TWI459302B - Variable operation frequency of the RFID tag - Google Patents

Description

可變操作頻段之RFID標籤

本發明係關於一種RFID標籤，特別是一種可變操作頻段之RFID標籤。

RFID(Radio Frequency Identification)技術具有可重覆讀寫、可儲存較多資訊、無需在直視下即可讀取、可同時讀取多個識別資訊、讀取速度快、且易於實現自動化作業等特色，使其被廣泛應用於物流業，並且逐漸被應用到其他各種產業上，用來加速對產品的追蹤與提昇其管理效率，使得RFID技術的研究與應用在近年來都有突破性的發展。

一個完整RFID系統是由三個部份組合而成：(1) RFID標籤(tag)，主要由一顆可儲存資訊的晶片(chip)和天線(antenna)經特殊封裝技術組裝而成；(2) RFID讀取器(reader)，其由天線與RFID讀取器模組所構成；(3)應用程式(application)。

RFID技術在應用上，由於RFID標籤是直接貼附於商品上，在使用上常遇到很多不可預期的情況而造成系統無法讀取到RFID標籤中的識別資訊，例如：商品重疊、金屬材質包裝之商品、內容物為液態之商品等；也正因如此，標籤天線的設計技術是影響應用成敗的關鍵，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於RFID標籤天線設計議題的期刋相當的多，所申請的專利案數量也很可觀；相對的，市售的RFID標籤產品也相當的多，例如：一般紙箱用RFID標籤、玻璃用RFID標籤以及金屬專用RFID標籤等。

每一種RFID標籤的開發與設計都有其技術難度在，其中又以金屬用的RFID標籤的開發最具挑戰性。其主要原因在於金屬可視為良好的導體，對於電磁波而言即為一完美的反射面，因此將一般用途的RFID標籤貼附於金屬板表面時，就會因破壞性干涉，造成靠近金屬板的天線無法有效接收與發射電磁波，使得RFID標籤的有效讀取距離由數公尺縮減至1~2公分以內，甚至完全失效。然而，為將RFID技術應用於金屬物品上，如：汽車組件、貨櫃、工業設備等，廠商也開發出給金屬物品專用的RFID標籤，然而此類標籤之可操作頻寬較窄，無法同時含蓋全球UHF RFID系統的操作頻段：860~960 MHz，故需針對不同操作頻段之應用需求，設計出可適用於該頻段之RFID標籤，因而增加製造成本與庫存壓力。故如何僅設計一款金屬用RFID標籤，卻又可同時滿足全球不同操作頻段之需求，仍是眾所努力的方向與目標。

在金屬用RFID標籤天線的設計上，除了頻寬問題需解決外，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，為讓RFID晶片與天線間的能量傳輸達到最佳化，如何提供較容易、有效的阻抗調整機制，以設計出可與晶片特性阻抗共軛匹配的RFID標籤天線，同樣也是RFID標籤天線設計上所面臨的另一個難題。

以中華民國專利公告第I267788號為例，該專利提出以四周金屬包覆結構所設計而成之金屬用RFID標籤天線，以實現金屬用RFID標籤天線之設計。公告第I267788號之標籤天線除了頻寬窄的問題之外，其阻抗特性完全取決於四周包覆迴路之總長度，而迴路總長度完全取決於所需之虛部阻抗值大小，故該發明在天線阻抗調整上欠缺較多的可調自由度，且所設計出來的標籤天線的幅射增益較小，即有效讀取距離較短，因此在實用上仍有很大的改善空間。

在中華民國專利公開第200919327號中所揭露之技術，則以雙磨菇形結構所設計而成之金屬用RFID標籤天線，其結構之阻抗特性可由連接結構孔徑大小、兩連接結構間之距離以及上部兩導電矩形片的尺寸來調整設計，在阻抗調整自由度上已有改善；但以此結構所設計而成之標籤天線，其可操作頻段相當的窄，無法含蓋全球UHF RFID的操作頻段，故在量產上仍會增加製造成本與庫存壓力，且此標籤結構同樣存在幅射增益小讀取距離較短的問題。

