TWI437819B - Radio frequency identification tag - Google Patents

Description

射頻辨識標籤

本發明是有關於一種射頻辨識標籤，特別是指一種間接耦合之射頻辨識標籤。

RFID(Radio Frequency Identification)標籤天線是由一個RFID晶片與一個標籤天線組合而成，透過該標籤天線來接收一RFID讀取器的無線電通訊訊號，並傳送或更新該RFID晶片內部所記錄的資料或識別碼，RFID標籤天線具有讀取速度快、讀取距離長、無需目視下讀取、可同時讀取多個且不受髒污影響等優點，因此，在物流管理、門禁管制、流程追蹤...等等，皆可看到RFID技術的應用。

RFID技術在應用上，該標籤天線的設計技術是影響應用成敗的關鍵，其原因包括：天線的設計決定成本的高低、可操作頻寬的大小，性能的優劣、可適用的對象...等，因此，在近幾年所發表有關RFID標籤天線設計議題的期刊相當多，所申請的專利案數量也很可觀。

在RFID標籤天線的設計上，由於RFID晶片的特性阻抗不是純電阻性，而是同時具有電阻性與電容性的複數阻抗特性，因此，在設計上有別於傳統的50歐姆天線的設計方式，為了能夠讓RFID晶片與天線之間的能量傳輸達到最佳化，故如何有效設計出可與晶片特性阻抗共軛匹配，成為RFID標籤天線設計上努力的目標。

此外，世界各國所規定合法操作頻段不盡然相同，如美國為902~928MHz、台灣為922~928MHz、日本為950~956MHz，而歐洲則為866~869MHz，故如何設計一個寬頻標籤天線(860~960MHz)，以同時相容於世界各國的UHF RFID系統，也同樣是RFID標籤天線設計上努力的方向。

如圖1所示，為US2006/0158380美國發明申請案之RFID標籤天線，該RFID標籤天線是以電感耦合方式來實現共軛阻抗匹配與寬頻特性的設計，並配合圖2所示的等效電路來描述該標籤天線的特性，其特徵在於，虛部阻抗可完全由一迴圈單元11之耦合訊號源所決定，而操作中心頻率則完全由一幅射結構12所決定，再由兩者間的耦合間距來實現寬頻的要求。

然而，需要設計一高虛部阻抗(>j200歐姆)的標籤天線時，需要較大尺寸的迴圈結構11，才能獲得所需的高虛部阻抗特性，但當迴圈電流路徑長度大於十分之一波長時，該迴圈結構11本身的幅射特性即會突顯出來，因此，該RFID標籤天線之等效電路(如圖2所示)即不再適用，此外，採用電感耦合的方式，在阻抗頻寬調整的自由度上有限，若要實現更大頻寬的設計較不容易，且其操作頻段的調控完全取決於幅射結構的共振頻率，在設計上的彈性度較低。

因此，本發明之目的，即在提供一種可提高頻寬並使其能量傳輸最佳化的射頻辨識標籤。

於是，本發明射頻辨識標籤，包含一基片、一饋入單元，及一晶片。

該饋入單元是設置在該基片上，且具有一迴圈導體圖案，及一與該迴圈導體圖案並聯的負載導體圖案。

該晶片是設置在該饋入單元之迴圈導體圖案上，且與該迴圈導體圖案電連接。

本發明之功效在於，藉由該饋入單元之迴圈導體圖案與負載導體圖案的設計，分別產生等效電感性與電容性的電路，較容易實現對其本身共振頻率的調控，故可透過調控該迴圈導體圖案與負載導體圖案的尺寸達到共軛匹配的效果，使得阻抗調整的形式更加多元，進而使其設計的彈性度較高，以易於實現縮小化的設計。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之五個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

如圖3、4所示，為本發明射頻辨識標籤的第一較佳實施例，為小尺寸的近場式RFID標籤天線，該射頻辨識標籤包含一基片2、一饋入單元3，及一晶片4。

該饋入單元3是設置在該基片2上，且具有一迴圈導體圖案31，及一與該迴圈導體圖案31並聯的負載導體圖案32，其中，該饋入單元3之迴圈導體圖案31呈方框狀，且具有一第一邊部311，及一與該第一邊部311相對的第二邊部312，而該晶片4是設置在該第二邊部312上，該基片2可為PET樹脂或ABS樹脂的可撓性材料，在本實施例中，該負載導體圖案32為指叉電容，且具有兩相間隔並連接該迴圈導體圖案31之第二邊部312的延伸部321，該等延伸部321是呈指叉狀(圖3為單組指叉電容，圖4為雙組指叉電容)。

