CN101032050A - 非位敏射频识别装置 - Google Patents

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Abstract

射频识别装置(10)包括一个天线结构(12)，它使射频识别装置在相对于附近材料(如在纸箱或其它容器中的金属物体)的不同位置范围内都有良好的性能。天线结构有补偿元件(24/26/30/32)，其与附近的材料相互作用，以在所述不同位置范围内提供良好性能。补偿元件包括主要通过电场与附近材料相互作用的电补偿元件，和主要通过磁场与附近材料相互作用的磁补偿元件。通过选择电补偿元件和磁补偿元件，以及将这些补偿元件定位在天线结构中，使天线的性能在所述不同位置的范围内基本不变(或至少是可接受的)。

Description

非位敏射频识别装置
技术领域
[0001]本发明涉及射频识别(RFID)标签与标记领域。
背景技术
[0002]射频识别标签与标记组合了天线与模拟和/或数字电子设备，电子设备例如可包括通信电子设备，数据存储器和控制逻辑。射频识别标签与标记被广泛用于将物品与识别码联系起来。例如，射频识别标签与汽车的安全锁结合使用，用于建筑物的出入控制以及用于追踪库存品与包裹。一些射频识别标签与标记的例子出现在美国专利第6,107,920号，第6,206,292号和第6,262,692号中，所有这些专利通过引用并入本申请中。
[0003]射频识别标签与标记包括含有电源的有源标签，和不含电源的无源标签和标记。对于无源标签，为从芯片取回信息，“基站”或者“读取器”会向射频识别标签或者标记发射激励信号。激励信号为标签或者标记提供能量，并且射频识别电路将所存储的信息传回读取器。“读取器”对来自于射频识别标签的信息进行接收和解码。通常，射频识别标签可以保存和传输足够的信息用以唯一地识别个人、包裹、库存品及类似物。可以将射频识别标签与标记特性化为信息只被写入一次(但是信息可以被重复读出)和在使用时被写入信息的射频识别标签与标记。例如，射频识别标签可以存储环境数据(可被相关联的传感器检测到)、物流记录和状态数据等。
[0004]射频识别标签与标记通过使用天线与读取器或其它装置进行通信，天线可用于发送和/或接收信息，和/或发送和/或接收能量。因为所有不导电和导电的物体都和电磁场(无线电波)相互作用，因此对天线由哪些部分组成没有一个简单的定义。通常称为天线的仅仅是在合适的阻抗产生电压的形状和尺寸，用于连接到电路和装置。从某种程度来说，几乎任何东西都能作为天线。但是对于能够和射频识别标签与标记一起使用的设计方案有一些实际的限制。
[0005]首先，互易性(reciprocity)是进行设计选择时一个主要的考虑因素。这意味着天线不仅是作为发送器，将其(多个)终端上的电压转换为辐射电磁波发射出去；同时天线也作为接收器，进入的电磁波能够在接收器产生/感生贯穿终端的电压。大多数情况下描述发送情形更容易，但是一般来说，好的发送天线也是好的接收天线(和所有的规律一样，在较低频率时会有例外。但是对超高频，在射频识别标签与标记通常工作的900MHz以及900MHz以上频段，通常是这样)。
[0006]然而，即使上述情况属实，除了要求天线完成你所希望的，处于你所希望的位置，以及按你希望的构造之外，判定什么是一个好天线仍然是困难的。
[0007]但是，针对特定的目的，有一些特性可以用来作为判定天线是否好的指南。当与天线建立连接后，可以测量天线在某个指定频率的阻抗。阻抗通常被表示成电阻R和电抗X两部分的复合，两者均以欧姆为单位。但电抗前面有一个因子j，表明电抗是一个向量。jX的值为负数时，它表示容抗；jX的值为正数时，它表示感抗。
[0008]在特定情况下，当确定测量天线阻抗时所发生的情况后，可以考虑电阻和电抗两部分对天线的适用性或性能的影响。
[0009]电阻R实际上是天线的损耗电阻和辐射电阻的复合，其中损耗电阻表示作用于天线的任何信号被转化为热量的可能性(tendency)；辐射电阻表示通过辐射离开天线的“丢失”的能量，这正是天线所需的。损耗电阻和辐射电阻的比率被描述为天线效率。低效天线的损耗电阻大，辐射电阻相对较小，其在大多数情况下工作不良，因为传入天线的绝大部分能量都只作为热量出现，而不是有用的电磁波。
[0010]电抗X的作用比电阻R的作用稍微复杂一些。天线的电抗X(感抗或容抗)不消耗能量。实际上，通过在系统中引入谐振电路可以减小电抗。简单地，假定电抗值为+jX(感应器)，存在一个谐振/抵消它的值-jX(电容器)，就只剩下电阻R。
[0011]设计天线的另一个考虑因素是频宽，经常用术语Q(也叫“品质因素”)表示。要理解频宽的作用，并不需要理解数学。简单地，如果天线有表示大感抗或容抗的值+jX或-jX，当其被谐振消除时，在一个很窄的频率波段内，天线将变成纯电阻了。比如，对于一个工作在频段为902MHz到928MHz的系统，如果利用高电抗性的天线，则它只能在几个MHz的频段上产生理想的电阻R。另外，高频宽/窄带匹配解决方案不稳定，因为元件值或设计发生很小的变化都会对性能产生大的变化。因此在实际射频识别标签设计中，高Q(频宽)窄带解决方案是应当避免的。
