高增益射频识别标签天线 根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2007年6月7日提交的美国临时申请第60/942,596号的权益。
【技术领域】
本主题公开通常涉及改善射频识别标签(tag)的增益，诸如无源超高频射频识别标签。
背景技术
近来，射频识别(RFID)系统在商业应用中已变得普及。应用例如包括智能交通系统(例如，汽车防盗、自动停车、高速收费、交通管理)、商业(例如，工厂自动化、库存管理和跟踪、货物防盗、跟踪和图书馆书本防盗、包裹和文档跟踪、牲畜跟踪、分配货物、受控的架空索道访问、收费)、和安全(例如，对建筑物和设施的访问控制；对设置关卡的社区、公司园区以及机场的受控访问；美国领土安全性应用，诸如，安全边界穿越和具有加急低风险活动的集装箱式装运；人或宠物跟踪)。
典型的RFID系统包括例如在通信路径一端上的简单装置(例如，标签或应答器)，其可通信地耦合到一更为复杂的装置(例如，阅读器、询问器、信标)。RFID标签通常是小且便宜的，以便它们能够被大规模地经济部署并附着到被跟踪/被标记的对象。RFID标签在各种环境下也能够良好运行。RFID阅读器典型地是更有能力的电子装置并且通常通过有线连接或无线连接被连接到主机或主网络。RFID系统可以是只读(仅将数据从RFID标签转移到阅读器)或读写(数据能够被写入RFID标签存储器，例如，EEPROM)。
惯常地，RFID标签典型地包括两个元件：单个传统CMOS电路(例如，专用集成电路或ASIC)以及天线，虽然已经使用了其他技术(例如，表面声波装置或调谐谐振器)。标签可通过电池或其他物理连接的电源而被供电(例如，在有源RFID中)，可通过由阅读器发送的无线电信号的整流而被供电(例如，在无源RFID中)，或者可通过两者的组合(例如，半无源RFID)而被供电。RFID标签典型地通过以编码方式改变标签天线的载荷或通过产生、调制和传送无线电信号，将数据发送到阅读器。
无源RFID标签典型地包括在包含天线布置的带子(strap)上安装的集成电路。能够操作在125kHz或13MHz的无源标签已经开发了多年。传统地，操作在125kHz或13MHz的无源应答器利用线圈作为天线。这些应答器操作在阅读器的天线的磁场中，并且它们的读取距离典型地限制到小于大约1.2米。这些系统受到这种低频率的更合理大小天线的低效率的损害。由于对于更高数据率、更长读取距离、以及小天线大小的需求，存在对UHF频带RFID应答器(尤其是868/915MHz和2.4GHz工业、科学和医学(ISM)波段)的极大的兴趣。
由于对于较长读取距离的需求已经刺激了工作在915MHz和2.4GHzISM波段的RFID标签的开发，所以这使得进一步开发合适的天线设计成为必要。一些因素影响无源标签的读取范围距离。这包括发射器有效各向同性辐射功率(EIRP)、对标签加电的最小阈值功率、天线和标签之间的匹配、以及还有标签天线的增益。对于发射器EIRP的最大容许值由本地地区规定来确定，而最小上电阈值受到目前工艺水平(state-of-the-art)集成电路设计技术的限制。因此，更好的匹配和更高的天线增益可以是改善标签读取范围的有效方式。
RFID标签天线的上述缺点仅仅意欲提供现今天线的一些问题的概观，并不意欲是穷举的。一旦回顾了如下本发明各种非限制性实施例的描述，目前工艺水平中的其他问题可变得进一步明显。
【发明内容】
以下呈现了本发明的简单概括以便提供对本发明一些方面的基本理解。这个概括不是本发明的详尽概观。它既不意欲标识本发明的关键或重要元件也不意欲描绘本发明的范围。它唯一的目的是以简单形式呈现本发明的一些概念作为随后呈现的更详细描述的前序。
