專利名稱：Rfid標簽寬帶寬的對數(shù)螺旋天線方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到射頻標識(RFID)，更具體而言，涉及寬帶寬的螺旋天線、射頻(RF)發(fā)射機應(yīng)答器標簽電路以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
射頻標識(RFID)對于無源和有源發(fā)射機應(yīng)答器而言分別使用125千赫茲和13.56兆赫茲是眾所周知的。無源發(fā)射機應(yīng)答器從所接收的信號那里接受功率并且返回一個標識信號。有源發(fā)射機應(yīng)答器包含功率源因而不必從所接收的信號那里獲得功率。因此，無源發(fā)射機應(yīng)答器要求更高的信號強度，而有源發(fā)射機應(yīng)答器卻要求更小的信號強度，但是卻是以功率源為代價的。
所關(guān)注的另一領(lǐng)域是聯(lián)邦通信委員會(FCC)制定輻射規(guī)程，因此現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計在短程提供了高的功率，但是卻采用了抵消技術(shù)來與遠程FCC規(guī)程相一致。
現(xiàn)在投入使用的RFID標簽安裝具有大于30英寸的射程，它們典型地可以在零售店之中見到。具有更大射程的電路已經(jīng)做過調(diào)查，特別是射程在900兆赫茲到2.50吉赫茲的發(fā)射機應(yīng)答器。一個名叫Intermec的公司銷售昂貴的915兆赫茲的標簽系統(tǒng)。
Kudukula等人的美國專利號6,118,379(′379)以及Brady等人的美國專利號6,285,342 B1(′342)就是這個領(lǐng)域。
所述′379專利使用具有隔開的接地平面的部分螺旋(一個臂(arm))，并且在它的摘要中要求最大的射程。對2.45吉赫茲的載波頻率給出了論述但是該射程很明顯是處在英寸的射程之內(nèi)。而且，該部分螺旋限制了帶寬，這一帶寬在本發(fā)明之中是希望的，并且隔開的接地平面還增加了成本?！?42專利使用扭曲的螺旋以便在紐扣大小的封裝之中得到更大的天線，并且還使用了一個加載條(loadingbar)和短截線(stub)來匹配阻抗，但是卻增加了復(fù)雜性和成本，但是并沒有明顯擴展可用的射程到上面提到的30英寸的射程之外。
要求一種RFID系統(tǒng)，用于跟蹤家養(yǎng)牲畜/行李發(fā)射機應(yīng)答器、汽車或者這種車輛的標識以及倉庫跟蹤。這種系統(tǒng)會要求射程量級在10英尺的RFID系統(tǒng)。還需要滿足美國和歐洲這兩方對這種RFID系統(tǒng)的要求。美國的系統(tǒng)運行在915兆赫茲，而類似的歐洲系統(tǒng)運行在869兆赫茲。為了滿足這兩個射程在10英尺的這種標準，一個RFID標簽系統(tǒng)往往需要改進的天線并且與已知的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比需要相對更寬的帶寬。
一篇在應(yīng)用微波及無線中的文章，由Jesper Thaysen等人所注述，標題為“A Logarithmic Spiral antenna for 0.4 to 3.8GHz(適合于0.4到3.8吉赫茲的對數(shù)螺旋天線)”，描述了一種安裝了不平衡變壓器(balun)和空腔諧振器(cavity)的螺旋天線。這篇文章介紹了與螺旋天線的通用領(lǐng)域相關(guān)的一些技術(shù)論述，在此將其引入以供參考。這篇文章沒有應(yīng)用。從這篇文章的圖1中可以看出，相對于螺旋臂示出了共軸連接器。根據(jù)這幅圖，并假設(shè)共軸的寬度大約在1/3到1/2英寸，在螺旋臂上最遠點之間的距離估計是至少16英寸?？梢院芮宄乜闯?，這一天線并不適用于RFID應(yīng)用。
本發(fā)明的一個目的是提供一種RFID標簽系統(tǒng)，有更長的射程，大于10英尺，并且具有滿足美國和歐洲需求的小標簽造型規(guī)格(formfactor)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述的背景論述，本發(fā)明提供了一種RFID標簽天線系統(tǒng)，具有兩個對稱安置且完全相同的平面臂，所述平面臂采用螺旋形安排，此處，所述臂的寬度隨著所述臂從中心向外擴展出去而增長。所述臂的增長優(yōu)選地在從中心起的相等距離處提供了相同的寬度和間隔。所述臂寬度的增長通過根據(jù)對數(shù)函數(shù)來定義內(nèi)和外半徑螺旋來安排。
優(yōu)選地，所述天線系統(tǒng)可以靈活地安排成落在根據(jù)本申請所確定的標簽造型規(guī)格之內(nèi)。
在一個優(yōu)選實施例之中，具有一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)被封裝在與平面螺旋天線相同的基板上。一個輸入電路優(yōu)選地被提供在一個相獨立的基板上，該相獨立的基板與承載天線的基板相接，形成維持標簽造型規(guī)格的夾層封裝。整流肖特基二極管形成了所述輸入電路的一部分，用于形成直流信號。所述輸入電路，在一個優(yōu)選實施例中，可以包括一個內(nèi)置到本領(lǐng)域眾所周知的管芯(比如說，反向偏置二極管)中的電容器，用于在RF信號強的時候存儲來自所述直流信號的電荷。在這種電容器上的電荷可以被這樣使用，以致使得在輸入的RF信號較低時，所述標簽電路將做出響應(yīng)。
