用于近場應用的小型寬帶環形天線的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于提供天線的寬帶近場的方法和裝置。小型寬帶環形天線包括多層的印刷電路板(PCB)基板。印刷在PCB基板上的有共享相同驅動電路、阻抗匹配網絡、主接地層和導電層的雙環路。短路通孔將雙環路連接到接地層。通過調整環路參數，如短路通孔的位置，該天線可調諧到所需的工作頻率。
【專利說明】用于近場應用的小型寬帶環形天線
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請是涉及且要求美國臨時申請號：61 / 475, 109的優先權，其于2011年4月 13日提交，發明名稱為"用于近場應用的小型寬帶環形天線"，該申請的全部在此引入本文 作為參考。

【技術領域】
[0003] 本發明涉及一種天線結構，特別是從寬帶環形天線產生寬帶近場的方法和系統。

【背景技術】
[0004] 射頻識別（RFID)系統可用于多個應用，如庫存管理、電子訪問控制、安防系統、收 費公路上汽車的自動識別和電子物品監控（EAS)。超高頻（UHF) (860-960兆赫茲（MHz))或 微波（2. 45千兆赫茲（GHz))的RFID系統可包括RFID讀取器和RFID設備。RFID讀取器可 以經由天線發送射頻載波信號到RFID設備，如RFID嵌體或RFID標簽。RFID設備以教據信 號響應于載波信號，該數字信號由RFID設備存儲的信息來編碼。與讀取器連接的天線在預 定工作頻帶內調諧以便工作，通常優選覆蓋工作頻帶的寬帶頻率，例如860-960兆赫。已知 的RFID天線設計為工作在天線遠場的該頻率子帶中。然而，許多應用涉及在讀取器的天線 的近場中讀取RFID標簽。
[0005] 因此，對RFID安全應用以及其它的RFID應用來說，需要有其實質上工作在天線的 近場中的遍及寬頻率帶的實質部分的天線。


【發明內容】

[0006] 本發明有利地提供了一種用于提供寬帶天線的近場中的雙頻帶性能的方法和系 統。根據一個方面，寬帶天線包括導電層、接地層、短路通孔、第一環路和第二環路。短路通 孔將導電層連接到接地層。第一環路具有第一端口和第二端口。第一環路在第一端口連接 至匹配電路，在第二端口連接至短路通孔。第一環路可包括第一電路元件。第一環路可通 過調節第一電路元件、第一環路的形狀、導電層的形狀、匹配電路和短路通孔的部分中至少 一個來被調諧。第二環路具有第三端口和第四端口。第二環路在第三端口連接至匹配電 路，在第四端口連接至短路通孔。第二環路可包括第二電路元件。第二環路可通過調節第 二電路元件、第二環路的形狀、導電層的形狀、匹配電路和短路通孔的部分中至少一個來被 調諧。
[0007] 根據另一個方面，本發明提供一種利用天線產生電磁近場的方法，其中天線包括 第一環路、第二個循環、匹配電路和短路通孔。第一和第二環路中的每一個具有第一端口和 第二端口。第一和第二環路在第一和第二環路的第一端口連接到匹配電路，在第一和第二 環路的第二端口連接到短路通孔。短路通孔將接地層連接至導電層。第一和第二環路中的 至少一個包括集總無源電路元件。該方法包括調諧天線以引起第一環路在第一頻率和第二 頻率之間的第一頻帶范圍上的近場中以相當大的增益來輻射。該方法還包括調諧天線以引 起第二環路在第二頻率和第三頻率之間的第二頻帶范圍上的近場中以相當大的增益輻射。
[0008] 根據又一個方面，本發明提供一種寬帶雙天線，其包括導電層、接地層、第一絕緣 層、第二絕緣層、匹配電路、短路通孔，第一輻射元件和第二輻射元件。第一絕緣層和第二絕 緣層的至少一部分設置在導電層和接地層之間。匹配電路設置為將驅動電路的阻抗基本匹 配到天線的阻抗。短路通孔將接地層連接到導電層。導電層設置在第一絕緣層上，且接地 層設置在第二絕緣層上。短路通貫通第一絕緣層和第二絕緣層。第一輻射元件在第一端口 連接到匹配電路，且在第二端口連接到短路通孔。第二輻射元件在第三端口連接到匹配電 路，且在第四端口連接到短路通孔。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 在與附圖一起考慮時，通過參考下面的詳細描述，，將會更快速地理解對本發明更 完整的理解及隨之而來的優點和特征，其中 ：