因此，有必要提供一創新且具進步性的可變操作頻段之RFID標籤，以解決上述問題。

本發明係提供一種可變操作頻段之RFID標籤，包括：一介電層，具有相對之一第一側面及一第二側面；一第一導電部，設置於該第一側面；二第二導電部，彼此間隔地設置於該第二側面，該等第二導電部間形成有相對之二開口；複數個連接結構，電氣連接該等第二導電部及該第一導電部；一RFID單元，連接該等第二導電部；及至少一電容負載結構，設置於該第二側面，使得至少一開口位於該至少一電容負載結構之間，該至少一電容負載結構未電氣連接該等第二導電部。

本發明提出一種可變操作頻段之RFID標籤，其可讓使用者可依所需之操作頻段需求，透過連接結構數量與間距、第二導電部間之開口大小或/及電容負載結構之調整，以獲得所需之複數阻抗值，如此即可讓RFID標籤於特定頻段中操作使用，不需再重新設計另一標籤天線，故可降低標籤製造成本與產品庫存壓力。並且，本發明之RFID標籤適用於金屬物品上，且可滿足全球UHF RFID頻段之應用需求。

再者，在標籤天線阻抗調整上，本發明RFID標籤的結構設計提供更多的調整自由度，而由於阻抗的調整彈性大，讓設計者在特定虛部阻抗值需求的限制下，仍可設計出較大尺寸的標籤天線，故可易於實現具有較大幅射增益之標籤天線，進而提高RFID標籤的讀取距離。

圖1a、2a、3a、4a顯示本發明晶片直接饋入方式之可變操作頻段之RFID標籤之示意圖；圖1b、2b、3b、4b顯示本發明天線間接耦合饋入方式之可變操作頻段之RFID標籤之示意圖；圖5顯示圖1a之RFID標籤各部分標示尺寸之示意圖。

參考圖1a及圖5，該可變操作頻段之RFID標籤1包括：一介電層11、一第一導電部12、二第二導電部13、一RFID單元14、複數個連接結構15及至少一電容負載結構16。

該介電層11具有相對之一第一側面111及一第二側面112。該介電材質11可為PET或PI材質。該第一導電部12設置於該第一側面111。該等第二導電部13彼此間隔地設置於該第二側面112，該等第二導電部13間形成有相對之二開口17。在本實施例中，每一第二導電部13具有二切角部131，該等第二導電部13之相應切角部131形成相對之該等開口17(該等第二導電部13大致呈一蝶形(bowtie shape)導電部)。該可變操作頻段之RFID標籤1之天線阻抗可由該等開口17之開口大小加以調整設計，以獲得所需之複數阻抗值。

在本發明之一實施例中，每一第二導電部13可另包括至少一延伸部132，該等延伸部132相對地延伸而形成一指叉形電容結構，該指叉形電容結構位於相對之電容負載結構16與開口17之間(如圖2a、2b所示)。較佳地，每一延伸部132可另包括一第一可變操作頻段指標133，該第一可變操作頻段指標133包括至少一變動操作頻段指標(如圖2a、2b虛線圈選處所示，每一虛線圈選處可標示相應延伸部132切斷後RFID標籤1之操作頻率，例如：918、922、950、960 MHz等)。該可變操作頻段之RFID標籤1之天線阻抗可藉由該等延伸部132不同之切斷位置來加以調整設計，以獲得所需之複數阻抗值。

該等連接結構15電氣連接該等第二導電部13及該第一導電部12。透過該等連接結構15電氣連接該等第二導電部13及該第一導電部12，形成一具有多迴圈並聯之結構。其中，該等連接結構15可為成對或不成對設置。較佳地，該等連接結構15可另包括至少一第二可變操作頻段指標151，該第二可變操作頻段指標151包括至少一變動操作頻段指標(如圖3a、3b虛線圈選處所示，每一虛線圈選處可標示相應連接結構15與第二導電部13之電氣連接部分切斷後，RFID標籤1之操作頻率，例如：920、925、930、935 MHz等)。

可理解的是，相應連接結構15與第二導電部13之電氣連接方式亦可如圖4a、4b所示之結構，但不以此為限。該可變操作頻段之RFID標籤1之天線阻抗可藉由成對或不成對配置之該等連接結構15加以調整設計，以獲得所需之複數阻抗值。

該RFID單元14連接該等第二導電部13。在如圖1a、2a、3a或4a所示之晶片直接饋入方式之可變操作頻段之RFID標籤1之實施例中，該RFID單元14包括一RFID晶片141，該RFID晶片141電氣連接該等第二導電部13。

