電磁輻射的增強和去耦的制作方法

專利名稱：電磁輻射的增強和去耦的制作方法
技術領域：
本發明涉及處理電磁輻射(EM)的裝置，尤其涉及一種將能量耦合到例如RF(射頻)標簽這樣的識別裝置中的場。本發明允許將標簽從降低標簽性能的表面(例如金屬表面)去耦(即隔離)。本發明涉及所有EM標簽，尤其涉及那些依靠擴散波(propagating wave)相互作用(與磁性標簽表現出來的感應耦合相反)的EM標簽。因此本發明的優選實施例涉及大范圍系統標簽(例如UHF范圍的標簽和微波范圍的標簽)的應用。
背景技術：
能傳輸可以被適當的閱讀器檢測到的調制電磁信號的電子裝置廣泛用于對象的 識別和跟蹤，尤其是用于商店或倉庫環境中的物品的識別和跟蹤。這樣的裝置在說明書中通稱EM標簽或簡稱標簽,其一般包括連接至一體化天線(integral antenna)的芯片，該一體化天線被調諧到特定的工作頻率。目前EM標簽的工作頻率一般為射頻(RF)，包括超高頻(UHF)范圍和微波范圍，但是本發明適用于在任何頻率工作的標簽。標簽可以是無源的，因為標簽與適當頻率的入射輻射相互作用，再將調制信號轉發回閱讀器；或者標簽也可以是有源的，其中標簽包含有自己的電源。這些標簽、特別是無源標簽的一個公認缺點就是，如果將標簽直接放在金屬表面上(或者與金屬表面相距幾個毫米之內)，那么標簽的閱讀范圍會下降到不能接受的程度，更典型地是標簽不能被閱讀或查詢。這是因為擴散波RF標簽使用一體化天線接收入射輻射天線的尺寸和幾何形狀限定了它的共振(resonate)頻率，因此劃定(tailor) 了標簽的工作頻率(通常對UHF (超高頻)范圍的標簽來說為866MHz或915MHz，對微波范圍的標簽來說為2. 4-2. 5GHz或5. 8GHz)。當標簽放置在金屬表面附近或者與金屬表面直接接觸時，標簽的傳導天線與該表面相互作用，因此它的共振特性會退化，或更典型的是會消失。因此，用UHF RF標簽很難對例如籠子或容器這樣的金屬物品進行跟蹤，所以不得不采用其它更昂貴的定位系統，例如GPS。當用于與RF謝頻)電磁波相互作用的某些其它表面(例如某些類型的玻璃和含有大量水分的表面，實例包括某些類型的含有大量水分或汁液的木材)時，UHF RFID標簽也有類似的問題。對含有水/容納有水的材料(例如水瓶、飲料罐或人體等等)加標簽時，同樣會遇到問題。解決這個問題的一種方式是在RF標簽與該表面之間放置泡沫隔離物，防止天線與表面的相互作用。用目前可用的系統，泡沫隔離物典型地需要至少厚達10mm-15mm，以將RF標簽與該表面在實體上充分地隔離。顯然，對于很多應用來說，這么厚的隔離物不實用，并且易于被不慎撞擊、損壞。其它方法涉及設置特別構圖的天線，這種天線已經被設計為使特定RF標簽與特定環境阻抗匹配。例如，授予Avery Dennison的國際專利申請W02004/093249試圖通過使用具有帶有補償元件的天線的標簽來解決這個問題。這種天線設計為預計有表面效應，并且被調諧到特定環境或可能環境的范圍。這樣不需要大的隔離物，但是需要比較復雜的天線設計，這種天線設計對于每個標簽都必須不同，因此增加了成本和制造復雜度。US 5，995，048描述了一種能夠將表面效應最小化的天線設計，其中將四分之一波長的片狀天線(patch antenna)與更大的地平面相隔離。這種設計不能將表面反射效應最小化，但是片狀天線優選為與地平面相距等于四分之一波長的距離，這個距離是一個大間隔，與上述泡沫隔離物有同樣的問題。此外還要求大的地平面，這不是所有環境下都能實現的。此外，為了有效地工作，片狀天線(其是共振電路)必須與標簽共振電路小心地阻抗匹配。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種EM標簽的支架，EM標簽充當電磁輻射去耦器材料，去耦器材料至少減輕與現有技術系統相關的一些問題，也就是厚度、尺寸以及靈活性的問題。本發明的另一目的是提供一種設備，用于將入射能量耦合到電子裝置或標簽，同 時將這種耦合效應從安裝有所述裝置或標簽的襯底的可能相反的效應中隔離出來。因此，根據本發明，提供一種電磁輻射去耦器，包括腔結構，所述腔結構包括傳導基底部分，所述傳導基底部分連接到第一傳導側壁和第二傳導側壁，所述第一傳導側壁和所述第二傳導側壁分開且基本上平行。優選地，所述腔結構中設置有電介質材料。因此，本發明實施例可以是包括腔結構的很簡單的結構，所述腔結構由兩個分開的、平行的傳導表面和傳導基底部分形成，每個傳導表面都連接到傳導基底部分。腔本身由兩個傳導側壁的重疊區域與傳導端部限定。當電介質材料是像氣體(例如空氣)那樣的流體時，腔的固體結構可以僅由傳導側壁和傳導基底部分限定，盡管可以有一些固體隔離物用于保持側壁的間隔。當電介質材料是固體時，電介質材料的側邊可以限定腔結構的非傳導側壁。根據本發明該方案的實施例可以被認為是提供一種非常的薄的副波長共振腔，腔的一端封閉。具有所關注波長的入射輻射耦合在電介質材料中，并且在共振頻率時形成駐波。當腔的長度(由第一傳導側壁與第二傳導側壁的重疊區域限定)是入射輻射的波長的四分之一時(在使用的特定電介質材料中)，產生駐波情況。傳導基底部分和兩個壁部分一起形成連續金屬邊界，包圍電介質核心的三個側邊，促使與基底部分的表面平行的電場在基底部分為最小值(或者節點)，因此(因為它長為四分之一波長)，在腔結構與傳導基底部分的相對端，電場為最大值(反節點)。這種結構導致核心中的電磁場強度被共振增強被基底部分從內部反射的波與那些通過腔的開口端耦合的來自查詢天線的波之間的結構性干涉被疊加，導致場強比入射輻射場強大50或100倍。優選地，可產生200倍甚至300倍以上的增強系數。在典型地涉及極小裝置的更特殊的應用中，20倍、30倍或40倍的較低增強系數仍然可以產生可讀系統，而在沒有這種增強的情況下就不可能。場模式為使得在腔的開口端最強(具有反節點)。由于腔的厚度小，隨著腔外到開口端距離的增加，場強急劇下降。這在超出開口端一個短距離(典型地是5mm)的地方產生近零電場的區域，與高度增強場區域并列。因此放在這個區域的電子裝置或EM標簽暴被露在強場梯度和強電勢梯度下，與安裝標簽以及去耦器的表面無關。放在強電勢梯度區域中的EM標簽將經歷不同的容性耦合作為容性耦合的性質，標簽從腔開始的暴露在高電勢下的部分本身將被充電到高電勢。類似地，標簽暴露在低電勢下的部分將被充電到低電勢。如果芯片任一側EM標簽的部分在不同電勢區域中，那么就在芯片兩端產生電勢差，在本發明實施例中這個電勢差足以驅動芯片工作。電勢差的大小將取決于去稱器的尺度和材料，還取決于EM標簽的位置和方向。典型的EPC Gen 2RFID芯片的閾值電壓為O. 5V，低于這個電壓就不能閱讀芯片。如果跨過腔的開口端的全部電壓要加在芯片兩端，然后基于Imm厚的核心以及跨過開口端的電場的簡單合并，電場將需要約250V/m的大小。如果裝置上典型的入射波幅度為2. 5V/m(與工作在大約5m距離處的標準RFID閱讀器系統一致)，那么需要增強系數約為100。在入射幅度的增強變得不足以激勵芯片時，場增強較大的實施例將提供較大的閱讀范圍。 因此本發明提供一種裝置，能用在任何表面上，并將放在上面的EM標簽與所有的表面效應去耦，當根據本發明的方案使用時，可以以與在空氣中相同的范圍、或者有時候以更大的范圍閱讀RFID標簽。這樣就不需要重新設計天線，也不需要高指數隔離物材料，同時保持很小的總厚度。