[0012]射频识别标签通常由以下部分组成：1)射频识别芯片，包括从进入的射频信号生成直流电源的整流器，完成识别功能的逻辑电路，以及改变输入阻抗导致已调制信号被反射的阻抗调制器；和2)上述的天线。
[0013]每个这些元件都有关联的阻抗。如果芯片阻抗(通常为容抗)和天线阻抗(根据设计不同而不同)互为共轭，则仅仅通过天线即可连接芯片，并产生一个有用的标签。对于普通的射频识别芯片，电容量使得在超高频或其它合适的频率能够达到一个合理的低Q足够的带宽匹配。
[0014]然而，由于环境和生产限制，满足射频标签的操作要求有时也不是简单的事，因此必须考虑其它的方法来实现好的匹配。维持期望阻抗匹配最常用的方法就是在天线与芯片之间放置一个阻抗匹配网络。阻抗匹配网络通常是感应器和电容器的网络，感应器和电容器用于将输入阻抗的实部和电抗部分转换到期望的水平。这些组件通常不包括电阻器，因为电阻器会消耗能量，这通常使得性能低下。
[0015]在阻抗匹配中可能会遇到困难，因为周围环境可能会影响天线的阻抗特性。这依次将影响到天线与射频识别芯片之间的阻抗匹配质量，进而影响到射频识别标签的读取范围。
[0016]可能会影响天线特性的周围环境包括其上安装天线的基板材料，和射频识别标签附近的其他物体的特性。比如基板材料的厚度和介电常数可能会影响天线的工作。又如在标签的附近放置导电或不导电物体可能会影响天线的工作特性，因此影响标签的读取范围。
[0017]对于基板和放置在周围的物体的任何给定配置，天线都可以被调谐，以具有期望的特性。比如，如果每个标签都可通过调整臂长，和/或增加由可调节的电容器和感应器组成的阻抗匹配网络来进行个别调谐，那么无论基板材料块的介电常数如何，标签都可工作。不过从商业角度出发，要求对天线进行个别调谐是不现实的。
[0018]如上所述，设计者经常会为“自由空间”对标签性能进行优化，通常假设“自由空间”数据的标定相对介电常数为1。然而，在现实中，标记附着的物体的介电常数经常不为1，相反，其介电常数或附近物体的周遭环境变化很大。比如，采用偶极天线设计，并为自由空间进行了优化的标记相反附着于一个介电常数与自由空间的介电常数不同的物体，它的性能将降低，通常其自身表现为工作范围缩小，以及前面提及的另外的低效率。
[0019]因此，尽管具有不同的固定介电常数基板的产品可通过将天线设计从“自由空间”设计改变为包括新介电常数或补偿可能在标签附近的其他物体来适应，但这种设计改变迫使标签制造者生产范围更广的标记或标签，可能为使用标签的每一种目标产品生产不同的型号，从而增加费用，并给标签制造者带来了库存积压的问题。
[0020]当标签应用于具有可变介电常数范围的不同类型材料时，标签设计者所能达到的最佳设计效果是设计或调谐标签，使其为介电常数范围的平均值和预期的状态，并接受在特殊情况下通过显著失谐引起的性能降低，以及可能的失效。
[0021]可理解的是，关于上述情况，改进是人们所希望的。
发明内容
[0022]根据本发明的一个方面，天线结构包括电补偿元件和磁补偿元件。
[0023]为了达到上述和相关的目标，发明包括了在下文中详细描述和在权利要求中特别指出的特征。下面的描述和附图详细地阐述了本发明的某些阐述性的实施例。这些实施例只是表示可以运用本发明原理的多种方式中的几个。结合下列详细描述和附图，本发明的其它目标、优势和新特征将一目了然。
附图说明
[0024]附图并不一定按照比例，在附图中；
[0025]图1是根据本发明的带天线结构的射频识别装置的示意图。
[0026]图2是根据本发明的天线结构的一个实施例的平面图。
[0027]图3是说明包含图2天线结构的射频识别装置相对于一行物体的一个可能布局的平面图。
[0028]图4是说明包含图2天线结构的射频识别装置相对于一行物体的另一种可能布局的平面图。
[0029]图5是根据本发明的天线结构的一个实施例的平面图。
[0030]图6是用于图5天线结构的电补偿元件的平面图。
[0031]图7是用于图5天线结构的另一电补偿元件的平面图。
[0032]图8是用于图5天线结构的磁补偿元件的平面图。
[0033]图9是用于图5天线结构的磁补偿元件替代实施例的平面图。
[0034]图10是用于图5天线结构的组合电补偿元件和磁补偿元件的平面图。
[0035]图11是安装于绝缘材料上的电容器的平面图。
[0036]图12是用于本发明的一种适应元件-交叉指型(inter-digital)电容器的平面图。
[0037]图13是沿图12所示适应元件截取的侧面图。
[0038]图14是类似图13的侧面图，和图13电容器相比，其中的电容器安装在更厚的材料上。
[0039]图15是可用于本发明的另一类适应元件弯折感应器(meander inductor)的平面图。
[0040]图16是采用弯折感应器的射频识别标签结构的平面图。
[0041]图17是类似于图16实现的射频识别标签结构的平面图，其中将标签安装在比图16标签的材料更厚的材料上。
[0042]图18是带折叠偶极天线结构的射频识别标签。
[0043]图19是实现本发明的天线结构，其随着其上安装天线的材料的介质常数变化而减小其有效长度。
[0044]图20是可用于本发明的适应天线结构的一个实施例的平面图。
[0045]图21是包含可用于本发明的补偿元件的适应天线结构另一种实施例的平面图。
具体实施方式
