DE602004009304T2

DE602004009304T2 - Selbstkompensierende antennen für substrate mit unterschiedlichen dielektrizitätskonstanten

Info

Publication number: DE602004009304T2
Application number: DE602004009304T
Authority: DE
Inventors: Ian J. Forster
Original assignee: Avery Dennison Corp
Current assignee: Avery Dennison Corp
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: WO2004093243A3; EP1620922A2; ES2291903T3; DE602004009304D1; EP2309597A1; WO2004093243A2; ATE375016T1; EP1620922B1

Description

1. Erfindungsgebiet
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich der Funkfrequenzidentifikations(RFID)-Etiketten und -Kennzeichnungsschilder und insbesondere die Funkfrequenzidentifikations(RFID)-Etiketten und -Kennzeichnungsschilder, die eine selbstkompensierende Antennenstruktur enthalten, die bezüglich des Materials, an dem sie angebracht ist, eine Selbstkompensation ausführt, um eine weitgehende Impedanzanpassung mit einem solchen Material aufrechtzuerhalten, so dass ein effizientes Leistungsverhalten des Etiketts ermöglicht wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es gibt keine einfache Definition, was eine Antenne ausmacht, da alle dielektrischen und leitfähigen Objekte mit elektromagnetischen Feldern (Funkwellen) Wechselwirken. Was im Allgemeinen als Antennen bezeichnet wird, sind einfach Gebilde und Größen, die eine Spannung bei einer für den Anschluss an Schaltkreise und Vorrichtungen geeigneten Impedanz erzeugen. Nahezu alles kann bis zu einem gewissen Grade als eine Antenne wirken. Es gibt jedoch einige praktische Einschränkungen dahingehend, welche Bauformen bei RFID-Etiketten und -Kennzeichnungsschildern verwendet werden können.
Als erstes ist die Reziprozität ein Hauptgesichtspunkt bei der Wahl der Bauform. Das bedeutet, dass eine Antenne, die als ein Sender funktionieren wird, indem sie eine Spannung an ihrem(n) Anschluss(Anschlüssen) in eine abgestrahlte elektromagnetische Welle umwandelt, auch als ein Empfänger funktionieren wird, in dem eine einlaufende elektromagnetische Welle über den Anschlüssen eine Spannung erzeugen/induzieren wird. Häufig ist es einfacher, den Prozess des Sendens zu beschreiben, aber im Allgemeinen wird eine gute Sendeantenne genauso gut auch als eine Empfangsantenne arbeiten (wie bei allen Regeln gibt es Ausnahmen bei niedrigeren Frequenzen, aber für UHF im 900-MHz-Band und darüber, wo RFID-Etiketten und -Kennzeichnungsschilder gewöhnlich betrieben werden, ist das im Allgemeinen richtig).
Trotzdem ist es selbst dann, wenn die obige Bedingung erfüllt ist, schwierig zu bestimmen, was eine 'gute' Antenne ist, außer zu fordern, dass sie das macht, was von ihr gewünscht wird, wo es gewünscht wird und dass sie so aufgebaut ist, wie es gewünscht wird.
Es gibt jedoch einige Gesichtspunkte, die als Richtwerte dienen, um zu bestimmen, ob eine Antenne für einen speziellen Zweck 'gut' ist oder nicht. Wenn ein Anschluss an eine Antenne hergestellt wird, dann kann die Impedanz der Antenne bei einer gegebenen Frequenz gemessen werden. Die Impedanz wird im Allgemeinen als eine aus zwei Teilen zusammengesetzte Größe ausgedrückt: ein Wirkwiderstand R, der in Ohm angegeben wird, und ein Blindwiderstand X, der auch in Ohm angegeben wird, aber mit einem Faktor 'j' davor, um die Tatsache zu kennzeichnen, dass der Blindwiderstand eine Vektorgröße ist. Der Wert von jX kann entweder kapazitiv, wobei er eine negative Zahl ist, oder induktiv sein, wobei er eine positive Zahl ist.
Nachdem festgestellt wurde, was geschieht, wenn die Impedanz einer Antenne gemessen wird, kann die Auswirkung der beiden Teile auf die Eignung oder das Leistungsvermögen der Antenne in einer speziellen Situation untersucht werden.
Der Wirkwiderstand R setzt sich eigentlich aus zwei Dingen zusammen: dem Verlustwiderstand der Antenne, welcher die Tendenz für ein beliebiges an sie angelegtes Signal darstellt, in Wärme umgewandelt zu werden, und dem Strahlungswiderstand, welcher die Energie darstellt, die aus der Antenne 'verloren' geht, indem sie abgestrahlt wird, was das ist, was bei einer Antenne erwünscht ist. Das Verhältnis aus dem Verlustwiderstand und dem Strahlungswiderstand wird als Antennenwirkungsgrad bezeichnet. Eine Antenne mit einem geringen Wirkungsgrad mit einem großen Verlustwiderstand und einem verhältnismäßig kleinen Strahlungswi derstand wird in den meisten Situationen nicht gut arbeiten, da der Großteil einer beliebigen eingegebenen Leistung einfach als Wärme und nicht als nützliche elektromagnetische Wellen auftreten wird.