可以將裝置設計為將工作頻率為V的電磁輻射去耦。當裝置或去耦器設計為用于EM標簽時，其工作頻率將會是標簽被設計為的工作頻率，和/或閱讀器裝置的工作頻率。第一傳導側壁優選具有大約λ/4的連續長度(從傳導基底部分測量)，其中Xd是工作頻率為V的EM福射在電介質材料中的波長。換言之,第一傳導側壁從傳導基底部分延伸的距離大約是Xd/4。優選地，第一傳導側壁的長度范圍在λ/4與I. 15倍的λ/4之間、或Xd/4與I. I倍的λ d/4之間、或λ d/4與I. 05倍的λ d/4之間，和/或在λ d/4與O. 85倍的λ d/4之間、或λ d/4與O. 9倍的λ d/4之間、或λ d/4與O. 95倍的λ d/4之間。應當理解，本說明書中傳導層或調諧層的長度可稱為被電介質的折射率修正的“有效長度”，本領域技術人員清楚其確切含義。應當注意，盡管裝置在設計的工作頻率下最有效，但實際上它是在一個頻率范圍內有效。關于需要的工作頻率有一個頻率范圍，在這個范圍內裝置將在腔的與傳導基底部分相對的端部產生強場區域。當然，本領域技術人員還可以實現產生與不同諧波對應的其它駐波模式。例如，如果腔的長度對應于入射輻射的波長的3/4，就會產生駐波，駐波在腔的開口端具有最大值。因此腔的長度可以是所要工作的波長的四分之一波長的任何奇數倍。但是優選為共振頻率，即對應于腔長度(等于四分之一波長)。第二傳導側壁具有與第一傳導側壁至少一樣長的連續長度(從傳導基底部分測量)。因此第二傳導側壁與第一傳導側壁尺寸相同或更大。當使用固體電介質材料時，電介質材料可以設置為與傳導基底部分相鄰的連續層，電介質材料延伸為與第一傳導側壁基本上一樣長,即第一傳導側壁的端部也就是電介質材料的端部。或者，電介質材料可以延伸超出所述第一傳導側壁的端部。因此，本發明的實施例在長度上可以小到λ/4，在寬度上可以更小。所以這種裝置的尺寸或面積可以很小，這對于較小產品的應用或者產品上安裝裝置的空間有限是有利的。此外，小裝置需要的材料少，從批量制造方面來看這代表成本顯著降低。傳導側壁和電介質材料的厚度可以小。這個厚度可以遠小于工作波長。例如有些實施例的總厚度可以小于λ/10、或λ/300、或λ/1000。厚度可以為Imm以下、或2mm以下、或500 μ m以下、或100 μ m以下。因此本發明的實施例可以比泡沫隔離物或已知的調諧天線配置更薄更輕。此外，對適當材料和厚度的選擇可以使裝置靈活，能應用于非平面表面或彎曲表面。因此，本發明提供極小外形的裝置，不需要大的隔離物層。EM標簽可以設計為以任何頻率工作，例如在IOOMHz到600GHz的范圍內。目前的商用RF標簽是可用的，這種標簽有芯片和天線，工作在866MHz、915MHz或954MHz下。微波范圍的標簽也是有效的，這種標簽工作在2. 4-2. 5GHz或5. 8GHz下。工作在866MHz下的標簽其自由空間波長約為O. 35米(35cm)。因此根據本發明，具有空氣核心的裝置長度約為8cm。對于工作在2. 5GHz下的標簽而言，其自由空間波長約為12cm，具有空氣核心的裝置長度略小于3cm。 如上所述，第二傳導側壁尺寸可以與第一傳導側壁的相同。如果米用固體電介質材料，就可以采用相同尺寸的層，從而提供極小面積的去耦器。在使用中，EM標簽可以設置在腔結構的開口端(即與傳導基底部分相對的端)附近。它可以設置在腔結構與傳導基底部分相對的端部中或者設置為跨過腔結構與傳導基底部分相對的端部(這意味著它至少部分地嵌入固體電介質材料中)，或者可以設置在第一傳導側壁的邊緣附近或者設置為跨過第一傳導側壁的邊緣。注意，關于傳導腔，整個說明書中將使用術語“開口端”，表示腔結構與傳導基底部分相對的端部。它由第一傳導層的端部限定。術語“開口端”不表示沒有材料或者空缺，真正的電介質材料可以很好地從腔內延伸通過開口端，但是在開口端沒有傳導基底部分。方便地是在第一傳導側壁與第二傳導側壁之間除了傳導基底部分外沒有其它電連接。本領域技術人員容易理解，傳導通路可以合并在所述側壁之間。但是，形成實質上封閉的側邊的其它傳導部分將產生要建立在腔結構中的其它駐波，還可以影響去耦器中目前希望的加強效果。第一傳導層跨過其寬度的長度可以不變，也就是從傳導基底部分到第一傳導層端部的縱向距離在所有橫斷點都相同，或者也可以變化。改變傳導基底部分與第一傳導側壁的相對邊緣之間的距離可使去耦器在波長范圍內同時工作。第一傳導側壁和第二傳導側壁以及傳導基底部分可以包括連續材料層，也可以由材料相同或不同的分離的層形成。傳導材料可以是在關注的電磁波長下具有金屬性或者電傳導響應的任何材料。適當材料的實例包括金屬、金屬合金、金屬化合物或者碳。傳導材料的厚度必須使得它關于電磁輻射的利用頻率至少部分地不能傳導(這由不匹配阻抗和皮膚深度計算來確定，是本領域技術人員所公知)。因此，對于標準金屬而言，第一傳導側壁和第二傳導側壁以及傳導基底部分的厚度通常大于O. 10微米，這個厚度優選在O. 25微米到5微米的范圍內，更優選在I微米到2微米的范圍內。如果需要，厚度可以增加到超過5微米，特別是如果為了保證所選擇的傳導材料提供對目標波長的部分障礙物而要求這樣。但是，厚度的任何明顯增加都會影響靈活性、增加制造成本。當使用去耦器使得第二傳導側壁在EM標簽與希望將EM標簽從那里去耦的表面之間時，對第二傳導側壁沒有最大厚度要求。方便的是，第二傳導側壁厚度仍然可以從與第一傳導側壁相同的范圍中選擇。這是保持靈活性所期望的。一種或多種不同的電介質材料可以設置在兩個傳導側壁之間以形成電介質核心。電介質材料可以是任何適當的或者常用的電介質材料，但是優選地，地，電介質核心不能有損耗，也就是復介電常數的虛部和復磁導率的虛部最好為零。電介質可以是氣體，例如空氣或惰性氣體，可以被部分地抽空或加壓。顯然，如果使用空氣之外的氣體，和/或氣體不處于大氣壓下，則去耦器必須有密封裝置來保持核心中正確的電介質材料/壓力。方便的是，如果電介質材料不是固體材料，那么就能用傳導側壁之間的非電傳導材料(例如皺紙板、蜂窩結構或者有大量空心的泡沫)來部分地加強第一傳導側壁與第二傳導側壁之間的分離。電介質核心材料可以由包裝材料的組成部分(integral part)或部分容器形成。當電介質是包裝或容器的組成部分(例如形成硬紙盒的皺紙板)時，希望能夠在制造過程中將去耦器整合在它的結構中，以降低成本、減少額外制造步驟。腔周圍電連接的堅固和連續是重要的，因此像金屬印刷這樣的處理技術不合適。在制造過程中，建 議將金屬層沉積在電介質層(例如紙板)邊緣并延伸到邊緣外。然后在制造過程中將金屬層繞電介質邊緣折疊，以形成所需要的具有封閉端的金屬/電介質/金屬結構。電介質核心材料也可以(但是不僅僅)從聚合體中選擇，例如PET、聚苯乙烯、Β0ΡΡ、聚碳酸酯以及任何類似的低損耗RF薄片。常用的容器材料(可以形成部分電介質材料或基本上全部的電介質材料)可以是纖維素材料，例如紙張、卡片、皺紙板、或木材。也可以使用某些陶瓷、鐵素體或玻璃。在一個實施例中，電介質核心中選擇使用的材料的折射率能可控地改變，以控制要去耦的輻射的波長。例如，可使用聚合物分散液晶(PDLC)材料作為核心。如果去耦器結構配置為使得能將電壓加在核心材料上，就能改變它的折射率，并以修正的方式改變去耦的波長。當一個去耦器用于EM標簽波長或者受控為使得去耦動作可以啟動或停止時，這樣特別有利。此外，如果去耦器的連接對象需要不同的EM標簽用于不同位置(例如不同國家)時，具有可調諧折射率的電介質核心層材料就能允許同樣的去耦器用于以不同波長工作的EM標簽。