TWI488367B - 射頻辨識標籤天線 - Google Patents

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Description

射頻辨識標籤天線
本發明係為一種標籤天線，尤其是有關於一種射頻辨識(radio frequency identification，以下簡稱RFID)標籤天線，其可有效地縮小標籤天線的尺寸，進而使此標籤天線易於整合於印刷電路中並內藏於電子商品。
無線射頻識別是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。隨著無線射頻識別技術的普及，許多手持式電子裝置均內建有無線射頻識別天線，以記錄有關於該裝置之資訊。
無線射頻識別天線依工作頻率可分為低頻天線、高頻(high frequency，HF)天線、超高頻(ultra high frequency，UHF)天線以及微波(microwave)天線。低頻天線的工作頻率是125KHz至134KHz，高頻天線的工作頻率是13.56MHz，超高頻天線的工作頻率是介於868MHz至955MHz之間，而微波天線的工作頻率是2.45GHz至5.8GHz。一般而言，內建於手持電子裝置中的無線射頻識別天線為超高頻天線，而超高頻無線射頻識別天線是藉由輻射(radiation)的方式進行傳輸。
圖一a顯示傳統的射頻辨識標籤10及其阻抗匹配的方法。如圖一所示，射頻辨識標籤10具有一天線本體101及一耦合迴圈102，且天線本體101與耦合迴圈102皆設置於一基板103之一表面上，且耦合廻圈102具有兩個饋入點102a與102b。該耦合廻圈102因阻抗匹配的緣故，其本身是一個小型電感，幾乎不具有輻射功能(該小型耦合迴圈102通常小於天線本體101的30%)，使天線的輸入阻抗帶有足夠的感抗(inductive reactance)，以消除晶片所帶有的容抗(capacitive reactance)，從而達成共軛匹配，如果達成匹配其輸入埠(input port)反射損失(return loss)將如圖一b所示，其阻抗特性如圖二所示(其中天線之輸入阻抗的實部以Ra 表示，虛部以Xa 表示，晶片之輸入阻抗的實部以Rc 表示，虛部以Xc 表示。)。
由上述可知，傳統的射頻標籤天線會使天線主體容易受到外在因素的干擾，亦不能有效縮減大小來裝置在小型電子產品中。
在一實施例中，本發明提供一種RFID標籤天線，包括：一基板，具有一第一表面與一第二表面；一饋入結構，設置於該第一表面；以及一迴旋形結構，設置於該第二表面；其中該饋入結構對應於該迴旋形結構，以形成一諧振電路結構。
在一實施例中，本發明提供一種製作RFID標籤天線之方法，包括：提供一基板，且該基板具有一第一表面與一第二表面；以及分別設置一饋入結構與一迴旋形結構於該第一表面與該第二表面；其中該饋入結構對應於該迴旋形結構，以形成一諧振電路結構。
為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得　審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：圖三為根據本發明之一實施例之一RFID標籤天線3，包括：一基板300，其具有一第一表面300a與一第二表面300b；一饋入結構301，設置於該第一表面300a；以及一迴旋形結構302，設置於該第二表面300b；其中該饋入結構301對應於該迴旋形結構302，以形成一諧振電路結構303。另外，饋入結構301及迴旋形結構302所組成的RFID籤天線3，可整合於一基板上，且該基板包括至少二層印刷電路。此外，饋入結構301及迴旋形結構302可以視為一組諧振電路結構303，故諧振電路結構可等效為具有電源、電阻R1 、R2 ，電感L1 、L2 與電容C1 之等效電路。於實際設計與需求上，可藉由調整諧振結構，進而使諧振頻率鎖定在所需要的UHF頻段(例如，922～928MHz)。
圖四a～b為圖三之細部結構圖。如圖四a所示，可清楚看到上層(第一表面300a)的饋入結構301，且饋入結構301具有至少一輸入埠，而於本實施例中，饋入結構301具有一第一輸入埠301a與一第二輸入埠301b，且第一與第二輸入埠301a，301b設置於饋入結構301之上。一般而言，第一與第二輸入埠301a與301b通常設置在饋入結構302的中央，但不受限於此。於本實施例，饋入結構301為一矩形的迴路饋入結構，且此迴路饋入結構具有一開口H。雖然於本實施例，饋入結構301之形狀設為矩型迴路結構，但是實際上，饋入結構301的形狀可根據實際的設計與需求而有所變化。另外，RFID標籤天線3更包括一晶片304，其設置於該饋入結構301的輸入埠301a與301b之上。此外，藉由調整饋入結構301的寬度W，進而調整RFID標籤天線的一輸入阻抗並與晶片304形成一阻抗匹配。如圖四b所示，可清楚看到下層(第二表面300b)的迴旋形結構302，且迴旋形結構302之一端耦接至一接地面305，且迴旋形結構302與該接地面間305具有至少一間隙gap。於本實施例‧迴旋形結構302間的間隙gap的大小可為相同，且迴旋形結構302本體之寬度w1，亦為相同。但是熟悉此技藝人士皆瞭解，本發明之廻旋結構302之間隙gap與寬度w1的大小，可根據實際的設計與需求而有所變化。迴旋形結構302必需與接地面305保持間隙(gap)，並可以藉由調整該間隙gap的大小，進而調整諧振電路結構303之諧振頻率的大小以及藉由調整該廻旋型結構的長度L，進而調整諧振電路結構303之諧振頻率的位置，且於本實施例，長度L為廻旋型結構之兩端的長度，且此長度可被調整以達到與饋入結構上的晶片虛部阻抗匹配的參數，但是熟悉此技藝之人士可自行變化而不背離本發明之範圍。另外，饋入結構301與迴旋形結構302的材料可為金屬，例如銅箔。
