低返回損耗的粗壯rfid天線的制作方法

專利名稱：低返回損耗的粗壯rfid天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及射頻標識(RFID)讀取器，并且更具體地說，涉及 RFID讀取器天線。
背景技術：
射頻標識(RFID)標簽是可以附到其存在被探測和/或監視的物品 上的電子裝置。RFID標簽的存在、及因此標簽所附物品的存在，可 以由稱作"讀取器，，的裝置無線檢查和監視。讀取器典型地具有一根或 多根發射射頻信號的天線，標簽應答該射頻信號。由于讀取器"詢 問"RFID標簽，并且響應詢問接收從標簽返回的信號，所以讀取器有 時稱作"讀取器詢問器"或簡單地稱作"詢問器"。
隨著RFID技術的成熟，在標簽與詢問器之間的高效通信已經成 為供應鏈管理中的關鍵因素，特別是在制造、裝運、及零售業中以及 在建筑安全設施、保健設施、圖書館、機場、倉庫等中。
對于RFID讀取器的要求正在變得更難以滿足。RFID讀取器要 求天線擁有適當的增益、產生所希望的天線圖案、及產生適當偏振的 信號。此外，天線必須提供非常低的電壓駐波比(VSWR)，這等效于 非常低的RF返回損耗。這些性能必須在相當寬的頻率帶寬上保持， 即使天線可能瞄準在打算讀取的標簽附近的巨大和高反射物體上也 是如此。這些物體造成的反射在適當讀取標簽時可產生困難。
此外，標簽的讀取常常發生在其中讀取器天線經受物理破壞的環 境中，如在倉庫環境中，其中物體可能碰撞天線。
因而，所需要的是具有足夠增益、且可產生有用的天線圖案、具 有適當偏振的RFID讀取器天線。此外，天線應該具有低VSWR，以 提供低RF返回損耗。更進一步，天線需要能夠在具有高反射物體的環境中操作，并且應該粗壯(rugged)以承受環境破壞。

發明內容
這里描述用于諸如讀取器之類的RFID裝置的方法、系統及設 備。例如，描述用于改進讀取器天線的方法、系統及設備。這里描述 的天線提供所希望的天線特性，如增益、天線圖案、偏振、VSWR、 及返回損耗。此外，描述能夠在反射環中和/或對天線破壞的環境中操 作的天線。
在第一方面，RFID讀取器天線組件包括正交混合耦合器、終止 元件及天線。例如，天線可以是拼板天線(patch antenna)。正交混合 耦合器具有第一、第二、第三及第四端口 。第一端口接收輸入射頻(RF) 信號。第二端口輸出第一RF輸出信號。第三端口輸出第二RF輸出 信號。第二RF輸出信號相對于第一RF輸出信號相移90度。第四端 口聯接到終止元件上。天線具有耦合到第一 RF輸出信號上的第一點、 和耦合到第二 RF輸出信號上的第二點。天線由于接收的第一和第二 RF輸出信號而輻射圓偏振RF信號。圓偏振RF信號可以用來詢問標 簽。
在本發明的另一方面，RFID讀取器天線組件包括后板、電路板、 拼板天線、可壓縮電絕緣材料及第一和第二可壓縮接觸部件。電路板 由后板支撐。電路板接收輸入射頻(RF)信號，并且輸出第一RF輸出 信號和第二RF輸出信號。可壓縮電絕緣材料把拼板天線安裝在后板 上。第一可壓縮接觸部件把第一輸出RF信號耦合到拼板天線的第一 點。第二可壓縮接觸部件把第二輸出RF信號耦合到拼板天線的第二 點。
當裝置受到碰撞時，可壓縮電絕緣材料及第一和第二可壓縮接觸 部件供裝置吸收沖擊之用。
鑒于本發明的如下詳細描述，這些和其它目的、優點及特征將成 為顯而易見的。注意，概述和摘要部分可能敘述由本發明人所想到的 本發明的一個或多個、但不是所有范例實施例。包括在這里并且形成說明書部分的


本發明，并且與描述 一起進一步用來解釋本發明的原理和使得本領域的技術人員能夠實 現和使用本發明。
圖l表示其中RFID讀取器與RFID標簽的范例集合相通信的環境。
圖2是表示RFID讀取器的接收器和發射器部分的方塊圖。
圖3表示根據本發明實施例的天線組件。
圖4A表示實施圖3的電路的范例電路板的平面圖。
圖4B表示范例天線。
圖5表示根據本發明范例實施例提供用來發射RF信號的范例步
驟的流程圖。
圖6和7表示由天線組件對反射信號的處置。
圖8-14表示才艮據本發明實施例的范例天線結構的視圖。
圖15表示具有框架的與圖8的天線組件類似的天線組件。
圖16A和16B表示根據本發明范例實施例安裝天線組件的鏟車
的視圖。
現在參照附圖將描述本發明。附圖中類似附圖標記指示相同或功 能類似元件。另外，附圖標記的最左位標識其中附圖標記首先出現的 附圖。
具體實施方式
引言
這里描述用于諸如讀取器之類的RFID裝置的方法、系統及設 備。例如，描述用于改進讀取器天線的方法、系統及設備。這里描述 的天線提供希望的天線特性，如增益、天線圖案、偏振、VSWR及返 回損耗。此外，描述能夠在反射環境和/或對天線破壞的環境中操作的 天線。
10本說明書公開包括本發明特征的一個或多個實施例。公開實施例 僅舉例說明本發明。本發明的范圍不限于公開的實施例。本發明由附 屬于其的權利要求書限定。
在說明書中提到的"一個實施例"、"實施例"、"范例實施例"等等， 指示描述的實施例可以包括具體特征、結構、或特性，但每個實施例 可能不必包括具體特征、結構、或特性。況且，這樣的短語不必指同 一實施例。而且，當具體特征、結構、或特性與實施例一起描述時， 認為在本領域技術人員的知識范圍內，與不管是否被清晰描述的其它 實施例一起實現這樣的特征、結構、或特性。
此外，應該理解這里使用的空間描述(例如，"上方"、"下面"、 "上"、"下"、"頂部"、"底部"、"垂直"、"水平"等)僅用于說明目的， 并且這里描述的結構的實際實施能以任何方位或方式空間布置。
范例RFID系統實施例
詳細描述本發明的實施例之前，有益的是描述其中可以實施本發 明的范例RFID通信環境。圖1表明其中RFID標簽讀取器104與RFID 標簽102的范例集合120通信的環境。如圖1中所示，標簽的集合120 包括七個標簽102a-102g。集合120可以包括任何數量的標簽102。
環境100包括一個或多個讀取器104。讀取器104可以由外部應 用程序請求以尋址標簽的集合120。可選擇地，讀取器104可以具有 啟動通信的內部邏輯電路，或者可以具有觸發裝置以使讀取器104a 的操作人員用來啟動通信。
如圖1所示，讀取器104把具有栽波頻率的詢問信號110發射到 標簽的集合120。讀取器104在對這種類型的FR通信分配頻帶的一 個或多個中操作。例如，對于一定RFID應用，聯邦通信委員會(FCC) 已經定義902-928 MHz和2400-2483.5 MHz頻帶。
各種類型的標簽102可以存在于標簽集合120中，其把一個或多 個響應信號112發射到詢問讀取器104，包括根據時基圖案或頻率通 過交替地反射并吸收信號110的部分。用來交替地吸收并反射信號110 的這種技術這里稱作反向散射調制(backscatter modulation),讀取器104從響應信號112接收并得到數據，如應答標簽102的標識號。在 這里描述的實施例中，讀取器可以根據任何適當的通信協議，包括二 進制遍歷協議、時隙aloha協議、級0、級l、 EPCGen2、別處提到 的任何其它協議及未來通信協議，能夠與標簽102通信。
圖2表示范例RFID讀取器104的接收器和發射器部分220的方 塊圖。讀取器104包括一根或多根天線202、 RF前端204、解調器/ 譯碼器206及調制器/編碼器208。讀取器104的這些元件可以包括軟 件、硬件及/或固件、或其任意組合，以便完成它們的功能。
讀取器104具有至少一根用來與標簽102和/或其它讀取器104 通信的天線202。 RF前端204可以包括一個或多個天線匹配元件、放 大器、濾波器、回波消除單元、下轉換器及/或上轉換器。RF前端204 通過天線202接收標簽響應信號，并且把響應信號下轉換(如有必要) 到適合進一步信號處理的頻率范圍。此外，RF前端204從調制器/編 碼器208接收調制編碼詢問信號，上轉換(如有必要)詢問信號，及把 詢問信號傳輸到天線202以被輻射。