Die Auswirkungen des Blindwiderstands X sind ein wenig komplexer als die des Wirkwiderstandes R. Der Blindwiderstand X, der induktive oder kapazitive Blindwiderstand einer Antenne, dissipiert keine Energie. Tatsächlich kann er durch Einbringen eines Resonanzkreises in das System verringert werden. Für einen gegebenen Wert von +jX (eine Induktivität) gibt es einfach einen Wert von –jX (ein Kodensator), der mit ihm in Resonanz ist/ihn auslöscht, so dass nur der Wirkwiderstand R übrig bleibt.
Was ist somit das Problem? Das Problem ist die Bandbreite, die häufig unter Verwendung der Größe Q (ursprünglich Qualitätsfaktor) beschrieben wird. Um den Effekt zu verstehen, ist es nicht nötig, die Mathematik zu verstehen; einfach gesagt, wenn eine Antenne einen Wert +jX oder –jX aufweist, der eine große Induktivität oder Kapazität verkörpert, dann wird er bei einer Auslöschung durch Resonanz nur in einem sehr engen Frequenzband zu einem reinen Wirkwiderstand werden. Zum Beispiel könnte für ein System, das über das Band von 902 MHz bis 928 MHz betrieben wird, das gewünschte R nur über einige wenige Megahertz erzeugt werden, wenn eine Antenne mit hohem Blindanteil eingesetzt würde. Darüber hinaus sind Anpassungslösungen mit hohem Q/schmalem Band dahingehend instabil, dass sehr kleine Veränderungen in den Komponentenwerten oder den Bauformen große Veränderungen im Leistungsvermögen verursachen. Solche schmalbandige Lösungen mit hohem Q sind etwas, das in praktischen RFID-Etikettenbauformen zu vermeiden ist.
Ein RFID-Etikett besteht im Allgemeinen aus zwei elektrisch aktiven Teilen.

1) Der RFID-Chip mit Gleichrichtern, um eine Gleichspannung zu erzeugen; die Leistungszuführung vom ankommenden HF-Signal; die Logik, um die Identifikati onsfunktion auszuführen, und ein Impedanzmodulator, der die Eingangsimpedanz verändert, um zu bewirken, dass ein moduliertes Signal reflektiert wird; und
2) Eine Antenne gemäß obiger Beschreibung.

Grafisch kann diese Anordnung durch zwei Blöcke 54 bzw. 56 mit jeweils zwei Anschlüssen dargestellt werden, wie in 4 gezeigt ist, jeder mit einer zugehörigen Impedanz.
Wenn die Chipimpedanz (die in der Tendenz kapazitiv ist) und die Antennenimpedanz (welche wie auch immer ausgelegt ist) konjugiert zueinander sind, dann kann der Chip einfach über die Antenne hinweg angeschlossen werden, und ein verwendbares Etikett ist erzeugt worden. Für gewöhnliche RFID-Chips ist die Kapazität derart, dass bei UHF-Frequenzen eine adäquate Bandbreitenanpassung mit einem annehmbar geringen Q erreicht werden kann.
Manchmal ist es jedoch wegen Umgebungs- und Herstellungsrandbedingungen nicht so einfach, die Betriebsanforderungen für das Etikett zu erfüllen, und dann müssen andere Wege in Betracht gezogen werden, eine gute Anpassung zu erreichen. Das gebräuchlichste Verfahren, um eine gewünschte Impedanzanpassung aufrechtzuerhalten, besteht darin, zwischen der Antenne und dem Chip ein Impedanzanpassungsnetzwerk anzuordnen. Ein Impedanzanpassungsnetzwerk ist üblicherweise ein Netzwerk aus Induktivitäten und Kondensatoren, die eine Umformung sowohl des Real- als auch des Blindanteils der Eingangsimpedanz auf eine gewünschte Höhe bewirken. Diese Komponenten enthalten normalerweise keine Wirkwiderstände, da diese Energie dissipieren, was im Allgemeinen zu einem geringeren Leistungsvermögen führen wird.
Das Problem wird aufgezeigt, indem beschrieben wird, was mit einem nicht-adaptiven Etikett geschehen kann, wie es in 5 in einer 'realen' Situation veranschaulicht ist.
5 veranschaulicht eine einfache Struktur, wie einen Halbwellendipol 58 auf einer dünnen 100-pm- Polyesterfolie 60. Jeder Arm 62 ist eine viertel Wellenlänge lang. Bei 915 MHz wären das in Luft 82 mm. Die Längen der zwei Leiter und ihre Breiten sind so eingestellt, dass dann, wenn das Kennzeichnungsschild in den freien Raum (kein dielektrisches oder leitfähiges Objekt innerhalb einer Entfernung von ungefähr 3 m) gehalten wird und die relative Dielektrizitätskonstante der Umgebung 1 ist (Luft), die Impedanz der Antenne in einer vollkommenen konjugierten Anpassung zum Chip 64 vorliegt. Wird auch angenommen, dass die Leiter einen niedrigen Widerstand aufweisen und aus verhältnismäßig dickem Kupfer bestehen, dann dominiert der Strahlungswiderstand der Antenne den Wirkwiderstandsanteil ihrer Impedanz. Somit weist die Antenne einen guten Wirkungsgrad auf. Wenn versucht wird, dieses Etikett zu lesen, indem es aus einem Abstand mit einer HF-Quelle bestrahlt wird, so ist es nicht überraschend, dass es ganz gut funktioniert, und bei einer Leistung und Frequenzen, die für gebräuchliche RFID-Chips angemessen sind, gibt es einen Bereich von ungefähr 3 m.