[0010] 圖1是根據本發明的原理構造的示例性的射頻識別（RFID)系統的方框圖；
[0011] 圖2是根據本發明的原理構造的示例性的寬帶環形天線的等效電路圖；
[0012] 圖3是根據本發明的原理構造的示例性的寬帶環形天線的側視圖；
[0013] 圖4是圖3寬帶環形天線的導電層的頂視圖；
[0014] 圖5是圖3寬帶環形天線的中間層的頂視圖；
[0015] 圖6是根據本發明的原理構造的寬帶環形天線的一個替換示例性實施例的側視 圖；
[0016] 圖7是圖6寬帶環形天線的導電層的頂視圖；
[0017] 圖8是圖6寬帶環形天線的中間層的頂視圖；
[0018] 圖9是根據本發明的原理構造的示例性的寬帶環形天線的頻率響應的曲線圖。

【具體實施方式】
[0019] 對根據本發明詳細示例性實施例的描述之前，應當指出，實施例主要涉及裝置的 組成部分的組合和有關實現用于提供小型寬帶天線的系統和方法的處理步驟。從而，該系 統和方法的組成部分通過附圖中常規的符號被適當表示，僅示出有關理解本發明實施例的 那些具體細節，以便不會以對獲益于本說明書的本【技術領域】的普通技術人員將是明顯的細 節來模糊本公開。
[0020] 如本文所用，相關術語，諸如"第一"和"第二"，"頂部"和"底部"之類的，可以單獨 使用來區分一個實體或元件和另一個實體或元素，而不必要要求或暗示在這些實體或元素 之間的任何物理或邏輯關系或順序。
[0021] 本發明提供了一種小的寬帶環形天線，其包括具有多層的印刷電路板（PCB)基 板。印刷在PCB基板上的是共享相同的驅動電路、阻抗匹配網絡、主接地層和導電層的雙 環路。短路通孔將雙環路連接至接地面。通過調整環路的參數，如短路通孔的位置，該天線 可以被調諧到所需的工作頻率。在一個實施例中，環形天線可以被調諧至約865MHz至約 956MHz的RFID工作頻率帶寬內工作，這包含了在歐洲使用的868MHz頻帶，在美國使用的工 業、科學和醫療（ISM)機構指定的915MHz頻帶，以及建議在日本使用的953MHz的頻帶。此 夕卜，寬帶環形天線對約2. 45GHz的微波是有用的。
[0022] 現在詳細參照附圖，其中相同的部件由相同的附圖標記在附圖中標出。圖1示出 了根據本發明的原理構造的RFID系統，總體指定為"100"。圖1示出了 RFID系統100,其 配置為使用具有工作頻率的RFID設備106來工作，該工作頻率例如但不限于868MHz頻帶、 915MHz頻帶、953MHz頻帶、2. 45GHz頻帶，和/或給定設備所需的RF頻譜的其它部分。
[0023] 如圖1所示，RFID系統100可以包括RFID讀取器102和RFID設備106。RFID設 備106可以包括電力源114,該電力源114可以是如電池或整流電路，其通過RFID設備106 的用于執行RFID操作的半導體1C邏輯電路，將某些耦合的射頻電磁波112轉換為直流電 流電源以便使用。
[0024] 在一個實施例中，RFID設備106可以包括RFID標簽。RFID標簽包括用于存儲RFID 信息的存儲器，并且能夠響應于詢問信號（如詢問信號112)與存儲的信息通信。RFID信息 可包括能夠被存儲在存儲器中被RFID設備106使用的任何類型的信息。RFID信息的示例 可包括唯一標簽標識符、唯一系統標識符、用于被監視對象的標識符等等。在此環境下RFID 信息的類型和量并不僅限于此。
[0025] 在一個實施例中，RFID設備106可為無源RFID安全標簽。無源RFID安全標簽不 使用外接電力源，而是使用詢問信號112作為電力源。RFID設備106可被直流電壓激活，該 直流電壓由整流包含詢問信號112的輸入RF載波信號而產生的。一旦RPID設備106激活 時，它于是可以通過響應信號傳輸存儲在其存儲器寄存器中的信息。
[0026] 在操作中，當RPID設備106的天線108接近RPID讀取器天線104時，AC電壓在 天線108兩端產生。天線108兩端的交流電壓被整流。當整流后的電源足以激活RPID設 備106時，RPID設備106可以開始通過調制RPID讀取器102的詢問信號112以形成響應 信號來發送在存儲器寄存器中存儲的信息。RPID讀取器102可以接收響應信號，并將其轉 換成檢測后的串行數據字比特流，該數據字比特流代表來自RPID設備106的信息。
