专利名称：用于轮胎的射频天线及其方法
技术领域：
本发明提供一种用于嵌入在有传导性的、介电材料(例如，轮胎橡胶)内的射频天线，以及在有传导性的、介电材料内嵌入射频天线的方法。
背景技术：
与轮胎整合在一起的电子装置能够在制造、销售和使用期间提供识别和跟踪的功能。这些电子装置也能够用于在轮胎的使用期间测量例如压力和温度的物理参数。许多系统利用了轮胎与外部监控和询问装置之间的射频通信。射频通信链接要求一个或多个天线。
可以获得一些安装到轮胎或车轮表面或结合在轮胎充气阀门中的系统。期望一种电子装置和直接连接到轮胎表面或嵌入在轮胎结构中的天线，作为提供永久的防震荡的整合。然而，天线直接接触或嵌入在轮胎中存在困难。射频能量沿着天线表面传播。天线必须通过周围的通常用于构成轮胎的弹性材料发射射频。但是，这样的材料通常是导电的，并具有相对较高的介电常数，通常为3或更大。与天线接触的导电材料容易耗散在天线表面上传播的射频能量。此外，与天线接触的具有传导性的介电材料允许射频电流在天线的两个相邻的馈电点之间通过，也耗散射频能量。耗散的问题随频率而增加，尤其在位于或高于非常高的频率(130MHz)工作时更为明显。此外，天线在例如轮胎橡胶的介电材料内的放置会导致天线的谐振和阻抗发生明显的改变，使天线从电的立场来看比暴露在空气中显得更长。因此，必须通过缩短天线或通过增加适当的电抗进行修正。
最后，当嵌入或以其它方式将天线设置成与轮胎直接接触时也会遇到物理问题。例如，天线(通常是金属元件)必须粘着在橡胶材料上以确保定位。此外，天线材料必须承受轮胎运行中的周期应力。
发明内容
本发明的目的和优点将在下面的说明中被部分阐述，或者根据说明书或通过本发明的实施方式而更加明显。
本发明提供一种用于嵌入在有传导性的介电材料(例如，轮胎橡胶)内的射频天线，以及在有传导性的介电材料内嵌入射频天线的方法。本发明对于高频传输特别有效，并改善通信范围。本发明也提供在天线处理和调谐方面的改进。
在示意性的实施例中，提供一种与有传导性的介电材料整合在一起的射频装置。该装置包括用于发射无线电信号、接收无线电信号、反射无线电信号或其组合的无线电组件。天线连接到无线电组件。提供基本上至少覆盖该天线的粘合层，如果需要也可覆盖无线电组件。绝缘层通过该粘合层贴在天线上。绝缘层用于至少使天线与有传导性的介电材料绝缘，也可用于使该无线电组件与有传导性的介电材料绝缘。该绝缘层的相对介电常数小于有传导性的介电材料的相对介电常数。在某些实施例中，绝缘层被构成在工作频率具有大约为6或更小的相对介电常数。对于绝缘层可使用各种材料，二氧化硅增强高弹体(silica reinforced elastomer)是可供选择的一种材料。可利用不同厚度的绝缘层，对于绝缘层固化后的厚度优选的是至少0.3mm。在某些实施例中，绝缘层被构成在工作频率提供大约0.6或更少的介电损失。在本发明其它的实施例中，绝缘层被构成在工作频率具有大约0.6或更少的介电损失，至少大约1012ohms/cm2的表面电阻率，以及至少大约1013ohms/cm3的体积电阻率。本发明可用于轮胎中的有传导性的介电材料。在这样的情况下，绝缘层被构成用于粘结到轮胎上或可被构成用于嵌入在轮胎的材料中。尽管其它的工作频率也在本发明的范围内，但在某些实施例中，本发明包括工作在至少130MHz频率的无线电组件。
在另一个示意性实施例中，提供一种具有整合在轮胎内的射频装置的轮胎。射频装置包括用于发射无线电信号、接收无线电信号、反射无线电信号或其组合的无线电组件。天线连接到无线电组件。提供基本上至少覆盖该天线的粘合层，如果需要也可覆盖无线电组件。绝缘层通过该粘合层贴在天线上。绝缘层用于至少使天线与轮胎绝缘，也可用于使该无线电组件与轮胎绝缘。当该装置用在轮胎时，该绝缘层的相对介电常数小于接近天线的至少一部分轮胎的相对介电常数。
本发明还提供一种用于组装供通常在轮胎中的有传导性的介电材料使用的射频天线的方法。在本发明的一种示意性方法中，提供一种用于产生供轮胎使用的射频天线的方法，其包括以下步骤。提供用于发射无线电信号、接收无线电信号或发射和接收无线电信号的无线电组件。天线连接到无线电组件。粘合层用于至少覆盖该天线，如果需要也可用于覆盖无线电组件。绝缘层被施加到天线上并被过该粘合层粘结。绝缘层用于至少使天线与轮胎绝缘，也可用于使该无线电组件与轮胎绝缘。选择绝缘层使其相对介电常数小于轮胎的相对介电常数。
参照下面的说明书和后面的权利要求书将更易于理解本发明的这些和其它的特征、方面以及优点。结合在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于说明本发明的原理。
图1是按照本发明示意性实施例的具有天线的电子装置的示意图；图2是轮胎的剖面图，显示了按照本发明示意性实施例的具有天线的电子装置的可选放置；图3是沿图1中线3-3的示意性实施例的剖面图。