解調器/譯碼器206聯接到RF前端204的輸出上，從RF前端 204接收調制標簽響應信號。解調器/譯碼器206解調上轉換的標簽響 應信號。標簽響應信號可以包括#>據FMO或Miller編碼格式編碼的 反向散射數據。解調器/譯碼器206輸出譯碼數據信號214。譯碼數據 信號214可以在讀取器104中被進一步處理。額外或可選擇地，譯碼 數據信號214可以傳輸到后續計算機系統以便進一步處理。
調制器/編碼器208聯接到RF前端204的輸入上，并且接收詢問 請求210。調制器/編碼器208把詢問請求210編碼成信號格式，如FMO 或Miller編碼格式之一，調制編碼信號，及把調制編碼詢問信號輸出 到RF前端204。
下面詳細描述本發明的實施例。這樣的實施例可以在圖l表示的 環境100中、在圖2表示的讀取器104中、和/或在可選擇環境和RFID 裝置中實施。例如，本發明的實施例可以在圖2表示的讀取器104的 天線202中和/或在RF前端204中實施。RFID讀取器天線參數和問題
用于讀取器的單根天線和雙重天線已經被開發，試圖改進RFID 讀取器性能，對于讀取器感興趣的范例天線參數包括增益、天線圖案、 天線偏振、電壓駐波比(VSWR)、反射系數及返回損耗。"VSWR"是 信號"反射"的度量，當傳輸線:土輸入到天線的信號在傳輸線和天線的 界面處被反射時，由于阻抗不匹配，該信號"反射"可能發生。VSWR 是所生成的干擾波中的最大與最小幅值的比值。
"反射系數，，與VSWR相關，并且有時稱作"S1參數"、"p"、或"r"。 -1的反射系數(或在180度處"l"的幅值)指示短路，并且1的反射系數 (或在0度角處)指示開路。數學上，VSWR和反射系數按如下相關<formula>formula see original document page 13</formula>
此外，反射系數以dB按如下表示為"返回損耗" 返回損耗=-20*1(^|1^8 公式3
基本上，"返回損耗"是入射波和反射波的幅值之間單位為dB的 差值。例如，在讀取器系統中，入射波可以是由讀取器發射器(例如在 圖2表示的調制器/編碼器208)產生的、打算由讀取器的天線發射的 RF信號。反射波可以是由于阻抗不匹配從發射器信號的天線返回的 反射。返回損耗數值(單位為dB)越高，反射越少并且阻抗匹配越好。 顯然，反射信號在讀取器系統中是不希望的。來自天線的任何信號反 射都可能在讀取器的接收器(例如，在圖2表示的解調器/譯碼器206) 被接收，并且可能干擾接收器接收所希望信號的能力。
直到最近，對于讀取器天線的低返回損耗要求已經引起雙重天線 型RFID讀取器系統被使用。通過使用分離的天線用于發射和接收， 內部反射問題被大大減小，因為在接收和發射功能之間的隔離被大大 地改進。然而，使用一對天線與單根天線系統相比，增加成本和體積。 此外，因為兩根天線是固有偏移的，所以兩根天線不會觀察相同的空 間體積。更進一步，在可攜帶RFID讀取器中(除其它用途外)的適用空間常常不允許兩根天線。因而，單根天線解決方案是所希望的。
多種類型的天線存在。對于大多數用途，2:1或更好的天線VSWR 技術規格已經認為是適當的。2:1 VSWR等效于-9.54 dB的返回損耗， 并且代表-0.51 dB的最壞情形傳輸損失。有時，對于很重要的應用， 已經規定1.5:1的天線VSWR，這等效于-14dB的返回損耗、和-0.18 dB的最壞情形傳輸損失。非常少的天線具有比這好的制造技術規格。
正在引入對于RFID讀取器天線的新要求，包括-20至-30 dB的 返回損耗，分別等效于1.22至1.065的VSWR，在感興趣頻帶(常常 為902至928 MHz)上。這種新要求不一定是為了保持傳輸效率的目 的。也存在新的要求以避免當高于-20dB的返回損耗存在時可能發生 的RFID讀取器接收器的飽和。
因為大多數單根天線型RFID讀取器以與具有零差接收器的連 續波(CW)雷達相類似的方式操作，所以任何顯著的天線反射率(內部 引起的反射系數或返回損耗)可使發射器輸出功率的顯著部分返回到 接收器。當返回功率超過一定閾值時，接收器將飽和。飽和接收器表 現出非線性效果，使它具有降低的讀取器靈敏度、和當環境中多于一 個信號存在時對于相互調制失真(IMD)的受損性的增加。IMD在接收 器內引起虛假或無關信號，這干擾所希望的接收器性能。
已經被用于RFID讀取器的天線類型包括如下六類拼板天線、 空腔支撐拼板天線、顛倒-F天線、單極、雙極及Yagi天線。當這些 天線以全尺寸樣式建造以用于具有巨大適用體積的區域應用時，它們 通常能夠被調諧以提供可接受的增益性能，具有適當低的返回損耗。 然而，已知較小天線具有較高"Q，，(即，帶寬與中心/諧振頻率的比值)。 當天線尺寸減小時，其上存在低返回損耗的帶寬也減小。因而，當天 線類型以更緊湊形式建造時(由于適用體積的缺乏，如在可攜帶讀取器 用途中)，它們僅能夠在較窄頻率區域上提供所要求的低返回損耗。越 來越窄的頻率區域通常相對于RFID讀取器所希望操作的頻率范圍以 符合FCC規則(如對于卯2至928 MHz民用頻率內的跳頻非授權無線 服務)而言太小。最后結果是僅在希望頻率區域的一部分上提供適當性
14能的RFID讀取器。減小的頻率范圍又導致減小的讀取速率，并且導 致未讀取標簽，特別是當多路徑傳播存在時。
當RFID標簽駐留在具有巨大的、反射RF的物體的環境中時， 進一步的困難發生。反射物體可創建返回到讀取器的強信號(夕卜部引起 反射系數或返回4資耗，與以上描述的內部反射原因相反)作為讀取器發 射信號的反射。反射信號可使讀取器的接收器飽和并且降低其靈敏 度。這可使讀取器對于虛假標簽響應敏感，并且/或者可掩蔽標簽響應， 因為當環境中存在多個信號(由于外部反射)時在接收器內產生的中間 調制失真(IMD)產物的存在。
此外，便攜的和固定位置的RFID讀取器都用在對天線可能高度 物理破壞的環境中。安裝天線可接收損害沖擊的范例位置包括在妒車 上，在倉庫箱式粉碎機(box crusher)內、或在傳送帶系統內。在這樣 的用途中，即使已經認真調諧以提供可接受性能的天線，由于這些類
和危害，通常性能也將降級。已經進行嘗試，通過把天線放置在透明 天線罩內而保護天線，天線罩能承受沖擊。這種技術因為在天線罩的 物理強度與RF透明性之間的必要折衷、以及天線罩引起的增加天線 尺寸的缺點(包括厚度)，僅部分成功。
下面詳細描述用于RFID讀取器天線的實施例，該天線具有改進 的性能和粗壯程度，克服以上及本文其它地方描述的困難。
用于改進RFID天線的范例實施例
下面描述對于天線的范例實施例。在實施例中，天線配置成輻射 圓偏振RF信號。天線具有非常低的電壓駐波比(VSWR),導致非常 低的RF返回損耗。天線可以被加固以承受在物理破壞環境中的沖擊。 盡管下面在RFID環境的上下文中描述天線，但由本領域的技術人員 將理解，天線可以用在RFID之外的環境中。
圖3表示天線系統300。天線系統300可以在諸如讀取器之類的 RFID裝置中實施。如圖3所示，天線系統300包括電路302和天線 304。天線304也可以稱作"輻射器"或"輻射元件"。電路302接收輸入RF信號306，如從讀取器發射器，并且輸出第一RF輸出信號308 和第二 RF輸出信號310。天線304接收第一和第二 RF輸出信號308 和310，并且輻射圓偏振RF信號312。圓偏振RF信號312可在順時 針或逆時針方向上偏振，并且可選擇性地橢圓偏振，如果具體用途希 望這樣。