在如圖1b、2b、3b或4b所示之天線間接耦合饋入方式之可變操作頻段之RFID標籤1之實施例中，該RFID單元14包括一RFID晶片141及二垂片(tab)142，該等垂片142連接該RFID晶片141之相對二端，該等垂片142分別設置於該等第二導電部13上方相對位置且未電氣連接該等第二導電部13。

再參考圖1a及圖5，該至少一電容負載結構16設置於該第二側面112，使得至少一開口17位於該至少一電容負載結構16之間，該至少一電容負載結構16未電氣連接該等第二導電部13。較佳地，每一電容負載結構16另包括一第三可變操作頻段指標161，該第三可變操作頻段指標161包括至少一變動操作頻段指標(如圖1a、1b虛線圈選處所示，每一虛線圈選處可標示相應電容負載結構16切斷後RFID標籤1之操作頻率，例如：電容負載結構16未切斷時之操作頻率為880 MHz，切斷其中一電容負載結構16後之操作頻率為905 MHz，切斷二電容負載結構16後之操作頻率為945 MHz)。該至少一電容負載結構16之長度與切斷點(變動操作頻段指標)之設計，讓使用者可依所需之操作頻段需求，切斷適當的切斷點，即可讓標籤天線於該特定頻段(高、中、低頻段)中操作使用，不需再重新設計另一標籤天線，故可降低標籤製造成本與產品庫存壓力。

本發明之可變操作頻段之RFID標籤1可以圖6(a)所示之電路模型來表示，並可加以簡化等效成圖6(b)所示之電路模型。其中，R _a 為RFID標籤1之天線實部阻抗，在等效電路中可表示成R _th ；而每一對連接結構15可視為一並聯迴路，可用一電感來表示，故若有N 對連接結構15，便可表示成L _{via 1} ...L _viaN ，在等效電路中，可用一個可變電感L _th 來表示；對於RFID標籤1而言，該等開口17大小與其所貢獻的電容值成反比，可用一個電容C _g 來表示，此外，該至少一電容負載結構16對RFID標籤1而言，亦會增加其電容性，同樣也可用一個電容C _bar 來表示，故在等效電路中，C _g 與C _{b ar} 可簡化成一個可變電容C _th 來表示。從圖6(b)的等效電路模型中可以得知，RFID標籤1的共振頻率可表示成：f _c =1/(2π)，以下將以此關係式來說明與解釋有關RFID標籤1的參數對天線特性的影響。

連接結構數量的影響

RFID標籤1中之連接結構15對於RFID晶片141所在的饋入點而言，與第一導電部12及第二導電部13電氣連接後，即構成一電氣迴路，可用一電感來表示。因此，對於採用多組成對的連接結構15來說，就相當於多個電感並聯，故會降低RFID標籤1的整體電感性，這將使RFID標籤1的共振頻率往高頻方向移動，如圖7所示即可清楚呈現出此一特性。

圖7為分別採用2、3與4對連接結構15所得到的RFID標籤1之共振頻率特性圖(即阻抗特性曲線f_c.via (2)、f_c.via (3)、f_c.via (4))。因此可透過此一特性，採用適量的成對連接結構15來設計出在較大尺寸下的RFID標籤1之天線，而仍可滿足所需的虛部阻抗值，而較大尺寸的天線將可提供較大的天線增益，亦即所設計出來的RFID標籤1，其有效讀取距離將可獲得大幅的提昇；此外，此一機制也增加此天線結構在阻抗調整上的一個自由度。

連接結構間距 V _d 的影響

由於連接結構15連接第一導電部12及第二導電部13形成一電氣迴路，因此，連接結構15間的間距V _d 也可用以調控RFID標籤1之天線結構的電感性，如圖8所示即為連接結構15間距與天線共振頻率之間的關係圖(V _d 分別為70、65、60 mm，相應阻抗特性曲線為)。從圖8中可知：當V _d 愈大時，其電感值愈大，使得天線共振頻率f _c 往低頻方向移動；反之，V _d 愈小時，f _c 則往高頻方向移動。故在RFID標籤1中，連接結構15間的間距V _d 可做為天線阻抗調整的參數之一。