Wird nun die Umgebung verändert, wie es in 6 dargestellt ist, wobei das 'vollkommene' Etikett, das oben in 5 beschrieben wurde, auf einen Block 66 aus Kunststoff aufgeklebt wird, der 30 mm dick ist und eine Dielektrizitätskonstante von 2,5 und nicht eine Dielektrizitätskonstante von 1 wie in Luft hat.
Wird nun versucht, dieses Etikett zu lesen, dann wird festgestellt, dass der Lesebereich nicht mehr 3 m, sondern stattdessen 0,5 m ist.
Diese Veränderung des Lesebereiches wird durch die Tatsache verursacht, dass die ursprüngliche Antennenbauform auf der Annahme beruhte, dass sich die Antenne in Luft befindet, die eine Dielektrizitätskonstante von 1 aufweist, und auf einer sehr kleinen, dünnen Kunststoffschicht angebracht ist, welche die effektive Dielektrizitätskonstante, die von der Antenne 'gesehen' wird, nur um einen kleinen Betrag verändert. Wird nun gewünscht, dass die Arme der Antenne so lang sind wie eine viertel Wellenlänge, dann würde die folgende Formel verwendet werden: c(Lichtgeschwindigkeit, ungefähr 3 × 108 m/s) = f(Betriebsfrequenz in Hz)·λ(Wellenlänge in m).
Wird die Antenne nun jedoch auf einen Block aus einem Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante geklebt, dann wird sie nicht länger in einem Medium betrieben, das eine Dielektrizitätskonstante von 1 aufweist. Die effektive Dielektrizitätskonstante des Blocks kann veränderlich sein mit Werten zwischen 1 und 2,5. Zum Zwecke der Veranschaulichung sei die Dielektrizitätskonstante, die von der Antenne 'gesehen' wird, gleich 2. In diesem Medium ist die Lichtgeschwindigkeit c nicht länger 3 × 10⁸ m/s. Sie wird tatsächlich um die Quadratwurzel der relativen Dielektrizitätskonstante verringert und ist nun 2,12 × 10⁸. Da c abgenommen hat, nimmt bei einer gegebenen Frequenz auch die Wellenlänge λ ab, aber die Achsen der Antenne haben noch dieselbe Länge. Eine viertel Wellenlänge ist nun ungefähr 58 mm, aber die Antenne weist Elemente auf, die 82 mm lang sind. Folglich wird die Impedanz, die dem Chip durch die Antenne angeboten wird, nicht länger eine konjugierte Anpassung sein, und eintreffende Leistung geht durch Reflexion verloren, was die Abnahme des Lesebereichs für das Etikett erklärt.
Wenn die Etiketten dafür ausgelegt sind, auf 30-mm-Kunststoffblöcken befestigt zu werden, und die Blöcke immer die gleiche Dielektrizitätskonstante und Größe aufweisen, dann können die Etiketten mit 58 mm langen leitfähigen Armen hergestellt werden, und der Bereich wird auf nahezu 3 Meter zurücksteigen.
Aber was ist, wenn das nicht der Fall ist? Was ist, wenn die Etiketten zwar mit Blöcken verwendet werden, die immer 30 mm dick sind, aber die Dielektrizitätskonstante der Blöcke auf eine unvorhersagbare Weise zwischen 2 und 7 schwankt, was im Voraus nicht gesteuert werden kann? Manchmal wird die Bauform mit 58-mm-Armen gut funktionieren. Einen Großteil der Zeit über wird sie es nicht, da der Chip und die Antenne wegen der effektiven Dielektrizitätskonstante und der daraus folgenden Wellenlängenveränderung stark fehlangepasst sind.
Könnte jedes Etikett einzeln abgeglichen werden, nämlich durch Abstimmen der Armlänge und/oder Hinzufügen eines Anpassungsnetzwerks, das aus abstimmbaren Kondensatoren und Induktivitäten besteht, dann könnte erreicht werden, dass das Etikett unabhängig von der Dielektrizitätskonstanten des Blocks funktioniert, aber das wäre aus betriebswirtschaftlicher Sicht nicht praktikabel.
Deshalb ist für dünne Etiketten in der Art von Kennzeichnungsschildern, die zum Anbringen an Erzeugnissen ausgelegt sind, das Leistungsvermögen des Etiketts, wenn es tatsächlich an einem speziellen Erzeugnis eingesetzt wird, ein wichtiges, wenn nicht das wichtigste, kritische Merkmal der Baugruppe. Wie oben dargelegt wurde, optimieren Konstrukteure das Leistungsvermögen des Etiketts häufig für den 'freien Raum', eine Bezugsgröße, bei der im Allgemeinen eine nominelle relative Dielektrizitätskonstante von 1 vorgegeben wird. In der Realität weisen jedoch die Objekte, an denen die Kennzeichnungsschilder angebracht sind, oft keine Dielektrizitätskonstante von 1 auf, sondern weisen stattdessen Dielektrizitätskonstanten auf, die in einem weiten Bereich veränderlich sind. Zum Beispiel wird ein Kennzeichnungsschild, das eine Dipolantenne aufweist, die für den 'freien Raum' ausgelegt und optimiert ist, und das stattdessen an einem Objekt angebracht wird, welches eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die sich von der des 'freien Raumes' unterscheidet, ein vermindertes Leistungsvermögen aufweisen, was sich gewöhnlich in einem reduzierten Funktionsbereich und in anderen Leistungsschwächen äußert, wie oben dargelegt wurde.
