CN1326602A - 具有磁性耦合正交回路的旋转场天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转场天线,其包括一个8字形形状环、一个磁性耦合至该8字形形状环的中心环、以及一个用以驱动该8字形环的驱动元件。该8字形形状环具有一个上方环、一个下方环以及其间的一个交越区域。该中心环至少重叠于该交越区域的一部分并且至少重叠于该上方和下方环之一个或两个的一部分。该中心环不具有至该偏移8字形形状环之直接或实际电气连接。磁感应在8字形环相位和中心环相位之间产生90度相位差量,因而当该天线被驱动元件驱动时产生一个旋转复合场。该8字形环以及该中心环是共平面的。该驱动元件可以是一个具有大约为13.56MHz之基本频率的放大电压源,因此提供一个多环天线,其对于使用在13.56MHz共振的RFID标签的电子物件监视系统是有用的。

Description

具有磁性耦合正交回路的旋转场天线

发明背景

本发明涉及一种无线电频率天线，并且尤其涉及产生一个旋转场的环形天线。

在某些型式的电子系统中已知提供一组或多组环形天线，虽然如此设计环形天线，使得天线和其远距离(亦即，离天线大约一个波长或更长的距离)之间的耦合被最小化，然而其中天线和其近距离周围之间的耦合性是高的。这种天线一般使用于近场通讯或传感应用，此处术语“近场”表示在天线的半波长之内。此应用的例子包含植入式医疗元件之通信，以及用于包含电子物件监视(EAS)系统的计算机和无线电频率辨识系统的近范围无线之本地区域通讯网路的通信。一般地，这些环形天线之耦合主要是经由磁感应。

例如，无线电频率辨识(RF1D)系统通常包含共同地建立检测区的一个发射天线和一个接收天线，以及附着于被保护物件的标签。该发射天线产生一个电磁场，其在一个第一预定频率的小范围之内可以是固定的或可变化的。各标签包含具有一般等于该第一频率之预定共振频率的一个共振电路。当一个标签出现在检测区时，利用发射天线产生之电磁场在该标签中的共振电路中感应出一个电压，其导致共振电路共振并且因而产生一个电磁场，而在检测区之场内引发干扰。接收天线检测该电磁场干扰，其可以转换成关于在检测区中的附着有标签的保护物件的项目辨识资料。为了此种目的，特别的天线构造已经被设计出。

一种传统的天线具有两个环，如8字形结构。在此两环天线中，在检测区之中心形成一个微弱的检测场或“洞孔”，其一般是平行于该8字形环的相交的区域。当标签被置于朝向正交于或垂直于相交棒的轴线的位置时，该洞孔特别地显着。

一种三环天线普遍地被使用以解决在中心区产生微弱电磁场的问题。但是，大的足够覆盖许多立方米体积的一种三环天线将具有一个在13.56MHz之下的自共振，那是某种标签应用所需的频率。因此，此种天线无法被调谐至13.56MHz。

一种用以在中心区域形成电磁场之传统技术是利用与主线之相同电流源简单地驱动一个中心线。但是，这技术不是最佳的，因为分别地由于8字形之场构件以及具有相反极性之中心环，使得从正性增强和破坏性消除形成“热”和“冷”区域。用旋转电磁场，该天线基本地平均该热和冷点，并且提供均匀的生成场。

另一用以产生一个旋转场之传统技术是使用串接/平行的匹配网路驱动中心环使之相对于其他环有90度之相位差量。

这些用以提供一个旋转、均匀电磁场之传统方案需要中心线环被电气地连接到该8字形线环。一种传统的连接方案经由一个移相网路而电气地连接中心线环至该8字形线环。该移相网路增加天线的成本和复杂性。同时，在该网路构件中之损失也减低天线之效率。

因此，需要一种旋转场天线，其并不需具备这种电气连接并且其非常适合于在13.56MHz范围内的无线电频率。本发明满足这些需要。

发明概要

本发明提供一种多重环形天线，其包括一个具有8字形形状并且包含一个交越区域的环，一个用以驱动该8字形环的驱动元件，以及一个至少与交越区域一部份重叠的中心环。该中心环同时也至少与8字形环之一部份重叠。该中心环具与8字形环或驱动元件没有直接的或实际的电气连接。磁感应在8字形环之相位和中心环之相位之间产生一个90度相位差量。因而当该天线被驱动元件所驱动时产生一个旋转复合场。

附图的简要说明

前述之概要以及本发明较佳实施例之下面的详细说明，富参看附图阅读时，将更容易了解。为显示本发明之目的，在附图中示出了较佳实施例。应该了解的是，本发明并不受限制于所示的精确配置和手段。在附图中：

