RFID近场微带天线.pdf

公开一种配置成读出RFID标签的近场天线，因此，该天线在工作波长下发射的定域电场E基本上驻留在近场限定的区域内。定域电场E是沿对应于半波至全波结构的天线有效长度上引导电流分布。

1.  一种近场天线，配置成读出RFID标签，该天线被配置使之在工作波长下该天线发射的定域电场E基本上驻留在由近场限定的区域内，而定域电场E是在沿对应于半波至全波结构的天线有效长度上引导电流分布。

2.  按照权利要求1的近场天线，其中该天线配置成这样，使近场区是由离天线等于λ/2π的距离限定，其中λ是天线的工作波长。

3.  按照权利要求2的近场天线，其中近场天线是在约915MHz的频率下工作，因此，近场区距离约为5cm。

4.  一种用于读出RFID标签的方法，包括以下步骤：
提供一个近场天线装置，该天线装置被配置使之在工作波长下该天线发射的定域电场E基本上驻留在由近场限定的区域内，其中定域电场E是在沿对应于半波至全波结构的天线有效长度上引导电流分布；和
耦合近场天线装置的定域电场E到设置在近场区内的RFID标签上。

5.  按照权利要求4的读出RFID标签的方法，还包括步骤：配置天线装置，因此，近场区是由离天线装置等于λ/2π的距离限定，其中λ是天线装置的工作波长。

6.  按照权利要求5的读出RFID标签的方法，还包括步骤：天线装置工作在约915MHz的频率下，因此，近场区距离约为5cm。

7.  一种用于读出RFID标签的近场天线装置，包括：
配置成单个和连续导体的天线，该天线是从形成馈电点的一端延伸到形成终接点的另一端；
终接点通过一个电阻器连接到接地平面，天线装置有相对的介电常数；
该天线被配置使之在工作波长下该天线发射的定域电场E基本上驻留在近场限定的区域内，而定域电场E是沿对应于半波到全波结构的天线有效长度上引导电流分布。

8.  按照权利要求7的近场天线装置，其中天线装置的有效长度是这样的，使之被引导通过天线的电流分布产生一个波长正比于nv/f的波形，其中v是传播的波速，它等于光速除以天线装置的相对介电常数的平方根，f是以Hz为单位的频率，而n的范围是从半波长的约0.5至全波长的1.0。

9.  按照权利要求7的近场天线装置，其中该天线是微带跟踪天线，而该近场天线装置包括：
有第一表面和第二表面的基片，其厚度是由它们之间的距离限定；
其中微带跟踪天线设置在基片的第一表面上，而接地平面设置在基片的第二表面上。

10.  按照权利要求7的近场天线装置，其中天线装置被配置使之由该天线装置传播的定域电场E耦合到RFID标签，该标签的纵向取向是沿天线装置的有效长度。

RFID近场微带天线
背景技术
[0002]用于读出RFID标签的现有方案采用的是传统的天线，它可以提供RFID标签的读出很大范围。这种方案提供大部分的天线能量到达远场。远场区的定义是距离d＞＞λ/2π，其中λ是波长。在915MHz的UHF频率下，这个数值约为5cm。因此，915MHz的远场区基本上是在5cm之外，类似地，近场区基本上是在5cm以下。例如，大多数的RFID阅读天线设计成在最大的几米距离上读出标签，当然，该距离是在远场区。
[0003]在某些应用中，即，RFID标签敷贴器(Iabel applicator)和编程器，需要在互相邻近位置的一组标签内仅仅读出和写入一个RFID标签。例如，在标签敷贴器上，多个标签被缠绕在卷筒上，它便于在该机器上进行处理。在卷筒上，标签是紧邻地并行排列或端部对端部排列的。然而，在传统的UHF天线中，一次仅引导能量到一个标签上是困难的，这是由于传统的UHF天线通常有宽广的辐射图形并能引导能量到达远场。宽广的辐射图形可以照明在天线范围内的所有RFID标签。若我们试图写入产品代码或系列号到一个标签上，则所有被照明的标签是利用相同的代码或系列号被编程的。
[0004]在这种RFID UHF应用中使用的传统远场天线是贴片天线。通常，辐射的贴片区是通过RFID电路激励的连接器馈电。典型的是，导电板安装在背面并与贴片区相隔一个很短的距离。
[0005]在上述的这些应用中，需要读出或写入信息到距离非常接近的RFID标签上，例如，需要一次对一个标签进行编程，测试，和粘贴的标签敷贴器，而传统的远场天线不能完成这种任务。传统的辐射天线要求在加标签的物品之间隔开一段足够的距离，为的是防止多个物品被同时读出或编程，或者要求使用金属窗口，用于遮挡被编程或读出标签以外的所有其他标签。
[0006]然而，这种技术不能合适地解决上述的问题，因为若各个标签之间相隔较远，则可以降低标签敷贴器的生产能力，并且限制给定卷筒尺寸的标签数目。若使用遮挡技术，则对于每种不同的标签形状和间隔需要不同的遮光板。所以，在敷贴器线上处理不同的标签需要作各种变化，这也大大地降低生产能力。