如圖3所示，電路302包括正交混合耦合器314和終止元件324。 正交混合耦合器314具有第一、第二、第三及第四端口 316、 318、 320 及322。第一端口 316接收輸入RF信號306。第二端口 318輸出第一 RF輸出信號308。第三端口 320輸出第二RF輸出信號310。第二RF 輸出信號310相對于第一 RF輸出信號308由正交混合耦合器314相 移90度(即感興趣信號的四分之一波長)。此外，第一和第二RF輸出 信號308和310相對于輸入RF信號306減小3dB。
終止元件324聯接到正交混合耦合器314的第四端口 322。終止 元件324能是任何類型的終止元件、或終止元件的組合，包括電阻器。
注意，與天線系統300相關聯的RFID讀取器的接收器從天線 304通過輸入RF信號306接收信號。換句話說，例如，當天線304 接收標簽響應信號時，標簽響應信號從天線304通過正交混合耦合器 314，經輸入RF信號306通到讀取器接收器。
電路302可以在諸如印刷電路板(PCB)之類的電路板上實施。圖 4A表示實施電路302的范例電路板400的平面圖。如圖4A所示，電 路板400安裝正交混合耦合器314和終止元件324。如圖4A所示， 第一端口 316接收輸入RF信號306,它由電路板400上的傳輸線402 路由到第一端口316。傳輸線402能是任何類型的傳輸線，包括但不 限于同軸型、帶條型、微帶條型、共面波導管型傳輸線。
如圖4A所示，第二端口 318由傳輸線406耦合到在電路板400 上的第一點404上，并且第三端口 320由傳輸線410耦合到在電路板 400的第二點408。傳輸線406和410能是任何類型的傳輸線。電路 板400上的第一和第二點404和408耦合到天線304的相應第一和第 二點上，也稱作天線304的"饋入點，，，以分別把第一和第二RF輸出
16信號308和310耦合到天線304上。
正交混合耦合器314提供電路板400上的第一和第二點404和 408之間的平衡阻抗匹配，以把匹配阻抗提供給接收第一和第二 RF 輸出信號308和310的天線304的第一和第二點。例如，正交混合耦 合器314可以是3 dB定向耦合器，具有諸如被小型化、高介電型材 料(例如，陶瓷)及/或是印刷電路板可安裝的之類的屬性。下面描述關 于用于正交混合耦合器314的范例參數的進一步細節。
圖4B表示天線420的底面圖，它是可聯接到圖4A的電路板400 上的天線304的例子。圖4B還表示定位在天線420之后的接地平面 元件430。天線420具有第一和第二點412和414，當圖4B的天線420 倒轉(例如，水平地)并且安裝在電路板400上時，該第一和第二點412 和414可聯接到電路板400的第一和第二點404和408上。這樣的安 裝結構被表示在下面進一步詳細描述的圖8-11中。天線420表示成圖 4B中的拼板天線。然而，天線304依據具體用途能夠是替換類型的 天線。第一和第二點412和414可稱作天線420的"饋入點"。第一和 第二點412和414對于天線420也分別稱作"水平偏振輸入"和"豎直 偏振輸入"，它們組合輸入信號以形成圓偏振輻射輸出信號。
在范例的拼板天線實施例中，天線420沿其周界在天線420與接 地平面元件430之間的間隙中創建強電場("E-場")。天線420產生從 離開接地平面元件430的天線420側向外輻射(即，圖4B中在"從紙 出來"方向輻射)的半球形輻射圖案。
為了說明目的而不是為了限制目的，如下描述拼板天線的范例操 作。在當前例子中，天線420是3.63英寸x3.63英寸正方形拼板天線(例 如，其中3.63英寸是感興趣波長的0.28倍)。圖3的第一RF輸出信 號308饋送到圖4B的第一點412(例如，通過圖11的接觸部件810， 下面描述)，使天線420輻射豎直偏振輻射信號。例如，在RF周期的 某一時刻，天線420的第一水平周界邊緣432電氣為正(+)，第二水平 周界邊緣434電氣為負(-)，及水平電氣中性線436穿過第二點414(它 與施加到第一點412上的第一 RF輸出信號308電氣隔離)。如圖4B所示，接地平面元件430的面積比天線420大，具有在天線420的周 界邊緣外的周界區域。接地平面元件430的這個周界區域是非諧振的， 并且保持RF中性。因而，天線420的邊緣432作為縫隙天線操作， E-場向量沿邊緣432向下指，因為天線420的(+)場相對于它上方的接 埃乎面元件430的區域是(+)。對應地，天線420的邊緣434與它下面 的中性接地平面元件430相比是(-)(它通過比較顯得為+)。因而，E-場向量再次沿邊緣434向下指。最后結果是，上部"縫隙"(邊緣432) 和下部"縫隙，，(邊緣434)是共相E-場輻射器。因而，天線420像構成 干涉儀的一對縫隙天線那樣作用，在縫隙天線之間僅具有3.63英寸的 空隙(0.28波長)。
RF周期的一半以后，邊緣432和434的(+)和(-)電壓(及向量)顛 倒，并且穿過第二點414的水平線436保持中性。通過類似過程，第 二RF輸出信號310饋送到笫二點414，并且創建水平偏振輻射信號。 水平和垂直輻射信號彼此獨立，但因為第一和第二點412和414^皮饋 送具有正交相位關系的相等幅值信號，所以天線420輻射圃偏振(CP) 信號。
圖5表示提供用來發射RF信號的范例步驟的流程圖500。基于 如下討論，其它結構和操作實施例對于本領域的技術人員將是顯然 的。圖5表示的步驟不必按所示順序發生。下面詳細描述圖5的步驟。
流程圖500以步驟502開始。在步驟502中，RF信號被接收。 例如，如圖4A所示，輸入RF信號306在傳輸線402上被接收。輸 入RF信號306可從與天線系統300相關聯的讀取器發射器接收。
在步驟504中，第一RF輸出信號和第二RF輸出信號由接收RF 信號產生，其中第二RF輸出信號相對于第一RF輸出信號相移90度。 例如，如圖4A所示，輸入RF信號306在正交混合耦合器314的第 一端口 316被接收。正交混合耦合器314產生相位隔開90度的第一 和第二 RF輸出信號308和310。
在步驟506中，第一RF輸出信號耦合到天線上的第一點。例如， 如圖4A和4B所示，笫一RF輸出信號308耦合到天線420的第一點
18412(經傳輸線406和電路板400的第 一點404)。
在步驟508中，第二RF輸出信號耦合到天線上的第二點。例如， 如圖4A和4B所示，第二RF輸出信號310耦合到天線420的第二點 414(經傳輸線410和電路板400的第二點408)。
在步驟510中，圓偏振RF信號從天線輻射。例如，如圖3所示， 圓偏振RF信號312由天線304輻射。
天線實施例的范例優點
圖3和4A的電路302的操作所提供的優點類似于有時稱作 "Kurokawa"放大器的平衡放大器的操作。"平衡放大器"概念基于向 放大器提供寬帶阻抗匹配可能很困難的現實；然而，提供一對其阻抗 不匹配特性基本上相等的放大器比較容易。當擁有相等阻抗不匹配的 一對放大器從良好平衡的正交混合耦合器饋送時，最后結果是擁有非 常小的生成返回損耗的寬帶阻抗匹配放大器組件。這是因為任何反射 能量都相等地從兩個放大器反射。反射能量通過正交混合返回。正交 混合把額外的卯度相移差引入到一些反射能量中。因為這個，通過 正交混合從兩個放大器反射回的信號在正交混合的輸入端口處具有 合計180度的相移差，并因而被消除。反射信號在正交混合的終止端 口處具有零度的相移差，但通過終止被吸收。因而從兩個匹配放大器 反射的大部分能量被吸收。得到的放大器系統具有的Sll參數值是兩 個單獨放大器的Sll參數之間向量差的一半。