[0046]射频识别装置包括一个天线结构，它在相对于附近材料(如纸箱或其它容器中的金属物体)的不同位置的范围内提供良好的性能。天线结构有补偿元件，补偿元件与附近的材料相互作用从而在不同位置范围内提供良好的性能。补偿元件包括主要通过电场与附近材料相互作用的电补偿元件，以及主要通过磁场与附近材料相互作用的磁补偿元件。可以选择电补偿元件和磁补偿元件，并将这些补偿元件定位在天线结构中，使得天线结构的性能在不同位置的范围内基本不变(或至少能够接受)。附近的材料可能包括不导电和/或导电材料，当射频识别装置在一定范围的不同方位内移动时，这些材料在射频识别装置附近的环境中呈现几何变化。几何变化可包括周期变化，比如纸箱中一个接一个排成直线的金属罐。或者，几何变化可非周期或基本随机变化，比如纸箱或容器中随意放置的绝缘包装材料内的金属物体。
[0047]不同位置的范围可以是一维的位置范围，比如这个位置范围允许将射频识别装置安放成其沿着纸箱或容器的某一侧的任何地方都具有给定的方位，在纸箱或容器的这一侧后面并行放着罐。把射频识别装置的中点放置于其中一个罐上或一对相邻罐之间的空隙上，装置的性能实质上是一样的。在相对于物体、或纸箱或容器的一个给定方向上，位置的一维范围可以将射频识别装置天线结构的中心设为沿着一条直线(或一系列平行线)的任何地方。
[0048]或者，不同位置的范围可以是二维的位置范围，比如其允许将射频识别装置安放在沿着纸箱或容器某一侧的基本任何地方，在纸箱或容器的这一侧后面并行放着罐。当预期环境中导电和绝缘物体的布局是非周期或随机的时，位置范围可能仍然是二维的位置范围。二维的位置范围可包括按任何方向或在任何方向范围内，将射频识别装置放在纸箱或容器上的基本任何地方。二维的位置范围可包括一个或更多个空间维中的平移，和/或到任意方位的转动。位置范围的又一可能包括在三维空间中性能不变。
[0049]根据射频识别装置应用环境的不同，天线结构内补偿元件的数量和布局可能发生变化。应该意识到，相较于只能处理一维位置范围的装置，对于能够在二维位置范围内获得可接受性能的射频识别装置，补偿元件的排列要复杂一些。
[0050]在继续对射频识别装置本身进行描述前，给出本文中使用的术语和短语的相关定义。“应答器芯片”(transponder chip)或“芯片”是指通过天线提供适当的相互作用，用于与外部装置如读取器，进行通信的装置。芯片可以包括多种适当的电子组件，比如电阻器、电容器、感应器、电池、存储装置和处理器。应该意识到，很多种用于射频识别装置的应答器芯片都是广为熟知的。术语“应答器芯片”意欲囊括广泛范围的这种装置，这些装置的复杂度和功能性差别很大。
[0051]下面描述的天线包括多个补偿或补偿的元件。这些元件是在某种程度上补偿天线的天线元件工作特性变化的元件，工作特性变化是由于天线元件与周围材料(如其上安放包括天线结构的标记的纸箱内的东西)的相互作用或交互引起的。天线元件本身可能显示出其工作特性的变化，比如天线元件变成电抗性的；天线的辐射电阻发生改变，这可能引起天线效率的降低，其中天线的效率用辐射电阻与损耗电阻和辐射电阻总和的比率来表示。上述天线效率的降低可能导致射频识别芯片与天线元件之间的阻抗匹配变差，进而导致失配损耗，和因此造成天线结构失去最佳的工作频率范围。为了减轻对天线元件的这些影响，补偿元件可以：1)在芯片和天线之间引入一个阻抗匹配网络，匹配两者阻抗，最大化芯片和天线元件之间的能量传输；和/或2)改变天线元件的有效长度使之停留在共振状态。这些方法可以单独使用，或组合使用来形成两者的混合。本文讨论了补偿元件的不同例子，但要意识到，也可以使用其它类型的补偿元件。
[0052]补偿元件可以包括电补偿元件和磁补偿元件，电补偿元件主要通过电场与附近材料相互作用，磁补偿元件主要通过磁场与附近材料相互作用。电补偿元件与附近材料主要电容性地相互作用。补偿元件与附近材料之间的交互是近场或近程耦合，和远场或远程耦合相反。整个天线主要用来与外部装置，如合适的读取器，进行远程远场射频耦合。这里提及的远场是指离射频能量发射装置(如发射超高频射频能量的装置)大于15mm量级的距离。射频识别装置在远场的耦合也被称作“远程耦合”。近场是近程耦合可能发生的地方，其被定义为离射频能量发射装置在15mm量级内的距离。近场与远场间更准确的分界线可以是λ/2π，其中λ是射频耦合的射频能量的波长。按照这个定义，对于能量为915MHz的射频，近场与远场间的分界线距离射频装置大约52mm。
[0053]本文定义的天线结构的性能在一定位置范围内“基本不变”。应该意识到，“基本不变的”性能关于天线结构放置在其中的环境和关于量化天线性能的测试协议被定义。下面描述了量化天线性能的一个这样的环境和协议。
[0054]图1示意说明了射频识别装置10，射频识别装置10具有在基板14上的天线结构(或天线)12，和可操作地耦合至天线结构12的插入件(interposer)18。插入件18含有可操作地耦合至天线结构12的芯片20，以使射频识别装置10与诸如合适的读取器或检测器的外部装置能够通信。可通过很多种适当机制中的任意一种实现芯片20与天线结构12间的可操作耦合。芯片20可以直接与天线12进行电气连接，如利用插入件上的电导线。替代地或者另外，芯片20也可以使用电容耦合和/或磁性耦合间接与天线结构12进行电气连接。