本發明的實施例可包括超過一個腔結構。可配置兩個或更多個腔，每個腔都可以配置為以不同頻率最大地去耦。這樣就可以允許使用以不同頻率工作的多個標簽。去耦器可包括兩個腔結構，它們共用一個公共傳導端部，即去耦器配置為背靠背式。在這種配置中，去耦器還包括第二腔結構，第二腔結構包括傳導基底部分、第三傳導側壁以及第四傳導側壁，傳導基底部分連接到第三傳導側壁和第四傳導側壁，第三傳導側壁和第四傳導側壁分隔開且基本上平行，在第二腔結構中設置有第二電介質材料，其中第一腔結構的傳導基底部分也就是第二腔結構的傳導基底部分。兩個腔結構的側壁通常可沿著相反的方向延伸。第一傳導側壁可與第三傳導側壁連續，和/或第二傳導側壁可與第四傳導側壁連續，也就是說，可以有兩個連續的材料層形成兩個腔的側壁。第一傳導側壁從傳導基底部分到它的邊緣測得的長度與第三傳導側壁的長度可以相同，也可以不同。換言之，兩個腔的長度可以相同，或者，第一腔結構的長度與第二腔結構的長度可以不同。通過這種方式，兩個腔可配置為將不同的頻率最好地去耦——第一腔的長度可對應于第一波長λ 四分之一波長，第二腔的長度可對應于第二波長λ2的四分之一波長。在使用中，被調諧為以對應于A1的頻率工作的EM標簽可設置在第一腔結構的開口端附近，被調諧為以對應于λ 2的頻率工作的標簽可設置在第二腔結構處。設置在第一腔結構中的電介質材料與第二電介質材料可以相同，也可以不同。在替代性配置中，兩個腔結構可配置為它們的開口端相鄰。可以有兩個明顯的腔結構，在這兩個腔結構之間可以有一些分隔物，也可以沒有。如果有分隔物，那么分隔物可以是到每個腔的開口端有一個小距離的傳導分隔物。每個腔的第二側壁可以通過傳導分隔物(如果有的話)傳導性地連接，只要在每個腔的第一側壁之間實際上有間隙。實際上，一個腔的第二側壁可以形成第二腔結構的側壁，也就是說，有一個連續的材料層。本實例中去耦器還包括第二腔結構，第二腔結構包括傳導基底部分、第三傳導側壁以及第四傳導側壁，傳導基底部分連接到第三傳導側壁和第四傳導側壁，第三傳導側壁和第四傳導側壁分隔開且基本上平行，其中第二傳導側壁和第四傳導側壁包括傳導材料連續層，第一傳導側壁和第三傳導側壁的邊緣限定它們之間的縫隙，在第二腔結構中也設置有電介質材料。
第一傳導側壁與第三傳導側壁之間的縫隙可以是兩個壁的邊緣之間的完整間隙。但是在第一傳導側壁與第三傳導側壁之間可以有小的接觸區域或連連接。實際上，第一傳導側壁和第三傳導側壁可以包括傳導材料連續層，傳導材料連續層有一個縫隙延伸為基本上橫穿兩個腔結構，以限定腔的邊緣。本配置中優選地，兩個腔的組合長度為λ d/2，第一傳導側壁與第三傳導側壁之間的縫隙設置在與任一個傳導基底部分相距λ/4處。兩個或更多個去耦器可以堆疊在彼此的頂部，或者并排設置。第一腔結構的第二側壁可形成設置在第一腔結構側邊的第二腔結構的第二側壁。另外，兩個腔結構長度可以不同。本發明的上述方案提供兩個傳導層來形成去耦器的側壁或傳導基底部分。但是，在將材料直接涂覆到金屬表面或其它傳導性表面(例如車廂、容器、器皿或滾籠)上、或者將材料形成金屬表面或其它傳導性表面的組成部分時，金屬表面可形成第二傳導側壁和/或傳導基底部分。如果正確確定了尺寸的第一傳導側壁設置為到金屬表面有一個小距離的話，通過設置在它們之間的電介質和傳導基底部分，整個結構就能實現前述功能，將放在上面的任何EM標簽從金屬表面效應去耦。因此在本發明的另一方案中，提供一種電磁輻射去耦器，用于將電子裝置從傳導表面去耦，去耦器包括第一傳導側壁以及將第一傳導側壁從傳導表面分開的部件，第一傳導側壁連接到傳導端部該部件使得傳導端部與傳導表面形成接觸。將第一傳導側壁從傳導表面分開的部件可以是至少一層電介質材料，在使用中，這至少一層電介質材料將設置在第一傳導側壁與傳導表面之間。或者，如果電介質材料是空氣，那么將第一傳導側壁從傳導表面分開的部件可以包括一個或多個隔離物。優選地，第一傳導側壁的長度大約是所要工作的輻射的四分之一波長。該長度范圍在Xd/4與I. 15倍的Xd/4之間、或λ/4與I. I倍的Xd/4之間、或λ d/4與I. 05倍的入d/4之間，和/或在λ d/4與O. 85倍的λ d/4之間、或λ d/4與O. 9倍的λ d/4之間、或入(1/4與0.95倍的λ/4之間。本發明前述所有優點和實施例同樣適用于本發明的該方案。
本發明允許將EM標簽(特別是RF標簽)設置在任何表面上而沒有不利效應。因此本發明也涉及基本上獨立于表面的EM標簽，包括安裝在如上所述的去耦器上的EM標簽。如上所述，當討論所產生的電場增強特性時，將EM標簽安裝在第一傳導側壁的邊緣附近。它可以至少部分地設置在第一傳導側壁上，并且可以設置為使得標簽天線位于第一傳導側壁與傳導基底部分相對的邊緣處，即傳導腔的開口端。EM標簽應當與第一、第二傳導側壁電隔離，也就是沒有直接電接觸。通常將RF標簽印制在電介質基板上，并將該基板放置為與第一傳導側壁的表面直接接觸。但是優選地，還可以有另外的電介質材料(限定為隔離物)放置在EM標簽與去耦器材料之間。當有隔離物時，隔離物的長度和寬度尺寸必須至少與EM標簽的金屬區域(例如天線)的相同。所提供的大多數EM標簽已經安裝在它們本身的基板上，基板的厚度隨制造商的不同而變化，在本發明的實施例中標簽基板可充當隔離物。EM標簽不必與第一或第二傳導側壁的任一個直接電接觸。優選地，EM標簽的金屬部分與去耦器之間的(總)間隙(即隔離物厚度+RF標簽基板厚度)在100微米到1000微米的范圍內，或者在175微米到800微米、或者300微米到800微米、或者300微米到600微米的范圍內。如果隔離物或標簽基板表現出有損耗或者采 用很高或很低的折射率(也就是如果使用除了像PET這樣的標準聚合體基板之外的基板)，那么這些值可以不同。類似地，向更高或更低工作頻率的移動也會影響隔離物厚度。本領域技術人員應當理解，EM標簽可以看作共振電路，并且腔結構也可以看作不同的共振電路。在腔的開口端附近/沒有表面的區域，腔充當獨立于表面的場增強器一能量耦合到去耦器中并形成駐波。假設標簽或裝置設置在強場增強區域中，那么能量將從腔耦合到標簽。在這種情況下，兩個電路不是通過直接的電連接或歐姆連接，而是經由容性耦合相鏈接。與現有技術的方式不同，這樣減少了阻抗匹配的需要，因此不必為不同的標簽重新設計去耦器。作為將標簽設置在去耦器表面上的替代方式，可以將EM標簽設置為跨過傳導腔的開口端或者設置在傳導腔的開口端內，也就是設置在第一傳導側壁與第二傳導側壁之間。因此，EM標簽可以至少部分地嵌入電介質材料或者設置在電介質材料內。但是保證標簽與第一或第二傳導側壁沒有電接觸仍然重要。普通的處理容易使EM標簽的金屬天線變形或擦傷。優選地，可以用保護外殼將EM標簽和去耦器部分地覆蓋或包住。外殼可以是沉積在EM標簽和去耦器表面上的非傳導性材料。非傳導性材料可以僅僅是經由旋涂技術，沉積像PET、PETG UPVC、ABS這樣的材料或任何適當的灌注混合物(例如環氧樹脂等)而涂覆的其它電介質材料。已經發現，在250微米到2000微米范圍內甚至厚達5000微米的這種外殼涂覆不會明顯影響RF標簽的閱讀范圍。顯然，可以根據標簽所要求的環境和靈活性來選擇外殼的厚度。通常RF標簽包括芯片和一體化天線，芯片與一體化天線電連接，一體化天線的長度通常可與它們的工作波長(例如其l/3ri)相比。本發明人出乎意料地發現，具有小得多的未調諧天線(也就是在UHF波長下一般無望有效工作)的標簽可以結合根據本發明的去耦器使用。