发明内容
[0007]本发明涉及一种配置成读出RFID标签的近场天线。该天线被配置使之在工作波长下由该天线发射的定域电场E基本上驻留在近场限定的区域内。定域电场E是沿对应于半波至全波结构的天线有效长度上引导电流分布。在一个实施例中，该天线配置成这样，使之近场区是由离天线等于λ/2π的距离限定，其中λ是天线的工作波长。在另一个实施例中，近场天线工作在约915MHz的频率下，因此，近场区距离约为5cm。
[0008]本发明还涉及一种读出RFID标签的方法，包括步骤：提供一个近场天线装置，该天线装置被配置使之在工作波长下由该天线装置发射的定域电场E基本上驻留在由近场限定的区域内，其中定域电场E是在沿对应于半波至全波结构的天线有效长度上引导电流分布。该方法还包括步骤：耦合近场天线装置的定域电场E到设置在近场区内的RFID标签上。
[0009]在一个实施例中，该方法还包括步骤：配置天线装置，因此，近场区是由离天线装置等于λ/2π的距离限定，其中λ是天线装置的工作波长。此外，该方法还可以包括步骤：天线装置工作在约915MHz的频率下，因此，近场区距离约为5cm。
[0010]本发明还涉及一种用于读出RFID标签的近场天线装置，包括：配置成单个和连续导体的天线。该天线是从形成馈电点的一端延伸到形成终接点的另一端。终接点是通过一个电阻器连接到接地平面。天线装置有相对的介电常数，并配置成在工作波长下发射的定域电场E基本上驻留在近场限定的区域内。定域电场E是在沿对应于半波到全波结构的天线有效长度上引导电流分布。
[0011]在一个实施例中，天线装置的有效长度是这样的，被引导通过天线的电流分布产生一个波长正比于nv/f的波形，其中v是传播的波速，它等于光速除以天线装置的相对介电常数的平方根，f是以Hz为单位的频率，和n的范围是从半波长的约0.5至全波长的1.0。在另一个实施例中，该天线是微带天线，而近场天线装置包含有第一表面和第二表面的基片，其厚度是由它们之间的距离限定，其中微带跟踪天线设置在基片的第一表面上，而接地平面设置在基片的第二表面上。
[0012]在另一个实施例中，天线装置配置成传播的定域电场E耦合到一个RFID标签上，该标签的纵向取向是在沿天线装置的有效长度上。
附图说明
[0013]具体指出作为实施例的本发明主题，并在说明书的结论部分明确地给出。然而，在结合附图阅读以下的详细描述时，可以更好地理解这些实施例，它们涉及本发明的组织和工作方法，以及本发明的目的，特征和优点，其中：
[0014]图1表示按照现有技术的贴片辐射天线装置的透视图，在一段距离上有RFID标签；
[0015]图2表示按照本发明一个实施例的线性单极微带天线装置的透视图，在它上面有很大的RFID标签；
[0016]图3是图2所示线性天线装置的平面图；
[0007]图4是沿图3中直线4-4的剖面图；
[0018]图5是电流沿图3和4中天线装置的线性微带跟踪天线的曲线图；
[0019]图6是在图4所示线性天线装置之上的半波电场E的曲线图；
[0020]图7是在图4所示线性天线装置之上的0°相位时全波电场E分布的曲线图；
[0021]图8是在图4所示线性天线装置之上的90°相位时全波电场E分布的曲线图；
[0022]图9是图4所示线性天线装置的平面图，其中RFID标签的取向是沿线性天线装置的长度且各个RFID标签之间是由一个间隙隔开；
[0023]图10是按照本发明一个实施例有延伸接地平面的线性单极微带天线装置的平面图；
[0024]图11是沿图10中直线11-11的剖面图；
[0025]图12是图10中天线装置的端视图，它说明电场的分布；
[0026]图13是图10中天线装置的侧视图，它说明电场的分布；
[0027]图14是按照本发明一个实施例有导电外壳的线性单极微带天线装置的平面图；
[0028]图15是沿图14中直线15-15的剖面图；
[0029]图16是按照本发明一个实施例的曲折线状单极微带天线装置的透视图；
[0030]图17是图16中曲折线状天线装置的平面图；
[0031]图18是沿图17中直线18-18的剖面图；
[0032]图19是图17中曲折线状天线装置的平面图，其中RFID标签的取向是沿曲折线状天线装置的长度且各个RFID标签之间是由一个间隙隔开；
[0033]图20是按照本发明一个实施例有延伸接地平面的曲折线状单极微带天线装置的平面图；
[0034]图21是沿图20中直线21-21的剖面图；图22是按照本发明一个实施例有导电外壳的曲折线状单极微带天线装置的平面图；和
[0035]图23是沿图22中直线23-23的剖面图。
具体实施方式