典型地，所述標簽的存在通過注意由RF發(fā)送或者詢問站所供應(yīng)的增加的功率來加以檢測。
優(yōu)選地，天線臂是由在基板上蝕刻的銅段和/或通過使用導電涂料或者像銀、鋁或者焊料之類的其他導電金屬來形成。所述臂限定了一個中心，在此處兩個臂限定了一個間隙，該中心是相互最靠近的點。所述匹配網(wǎng)絡(luò)在這個間隙連接到所述天線臂。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，盡管以下給出的詳細描述以參考說明性的實施例、附圖以及所使用的方法來繼續(xù)，但是本發(fā)明意圖并不在于所使用的這些實施例和方法。更確切地講，本發(fā)明屬于寬的保護范圍，并且預(yù)期只由隨附的權(quán)利要求的陳述來加以限定。


本發(fā)明的描述在以下參考附圖，在這些附圖中圖1是RFID標簽系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；圖2是一個發(fā)射機應(yīng)答器的優(yōu)選實施例的頻率圖，該發(fā)射機應(yīng)答器在歐洲和美國讀起來是比較合適的。
圖3是優(yōu)選的螺旋天線的一條支線的圖；圖4是無源發(fā)射機應(yīng)答器的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
圖5是一個優(yōu)選實施例的計算；以及圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明所內(nèi)置的完整螺旋天線、匹配網(wǎng)絡(luò)和輸入電路的圖解。
具體實施例方式
圖1是圖解的RFID標簽系統(tǒng)的基本框圖。此處，詢問站100生成一個RF信號108，通常是由邏輯電路104所生成的脈沖信號，RF信號108經(jīng)由天線112發(fā)射到標簽系統(tǒng)102。所述RF脈沖經(jīng)由天線114和本領(lǐng)域已知的RF阻抗匹配電路116以及輸入電路118加以接收。如果所述RF信號足夠強，那么所述輸入電路就對所述RF信號進行整流，并且在所述RF信號低時對用于給所述標簽系統(tǒng)供電的電容器充電。如本領(lǐng)域所公知的，標簽電路向RF發(fā)射器引入了一個負載，使得該RF發(fā)射器的功率在標簽存在的情況下增加。在一個實施例中，正如本領(lǐng)域所公知的，驅(qū)動RF電壓信號被逐步增高，上述的增加可以由邏輯電路104檢測以便指示所述標簽的存在。其他已知的技術(shù)可以用于生成和檢測標簽。
圖2展示了一個發(fā)射機應(yīng)答器的優(yōu)選實施例的頻率圖，該發(fā)射機應(yīng)答器在歐洲和美國運行起來很合適。915兆赫茲代表美國選擇的頻率，869兆赫茲代表歐洲選擇的頻率。在這些頻率，美國允許從讀數(shù)器輸出最大值為1瓦特的功率，而歐洲在869兆赫茲的最大值為0.5瓦特。
為了滿足這兩種要求的天線(參見圖2)，需要具有Q為19的47兆赫茲的帶寬。這樣的系統(tǒng)可以被布署到(但不限于)已經(jīng)通過美國和歐洲標準的行李標簽系統(tǒng)。
圖3展示了螺旋天線的一支臂，其外螺旋半徑r1 200根據(jù)r1＝rOeaθ加以創(chuàng)建，其內(nèi)螺旋半徑r2 202根據(jù)r2＝rOeθ-00加以創(chuàng)建。此處，r0代表初始位置、角座標，0代表在r1和r2之間的角偏移量，以及″a″代表增長率。
第二臂(如圖6所示)可以通過在第一臂的平面中把第一臂旋轉(zhuǎn)180度來創(chuàng)建。一個小的間隙留在這兩個螺旋臂之間它們的起始點處。圖4的阻抗匹配電路被施加到這一間隙。為了實現(xiàn)所述天線的頻率阻抗，所述臂的寬度被做成等于所述臂向外擴展并向外增長時所述臂之間的間隔。
圖4圖解了裝配有在915兆赫茲的阻抗16-j10和阻抗匹配電路網(wǎng)絡(luò)302的天線300的一個例子。電阻器R1和電容器C1代表天線的阻抗，不是實踐組件。所述匹配電路網(wǎng)絡(luò)302使得天線阻抗的容性電抗的輸出為零。阻性元件在輸入電路側(cè)按3千歐姆電阻器來逐步提高，并用于給電容器C3充電。管芯輸入電路304包括兩個消特基二極管、電阻器R2以及電容器C3。二極管D1負向箝制電壓，D2在前向方向上作為峰值檢測器來運行，提供一個直流電壓/電流以便給電容器C3充電。所充電的電容器，在該器件從讀數(shù)器接收到幅度低的脈沖-例如所述讀數(shù)器在遠處之時，給該器件供電。
所以管芯輸入電路304之所以這樣稱謂，原因在于在一個優(yōu)選實施例中，它被封裝在一個獨立的管芯上，該獨立的管芯安裝在承載著天線和匹配電路的基板上。
圖5展示了運行在915兆赫茲的RFID標簽系統(tǒng)的具體優(yōu)選實施例的可應(yīng)用的計算。
