(fā)器盡可能高的效率，必須提供有效的天線結(jié)構(gòu)，以及還必須保證在天線結(jié)構(gòu)與IC之間的反射盡可能低。后者是通過(guò)保證在兩個(gè)部件之間的性能匹配而達(dá)到的。如果芯片阻抗與天線阻抗成復(fù)數(shù)共軛，則達(dá)到最大性能。
Z‾chip=Z‾antenna*]]>Rchip+j·Xchip＝Rantena-j·Xantenna這意味著，復(fù)數(shù)阻抗的實(shí)部和虛部數(shù)值應(yīng)當(dāng)盡可能相等，另外電抗是互相共軛的。
由于工藝上的原因，IC的阻抗通常是電容性的，所以虛部(Xchip)是負(fù)的。這意味著，對(duì)于良好的傳輸，天線結(jié)構(gòu)必須呈現(xiàn)電感性能。所以電抗(Xantenna)值必須是正的，以及在數(shù)值方面必須等于芯片阻抗的虛部的數(shù)值。如果電抗?jié)M足這個(gè)條件，而且如果兩個(gè)實(shí)部(Rchip和Rantenna)是相等的，則達(dá)到性能匹配，以及達(dá)到在IC與天線結(jié)構(gòu)之間的功率最大傳輸。所以對(duì)于有效的天線設(shè)計(jì)，天線結(jié)構(gòu)的阻抗的實(shí)部和虛部必須與給定的芯片阻抗相匹配。
使天線阻抗匹配的方法是從上述的兩個(gè)專利文件獲知的。這個(gè)方法是基于使用傳統(tǒng)的偶極子天線與用于修正虛部的所謂的“調(diào)諧短棒(tuning stubs)”和用于匹配天線結(jié)構(gòu)的實(shí)部的“負(fù)載條(loading bars)”的組合。
按照本發(fā)明，天線結(jié)構(gòu)是這樣產(chǎn)生的，其中有可能調(diào)節(jié)天線阻抗而不需要為此用途的另外的已知的“調(diào)諧短棒”和“負(fù)載條”。
按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)電金屬化(例如，Cu，Au，Ag，Al或適合的合金或超導(dǎo)材料)，該金屬化被施加在具有介電常數(shù)εr≥1和/或?qū)Т怕食?shù)μr≥1的基片材料(塑料、陶瓷、嵌入了陶瓷粒子的塑料)，或藉助于已知的多層技術(shù)嵌入這個(gè)基片材料。金屬化可以通過(guò)諸如蝕刻、研磨、絲網(wǎng)印刷或沖壓或粘接的傳統(tǒng)方法來(lái)制造，并施加到基片上。
本發(fā)明是基于利用簡(jiǎn)單的片段的導(dǎo)體軌或線的電感性能。這種電感性能是尤其需要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)器的IC的阻抗通常是電容性的，因此它與導(dǎo)體軌的阻抗實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)共軛(conjugated)。為了修正該片段的導(dǎo)體軌的電感，可以改變特定的邊界條件(例如，長(zhǎng)度、截面、基片特性)。然而，另外一種可能性在于改變第一片段導(dǎo)體軌鄰近處與第二片段導(dǎo)體軌的耦合。這樣的耦合的功能在下面更詳細(xì)地描述。從這里開(kāi)始，為了簡(jiǎn)略起見(jiàn)，不再用至今為止使用的術(shù)語(yǔ)“天線結(jié)構(gòu)”，而使用“術(shù)語(yǔ)”天線。
圖3-1顯示按照本發(fā)明使用的天線原理和相應(yīng)的物理設(shè)計(jì)。從兩個(gè)導(dǎo)體軌(天線臂)被安排成并行伸展開(kāi)始，每個(gè)具有長(zhǎng)度l和被施加到基片材料上(上部圖)，通過(guò)把兩個(gè)導(dǎo)體軌移動(dòng)分開(kāi)，以使得它們圍成一個(gè)開(kāi)度角，特別是成銳角(中間圖)，最終得到的無(wú)線的輸入阻抗可被修改，并在寬廣范圍內(nèi)匹配于給定的源阻抗，這樣，天線阻抗與源阻抗成為理想的復(fù)數(shù)共軛，從而保證在天線與源之間功率的最大傳送。IC作為源或接收器而提供，該IC與導(dǎo)體軌在兩個(gè)第一末端之間接觸。如果原先互相平行地伸展的兩個(gè)導(dǎo)體軌在每種情形下沿相反方向旋轉(zhuǎn)α＝90°，達(dá)到180°的開(kāi)度角，則造成了傳統(tǒng)的偶極子(圖3-1的下部的圖)。