[0036]根据以下给出的详细描述以及本发明具体实施例的附图，可以更充分地理解本发明的内容，然而，我们不应当把本发明限制于具体的实施例，而仅仅用作对本发明内容的解释。
[0037]此处可以给出许多具体的细节，为的是充分地理解本发明各种可能的实施例。然而，专业人员应当明白，在没有这些具体细节的条件下，也可以实践这些实施例。在其他的情况下，没有详细地描述熟知的方法，过程，部件和电路，为了使这些实施例变得清晰明了。应当理解，此处公开的具体结构和功能细节是代表性的，而不是限制这些实施例的范围。
[0038]一些实施例可能是利用术语“耦合”和“连接”以及它们的衍生词描述的。例如，一些实施例可能是利用术语“连接”描述的，它指出两个或多个元件之间是直接的物理接触或电接触。在另一个例子中，一些实施例可能是利用术语“耦合”描述的，它指出两个或多个元件之间是直接的物理接触或电接触。然而，术语“耦合”也可以意味着两个或多个元件之间没有直接的接触，但仍然可以是互相协作或相互作用。此处公开的实施例不必局限于这样的语境。
[0039]值得注意的是，在说明书中参照“一个实施例”意味着，结合该实施例描述的具体特征，结构，或特性至少包含在一个实施例中。在说明书中各处出现的词语“在一个实施例中”不必都是指相同的实施例。
[0040]现在描述本发明的细节，图1表示包含贴片天线12的贴片辐射天线装置10，该天线在相隔的一段距离上有RFID标签20。沿RFID标签20的偶极子取向的贴片天线电场分量激励RFID标签20，并允许在等于Z1的距离d上读出RFID标签20上的信息，Z1是与天线装置10的距离，其中Z1远远大于λ/2π，和λ是波长。
[0041]通常，贴片天线12是辐射天线，它被设计成天线阻抗基本上是实阻抗，且主要是辐由射阻抗构成。实阻抗的数值与馈电系统的信号源阻抗基本匹配，馈电系统的阻抗通常是50欧姆。天线阻抗主要是实阻抗，且主要是辐射电阻。本发明涉及一种近场天线装置，该装置有意识地减小远场的辐射并增强近场区中的定域电场E。更具体地说，这种近场天线装置可以限制能量在接近天线的区域内，即，近场区，并防止在远场区中的辐射。因此，可以查询与近场天线实际接近的RFID标签，而不是查询位于近场区之外的RFID标签。在915MHz的工作频率下，近场区与天线的距离约为5cm。在5cm之外的标签不能被读出或写入。
[0042]虽然在行业中通常称之为天线，如在此处所使用的，天线装置是各种部件的组合，其中至少一个部件包含天线，该天线直接发射或接收电磁能或信号。
[0043]在本发明的一个实施例中，图2表示包含一个线性跟踪元件微带天线112的近场天线装置110，在它的邻近位置上有很大的RFID标签120。如图3和4所示，近场天线装置110包含厚度为“t”的微带天线112，并在馈电点116上电路耦合到电缆114，电缆114通常是同轴电缆，但不限于同轴电缆，和在相反端或终接端118上连接的终接电阻器“R1”，它通常是50欧姆。电缆114有第一端或信号端114a和第二端或参考接地端114b。信号是从电缆114的馈电点终端116通过馈电系统124被馈入的。该信号通常是50欧姆的信号。
[0044]在一个实施例中，电容匹配贴片122(图3)可以在用于阻抗匹配的50欧姆终端118电路耦合到线性天线112，通常是为了使反射损失最小化。
[0045]如图3和4所示，线性微带装置110包括有基片140的基本矩形微带跟踪天线112，其中基片140有第一表面140a以及相对的第二表面140b。第一表面142与第二表面144之间的距离确定基片140的厚度“H”。
[0046]微带装置110还包含接地平面150，并有这样的配置，微带线112设置在基片140的第一表面140a上，而接地平面150设置在基片140的第二表面140b上。在一个实施例中，接地平面150是通过介质隔板164与第二表面140b分开，介质隔板164可以是空气间隙(没有画出合适的结构支承)。电缆114的第一终端114a电路耦合到微带天线112，而第二终端114b电路耦合到接地平面150。
[0047]在一个实施例中，线性微带线112基本上是矩形，并有宽度“W”。天线装置110的长度“L”是从馈电点116延伸到并包含终接电阻器“R1”。例如，线性微带线112通常是薄的导体，但不限于，铜。在UHF范围内的频率下，厚度“t”通常是在约10微米至约30微米的范围内。
[0048]基片140是介质材料，它通常可以包含陶瓷或FR-4介质材料，其厚度为“H”和总的宽度为“W_s”，在基片以下设置接地平面150。在线性微带112的终接点118，终接电阻器R1电路耦合线性微带线112的终接点118到接地平面150。