此RFID標籤天線3為達到諧振效果，可係由饋入端301部分的矩形迴路所形成之耦合器，再藉由與迴旋形結構(諧振器)302之間互感效應來進行能量的傳遞，藉此才形成一組耦合式的諧振電路。茲藉圖四a與b作進一步說明，饋入結構301部分以一矩形形狀為耦合器形狀，係為使得在整體的輸入端部分就能夠在虛部阻抗具備電感效應來匹配晶片虛部組抗所呈現的電容效應，而在於迴旋形結構(諧振器)302部分可以藉由調控與接地面之間的間隙gap大小來調整諧振器中的電容效應值，進而來調整諧振頻率，除此之外，迴旋形結構(諧振器)302的長度L亦可調整其諧振器等效電感值，藉此來調整諧振頻率位置。
圖五之流程圖為根據本發明之一實施例之一製造RFID標籤天線之方法，其步驟可搭配圖四a與b說明之。此方法之步驟包括：(步驟s501)提供一基板300，且該基板300具有一第一表面300a與一第二表面300b；以及(步驟s502)分別設置一饋入結構301與一迴旋形結構302於該第一表面300a與該第二表面300b，且其中該饋入結構對應於該迴旋形結構，以形成一諧振電路結構。其中饋入結構301具有至少一輸入埠(例如301a與301b)，且饋入結構301為一矩形迴路饋入結構，且該矩形迴路饋入結構具有一開口H。製造RFID標籤天線之方法更包括設置一晶片304於該饋入結構301的該輸入埠之上，且調整該饋入結構301的寬度W，進而調整一輸入阻抗並與該晶片形成一阻抗匹配。製造RFID標籤天線之方法更包括將該迴旋形結構302之一端耦接至一接地面305，且該迴旋形結構302與該接地面305間具有至少一間隙gap，且調整該間隙gap的大小，進而調整該諧振電路結構303之諧振頻率的大小，且更可調整該廻旋型結構303的長度L，進而調整該諧振電路結構之諧振頻率的位置。且於本實施例，長度L為廻旋型結構之兩端的長度，且此長度可被調整以達到與饋入結構上的晶片虛部阻抗匹配的參數，但是熟悉此技藝之人士可自行變化而不背離本發明之範圍。此外，本發明之RFID標籤天線3的中心工作頻率係由該天線本體的長度所決定，且天線的實部阻抗藉由調整天線本體與耦合器之間的距離，使其與一晶片之實部阻抗達成匹配，並且該天線的虛部阻抗藉由調整耦合器雙端開路的長度，使其與該晶片之虛部阻抗達成匹配。
藉由圖六、圖七與圖八來進一步驗證上述所調整效果，由圖六a與圖六b可以得知藉由調整間隙gap而改變了諧振本身的等效電容值，進而調整了諧振頻率，gap值越小時，所形成的電容效應值越大，使得頻率向低頻偏移。圖七a與圖七b來說明了調整L值，來改變諧振電路的等效電感值，進而來達到調整諧振頻率。由圖可知，當L值越大時，所形成的電感效應越大，使得頻率向低頻偏移，而在圖八a與圖八b中便能觀察到調整其饋入結構(耦合器)寬度(W)來對輸入阻抗進行調整，當W越大，得到越大的輸入阻抗值。而本案相異於既有技藝者，本案不透過半波長的物理長度來形成諧振條件，使得本案的天線結構便不受物理條件所限制，有效並大幅縮減所需要的標籤天線大小。
圖九為應用本發明之能量反射係數圖(power reflection coefficient，PRC)，本發明可在阻抗匹配的情況下，達到所需頻帶的操作效果。圖四~五的工作頻率在此以超高頻為例說明，但亦可調整第一天線本體的長度以應用於微波電路，使本體工作頻率是2.45GHz至5.8GHz.其耦合器尺寸亦可隨之變化，在此不再贅述。
本發明為一種具有大幅縮小天線結構之射頻辨識(Radio frequency identification，RFID)標籤天線，其結構可分為二個部分：饋入端的迴路耦合器與輻射端的等效諧振電路。而此架構下使得天線大小不受其物理長度所限制，因此，透過這樣的結構組合來達到縮小天線的目的，再利用此諧振電路結構來達到輻射目的，使得射頻標籤可以進行資訊的傳輸。此本發明可透過提供一種天線結構來有效縮減UHF頻段之標籤天線的大小，使之容易整合入印刷電路板中，以記錄小型電子產品的相關資訊。而關於本發明之標籤天線的製作方法亦可透過印刷電路板空白區域來設計標籤天線，最佳的設置位置是在印刷電路板的邊緣角落，但仍需視實際的設計與需求為準。接著，該天線的實部阻抗可藉由調整天線的饋入迴圈的大小及形狀來決定，使其與晶片之實部阻抗達成阻配。再來，該天線的虛阻阻抗可藉由調整迴旋體結構的形狀、總體長度與接地面的間隙大小，進而使其與晶片之虛部阻抗達成共軛匹配。此外，傳統的天線設計是以發射頻率來取決天線長度，然而本發明採用第零階諧振(Zeroth-Order Resonator)概念，其取得頻率諧振的方式不是由物理長度限制，而是由等效並聯的諧振電路元件值決定。
唯以上所述者，僅為本發明之範例實施態樣爾，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