由于天線是諧振部件，天線臂的長(zhǎng)度l可被近似地計(jì)算為如下l≈c4·ϵr·f]]>其中c＝真空中的光速，
εr＝基片的介電常數(shù)(FR4≈4.4)，f＝頻率。
由于在金屬結(jié)構(gòu)之間的耦合機(jī)理影響天線的有效長(zhǎng)度，相應(yīng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)通過(guò)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)和或仿真被最佳化和被調(diào)整。具體地，在按照本發(fā)明的天線設(shè)計(jì)中，兩個(gè)天線臂的長(zhǎng)度必須增加，以便把諧振頻率移到想要的頻率范圍(UHF或ISM范圍)。
圖3-1-安排成互相平行的導(dǎo)體軌(上部圖)和-安排成銳角的導(dǎo)體軌(中間圖)和-安排成直線的導(dǎo)體軌(下部圖))平行的導(dǎo)體軌和排成一直線的導(dǎo)體軌(180°偶極子)都不適合于所需的應(yīng)用中使用。在第一個(gè)解決方案中，很難傳送任何功率，因?yàn)楣β试趦蓚€(gè)導(dǎo)體軌之間的強(qiáng)電容耦合所短路。在第二個(gè)解決方案中，雖然這是非常有效的發(fā)射機(jī)，但它不進(jìn)一步修正就不能用于所需的應(yīng)用，因?yàn)閺?fù)數(shù)天線輸入阻抗與所需要的共軛復(fù)數(shù)芯片阻抗是非常不同的。
為了顯示這一點(diǎn)，圖3-2顯示對(duì)于圖3-1所示的三種天線的散射參數(shù)s11散射參數(shù)s11不是基于50Ω的電阻--正如在HF技術(shù)中傳統(tǒng)的那樣--而是基于Zant＝(R+jX)的復(fù)數(shù)阻抗。這是由Zchip＝(R-jX)的轉(zhuǎn)發(fā)器芯片的復(fù)數(shù)芯片阻抗造成的，因此意味著天線的阻抗與半導(dǎo)體芯片的阻抗應(yīng)當(dāng)互相匹配，以使得達(dá)到性能匹配(Zant＝Zchip*)。
圖3-2對(duì)于三個(gè)不同的開(kāi)度角α的散射參數(shù)s11正如從圖3-2可以看到的，當(dāng)導(dǎo)體軌是平行時(shí)，產(chǎn)生在需要的頻率范圍(在本例中902到928MHz)內(nèi)的諧振。然而，天線的小于1％的極低的效率不允許在RFID應(yīng)用中使用。實(shí)線所示的曲線顯示在其中兩個(gè)導(dǎo)體軌互相圍成開(kāi)度角α≈32°的情形下的匹配。幸運(yùn)地，這個(gè)設(shè)計(jì)比起導(dǎo)體軌的平行情形呈現(xiàn)更大的諧振帶寬，以及也呈現(xiàn)48.5％的明顯增加的總效率(ηrad)。如果不考慮反射，則天線的輻射效率(ηrad)按照以下公式增加到72.2％的數(shù)值ηrad=ηtot1-|s‾11|2]]>
如果開(kāi)度角α進(jìn)一步增加到180°，則產(chǎn)生對(duì)于偶極子的按照?qǐng)D3-2的點(diǎn)劃線所示的曲線所進(jìn)行的匹配。在這種情形下對(duì)芯片阻抗所需的同樣不良的匹配，如不作進(jìn)一步修正，將不允許在需要的應(yīng)用中使用，否則導(dǎo)致傳輸特性很大的損害。由于不良匹配，高的輻射效率從ηrad＝98.6％減小到在使用期間實(shí)際上可得到的ηtot＝21.8％的效率。
除了改進(jìn)的阻抗匹配(和增加的阻抗帶寬)以外，按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的天線另外還具有優(yōu)點(diǎn)，即天線的長(zhǎng)度被減小到傳統(tǒng)的偶極子結(jié)構(gòu)的一半長(zhǎng)度，而僅僅必須考慮天線稍微增加其寬度。
如上所述，除了需要的工作頻率以外，天線的阻抗也是重要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)器的效率可以通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)實(shí)部和虛部而得以最大化。在按照本發(fā)明的天線中，所需的阻抗通過(guò)修正天線設(shè)計(jì)本身而得到。這里，在兩個(gè)導(dǎo)體軌(天線臂)之間的耦合的強(qiáng)度具有關(guān)鍵的重要性。耦合取決于在兩個(gè)導(dǎo)體軌(金屬化)之間的開(kāi)度角α以及在有限的程度上，也取決于所使用的基片。