Solange Erzeugnisse, die Substrate mit unterschiedlichen festen Dielektrizitätskonstanten aufweisen, einbezogen werden können, indem die Antennenkonstruktion gegenüber der Konstruktion für den 'freien Raum' abgeändert wird, um die neue Dielektrizitätskonstante zu berücksichtigen, wird der Etikettenhersteller durch diese Konstruktionsveränderung folglich gezwungen, eine breitere Auswahl von Kennzeichnungsschildern oder Etiketten herzustellen, möglicherweise einen unterschiedlichen Typ für jedes Zielerzeugnis, für welches das Etikett angewendet werden kann, was die Kosten erhöht und ein Lagerhaltungsproblem für die Etikettenhersteller nach sich zieht.
Wenn die Etiketten auf verschiedenen Materialtypen zu verwenden sind, die einen Bereich von veränderlichen Dielektrizitätskonstanten aufweisen, dann besteht das beste Konstruktionsergebnis, das durch den Konstrukteur des Etiketts oder Kennzeichnungsschilds erreicht werden kann, in der Konstruktion oder Einstellung des Etiketts für den mittleren Wert aus dem Bereich der Dielektrizitätskonstanten, wobei ein verringertes Leistungsvermögen und mögliche Ausfälle, die durch eine merkliche Verstimmung in speziellen Fällen verursacht werden, akzeptiert werden.
Die vorliegende Erfindung behandelt und löst die Probleme, die bei dem Versuch auftreten, eine Antennenstruktur für den Einsatz mit einem RFID-Etikett oder -Kennzeichnungsschild zu konstruieren und herzustellen, das auf Flächen anzubringen ist, die einen breiten Bereich von Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
Da es unwahrscheinlich ist, dass ein Etikett hergestellt werden kann, das alle Werte der Dielektrizitätskonstante vollkommen kompensieren kann, ist die vorliegende Erfindung insbesondere darauf ausgerichtet, die Probleme zu lösen, die bei dem Versuch der Konstruktion und Herstellung eines Etiketts auftreten, das in der Lage ist, auf einer Vielfalt von Materialien zu funktionieren, welche einen Bereich von Werten von Dielektrizitätskonstanten aufweisen, so dass ein hoher Leistungswirkungsgrad des Etiketts oder Kennzeichnungsschildes aufrechterhalten wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein RFID-Etikett oder -Kennzeichnungsschild bereitzustellen, das in der Lage ist, auf einer Vielfalt von Materialien zu funktionieren, welche einen Bereich von Werten von Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
Im Allgemeinen ist die Erfindung in einem elektronischen Kennzeichnungssystem in Kombination mit einem dielektrischen Material ausgeführt und umfasst ein dielektrisches Material sowie ein drahtloses Kommunikationssystem, das in der elektrischen Nachbarschaft des dielektrischen Materials angebracht ist. Das drahtlose Kommunikationssystem schließt das Vorhandensein einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung ein, die mit einem Antennensystem verbunden ist, das mindestens einen leitfähigen Stift aufweist, wobei sie eines oder beides von dem Folgenden enthält:

(a) mehrere elektrische Komponenten, die ausgewählt sind, ein Impedanzanpassungsnetzwerk auszubilden, die an den leitfähigen Stift und die drahtlose Kommunikationsvorrichtung angekoppelt sind. Die elektrischen Komponenten Wechselwirken elektrisch mit dem dielektrischen Material, um eine weitgehende Impedanzanpassung zwischen dem Antennensystem und der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung aufrechtzuerhalten; und
(b) ein Strukturelement, das einen frequenzselektiven Nebenschluss-Sperrkreis ausbildet, der in dem leitfähigen Stift ausgebildet ist und elektrisch mit dem dielektrischen Material wechselwirkt, um eine weitgehende Impedanzanpassung zwischen dem Antennensystem und der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung aufrechtzuerhalten.

Das erfindungsgemäße drahtlose Kommunikationssystem schließt in einer bevorzugten Ausführungsform ein, dass das Antennensystem direkt am dielektrischen Material angebracht ist, das ein dielektrisches Substrat umfasst.