該晶片4內部具有積體電路，該晶片4是設置在該饋入單元3之迴圈導體圖案31上，並與該迴圈導體圖案31電連接。

該饋入單元3之迴圈導體圖案31可產生具有電感性的等效電路，該負載導體圖案32可產生具有電容性的等效電路，該射頻辨識標籤的共振頻率是由該電感性與電容性的等效電路所決定，因此，本發明射頻辨識標籤不僅可縮小本身的尺寸，更可利用調整該迴圈導體圖案31與負載導體圖案32的相對位置，調整共振頻率，達到共軛匹配的效果，使得阻抗調整的形式更加多元，進而使其設計的彈性度高。

如圖5、6所示，為本發明射頻辨識標籤的第二較佳實施例，大致上是與第一較佳實施例相同，不同之處在於：該負載導體圖案32為微帶線電容，且具有兩相間隔並連接該迴圈導體圖案31之第二邊部312的延伸部321，如圖5所示為垂直式微帶線電容，該等延伸部321是自該第二邊部312向外直向延伸，如圖6所示為水平式微帶線電容，該等延伸部321，是自該第二邊部312向外彎折延伸，本實施例藉由該微帶線電容可達到微調電容值的效果。

如圖7所示，為本發明射頻辨識標籤的第三較佳實施例，大致上是與第一較佳實施例相同，不同之處在於：該負載導體圖案32是呈方框形且連接該迴圈導體圖案31之第二邊部312，並位於該迴圈導體圖案31內，該負載導體圖案32具有一個SMD電容，而SMD電容具有較佳的操作效果，但其成本較高。

如圖8、9所示，本發明射頻辨識標籤的第四較佳實施例，大致上是與第一較佳實施例相同，不同之處在於：該負載導體圖案32為金屬片且設置在該基片2表面，該饋入單元之3迴圈導體圖案31與負載導體圖案32是呈相反面地設置在該基片2上，而該負載導體圖案32也可以如圖10所示之設計成ㄇ字型，本實施例金屬片式的電容能夠達到較佳的操作效果，但製作過程繁複，其成本較高。

如圖11所示，為本發明射頻辨識標籤的第五較佳實施例，大致上是與第一較佳實施例相同，不同之處在於：該射頻辨識標籤更包含一設置在該基片2上的幅射單元5，該幅射單元5具有一與該迴圈導體圖案31之第一邊部311相間隔的天線導體圖案51。

在本實施例中，該饋入單元3之負載導體圖案32為雙指叉電容，當然，也可以隨著該射頻辨識標籤的使用需求，進而換置成SMD電容、微帶線電容或金屬片式電容等等，另外，該天線導體圖案51也能夠呈現多種的形式，如圖12所示，該天線導體圖案51為折疊式偶極天線，又如圖13所示，該天線導體圖案51為領結形天線，前述天線之結構為熟知該項技藝人士所了解，且非為本案之特徵技術，不再予以贅述。

藉由上述之設計，利用該饋入單元3作為耦合訊號源，再間接將訊號能量耦合到該幅射單元5上，構成一種RFID標籤天線的設計，如圖14所示，該耦合訊號源可視為一小尺寸之耦極天線，故可用等效電路Z₁ 表示，而該幅射單元5可等效成Z₂ ，其中，Z₁ 、Z₂ 兩者間的耦合效果則可用變壓器原理來等效，即圖14所示之互感量Lx，此等效電路可提供設計人員快速分析天線特性與標籤天線設計時的調整策略參考。

該饋入單元3是由電感性的迴圈導體圖案31與電容性的負載導體圖案32組合而成，故該饋入單元3之共振頻率可表示成，其中，L_s 與C_s 分別為等效電路中之耦合訊號源的等效電感與等效電容，故可透過調整迴圈導體圖案31的迴圈大小(即L_s 值)，與負載導體圖案32之指叉結構的長短(即C_s 值)，用以控制耦合訊號源的自振頻率f_s 的值，因而使得阻抗調整的形式能夠更加多元。

另外，該幅射單元5可採用一般的天線結構，例如：半波長偶極天線、折疊式偶極天線、彎曲式偶極天線，其所決定的共振頻率可表示為f_r ，可由該幅射單元5的天線結構與樣式決定。

藉由調控兩共振頻率f_s 、f_r 的相對位置，以及該饋入單元3與幅射單元5的耦合間距，即如圖15所示之半功率頻寬特性圖，可設計出具有寬頻特性的標籤天線，同時如圖16所示之阻抗特性圖，提高阻抗設計的自由度，使其易於與RFID晶片共軛匹配。