開口大小 G ₁ 的影響

除上述連接結構15數量與間距V _d 兩個自由度讓使用者可透過結構參數的設計，來達到對天線結構電感性的調控外，另可調控天線結構的電容性的機制，包括：開口17之大小(以參數G ₁ 與G ₂ 表示)以及電容負載結構16的設計，都可用以調整天線的電容性。如圖9所示為蝶形領結狀結構(即該等第二導電部13所形成之結構)的V形開口17之二分之一大小G ₁ 與天線共振頻率之間的關係圖(G ₁ 分別為0、5、10mm，相應阻抗特性曲線為)。從圖9中可知：當開口17尺寸G ₁ 愈大，則蝶形領結狀結構間的電容值C _g 就愈小，使得天線的共振頻率就愈高；反之，當G ₁ 愈小，則f _c 就愈往低頻移動。故在RFID標籤1中，開口17之結構參數G ₁ 與G ₂ 亦可做為調控天線結構阻抗特性的機制。

電容負載結構的影響

當RFID標籤1直接應用到金屬物表面時，其仍會受到金屬物表面的影響，而造成頻漂的情況發生，因此在本發明之RFID標籤1中，加入至少一電容負載結構16，以降低金屬物對RFID標籤1天線的影響程度，減緩實際應用時發生頻漂現象的情況。如圖10所示為RFID標籤1有無加入電容負載結構16時，兩者受金屬干擾影響的比較圖。從圖10中可知：具有電容負載條狀結構16的RFID標籤1，可有效抑制約20 MHz的頻漂現象(頻漂由45 MHz降低為25 MHz)，這對於窄頻特性的金屬用RFID標籤而言，已可達到穩定RFID標籤操作頻段的目的。

從圖7至10中，可看出關於阻抗之調整機制，只要數量或尺寸些微的變動就會產生大幅度的變化，因此較不易實現微調的目的；而所加入的電容負載結構16，除了可抑制金屬物的影響之外，還可用以微調RFID標籤1之天線結構的電容性，亦即可用以微調天線的共振頻率f _c ，進而達到對天線阻抗值微調的目的。

如圖11所示即為不同的電容負載結構16之長度(B _l )與天線共振頻率之間的關係圖。圖11中的三組阻抗特性曲線)是B _l 分別以40、50與60 mm所得之結果，而每組的共振頻率差約為15~20 MHz，故透過對B _l 長度的設計可輕易的實現阻抗微調的目的。另外，從圖11中亦可知：當B _l 愈長時，可增加天線結構的電容性，所以天線的共振頻率f _c 便往低頻方向移動；反之，當B _l 愈短時，則f _c 就會往高頻方向移動。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

可變操作頻段之RFID標籤之實例說明

前述說明了加入電容負載結構16之功效及其特性，在此另進一步利用該電容負載結構16的特性來實現一可變操作頻段之金屬用RFID標籤1的設計。如前所述，藉由控制電容負載結構16的長度B _l 即可達到對天線阻抗微調之目的，此乃因B _l 長短的變化對天線阻抗的影響較輕緩，但若將電容負載結構16從中間切斷使其變成兩段(參考圖1a、1b)，那麼將使得天線的電容性產生一大幅度的減少，如此一來，將使得天線的共振頻率往高頻方向跳移，從RFID標籤1之操作頻段的角度來看，就是其操作頻段已變動到較高頻段的操作區間，故利用此一特性來實現可變操作頻段之金屬用RFID標籤1的設計。

可變操作頻段之金屬用RFID標籤1之實施方式例如為：在兩個電容負載結構16的中間各設置一個中斷點，若RFID標籤1要應用於較低頻段時，則保留兩中斷點的連接(如圖12中最左的曲線f_c1 所示)；若要應用於中頻段時，則切斷其中一個中斷點，使其不連接(如圖12中間的曲線f_c2 所示)；若要應用於較高頻段時，則將兩個中斷點都切斷，使其不連接(如圖12中最右的曲線f_c3 所示)。

本發明提出一種可變操作頻段之RFID標籤1，其可讓使用者可依所需之操作頻段需求，透過連接結構15數量與間距V _d 、第二導電部13間之開口17大小或/及電容負載結構16之調整，以獲得所需之複數阻抗值，如此即可讓RFID標籤1於特定頻段中操作使用，不需再重新設計另一標籤天線，故可降低標籤製造成本與產品庫存壓力。並且，本發明之RFID標籤1適用於金屬物品上，且可滿足全球UHF RFID頻段之應用需求。

再者，在RFID標籤之天線阻抗調整上，本發明RFID標籤1的結構設計提供更多的調整自由度，而由於阻抗的調整彈性大，讓設計者在特定虛部阻抗值需求的限制下，仍可設計出較大尺寸的標籤天線，故可易於實現具有較大幅射增益之標籤天線，進而提高RFID標籤1的讀取距離。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