通常，具有這種“短小”天線(如同本領域技術人員所理解的，有時候稱為低Q天線)的標簽在開放空間中只具有幾個厘米甚至幾個毫米的閱讀范圍。但是已經出乎意料地發現，使用本發明的這種將低Q天線安裝在去耦器上的標簽具備可操作性，并且表現出有用的閱讀范圍，達到(甚至超過)沒有去耦器、在自由空間中工作的最好的商用EM標簽的閱讀范圍。與傳統的調諧天線相比，低Q天線對制造商來說更便宜，占據的表面面積更小(也就是說這種標簽的天線長度可以比常用的更短)。因此EM標簽可以是低Q標簽，也就是具有小的、未調諧天線的EM標簽。通過這種方式，本發明的去耦器可認為放棄了準確調諧標簽天線的多余物標簽天線很多設計中的外圍調諧元件完全不必要所需要的是中心回路和芯片。這樣就允許將標簽的尺寸(因此去耦器的尺寸)減少到小于典型標簽尺寸(c. 10cm)。在本發明的實施例中并入了這種回路或低Q天線，但是術語“去耦器”仍然適用，因為提供的標簽系統基本上不受襯底效應的影響或者與襯底效應的影響隔離，但是考慮從襯底本身去耦的標簽可能意義不大。當然，這有助于理解它是將入射能量收集在腔中，因此標簽被局部的場增強激發，局部的場增強從襯底(裝置安裝在襯底上)的可能不利效應去耦，或者基本上不受襯底的可能不利效應影響。本發明被確定尺寸為在特定EM標簽的頻率下工作的實施例可結合任何表面上的標簽使用，不需要對標簽調諧。得到的結構小且薄，因此適用于很多表面，不需要突出隔離物等部件。它也可以用于小產品。此外，材料成本和制造費用很低。當用于金屬表面時，該表面甚至可形成結構的一部分，從而進一步減少材料成本、縮小外形。
在使用中，去耦器可以設置在任何表面上，與不使用去耦器相比，在與EM標簽/RF標簽工作這方面可以提供多種優點，如下所述。去耦器顯然可以在表面上使用，由于材料中或者實際上在材料表面上的電磁相互作用，表面對EM標簽自身天線的工作另外還有不利效應。去耦器允許正確設置的RF標簽在對入射RF輻射或者是非反射性的、或者是反射性的表面上工作，或者在該表面附近工作，因為去耦器有效地充當了電磁輻射進一步傳播的障礙物。本發明的優點在反射性的表面上是顯然的，在對入射輻射有不利于電子裝置接收的效果的表面上也是顯然的。通常，這種RF反射表面可以是傳導材料(這些材料包括很多液體成分)，也可以是形成這種流體的容納器件一部分的表面。已經發現某些類型的玻璃與RF標簽相互作用，因此去耦器也可以在玻璃、硅土或陶瓷材料上找到用途。通常RF反射性傳導材料可以是碳、金屬、金屬合金、銦錫氧化物(ITO)或者金屬化合物。有很多液體成分的材料可以是纖維素材料，例如某些木材、卡片、紙張或者任何其它含有很多液體成分的原生材料。去耦器也可以有用地應用于處于濕度大的外界環境中區域的表面，甚至可應用于部分或完全浸沒在流體(例如像水這樣的液體)表面下的表面。因此通過適當的包裝，去耦器以及使用中的EM標簽既可以設置在飲料或食物容器的外側，也可以設置在內側。水下環境中去耦器的其它應用包括用RFID技術識別水下管線。去耦器可應用于形成流體的容納器件(例如食物、飲料或化學品的容器)的組成部分的表面。已知流體(例如水)與RF輻射干涉，因此對它們附近的RF標簽的性能產生不利影響。如上所述，本發明對于將RF標簽從安裝RF標簽的表面的效應去耦或者隔離特別重要。因此本發明的另一方案是將所述裝置用作RF標簽的底座，特別是在將與入射的RF輻射相干涉的表面上。本發明還涉及將所述裝置與低Q標簽使用，以獲得有用的閱讀范圍。因此根據本發明的其它方案，提供這樣一種設備的用途，該設備包括共振電介質腔，共振電介質腔限定在基本上平行的第一、第二傳導側壁之間，它的一個邊緣被傳導基底部分封閉，傳導基底部分電連接在第一、第二傳導側壁之間，以在所述腔的打開邊緣增強入射電場。在一些實施例中，入射電場的增強系數大于或等于50、或者大于或等于100、或者大于或等于200。如果裝置上典型的入射波輻射幅度取為2或3V/m(與典型距離約5m的當前商用閱讀器系統一致)，那么這種增強可有利地用于驅動裝置(例如RF裝置的識別芯片)工作，容易達到例如超過100、200、300V/m或更大的增強值。但是應當理解，對特定的應用可以修正入射波幅度、增強系數、增強的場強以及裝置兩端的驅動電壓。通過這種方式使用設備允許使用商用閱讀器技術來閱讀這樣動的裝置例如本發明所述具有小的、未調諧天線或回路的低Q標簽，其在其它情況下實際上是不可讀的。本發明另一方案提供的設備包括共振電介質腔，共振電介質腔限定在基本上平行的第一、第二傳導側壁之間，所述共振腔的一個邊緣被傳導基底部分封閉，傳導基底部分電連接在第一、第二側壁之間，所述設備還包括電子裝置，設置為與所述腔的打開邊緣相鄰。 所述電子裝置優選地響應電場，即對足夠大小的入射電場有期望的響應，例如本發明討論的RFID標簽和低Q標簽。典型地，共振腔適于在所述腔的打開邊緣增強入射電場，電子裝置至少部分地設置在所述打開邊緣處增強電場的區域內。例如當裝置是包括芯片和耦合回路的低Q標簽時，所述裝置的至少一部分，例如一部分回路(如果不是芯片自身的話)優選設置在增強區域內。雖然可以構思將裝置設置在與傳導基底部分相鄰的邊緣的實施例，但是優選地，打開邊緣實際上與傳導基底部分相對。電子裝置優選與所述第一或第二側壁沒有電接觸、或者換一個方式來說沒有歐姆接觸。本發明擴展到基本上參照附圖所述的方法、設備和/或用途。本發明中一個方案的任何特點都可以以任何適當的組合方式應用于本發明的其它方案。具體而言，方法方案可以應用于設備方案，反之亦然。


下面參照附圖，完全通過實例來描述本發明的優選特征，附圖中圖I示出根據本發明的裝置的側視圖；圖2示出根據本發明的裝置的透視圖；圖3示出將RF標簽安裝在去耦器上的可能位置；圖4示出商用RF識別標簽；圖5示出本發明具有多個腔的實施例；圖6示出本發明的替代性實施例；圖7示出背靠背雙腔結構；圖8示出背靠背腔結構的透視圖；圖9示出寬帶去耦器的實施例；圖10示出本發明具有并排的腔的另一實施例；圖11示出開口端協同定位的雙腔結構；
圖12示出另一種端對端(end to end)的腔結構；圖13示出替代性并排腔結構；圖14示出本發明具有可變的腔長度的實施例；圖15示出低Q的RF標簽；圖16至圖28示出本發明各種實施例的性能；
圖29示出本發明實施例的傳導基底部分和壁部分的可能構造；以及圖30至圖32示出本發明基底部分為曲線形的實施例。
