TWI740601B - 可安裝在導電性材料之標籤天線 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種可安裝在導電性材料之標籤天線，係利用晶片兩側路徑與接地面短路之機制產生立體的匹配迴圈(Small loop)來調整與晶片虛部的共軛阻抗匹配，下層之接地面再連接上層之倒C形輻射面使其產生近似偶極貼片(Dipole-patch)的天線結構，增加共振路徑長度，並且與晶片兩側輻射面產生共模電流，上層輻射面與下層接地面之間的中間層的空氣間距為2mm，間接提升了本發明標籤天線的輻射效率與單一輻射方向的場型；本發明提出的標籤天線除了能貼附於如金屬面、水容器或人體手腕上等具有導電性材質上進行電波傳輸外，同時在這三種不同環境下，皆擁有良好的功率傳輸係數。
Description
本係有關發明於一種可安裝在導電性材料之標籤天線，尤其是指一種可以應用貼附在如金屬、水容器與人體環境等導電性材料的射頻辨識標籤天線。
UHF頻段的RFID應用非常廣泛，由於電磁散射的特性使得標籤天線在金屬或是其他材質環境較為敏感，特別是金屬表面、水和人體對於標籤天線的影響最為劇烈。
其中，由映像定理也可以得知，當電磁輻射至金屬時會產生相位差180度的反射波，此反射波會與原本的入射波產生破壞性干涉，造成標籤天線效能下降，甚至無法讀取。
而在水溶液中，因為水的高介電系數(εr=81)會導致標籤天線匹配阻抗改變，使其晶片無法被驅動，進而導致天線失效。
本發明之主要目的，係提供一種標籤天線，該標籤天線可安裝在導電性材料上，並且仍然擁有良好的功率傳輸係數。
本發明之目的，係由以下技術實現：
一種可安裝在導電性材料之標籤天線，係包含晶片、上層輻射面、下層接地面以及界於所述上層輻射面與所述下層接地面之間的中間空氣層；其中：所述晶片，係設於所述上層輻射面的中央處；所述上層輻射面，係設置在一上層基板上，而包括第一側向輻射面、第二側向輻射面、倒C形輻射面與C形輻射面；所述第一側向輻射面、所述第二側向輻射面彼此間以一間隙間隔而分別位處在所述晶片相對的第一對側邊；所述倒C形輻射面與所述C形輻射面分別位處在所述晶片相對的第二對側邊，且所述倒C形輻射面與所述C形輻射面緊鄰著所述第一側向輻射面及所述第二側向輻射面，且相距一間隙間隔不與所述第一側向輻射面及所述第二側向輻射面連接，令所述倒C形輻射面的啟始端為對應所述第二側向輻射面，所述C形輻射面的啟始端為對應第一側向輻射面；
所述下層接地面，係設置在一下層基板上，而包括一接地面與四導電柱體，四所述導電柱體分別設置在對應所述第一側向輻射面、所述第二側向輻射面遠離所述晶片的一端以及所述倒C形輻射面、所述C形輻射面的啟始端，並且分別透過四所述導電柱體使所述第一側向輻射面、所述第二側向輻射面遠離所述晶片的一端以及所述倒C形輻射面、所述C形輻射面的啟始端與所述接地面連接；所述中間空氣層，係透過四所述導電柱體支撐設置於所述上層基板與所述下層基板之間所形成的中空區域。
如上所述之可安裝在導電性材料之標籤天線，其中，所述倒C形輻射面與所述C形輻射面與所述第一側向輻射面及所述第二側向輻射面間之間隙為0.4mm。
如上所述之可安裝在導電性材料之標籤天線，其中，所述中間空氣層高度為2mm。
如上所述之可安裝在導電性材料之標籤天線，其中，所述導電柱體選用半徑為0.5mm的銅柱體。
本發明之優點為：
本發明之標籤天線透過係利用晶片兩側之側向輻射路徑與接地面短路之機制產生立體的匹配迴圈(Small loop)來調整與晶片虛部的共軛阻抗匹配，再以下層之接地面連接上層之倒C形輻
射面使其產生近似偶極貼片(Dipole-patch)的天線結構，增加共振路徑長度，並且與晶片兩側倒C形輻射面及C形輻射面產生共模電流，提升本發明標籤天線的輻射效率與單一輻射方向的場型。
且本發明的標籤天線除了能貼附於如金屬面、水容器或人體手腕上等具有導電性材質上進行電波傳輸外，在這三種不同環境下，皆能擁有良好的功率傳輸係數。
1:晶片
2:上層輻射面
P:上層基板
21:第一側向輻射面
22:第二側向輻射面
23:倒C形輻射面
24:C形輻射面
25:間隙
26:間隙
231:啟始端
232:第一直向段
233:第一橫向段
234:第二直向段
235:第二橫向段
241:啟始端
242:第三直向段
243:第三橫向段
244:第四直向段
245:第四橫向段
3:下層接地面
Q:下層基板
31:接地面
32a、32b、32c、32d:導電柱體
4:中間空氣層
第一圖：為標籤天線的立體分解示意圖
第二圖：為標籤天線的組合俯視示意圖
第三圖：為標籤天線的組合前視示意圖
第四圖：為NXP Ucode-8晶片實虛部的共軛阻抗分佈圖
第五圖：為模擬標籤天線上層輻射面與下層接地面的表面電流圖
第六圖：為量測三種不同導電性材料之天線輸入阻抗分佈圖