圖6A展示了本發(fā)明螺旋天線臂500、502的基板的優(yōu)選實施例。所述螺旋臂使用2密耳的銅帶以及在5密耳厚的聚酰亞胺基板504上的導電涂料來構(gòu)建。所述基板大約59mm或2.32英寸寬×40mm或者1.57英寸。這兩個對稱臂標示為500和502。所述匹配電路網(wǎng)絡(luò)302構(gòu)建在所述基板上。所述管芯輸入電路304用凸起的焊料球來附著，所述凸起的焊料球就像在球柵陣列IC封裝中的一樣。當然，其他的附著方法可以加以使用，包括管芯輸入電路構(gòu)建到天線基板上。在一個優(yōu)選的例子中，圖4中運行在916兆赫茲的電容器C3把電荷構(gòu)建到3.9伏。使用線性極化的讀數(shù)器讀取RF信號的讀數(shù)距離是12英尺，使用圓形極化的讀數(shù)器去讀RF信號的距離是6英尺。
在圖6A所圖解的優(yōu)選實施例中，所述螺旋天線自身的線性尺度小于大約2.3英寸的寬508×小于大約0.8英寸的高510。
圖6B圖解了一個優(yōu)選實施例，其中承載所述管芯輸入電路304的第二基板經(jīng)由節(jié)點或者球506構(gòu)成到所述匹配網(wǎng)絡(luò)的電連接。
應(yīng)該理解，上述的實施例在此是作為例子而介紹的，并且上述實施例的多種變型和替換都是可能的。因此，本發(fā)明應(yīng)該從廣義的角度來查看，正如只有在以下所附的權(quán)利要求中陳述的所限定的。
權(quán)利要求
1.一種適合于接收RF信號的RFID標簽天線系統(tǒng)，所述RFID標簽天線系統(tǒng)包括平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)，被安排成接收所述RF信號，所述雙臂互相之間電隔離但是卻被安排成在所述雙臂之間限定了一個間隙；與所述臂電連接的電路，騎跨在所述間隙上，并且被安排成從所述平面雙臂螺旋天線接收所述RF信號；以及用于檢測所述電路接收到所述RF信號的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中所述平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每一個臂均與另一個完全相同，除了一個臂從另一臂在平面上旋轉(zhuǎn)了180度。
3.如權(quán)利要求1所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中一個中心被限定在所述間隙的中間，并且所述平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每一個臂限定了內(nèi)半徑螺旋和外半徑螺旋，所述內(nèi)半徑螺旋和外半徑螺旋安排成使得每個臂的寬度隨著所述臂從所述中心向遠處擴展而增長。
4.如權(quán)利要求3所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中所述內(nèi)和外半徑螺旋遵循對數(shù)函數(shù)。
5.如權(quán)利要求3所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中在從所述中心起的任何等距離的點處，每個臂的寬度均彼此相等并且等于每個臂之間的間隔。
6.如權(quán)利要求1所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中所述平面雙螺旋臂結(jié)構(gòu)的橫向尺度為小于大約5英寸X小于大約2英寸。
7.如權(quán)利要求1所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中所述平面雙螺旋臂結(jié)構(gòu)的橫向尺度為小于大約2英寸X小于大約1英寸。
8.如權(quán)利要求1所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中所述平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每個臂包括構(gòu)建在一個基板上的薄導電層。
9.如權(quán)利要求1所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中所述電路包括一個網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)與所述螺旋天線電阻抗相匹配，并且所述網(wǎng)絡(luò)從所述平面雙臂螺旋天線接收所述RF信號并且提供一個RF輸出信號；一個輸入電路，用于接收所述輸出RF信號，并且對其進行整流以形成直流信號，所述輸入電路包括用于存儲來自所述直流信號的能量的電容器。
10.如權(quán)利要求9所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，其中所述平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每個臂包括構(gòu)建在基板上的薄導電層，此外，所述匹配和輸入電路被構(gòu)建在所述基板上。