具體實施例方式圖I示出根據本發明的裝置或去耦器的側視圖。該去耦器具有一個金屬層，用于形成第一傳導側壁2 ;另一個金屬層，用于形成第二傳導側壁4，其中兩個金屬層間隔開且平行。這兩個側壁包圍電介質材料6，電介質材料6可以是空氣，也可以是一個或多個材料層，例如PET層。兩個傳導側壁限定副波長腔(sub wavelength cavity),副波長腔一端被傳導端或基底部分8封閉。第一傳導側壁2和第二傳導側壁4中的一個可與傳導基底部分8相連,或者第一傳導側壁2和第二傳導側壁4兩者都與傳導基底部分8相連。腔的與傳導基底部分8相對的一端是開口端，也就是其沒有傳導壁。傳導基底部分8是第一傳導側壁2與第二傳導側壁4之間唯一的傳導連接。圖2用透視圖示出去耦器。為清楚起見沒有示出固體電介質層。該裝置設計為將特定頻率的輻射去耦。考慮去耦器功能性的簡單化模型是方便的，其中，RF波被耦合至腔內，沿著腔內部傳播，直到到達封閉端(例如金屬壁)或者開口端。一部分波在端部反射(不管端部是打開還是封閉)并在腔內沿著腔返回。如果腔的長度剛好合適，則來回往復的波建立起駐波。駐波導致產生電場極強的區域一電場被共振增強了。以靠近強場區域的頻率或者以強場區域中的頻率工作的RF標簽被強制工作。電場在靠近金屬壁或基底部分(封閉端)處為最小值，在開口端為最大值。因此形成的駐波圖案是四分之一波圖案，如圖I所示。因此當L=X d/4時，將在腔的電介質材料中產生四分之一波的駐波圖案，其中λ d等于電介質材料中入射輻射的波長(等于自由空間波長除以電介質材料的折射率，λ/η)。不管將去耦器安裝在什么材料上，在開口端附近范圍內，這導致在所關注頻率具有很強的場。因此可以將標簽放在開口端上或開口端附近，以與這個區域中的增強場耦合。圖3示出將標簽置于去耦器上的一些可能位置。RF標簽10可跨過側壁端部放置在第一傳導側壁2上。該標簽放置在隔離物(未示出)上，與傳導材料表面稍微隔開。該區域中的電場強，能與標簽天線很好地耦合。或者，可以將標簽12放在腔內，靠近開口端。附圖只是示意性地示出標簽12，應當理解，腔內標簽的準確方位將取決于標簽和腔的準確幾何形狀。當給定很多實施例中的小厚度時，平面標簽很可能被放置在腔內，基本上與上、下層平行。圖4示出商用標準UHF標簽(例如866MHz的Alien Technologies公司的UHF “Squiggle”標簽)的平面圖，該標簽包括芯片20，芯片20具有一體化天線22。標簽的寬度w是8mm,標簽的長度I是95mm。可以清楚地看到,標簽尺寸的大部分是由于天線(商用UHF RFID標簽的典型情形)。芯片本身小得多，量級為l_2mm。天線被調諧用于自由空間工作，盡管可使用不同的天線，這些天線被調諧用于特定環境中使用的標簽。不同環境中的工作需要不同調諧的天線。本發明允許將調諧用于自由空間的這種標簽安裝在去耦器上，從而令人滿意地用于通常來說性能會退化的多種環境中。—些RF標簽具有定向天線(也就是優先與特定方向的線性極化(polarisation)相互作用的天線)，因此當將標簽相對于閱讀器正確定向，以保保證入射到標簽上和/或從標簽發射出來的輻射與閱讀器發出或接收的輻射的極化相匹配時，標簽才能正確工作。因此，當將標簽安裝在去耦器的表面時，通常應當將它配置為與腔的軸線相一致(in linewith)。對某些應用而言，例如在標準封裝(其中在物品上將標簽和去耦器設置于已知的位置和方向)上，正確方向的需求不一定是個問題。用發射器/接收器系統(其利用圓形極化或橢圓極化)或者多個不同排列的天線也可以解決定向問題。例如，圖5示出本發明的 兩個四分之一波去耦器，一個在另一個上方并旋轉90度。具有第一極化的適當波長的輻射在其中一個去耦器中可形成駐波。而正交極化的輻射在另一個去耦器中可形成駐波。如果每個去耦器承載一個適當放置的RF標簽，那么不管入射輻射的極化方向如何，都會有一個標簽被激發。顯然，除了將一個去耦器設置在另一個的上方，兩個去耦器也可以在同一平面上，并且在不同方向上可使用兩個或更多個單獨的去耦器。圖6示出替代性配置，其中去耦器在同一平面上，但是側壁不在同一平面。例如在對象的角部，這樣的配置可以得到應用。兩個去耦器可以背靠背設置。圖7示出兩個去耦器以背靠背設置的側視圖。這兩個去耦器共用公共傳導端部8。左手側去耦器的上側壁2與右手側去耦器的上側壁14可以是連續層，也可以分離。類似地，左手側去耦器的下側壁4也可以是形成右手側去耦器下側壁16的連續層。左側腔的長度是L1，右側腔的長度是L2。盡管這些腔的長度可以相同，但是有利地是要確保它們長度不同，每個腔都配置為以不同的波長來耦合輻射。因此，標簽10或12可以設置在左手側去耦器上，另一個標簽18可以設置在右手側去耦器上，其中標簽10或12的工作頻率對應于波長4U，標簽18的工作頻率對應于波長4L2。這樣就允許要安裝在裝置上的兩個不同標簽都能工作。這對于為環行世界(各地使用不同的頻率)的對象加標簽是有用的。即使要用的標簽只有一個，去耦器的這種設計也允許用戶選擇標簽頻率。圖8示出從立體的視角觀察，類似的背靠背去耦器設計。圖9示出去耦器的另一種設計，其允許對不同的波長去耦。這里，兩個去耦器有效地疊置在彼此的頂部，共用公共第二傳導側壁。長度為λ B/4的第一腔由傳導層30、電介質32以及第二傳導層33構成。該第一傳導腔的一個端部被傳導基底部分37封閉。注意，電介質材料32和第二傳導層33都延伸超出第一傳導層30。腔的長度由重疊區域的長度(也就是第一傳導層30的長度)確定。第二傳導腔由第三傳導層35、電介質34以及第二傳導層33構成,該第二傳導腔的一個端部被傳導基底部分37封閉。同樣地，電介質材料34和第二傳導層33都延伸超出第三傳導層35，并且由第三傳導層的長度所限定的腔的長度為λΑ/4。因此顯然，每個腔將以不同波長最有效地工作，并且因此，適當的標簽36可以設置在與強場區域對應的區域中，該區域在適當的頻率下使用。這種配置有利于相同長度的去耦器腔。在圖10所示的配置中，標簽被放置為將它的天線跨過兩個腔的開口端，該標簽將受益于雙腔的增強效應。大體上，兩個振蕩、同相的偶極被表示為跨過AB和⑶。第三偶極形成為跨過金屬區域BC，但是它與另外兩個不同相。可認為，因為BC在長度上遠小于AB或CD，所以跨過BC的場占優勢，與經由單腔得到的相t匕，能產生更大的場強。或者，也可以形成這樣的幾何形狀，其中AB和CD的場占優勢，與單腔情況相比，能更有效地驅動通過天線的電流。雖然示出的是兩個腔，但是這個概念可以擴展到以類似方式接合的三個或更多個腔。圖11示出替代性實施例，其中，兩個腔的開口端相鄰。第一腔由傳導層40、42形成。這兩個層包圍電介質材料50。腔的一端被傳導基底部分46封閉。傳導層42延伸后還形成第二腔的側壁，第二腔還包括傳導層44。傳導層44和42也包圍電介質材料50，另外，傳導基底部分48將第二腔的一個端封閉。在傳導層40與44之間的小間隙或縫隙52設置在兩個傳導基底部分46與48的中間。該縫隙為兩個腔(雖然可以認為它是兩端封閉且其中有四分之一波長的狹縫的半波長腔)提供了一個有效的開口端。使用時，位于縫隙52上或者位于縫隙附近的電介質材料中的RF標簽將設置在電場強的區域中，并且將與任何表面效應去耦。
圖12示出相似的實施例，但是在兩個腔之間有隔離物54。圖13示出多腔去耦器的不同實施例，其中多個腔并排，并且被隔離物56間隔開，隔離物56既可以是傳導性的，也可以是非傳導性的。這可以由單個四分之一波去耦器有效地形成，該四分之一波去耦器在頂層中有縫隙。如上所述，去耦器腔的長度并且因此它能最佳去耦的波長由兩個傳導側壁的重疊區域的長度確定。通常，去耦器設計為預計有特定頻率，因此去耦器腔跨過(across)其寬度的長度將不變。這可以容易地通過保證第一傳導側壁與傳導基底部分接觸的邊緣與另一個邊緣基本上平行來實現。但是，故意改變腔跨過寬度的長度是有利的。圖14示出根據本發明另一方案的去耦器的第一傳導側壁的平面圖。—般表不為60的去稱器具有第一傳導側壁62。在去稱器的一端66連接傳導基底部分，形成封閉端。去耦器的另一端與封閉端66不平行，而是，第一傳導層的長度隨著層而變化。因此，該去耦器將在不同頻率的范圍內形成駐波，并且因此，該去耦器可用于很多種不同標簽。去耦器層的邊緣不一定是直線，也可以采用曲線型邊緣。已經觀察到，本來設計用于866MHz的去耦器也可以將自由空間中在915MHz下工作的標簽去率禹。