[0049]线性微带天线112在馈电点116的输入阻抗“Z”设计成大致等于提供馈电信号的电缆114的特性阻抗，为了使从阅读器耦合的功率最大化。(阅读器是馈电系统124的一部分，它是与电缆114或传输网络分开的电子系统。天线装置110通过电缆114耦合到阅读器系统。)比率W/H通常是大于或等于1，具体的范围大致是从1至5。
[0050]在这种情况下，用欧姆表示的线性微带天线装置110的输入阻抗“Z”是由以下的公式给出：
Z = 120 π ϵ re [ W H + 1.393 + 0.667 ln ( W H + 1.444 ) ] - 1 - - - ( 1 ) ]]>
ϵ re = ( ϵ r + 1 2 ) + ( ϵ r - 1 2 ) ( 1 + 12 H W ) - 1 2 - - - ( 2 ) ]]>
“ε_r”是基片140的相对介电常数。因此，微带的宽度W和基片的高度H主要确定阻抗“Z”。
[0051]在一个实施例中，基片的相对介电常数“ε_r”的范围大致是从2至12。在另一个实施例中，线性微带近场天线装置110的长度“L”对应于半波至全波的有效长度，其相当的实际长度近似地是由公式 L = n c f ϵ re ]]>确定，其中“c”是光速(约为3×10⁸m/s)，“f”是以Hz为单位的工作频率，和“ε_r”是基片的相对介电常数，和“n”的范围大致是从相当的半波偶极子天线的0.5至相当的全波偶极子天线的1.0。
[0052]在一个实施例中，可以调整终接电阻器“R1”，使它在馈电点116的输入阻抗大致等于50欧姆或馈电电缆114的特性阻抗。
[0053]在另一个实施例中，线性微带天线112有第一纵向边缘112a和第二纵向边缘112B，而微带天线112基本上是在基片140和接地平面150的中心位置，因此，基片140的纵向边缘142a和142b以及接地平面150的纵向边缘152a和152b各自延伸的距离至少是第一纵向边缘112a和第二纵向边缘112b的宽度“W”的2倍(“2W”)。所以，基片140和接地平面150各自的总宽度“W_s”至少是宽度“W”的5倍(“5W”)。基片140还包含设置馈电点116的横向边缘142c和设置终接电阻器R1的横向边缘142d。类似地，接地平面150还包含设置馈电点116的横向边缘152c和设置终接电阻器“R1”的横向边缘152d。
[0054]近场天线装置110有意识地减小远场并增强近场区。更具体地说，近场RFID天线装置110包含单元天线112，它配置成这样，天线112发射的定域电场E基本上驻留在由近场限定的区域内，而天线112发射的辐射场基本上驻留在由相对于天线112的远场限定的区域内。因此，近场天线装置110有用于调整的许多优点。这种没有50欧姆终接阻抗的近场天线装置110的实阻抗是非常低的。因此，辐射电阻也是很低的。添加典型的50欧姆终接阻抗R1，它使输入阻抗近似地等于50欧姆，用于匹配通过电缆114提供功率的馈电系统124。这种配置和操作方法还导致非常低的天线“Q”因子，从而使该天线成为宽带天线。
[0055]理想地，微带天线112是半波长“λ/2”天线，它的电流分布是沿跟踪微带天线112的长度方向，如图5所示。
[0056]在馈电点116，电流达到峰值，并且基本上与馈电系统124所加的电压同相。该电流在微带天线112的中点减小到零，然后继续减小并在终接端118减小到负的峰值。
[0057]如图5所示，工作在半波偶极子配置中的这种电流分布线性微带天线装置110可以在馈电端116建立正的电场E并在终接端118建立负的电场E。
[0058]图6表示在近场微带天线112之上的近场电场E的耦合。更具体地说，图6是在半波长情况下的微带天线112之上的归一化时间变化的电场E的瞬时曲线图。在馈电点116，电场E有最大值。在微带天线112的中点，电场E减小至零。在终接端118，电场E减小至负的峰值或最小值。因为RFID标签120正好放置在这种天线之上(见图2)，微带天线112的微分电场E是沿RFID标签120的长度方向驱动或引导电流，从而激励RFID标签120，因此，它可以被RFID阅读器读出或写入，即，近场天线装置112。
[0059]因此，放置在微带天线112之上并沿微带天线装置110的长度“L”取向的RFID标签120传输信息到微带天线112。应当注意，取决于基片140的材料，基片140有效地建立慢波结构，从而得到总的天线长度“L”，它是 l = c 2 f ϵ r , ]]>其中“c”是光在真空中的速度，“f”是工作频率，和“ε_r”是半波偶极子天线配置中基片材料的相对电容率或相对介电常数。因此，当基片140的相对电容率或相对介电常数ε_r增大时，总的天线装置的长度“L”就减小，所以，这种天线装置可用于较小的RFID标签。例如，利用介电常数为12.5的陶瓷基片，在实验上可以实现总的微带长度为4.7cm，理论长度为4.6cm。较小的天线装置可用于读出或检测较小物品的RFID标签。