關于平衡放大器和范例正交混合耦合器的進一步信息，參照 R.S.Engelbrecht和K.Kurokawa的"A Wideband Low Noise L-Band Balanced Transistor Amplifier" Proc. IEEE, vol.53， no.3 pp. 237-247,1965年3月；和K.Kurokawa的"Design Theory of Balanced Transistor Amplifier,, Bell System Tech.J.， vol.44， pp. 1675-1698,1965 年10月。
不在平衡放大器方案中使用兩個放大器，本實施例使用兩個正交 天線饋入點，天線420的第一點412和第二點414(它們之一當作水平 偏振并且另一個當作豎直偏振)。本發明的"平衡天線饋入點，，方案以與平衡放大器方案相類似的方式減小反射。
圖6和7表明通過圖3的天線系統300(天線420表示成聯接到正 交混合耦合器314)的內部反射信號的平衡處理。如圖6所示，輸入 RF信號306在正交混合耦合器314(由路徑602和604代表)中分離成 第一和第二 RF輸出信號308和310。第一和第二 RF輸出信號308 和310具有基本上相同幅值，并且第二 RF輸出信號310相對于第一 RF輸出信號308延遲卯度。如在圖6所示那樣，第一和第二RF輸 出信號308和310到達天線420的點412和414(即，"饋入點")。
圖7表示從天線420的第一第二點412和414反射的第一和第二 信號702和704。因為笫一和第二信號702和704分別是第一和第二 RF輸出信號308和310的反射，所以第二信號704相對于第一信號 702總是延遲90度。如圖7所示，從第一點412反射的信號702進入 正交混合耦合器314的第二端口 318,并且分離成第一和第二反射信 號706和708。第二反射信號708相對于第一反射信號706由正交混 合耦合器314相移90度。從天線420的第二點414反射的信號704 進入正交混合耦合器314的第三端口 320，并且分離成第三和第四反 射信號710和712。第三反射信號710相對于第四反射信號712由正 交混合耦合器314相移90度，并因而第三反射信號710相對于第一 反射信號706延遲合計180度。第一和第三反射信號706和710都指 向正交混合耦合器314的第一端口 316。第一和第三反射信號706和 710在第一端口 316處彼此抵消，因為它們相位相差180度。第二和 第四反射信號708和712都指向正交混合耦合器314的第四端口 322。 第二和第四反射信號708和712同相，并且都由耦合到第四端口 322 上的終止元件314接收(如由路徑714表示的那樣)，并且被吸收。因 而，由于電路302的構造，天線系統300中基本上除去(即，消除、終 止)反射。
平衡放大器技術施加到雙重偏振天線，如這里描述的那樣，提供 幾個好處，包括把雙重天線元件的每一個(例如，天線420的第一和第 二點412和414)的自然返回損耗降低至少一至兩個數量級，即使天線可能瞄準天線外部的高RF反射率環境(甚至在天線一英寸內的物體) 也能夠使返回損耗保持得很低，并且即使天線已經被減小尺寸也能夠 使返回損耗不降級，即使遠遠超越其中天線Q已顯著增大的點。
以各種方式保持返回損耗為極低。例如，如以上關于圖6和7 描述的那樣，兩個天線饋入點(412和，414)之間的小心阻抗匹配(平衡) 抵消來自兩根天線的內部反射。另外，位于天線420前面的大多數
反向。例如，如果圓偏振RF信號312被順時針偏振，則其反射信號 將由天線420接收為逆時針偏振信號。因而，來自環境的反向、反射 能量將路由到正交混合耦合器314的第四端口 422，并且在這里由終 止元件324終止。更進一步，如下面更詳細描述的那樣，本發明的粗 壯和穩定天線結構允許天線對的小心匹配阻抗被保持，即使有可能影 響天線420的物理破壞(甚至不用保護天線罩)。
關于天線"Q"值(其是帶寬與諧振頻率的比值)，拼板天線顯示出 天線與接地平面之間空隙減小引起天線Q增大的特性。這往往引起可 用增益帶寬和可用返回損耗帶寬的減小。例如，對于相關討論，見Jasik 和Johnson的"Antenna Engineering Handbook" McGraw-Hill, 1993 年，笫7-7頁。已經有通過使用高介電材料以增加天線的"電氣高度，， 來解決這個問題的常規嘗試，從而消除這個因素。然而，實際上，對 于高性能拼板天線，其中天線進行輻射的外部氣隙的高度和寬度也是 重要因素。因而，天線與接地平面(例如，后板，如下面描述的那樣) 之間的氣隙的絕對厚度、以及天線的RF發射邊緣的長度，確定了天 線的Q值和可用帶寬。
本發明的天線中，對饋送天線420的平衡方案能夠實現天線420 的"電氣高度"的顯著降低。盡管所述降低已經顯著升高天線Q值，并 因而降低增益帶寬，但饋入點412與414之間的小心阻抗匹配能夠使 得對返回損耗帶寬基本上沒有影響。對于RFID讀取器有有益的折衷， 因為返回損耗是能夠使RFID讀取器表現良好的重要特性。在天線420 的帶寬邊緣存在的任何增益減小對于標簽-讀取范圍具有次要作用。這
21因素是無源RFID標簽從由讀取器發射的 主載波頻率經歷的前向-鏈接"充電RF信號強度"。這是在中心頻率的 讀取器的天線增益、以及標簽到讀取器距離(通過倒數平方定律)的函 數。因而，這個充電強度基本上上不受天線帶寬邊緣處的增益變化的 影響。
例如，天線帶寬邊緣處天線增益的1 dB減小(由于內部VSWR) 僅使標簽讀取范圍減小到89%。天線增益的l dB減小由在帶寬邊緣 處的各自顯示2.66的VSWR(-6.87 dB的返回損耗)的天線饋入點引 起。然而，由于本發明的阻抗平衡，正交混合耦合器的第一端口 316 顯示好于1.10的VSWR(-26 dB的返回損耗)，這把讀取器接收器暴露 于來自一瓦特(+30 dBm)讀取器發射器的小于+4.0 dBm(0.0025瓦特) 的反射信號。不使用本平衡饋入點方案，天線阻抗顯示2.66的 VSWR(-6,87 dB的返回損耗)，并且RFID讀取器以+23.1 dBm(0.206 瓦特)的反射功率飽和。因而，這個例子中，本發明的平衡阻抗方案引 起返回到讀取器接收器的反射功率的19.1 dB(23.1 dBm v.s. 4 dBm)的 改進(這幾乎是兩個數量級)。
拼板天線可形成在印刷電路板(PCB)上。這樣的拼板天線常常叫 做"微帶條"天線。用來使用拼板天線實現圓偏振的技術包括如下
(1) 角部饋送稍微不對稱的拼板天線(有或沒有邊沿接片)；
(2) 在拼板天線的兩側使用45度偏移饋送系統；
(3) 用"支線"耦合器饋送拼板天線的兩側；或
(4) 用正交混合耦合器饋送拼板天線的兩側。 技術(4)由于常規正交混合耦合器的成本和尺寸而通常認為很昂
貴。見Jasik和Johnson(以上提到)第7章。在以前已經使用正交混合 耦合器的場合，沒有認識到對于平衡放大器方案的關系。例如，沒有 認識到極低返回損耗能力(在寬帶寬上)，也沒有良好平衡正交混合耦 合器與高度對稱拼板天線的組合。
"支線"型正交混合耦合器(技術(3))對于低返回損耗型的圓偏振 天線是較不希望的。以前，支線型3 dB混合耦合器更普遍，因為它
22們在單塊PCB內構造更容易(并且更便宜)。然而，支線混合耦合器通 常沒有被良好平衡，并且只在窄得多的帶寬上保持該平衡。支線3dB 混合耦合器裝置的多級樣式的例子在H.Howe的"Stripline Circuit Design Techniques" Artech，197年中描述。多級支線混合耦合器擁有 大于單級型的帶寬。然而廠它不能等于3 dB定向混合耦合器的帶寬 或平衡能力(如在本發明的實施例中那樣)，除非大量多級被級聯。然 而，這種方案是不希望的，因為它使用大量的PCB面積，在商業可 用元件中并不提供，并且要求大量計算機建模以實現所希望的性能要 求。