根据一个方面，提供了一种标记的对象，其具有RFID标签和一个或多个寄生元件，诸如反射器和引向器(directors)。寄生元件被定位在极接近RFID天线处(例如，在100毫米内)，并且基本上，或者大部分，平行于RFID标签的天线地纵轴。例如，在一个实施例中，定位两个引向器和一反射器，该反射器与两个引向器相比在标签天线的相对侧。各种RFID天线设计能够被使用，诸如I型天线或波浪曲线(squiggle)天线。可添加寄生元件，而无需直接更改RFID标签的天线或连接到RFID标签的天线。在一些实施例中，标记的对象具有多个RFID标签以对抗寄生元件的方向性影响。标记的对象可包括但不限于，产品包装、访问扣卡(fobs)以及卡(例如，员工ID卡、停车证、建筑物访问卡)、机器耗材(墨水盒、色粉盒)、手术器械、纸质文件、机器零件、动物、以及电子金融交易卡以及扣卡(例如，借记卡、过境单、费用)。
根据另一方面，提供了一种改善无源RFID标签的读取距离的方法。该方法涉及将RFID标签附着到表面，并且随后添加实质上平行于RFID标签的天线的纵轴的寄生元件。有利地，寄生元件的添加能够发生，而无需直接更改RFID标签。因此，没有寄生元件的商业可用标签能够在标签制造之后或者标签附着到对象之后再添加寄生元件。在其他实施例中，能够在标签制造期间添加寄生元件。
根据又一方面，提供了一种RFID系统，其具有包含寄生元件的多个RFID标签和与那些标签通信的RFID阅读器。
为了实现前述的和相关的目的，这里结合以下描述和附图来描述本发明的特定说明性方面。然而，这些方面仅表现出其中可采用本发明的原理的各种方式中的一些，并且本发明意欲包括所有这些方面和它们的等价物。当结合附图考虑时，通过本发明的以下详细描述，本发明的其他优点和新颖特征可变得显而易见。
【附图说明】
图1是一般图示适用于本发明的实现的操作环境的示例性非限制性方框图。
图2是RFID标签的方框图描绘。
图3A和图3B图示了可利用寄生元件来补充的RFID标签的各种设计。
图4A和图4B图示了根据一个实施例的添加有寄生元件的RFID标签。
图5A-5B是用于具有寄生元件的RFID标签和用于未更改的RFID标签的阻抗曲线对频率的实部和虚部的图。
图6是图示具有和不具有寄生元件的RFID标签的仿真回波损耗的图。
图7A-7B是图示具有寄生元件的RFID标签的仿真图案的图。
图8图示了确定具有寄生元件的RFID标签的增加的读取范围的实验的示例方框图。
图9是改善RFID天线的增益的方法的示例流程图。
【具体实施方式】
现在参照附图来描述本发明，其中相同的附图标记用于指代用作示例、实例或例证的含意。这里被描述为“示例性的”的任何方面或设计并非必须被理解为更好或优于其他方面或设计。相反，使用词语“示例性的”意欲以具体的方式呈现概念。如在这个申请中使用的，术语“或者”意味着包含性的“或者”而不是排他性的“或者”。即，除非另外指定，或从上下文中显而易见，“X采用A或者B”意欲意味着自然的相容排列中的任一种。即，如果X采用A；X采用B；或X采用A和B两者，则在前述实例的任何一个之下满足“X采用A或B”。此外，在这个申请以及所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应该解释为意味着“一个或多个”，除非另外指定、或者从上下文中清楚地针对单数形式。
在各种非限制性实施例中，给出一些尺寸用于相对于天线的轴来定位反射器和/或引向器。例如，在一个实施例中，反射器被定位在距天线轴大约50毫米和大约100毫米之间，并且一个或多个引向器被定位在距天线轴大约40毫米和大约100毫米之间。然而，为了避免疑惑，这些尺寸应该被认为是非限制性例子。在这个方面，应该理解，这种尺寸取决于RFID辐射的波长。例如，在频率是大约900MHz的情况下，对应波长是大约300毫米。所以，这样的尺寸可被设置为波长的大约1/6和1/3之间。由此，在900MHz的具体示例中，尺寸是大约50-100毫米。
这里900MHz用作代表，而非限制性频率，因为900MHz是许多VHF标签操作的近似频率。因此，这里给出的各种结果和尺寸是用于大约900MHz频率，然而，这种示例应该再次被认为是非限制性的。对于除了900MHz之外的频率f(MHz)，尺寸能够按比例改变或与900/f相乘，以实现这里描述的类似效果。