因此，利用單組式指叉結構之幅射單元5提供電容性負載，並以折疊式偶極天線之迴圈導體圖案31作為標籤天線的幅射結構，使其操作頻寬為160MHz(830~990MHz)，為習知頻寬(80MHz)的兩倍，確實可涵蓋全球UHF RFID系統的操作頻段。

綜上所述，利用該饋入單元3之迴圈導體圖案31產生具有電感性的等效電路，該負載導體圖案32產生具有電容性的等效電路，使其易於實現對其本身共振頻率的調控，故可透過調控該迴圈導體圖案與負載導體圖案的尺寸達到共軛匹配的效果，進而達到尺寸縮小化的設計，使得阻抗調整的形式更加多元，故確實能達成本發明之目的。。

惟以上所述者，僅為本發明之四個較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．基片

3．．．饋入單元

31．．．迴圈導體圖案

311．．．第一邊部

312．．．第二邊部

32．．．負載導體圖案

321．．．延伸部

4．．．晶片

5．．．幅射單元

51．．．天線導體圖案

圖1是一俯視圖，說明習知US2006/0158380美國發明申請案之RFID標籤天線；

圖2是一電路圖，說明圖1的等效電路；

圖3是一部分俯視圖，說明本發明射頻辨識標籤的第一較佳實施例；

圖4是一部分俯視圖，說明該第一較佳實施例的另一種態樣；

圖5是一部分俯視圖，說明本發明射頻辨識標籤的第二較佳實施例；

圖6是一部分俯視圖，說明該第二較佳實施例的另一種態樣；

圖7是一部分俯視圖，說明本發明射頻辨識標籤的第三較佳實施例；

圖8是一部分俯視圖，說明本發明射頻辨識標籤的第四較佳實施例；

圖9是一部分剖視圖，輔助說明圖8；

圖10是一部分俯視圖，說明該第四較佳實施例的另一種態樣；

圖11是一俯視圖，本發明射頻辨識標籤的第五較佳實施例；

圖12是一俯視圖，說明該第五較佳實施例之幅射單元的另一種態樣；

圖13是一俯視圖，說明該第五較佳實施例之幅射單元的另一種態樣；

圖14是一電路圖，說明該第五較佳實施例之等效電路；

圖15是一特性圖，說明該第五較佳實施例之半功率頻寬的特性；及

圖16是一特性圖，說明該第五較佳實施例之阻抗特性。

2．．．基片

3．．．饋入單元

31．．．迴圈導體圖案

311．．．第一邊部

312．．．第二邊部

32．．．負載導體圖案

321．．．延伸部

4．．．晶片

Claims (7)

1. 一種射頻辨識標籤，包含：一基片；一饋入單元，設置在該基片上，且具有一迴圈導體圖案，及一與該迴圈導體圖案並聯的負載導體圖案，該迴圈導體圖案及該負載導體圖案分別可產生具有電感性及電容性的等效電路，且該饋入單元的一共振頻率隨著該迴圈導體圖案及該負載導體圖案變化；及一晶片，設置在該饋入單元之迴圈導體圖案上，且與該迴圈導體圖案電連接。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之射頻辨識標籤，其中，該饋入單元之迴圈導體圖案呈方框狀，且具有一第一邊部，及一與該第一邊部相對的第二邊部，該晶片是設置在該第二邊部上。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之射頻辨識標籤，更包含一設置在該基片上的幅射單元，該幅射單元具有一與該迴圈導體圖案之第一邊部相間隔的天線導體圖案。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之射頻辨識標籤，其中，該天線導體圖案是選自半波長偶極天線、彎曲式偶極天線、折疊式偶極天線或領結形天線。
5. 依據申請專利範圍第2或4項所述之射頻辨識標籤，其中，該負載導體圖案為指叉電容，且具有兩相間隔並連接該迴圈導體圖案之第二邊部的延伸部，該等延伸部是呈指叉狀。
6. 依據申請專利範圍第2或4項所述之射頻辨識標籤，其中，該負載導體圖案為微帶線電容，且具有兩相間隔並連接該迴圈導體圖案之第二邊部的延伸部。
7. 依據申請專利範圍第2或4項所述之射頻辨識標籤，其中，該負載導體圖案為金屬片且設置在該基片表面，該饋入單元之迴圈導體圖案與負載導體圖案是呈相反面地設置在該基片上。