第七圖：為量測三種不同導電性材料之天線反射損失分佈圖
第八圖：為三種不同導電性材料之功率傳輸分佈圖
第九圖：為標籤天線分別貼附於金屬與水容器之量測XZ與YZ平面之場型靈敏度比較圖
第十圖：為量測與模擬的輸入阻抗比較圖
第十圖：為量測與模擬的反射損失比較圖
第十二圖：為功率傳輸係數的量測與模擬的比較圖
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
請參看第一圖~第三圖。
本發明之可安裝在導電性材料之標籤天線，係包含晶片1、上層輻射面2、下層接地面3以及中間空氣層4；其中：晶片1，係設於上層輻射面2的中央處；上層輻射面2，係設置在一上層基板P上，而包括第一側向輻射面21、第二側向輻射面22、倒C形輻射面23與C形輻射面24；第一側向輻射面21、第二側向輻射面22分別位處於晶片1相對的第一對側邊，第一側向輻射面21、第二側向輻射面22皆為長條狀，且第一側向輻射面21、第二側向輻射面22彼此之間以一間隙25間隔而未銜接；晶片1的第二對側邊處各自分別設置倒C形輻射面23與C形輻射面24，令倒C形輻射面23以一間隙26距離緊鄰並沿著第一側向輻射面21及第二側向輻射面22設置，C形輻射面24也以一間隙26距離緊鄰並沿著第一側向輻射面21及第二側向輻射面22設置，使倒C形輻射面23與C形
輻射面24皆不與第一側向輻射面21及第二側向輻射面22連接，倒C形輻射面23由第一直向段232、第一橫向段233、第二直向段234、第二橫向段235依序連接設置，第一直向段232、第二直向段234為沿著X軸方向設置，第一橫向段233、第二直向段234為沿著Y軸方向設置，第一直向段232為倒C形輻射面23之啟始端231；C形輻射面24由第三直向段242、第三橫向段243、第四直向段244、第四橫向段245依序連接設置，第三直向段242、第四直向段244為沿著X軸方向設置，第三橫向段243、第四橫向段245為沿著Y軸方向設置，第三直向段242為C形輻射面24之啟始端241，又倒C形輻射面23的啟始端231對應第二側向輻射面22，C形輻射面24的啟始端241為對應第一側向輻射面21；較佳為，倒C形輻射面23與C形輻射面24與第一側向輻射面21及第二側向輻射面22間之間隙為0.4mm；下層接地面3，係設置在一下層基板Q上，下層接地面3包括一接地面31與四導電柱體32a、32b、32c、32d，四導電柱體32a、32b、32c、32d設置在接地面31上，並且分別對應著第一側向輻射面21、第二側向輻射面22遠離晶片1的一端以及倒C形輻射面23、C形輻射面24的啟始端231、241，同時透過四導電柱體32a、32b、32c、32d使第一側向輻射面21、第二側向輻射面22遠離晶片1的一端以及倒C形輻射面23、C形輻射面24的啟始端231、241與接地面31連接而短路；
中間空氣層4，界於上層輻射面1與下層接地面3之間，係透過四導電柱體32a、32b、32c、32d支撐設置於上層基板P與下層基板Q之間所形成的中空區域；較佳為，中間空氣層4的高度為2mm，且導電柱體32a、32b、32c、32d選用半徑為0.5mm的銅柱體。
本發明晶片1係使用NXP Ucode-8晶片，該NXP Ucode-8平均最小啟動功率約-21.5dBm，第四圖為該NXP Ucode-8晶片實虛部的共軛阻抗分佈圖，在設計頻段902-928MHz的平均阻抗約為16+j218Ω。因此，設計的標籤天線阻抗需與晶片1達成共軛匹配，方可達到最佳功率傳輸係數。標籤天線需搭配晶片1最小啟動功率之各頻點不同之阻抗特性，利用公式(1)計算反射係數將實際量測之晶片阻抗與天線阻抗轉換成反射係數，並且以公式(2)計算後可得到以3-dB半功率值為基準之功率傳輸係數的阻抗頻寬。
標籤天線整體尺寸為32×25×3.2mm3，上層基板P與下層基板Q分別使用厚1mm與0.2mm的介電常數(εr)為4.4，正切
損耗(σ)為0.02之FR4玻璃纖維板，中間空氣層4的尺寸為2mm。
四個導電柱體32a、32b、32c、32d為半徑0.5mm的銅柱，除了能連接支撐上層基板P與下層基板Q，使整體標籤天線結構擁有良好的機械性，並針對晶片1兩側第一側向輻射面21、第二側向輻射面22路徑與接地面31短路之機制產生立體的匹配迴圈(Small loop)來調整晶片1虛部的共軛阻抗值，並耦合至倒C形輻射面23、C形輻射面24之天線路徑，其中天線耦合間距為0.4mm。