[0060]在一个实施例中，线性微带天线装置110延伸到对应于全波的长度。图7和8表示在全波微带天线装置之上某个瞬时的时间变化电场E，例如，分别在0度和90度相位时的线性微带天线装置110。
[0061]在馈电点116上，当经电缆114提供的馈电信号传输通过完全360度相位时，可以观察到微分电场E的两个瞬时的特定快摄图形。在零相位时有两对微分电场E，而在90相位时仅有一对微分电场E。耦合到RFID标签120之上的实际微分电场E是沿线性微带天线112的长度“L”扫过。这对于线性微带天线112与RFID标签120之间的对准是有利的。增大基片140材料的介质强度(或相对电容率“ε_r”)至少可以部分补偿增大总的天线长度“L”的需要。
[0062]参照图9，一系列RFID标签120a至120e放置成相隔的间隙距离为“d”，其中一个RFID标签120c是在单个线性微带天线装置110之上。RFID标签120a至120e有这样的取向，其中RFID标签120a至120e的天线偶极子的纵向取向是沿线性微带天线装置110的长度“L”。
[0063]为了防止近场线性微带天线装置110读出或写入被寻址的标签120c附近的标签120b或120d，可以相应地调整微带宽度“W”，长度“L”，和总的基片宽度“W_s”。当RFID标签120a至120e之间的间隙“d”减小时，必须减小微带宽度“W”以及约为“5W”的总的基片宽度“W_s”。间隙“d”的大小可以使相邻的标签120a，120b，120d，120e远远超过线性微带天线112的基片140的横向边缘142a和142b，因此，微带天线装置110不能检测到相邻RFID标签120a，120b，120d，120e的存在。可以调整跟踪宽度W，长度L以及基片的参数W/H和ε_r，从而有效地实现对应于半波至全波结构的电流分布。
[0064]在图10和11所示的一个实施例中，线性微带天线装置110’包含一个延伸或卷绕的接地平面。更具体地说，线性微带天线装置110’是与线性微带110相同，不同的是代替接地平面150，微带线112设置在基片140的第一表面140a之上和接地平面150’设置在基片140中至少部分的第一表面140a之上，但它不与微带线112接触。接地平面150’还分别设置在基片140的第一边缘142a和第二边缘142b上，以及在基片140的第二表面140b上。接地平面150’还可以通过介质隔板164与第二表面140b分开。
[0065]接地平面150’还可以包含片状物或端部180a和180b，它们与第一表面140a重叠并分别向内延伸距离“W_G”到达边缘112a和112b，但并不与跟踪微带112接触。
[0066]如图11所示，RFID标签120a至120e可以紧邻地设置在天线装置110’之上，因此，当一个标签120c停留在线性跟踪微带天线112之上时，相邻的标签120b和120d大致停留在接地平面150’的片状物或端部180a和180b之上。如图12所示，天线装置110’控制射频能量的位置，其中通过传播近场能量和接地平面150’卷绕片状物或端部180a和180b，这两个端部向内延伸距离W_G分别到达边缘112a和112b，但并不与跟踪微带天线112接触。所以，电场E基本上仅从跟踪微带天线112延伸到片状物或端部180a和180b，从而有效地终止电场E，并防止天线装置110’耦合到相邻的标签120b和120d。
[0067]图13说明在天线装置110’的近场微带天线112之上的时间变化近场电场E的瞬时耦合图，它是从一个侧边观看的，例如，天线装置110’的接地平面150’的侧边152b。更具体地说，图13是在半波长度情况下的归一化电场E的曲线图。按照与图6的类似方式，在馈电点116，电场E有最大值。在沿长度“L”的微带天线112的中点，电场E减小到零。在终接点118，电场E减小到负的峰值或最大值。
[0068]当RFID标签120正好放置在天线装置110’之上时，如图12所示，微带天线112的微分电场E是在沿RFID标签天线112的长度上驱动或引导电流，从而激励RFID标签120，所以，它可以被RFID阅读器读出或写入，即，近场天线装置112。因此，放置在微带天线112之上并沿微带天线装置110’的长度L取向的RFID标签120c也耦合到微带天线112。同样地，可以调整跟踪宽度W，长度L，以及基片的参数W/H和ε_r，从而有效地实现对应于半波至全波结构的有效电流分布。