In noch einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform schließt die Erfindung ferner ein, dass das Antennensystem des erfindungsgemäßen drahtlosen Kommunikationssystems auf einer Stützschicht angebracht ist, die zwischen dem dielektrischen Material, das ein dielektrisches Substrat umfasst, und dem Antennensystem liegt, wobei die Stützschicht am dielektrischen Substrat befestigt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine idealisierte Dipolantenne im freien Raum;
2 ist ein Kondensator, von dem dargestellt ist, dass er auf einem dielektrischen Material angebracht ist;
3 ist eine Antennenstruktur, in der die vorliegende Erfindung ausgeführt ist, um ihre effektive Länge so zu verringern, wie sich die Dielektrizitätskonstante des Materials verändert, auf dem sie angebracht ist;
4 ist ein Blockdiagramm eines RFID-Etiketts;
5 ist ein Blockdiagramm eines idealisierten nicht adaptiven RFID-Etiketts, das auf einem Material angebracht ist, das einen kleinen Wert der Dielektrizitätskonstanten aufweist;
6 ist ein Blockdiagramm eines nicht adaptiven RFID-Etiketts, das auf einem Material angebracht ist, das einen größeren Wert der Dielektrizitätskonstanten aufweist, als der Wert des Materials in 5;
7 ist ein Interdigitalkondensator;
8 ist eine Querschnittsansicht genommen längs der Linie 7-7 von 7 in der dargestellten Richtung;
9 ist eine Querschnittsansicht ähnlich zu der von 8, wobei der Kondensator auf einem dickeren Material angebracht ist, als jenes des Kondensators in 8;
10 ist eine Mäanderinduktivität;
11 ist eine RFID-Etikettstruktur, mit der die vorliegende Erfindung ausgeführt wird und in der Mäanderinduktivitäten verwendet werden;
12 ist eine RFID-Etikettstruktur zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ähnlich der in 11 dargestellten Struktur, wobei das Etikett auf einem dickeren Material angebracht ist als jenes des Etiketts in 11 und
13 ist ein RFID-Etikett zur Ausführung der vorliegenden Erfindung, das eine Faltdipol-Antennenstruktur einschließt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, dass das Etikett auf einem beliebigen Materialblock, der eine Dielektrizitätskonstante aufweist, funktionsfähig gemacht werden könnte, wenn jedes Etikett einzeln unter Verwendung variabler Kondensatoren und Induktivitäten abgestimmt werden könnte oder indem die Armlänge verändert würde. Das kann praktisch nicht ausgeführt werden, aber wenn der Wert und die Beschaffenheit der Kondensatoren und Induktivitäten in dem Anpassungsnetzwerk neben der Antenne gedruckt werden und die Elemente, welche die Länge der Arme abgleichen, eine Funktion der Dielektrizitätskonstanten des Substrats selbst sind, dann könnte sich das Etikett mit einer geeigneten Konstruktion selbst abgleichen.
Um die Konzepte und bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen, wird als Veranschaulichungsbeispiel eine einfache Halbwellen-Dipolantenne 10 betrachtet, wie sie in 1 dargestellt ist. Im freien Raum wird die Antenne in ihrer einfachsten Form bei der Frequenz effizient arbeiten, in der die zwei Elemente 12 von gleicher Länge und gleich einem Viertel einer Wellenlänge in dem Medium sind, in der sie angeordnet ist. Die Impedanz Z einer derartigen Antennenstruktur ist 77 Ohm resistiv.
Würde diese Antenne jedoch genommen und auf eine Fläche mit einer gegebenen Dicke und Dielektrizi tätskonstanten gestellt, dann würde die Antenne ihre Betriebskenngrößen verändern. Die genaue Beschaffenheit der Veränderung in den Betriebskenngrößen hängt von der speziellen Antenne ab, aber im Allgemeinen wird der optimale Betriebsfrequenzbereich der Antenne verringert. Die Veränderung äußert sich auf verschiedene Art und Weise: Die Antenne bekommt einen Blindanteil.
Der Strahlungswiderstand verändert sich und kann bewirken, dass der Antennenwirkungsgrad, der als das Verhältnis des Strahlungswiderstandes zur Summe aus dem Verlustwiderstand und dem Strahlungswiderstand dargestellt wird, abnimmt.
Im Ergebnis des oben Gesagten wird sich die Impedanzanpassung zwischen dem RFID-Chip und der Antenne verschlechtern, was zu einem Fehlanpassungsverlust und folglich zu einem Verlust an dem optimalen Betriebsfrequenzbereich für die Antennenstruktur führt.
Um die obigen Auswirkungen abzumildern, sind zwei Hauptverfahren verfügbar:

1) Einführen eines Impedanzanpassungsnetzwerks zwischen dem Chip und der Antenne, welcher eine Impedanzanpassung der beiden ausführt, wobei die Leistungsübertragung zwischen dem Chip und der Antenne maximiert wird;
2) Verändern der effektiven Länge der Antenne, so dass sie im Resonanzzustand verbleibt. Diese Verfahren können einzeln verwendet werden, oder sie können in Kombination verwendet werden, so dass sich eine Mischform der beiden ergibt.

Die Antenne wird als eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen mit einer komplexen Impedanz Z_a angesehen; der RFID-Chip ist auch eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen mit einer komplexen Impedanz Z_c. Für eine optimale Leistungsübertragung sollten die beiden angepasst werden, d. h. Z_a 'sieht' das komplex Konjugierte von sich selbst. Um Z_c in das komplex Konjugierte von Z_a zu überführen, stellt die Erfindung eine Struktur von Elementen bereit, die als ein Impedanzanpassungsnetzwerk bezeichnet wird. Ein Impedanzanpassungsnetzwerk kann aus einer breiten Vielfalt von konzentrierten Elementen (Kapazitäten, Induktivitäten, Umformern) oder Übertragungsleitungselementen bestehen; für dieses nicht einschränkende Beispiel werden nur konzentrierte Elemente betrachtet, da diese kompakter und einfacher zu modellieren und zu diskutieren sind als Übertragungsleitungselemente.