现在参考图1，图1是一般图示适用于本发明的实现的操作环境的示例性非限制性方框图。在存在RFID阅读器106的情况下，操作RFID系统典型地包括RFID标签102。RFID阅读器106向RFID标签(102)照射EM辐射以激活RFID标签(102)，接着采取希望的动作(例如，返回编码后非数据信号给阅读器，以实现库存控制、收费等)。尽管RFID阅读器106可以是独立(standalone)装置，但是典型地阅读器被连接到外部系统(例如，108、110)以实现上述目的。例如，阅读器接收的数据可被转移到系统108或110用于数据存储和分析的目的，或触发进一步的动作(例如，记入借方账户、记录耗尽库存、触发下游制造步骤等)。尽管为了本目的，图1示出有限数目的RFID阅读器106和RFID标签(102)，但是典型的实现不是这样有限的，根据系统设计的预期功能，可存在阅读器、标签和外部连接的任意数目和组合。
作为示例，无源后向散射RFID系统100典型地如下操作。RFID阅读器106传送由RFID标签天线接收的调制信号112(由实线图示，从RFID阅读器106天线发出)，该调制信号112具有未调制载波的周期。在未调制周期期间在天线终端上发展(developed)的RF电压被转换成dc。这个电压给RFID标签102的ASIC上电，其通过改变它的前端复RF输入阻抗而向回发送在RFID标签ASIC中存储的信息。阻抗典型地在两个不同状态之间(例如，在共轭匹配和一些其他阻抗之间)切换，这有效地对后向散射信号114(由虚线图示，从RFID标签天线发出)进行调制。
参考图2，图示了根据一个实施例的RFID标签102的方框图。RFID标签包括与天线204进行电通信的ASIC 202。其他集成电路能够用来代替ASIC。ASIC与唯一标识符相关——除了在不需要用于每个对象的唯一标识符的RFID应用中，诸如异物检测。电通信可经由导电路径206进行。
有利地，增加RFID标签天线的增益，而无需直接连接或更改现有RFID标签；所述更改包括增加寄生天线元件，以将RFID标签的天线重构为八木(Yagi)天线。许多RFID标签天线设计通常基于基本折叠偶极子(dipole)的变形，以便能够将微分输入馈送提供给ASIC。精确的设计可包括匹配短的或甚至曲折结构的附加的电容性负载或电感性负载，但是大多数设计能够从折叠偶极子方案导出。例如，典型的RFID标签示于图3A-3B中。图3A中的标签300具有I型天线302，该天线具有折叠偶极子结构，并在其末端具有电容性负载以减少长度，以及电感性分支(stubs)以执行天线和ASIC 304之间的匹配。另一示例RFID标签350示于图3B中，并且天线352具有包含曲折元件的基本折叠偶极子结构(以下称作波浪曲线天线)以及ASIC 354。
通过添加寄生元件并形成八木天线，能够显著地增加增益。八木天线包括偶极天线阵列以及一个或多个寄生元件。相对于裸露(bare)偶极天线，八木天线增加方向性。寄生元件可包括单个反射器和一个或多个引向器。然而，寄生元件的其他组合是可能的，诸如一个反射器而没有引向器或者一个或多个引向器而没有反射器。根据一个实施例，反射器可定位在振子(drivenelement)(RFID标签)之后，并且可比标签的操作波长的二分之一(1/2)稍长；一个或多个引向器放置在振子之前并且比1/2波长稍短。与未更改的RFID天线相比，寄生更改的RFID天线能够实现10dBi以上的增益。
参考图4A，根据一个实施例，商业可用“I”型RFID标签(300)用于图示寄生更改的RFID天线400。原始商业可用的RFID标签300被用作振子，实质上平行于振子的天线的纵轴来添加一个反射器402和两个引向器(404、406)。无需直接连接现有RFID标签或更改现有RFID标签地执行更改，并且由此该更改可以有利地是用于定制RFID应用的更改标签后制造。在这个示例中，读取RFID的信号(未示出)将来自图的底部。在其他实施例中，附加寄生元件也能够按照需要而添加。