[0069]在一个实施例中，参照图14和15，线性微带天线装置110(或110’)可以安装在导电外壳160内或导电外壳160上。导电外壳160包含底座162，和两个纵向侧壁162a和162b，以及与通常其正交连接的两个横向侧壁162c和162d。接地平面150的底面154设置在底座162上，为的是电路耦合导电外壳160到接地平面150。所以，导电外壳160是通过接地平面150接地的。
[0070]侧壁162a至162d可以与基片140的边缘142a至142d分开。边缘142a至142d可以接触导电外壳160，但是，它可能需要一个空间容量，从而使天线装置110(或110’)装入到导电外壳160中。侧壁162a至162d还可以通过介质隔板材料170与线性微带天线112分开，因此，导电外壳160是与线性微带天线112，电容性负载122和终接电阻器R1电路隔离的。介质隔板材料可以包括空气间隙。导电外壳160的材料可以包括铝，紫铜，黄铜，不锈钢，或类似的金属物质。可以想象，增加有延伸侧面的导电外壳160，它是利用与微带天线装置110中基片140的侧边142a至142d相邻的侧壁162a至162d实现的，可以进一步减小相邻的RFID标签120与线性微带天线装置110的多余耦合。
[0071]在图16-18所示的本发明一个实施例中，在给定的总体天线尺寸下，曲折线状单元的微带天线装置210可以使表观的天线长度“L”变得较长，例如，可用于读出很小的RFID标签。曲折线状天线装置210在许多方面类似于线性单元的微带天线装置110，因此，此处描述的内容是为了识别它们在结构和运行上的差别。
[0072]更具体地说，图16-18表示包含曲折线状单元微带天线212的近场天线装置210。当曲折线状天线212在从馈电点116沿长度“L”进行到终接端118的终接电阻器R1时，它是在基片140的宽度“W_s”上“曲折地前进”。曲折线状微带跟踪天线212的厚度是“t”和电路耦合到在馈电点116的电缆114，并终止在终接端118的终接电阻器R1上，电阻器R1的电阻值通常为50欧姆。
[0073]曲折线状微带天线212与线性微带天线112不同的是，曲折线状微带天线212是在二维方向上引导电流。更具体地说，在一个实施例中，曲折线状微带装置210包含多个交替正交的接触导电段214和216，它们配置成曲折线状微带跟踪天线212的方波图形。导电段214是与长度“L_M”直线地对准，而且基本上平行于基片140中至少一个纵向侧边142a和142b。导电段216是与导电段214横向对准并与直线对准的导电段214接触以形成方波图形。每个导电段216的取向是沿中心线轴C-C，中心线轴C-C是沿导电段的长度L_s延伸且二等分其宽度。接触的导电段214和216可以整体地形成单一的微带跟踪天线。曲折线状天线212可以形成与方波图形不一致的其他图形，其中交替接触的导电段214和216不是正交的。在这个语境下，这些实施例是不受限制的。导电段214和216的配置能够使定域电场E沿二维方向驱动或引导电流。
[0074]基片140中至少一个边缘142a，142b的长度为“L_M”，而正交接触的导电段214和216相对于该至少一个边缘142a，142b设置成交替的横向和纵向取向。
[0075]如图17所示，导电段214设置成沿纵向取向，它们合在一起确定曲折线状微带跟踪天线212的总长度“L_M”，跟踪天线212是从馈电点延伸到并包含在终接点118上的终接电阻器R1。曲折线状跟踪天线212的宽度“W_M”定义为一个导电段214沿纵向取向的宽度。
[0076]类似于线性微带天线装置110，曲折线状微带天线装置210的长度“L_M”有这样一个总尺寸，它的范围是从基本等于相当的半波偶极子天线的长度至相当的全波偶极子天线的长度。形成的电场(电场E)分布是与图6-8所示的线性天线装置110的电场分布相同。
[0077]在一个实施例中，曲折线状微带天线装置210的“W_M/H”比率可以大于或等于1，具体地说，大致可以在约1至约5的范围内。基片140的相对介电常数大致可以在约2至约12的范围内。基片140中至少一个边缘142a，142b可以配置成这样，它是从设置成沿纵向取向的导电段214横向延伸一段距离，该距离基本上等于或大于曲折线状微带跟踪天线212的宽度“W_M”的两倍“2W_M”或多倍。在另一个实施例中，接地平面150的至少一个边缘152a，152b是从设置成沿纵向取向的导电段214横向延伸一段距离，该距离等于或大于曲折线状跟踪天线212的宽度“W_M”。还可以想象，曲折线状天线装置210可以包含电路耦合到曲折线状微带跟踪天线212的电容性负载122，它通常是与终接电阻器R1相邻。