[0055]天线结构12包括一对天线元件21和22。每个天线元件包括各自的多于一个补偿元件(在本文中也被称作“补偿的元件”或“适应元件”)。天线元件21包括补偿元件24和26，天线元件22包括补偿元件30和32。如前所述，补偿元件在某种程度上补偿天线的天线元件工作特性的变化，工作特性的变化是由于天线元件与周围材料(诸如其上安放包括天线结构的标记的纸箱内的东西)的相互作用。补偿元件对24/26和30/32可以各包括主要通过电场与附近材料相互作用的电补偿元件，和主要通过磁场与附近材料相互作用的磁补偿元件。可以配置各补偿元件对24/26和30/32，使元件对中的一个补偿元件在一个方向影响相应天线元件的性能，而元件对中另一个补偿元件在相反方向影响天线元件的性能。有效效应可能是每个补偿元件对24/26和30/32提供了有效效应，使相应的天线元件21和22在与背景物体相关的一定位置范围内移动时至少相对稳定工作。例如，每对补偿元件24/26和30/32中的一个可以是对周围材料的介电性质敏感的电补偿元件，而另一个补偿元件是对周围材料的导电性质敏感的磁补偿元件。可将补偿元件24/26和30/32放置在天线元件21和22内，其所处的位置使电补偿元件遇到使其以某种方式(比如改变增益频率或工作频率)影响天线性能的周遭环境时，则另一个补偿元件遇到使其给系统性能带来相反效应的周遭环境。通过沿天线元件有选择地分配补偿元件24/26和30/32，至少在给定环境的一定位置范围内，能够实现天线结构12的性能基本不变。
[0056]图1中所示补偿元件24/26和30/32为天线元件21和22内部的分离元件。但是应该意识到的是补偿元件24/26和30/32可在天线元件21和22中每一个的内部分享共同的空间，或者重叠。还应该意识到，天线元件21和22可以各包括任意适当数目的、并可在天线元件21和22内的多种合适位置安放的补偿元件。另外，单个补偿元件可以与天线元件21和22都耦合，并与这两个元件都相互作用，以影响这两个天线元件21和22的性能。
[0057]基板14的合适材料例子包括，但不限于，高转变温度(Tg)聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、多芳基化合物、聚砜、降冰片烯共聚物、聚苯砜(poly phenylsulfone)、聚醚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚砜(PES)、聚碳酸酯(PC)、酚醛树脂、聚脂、聚酰亚胺、聚醚酯、聚醚酰胺、醋酸纤维素、脂肪族聚氨酯、聚丙烯腈、聚三氟乙烯、聚偏1，1二氟乙烯(polyvinylidene fluorides)、高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环状或无环聚烯烃或者纸张。
[0058]天线12可以包括在基板14上以任意的多种适当方式放置的很多种导电材料。天线12可以由印刷或沉积在基板14上的导电墨水构成。或者，天线12可是粘附地或以其他方式附着到基板14上的受侵蚀的导电材料。制造天线12的其它可能替代方案包括沉积法(如蒸汽沉积法)和镀覆法(如电镀)。
[0059]合适的插入件的例子包括可从Alien Technologies公司获得的射频识别插入件，以及可从Philips Electronics公司获得的，以名称I-CONNECT进行销售的插入件。插入件18的使用可以促进芯片20与天线结构12的可操作耦合。应该意识到，替代地芯片20可以不使用插入件18，直接耦合至天线结构12。
[0060]图2显示了天线结构12的一个实施例的详细情况。天线结构12包括在天线元件21和22之间的一个间隙40，用于插入件或芯片与天线元件21和22的耦合。天线元件21和22包括各自的馈线42和44，馈线42和44提供天线元件21和22各自的传导区域46和48与间隙40之间的导电连接。天线结构12还包括将馈线42和44电耦合在一起的传感线(conductive inductor line)49和50。
[0061]馈线42和44包括弯折或弯曲52和54，使得馈线42和44的某些部分靠近馈线42和44的另外部分通过，且各部分能够彼此进行电相互作用。根据馈线42和44周围的绝缘材料数量和类型，这个电相互作用导致改变馈线42和44的电性质。
[0062]导电区域46和48呈锥形，在其与馈线42和44连接的近端相对窄，在其远端56和58相对宽。导电区域46和48宽度的变化可以随从近端到远端56和58的持续斜坡(constant slope)而增加。为了能与附近的绝缘材料通过电场相互作用，导电区域46和48的远端56和58可能被整形。如图2所示，远端56和58是弯曲的。然而远端可以替代地有很多种其他不直的形状，如锯齿状。
[0063]传感线49和50使电流在天线元件21和22之间流过。传感线49和50中的电流产生一个可以与附近导电物体和材料相互作用的本地磁场。