[0027] 圖2是根據本發明的原理構造的示例性寬帶環形天線的等效電路圖。如圖2所示， 天線104可包括環形部分250、匹配網絡209和兩個無源集總元件匹配部件230和240。無 源集總元件230和240兩者或其一可以是電感、電容或一塊跡線。雖然圖2示出了有限數 量的元件，可以理解的是，更多或更少的元件可用于天線104。例如，兩個串聯連接或并聯的 電容器可用于形成具有特定值的單一的電容器。
[0028] 匹配網絡209是用來調諧環形天線104到所需工作頻帶的。匹配網絡209可以是 但不限于：集總電容、集總電感、L匹配網絡、T匹配網絡、Pi匹配網絡、分布式無源電感、分 布式無源電容器，或這些匹配元件的組合。
[0029] 在圖2的實施例中，環形部分250具有兩個環路。第一環路包括以下端口 ：202， 203,206,和207。第二環路包括以下端口 ：202,203,204,205,206和207。因此，兩個環路 共享相同的端口 202, 203, 206和207。
[0030] 圖3是根據本發明的原理構造的寬帶環形天線的側視圖。如圖3所示，環形部分 250可包括導電層330、主接地層335、第一基板310、第二基板320,和兩個無源集總阻抗匹 配部件230和240、以及短路通孔360。
[0031] 基板310和320包括合適的介電材料，可以是相同的或不同的材料。盡管圖3的堆 疊示出了兩層介電材料，如需要可以添加更多的層。實施基板310和320的特定的材料可 能會影響環形部分250的RF性能。更具體地，其介電常數和損耗角正切可表征出用作基板 的合適的基板材料或材料的介電性能。在一個實施例中，例如，基板310和320可使用FR4 實施。FR4具有約4. 4-4. 6的介電常數，并且在900MHz下約0. 015-0. 02的損耗角正切。也 可以使用表現出其它的介電常數和損耗角正切的其它材料。
[0032] 在圖3中，圖2的第一環路包括集總元件230,并終止于短路通孔360。圖2的第 二環路包括集總元件240,也終止于短路通孔360。圖4是圖3寬帶環形天線的頂層的頂視 圖。圖5是圖3寬帶環形天線圖的中間層的頂視圖。通過比較圖4和5可以看出，集總元 件230通過通孔214和216連接到端口 203和206,集總元件240通過通孔213和215連接 到端口 204和205。集總元件230和240通過導電條216連接到匹配網絡209,并通過導電 條218接到短路通孔360。
[0033] 需要注意的是，雖然導電條216和218、通孔213、214、215和216、以及集總元件 230和240形成的環路基本上都是矩形的形狀，但是其它的形狀可以實施，如圓形、三角形、 具有圓角的矩形、不規則形狀或它們的組合。環也由處在大于一個或兩個平面的元件形成。
[0034] 雖然第一和第二環路共享相同的匹配網絡209,但它們可以分別調諧。例如，通過 調整集總元件230調諧第一環路，以及通過調整集總元件240調諧第二環路。通過調整短 路通孔360的位置，通過調整基板310和320的厚度，和/或導電層330的形狀，可同時調 諧兩個環路。
[0035] 例如，從導電層330的邊緣進一步向內側移動短路通孔360,可改變環路的諧振頻 率到更高的值。當第一環路的諧振頻率被確定時，匹配網絡209可調諧至為每個環路的獨 特的頻帶傳遞良好的性能。例如，第一環路可以在約860-910MHZ的低頻帶調諧到諧振，并 且第二環路可以在約920-960MHZ的高頻帶調諧到諧振。
[0036] 如圖2所示的在高Q電路中，無功阻抗隨頻率的函數變化得比阻抗的實部快得多。 艮P，無功阻抗比實部阻抗具有更大的斜率。通過合并短路通孔360(其用作電感器）和導電 層330 (其用作電容器），這些部件一起作用，取決于工作頻率可作為電容器或電感器。通過 合適的設計，短路通孔360和導電層330可以是影響電路的頻率響應的主導部件，且可以大 大抑制電路的無功阻抗的變化。其結果是，第一和第二環路可分別調諧到第一和第二頻率。 任一環路可調諧到低頻帶，而另一個環路調諧到高頻帶。