[0078]如图17-19所示，(并按照类似于图9所示线性天线装置110的方式描述)，一系列RFID标签120a至120e之间是由间隙距离(d)隔开，其中一个RFID标签120c的位置是在单个曲折线状微带天线装置210之上。曲折线状微带天线装置210配置成这样，曲折线状天线212的定域电场E耦合到一个RFID标签120，它的纵向取向是沿曲折线状微带天线装置210的长度方向。定域电场E是沿天线212的二维方向驱动或引导电流。
[0079]为了防止近场曲折线状微带天线装置210读出或写入与被寻址的标签120c邻近的标签120b或120d，可以相应地调整微带宽度“W_M”，长度“L_M”以及总的基片宽度“W_s”。当RFID标签120a至120e之间的间隙“d”的减小时，微带宽度“W_M”以及总的基片宽度“W_s”也减小。间隙“d ”的尺寸使相邻标签120a，120b，120d，120e的位置超出曲折线状微带天线212的横向侧边142a和142b，因此，微带天线装置210不能检测到相邻标签120a，120b，120d和120e的存在。在曲折线状微带天线的情况下，调整跟踪宽度W_M，总的有效长度L_M，和基片参数，可以实现对应于半波至全波结构的有效电流分布。这可以在给定的固定长度L_M下通过增大曲折线状跟踪天线的周期L’_M数目实现。
[0080]在一个实施例中，例如，图20和21所示的实施例，曲折线状微带天线装置210’包含延伸或卷绕的接地平面。更具体地说，曲折线状微带天线装置210’是与曲折线状微带天线210相同，不同的是，代替接地平面150，微带线212设置在基片140的第一表面140a上，而接地平面150’设置在基片140中至少部分的第一表面140a上，但不与微带线212接触。按照类似于线性微带天线110’的方式，接地平面150’设置在基片140的第一边缘142a和第二边缘142b以及在基片140的第二表面140b上。接地平面150’可以通过一个或多个介质隔板164与基片分开。
[0081]接地平面150’可以包含片状物或端部180a和180b，它们与第一表面140a重叠并向内延伸距离“W_G”后分别到达边缘212a和212b，但不与跟踪微带天线212接触。
[0082]如图21所示，RFID标签120a至120e可以紧邻地设置在天线装置210’之上，因此，当一个标签120c停留在曲折线状跟踪微带天线212之上时，相邻的标签120b和120d大致分别地停留在接地平面150’的片状物或端部180a和180b之上。
[0083]此外，如图22和23所示，并按照类似于图14和15所示实施例的方式，曲折线状微带天线装置210(或210’)的接地平面150可以电路耦合到导电外壳160。侧壁162a至162d可以与基片140的边缘142a至142d分开。边缘142a至142d可以接触导电外壳160，但是可能需要一个空间容量，使天线装置110(或110’)装入到导电外壳160中。侧壁162a至162d还可以通过介质隔板材料170与曲折线状微带天线212分开，因此，导电外壳160是与曲折线状微带天线212，电容性负载122和终接电阻器R1电路隔离的。导电外壳160的材料可以包括铝，紫铜，黄铜，不锈钢，或类似的金属物质。
[0084]如以上所讨论的，调整跟踪宽度W_M，总的有效长度L_M，和基片的参数，可以实现对应于半波至全波结构的有效电流分布。这可以在给定的固定长度L_M下通过增大曲折线状跟踪天线的周期L’_M数目实现。
[0085]我们已经公开近场天线装置110，110’，210，210’的以上实施例，它是通过电缆114和终接电阻器R1的单元配置提供功率。专业人员可以知道，近场天线装置110，110’，210，210’还可以通过包含变压器的偶极子配置提供功率。在这个语境下，这些实施例是不受限制的。
[0086]鉴于以上的描述，本发明的实施例涉及用于读出RFID标签的近场天线装置110，110’，210，210’，其中天线装置110，110’，210，210’有这样的配置，天线装置110，110’，210，210’在工作波长“λ”下发射的定域电场E基本上驻留在由近场限定的区域内，而天线装置110，110’，210，210’在工作波长“λ”下发射的辐射场基本上驻留在由相对于天线装置110，110’，210，210’的远场限定的区域内。
[0087]此处公开的各种实施例设计成这样，可以相对于辐射场幅度增大定域电场E的幅度，而只有当RFID标签120c是在近场区内时，它可以被天线或天线装置110，110’，210，210’读出(而当RFID标签120c是在远场区内时，它不能被天线装置110，110’，210，210’读出)。此外，可以相对于定域电场E幅度减小辐射场的幅度，因此，只有当RFID标签120c是在近场区内时，它可以被天线或天线装置110，110’，210，210’读出(而当RFID标签120c是在远场区内时，它不能被天线装置110，110’，210，210’读出)。天线装置110，110’，210，210’的相对介电常数是“ε_r”。