[0064]天线结构12包括至少三种类型的补偿元件：1)包含弯折或弯曲52和54的馈线42和44，它们是电补偿元件；2)锥形导电区域46和48的弯曲端56和58，它们也是电补偿元件；和3)传感线49和50，它们起磁补偿元件的作用。天线结构12可能总长(从远端56到远端58)为140mm，总宽度大约为25mm，传感线49和50的宽度大约为5mm。但应该意识到这些尺寸只对应于一个特定的实施例，且天线结构12可以有其它适宜的尺寸。
[0065]天线结构12的各种补偿元件协作，以在放置含有天线结构12的射频识别装置时实现一定程度的非位敏性。图3和图4图示说明了处在相对于一排物体64的一对不同位置中的射频识别装置10。物体64可以是直径为65mm的饮料罐，其按行被排成直线，比如处在其上放有射频识别标记的纸盒中。图3示出的射频识别装置被放置成其中心70在一对相邻的物体64之间，中心70沿一个三角形的夹层空间72放置。天线末端56和58沿类似的夹层空间73和74定位。图4示出的天线结构12被定位成中心70和末端56、58都最靠近物体64。
[0066]在采用图2所示天线结构12的射频识别装置的测试中，把射频识别装置10从图3所示位置移动到图4所示位置，结果使工作频率下降了大约1％，从897MHz降到888MHz。射频识别装置的可读距离在图3所示位置是2.7m，在图4所示位置是2m。
[0067]相比起来，将具有以前的天线结构的射频识别装置从图3所示位置移动到图4所示位置，结果使工作频率从887MHz降到低于755MHz。以前的天线结构在图3所示位置的可读距离是2m，但在图4所示位置根本不可读。(这个以前的天线结构示于图21中，在下面将结合该图进一步讨论它。)
[0068]由这些结果可知，采用图2所示天线结构12的射频识别装置10在不同位置基本不变，其中射频识别装置10的长度与物体64的轴线基本垂直。
[0069]测试射频识别装置时，将该装置置于一个产品或模拟产品环境上，距离读取器系统天线一已知的距离。响应的装置决定了衰减电平。使用这个衰减电平可预测射频识别装置可被读取或被检测到的范围。比如，假设在1米范围内，射频识别装置被读取时的额外衰减(addedattenuation)为6dB，可以预测在2米范围内它被读取的额外衰减为0dB，因为自由空间衰减传播引用的衰减遵循平方律(square law)，且读取器与射频识别装置间的距离每增加一倍，衰减就增加6dB。保持射频识别装置和读取器之间的距离不变，且确定衰减、影响，可避免这样的多路传播。
[0070]如果射频识别装置的天线结构的性能(增益)在一定位置范围内变化不超过给定数量，比如3dB或6dB，则认为该天线结构在该位置范围内对位置不敏感。增益的测试可以在某个给定的频率或感兴趣的频率范围内进行(比如，902MHz-928MHz，或860MHz-880MHz)。如上段所述，这种测量提供了射频识别装置的性能和工作范围的指示。因此包含天线结构的装置对位置不敏感可以替代地表示为在给定环境下、给定频率范围内读取范围不变。读取范围的变化低于某个给定的值，比如50％，可以认为是指示了天线结构中的非位敏性(positioninsensitive)，或位置不变性。
[0071]作为另一种测量非位敏性的可能方法，如果射频识别装置的天线结构的频率变化不超过给定的数量(比如，20MHz或10MHz)或比例(比如，10％、5％或2％)，就可以认为该天线结构在一位置范围内对位置不敏感。也可以采用非位敏性或位置不变性的其它测量方法，比如，测量被射频识别装置吸收的能量的测试。
[0072]上文描述了关于一排罐被一层纸板和射频识别装置10隔开的单个环境中的测试。这样的测试模拟了放置在纸箱上的射频识别标记的性能。然而，应该意识到，对于射频识别装置还有很多其它可能的使用环境，这些环境包括具有物体周期性布局的不同阵列的环境、具有给定物体的非周期性布局的环境、以及包括特性不同的不同类物体的布局的环境。
[0073]图5示出天线结构12的另一个实施例，它被配置成在多维位置范围内提供良好的性能。天线结构12包括天线元件21和22，芯片20耦合到天线元件21和22。天线元件21和22每个都有多个锥形电补偿元件80，开路磁补偿元件82以及组合的电磁补偿元件84。
[0074]图6和图7展示了锥形电补偿元件80的两个示例。其中图6示出单个锥形电补偿元件，图7示出一对互相靠近的锥形电补偿元件80，从而形成一个组合的电补偿元件86。补偿元件主要通过电场与附近的绝缘材料相互作用。
[0075]图8示出开路磁补偿元件82的放大图。开路磁补偿元件82的导电材料包围了一个圆形区域90。流过开路磁补偿元件82的导电材料的电流建立了一个主要通过磁场与附近的导电材料相互作用的磁场。
[0076]图9展示了另一种开路磁补偿元件82′，其可以用来代替图8所示的开路磁补偿元件82。开路磁补偿元件82′大致围住了一个矩形区域90′。与磁补偿元件82一样，流过围绕区域90′的开路磁补偿元件82′的导电材料的电流建立了一个可与附近的导电物体或材料相互作用的磁场。
[0077]图10示出组合的电磁补偿元件84之一的放大图。元件84包括回路92，回路92大致围住区域94，这样通过元件84的导电材料的电流便建立一个与附近导电物体或材料相互作用的磁场。在回路92的两端，元件84的导电材料具有锥形部分96。锥形部分96相互靠近，其间在它们最靠近处有一空隙98。空隙98任一边上的导电材料与依赖于附近绝缘物体的电场相互作用发生相互作用。因此组合补偿元件84也通过电场相互作用与周围的材料相互作用。