[0037] 圖6是根據本發明的原理構造的寬帶環形天線的另一個實施例的側視圖。圖7是 圖6寬帶環形天線的頂層的頂視圖。圖8是圖6寬帶環形天線的中間層的頂視圖。比較圖 3-5的實施例、圖6-8的實施例，圖3-5的集總元件230被替換為短導電跡線224。端口 203 和206被限定在最接近導電層330的通孔214和216。參照如圖8所示，端口 203和206連 接至導電跡線218和220。因此，這兩個環路--包括跡線224(如圖7中所示）的第一環 路和包括集總元件240 (如圖7中所示）的第二環路--在端口 203和206處物理地和電 氣地連接。
[0038] 在一些實施例中，導電層330與主接地面335相比具有不同的形狀。例如，圖7示 出導電層330有兩個短截線222a和222b，其延伸于兩個環路的部分之上。這些短截線在導 電層330和環形部分250之間提供額外的耦合。因此，調諧這兩個環路的另一種方法包括 調整短截線222a和222b的長度和寬度。可包括導電層330的其它變型以進行調諧。
[0039] 在一個實施例中，在主接地層335是一個1.6英寸X 0.8英寸的矩形形狀，導電層 330具有相同的尺寸。第一環路是0.2英寸X0. 4英寸的矩形形狀的環路，而另一環路是 0. 2英寸XO. 39英寸的矩形形狀的環路。短路通孔360有0. 03英寸的直徑，且放在導電 層330邊緣的內側0. 12英寸處。在這個特定的實施方案中，布局是在由材料IS0LA370制 成的4層PCB堆疊上。每個基板的厚度為0. 03英寸。無源集總元件240被實現為一個5. 6 皮法拉（PF)電容器。通過并聯的lpF電容器和單個串聯的22毫亨利（mH)電感器來實現 匹配網絡。
[0040] 圖9示出了當RFID標簽被放置在環路部分250的頂面上方1厘米（cm)時，諸如 上述，小型寬帶環形天線的示例性實施例的讀取性能。如圖9所示，天線具有在865-956MHZ 之間頻帶的兩個相鄰的諧振頻帶。
[0041] 在一個實施例中，環形部分250可以被封閉在外殼內。外殼可以是應用于環路的 用于支持和保護的材料。外殼材料可能會影響環形部分250的射頻（RF)性能。例如，外殼 材料可包括鐵基或其它金屬。金屬外殼可與環形部分250保持距離，以減輕外殼對環形天 線性能的影響。
[0042] 術語"近場"指的是在RFID讀取器102和RFID設備106之間的通信工作距離作 為短距離，通常小于天線最高工作頻率的波長。近場讀取范圍的例子是在約27dBm功率下 約15cm，優選距離約5cm。一些實施例可以使用的表達"耦合"和"連接"以及它們的派生 進行描述。但應當理解，這些術語并非旨在作為彼此的同義詞。例如，一些實施例可以被描 述使用的術語"連接"以指示兩個或多個元件彼此直接物理或電氣接觸。在另一個例子中， 一些實施例可以被描述使用的術語"耦合"來表示兩個或多個元件彼此不直接接觸，但仍然 相互合作或交互。在此環境下實施例并不受限制。
[〇〇43] 雖然這里已經描述了本公開的某些實施例，目的是本公開不限于此，因為它的目 的是本公開是本領域中所允許的廣泛的范圍，書面說明可類似地讀出。因此，上面的描述不 應該被解釋為限制，而僅僅是作為例示的特定實施例。本領域技術人員將在所附的權利要 求書的范圍和精神內設想其它的修改。
【權利要求】
1. 一種寬帶天線，包括： 導電層； 接地層； 短路通孔，所述短路通孔將所述導電層連接到所述接地層； 第一環路，所述第一環路具有第一端口和第二端口，所述第一環路在所述第一端口連 接至匹配電路，并在所述第二端口連接至所述短路通孔，所述第一環路包括第一電路元件， 所述第一環路通過調整所述第一電路元件、所述第一環路的形狀、所述導電層的形狀、所述 匹配電路和所述短路通孔的位置中的至少一個而可調諧；以及 第二環路，所述第二環路具有第三端口和第四端口，所述第二環路在所述第三端口連 接至所述匹配電路，并在所述第四端口連接至所述短路通孔，所述第二環路包括第二電路 元件，所述第二環路通過調整所述第二電路元件、所述第二環路的形狀、所述導電層的形 狀，所述匹配電路和所述短路通孔的位置中的至少一個而可調諧。
2. 根據權利要求1的天線，其中所述第一環路和所述第二環路位于相同平面內，所述 第一端口和所述第三端口共享第一公共導體，且所述第二端口和所述第四端口共享第二公 共導體。
3. 根據權利要求1的天線，其中所述第一環路平行于所述導電層。