作為開(kāi)度角α的函數(shù)的復(fù)數(shù)天線阻抗(被劃分成實(shí)部和虛部)的變化示于圖3-3。
圖3-3作為開(kāi)放角度α的函數(shù)的復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部作為開(kāi)度角α的函數(shù)的復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部的高度依賴性可以明顯地看到。與虛部不同(該虛部是隨開(kāi)度角α增加而減小的)，實(shí)部則隨角度α增加而增加。如果僅僅把與必須的復(fù)數(shù)阻抗相匹配作為最佳的開(kāi)度角α的準(zhǔn)則，則在小的開(kāi)度角α的情形下將會(huì)滿足這個(gè)準(zhǔn)則。在這種情形下，反射實(shí)際上由實(shí)部造成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，天線的效率也是開(kāi)度角α的函數(shù)，而可能的最大效率不一定隨最好的匹配出現(xiàn)。所以，圖3-4顯示在作為開(kāi)度角α的函數(shù)的最小反射與最大效率(輻射效率與總效率)之間的比較結(jié)果?？梢栽俅蚊黠@地看到在匹配與反射之間的聯(lián)系(這是已知的)。最好的匹配在α≈10°(s11＝-9.3dB)處達(dá)到。然而，在這個(gè)開(kāi)放角度α，天線的效率(ηtot)僅僅為約23.5％(ηrad≈28.6％)。如果開(kāi)度角α增加到180°(偶極子)，則可以明顯地看到輻射效率增加到大于98％。然而，由于反射，在使用期間可得到的效率(ηtot)在大的開(kāi)放角度α的情形下急劇下降。ηtot的最大值可以在約20°-30°的開(kāi)放角度α下找到。在這種情形下，可選擇約21°的開(kāi)放角度α，因?yàn)樵谶@里得到相對(duì)較好的阻抗匹配(s11約為-6.7dB)，因此在天線與半導(dǎo)體芯片之間引起很少的反射。在這種情形下，效率ηtot約為49％。
圖3-4散射參數(shù)s11與天線效率作為開(kāi)度角α的函數(shù)正如從以上闡述的內(nèi)容看到的，天線阻抗可以通過(guò)適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度角α而在很寬的范圍內(nèi)被修正。而且，在后面的說(shuō)明中，將描述附加的設(shè)計(jì)修改方案，它類(lèi)似地可用來(lái)有利于使天線阻抗與給定的芯片阻抗相匹配。
天線的兩個(gè)縱向?qū)w軌(天線臂)的寬度適用于這個(gè)用途。圖3-5在這個(gè)方面顯示復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部作為天線臂的各種寬度的函數(shù)，所述寬度是作為例子而選擇的。坐標(biāo)上的數(shù)據(jù)顯示第一天線臂(斜杠左面給出的數(shù))和第二天線臂(斜杠右面給出的數(shù))的相應(yīng)的寬度。可以清楚地看到作為天線寬度函數(shù)的實(shí)部的增加。作為對(duì)比，天線阻抗的虛部有同時(shí)的減小。這意味著，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇天線臂的寬度，天線的復(fù)數(shù)阻抗同樣可受到影響，并可與需要的芯片阻抗相匹配。
圖3-5復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部作為天線臂的函數(shù)圖3-6還顯示在散射參數(shù)s11與系數(shù)(ηtot，ηrad)之間的聯(lián)系再次作為天線臂的寬度的函數(shù)。由于尤其是天線阻抗的實(shí)部的變化，與所需的芯片阻抗的匹配稍微減小。然而，同時(shí)，天線的總效率也增加。最佳天線性能(在阻抗匹配與效率之間的折衷)在每種情形下可以在0.5mm到1.0mm的天線臂的寬度處看到。