[0078]图5所示的天线结构12在不同方位有多个补偿元件。这增加了天线结构的复杂度，但可以增加在相对于附近物体定位天线结构12时的灵活性，同时仍实现天线结构12的可接受性能。为了说明，图2的天线结构12可能只实现一维位置范围，其要求例如按相对于附近物体的某个特定方位定位(例如图3和图4所示，大致与物体64的轴线垂直)，同时能够沿着天线结构的长度直线的任何位置移动。相反，图5所示的天线结构12能够在多维位置范围内具有可接受的性能，例如能够被放在装有饮料罐的纸箱侧面上的基本任何位置，不用考虑是放在罐中间或者罐上，也不用考虑相对于罐轴线的方位。
[0079]下面是多种补偿元件的描述，这些补偿元件可能包括在一定位置范围内性能适当不变的天线结构中。虽然下面详述了几种主要类型的补偿元件，但应该意识到，详述的几种主要类型并没有穷尽天线结构12可能包含的电补偿元件和磁补偿元件的多种类型的品种。下文描述的至少一些补偿元件也在PCT申请PCT/US04/11147号(该申请通过引用在此整体并入本申请)中公开。同样地，下文详述的个体补偿元件(不是上文描述的其组合)在前面已经公开过。
[0080]图11图示说明是补偿元件130的一个一般类型，电容器150。电容器150包括一对导电板152和154，其被安装或印刷在绝缘基板156上。这些导电板之间的电容是基板的间隔、大小以及介电常数(这很重要)的函数。一般而言，当相对介电常数(用Er表示)增大时，导电板之间的电容C也增大。
[0081]图12所示是体现本发明的一种特定类型的电容器。这里所示的电容器158由电磁场的交叉耦合组成，电磁场形成于绝缘体164上的电容器“指”160和162之间。电容器158在此处被称作交叉指型电容器(inter-digital capacitor)。电容器158的电容量和其它特性通常由指160和162之间的空间、指的数量、指160和162的尺寸，以及其上附着电容器158的绝缘材料164的介电常数决定。应该意识到，电容器158的特性还由其他的附近绝缘材料决定，绝缘材料使电容器158可以通过电场与附近的绝缘材料相互作用。
[0082]图13和14说明了采用两种不同绝缘基板164的电容器158周围的电场。图13显示电容器158在相对薄的基板166上，如100um的聚脂层上。图14显示电容器158和薄基板166在相对厚的基板168上，如介电常数在2和7之间的30mm的厚绝缘块或平板。
[0083]对于图13显示的情形，交叉指型电容器158主要都在空气中，交替指针160和162之间的介电常数就是薄基板166的介电常数。当电场传播时，电容器指之间的电容是这些指周围的介电常数的函数，所以它有一个初始值C1。
[0084]在图14的情况中，电场也在绝缘块中流动，因此在电容器的指间有交叉耦合。绝缘块的存在，尤其是绝缘块的介电常数，影响了电容C2的值。因此这样的配置包括一个组件，该组件的电容(C)是其上安装它的绝缘块的相对介电常数的函数，也就是C＝f(Er)，其中Er是绝缘块的相对介电常数。电容随着绝缘块介电常数的增大而增大。组件的电容也是绝缘体厚度的函数。因为厚度较小的绝缘体，其中它所具有的电磁场也小，因此对于一个给定的Er，厚度较小的绝缘体提高的电容量较少。
[0085]图15图示说明了一种可能的感应器结构——螺旋或弯折感应器169，其有许多弯曲或离邻近弯曲很近的其它部分(弯折)170，或其它部分170。这种结构有自谐振，是由于弯曲之间的电容引起的。因此净感应值也可以是基板Er的函数。
[0086]在空气中，这个弯折感应组件会有一定量的感应值L。当把弯折感应组件放在具有较高介电常数的很厚的材料上时，弯折之间的电容交叉耦合增大，造成总感应值的减小。
[0087]图16简要说明了弯折感应器组件的使用。含有元件180的偶极天线178通过弯折感应器184与射频识别芯片182相连。天线178、感应器184和芯片182通过以任何惯用方式印刷、粘贴或安装到其上而附着于薄绝缘材料186(更准确地说，是低介电常数基板，如厚度为100um的聚脂薄膜)。
[0088]图17显示了使用弯折感应器184的另一种配置，感应器184被放在偶极天线178和芯片182之间。偶极天线178、芯片182和弯曲感应器184都处在较高介电常数基板188上。
[0089]如果设定基本偶极天线178的尺寸，用于放置在空气中或低介电常数Er基板上，则当偶极天线178被放置在较高介电常数Er基板188上，天线元件在被选择的工作频率就太长。这主要通过天线变得电感的，也就是说，+jX增大来表现。如果在天线178和芯片182之间没有补偿，则阻抗匹配会失配，因而标签性能会降低。但是，在较高介电常数Er基板188上的弯曲感应器184的电感值减少了。因此基板188上的弯曲感应器184向电路提供小一点的+jX，所以通过对特性的正确选择，就维持好的阻抗匹配。
[0090]上文对单个电容和感应元件的讨论说明了组件值依赖于放置它们的基板的特性的原理。可以制造很多其它的组件，包括多个电容器，感应器和传输线元件(可起到变压器的作用)，彼此以并联或串联的方式组合，以提供依赖基板的可变阻抗。这些组件可以形成在靠近天线的薄膜上，其中天线受基板材料的介电常数及其厚度的变化的影响。这些依赖基板的阻抗变化的组件可用来重新调谐和重新匹配天线/芯片组合，从而在一定范围的基板特性维持一些天线类型的性能。