最近可用的3 dB定向正交混合耦合器，具有諸如比較便宜、高 介電型、小型化、陶瓷及印刷電路板可安裝的屬性，使得該類型的平 衡饋入點天線可行，允許合理尺寸的PCB在天線結構中實施。因而， 如下面進一步描述的那樣，天線本身可用作物理保護裝置以保護電路 板(例如，電路板400)。以前，正交混合耦合器尺寸很大、比較昂貴， 并且要求復雜組裝過程用于實現。
用來減小RFID讀取器天線的返回損耗的范例技術包括
(1) 添加衰減(填料)；
(2) 使用循環器(circulator)或單向放大器；
(3) 使用具有匹配天線對的正交混合耦合器；或
(4) 使用返回信號消除器電路(FR消除器)。
技術(l)減小RFID讀取器的接收器靈敏度一個填料的dB額定值 的兩倍的量。
技術(2)使接收器靈敏性降低，因為它直接吸收調制的標簽信號， 這是由于同 一天線用于發射和接收(假定單天線讀取器)。
技術(3)是四種中最好的解決方案。技術(3)是無源的，解決跨過 顯著帶寬(高達八度或更大)的反射問題，及具有圓偏振選擇性的額外 優點。換句話說，圓偏振的方向通過把輸入信號切換到正交混合耦合 器314的第一端口 316和第四端口 322可以;故顛倒。放置在天線420偏振信號。因而，順時針輻射信號將反射成逆時針信號。如果相反方
向信號由天線420接收，則它將在正交混合耦合器314的第四端口 322 由終止元件324吸收。然而，因為標簽具有線性偏振天線，所以標簽 響應將被線性偏振。因而，在通過讀取器的接收器部分時，接收的線 性偏振標簽信號將僅受到正交混合耦合器314的3 dB損失。
技術(4)具有良好的天線返回損耗性能，但具有較高電路損失、 體積及高功率消耗。例如，因為RF消除器典型地經由10或15dB耦 合器連接到接收器傳輸線上，所以RF消除器必須產生比正消除的返 回損耗功率強10至15 dB的功率量。這可能要求由RF消除器電路產 生高達l瓦特的RF功率。
范例天線結構
圖8-14表示根據本發明實施例的范例天線結構和系統的視圖。 在實施例中，圖8-14的天線結構用來實施以上描述的天線系統300。 圖8-14的實施例為說明目的而提供并且不打算限制本發明。包括修 改、組合等的替換實施例對于本領域的技術人員基于這里的教導將是 已知的。這些替換實施例在本發明的范圍和精神內。
圖8表示天線組件800的剖視圖。如圖8所示，天線組件800 包括后板802、電路板400、天線420、可壓縮電絕緣材料808及第一 和第二可壓縮接觸部件810和812。
后板802是為天線組件800提供機械支撐和保護的平面矩形板。 后板802典型地由剛性材料制成，如由金屬，包括鋁、鋼，或其它金 屬或金屬的合金/組合而制成。后板802可具有除在圖8表示之外的形 狀，包括非平面、圓形等。后板802常常接地，以形成用于天線組件 800的較大接地平面，但后板802的接地不是必需的。
電路板400由后板802支撐。在圖8實施例中，后板802具有中 心設置的開口 814。電路板400可以安裝在中心設置開口 814中。例 如，下凹區域816或凸緣可以形成在后板802中在圍繞開口 814的周 界邊緣中。下凹區域816可以形成在后板802的底部表面中(如圖8 所示)，可以形成在后板802的頂部表面中(如圖10所示)，或者可以
24形成在后板802的頂部和底部表面中(如圖9所示，作為下凹區域816a 和816b)。電路板400可以由一個或多個螺栓、螺釘、或其它附加元 件和/或由粘合材料附加在下凹區域816中。例如，圖8表示由多個螺 釘818安裝到在后板802的底部表面中的下凹區域816上的電路板 400。
天線420是一塊操作以輻射圓偏振RF信號312的平面矩形板， 類似于圖3的天線304。天線420典型地由導電、剛性材料，如金屬， 包括鋁、鋼(包括不銹鋼)或其它金屬或金屬的合金/組合制成。天線420 可具有除圖8表示之外的形狀，包括非平面、圓形等。例如，天線420 可以是0.100英寸厚的鍍金不銹鋼片。天線420依據具體用途可具有 任何尺寸。例如，天線420可以是3.63英寸x3.63英寸的正方形。
第一可壓縮接觸部件810把第一輸出RF信號308耦合到天線 420的第一點412。第二可壓縮接觸部件812把第二輸出RF信號310 耦合到天線420的第二點414。例如，第一和第二接觸部件810和812 把在圖4A表示的電路板400的接觸點404和408與在圖4B表示的天 線420的接觸點412和414("饋入點")相聯接。第一和第二可壓縮接 觸部件810和812可以是任何類型的可壓縮電氣觸點，包括"pogo"-型針(如圖8所示)(例如，彈簧加載的)或導電彈性體觸點(如圖9和10 所示)。天線420的底部表面(以及可性的頂部表面)可以用金、或其它 導電金屬鈍化，以改進與第一和第二可壓縮接觸部件810和812的電 接觸。此外，接觸部件810和812可以鍍有金、或其它導電金屬，以 改進電接觸。
可壓縮電絕緣材料808把天線420安裝在后板802上。可壓縮電 絕緣材料808能是任何類型的可壓縮介電材料，包括硅樹脂介電材料， 如高硬度硅樹脂橡膠彈性體(例如，具有60硬度值)。60硬度硅樹脂 橡膠同時供給堅固物理支撐、沖擊能量吸收及低介電損失切向支撐天 線420，并因而不耗散施加到天線420上的RF功率。
當天線組件800用在操作環境中時，可壓縮電絕緣材料808和第 一和第二可壓縮接觸部件810和812供天線420上的沖擊期間震動吸收之用。天線組件800可以接收的范例環境應力在下面更充分描述。 因而，絕緣材料808用于多個目的，包括支撐天線420和把其與后板 802間隔開、吸收對于天線420的沖擊能量及使天線420與后板802 之間安裝的電路板400耐風雨。
第一和第二可壓縮接觸部件810和812提供對天線420的物理沖 擊期間所需要的機械柔順性，而在它們壓縮期間導電性沒有顯著偏 差。尤其是，在壓縮期間，第一和第二可壓縮接觸部件810和812各 自經歷電感的微小且匹配的變化，這因此不會顯著影響性能。
如圖8所示，可壓縮電絕緣材料808可以具有中心設置開口 820, 以在電路板400與天線420之間形成開口空隙822。空隙822理想地 保持無潮氣和其它污染物，以避免損害接觸部件810和812與天線420 的接觸，并且避免對電路板400的損害。替換地，可壓縮電絕緣材料 808可以覆蓋電路板400,以基本上填充在電路板400與天線420之 間的空隙822(如圖9和10所示)。
圖11表示圖8的天線組件800的俯視圖。圖11表示由可壓縮電 絕緣材料808在后板802上支撐的天線420。此外，圖ll表示電路板 400和可壓縮接觸部件810和812的位置的輪廓，它們實際上隱藏在 天線420下面。圖11也表示布置在后板802的角部、可以用來把天 線組件800安裝到結構上(例如，使用螺栓、螺釘、釘、或其它附加元 件)的開口 1102a-1102d。如果具體用途需要，則為了安裝天線組件800 可以呈現任何數量或構造的開口 1102、或其它安裝機構。
在一個例子中，圖8的天線是3.75英寸x3.75英寸正方形拼板天 線，它是0.1英寸厚的鋼板。絕緣材料808是4英寸x4英寸正方形， 0.2英寸厚。后板802是0.25英寸厚的6英寸x6英寸正方形鋁板。因 而，圖8的天線組件800具有近似0.55英寸的厚度。所有元件包含在 天線組件800的下部輪廓的受保護結構內。