圖3-6散射參數(shù)s11與天線效率作為天線臂的寬度的函數(shù)除了對(duì)于上述的天線阻抗的附加的修改方案以外，還可以使用另外的設(shè)計(jì)修改方案，以便達(dá)到想要的阻抗匹配。這是通過(guò)改變?cè)趦蓚€(gè)導(dǎo)體軌(天線臂)之間的電容耦合而達(dá)到的。這種耦合可以通過(guò)在兩個(gè)天線臂之間提供耦合隔片而得到加強(qiáng)，這些耦合隔片通過(guò)“浮動(dòng)的”導(dǎo)體軌結(jié)構(gòu)而形成，該“浮動(dòng)的”導(dǎo)體軌結(jié)構(gòu)由金屬制成并且不與天線臂電接觸，正如從圖3-7可以看到的。這些耦合隔片可被放置在基片上與天線臂相同的一面(基片的上表面)或在相反的一面(基片的下表面)，或者否則在基片的上表面與下表面之間的層中，也就是說(shuō)，嵌入在基片中。后者這種情形在多層基片的情形下是特別有利的。應(yīng)當(dāng)指出，兩個(gè)天線臂可在基片的不同面提供，即基片的上表面與基片的下表面。
圖3-7具有單個(gè)電容耦合隔片的天線圖3-8顯示作為電容耦合單元位置的函數(shù)的復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部。在本例中，僅僅提供一個(gè)耦合單元，它由1mm寬的矩形金屬帶條形成，并且被安排在兩個(gè)天線臂之間。為了測(cè)試和測(cè)量起見(jiàn)，這樣的耦合單元的位置從處在兩個(gè)天線臂的第一末端(1x末端)，該兩個(gè)第一末端互相靠近，經(jīng)由中間位置(1x中間)改變到處在兩個(gè)天線臂的第二末端(1x開(kāi)始)，該兩個(gè)第二末端是互相遠(yuǎn)離的。在本例中，使用了變化長(zhǎng)度的耦合單元，以使得每個(gè)耦合單元離兩個(gè)天線臂的距離是0.01到1.0mm。相應(yīng)的復(fù)數(shù)天線阻抗被顯示于圖3-8，以便與不使用相應(yīng)的耦合單元的特性(no)進(jìn)行比較。正如可以看到的，虛部只受很弱的影響，但實(shí)部有較大的影響。
圖3-8作為電容耦合單元的位置的函數(shù)的復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部圖3-9再次顯示散射參數(shù)s11和相應(yīng)的效率(ηtot和ηrad)。在本例中，當(dāng)在中部使用耦合單元時(shí)可以看到最大的總效率。
圖3-9作為電容耦合單元的位置的函數(shù)的、天線的散射參數(shù)s11和效率根據(jù)以上說(shuō)明的知識(shí)，下面討論提供多個(gè)耦合單元的結(jié)果。圖310作為例子顯示在兩個(gè)天線臂之間多個(gè)耦合單元的安排。在本例中，耦合單元作為例子每個(gè)被安排成互相相隔1.0mm的距離。在耦合單元之間的有利的距離是在0.01mm與1.0mm之間。
圖3-10作為例子在中部位置的多個(gè)耦合單元 圖3-11復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部作為所提供的中心電容耦合單元的數(shù)目的函數(shù)以上的圖3-11再次顯示復(fù)數(shù)天線阻抗的實(shí)部和虛部作為在兩個(gè)天線臂之間提供的中心耦合單元的數(shù)目的函數(shù)。在本例中，也可以看到虛部的變化和實(shí)部的較大的變化。
圖3-12再次顯示散射參數(shù)s11和兩個(gè)效率(ηtot和ηrad)。這里，可以看到，當(dāng)耦合單元數(shù)目增加時(shí)反射的改進(jìn)。然而，同時(shí)，天線的輻射效率(ηrad)減小，它進(jìn)而又導(dǎo)致總效率(ηtot)的減小。當(dāng)使用10個(gè)耦合單元時(shí)，可以看到在s11約等于-6.6dB的幾乎恒定的阻抗匹配的情形下這個(gè)效率的最大值ηtot＝54％(與圖3-4所示的初始的情形相比較)。