图1是依据本发明一个较佳实施例的一个旋转场天线的原理图；以及

图2 A-2D是依据本发明四个不同实施例的天线形式。

本发明之详细描述

为方便起见在此使用某些术语，但并不意味着欲限制本发明。图1是依据本发明一个较佳实施例的一种共振环形天线10。天线10在所有的平面中形成一个磁场。天线10利用相对于至少一个其他环具有90度相位差量驱动一个或多个天线环而形成一个旋转复合场。与传统方案不同，磁感应被使用以在这些环之间产生一个90度相位差量，并且无直接的或实际的电气连接至产生零度或参考场之元件。

天线10一般由两个环构成，即实线表示的第一环天线12(在此之后，称为“8字形环12”)，以及虚线表示的第二中心环形天线14(在此之后，称为“中心环14”)。8字形环12具有彼此平行连接的一个上方环部份18以及一个下方环部份20。8字形环具有一组”交越”或”交越区域15”。其于此处被定义为在上方环部份18底部和下方环部份20顶部之间的空间或区域。在本发明之较佳实施例中，天线10是一个偏移8字形环天线(亦即，该上方环部份18从下方环部份20显著地被偏移)，因而成为一种哑铃形状。但是，该8字形环也可以具有一种传统的不偏移形式。

图2A展示具有一个较大区域的影线交越区域15的偏移8字形环天线10，如图1中之形式。图2B展示一种具有一个交越区域15′的非偏移8字形环形天线10′，在该非偏移形式中，交越区域15′仅具有类似一条的一个小区域而取代一个矩形。艾越区域15′之高度最好大约是整个天线10之高度的V3至1/2，并且最好大约是，整个天线10之高度的1/3。但是，如图2B所示，交越区域15′之高度可以是非常的小，并且因此对整个天线10′高度之百分比可以是不予以考虑的。

中心环14至少重叠于交越区域15的部份区域并且至少重叠于8字形环天线12之一部份。明确地说，该中心环14至少重叠于交越区域15的部份区域，以及至少重叠于上方环部份18和下方环部份20之一区域之部份或两者区域之部份。最好是，该中心环14重叠于交越区域15之整个区域，以及上方环部份18的一个底部区域和下方环部份20的一个顶部区域，如图1，2A和2B所示。最好是，该中心环14重叠于一个环部份比其他的环部份要稍微地多一些，如图1，2A和2B所示，其中该中心环14重叠于该上方环部份18比下方环部份20要稍微地多。最好是，一个环部份之重叠区域比其他的环部份之重叠区域大约地多10％至20％。但是，本发明包含这样的实施例，其中中心环14重叠于一个环部份显着地比其他的环部份要多，如图2C所示，并且还包含这样的实施例，其中重叠是相等的(未示出)。进一步地，该中心环14可以重叠交越区域15的整个区域，或部份区域，以及上方或下方环部份18或20之一部份区域。例如，图2D展示之一和天线10”’，其中该中心环14”’仅重叠于交越区域15”’之部份区域，并且仅重叠于下方环部份20的顶部区域。在图2D中，该中心环形天线14”’重叠于上方环部份18的任何区域。

该中心环14一般是与8字形环12共平面的。但是，由于8字形环12之民线厚度，该中心环14将从8字形环12稍微地偏移，事实上该中心环14的顶部和/或底部份稍微地重叠于8字形环12的一些区域，实际上，导线的交越阻止了在中心环14和8字形环12之间的完美共平面。8字形环12的环18和20和中心环14一般可以是矩形或可以具有其他的环形形状(例，口，椭圆形，圆形，或其他形状之组合)。

再参看图1，8字形环12由一个以点/虚线表示的放大电压源16所驱动。另外，8字形环12也可以由一个放大电流源所驱动(未示出)。8字形环12与一组组合的共振/调谐电容器22和24是在一组串接共振电路中，以至于由于共振电路Q值使跨越8字形环12之端点产生电压提升。共振电容器22和24之一端被连接至电压源16之分别的极性端并且另一端被连接至一个电阻器25的分别的未端。

中心环14不被直接或实际电气连接至电压源16。而是，被其如此设置使得8字形环12的受控制部份磁通量被中心环14截取。中心环14是一个包含一个环路电感器26以及至少一个电容器28的串联共振电路。串联电容器28最好包括一个固定电容器30和一个可调电容器32的并联组合。

在所产生之天线结构10中，电压源16在8字形环12中驱动电流，由此产生一个时间变化磁场。单独使用8字形环12时，在中心区域中被建立的磁场相对地微弱。利用在中心区域中充填中心环14，天线10可发射一个复合旋转场，其来自于一个主时间变化磁场与一个辅助磁场的向量和，辅助磁场频率与主磁场相同，相位与主磁场新式90度。