[0091]上文确定了结构的表面特征可以与其上安装它们的基板相互作用或对它作出反应，依赖局部环境，尤其是基板的介电常数改变工作特性。但是只用这些组件并不总是最好的解决方法。补偿元件130的另一种用法是用于根据补偿元件周围的环境，尤其是补偿元件130安装于其上的绝缘材料的介电特性，改变天线有效长度的结构。一些改变天线元件有效长度的简单结构和方法描述如下。
[0092]为了达到这个目的，考虑的最简单的天线之一是图18所示射频识别装置202的一部分——折叠偶极天线200。设置折叠偶极天线200的回路204的总长度，以在标签被设计成可使用其来工作的最小介电常数下向射频识别芯片205良好匹配，标签的一个例子是厚度为30mm，介电常数Er＝2的块。
[0093]适应元件206可以包括一个印刷的串联调谐电路，该电路包括一个窄线的简单弯折的感应器和一个前文讨论和阐述的交叉指型电容器。感应器和电容器的值使得当感应器和电容器在介电常数Er＝2的材料上时，谐振频率高于915MHz，因为电容值低。如果将整个标签都放置在介电常数Er＝4、30mm的基板上，则折叠偶极天线回路的适当长度现在就短一些。但是，适应元件206内部的电容器的值可能增加，使回路在915MHz谐振。这时适应电容元件的作用就象一个短路，为射频电流提供了一条长度减少的通路，这正好是使天线与放置在介电常数Er＝4的材料上的芯片正确匹配的通路长度。应该意识到，示例中的值和数目是为了说明操作的一般原则，并不一定代表实际天线和射频识别标签的设计。
[0094]这是本发明收录的采用基板属性改变天线的有效长度的例子。另外，可以设想分布版本，在此电感和电容沿着天线长度分布。应该意识到的是，这些电容和感应元件可以以串联和/或并联组合使用，且可能和一个有适当特性的天线组合，当基板介电常数Er变化时可以调节阻抗匹配，以允许保持天线的性能。
[0095]一种替代结构是补偿元件130如适应元件206，调整天线有效长度的结构。把天线放置在不同介电常数Er的介质上或此介质中时，在已定义频率上的波长会改变。为了达到低电抗或零电抗，以及有用的辐射阻抗，天线在此介质中的理想长度会短一些。
[0096]因此基板介电常数变化时就减少其有效长度的天线提供补偿。下面的图19显示了实现这点的结构的概念。这是个非限制性的例子，因为单独或组合使用此处描述的多种结构和方法的很多其他适宜的配置是可行的。
[0097]图19是示出矩形截面导体216的弯曲部分的平面图，矩形截面导体216被设计成放置在介电常数Er为任意值的基板上。这个弯曲部分将形成偶极天线两个臂的一部分。可能会使用多于一个部分。导体216可能有两条通路让电流流过：外曲线218和内曲线220。两条曲线的传输路径长度实际是不同的。裂口222起电容器的作用。基板介电常数Er的值增加时，两个辐射部分之间的电容同样增加，但是有效传输路径的长度会缩短。
[0098]应该意识到，有很多可行的替代方法提供适应结构，这些适应结构被配置，以在一定程度上为适应或补偿天线结构所依附基板的不同介电常数值进行补偿。比如，也可设计简单波格式结构之间的交叉耦合来提供补偿。交叉耦合结构已在上文描述过。
[0099]图20显示天线结构240，它包括一些适应元件，这些元件是上文讨论的一些类型的补偿元件的实例。天线结构240包括一对天线元件242和244，这对元件在各自附着点246和248耦合至射频识别芯片或带。天线元件242和244有各自的主天线线路252和254。在主天线线路252和254的端处是电容性短线(stub)256和258。电容性短线256和258包括各自的导电引线262和264，导电引线262和264朝相应的主天线线路252和254向后弯曲。导电引线262和264距离导电引线与主天线线路连接点越远，它们与主天线线路252和254之间的空隙266和268越宽。电容性短线256和258具有可变的特性，其根据天线结构240依附的基板的介电常数变化。更具体的是，导电引线262和264分别与主天线线路252和254之间的电容是其上安装天线结构240的基板材料的介电常数的函数。
[0100]天线结构240还包括主天线线路252和254任一侧的回路线路272和274。如图所示，回路线路272和274比主天线线路252和254窄。回路线路272和274中每个都耦合至两个主天线线路252和254。在回路线路272与主天线线路252和254之间有一个空隙282。相应地，在回路线路274与主天线线路252和254之间有一个空隙284。空隙282和284的厚度是可变化的，在回路线路272和274与主天线线路252和254接合的地方窄，朝着回路线路272和274的中部变宽。回路线路272和274的作用如同感应器。
[0101]图21显示了一种替代天线结构300，其具有一对大体为三角形的天线元件(导电片)302和304。天线元件302和304有附着点306和308，用来耦合射频识别芯片或带到天线结构300上。