通過實例，Alien Technologies公司的915MHz “Squiggle”標簽與Alien866MHz的標簽非常相似，唯一的區別就在于被調諧用于915MHz的天線的主體。用于將阻抗回路和相關阻抗回路合并的兩個標簽的天線基本上相同。已經顯示，去耦器造成天線的主體多余。因此當天線在去耦器上時，它僅僅是起作用的阻抗回路。去耦器仍然在866MHz下最佳地截取功率，在915MHz下實質上不截取功率，因為去耦器的性能曲線在該頻率下接近OdB。因此，不管標簽是否設計為在915MHz下工作，標簽都是在866MHz下被驅動工作。這是可能的，因為芯片在866MHz下工作與它在915MHz下工作差不多一樣好。因此，去耦器在一個頻率范圍內截取功率，但是當去耦器、閱讀器、以及標簽(重要性較低)都在同一頻率下工作時，將獲得最佳性能。因此本發明人認識到，可以使用只具有小天線的RF標簽。當去耦器將輻射耦合到它的電介質核心并在腔的開口端產生強電場時，設置在該區域的標簽將在強場區域中工作，并且不需要大的調諧天線。因此，本發明的去耦器可以與所謂的低Q標簽一起使用。圖15示出低Q標簽的實例，低Q標簽有小回路70，小回路70連接到芯片20。例如，該回路的長度約為20_。再參照圖4，可以看出，調諧標簽具有芯片和有效的電感回路，還有大量的附加調諧天線結構。因此低Q標簽可以認為是調諧標簽的較小變型。低Q標簽在自由空間中不會起作用，除非查詢波長與天線周長對應(例如對于5cm回路是6GHz工作)，因此，除非閱讀器設置在芯片的Imm或2mm以內，否則低Q標簽在標準UHF頻率(例如866MHz)下不會工作，因為天線70不足以耦合至入射的UHF輻射。低Q標簽可以只比芯片本身稍大，根據本發明，低Q標簽可以放在任何去耦器上。注意，可以用向外延伸、或者部分地纏繞隔離物的短“臂”代替小回路部分，因為如果結合正確設計的去耦器，那么即使金屬的兩個短“梢”也足以將功率耦合到芯片中。縮小天線尺寸使得RF ID系統更加緊湊，而不需要將現有天線纏繞在去耦器的主體上。另一個優點是減少了用于RF ID制造工藝的材料。已經發現去耦器的幾何形狀、制造去耦器的材料以及標簽相對于去耦器的位置和方向都影響系統的性能，反過來系統的性能決定標簽能被閱讀的范圍。下面參照圖16到圖29描述為了獲得最佳去耦器設計而進行的一系列實驗。最大閱讀范圍是最普通的參數，通過該參數可以測量設計變化的效果。 對去耦器核心中波長(λ核心)的第一近似涉及自由空間中的波長(λ自由空間)除以折射率η，即
Λ KyAaiE
η材料的折射率越大，波通過它就越慢。波的頻率保持不變，因此它們的波長變小。以PETG (折射率C. I. 8)為例，用于四分之一波長去耦器的必須長度為48mm。這可以通過從明顯長于48_的四分之一波長去耦器開始并記錄當縮短去耦器長度時得到的閱讀范圍來經驗性地證明。圖16示出使用Alien AL870的866MHz閱讀器系統和來自Alien WorldTag的回路時的閱讀范圍作為腔長度的函數。長度的縮短減少了截留入核心的輻射的波長，增加了去耦器的工作頻率。當去耦器長度使得其工作頻率與閱讀器系統的工作頻率匹配時，耦合在去耦器中的功率量被最大化，并且系統的閱讀范圍被最大化。當進一步縮短長度時，去耦器的工作頻率變得比閱讀器系統的工作頻率更大，并且耦合在去耦器中的功率量再次減少，導致閱讀范圍下降。顯然,最佳腔長度在48. 5mm與49mm之間,接近理論值48mm。次要矛盾被認為是由于因標簽所致去耦器共振的混亂因為標簽的金屬成分與去耦器(其總體上移動系統的共振頻率)的相互作用，所以出現附加電抗。標簽(和回路)與去耦器上表面之間的PET隔離物的厚度在50微米到3000微米之間變化。使用866MHz閱讀器系統，并使用915MHz Alien Squiggle的中心回路。圖17示出閱讀范圍作為隔離物厚度的函數。可以看出最佳隔離物厚度在500微米到1000微米之間。變化趨勢正是所期望的當隔離物厚度減少時，去耦器的上金屬層與重疊在上面的回路部分之間的容性耦合增加。在隔離物厚度趨向零的極限情況下，回路的那一側將與上金屬層接觸。在這種情況下，該回路充當回路所連接芯片的一側與上金屬層之間的短接部分。這樣就消除了芯片兩端的電壓，因此沒有電流流動，系統停止工作。當隔離物厚度增加到超出1000微米時，電場強度開始急劇下降跨過天線端子的電勢更小，因此閱讀范圍更小。如上所述，去耦器通過形成顯著增強的電場區域而起作用，所述電場強迫放在這些區域的任一個區域中的標簽工作。去耦器上有一些位置電場強，而其它位置電場弱。通過改變去耦器上標簽的位置，從電場強的位置改變到電場弱的位置，就可以證明利用的是電場而不是磁場。考慮圖18a所示的四分之一波去耦器。在核心或腔的開口端(向右看)電場最強，電場在與將上導體與下導體連接在一起的基底部分相鄰的封閉端變為零。電場增強的區域延伸超出腔邊緣，但是當該電場增強的區域到去耦器表面的距離增加時，電場強度按指數規律下降。作為參考，圖18b示出磁場，可以看出靠近金屬基底部分時磁場最大，并且在腔的開口端磁場趨向于零。
電場大小從OV/m到50V/m。入射波的電場幅度為lV/m，因此電場增強的系數約為50。磁場(自由空間值l/377A/m)大小從OA/m到O. 25A/m,因此磁場增強的系數超過70。圖19示出標簽在電介質腔上的不同放置位置，其中入射電場在箭頭1910所示的方向上，基本上與基底部分1900垂直。在沿著與基底部分1900相對的I側的任何地方都可以放標簽，如1902所示，典型地，對于50mm寬的PETG核心去耦器而言，可以在4m的范圍內閱讀標簽。注意，也可以繞著核心的開口邊緣折疊標簽，如1904所示。也可以沿著2側放置標簽，例如1906所示。沿著2側遠離金屬基底部分移動時，電場強度增加。如同所期望的，這樣使得閱讀范圍增加，如圖20的曲線圖所示。在這種情況下，去耦器核心厚度為4mm，腔長度為67mm。沿著2側距離腔邊緣約20mm處出現最大閱讀范圍。從基底部分沿著腔向開口端移動時，電場增加，因此電壓增加，而磁場和電流減小——因此阻抗增加。因為輕微的阻抗效應，所以建議閱讀范圍在離開邊緣的短距離處為最大值，雖然應用人不受該建議所限。考慮沿著開口端(圖19的I側)的電場強度，沿著該開口端的整個長度電場強度保持為大電場強度，因此能閱讀沿著該開口端放置在任何地方的標簽。但是當沿著該邊緣移動標簽時，已經發現在能夠獲得的最大閱讀范圍中一些較小的變化，如圖21所示。靠近邊緣中心處獲得最大閱讀范圍,在邊緣出現最小閱讀范圍。標簽本身不對稱，這被認為是結果中輕微不對稱的原因。如果電場與從一個天線端子到另一個天線端子直接畫出的直線平行，如圖22b所示，那么兩個端子之間的電壓將是最大值，并且閱讀范圍相應地大。如果電場與該直線垂直，如圖22a所示，那么兩個端子的電勢將會相同在端子之間將沒有電流流動，不能閱讀標簽(這里假定為局部均勻電場)。在垂直與平行之間的角度，去耦器能起作用，但是范圍縮小。曾經做過實驗來確定閱讀范圍與角度之間的關系。圖23畫出相對于旋轉角度獲得的閱讀范圍。可以看出，當電場與天線端子之間的直線平行(90度)時，閱讀范圍是5m，當與場垂直(O度)時，閱讀范圍為零。