10．．．射頻辨識標籤
101．．．天線本體
102．．．耦合迴圈
102a,102b．．．饋入點
103．．．基板
3．．．RFID標籤天線
300．．．基板
300a．．．第一表面
300b．．．第二表面
301．．．饋入結構
301a、301b．．．輸入埠
302．．．迴旋形結構
303．．．諧振電路結構
304．．．晶片
305．．．接地面
gap．．．間隙
W，w1．．．寬度
L．．．長度
S501~s502．．．步驟
圖一a係為傳統先前技藝射頻辨識標籤之示意圖；
圖一b係為傳統射頻辨識標籤天線之工作頻寬示意圖；
圖二係為傳統射頻辨識標籤天線與晶片之阻抗匹配示意圖；
圖三為根據本發明之一實施例之一RFID標籤天線；圖四a~b為圖三之細部結構圖；
圖五之流程圖為根據本發明之一實施例之一製造RFID標籤天線之方法；
圖六a~b顯示應用本發明之調整間隙的特性曲線圖；
圖七a~b顯示應用本發明之調整長度的特性曲線圖；
圖八a~b顯示應用本發明之調整寬度的特性曲線圖；
圖九為應用本發明之能量反射係數圖。
3．．．RFID標籤天線
300．．．基板
300a．．．第一表面
300b．．．第二表面
301．．．饋入結構
302．．．迴旋形結構
303．．．諧振電路結構

Claims (18)

  1. 一種射頻辨識標籤天線，包括：一基板，具有一第一表面與一第二表面；一饋入結構，設置於該第一表面；以及一迴旋形結構，設置於該第二表面；其中該迴旋形結構之一端耦接至一接地面，且該迴旋形結構與該接地面間具有至少一間隙，該饋入結構對應於該迴旋形結構，以形成一諧振電路結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之射頻辨識標籤天線，其中該饋入結構具有至少一輸入埠。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之射頻辨識標籤天線，其中該饋入結構為一矩形饋入結構，且該矩形饋入結構具有一開口。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之射頻辨識標籤天線，更包括一晶片，其設置於該饋入結構的該輸入埠之上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之射頻辨識標籤天線，其中藉由調整該饋入結構的寬度，進而調整一輸入阻抗並與該晶片形成一阻抗匹配。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之射頻辨識標籤天線，其中藉由調整該間隙的大小，進而調整該諧振電路結構之諧振頻率的大小。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之射頻辨識標籤天線，其中藉由調整該廻旋型結構的長度，進而調整該諧振電路結構之諧振頻率的位置。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之射頻辨識標籤天線，其中該長度為該廻旋型結構之兩端的長度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之射頻辨識標籤天線，其中該基板包括至少二層電路印刷板。
  10. 一種製作射頻辨識標籤天線之方法，包括：提供一基板，且該基板具有一第一表面與一第二表面；分別設置一饋入結構與一迴旋形結構於該第一表面與該第二表面；以及將該迴旋形結構之一端耦接至一接地面，且該迴旋形結構與該接地面間具有至少一間隙其中該饋入結構對應於該迴旋形結構，以形成一諧振電路結構。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，其中該饋入結構具有至少一輸入埠。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，其中該饋入結構為一矩形饋入結構，且該矩形饋入結構具有一開口。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，更包括：設置一晶片於該饋入結構的該輸入埠之上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，更包括：調整該饋入結構的寬度，進而調整一輸入阻抗並與該晶片形成一阻抗匹配。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，更包括：調整該間隙的大小，進而調整該諧振電路結構之諧 振頻率的大小。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，更包括：調整該廻旋型結構的長度，進而調整該諧振電路結構之諧振頻率的位置。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，其中該長度為該廻旋型結構之兩端的長度。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之製作射頻辨識標籤天線之方法，其中該基板包括至少二層電路印刷板。
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