圖3-12天線的散射參數(shù)s11和效率作為所提供的中心電容耦合單元的數(shù)目的函數(shù)最后，應(yīng)當(dāng)再次指出，本發(fā)明提供一種新穎的天線結(jié)構(gòu)，它特別適用于在大于800MHz的HF范圍中的RFID應(yīng)用中使用。按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)的一個(gè)具體的優(yōu)點(diǎn)在于，它的總長(zhǎng)度減小到至今已知的天線結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度的約一半(50％)，和按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)的阻抗與預(yù)定的接收器/源阻抗的簡(jiǎn)單的匹配。通過(guò)提供在兩個(gè)天線臂之間的不同的大小的開(kāi)度角，有可能造成在兩個(gè)天線臂之間的不同程度的電容耦合，結(jié)果，有可能以簡(jiǎn)單的方式按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)得到天線阻抗的變化的實(shí)部。對(duì)于天線結(jié)構(gòu)的電感性能，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇兩個(gè)天線臂的長(zhǎng)度以簡(jiǎn)單的方式達(dá)到所需范圍。天線結(jié)構(gòu)的所需頻率帶寬可以通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇兩個(gè)天線臂的寬度而達(dá)到。兩個(gè)天線臂的寬度可以選擇為隨天線臂的長(zhǎng)度而不同，其中所述兩個(gè)天線臂在它們的第一末端的區(qū)域中具有較小的寬度，以及在它們的第二末端的區(qū)域中具有較大的寬度，以及其中寬度優(yōu)選地，但不一定，線性地增加。
在按照本發(fā)明的包括兩個(gè)天線臂和至少一個(gè)耦合隔片的天線結(jié)構(gòu)中，該至少一個(gè)耦合隔片可以由三角形耦合板形成，其中耦合板的三角形的形狀作為在兩個(gè)天線臂之間的開(kāi)度銳角和由此規(guī)定的兩個(gè)天線臂彼此相對(duì)位置的函數(shù)而選擇。
權(quán)利要求
1.一種具有第一天線臂(4)和第二天線臂(5)的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中兩個(gè)天線臂(4，5)中的每個(gè)天線臂由導(dǎo)電材料制成，以及具有第一末端(6，7)和第二末端(8，9)，并具有從第一末端(6，7)延伸到第二末端(8，9)的縱向方向(10，11)，以及其中兩個(gè)第一末端(6，7)被安排成彼此相隔第一距離(d)并彼此相鄰，以及在每種情形下預(yù)定和被設(shè)計(jì)成導(dǎo)電地連接到信號(hào)接收器(2)或信號(hào)源(2)的終端(12，13)，以及其中兩個(gè)第二末端(8，9)被安排成彼此相隔第二距離(D)和相互遠(yuǎn)離，所述第二距離大于第一距離，以及其中兩個(gè)天線臂(4，5)的兩個(gè)縱向方向(10，11)互相圍成一個(gè)開(kāi)度銳角(α)，以及其中該開(kāi)度銳角(α)具有在15°和90°之間的數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中開(kāi)度銳角(α)具有在25°和45°之間的數(shù)值。
3.如權(quán)利要求2中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中開(kāi)度銳角(α)具有具有30°±10％的數(shù)值。
4.如權(quán)利要求1中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中兩個(gè)天線臂(4，5)被設(shè)計(jì)成以直線伸展。
5.如權(quán)利要求1中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中兩個(gè)天線臂(4，5)被設(shè)計(jì)成以曲折方式伸展。
6.如權(quán)利要求1中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中提供至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)，以便兩個(gè)天線臂(4，5)實(shí)現(xiàn)電磁耦合，所述耦合隔片(14，15，16，17)由導(dǎo)電材料制成，以及至少延伸到在兩個(gè)天線臂(4，5)之間的區(qū)域，而且它是與兩個(gè)天線臂(4，5)電絕緣的。