11.如權(quán)利要求10所述的RFID標簽天線系統(tǒng)，還包括第二基板，被安裝到第一基板上，其中所述輸入電路構(gòu)建在所述第二基板上，從所述匹配網(wǎng)絡(luò)和輸入電路構(gòu)成電連接。
12.一種用于從作為RFID標簽系統(tǒng)的一部分而生成的RF信號中接收RF信號的方法，所述方法包括如下步驟安排一個平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)來接收所述RF信號；在兩個電隔離的臂之間限定一個間隙；電連接一個跨騎所述間隙的電路，所述電路被安排成從所述平面雙臂螺旋天線接收所述RF信號；以及檢測所述電路對所述RF信號的接收。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括如下步驟形成所述平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每一個臂，每一個臂相互之間完全相同，并且在平面上從一個臂起把另一個臂旋轉(zhuǎn)180度。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括如下步驟在所述間隙的中間限定一個中心；并且形成具有內(nèi)半徑螺旋和外半徑螺旋的平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每一個臂；以及把所述每個臂的寬度安排成隨著所述臂從所述中心向遠處擴展而增長。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述形成每個臂的步驟包括如下步驟使用對數(shù)函數(shù)來形成內(nèi)和外半徑螺旋。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括如下步驟形成每個臂，以致使得在從所述中心起的任何等距離的點處，每個臂的寬度均彼此相等并且等于每個臂之間的間隔。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟形成所述平面雙螺旋臂結(jié)構(gòu)的橫向尺度，所述橫向尺度為小于大約5英寸X小于大約2英寸。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟形成所述平面雙螺旋臂結(jié)構(gòu)的橫向尺度，所述橫向尺度為為小于大約2英寸X小于大約1英寸。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟形成所述平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每個臂，具有薄導電層，構(gòu)建在一個基板上。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟提供一個網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)與所述螺旋天線電阻抗相匹配，并且所述網(wǎng)絡(luò)從所述平面雙臂螺旋天線接收所述RF信號并且提供一個輸出信號；以及提供一個輸入電路，所述輸入電路用于接收所述輸出RF信號，并且對其進行整流以形成直流信號，所述輸入電路包括用于存儲來自所述直流信號的能量的電容器。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟構(gòu)建所述平面雙臂螺旋結(jié)構(gòu)的每個臂，具有薄導電層，構(gòu)建在基板上；以及把所述匹配和輸入電路構(gòu)建在所述基板上。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟安裝構(gòu)建在第二基板上的輸入電路；以及做出從所述匹配網(wǎng)絡(luò)到所述輸入電路的電連接。
全文摘要
一種射頻標識(RFID)標簽系統(tǒng)，包括一個具有大小合適的形式規(guī)格的平面雙臂對數(shù)螺旋天線。有兩個臂，屬于導電箔或者屬于在一個基板上的蝕刻銅鍍。所述臂采用對數(shù)方式從中心向外延伸。所述臂相互之間完全相同，但是在平面上旋轉(zhuǎn)了108度。所述臂隨著它們向外延伸而在寬度上按照比例增長，但是在從所述中心起的任何給定距離處，兩個臂的寬度彼此之間均相同，優(yōu)選地等于所述臂之間的間隔。一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接收由雙螺旋天線所接收的RF信號，并且把所述RF信號饋送給一個電路，該電路對所述信號進行整流并且對其進行倍增以便形成一個給電容器充電的直流信號。所述電子設(shè)備可以被與所述平面天線構(gòu)建在相同的基板上，但是優(yōu)選地，所述電路被構(gòu)建在第二基板上，第二基板被安裝在承載天線的基板上，產(chǎn)生合適的電連接。
文檔編號H01Q9/27GK1809948SQ03822175
公開日2006年7月26日 申請日期2003年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者P·C·祖克, R·A·羅伯茨, J·V·沃格特三世 申請人:美國快捷半導體有限公司