[0088]天线或天线装置110，110’，210，210’配置成这样，近场区是由离天线或天线装置110，110’，210，210’等于“λ/2π”的距离限定，其中“λ”是天线或天线装置110，110’，210，210’的工作波长。在一个实施例中，天线或天线装置110，110’，210，210’大致工作在约915MHz的频率下，因此，近场区距离约为5cm。
[0089]我们还公开一种用于读出或写入RFID标签120c的方法，包括以下步骤：提供近场天线装置110，110’，210，210’，它有这样的配置，天线或天线装置110，110’，210，210’在工作波长“λ”下发射的定域电场E基本上驻留在由近场限定的区域内，而天线或天线装置110，110’，210，210’在工作波长“λ”下发射的辐射场基本上驻留在由相对于天线装置110，110’，210，210’的远场限定的区域内；和耦合近场天线装置110，110’，210，210’的定域电场E到在近场区内设置的RFID标签120c上。
[0090]天线装置110，110’，210，210’的有效长度L或L_M可以是这样，被引导通过天线的电流分布产生一个波长与nv/f成正比的波形，其中v是波的传播速度，它等于光速除以天线装置110，110’，210，210’的相对介电常数的平反根，f是以Hz为单位的频率，而n的范围是从半波长的约0.5至全波长的约1.0。
[0091]该方法还可以包括步骤：增大定域电场E相对于辐射场幅度的幅度，因此，只有当RFID标签120c是在近场区内时，它可以被天线装置110，110’，210，210’读出，而当RFID标签120c是在远场区内时，它不能被天线装置110，110’，210，210’读出。
[0092]该方法还可以包括步骤：相对于定域电场E幅度减小辐射场的幅度，因此，只有当RFID标签120c是在近场区内时，它可以被天线装置110，110’，210，210’读出，而当RFID标签120c是在远场区内时，它不能被天线装置110，110’，210，210’读出。该方法还可以包括步骤：配置天线装置110，110’，210，210’，使近场区是由离天线装置110，110’，210，210’等于“λ/2π”的距离限定，其中“λ”是天线的工作波长。该方法还可以包括步骤：近场天线是在约915MHz的频率下工作，因此，近场区距离约为5cm。天线装置110，110’，210，210’的有效长度L或L_M可以是这样，被引导通过天线的电流分布产生一个波长与nv/f成正比的波形，其中v是波的传播速度，它等于光速除以天线装置110，110’，210，210’的相对介电常数的平反根，f是以Hz为单位的频率，和n的范围是从半波长的约0.5至全波长的约1.0。
[0093]可以想象，此处公开的近场天线装置的有利特征包括：
(1)读出/写入RFID标签的范围是受近场距离d＜＜λ/2π的限制；
(2)近场天线112或212的极大部分电场能量损耗在终接负载电阻器R1上；
(3)与辐射的远场天线装置比较，近场天线装置具有低的Q因子；
(4)从低的Q因子导得到的宽工作带宽可用于全球的宽带UHF应用；
(5)宽的工作带宽和低的Q因子可以使简化的RFID阅读器电路不需要用于防止阅读器互相干扰的跳频；
(6)与辐射的天线装置比较，近场天线装置具有低的辐射电阻和辐射效率。所以，可以大大减小远场辐射；
(7)近场天线装置配置有跟踪尺寸，基片性质，和接地平面的微带型天线，它设计成工作在从半波天线到全波天线的范围内；
(8)与可能需要变压器的其他微分馈电配置比较，单元馈电配置提供一种简单和更有效的馈电配置，其中电输入端或电缆直接地连接到微带天线的开始端，而连接器的地直接地连接到基片底部的接地平面；
(9)导电外壳有放置近场天线装置的开口侧面，导电外壳接地到天线装置的接地平面。该导电外壳有助于减小试图耦合到相邻RFID标签的杂散电场，这些标签是与直接设置在微带天线之上的RFID标签相邻；
(10)发射电场定域在近场区便于遵从规定的要求。
[0094]鉴于以上的描述，本发明的实施例允许互相紧邻的RFID标签被编程。例如，卷筒上的RFID标签的特征是，每个标签之间有很小的间隔距离。本发明的实施例不要求这些标签相隔很大的距离并可以防止多个标签被一起读出或编程。此外，本发明的实施例便于识别与正常功能标签相邻的有缺陷标签。
[0095]虽然以上的描述包含许多具体的细节，不应当把这些细节解释成对本发明范围的限制，而仅仅是作为本发明优选实施例的例证。在本发明精神和范围内，专业人员可以设想出许多其他的可能方案。