各种尺寸能够被用于反射器402和引向器(404、406)的长度。在这个示例中，用于标签天线的纵轴和反射器之间的距离(D1)的尺寸是70毫米，标签天线的纵轴和引向器404之间的距离(D2)是55毫米，并且引向器404和引向器406之间的距离(D3)是70毫米。然而，反射器402和引向器(403、404)能够被定位在各种距离，所述距离对于RFID标签的预期环境和操作波长而通过实验确定。例如，在一个实施例中，反射器402能够被定位在距纵向天线轴大约50毫米和大约100毫米之间，并且引向器能够被定位在距纵向天线轴大约40毫米和大约100毫米之间。在这个示例中，反射器402的长度(L1)是158毫米，并且引向器(404、406)的长度(L2)是140毫米，用于915MHz的操作波长。然而，人们将理解的是，不同长度能够被用于不同操作波长，诸如在2.4GHz工业、科学和医学(ISM)波段中的那些。如上所述，结合图4A的实施例给出的这种尺寸将被认为是非限制性的，因为这些值取决于RFID辐射的波长。
参考图4B，图示了一种在确定距离处将寄生元件添加到缺少八木设计的商业可用RFID标签的方式。然而，人们将理解，能够在确定距离处以其他方式添加寄生元件，诸如单独添加的每个元件。人们也将理解，RFID标签能够被制造为具有在合适距离处存在的寄生元件。根据图示，一些或所有寄生元件(402、404、406)被附着到基底(backing)材料450，诸如柔性基底材料。这个基底材料能够被附着到将要被标记的对象的表面。然后，具有它的基底材料460的RFID标签能够被放置在具有寄生元件的基底材料450的上面。作为选择，一些或所有寄生元件能够被放置在基底材料上并放置在已被附着的RFID标签之上。基底材料可有益地包括孔，帮助在基底材料上围绕现有RFID标签和它的相关基底材料来定向寄生元件的布置。
通过利用完全功能的RFID标签进行的仿真和实验，已经研究了设计。图5A中示出了用于图4A中天线几何学的仿真的(500、520)以及测量的(510、530)阻抗曲线。阻抗曲线被示出用于阻抗的实部(520、530)和虚部(500、510)。当与没有寄生元件的天线相比时，在引入反射器和一个或多个引向器之后，商业可用天线的阻抗发生失真，如图5B中所示。具体地，仿真的(550、570)和测量的(560、580)阻抗曲线被示于图5B中具有虚部(550、560)和实部曲线(570、580)两者。如可观察到的，实和虚阻抗两者都变化了5欧姆。
天线应该与用于操作波长的ASIC芯片共轭匹配。在这个示例中，使用915MHz ISM波段，并且共轭匹配是大约ZS＝30+110j欧姆，以便提供最大功率转移。假设芯片阻抗在整个波段上是常量，可以利用如下公式计算功率反射系数|S|2
|S|2=|ZL-ZSZL+ZS|2,0≤|S|2≤1]]>(公式1)
其中ZL是天线阻抗，并且ZS是芯片阻抗。能够计算用于-10dB回波损耗的带宽。
对于传统标签，S11曲线610示于图6中。对于S11，在850MHz到950MHz的带宽小于-10dB。仿真天线增益是2.3dBi。
在一个实施例中，不仅对于最大增益而且对于最大带宽优化具有添加的寄生元件的标签设计。用于具有寄生元件的标签设计(八木标签)的根据一个实施例的计算的带宽曲线600在图6中示出。最大仿真增益是8.9dBi，并且仿真图案在图7A-7B中示出。图7A图示了对于未更改天线710和未更改天线700在900MHz具有90度Phi的空间中的仿真图案。图7B图示了对于未更改天线730和未更改天线720在900MHz具有0度Phi的空间中的仿真图案。与未更改的设计相比，增益增加超过6dB。
为了实验性地示范所述方案的有效性，寄生元件被添加到商业可用标签，并且读取范围与八木元件相比和不与八木元件相比。在图8中示出了该设置。使用对于标签808(未更改的和更改的两者)而操作在正确频率的商业可用RFID阅读器802来确定具有垂直放置在桌上的阅读器天线的读取范围测量。然后RFID标签808被放置在泡沫板804上，该泡沫板具有大约2/3波长×2/3波长的尺寸，其在长底板(benches)806上被调整，以便标签天线与阅读器天线的中间在相同水平面。在900MHz波长的特定情况下，2/3×2/3波长对应于大约200mm×200mm。在实验期间具有寄生元件的八木标签设计的定向和八木天线的方向性一致。