4. 根據權利要求1，其中所述第一環路和所述第二環路位于兩個不同的平面內，所述 兩個平面中的至少一個位于所述導電層和所述接地層之間。
5. 根據權利要求1的天線，其中所述第一環路和所述第二環路的至少一部分由絕緣層 隔開。
6. 根據權利要求1的天線，其中所述第二電路元件包括集總無源電路元件，所述第二 環路通過調整所述集總無源電路元件而可調諧。
7. 根據權利要求1的天線，其中所述第一電路元件是集總無源電路元件。
8. 根據權利要求1的天線，其中所述第一電路元件是導電帶。
9. 根據權利要求1的天線，其中所述第一環路通過調整所述匹配電路而被調諧，并且 所述第二環路通過調整所述短路通孔的所述位置而被調諧。
10. 根據權利要求1的天線，其中所述第一環路為矩形，具有實質上等于〇. 4英寸乘 0. 2英寸的尺寸。
11. 根據權利要求1的天線，其中所述短路通孔實質上位于距離所述導電層的邊緣 0.12英寸的位置。
12. -種使用天線產生電磁近場的方法，所述天線包括第一環路、第二環路、匹配電路 和短路通孔，所述第一和第二環路中的每一個具有第一端口和第二端口，所述第一和第二 環路在所述第一和第二環路的所述第一端口連接到所述匹配電路，且在所述第一和第二環 路的所述第二端口連接到所述短路通孔，所述短路通孔將接地平面連接到導電層，所述第 一和第二環路中的至少一個包括集總無源電路元件，所述方法包括： 調諧所述天線以引起所述第一環路在第一頻率和第二頻率之間的第一頻帶上的近場 中以相當大的增益輻射；以及 調諧所述天線以引起所述第二環路在所述第二頻率和第三頻率之間的第二頻帶上的 所述近場中以相當大的增益輻射。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中調諧所述天線以引起所述第一環路在所述第一 頻帶上的所述近場中輻射包括：調整所述第一環路的形狀、集總無源電路元件和所述短路 通孔的位置中的至少一個。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中調諧所述天線以引起所述第二環路在所述第二 頻帶上的所述近場中輻射包括：調整所述第二環路的形狀、集總無源電路元件和所述短路 通孔的位置中的至少一個。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中調諧所述天線以引起所述第一環路在所述第一 頻帶上的所述近場中輻射包括：調整所述天線的幾何形狀以引起所述第一環路在實質上大 于20兆赫茲（MHz)的3dB帶寬上輻射。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中調諧所述天線以引起所述第二環路在所述第二 頻帶上的所述近場中輻射包括：調整所述天線的幾何形狀以引起所述第二環路在實質上大 于10MHz的3dB帶寬上輻射。
17. -種天線，包括： 導電層； 接地層； 第一絕緣層； 第二絕緣層，所述第一絕緣層和所述第二絕緣層中的至少一部分位于所述導電層和所 述接地層之間； 匹配電路，所述匹配電路被設置為將驅動電路的阻抗基本上匹配到所述天線的阻抗； 短路通孔，所述短路通孔將所述導電層連接到所述接地層，所述導電層位于所述第一 絕緣層上且所述接地層位于所述第二絕緣層上，所述短路通孔貫通所述第一絕緣層和所述 第二絕緣層； 第一輻射元件，具有第一端口和第二端口，所述第一輻射元件在所述第一端口連接到 所述匹配電路且在所述第二端口連接到所述短路通孔；以及 第二輻射元件，具有第三端口和第四端口，所述第二輻射元件在所述第三端口連接到 所述匹配電路且在所述第四端口連接到所述短路通孔。
18. 根據權利要求17的天線，其中所述第一輻射元件位于所述第一絕緣層的與所述導 電層相同的一側。
19. 根據權利要求18的天線，其中所述第二輻射元件位于所述第一絕緣層和所述第二 絕緣層之間。
20. 根據權利要求17的天線，其中所述第一輻射元件和所述第二輻射元件是共面的。
【文檔編號】H01Q7/00GK104067444SQ201280025563
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年4月6日 優先權日:2011年4月13日
【發明者】姜冰, R·J·坎佩羅 申請人:泰科消防及安全有限公司