Um ein Impedanzanpassungsnetzwerk herzustellen, das seine Kenngrößen mit der Dielektrizitätskonstanten und der Dicke des Substratmaterials, auf dem es angebracht ist, verändert, nutzt die Erfindung vorzugsweise einige wenige grundlegende Mechanismen. Der grundlegendste, ein Kondensatoren, ist in 2 dargestellt.
In 2 sind zwei leitfähige Platten 14 dargestellt, die auf einem Substrat 16 aufgesetzt oder gedruckt sind. Die Kapazität zwischen diesen Platten ist eine Funktion des Abstandes, der Größe und – was wichtig ist – der Dielektrizitätskonstanten des Substrats. Im Allgemeinen nimmt bei einer Zunahme der relativen Dielektrizitätskonstanten (E_r) auch die Kapazität C zwischen den Platten zu. In 7 ist ein spezieller Typ eines Kondensators gezeigt, mit welchem die vorliegende Erfindung ausgeführt wird. Der Kondensator 18 wird durch die Querkopplung von elektromagnetischen Feldern gebildet, die zwischen den Kondensator-"Fingern" 20, 22 ausgebildet sind, und er wird allgemein als ein Interdigitalkondensator bezeichnet. Der Wert des Kondensators ist eine Funktion des Abstandes zwischen den Fingern, der Anzahl der Finger, der Abmessungen der Finger und – was entscheidend ist – der Dielektrizitätskonstanten des Materials, auf dem der Kondensator angebracht ist.
Beim Betrachten des Querschnitts durch den Kondensator von 7 gemäß der Darstellung in 8 kann erkannt werden, wie sich das elektrische Feld ausbreitet und wo es konzentriert ist.
Zuerst wird der Originalzustand betrachtet, in dem sich das Etikett mit dem gedruckten Interdigitalkondensator in Luft befindet. Die Dielektrizitätskonstante zwischen abwechselnden Fingern ist die des oben besprochenen 100-μm-Films. Die Kapazität zwischen den Fingern des Kondensators ist eine Funktion der Dielektrizitätskonstanten in der Umgebung der Finger, da sich das elektrische Feld ausbreitet, und so wird sie einen Anfangswert von C₁ aufweisen.
9 veranschaulicht, was passiert, wenn der Kondensator auf einem 30 mm dicken Block 24 angeordnet wird, der eine Dielektrizitätskonstante irgendwo zwischen 2 und 7 aufweist.
Das elektrische Feld breitet sich nun auch in dem Block aus, und deshalb gibt es eine Querkopplung zwischen den Fingern des Kondensators. Die Kapazität C₂ wird durch die Anwesenheit des Blocks und entscheidend durch die Dielektrizitätskonstante des Materials beeinflusst. Somit umfasst diese Anordnung eine Komponente, die eine Kapazität (C) aufweist, welche eine Funktion der relativen Dielektrizitätskonstanten des Blocks ist, auf dem sie angebracht ist, d. h. C = f(E_r), wobei E_r die relative Dielektrizitätskonstante des Blocks ist. Die Kapazität der Komponente wird auch eine Funktion der Blockdicke sein, da ein dünnerer Block weniger elektromagnetisches Feld in sich enthalten wird, und somit wird die Kapazität für ein gegebenes E_r um einen kleineren Wert anwachsen.
Für Induktivitäten sind mehrere Strukturen möglich; die einfachste ist eine Spiral- oder Mäanderinduktivität 26, wie sie in 10 dargestellt ist. Diese Struktur weist wegen der Kapazität zwischen den Windungen eine Eigenresonanz auf; folglich kann der Nettoinduktivitätswert auch zu einer Funktion des Substrats E_r gemacht werden.
In Luft wird die Mäanderinduktivitätskomponente einen bestimmten Induktivitätswert L aufweisen. Wird sie auf Materialien signifikanter Dicke mit höheren Dielektrizitätskonstanten angeordnet, dann vergrößert sich die kapazitive Querkopplung zwischen den Mäandern, was eine Abnahme der Gesamtinduktivität verursacht.
In 11 ist eine vereinfachte Veranschaulichung dargestellt, wie diese Mäanderinduktivitätskomponente in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei eine Dipolantenne 28 mit den Elementen 30 durch Mäanderinduktivitäten 34 an einen RFID-Chip 32 angeschlossen ist. Antenne, Induktivitäten und Chip sind auf einem dielektrischen Material 36 angebracht, indem sie darauf gedruckt, daran geklebt oder in irgendeiner gebräuchlichen Weise daran befestigt sind.
12 zeigt wie auch 11, wo die Mäanderinduktivitäten 34 zwischen der Dipolantenne 28 und dem Chip 32 hinzugefügt wurden; wie zuvor sind durch die Induktivitäten der Chip und der Dipol in Luft (oder bei der niedrigsten Dielektrizitätskonstanten E, auf welcher die Etiketten anzubringen sind) in einer konjugierten Anpassung zueinander.
Wenn die Dipolantenne 28 auf einem Substrat 38 mit einer höheren Dielektrizitätskonstanten E_r angeordnet wird, dann ist wie zuvor die Antenne bei der gewählten Betriebsfrequenz nun zu lang. Dies zeigt sich in erster Linie dadurch, dass die Antenne zu einer Induktivität wird, das heißt, +jX nimmt zu. Ohne eine Kompensation zwischen der Antenne und dem Chip würde sich die Impedanzanpassung und folglich das Leistungsvermögen des Etiketts verschlechtern. Die Mäanderinduktivitäten haben jedoch den Induktivitätswert verringert und tragen so ein kleineres +jX zum Schaltkreis bei, so dass mit einer geeigneten Konstruktion eine gute Anpassung aufrechterhalten wird.