由于一个时间变化磁通量，(t)，磁感应被用来经由N个线环，跨越该中心环14，产生一个时间变化电压e(t)。当时间变化通量，(t)，是sin(ωt＋θ)时，则

         (t)＝sin(ωt＋θ)并且

         e(t)＝Nωcos(ωt＋θ)，

因此该感应电压是Nωcos(ωt＋θ)，因而导致90度相移。

所产生电磁场以基本工作频率转动。电磁场相加机制类似于以正交场驱动的电气马达。因此，该术语“旋转”场是适富的。

该中心环14之电压提升是由串联共振电路的品质因数Q得到。中心环14和8字形环区域18和20的重叠然后凭经验决定以提供平衡的复合生成场和共振标签检测。

有本发明的一个较佳实施例中，天线10询问无线电频率辨识(RF1D)标签。当RFID标签呈现给形成一个人口或出口的之通道的一对天线时，RF1D标签被检测到天线10最好是被使用于楼层出口天线。但是，其他的天线形式，包括手持RF1D扫瞄器，皆在本发明范畴之内。一种适用于本发明之传统RF1D标签具有一种大约为13.56MHz的主共振频率或基本频率。因此，该天线具有一个大约为13.56MHz的基本频率，并且该电压源16具有大约为13j6MHz的基本频率：虽然较佳的天线基本频率大约为13j6MHz，其他由于其填完了在天线检测图型中的“洞孔”，使得天线10比传统的两环之8字形天线较好。天线10同时也没有传统的三环天线的使用移相网路增强在中心区域的信号产生的缺点，因为不需要此种网路。同时，其尺寸足以覆盖一个入口或出口的三组环天线具有高于13.56MHz的自共振。因此，不同于此尺寸之传统三环天线，依据本发明构成的天线，利用添加适当的固定和/或可变电容器而可被调谐为13.56MHz。

天线10在以RFID为主的安全系统中是特别有用的。天线10可以用作一种长范围读取天线系统的一部分用，其可在相关的场发射规定限制之内操作，同时对于所有的可能标签/天线朝向提供充分检测性能。天线10之高Q值，单一频率操作使其适于松弛磁耦合/Q值提升技术。

此种技术无法被使用于具有低Q值的宽频带系统中。在此种系统中，耦合重叠必需非常地高，其表示中心环必需非常地大。一种大的单一环系统不消除其远场分量构件，并且也不提供最佳发射。

本领域技术人员应该了解，上述实施例可被改变而不脱离本发明范畴。因此，应该了解，本发明并不受限制于被揭露的特定实施例，而是涵盖在所附权利要求书限定的本发明精神和范畴之内的修改。

Claims (16)

1、一种多环天线，包括：

(a)一个具有8字形形状的环，该环包括一个交越区域；

(b)一个用以驱动器8字形环的驱动元件；以及

(c)一个中心环，其至少与交越区域的部份重叠，并且至少与该8字形环的部份重叠，其中该中心环不具有至该8字形环或至该驱动元件的直接或实际电气连接，并且其中磁感应在该8字形环之相位和该中心环之相位之间产生一个90度相位差量，富被驱动元件驱动时该天线因而产生一个旋转复合场。

2、根据权利要求1的多环天线，其中该8字形环包括彼此平行连接的一个上方环和一个下方环。

3、根据权利要求2的多环天线，其中该中心环包括一个重叠于该下方环之顶部区域的底部区域。

4、根据权利要求3的多环天线，其中该中心环包含一个重叠于该上方环之底部区域的顶部区域。

5、根据权利要求4的多环天线，其中该中心环和该上方和下方环之一个的重叠区域比该中心环和该上方和下方环之另一个的重叠区域大约大10％至20％。

6、根据权利要求1的多环天线，其中该9驱动元件是一个放大电压源。

7、根据权利要求6的之多环天线，其中该电压源具有一个大约为13.56MHz的基本频率。

8、根据权利要求1的多环天线，其中该中心环是一个包括一个环路电感器和一个电容器的组串联共振电路。

9、根据权利要求8的多环天线，其中该电容器是一个固定电容器和一个可调电容器的并联组合。

10、根据权利要求1的多环天线，其中该驱动元件是一个被放大电流源。

11、根据要利要求1的多环天线，其中该交越区域之高度大约是该整个天线高度的1/3至1/2。

12、根据权利要求1的多环天线，其中该8字形环以及该中心环是共平面的。

13、一种旋转场天线，包括：

(a)一个8字形形状环：以及

(b)一个磁性地耦合至该8字形形状环的中心环。

14、根据权利要求1的旋转场天线，进一步包括：

(c)一个用以驱动该8字形环的驱动元件。

15、根据权利要求13的旋转场天线，其中该8字形形状环是一个偏移8字形形状环，其具有一个上方环、一个下方环以及一个其间的交越区域，并且该中心环至少重叠于该交越区域的一部份并且至少重叠于该上方和下方环其中之一个或两个的一部份，并且该中心环不具有至该偏移8字形形状环的直接或实际电气连接。

16.根据权利要求15的旋转场天线，其中该中心环现上方和下方环之一个的重叠区域比该中心环与该上方和下方环之另一个的重叠区域大约大10％至20％。

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