7.如權(quán)利要求6中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)被安排成橫截于兩個(gè)天線臂(4，5)的縱向方向(10，11)之間的開(kāi)度銳角(α)的角平分線(18)伸展。
8.如權(quán)利要求7中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)被安排成垂直于在兩個(gè)天線臂(4，5)的縱向方向(10，11)之間的開(kāi)度銳角(α)的角平分線(18)伸展。
9.如權(quán)利要求6中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中提供多個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)，這些耦合隔片(14，15，16，17)隨著離兩個(gè)天線臂(4，5)的第一末端(6，7)的距離增加而具有增加的長(zhǎng)度。
10.如權(quán)利要求6中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)被設(shè)計(jì)成按直線伸展。
11.如權(quán)利要求6中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)具有窄帶條的形式。
12.如權(quán)利要求6中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)具有寬板的形式。
13.如權(quán)利要求6中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)在兩個(gè)天線臂(4，5)之間的區(qū)域上延伸并延伸到兩個(gè)天線臂(4，5)以外。
14.如權(quán)利要求1中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中兩個(gè)天線臂(4，5)相對(duì)于用于兩個(gè)天線臂(4，5)的基片(20)被提供在基片(20)的相對(duì)兩個(gè)側(cè)表面上。
15.如權(quán)利要求6中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中兩個(gè)天線臂(4，5)，相對(duì)于兩個(gè)天線臂(4，5)的基片(20)一起被提供在基片(20)的第一側(cè)表面上，以及其中至少一個(gè)耦合隔片(14，15，16，17)被提供在基片(20)的相對(duì)的第二側(cè)表面上。
16.如權(quán)利要求1中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)，其中天線結(jié)構(gòu)(3)預(yù)定和被設(shè)計(jì)成在用于與通信站進(jìn)行非接觸通信的非接觸數(shù)據(jù)載體(1)中使用，該數(shù)據(jù)載體包含IC(2)和天線結(jié)構(gòu)(3)。
17.一種用于與通信站進(jìn)行非接觸通信的數(shù)據(jù)載體(1)，其特征在于，該數(shù)據(jù)載體(1)配備有如權(quán)利要求1到10的任一項(xiàng)中要求的天線結(jié)構(gòu)(3)。
全文摘要
在具有第一天線臂(4)和具有第二天線臂(5)的天線結(jié)構(gòu)(3)中，兩個(gè)天線臂(4，5)的兩個(gè)縱向方向(10，11)互相圍成一個(gè)開(kāi)度銳角(α)，其中開(kāi)度銳角(α)具有在15°和90°之間的數(shù)值，以及優(yōu)選地在25°和45°之間的數(shù)值。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK1930735SQ200580007105
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
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