第五圖為模擬標籤天線上層輻射面2與下層接地面3的表面電流圖，係由晶片1側邊的第一側向輻射面21上的A點出發至B點下地，在接地面31上從B’點流至C’點回到上層輻射面2，經過上層輻射面2之倒C形輻射面23流至D點結束，其路徑長約為80.8mm約為0.246 λ 0，此為偶極天線單臂之電流路徑長度，由於天線結構為對稱性，因此可得知在標籤天線於915MHz其共振長度合計為161.6mm約0.493 λ 0，符合偶極天線之電流振幅特性。此外，從第五圖可以發現其兩側電流於接地面之電流流向相反，並且利用立體式結構使其偶極天線末端於輻射面電流方向皆一致，使上層整體表面形成共模電流，擁有偶極-貼片(Dipole-patch)天線之特性，達到單一輻射方向且整體尺寸緊湊之結構特色。
將上述標籤天線分別貼附於金屬、水容器與人體手腕三種不同導電性材料上進行實測。其中，第六圖、第七圖為量測三種不同導電性材料之天線輸入阻抗與反射損失分佈圖，由第六圖、第七圖可以發現分別貼附水容器與人體手腕上的實部阻抗大約為40Ω，虛部阻抗均在220Ω，即便在量測的實部阻抗都大於晶片共軛實部阻抗16Ω，但是貼附於三種不同的導電性材料的阻抗頻寬百分比分別為2.2%、3.6%以及3.4%，均可符合美規UHF RFID頻段902MHz~928MHz的無線電波頻譜之操作。
第八圖為三種不同導電性材料之功率傳輸分佈圖，其中，分別貼附在金屬板、水容器與人體手腕上的量測功率傳輸係數為96%、82%以及70%。對標籤天線來說最重要的就是其可讀取距離之多寡，而功率傳輸係數對讀距有極大的影響，因此本發明提出的雙層式標籤天線，除了擁有良好的阻抗匹配與最大功率傳輸係數，另外將足夠做為晶片1啟動之讀取應用。量測標籤天線讀取距離的過程均於無反射室內進行，使用的讀取器為晶隼科技(FAVITE)所生產之FS-GF801，輸出功率為30dBm，讀取器天線為圓極化讀取器天線，平均增益為6dBi，並以每15°抓取一次讀取功率值。
第九圖為雙層式標籤天線分別貼附於金屬與水容器之量測XZ與YZ平面之場型靈敏度比較圖。其在頻率點915MHz的天線輻射特性上，無論是XZ平面或是YZ平面都有單一方向+Z輻射
場型特性，顯示讀取器接收之+Z方向具有良好的靈敏度。當EIRP為4.0W時，分別貼附在金屬與水容器上的換算理想的最大讀取距離分別為9.2m與6.1m。
模擬貼附於人體手腕上的多層組織結構，其中，假設模擬的多層人體手腕組織的尺寸為100×30×30mm3，介電係數(ε r )與電導率(σ)於頻率點915MHz中，皮膚厚度為0.5mm(ε r =41.3；σ=0.87S/m)、脂肪厚度為3.5mm(ε r =12.4；σ=0.14Sm/)、肌肉厚度為1mm(ε r =54.9；σ=0.94S/m)與骨頭厚度為20mm(ε r =5.4；σ=0.05S/m)。
第十圖與第十一圖為量測與模擬的輸入阻抗與反射損失比較圖，可以發現，量測的輸入阻抗的實部偏大，導致整體共振頻率響應降頻，不過只需將天線整體長度稍微修短至2mm，均可符合所設計的阻抗頻寬。第十二圖為功率傳輸係數的量測與模擬的比較圖，設計的頻寬內均大於70%。因此，在量測貼附於不同大小尺寸的導電性材料的讀取距離中，如表1所示。當EIRP為4.0W時，分別貼附在不同金屬大小、水容器、人體手腕與胸腔上的最大讀取距離為8.2m、5.3m、3.9m和4.2m，模擬的中心頻率增益約為-3.2~-4.5(dBi)。由此可知，如果貼附於導電性材料的尺寸越大，將可以增加本發明提出之標籤天線的讀取距離。
[表1]
以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
1:晶片
232:第一直向段
2:上層輻射面
233:第一橫向段
P:上層基板
234:第二直向段
21:第一側向輻射面
235:第二橫向段
22:第二側向輻射面
242:第三直向段
23:倒C形輻射面
243:第三橫向段
24:C形輻射面
244:第四直向段
25:間隙
245:第四橫向段
26:間隙
3:下層接地面
231:啟始端
241:啟始端
3:下層接地面
Q:下層基板
31:接地面
32a、32b、32c、32d:導電柱體
Claims (5)
- 一種可安裝在導電性材料之標籤天線，係包含晶片、上層輻射面、下層接地面以及界於所述上層輻射面與所述下層接地面之間的中間空氣層；其中：所述晶片，係設於所述上層輻射面的中央處；所述上層輻射面，係設置在一上層基板上，而包括第一側向輻射面、第二側向輻射面、倒C形輻射面與C形輻射面；所述第一側向輻射面、所述第二側向輻射面彼此間以一間隙間隔而分別位處在所述晶片相對的第一對側邊，所述第一側向輻射面、所述第二側向輻射面為長條狀；所述倒C形輻射面與所述C形輻射面分別位處在所述晶片相對的第二對側邊，所述C形輻射面以一間隙距離緊鄰並沿著所述第一側向輻射面及所述第二側向輻射面設置，所述倒C形輻射面也以一間隙距離緊鄰並沿著所述第一側向輻射面及所述第二側向輻射面設置，所述倒C形輻射面由第一直向段、第一橫向段、第二直向段、第二橫向段依序連接設置，所述第一直向段、所述第二直向段為沿著X軸方向設置，所述第一橫向段、所述第二橫向段為沿著Y軸方向設置，所述第一直向段為一啟始端，所述C形輻射面由第三直向段、第三橫向段、第四直向段、第四橫向段依序連接設置，所述第三直向段、所述第四直向段為沿著X軸方向設置，所述第三橫向段、所述第四橫向段為沿著Y軸方向設置，所述第三直向段為一啟始端，令所述倒C 