[0102]天线元件302和304有各自的补偿或适应部分，或元件312和314。适应部分212和214在大体三角形的导电片中提供空隙316和318。空隙316的一边是导电连接320，导电连接320包括相对宽的中间部分322和沿空隙316两边一对相对窄的部分324、326，并且耦合中间部分322到天线元件302在空隙316任一边上的部分328和330。中间部分322的宽度大概与空隙316附近的天线元件部分328和330的宽度一样。窄部分324和326可能比中间部分322和基本所有天线元件部分328和330更窄。天线元件304可能在空隙318附近有导电连接334，其基本与导电连接320一致。
[0103]已经发现，天线结构300被安装在装有各种包括导电的和非导电材料的不同产品的纸板箱的壁上时性能良好。天线结构300，尤其是适应部分312和314，可以为天线结构300遇到的各种环境(比如，基板特性的变化和附近物体特性的变化)提供补偿。作为放置天线结构300的一个例子，天线结构300可被安装在厚度为3-4mm的纸箱容器上。
[0104]应该意识到，有很多适当的方法可以用来决定天线结构12的布局(layout)，包括补偿元件的选择和定位和天线结构12的总体尺寸。其中一个这样的适当方法是使用遗传算法(genetic algorithm)重复地生成天线结构布局。生成的布局需要测试，检验性能是否满足适当的标准。比如，用计算机模拟来模拟布局在不同的位置和/或环境中的性能。可组合性能最佳的生成的布局来产生新一代可行的天线结构布局。生成布局、测试布局和组合布局的这个重复过程可能会不断地继续，直到达到某个适当的性能或满足了其它的标准。
[0105]虽然参照某一或某些优选实施例对本发明进行了展示和描述，但是很明显，通过阅读和理解这个说明书和附图，本领域技术人员可以做出其它等效的变更和改造。特别是关于上述元件(组件，组装部件，装置，合成体等)所执行的不同功能，除非另外指出，用于描述这些元件的术语(包括提到的“手段”)是打算与执行所描述元件的指定功能(即，功能上等效)的任何元件对应的，尽管结构上不等同于执行本文中阐述的本发明典型实施例或多个典型实施例中功能的公开的结构。此外，虽然仅参照几个阐释性实施例中的一个或更多个实施例已在上面对本发明的特定特征进行了描述，但是此特征可结合其它实施例的一个或更多个其它特征，如可以期望的那样，并且对于任意给定或特定的应用也是有利的。

Claims (18)

1.一种射频识别装置(10)，其包括：
应答器芯片(20)；
导电天线结构(12)，其可操作地耦合至所述应答器芯片，其中所述导电结构包括：
一个或更多个主要通过电场与附近物体相互作用的电补偿
元件(24/26/30/32/42/44/46/48/80)；
一个或更多个主要通过磁场与附近物体相互作用的磁补偿
元件(24/26/30/32/49/50/82/82′)；
其中所述补偿元件在相对于所述附近物体的位置范围内提供所述天线结构的基本非位敏性能。
2.根据权利要求1所述的射频识别装置，其中所述天线结构包括一对耦合至所述应答器芯片的天线元件(21/22)。
3.根据权利要求2所述的射频识别装置，其中所述天线元件中的每一个都包括各自的电补偿元件。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的射频识别装置，其中所述磁补偿元件将所述天线元件电连接在一起。
5.根据权利要求4所述的射频识别装置，其中所述磁补偿元件包括导电传感线(49/50)。
6.根据权利要求4所述的射频识别装置，其中所述磁补偿元件包括开路磁补偿元件(82/82′)。
7.根据权利要求6所述的射频识别装置，其中所述开路磁补偿元件围住一个基本圆形的区域(90)。
8.根据权利要求9所述的射频识别装置，其中所述开路磁补偿元件围住一个基本矩形的区域(90′)。
9.根据权利要求2至权利要求8任一所述的射频识别装置，其中所述电补偿元件包括导电材料的弯折(52/54)。
10.根据权利要求2至权利要求9任一所述的射频识别装置，其中所述天线元件包括导电材料的锥形区域(46/48)。
11.根据权利要求10所述的射频识别装置，其中所述锥形区域有处于所述天线元件的远部分的弯曲端(56/58)，其起到电补偿元件的作用。
12.根据权利要求2至权利要求5任一所述的射频识别装置，其中所述天线元件一起组成了回路(92)，所述回路基本围住在所述天线元件之间的区域，且其中所述天线元件的远端是锥形的，它们加宽成在所述回路远离所述芯片的端相互靠近。
13.根据权利要求1至权利要求12任一所述的射频识别装置，其与所述射频识别装置依附的物体组合在一起。
14.根据权利要求13所述的组合，其中所述物体是装有金属物体(64)的纸箱或容器。
15.根据权利要求14所述的组合，其中所述金属物体以周期排列形式位于所述纸箱或容器中。
16.根据权利要求15所述的组合，其中所述位置范围包括所述射频识别装置沿着所述纸箱或容器一侧的一维位置范围。
17.根据权利要求15所述的组合，其中所述位置范围包括所述射频识别装置沿着所述纸箱或容器一侧的二维位置范围。
18.根据权利要求15所述的组合，其中所述位置范围包括所述射频识别装置沿着所述纸箱或容器一侧的方位范围。
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