为了确定标签范围性能，使用每秒读取的标签读取率。根据距阅读器的距离，标签读取率可从每秒读取0次到每秒读取400次进行变化，在这个测量中，在具有每秒读取50次的读取率的范围的标签被看作可靠读取范围。利用0.5瓦的阅读器EIRP，对于未更改商业可用“I”型标签和八木更改版本的读取范围分别是1.05米和2.20米。因此，利用对商业可用RFID标签的更改，可将最大读取范围增加多于两倍。
进一步的例子总结在表1中。例如，由于当标签放置在不同材料之上或附近时读取性能改变，所以具有大约4/5波长×2/3波长×4/15波长的尺寸的纸板盒以及考虑的各种内容是松散包装的衣服、塑料屑(plastic scraps)和金属屑。在900MHz频率的特殊情况下，纸板盒的这种尺寸是大约240mm×200mm×80mm。例如，当标签放置在具有塑料的盒子上时，与空盒子相比，将发生读取范围超过百分之二十(20％)的减少。由于背景材料的介电特性和导电特性将影响特性性能，所起这种变化是预期中的。为了实现最小读取距离，能够根据RFID标签附近存在的材料来调整寄生元件的距离和数目。
通过用商业可用波浪曲线标签天线(类似于图3B)代替“I”型商业可用天线(类似于图3A)，也执行相同集合的测量。即使波浪曲线设计比原始标签窄，也利用如在图4A中的寄生元件的相同尺寸和配置。波浪曲线型标签和八木RFID天线的最大读取范围分别是0.82米和1.7米，并且读取范围被增加。
表1-当频率是900MHz时、对于各种标签的读取范围、以及它们放置在各种材料组合上
泡沫 空盒子 有衣服的 有塑料的 有金属的 盒子 盒子 盒子 “I”标签 1.05m 1.05m 0.98m 0.92m 0.61m 八木“I”标签 2.20m 1.85m 1.70m 1.34m 1.08m 波浪曲线标签 0.92m 0.82m 0.72m 0.7m 0.49m 八木波浪曲线标签 1.7m 1.61m 1.34m 1.25m 1m
为了避免疑惑，表I应用于当频率是900MHz时的特殊情况，但是应该认为其并不限制其他频率的使用。八木天线设计的两个缺点是较大的尺寸和增加的方向性。为了克服方向性并避免对RFID标记的对象的定向的担心，具有八木设计的多个RFID标签能够在单个标记的对象上使用。例如，具有八木设计的两个RFID标签能够彼此垂直定向。在其他实施例中，具有八木设计的两个RFID标签能够彼此平行定向，但是具有相反的方向性。
简单地转向图9，图示了可根据本发明实现的方法。然而，为了简化说明的目的，该方法被示出和描述为一系列方块，应当理解并了解本发明不限于这些方块的顺序，因为根据本发明，一些方块可以以与这里示出和描述的顺序不同的顺序存在。此外，可以并不需要所有图示的方块来实现根据本发明的方法。
参考图9，图示了用于增加RFID标签的读取距离的示例性方法900。在910，RFID标签附着到表面，诸如标记的对象的表面或RFID标签的柔性基底材料(例如，RFID标签的衬底)的表面。在920，确定寄生元件的数目以及从RFID标签的天线到放置寄生元件的距离。该距离可取决于读取环境中(例如，在产品包装中)高绝缘材料的存在或者标记的对象所构成的材料(例如，金属vs.塑料)。在930，寄生元件被添加到确定的位置。
尽管未示出，但是人们将理解的是，多个标签可被附着到标记的对象的表面。人们也将理解对于要在相同读取环境中使用和要按照相同操作频率使用的一组标签、以及用于该组中的每个标签的距离，可执行动作920一次。类似地，距离可以是预定的并且不执行动作920。例如，一些或所有寄生元件本身可以在柔性基底材料上可得到，该柔性基底材料允许容易地添加寄生元件，而不用确定从天线的纵轴到放置寄生元件的正确距离。
这里已通过示例描述了本发明。为了避免疑惑，这里公开的主题不限于这些示例。此外，这里描述为“示例性”的任何方面或设计并非必须解释为比其他方面或设计更优或更有益，也不意味着排除本领域技术人员已知的等价示例性结构和技术。此外，在这个意义上，术语“包括”、“具有”、“包含”以及其他类似词用于详细的说明或权利要求，为了避免疑惑，这样的术语意欲以与术语“包括”相似的方式包含全部而作为开放过渡单词，而不排除任何附加或其他元件。
此外，人们将理解对于各种操作波长的参考仅仅是示例性的，并且其他波带当遵照本地无线电通信规则时允许被使用。