圖9表示一般與天線組件800相類似的天線組件900的剖視圖。 如以上描述的那樣，在天線組件900中的后板802具有分別形成在后 板802的頂部和底部表面中、繞開口 814的下凹區域816a和816b。此外，可壓縮電絕緣材料808覆蓋電路板400，以基本上填充在電路 板400與天線420之間的空隙。氣隙902保持在螺釘818頭部周圍， 從而如果可壓縮電絕緣材料808從后板802剝離(例如，在天線組件 900的維護期間)則可以容易地接近螺釘818。如圖9所示，第一和第 二可壓縮接觸部件810和812是導電彈性體-型觸點。導電彈性體-型 觸點與pogo-型觸點相比，可以對天線組件900壓縮期間的機械損害 以及對環境條件具有較小敏感性(例如，pogo接觸到天線的接口的退 化，引起噪聲接觸)。導電粘合劑可以用在第一和第二可壓縮接觸部件 810和812的頂部和底部位置，以提供與電路板400和天線420的可 靠電接觸。
此外，圖9的電路板400相對于圖8表示的電路板400被倒置(例 如，正交混合耦合器314安裝在圖9的電路板400的底部表面上)。此 外，在圖9的電路板400的底部表面涂有耐風雨密封劑，以環境保護 電路板400和相關元件。
圖10表示一般與圖9的天線組件900相類似的天線組件1000 的剖視圖。如以上描述的那樣，在天線組件1000中的后板802具有 形成在后板802的頂部表面中、繞開口 814的周界的下凹區域816。 電路板400通過把電路板400的邊緣定位在下凹區域816中、以及繞
域816中，而安裝到后板802上。此外，如果希望，則粘合劑可以是 導電的以提供電路板400與后板802之間的改進電接觸(例如，當接地 時)。
此外，可壓縮電絕緣材料808覆蓋電路板400，以基本上填充在 電路板400與天線420之間的空隙。由于螺釘818在天線組件1000 中是不必要的，所以圖9所示的氣隙902不存在。因而，沒有空隙和 空穴呈現在天線組件1000中的可壓縮電絕緣材料808中。因而，水 和污染物由可壓縮電絕緣材料808排出，這減小了由于水或其它污染 物到達電路板400或天線組件1000內部的其它元件而導致的天線組 件1000失效危險。
27天線組件1000具有多個益處。例如，天線組件1000比天線組件 800和900要求更少的元件，由此降低成本。此外，天線組件1000的 組裝被簡化，因為它可形成為層疊組件。天線組件1000被充分地環 境鈍化。
圖12-14表示與圖8和11的天線組件800相類似的天線組件1200 的立體圖。圖12表示天線組件1200的底部表面的立體圖。如圖1200 所示，天線組件1200包括在后板802中的開口 814和開口 1102a-d。 電路板400的底部表面表示在開口 814中，配合到繞開口 814周界的 下凹區域中。連接器1202(例如同軸連接器)呈現在天線組件1200的 邊緣處，它例如從讀取器接收輸入RF信號。連接器1202由同軸電纜 1204聯接到電路板400上。
圖13表示天線組件1200的頂部表面的立體圖(未顯示天線420)。 如圖12和13所示，十二個螺釘818用來把電路板400安裝在繞開口 814的下凹周界區域上。第一和第二可壓縮接觸部件810和812顯示 為從電路板400延伸。此外，圖13顯示在繞電路板400的后板802 上形成的可壓縮電絕緣材料808。圖13也顯示附加到且覆蓋絕緣材料 808的頂部表面的周界區的平面框架1304。平面框架1304配置成當 天線420附加到絕緣材料808上時，繞天線420的周界邊緣配合。下 面進一步描述平面框架1304。
圖14表示天線組件1200的頂部表面的立體圖，天線420可見并 且附加到后板802上，在后板802上由絕緣材料808(在圖14中不可 見)支撐。圖14還顯示位于圍繞絕緣材料808上的天線420的平面框 架1304。
圖12表示貫通后板802的八個開口 1206，并且圖13表示貫通 絕緣材料808的八個對應開口 1302,用來接收螺釘(或其它調節元件)。 在一個例子中，螺釘是5/16-16螺紋乘3/8長六角頭定位螺釘，并且 后板802是1/4英寸厚鋁板。
開口 1206中接收的螺釘能夠實現天線420的微調。換句話說， 這些螺釘可以被調節，以提供天線420的參數的調諧。例如，調諧允許在天線420的第一點412(例如水平天線饋入點)和第二點414(例如， 垂直天線饋入點)之間建立高度隔離，并且保證每個偏振具有匹配的阻 抗v.s.頻率特性。
如圖12和13中開口 1206的位置指示的那樣，插入在開口 1206 中的螺釘，在每個螺釘位置處，由于它們靠近天線420，影響后板 802(它是局部RF接地)與天線420之間的電容。通過微調在八個開口 1206中的螺釘(例如，調節每個螺釘進一步進或出它們的相應螺紋開 口 1206,以改變螺釘末端離開天線420的空隙)，可調諧幾個參數， 包括
A. 用于水平和豎直偏振的天線420的中心頻率。例如，通過調 節在開口 1206中的螺釘可微調所希望的中心頻率。
B. 在水平和豎直偏振之間的阻抗的跟蹤。例如，通過調節在開 口 1206中的螺釘，阻抗可更密切地匹配。
C. 在水平和豎直偏振輸入點(例如，在第一和第二可壓縮接觸部 件810和812)之間的隔離量。例如，螺釘可被調節以找到最好隔離。
D. 天線軸向比值(AR),它與圓偏振(CP)的質量有關。例如，螺 釘可被調節以找到最好天線軸向比值。
在范例的調諧情景中，在操作人員調節開口 1206中的螺釘的同 時，RF網絡分析儀裝置由操作人員用來(或計算機控制成)監視天線 420的參數。例如，操作人員可調節8個螺釘，直到返回損耗成為-30 dB(即，1.07:1的VSWR)。
本發明的天線之前的典型天線表現出約-10 dB(即2:1的VSWR) 至約-14 dB(即1.5:1的VSWR)的返回損耗。-10 dB的返回損耗意味著 來自1瓦特讀取器發射器(例如，+30 dBm信號)的天線反射是+20 dBm。這樣的高返回損耗使大多數讀取器接收器飽和。
本天線實現的-30 dB的返回損耗是優于典型天線20 dB的返回 損耗改進，并且提供100:1的反射功率比值改進。這意味著來自+30 dBm (1瓦特)讀取器發射器的上述天線反射是O.O dBm，并因而讀取 器接收器不可能被飽和。注意，這些螺釘的調節并不是在所有實施例中都要求。在替換實 施例中，天線參數由于天線系統的相關元件公差可能在可接受范圍內 而不用調諧。
在范例實施例中，對于感興趣頻帶上的非常低返回損耗(如-30 dB)，天線可配置成按如下獲得/平衡參數
1. 正交混合耦合器314可配置成跨過感興趣頻帶提供近似±0.15 dB的幅值平衡。
2. 正交混合耦合器314可配置成跨過感興趣頻帶提供近似90±2 度的相位平衡。
3. 正交混合耦合器314可配置成提供約25 dB的方向性。
4. 兩個天線負載(在水平和豎直偏振輸入點，點412和414)被平 衡，以跨過感興趣頻帶呈現基本上相同的向量阻抗(如在Smith Chart 觀察到的那樣)。
5. 天線負載被隔離近似25 dB。
6. 輻射軸向比值配置成足夠低，從而在天線420外部的垂直RF 反射表面，其從天線420接收順時針偏振波(其具有足夠的軸向比值保 真)，反射在正交混合耦合器314的第四端口 322由終止元件324吸收 的反向波(即，逆時針波，具有相同的軸向比值保真)，并因而不會作 為對讀取器接收器的返回損耗而出現。這保證標簽仍然可被讀取，即
使天線420位于巨大RF-反射物體的前面。本發明的平衡實施例的這 種順時針到逆時針(或反之)排斥功能取決于所配置的軸向比值的質 量。
如以上描述的那樣，平面框架1304表示在圖13和14中，并且 配置成圍繞在絕緣材料808上的天線420。平面框架1304附加到絕緣 材料808上的粘合劑材料上。在范例實施例中，平面框架1304是0.003 英寸厚的矩形(例如，正方形)形狀，并且由塑料制成。此外，平面框 架1304的邊緣依據具體用途可具有各種寬度。例如，平面框架1304 的邊緣可以具有0.15英寸的寬度。然而，在替換實施例中，平面框架 1304可具有其它尺寸和/或形狀，并且可由其它材料制成。在實施例中，可以提供(例如，由制造商)具有粘合劑材料的絕