Die Verwendung eines einzigen Elements, wie oben dargelegt wurde, zeigt das Prinzip, dass der Wert einer Komponente von den Kenngrößen des Substrats abhängig ist, auf dem sie angeordnet ist. Es kann eine Anzahl anderer Komponenten, einschließlich mehrerer Kondensatoren, Induktivitäten und Übertragungsleitungselemente (die als Umformer dienen können), hergestellt werden, die auf einem Film neben einer Antenne ausgebildet werden können und die auf die verschiedenen Dielektrizitätskonstanten des Substratmaterials und seine Dicke ansprechen, welche zueinander parallel oder in Reihe wirksam werden, um einen vom Substrat abhängigen veränderlichen Blindwiderstand zu erzeugen. Diese vom Substrat abhängigen veränderlichen Blindwiderstandskomponenten können verwendet werden, um die Antennen/Chip-Kombination neu abzustimmen und neu anzupassen, so dass das Leistungsvermögen einiger Antennentypen über einen bestimmten Bereich von Substratkenngrößen hinweg aufrechterhalten bleibt.
Eine Verwendung dieser Komponenten allein ist jedoch nicht immer die beste Lösung. Ein weiterer Ansatz, der auch die vorliegende Erfindung ausführt, besteht in der Veränderung der effektiven Länge einer Antenne, und es werden nun einige vereinfachte bevorzugte Verfahren beschrieben, das zu tun.
Es wurde festgestellt, dass die Oberflächenmerkmale einer Struktur auf das Substrat reagieren können. Es wurde auch gezeigt, dass es unter gewissen Umständen zweckmäßig sein würde, zum erneuten Abstimmen einer Antenne die effektive Länge zu verändern. Die vorliegende Erfindung umfasst Konstruktionen, die ein Oberflächenmerkmal für das Neuabstimmen einer Antenne verwenden.
Eine der einfachsten Antennen, die für diesen Zweck in Betracht zu ziehen sind, ist der Faltdipol 40, wie er in 13 dargestellt ist.
Zunächst wird die Gesamtlänge der Schleife 42 der Faltdipolantenne so eingestellt, dass sie eine gute Anpassung an die minimale Dielektrizitätskonstante liefert, für die das Etikett ausgelegt ist betrieben zu werden, zum Beispiel mit einem 30-mm-Block mit einer Dielektrizitätskonstanten von E_r = 2.
Die adaptiven Elemente 44 sind vorzugsweise gedruckte abgestimmte Reihenschaltungen, die aus einer Induktivität, die ein einfacher Mäander aus einer schmalen Linie ist, und einem Interdigitalkondensator bestehen, wie zuvor dargelegt und veranschaulicht wurde. Der Wert der Induktivität und des Kondensators ist derart, dass auf Materialien mit einer Dielektrizitätskonstanten von E_r = 2 die Resonanzfrequenz über 915 MHz liegt, da der Kondensatorwert klein ist. Wird nun das komplette Etikett auf einem 30-mm-Substrat mit einer Dielektrizitätskonstanten von E_r = 4 angeordnet, dann ist die richtige Länge der Schleife für den Faltdipol nun kürzer. Der Kondensator innerhalb des adaptiven Elements hat jedoch seinen Wert erhöht, so dass die Schleife bei 915 MHz zur Resonanz gebracht wird. Das adaptive kapazitive Element wirkt nun wie ein Kurzschluss, der einen Weg mit einer reduzierten Länge für den HF-Strom bereitstellt, welche idealerweise genau die Weglänge ist, um die Antenne in eine richtige Anpassung mit dem Chip auf Materialien mit einer Dielektrizitätskonstanten E_r = 4 zu bringen.
Das ist ein Beispiel, in dem Substrateigenschaften verwendet werden, wie in der vorliegenden Erfindung ausgeführt, um die effektive Länge einer Antenne zu adaptieren. Alternativ können verteilte Ausführungen in Betracht gezogen werden, wo die Induktivität und die Kapazität über die Antennenlänge hinweg ausgedehnt sind.
Alle Werte und Zahlen in den Beispielen sind nur als Richtwert vorgesehen und stellen keine realen Bauformen von Antennen und RFID-Etiketten dar.
Diese kapazitiven und induktiven Elemente können in Reihen- und/oder Parallelkombinationen verwendet werden, und sie können es in Kombination mit einer ausgewählten Antennenbauform potenziell ermöglichen, dass die Impedanzanpassung bei einer Veränderung des Substrats E_r angeglichen wird, so dass es möglich wird, das Antennenleistungsvermögen aufrechtzuerhalten.
Eine alternative Struktur wäre eine Struktur, welche die effektive Länge der Antenne abgleicht. Wenn eine Antenne auf oder in einem Medium mit einem unterschiedlichen E_r angeordnet wird, dann verändert sich die Wellenlänge einer festgelegten Frequenz. Die ideale Länge für diese Antenne im Medium, um einen geringen oder verschwindenden Blindwiderstand und einen nutzbaren Strahlungswiderstand zu erhalten, wäre kürzer.