形輻射面的啟始端為對應所述第二側向輻射面，所述C形輻射面的啟始端為對應第一側向輻射面；所述下層接地面，係設置在一下層基板上，而包括一接地面與四導電柱體，四所述導電柱體分別設置在對應所述第一側向輻射面、所述第二側向輻射面遠離所述晶片的一端以及所述倒C形輻射面、所述C形輻射面的啟始端，並且分別透過四所述導電柱體使所述第一側向輻射面、所述第二側向輻射面遠離所述晶片的一端以及所述倒C形輻射面、所述C形輻射面的啟始端與所述接地面連接；所述中間空氣層，係透過四所述導電柱體支撐設置於所述上層基板與所述下層基板之間所形成的中空區域。
- 如請求項1所述之可安裝在導電性材料之標籤天線，其中，所述倒C形輻射面與所述C形輻射面與所述第一側向輻射面及所述第二側向輻射面間之間隙為0.4mm。
- 如請求項1或2所述之可安裝在導電性材料之標籤天線，其中，所述中間空氣層高度為2mm。
- 如請求項3所述之可安裝在導電性材料之標籤天線，其中，所述導電柱體選用半徑為0.5mm的銅柱體。
- 如請求項1或2所述之可安裝在導電性材料之標籤天線，其中，所述導電柱體選用半徑為0.5mm的銅柱體。
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI740601B true TWI740601B (zh) | 2021-09-21 |
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Family Applications (1)
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| TW109127087A TWI740601B (zh) | 2020-08-10 | 2020-08-10 | 可安裝在導電性材料之標籤天線 |
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| TW (1) | TWI740601B (zh) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN102347526A (zh) * | 2010-08-05 | 2012-02-08 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 双频天线 |
| TW201547106A (zh) * | 2014-02-28 | 2015-12-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 無線標籤、通訊終端及通訊系統 |
| CN108832277A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-11-16 | 哈尔滨工程大学 | 一种电感加载的小型化天线 |
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2020
- 2020-08-10 TW TW109127087A patent/TWI740601B/zh active
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN102347526A (zh) * | 2010-08-05 | 2012-02-08 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 双频天线 |
| TW201547106A (zh) * | 2014-02-28 | 2015-12-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 無線標籤、通訊終端及通訊系統 |
| CN108832277A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-11-16 | 哈尔滨工程大学 | 一种电感加载的小型化天线 |
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| TW202207089A (zh) | 2022-02-16 |
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