緣材料808在絕緣材料808的頂部和底部表面上。粘合劑材料可從各 種粘合劑材料選擇，包括9485丙烯酸粘合劑。平面框架1304可放置 在絕緣材料808的上表面，以附到粘合劑材料。剝離紙片可以放置在 絕緣材料808的上下表面以覆蓋粘合劑材料的剩余部分(例如，在平面 框架1304內)。當組裝諸如天線組件1200之類的天線組件時，紙片可 以從絕緣材料808剝離，并且絕緣材料808可以放置在后板802，以 由粘合劑材料附到后板802上。天線420可以放置在絕緣材料808上 在平面框架1304內，以由粘合劑材料附到絕緣材料808上。對準固 定物可以用來對準絕緣材料808 (當放置在后板808上時)，并且/或 者對準天線420 (當放置在絕緣材料808上時)。 平面框架1304提供多個益處，包括
(a) 覆蓋在絕緣材料808的頂部表面上天線420周圍的粘合劑材料。
(b) 為天線420周圍以外的絕緣材料808的頂部表面提供環境保 護(例如，免受鋒利物體)。
(c) 為天線組件1200提供更容易的組裝。例如，在粘合劑材料的 涂敷期間把平面框架1304施加到絕緣材料808上可能比掩蔽絕緣材 料808的頂部表面的周界部分、或試圖從絕緣材料808的頂部表面的 周界區域除去過多粘合劑材料更容易。
平面框架1304可具有其它形狀，包括非平面構造。例如，圖15 表示具有框架1502的、與天線組件800相類似的天線組件1500。類 似于在圖13表示的平面框架1304,框架1502圍繞天線420。此外， 框架1502具有通過粘合劑材料附到絕緣材料808上的頂部內邊緣 1504。內邊緣1504從框架1502的側壁部分1506向內向框架1502的 中心延伸。側壁部分1506向下延伸以覆蓋絕緣材料808的外側。側 壁部分1506的底部邊緣1508接觸絕緣材料808周圍的后板802的頂 部表面。因而，框架1502覆蓋沒有被天線420或后板802覆蓋的絕 緣材料808的部分，并因而為絕緣材料808提供增大的環境保護。
31由于框架1502的存在增加對絕緣材料808的保護，天線組件 1500可用在惡劣環境中。例如，天線組件1500可用在箱式粉碎機中， 如位于箱式粉碎機的壁中形成的孔中。在這樣一種實施例中，框架 1502可由耐用材料制成，如由Delrin制成。
天線系統的范例實施
本發明的天線系統可安裝在方便詢問RFID標簽的任何地方。例 如，天線系統可安裝在商業環境中，如在倉庫、業務室或商店中，并 且可安裝在軍事或其它非商業環境中。此外，天線系統可以附到靜止 結構或移動結構上。天線系統可以用于鏟車、倉庫箱式粉碎機及用于 傳送帶。本天線系統的可能小尺寸和耐久性使得天線系統能夠用在多 種以前不可接近的位置中。
例如，圖16A和16B表示根據本發明范例實施例的安裝天線組 件1604的伊車1602的視圖。天線組件1604能夠是例如上述天線組 件800、 900、 1000及1200的任一種。圖16A表示鏟車1602的前視 圖，使鏟車1602的叉架1606在底部位置附近。圖16B表示鏟車1602 的側視圖，叉架1606升到中部位置(相對于圖16A)并且支撐物體1608 負載。如圖16A和16B所示，天線組件1604可安裝在鏟車1602的叉 架1606之間的未保護位置中(例如，在"負載靠背(load back rest)"區 域)，以便利地靠近物體1608,以便讀取與物體1608相關聯的標簽。 天線組件1604在這個位置可能受到沖擊，但由于其粗壯結構可經受 住沖擊，包括可壓縮電絕緣材料808的震動吸收。聯接到天線組件1604 上的無線電池操作讀取器1610 (其使用天線組件1604來輻射詢問信 號和接收標簽響應)可直接安裝在鏟車1602中的天線組件1604的后 面，如圖16A和16B所示，或者可安裝在鏟車1602上其它處。這樣 在該實施例中，讀取器1610可以包括電池，并且/或者可以包括用來 與遠程計算機系統通信的無線通信模塊。例如，無線通信模塊可以配 置成根據WLAN(例如，802.11)和/或藍牙(例如，802.15)標準通信。 無線通信模塊可以與布置在鏟車1602上其它處或布置在鏟車1602外 部的接入點通信。可替換地，讀取器1610可遠離鏟車1602安裝，并因而可能不必 無線和/或電池操作。例如，讀取器1610可以由電纜聯接到天線組件 1604。
對電路302(在圖3中表示)的"平衡放大器，，型方案、以及粗壯天 線結構構造(例如圖8、 9、 10及12所示)的組合，允許天線具有優良 的返回損耗，盡管輪廓非常小。小輪廓和粗壯度的組合允許天線應用 于以前不可能的位置，如鏟車1602的叉架1606之間的未保護負載靠 背(LBR)區域。這個位置對于讀取被安裝在支撐物體1608的鏟車1602 所舉起的托架(在圖16A和16B中未表示)上的RFID標簽是非常希望 的。托架標簽以及物體1608的標簽的適當讀取允許RFID相關主機 系統適當地把所有項目相關聯，確認實現了適當"堆疊順序"。相關聯 的負栽然后可以運輸到裝運卡車，或者臨時存儲在倉庫內的貨架上。 當負載正由伊車1602放置在貨架上的同時，叉架1606之間安裝的天 線允許讀取器讀取被安裝到倉庫貨架的前邊緣上的標簽。這允許主機 系統確認負載被放置在適當貨架上。
任何數量的天線可以安裝到諸如鏟車1602或傳送帶系統之類的 具體結構上，以提高標簽讀取性能。例如，四個天線組件1604可以 安裝在妒車1602上，包括在伊車1602的高和低位置安裝的天線組件、 以及伊車1602上安裝的作為側面讀取器的一對天線組件。在倉庫環 境中，天線組件可能暴露于液壓油、石油、化學制品、極端溫度、直 接陽光及來自運輸負栽的沖擊的物理破壞、以及貨架、壁及門的沖擊。 這里描述的天線系統的粗壯結構配置成承受這種破壞。
這里描述的RFID讀取器天線克服以前天線的缺點。例如，這里 描述的讀取器天線具有極低的反射系數(在有或沒有放置在天線附近 的反射物體的情況下)。此外，這里描述的讀取器天線足夠粗壯，從而 不要求保護天線革。天線組件本身比可得到的天線罩更粗壯。
結論
盡管以上已經描述了本發明的各種實施例，但應該理解，它們僅 通過例子呈現并且沒有限制。對于本領域的技術人員顯然，其中可進
33行形式和細節的各種變更而不脫離本發明的精神和范圍。因而，本發 明的廣度和范圍不受上述任一個典型實施例的限制，而是應該僅按照 如下權利要求書和其等效物被限定。
權利要求
1. 一種射頻標識(RFID)裝置，包括正交混合耦合器，具有第一、第二、第三及第四端口，其中第一端口接收輸入射頻(RF)信號，第二端口輸出第一RF輸出信號，及第三端口輸出第二RF輸出信號，其中第二RF輸出信號相對于第一RF輸出信號相移90度；終止元件，耦合到第四端口上；及拼板天線，具有耦合到第一RF輸出信號上的第一點和耦合到第二RF輸出信號上的第二點，其中拼板天線輻射圓偏振RF信號。
2. 根據權利要求1所述的裝置，還包括電路板，其中終止元件和正交混合耦合器被安裝到電路板上。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中輸入RF信號以及第一和第 二RF輸出信號在電極板上被路由為印刷電路傳輸線。
4. 根據權利要求3所述的裝置，其中印刷電路傳輸線是共面波導 型傳輸線。
5. 根據權利要求2所述的裝置，其中拼板天線是平面的，并且放 置成與電路板相平行。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其中第一RF輸出信號由在電路 板與拼板天線的第一點之間安裝的第一可壓縮接觸部件耦合到拼板 天線的第一點；并且第二RF輸出信號由在電路板與拼板天線的第二點之間安裝的第 二可壓縮接觸部件耦合到拼板天線的第二點。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其中第一和第二可壓縮接觸部件 是pogo針。