Deshalb würde eine Antenne, die ihre effektive Länge reduziert, wenn sich die Dielektrizitätskonstante des Substrats verändert, eine Kompensation liefern. Eine Strukturkonzept, mit dem das erreicht werden kann, ist unten in 3 dargestellt. Das ist ein nicht einschränkendes Beispiel, da auch eine Anzahl anderer Konstruktionsentwürfe unter Verwendung der Erfindungsgrundgedanken der vorliegenden Erfindung möglich ist.
Hier ist in 3 ein gekrümmter Abschnitt eines Leiters 46 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, der dafür ausgelegt ist, auf einem Substrat mit veränderlichem E_r angeordnet zu werden. Dieser würde einen Teil der zwei Arme einer Dipolantenne bilden. Es kann mehr als ein Abschnitt verwendet werden. Der Leiter 46 weist zwei mögliche Wege auf, auf denen der Strom fließen kann, die äußere Kurve 48 und die innere Kurve 50. Die Länge des Übertragungsweges unterscheidet sich tatsächlich zwischen diesen zwei Kurven. Der Schlitz 52 wirkt als ein Kondensator; wenn das Substrat E_r seinen Wert der Dielektrizitätskonstanten vergrößert, dann nimmt die Kapazität zwischen den zwei strahlenförmig wegführenden Abschnitten gleichermaßen zu, aber der effektive Übertragungsweg nimmt in der Länge ab.
Alternativ könnte die Querkopplung zwischen einer einfachen Wellenformatstruktur auch dafür ausgelegt sein, eine Kompensation bereitzustellen.

Claims

Drahtloses Kommunikationssystem, das umfasst: eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung (32) und ein Antennensystem (10, 28, 40), das mindestens einen leitfähigen Stift (12, 30, 42) enthält und das mindestens eines oder beides von dem Folgenden enthält: (a) mehrere elektrische Komponenten, die ausgewählt sind, ein Impedanzanpassungsnetzwerk auszubilden, das an mindestens einen leitfähigen Stift und die drahtlose Kommunikationsvorrichtung angekoppelt ist, wobei die elektrischen Komponenten mit beliebigen der unterschiedlichen dielektrischen Materialien in der Nachbarschaft des Antennensystems elektrisch Wechselwirken, um eine Selbstkompensation für die unterschiedlichen dielektrischen Kenngrößen der unterschiedlichen dielektrischen Materialien auszuführen, um eine weitgehende Impedanzanpassung zwischen dem Antennensystem und der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung aufrechtzuerhalten; und (b) ein Strukturelement, das einen frequenzselektiven Nebenschluss-Sperrkreis (44) ausbildet, der in dem leitfähigen Stift ausgebildet ist und elektrisch mit beliebigen der unterschiedlichen dielektrischen Materialien in der Nachbarschaft des Antennensystems wechselwirkt, um eine Selbstkompensation für die unterschiedlichen dielektrischen Kenngrößen der unterschiedlichen dielektrischen Materialien auszuführen, um eine weitgehende Impedanzanpassung zwischen dem Antennensystem und der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung aufrechtzuerhalten.
Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei das Antennensystem die mehreren elektrischen Komponenten enthält.
Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 2, wobei die mehreren elektrischen Komponenten einen Kondensator (14, 18) aufweisen, dessen elektrischer Kennwert durch die Wechselwirkung mit den dielektrischen Materialien verändert wird.
Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 3, wobei der Kondensator ein Interdigitalkondensator (18) ist.
Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die mehreren elektrischen Komponenten eine Induktivität aufweisen.
Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 5, wobei die Induktivität eine Mäanderinduktivität (26, 34) ist.
Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk mindestens einen Schaltkreis aus kapazitiven elektrischen Komponenten aufweist, der in Reihe zwischen dem mindestens einen leitfähigen Stift und der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung liegt.
Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk mindestens einen Schaltkreis aus induktiven elektrischen Komponenten aufweist, der in Reihe zwischen dem mindestens einen leitfähigen Stift und der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung liegt.
Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Antennensystem das Strukturelement enthält.
Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 9, wobei das Strukturelement einen Kondensator (14, 18) enthält.
Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei der Kondensator ein Interdigitalkondensator (18) ist.
Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Strukturelement eine Lücke (52) enthält, die in dem leitfähigen Stift ausgebildet ist, der elektrisch mit dem dielektrischen Material wechselwirkt, um ein kapazitives Element auszubilden, welches den selektiven Nebenschluss-Sperrkreis bereitstellt, der in dem leitfähigen Stift ausgebildet ist.
Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Strukturelement eine Induktivität enthält.
Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 13, wobei die Induktivität eine Mäanderinduktivität (26) ist.
Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Kombination mit einem dielektrischen Material (16, 24, 38), das in elektrischer Nachbarschaft zu dem drahtlosen Kommunikationssystem angebracht ist.
Kombination nach Anspruch 15, wobei das dielektrische Material ein dielektrisches Substrat enthält und wobei das Antennensystem direkt am dielektrischen Substrat angebracht ist.
Kombination nach Anspruch 15, wobei das dielektrische Material ein dielektrisches Substrat enthält und wobei das Antennensystem direkt auf einer Stützschicht angebracht ist, die zwischen dem dielektrischen Substrat und dem Antennensystem liegt, wobei die Stützschicht an dem dielektrischen Substrat befestigt ist.