1．．．本發明之可變操作頻段之RFID標籤

11．．．介電層

12．．．第一導電部

13．．．第二導電部

14．．．RFID單元

15．．．連接結構

16．．．電容負載結構

17．．．開口

111．．．第一側面

112．．．第二側面

131．．．切角部

132．．．延伸部

133．．．第一可變操作頻段指標

141．．．RFID晶片

142．．．垂片

151．．．第二可變操作頻段指標

161．．．第三可變操作頻段指標

圖1a、2a、3a、4a顯示本發明晶片直接饋入方式之可變操作頻段之RFID標籤之示意圖；

圖1b、2b、3b、4b顯示本發明天線間接耦合饋入方式之可變操作頻段之RFID標籤之示意圖；

圖5顯示圖1a之RFID標籤各部分標示尺寸之示意圖；

圖6(a)顯示本發明之可變操作頻段之RFID標籤之電路模型；

圖6(b)顯示圖6(a)之電路模型之等效電路模型；

圖7顯示本發明分別採用2、3與4對連接結構所得到的RFID標籤之共振頻率特性圖；

圖8顯示本發明之連接結構間距與天線共振頻率之間的關係圖；

圖9顯示本發明之RFID標籤之開口大小與天線共振頻率之間的關係圖；

圖10顯示本發明之RFID標籤中有無加入電容負載結構時，兩者受金屬干擾影響的比較圖；

圖11顯示本發明之RFID標籤具有不同長度的電容負載結構與天線共振頻率之間的關係圖；及

圖12顯示本發明之RFID標籤在三種操作頻段與反射功率的關係圖。

1．．．本發明之可變操作頻段之RFID標籤

11．．．介電層

13．．．第二導電部

14．．．RFID單元

15．．．連接結構

16．．．電容負載結構

17．．．開口

131．．．切角部

141．．．RFID晶片

161．．．第三可變操作頻段指標

Claims (10)

1. 一種可變操作頻段之RFID標籤，包括：一介電層，具有相對之一第一側面及一第二側面；一第一導電部，設置於該第一側面；二第二導電部，彼此間隔地設置於該第二側面，該等第二導電部間形成有相對之二開口；複數個連接結構，電氣連接該等第二導電部及該第一導電部；一RFID單元，連接該等第二導電部；及至少一電容負載結構，設置於該第二側面，使得至少一開口位於該至少一電容負載結構之間，該至少一電容負載結構未電氣連接該等第二導電部。
2. 如請求項1之可變操作頻段之RFID標籤，其中該RFID單元包括一RFID晶片，該RFID晶片電氣連接該等第二導電部。
3. 如請求項1之可變操作頻段之RFID標籤，其中該RFID單元包括一RFID晶片及二垂片(tab)，該等垂片連接該RFID晶片之相對二端，該等垂片分別設置於該等第二導電部上方相對位置且未電氣連接該等第二導電部。
4. 如請求項1之可變操作頻段之RFID標籤，其中該等連接結構係為成對或不成對設置。
5. 如請求項1之可變操作頻段之RFID標籤，其中每一第二導電部另包括至少一延伸部，該等延伸部相對地延伸而形成一指叉形電容結構，該指叉形電容結構位於相對之電容負載結構與開口之間。
6. 如請求項5之可變操作頻段之RFID標籤，其中每一第二導電部包括二延伸部，該等延伸部相對地延伸而形成二指叉形電容結構，該等指叉形電容結構位於相對之電容負載結構與開口之間。
7. 如請求項5之可變操作頻段之RFID標籤，其中每一延伸部另包括一第一可變操作頻段指標，該第一可變操作頻段指標包括至少一變動操作頻段指標。
8. 如請求項1之可變操作頻段之RFID標籤，其中該等連接結構另包括至少一第二可變操作頻段指標，該第二可變操作頻段指標包括至少一變動操作頻段指標。
9. 如請求項1之可變操作頻段之RFID標籤，其中每一電容負載結構另包括一第三可變操作頻段指標，該第三可變操作頻段指標包括至少一變動操作頻段指標。
10. 如請求項1之可變操作頻段之RFID標籤，其中每一第二導電部具有二切角部，該等第二導電部之相應切角部形成相對之該等開口。