8. 根據權利要求6所述的裝置，其中第一和第二可壓縮接觸部件 是導電彈性體觸點。
9. 根據權利要求5所述的裝置，還包括后板，具有中心設置的開口 ，其中電路板安裝在中心設置的開口 。
10. 根據權利要求9所述的裝置，還包括 可壓縮電絕緣材料，它在后板上支撐拼板天線。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其中可壓縮電絕緣材料是硅樹 脂橡膠介電材料。
12.根據權利要求ii所述的裝置，其中硅樹脂橡膠介電材料是高 硬度硅樹脂橡膠。
13. 根據權利要求10所述的裝置，其中在對拼板天線沖擊期間， 可壓縮電絕緣材料提供震動吸收。
14. 根據權利要求10所述的裝置，其中可壓縮電絕緣材料具有第 二中心設置的開口 ，以形成在電路板與拼板天線之間的開放空隙。
15. 根據權利要求10所述的裝置，其中可壓縮電絕緣材料覆蓋電 路板的表面，以基本上填充在電路板與拼板天線之間的空隙。
16. 根據權利要求9所述的裝置，其中電路板的周界邊緣由粘合 劑附到中心設置開口的周界邊緣上。
17. 根據權利要求9所述的裝置，其中電路板通過多個附加元件 安裝在中心設置的開口中。
18. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述后板接地。
19. 根據權利要求1所述的裝置，其中從拼板天線的第一點反射 的信號進入正交混合耦合器的第二端口，并且分離成第一和第二反射 信號，其中第二反射信號相對于第一反射信號相移90度；其中從拼板天線的第二點反射的信號進入正交混合耦合器的第 三端口，并且由正交混合耦合器分離成第三和第四反射信號，其中第 四反射信號相對于第三反射信號相移90度；其中第 一和第三反射信號在正交混合耦合器的第一端口彼此抵消；及其中第二和第四反射信號由耦合到正交混合耦合器的第四端口 的終止元件接收。
20. 根據權利要求1所述的裝置，其中終止元件是電阻器。
21. 根據權利要求1所述的裝置，其中正交混合耦合器是定向正交混合耦合器。
22. —種射頻標識(RFID)裝置，包括后板；電路板，由后板支撐，其中電路板接收輸入射頻(RF)信號并且輸'出第一 RF輸出信號和第二 RF輸出信號；拼板天線；可壓縮電絕緣材料，它把拼板天線安裝在后板上；第一可壓縮接觸部件，它把第一輸出RF信號耦合到拼板天線的第一點；及第二可壓縮接觸部件，它把第二輸出RF信號耦合到拼板天線的第點。
23. 根據權利要求22所述的裝置，其中后板具有中心設置的開口 ，其中電路板安裝在中心設置的開口中。
24. 根據權利要求23所述的裝置，電路板的周界邊緣由粘合劑附到中心設置的開口的周界邊緣。
25. 根據權利要求23所述的裝置，其中電路板通過多個附加元件安裝在中心設置的開口中。
26. 根據權利要求22所述的裝置，其中可壓縮電絕緣材料是硅樹脂介電材料。
27. 根據權利要求26所述的裝置，其中硅樹脂介電材料是高硬度硅樹脂橡膠。
28. 根據權利要求22所述的裝置，其中在對拼板天線沖擊期間，可壓縮電絕緣材料提供震動吸收。
29. 根據權利要求22所述的裝置，其中可壓縮電絕緣材料具有中心設置的開口以形成電路板與拼板天線之間的開放空隙。
30. 根據權利要求22所述的裝置，其中可壓縮電絕緣材料覆蓋電路板的表面，以基本上填充電路板與拼板天線之間的空隙。
31. 根據權利要求22所述的裝置，其中后板接地。
32. 根據權利要求22所述的裝置，還包括正交混合耦合器，安裝到電路板上并且具有第一、第二、第三及第四端口，其中第一端口接收輸入射頻(RF)信號，第二端口輸出第一RF輸出信號，及笫三端口輸出第二RF輸出信號，其中第二RF輸出信號相對于第一RF輸出信號相移90度；和終止元件，安裝到電路板上并且耦合到第四端口。
33. 根據權利要求32所述的裝置，其中拼板天線輻射圓偏振RF信號。
34. 根據權利要求22所述的裝置，還包括多個調諧螺釘，位于貫通后板的開口中，具有位于拼板天線附近的端子。
35. 根據權利要求34所述的裝置，其中調諧螺釘可被調節以調諧拼板天線的至少一個參數。
36. 根據權利要求22所述的裝置，其中正交混合耦合器是定向正交混合耦合器。
37. 根據權利要求22所述的裝置，還包括RFID讀取器，其產生輸入RF信號。
38. 根據權利要求37所述的裝置，其中RFID讀取器包括電池和無線通信模塊。
39. 根據權利要求38所述的裝置，其中該裝置安裝在鏟車上。
40. 根據權利要求39所述的裝置，其中該裝置安裝到鏟車上、在伊車的叉架之間。
41. 根據權利要求22所述的裝置，還包括附到可壓縮電絕緣材料上的框架，其中框架圍繞拼板天線的周界邊緣。
42. —種用來發射射頻(RF)信號的方法，包括在傳輸線上接收RF信號；使用正交混合耦合器從接收的RF信號產生第一RF輸出信號和第二RF輸出信號，其中第二RF輸出信號相對于第一RF輸出信號相移90度；把第一 RF輸出信號耦合到拼板天線上的第 一點；把第二RF輸出信號耦合到拼板天線上的第二點；及從拼板天線輻射圓偏振RF信號。
43. 根據權利要求42所述的方法，其中所述產生步驟包括在正交混合耦合器的第 一端口接收RF信號；在正交混合耦合器的第二端口輸出第一RF輸出信號；及在正交混合耦合器的第三端口輸出第二RF輸出信號。
44. 根據權利要求43所述的方法，還包括在正交混合耦合器的第二端口接收從拼板天線的笫一點反射的信號；把從第一點反射的信號分離成第一和第二反射信號，其中第二反射信號相對于第一反射信號相移90度；在正交混合耦合器的第三端口接收從拼板天線的第二點反射的信號；把從第二點反射的信號分離成第三和第四反射信號，其中第三反射信號相對于第四反射信號相移90度；使第 一和第三反射信號在正交混合耦合器的第 一端口彼此抵消；及在耦合到正交混合耦合器的第四端口的終止元件接收第二和第四反射信號。
45. 根據權利要求42所述的方法，還包括調諧拼板天線的至少一個參數。
46. 根據權利要求45所述的方法，其中所述調諧包括調諧水平諧振頻率、垂直諧振頻率、水平和垂直阻抗跟蹤、或水平至垂直隔離中的一個或多個。
47. 根據權利要求42所述的方法，還包括選擇正交混合耦合器為印刷電路板可安裝的正交混合耦合器。
48. 根據權利要求45所述的方法，其中所述調諧提高笫 一和第二RF輸出信號之間的幅值匹配精度和卯度相差精度。
49. 根據權利要求45所述的方法，其中所述調諧包括使拼板天線呈現-30 dB或更大的絕對返回損耗。
50. 根據權利要求45所述的方法，其中所述調諧包括改進軸向比值。
全文摘要
描述諸如讀取器天線之類的RFID裝置的方法、系統及設備。一種讀取器天線包括正交混合耦合器、終止元件及天線，如拼板天線。正交混合耦合器具有第一、第二、第三及第四端口。第一端口接收輸入射頻RF信號。第二端口輸出第一RF輸出信號。第三端口輸出第二RF輸出信號。第二RF輸出信號相對于第一RF輸出信號相移90度。第四端口耦合到終止元件。拼板天線具有耦合到第一RF輸出信號的第一點和耦合到第二RF輸出信號的第二點。拼板天線由于接收的第一和第二RF輸出信號而輻射圓偏振RF信號。圓偏振RF信號可以用來詢問標簽。此外，讀取器天線集成為一種粗壯結構，該結構提供對于天線的環境保護，包括提供對天線沖擊的震動吸收。
文檔編號H01Q1/32GK101507047SQ200680040865
公開日2009年8月12日 申請日期2006年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者M·杜龍, 小R·T·克納德爾 申請人:訊寶科技公司