下面參照圖24到圖27描述芯片和回路離上傳導平面的邊緣有偏移時，裝置的性能變化。稱合元件或者回路相對于上傳導層邊緣的位置從-Imm到+Ilmm變化,如圖24所示。保持閱讀器天線與標簽之間的距離不變，同時閱讀器系統的功率輸出從最大值(2瓦特)逐漸減少，直到達到閾值，低于這個閾值就不能閱讀標簽這個閾值越小，標簽性能就越好。畫出閾值功率相對于耦合元件位置的關系得到的曲線圖是，標簽性能最好的地方閾值功率的值最小。為了讓曲線圖更直觀，通過從2瓦特(閱讀器系統的最大輸出功率)減去功率閾值，將圖反轉。這樣形成“剩余功率”曲線圖，標簽性能最好的地方剩余功率的值最大。當耦合元件相對于上導體邊緣移動時，理論建模允許計算芯片兩端的電壓。形成一系列模型(其中稱合元件從_8mm移動到+14mm),并計算每種構造中芯片兩端的峰值電壓。在這種情況下，入射到標簽上的功率保持不變，因此電壓越大，表示標簽性能越好。將電 壓值進行縮放，使模擬峰值電壓值(modelled peak voltage value)與通過實驗測量的峰值剩余功率值的大小相同，從而使兩個數據組之間的比較更容易。圖25中畫出這些結果。當芯片從Omm偏移(芯片正好在上傳導層的邊緣上面)移開時，芯片兩端的電壓增加，在+IOmm達到最大值,超過+IOmm后急劇減小。可以通過檢查去稱器周圍的電場強度來說明這種特性。圖26示出與去耦器垂直的平面上電場大小的示意圖。該示意圖清楚地示出，增強電場的區域從上導體的邊緣開始只延伸超出去耦器腔的開口端一個短距離c. 15mm(從-5mm到 +10mm)。為清楚起見，將傳導層示出為虛線。注意，圖26中的大小從20V/m (黑色)擴大到110V/m (白色)，入射電場強度(波幅度)為lV/m。這說明在腔的開口邊緣，具有系數為110的電場增強。本實例中使用的回路為22mm長，因此大約延伸10. 5mm到芯片的每一側(芯片為c. Imm2)0超出+10. 5mm時，回路不再與上金屬層的邊緣(這里場最強)重疊，因此，回路離開上傳導平面邊緣的進一步位移將回路暴露在逐漸變弱的場中，因此芯片兩端的電壓和剩余功率都下降。通過正好在上導體邊緣上面(Omm偏移)的芯片，電壓具有局部最小值，不能閱讀標簽。閱讀失敗也可以歸因于電壓太低，不能激活芯片。理論模型預測當耦合元件在上傳導層上進一步移動時(具有負偏移)，電壓應當再次上升。在_2mm與_4mm之間電壓急劇下降，這是由于增強電場關于調諧平面邊緣的不對稱分布，如圖3所示。實驗測量沒有延伸超出-1mm，所以不能證實這個預測。這個特性說明去耦器充當了用于產生高度局部化的電壓的裝置，該高度局部化的電壓隨后經由去耦器與回路之間的容性耦合被傳輸給芯片芯片兩端的電壓和剩余功率保持為高，同時，與芯片相鄰的回路部分在增強場區域內。在這個區域外面，電勢梯度(電場強度)低，因此芯片兩端的電壓低。這種工作機制與參照圖22討論的特性一致，在圖22中，在去耦器平面上回路旋轉90度。這樣將回路部分放置在等電勢區域中芯片的任一側，導致芯片兩端的零電壓。實驗已經證實，在這個方向上不能閱讀標簽。現在考慮電介質共振腔的厚度，已經進行了實驗，其中去耦器核心的厚度(用t表示)在O. 125mm與3_之間變化。每種核心厚度的最佳腔長度通過逐漸減小腔長度并記錄閱讀范圍來確定。在所有情況下，核心材料是聚酯，金屬層由鋁箔形成。結果在圖27中畫出。如同對所有去耦器所期望的，當腔長度使得其共振頻率與閱讀器系統的共振頻率匹配時，閱讀范圍達到峰值。較厚的核心相比較薄的核心而言，峰值閱讀范圍要大得多。圖28更清楚地示出最大閱讀范圍相對于核心厚度的變化。但是要理解，在較厚核心與部件總厚度之間有一個權衡。對任何給定應用而言都有適當的核心厚度，在保持小外形裝置的同時提供充分的閱讀范圍。因為去耦器的下層是金屬，要放置去耦器的對象也常常是金屬，所以本發明的實施例用要加標簽的對象的金屬作為下傳導層。在這種情況下，去耦器變成雙層裝置上傳導層和電介質核心。
四分之一波長去耦器需要環繞電介質核心三側的連續傳導路徑，因此，使用要安裝去耦器的對象作為下層時必須小心，以避免實質上的不連續。已經進行了一系列測試來評估圖29所示的不同構造以及得到的閱讀范圍。在所有情況下，核心材料是聚酯，并且用915MHz系統來進行測試。去耦器寬50mm，在最佳情況下，對于44mm的腔長度而言，發現最大閱讀范圍是6. 0m。確定閱讀范圍的過程中，去耦器固定在金屬板上，金屬板的尺寸比去耦器大。制造這些去耦器時使用的箔實際上覆蓋有薄的絕緣聚合物層，因此當兩個層配置為平行時，在它們之間幾乎沒有或者沒有直接的電流流動。每種構造都有不同的不連續(discontinuity)的可能來源,如附圖中直線所示。已經發現不連續導致閱讀范圍較小，每種不連續將范圍減少具有真正連續傳導層的去耦器的最大值的c. 40%。因此有兩個不連續的設計與有一個不連續的設計相比，趨向于具有較小的閱讀范圍，有一個不連續的設計與沒有不連續的去耦器相比，相應地性能較差。這個規律的唯一例外是構造2，其中箔與金屬背板之間的不良電接觸是閱讀范圍縮小的可能原因。圖30示出四分之一波去耦器的實施例，配置為一個象限或四分之一圓。這種配置的優點是減少了方向相關性。當去耦器的共振尺度與入射電場矢量平行時，給定的去耦器和標簽構造性能最好。當共振尺度與電場垂直時，隨著去耦器旋轉，閱讀范圍下降達到零。在圖30的實例中，用鋁箔制造去耦器，用4_5mm厚的皺紙板作為電介質腔。去耦器形成90度的扇形，在上表面上、繞著彎曲的邊緣、跨過下表面有連續的箔片。兩個直邊緣不具有在該邊緣上延伸的導體。標簽配置在直邊緣的頂點，如圖30所示。逐漸減小四分之一圓的半徑，以確定最佳值。從158mm的半徑開始,從弓形邊緣逐漸消減標簽，發現在121_的半徑時出現最大閱讀范圍5. 5m。另一實施例與圖30的相似，但是將兩個直邊相交的角部截去，形成27mm長的第三直邊，與另兩個直邊成45度。發現在120mm的半徑時出現最大閱讀范圍8m。然后研究四分之一圓去耦器與方位角的相關性。在與閱讀器天線的平面平行并包含入射電場矢量的平面內，旋轉去耦器360度。圖31給出了結果，其中用塊箭頭表示電場，用去耦器上的實線表示標簽的長軸。
對于O度與90度之間以及180度與270度之間的所有角度，閱讀范圍保持不變，為6m。在這些角度范圍內，可期望電場矢量總是與從最靠近標簽的角部沿著徑向畫出的直線平行，使得它跨過金屬區域，因此對正確的共振尺度連續采樣。這使得在去耦器核心內與共振模式有效耦合。90度到180度以及270度到360度的范圍返回到閱讀范圍零，因為這個范圍內電場矢量從不與共振尺度平行。因此在O度與90度之間以及180度與270度之間，四分之一圓去耦器表現出方向無關性。圖32示出去耦器，其也具有連接上、下傳導平面的弓形基底部分，但是這一次形狀為半圓。在傳導層的上部切出狹縫(如圖32b的狹縫I所示)，從直邊緣的中心垂直延伸，長度差不多是去耦器半徑的一半。通過在去耦器中心將標簽纏繞在去耦器的直邊緣(如圖32a所示，但是狹縫不明顯)，在O. 5m的范圍內，除了關于去耦器的直邊緣與入射波的電場平行的方向上10度范圍之外，可以在所有方向閱讀標簽(在與閱讀器天線的平面平行的平面中旋轉360度)。當去耦器與閱讀器天線之間的距離增加時，能閱讀標簽的角度范圍縮小——方向相關性增加。
通過放置在去耦器上表面、與狹縫垂直、并且端子跨過狹縫(按照圖29b所示標簽方向)的標簽，當去耦器的直邊緣與電場平行時，可以在幾米處閱讀標簽，但是如果旋轉去耦器超過45度，則閱讀范圍會降到零。在第一狹縫的端部并且與第一狹縫垂直地切出較短的第二狹縫(大約長10mm)，從而在傳導層上部形成T形縫隙(如圖32b狹縫2所示)。通過纏繞在去耦器上的標簽(按照圖32a的標簽構造，在較長的狹縫上)，去耦器可以旋轉360度，而標簽保持可讀性，只有很少的可見“死點”。應當理解上面僅僅通過實例描述了本發明，在本發明范圍內可以對細節進行修改。說明書以及(在適當時)權利要求書和附圖中公開的每個特征都可以單獨提供或者以適當的組合方式提供。
權利要求
1.一種基本上表面獨立的標簽設備，包括 電磁輻射去耦器，包括腔結構，所述腔結構包括傳導基底部分，所述傳導基底部分連接到由第一傳導層形成的第一傳導側壁和由第二傳導層形成的第二傳導側壁，所述第一傳導側壁和所述第二傳導側壁分隔開且基本上平行，其中，所述去耦器用于將電子裝置從一表面去耦；以及 EM標簽，包括安裝在所述去耦器上的天線。
2.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述EM標簽安裝在所述第一傳導側壁的邊緣附近。
3.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述EM標簽至少部分地設置在所述第一傳導側壁上，使得所述天線設置在所述第一傳導側壁的與所述傳導基底部分相對的邊緣處。
4.如權利要求I所述的標簽設備，包括位于所述EM標簽與所述去耦器之間的隔離物。
5.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述EM標簽設置為跨過所述腔結構的開口端或者設置在所述腔結構的開口端內。
6.如權利要求5所述的標簽設備，其中，所述EM標簽至少部分地嵌入或設置在電介質材料中。
7.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述EM標簽是具有小的、未調諧的天線的低Q標簽。
8.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述EM標簽是RFID標簽。
9.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述腔結構中設置有電介質材料。
10.如權利要求9所述的標簽設備，其中，所述電介質材料為陶瓷材料。
11.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述第一傳導側壁從所述傳導基底部分測得的連續長度約為λ d/4，其中λ d是工作頻率為V的EM輻射在電介質材料中的波長。
12.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述第二傳導側壁從所述傳導基底部分測得的連續長度至少與所述第一傳導側壁的長度相同。
13.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述腔結構中設置有作為與所述傳導基底部分相鄰的連續層的電介質材料，所述電介質材料延伸為與所述第一傳導側壁基本上一樣長。
14.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述腔結構中設置有電介質材料，并且所述電介質材料延伸為超出所述第一傳導側壁的端部。
15.如權利要求I所述的標簽，其中，所述去耦器的總厚度小于λ/10、或λ/300、或λ/1000。
16.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述去耦器的總厚度為Imm以下、2mm以下、500 μ m以下、或100 μ m以下。
17.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述第一傳導層跨過其寬度的長度變化。
18.如權利要求I所述的標簽設備，在兩個所述傳導側壁之間設置有一種以上的不同電介質材料，以形成電介質核心。
19.如權利要求I所述的標簽設備，還包括第二腔結構，所述第二腔結構包括傳導基底部分，所述傳導基底部分連接第三傳導側壁和第四傳導側壁，所述第三傳導側壁和所述第四傳導側壁分隔開且基本上平行，在所述第二腔結構中設置有第二電介質材料，其中，所述第一腔結構的所述傳導基底部分也是所述第二腔結構的所述傳導基底部分。
20.如權利要求19所述的標簽設備，其中，所述兩個腔結構的每一個在不同的頻率下去耦。
21.如權利要求19所述的標簽設備，其中，所述第一傳導側壁與所述第三傳導側壁連續，和/或所述第二傳導側壁與所述第四傳導側壁連續。
22.如權利要求19所述的標簽設備，其中，所述第一傳導側壁從所述傳導基底部分到所述第一傳導側壁的邊緣測得的長度與所述第三傳導側壁的長度不同。
23.如權利要求19所述的標簽設備，其中，設置在所述第一腔結構中的電介質材料與所述第二電介質材料不同。
24.如權利要求I所述的標簽設備，還包括第二腔結構，所述第二腔結構包括傳導基底部分，所述傳導基底部分連接到第三傳導側壁和第四傳導側壁，所述第三傳導側壁和所述第四傳導側壁分隔開且基本上平行，其中，所述第二傳導側壁和所述第四傳導側壁包括由傳導材料形成的連續層，在所述第一傳導側壁和所述第三傳導側壁的邊緣之間限定一縫隙，電介質材料被設置在所述第二腔結構中。
25.如權利要求24所述的標簽設備，其中，所述第一傳導側壁和所述第三傳導側壁包括由傳導材料形成的連續層，所述連續層具有縫隙，所述縫隙基本上橫向地延伸過兩個所述腔結構，以限定所述腔結構的邊緣。
26.如權利要求24所述的標簽設備，其中，兩個所述腔結構的組合長度是λ/2，所述第一傳導側壁與所述第三傳導側壁之間的縫隙設置為與任一傳導基底部分相距λ d/4。
27.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述第一傳導側壁的長度約為要工作的輻射的波長的四分之一。
28.如權利要求I所述的標簽設備，其中所述傳導基底部分被彎曲。
29.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述第一傳導側壁是半圓形。
30.如權利要求I所述的標簽設備，其中，在所述第一傳導側壁中設置有狹縫。
31.如權利要求I所述的標簽設備，其中，所述腔結構適用于增強所述腔結構的開口邊緣處的入射電場，并且，所述電子裝置至少部分地處于所述開口邊緣處的電場增強的區域中。
32.如權利要求31所述的標簽設備，其中所述EM標簽的至少一部分設置在距離所述腔結構的開口邊緣5mm、IOmm或20mm以內。
33.如權利要求31所述的標簽設備，其中所述開口邊緣基本上與所述傳導基底部分相對。
34.如權利要求I所述的標簽設備，其中所述電子裝置與所述第一側壁或所述第二側壁沒有電接觸。
35.如權利要求I所述的標簽設備，其中所述第二傳導側壁為設置在所述腔結構中的電介質材料與所述電子裝置被去耦的表面之間的唯一的傳導側壁。
全文摘要
一種電磁輻射的增強和去耦。所公開的設備和方法用于提供基本上表面獨立的標簽系統。共振電介質腔(6)限定在上傳導層(2)與下傳導層(4)之間，腔的一端被傳導基底部分(8)封閉。入射輻射耦合至腔內，被共振增強。由于這種增強作用，放在腔邊緣的電子裝置或標簽承受大電場強度，并被驅動工作。
文檔編號G06K19/077GK102890294SQ20121021125
公開日2013年1月23日 申請日期2007年6月8日 優先權日2006年6月16日
發明者J·R·布朗, C·R·勞倫斯 申請人:歐姆尼-Id有限公司