具体实施例方式
图1示出了按照本发明的在轮胎114(图2)中的绝缘射频装置110的示意性实施例。装置110包括无线电组件111和天线112。装置110可以是识别和跟踪装置，例如可用在制造、分散和销售活动中。装置110也可以是或包括用于在工作期间测量轮胎内温度、压力或其它物理参数的监控装置。例如，装置110的天线112可通过射频用于向或从外部装置发射、接收和/或反馈信息。另一个例子是，天线112也可用于从轮胎114外部的询问装置接收能量。这样的射频装置110可用作接收机、发射机、应答器或反射器，因为本发明的天线可用于所有的这些装置，在随后的说明中，术语“射频装置”的范围是广泛的。
如图2所示，装置110可有利地定位在轮胎114中多个不同的位置。作为示例，装置110可放置在轮胎面119中，轮胎胎圈115附近或在轮胎赤道113上。单个轮胎114可包括一个或多个这样的装置110，例如，如果需要在轮胎114中不同的位置监控物理参数或监控不同的参数。装置110可作为粘附在轮胎114表面的补片130形成。或者，装置110可嵌入在轮胎114的结构内或形成轮胎114内表面的分层的橡胶材料中。例如，射频装置110可定位在胎体帘布层116与内衬121之间，胎体帘布层116与侧壁117之间，和/或带式包装(belt package)118与轮胎面119之间。通过“整合”，发明人参照了一些用于将具有天线112和无线电组件111的装置110组合在轮胎中的所述技术。
该轮胎结构中使用的材料，例如橡胶，通常是导电的，一般是因为炭黑但有时也因为其它的增强填充物。射频天线与轮胎橡胶材料之间的直接接触对于天线发射能量的能力是有害的。射频能量沿着天线表面传播，即所谓的“表面效应”。与天线表面接触的导电材料容易通过涡流耗散能量。此外，该导电材料也允许射频能量在天线的两个临近的馈电点132和134之间通过，这也耗散能量。作为示例，通常用在轮胎侧壁中的橡胶可以具有高达12的介电常数。这使得天线的有效传输距离下降。发明人发现包括915MHz RFID芯片的装置在空气中具有42英寸的传输范围，该915MHz RFID芯片具有83mm的半波长偶极子长度的天线。但是，当嵌入在传统的轮胎橡胶中时，该装置仅具有4英寸的传输范围。
为了克服有效范围的损失，需要适当的材料，以使天线与轮胎结构的高介电常数且导电的材料绝缘。在申请人受让而拥有的先前提交的优先权申请，即2004年2月10日提交的美国申请No.10/775,623(其以引用方式整体并入本文)中，其所公开的是通过为天线112提供在天线112与构成轮胎114的弹性材料之间的单层绝缘材料而改进传输的发现。在所述的至少一个示意性实施例中，从涂层形成未固化状态下厚度为0.02mm的绝缘材料，其是垂直于天线112测量的，这个厚度在轮胎114的有传导性的高弹体与天线112之间提供了充分的间隔，以避免向弹性材料透胶(bleed-through)放电。对于先前所述的实施例，涂层材料的介电常数小于用于构成轮胎114的高弹体的介电常数，并且优选的小于3。还指出的是涂层材料优选的具有至少1012ohms/cm2的表面电阻率，至少109ohms/cm3的体积电阻率，以及小于0.03的耗散因数。可用于形成这样的涂层材料的材料包括电收缩管形材料、热塑性聚碳酸酯、聚丁橡胶、低碳橡胶(低碳被定义为橡胶混合物具有按重量计小于10％的炭黑)、兑金属粘合剂的异氰酸酯基橡胶(粘合剂如Chemlok(牌)TS3604-50粘合剂(可从Lord公司的化学产品部分获得，公司在2000 Weat Grand View Boulevard，Erie，宾夕法尼亚州))、聚乙烯、绝缘清漆、环氧树脂、TPE纤维素乙酸酯、聚对-亚二甲苯(polypara-xylylene)(通常称为“聚对二甲苯”)、以及绝缘聚酯清漆。这些材料包括某些优点，包括以预期厚度施加以及与可能的天线材料(例如黄铜或钢)的良好附着的能力。对于至少一个示意性实施例，在先前申请中充分公开了具有至少0.02mm厚度的适当材料的涂层，以便获得读取范围的有效增加，优选的厚度至少为0.1mm。
在本发明中，申请人发现了用于使天线元件与轮胎绝缘的其它方法，其提供了在天线调谐与处理方面的改进。更具体地，本发明允许使用相对介电常数充分小于用于构成轮胎的材料的相对介电常数的绝缘材料，因此天线信号没有受到不可接受的损失。例如，使用本发明，在工作频率可以使用高达6或更低的相对介电常数。一般而言，因为供轮胎使用，所以工作频率通常在至少130MHz范围内。
对于权利要求书和说明书，使用下面的定义电容率＝e′+je″相对介电常数＝e′/e。
介电损失＝e″/e。
其中，e。是自由空间的电容率，e″是给定材料的介电损失。
返回到装置110并具体参照图1和图3，作为可选的单层绝缘材料，相对薄的粘合层或层122施加在天线112上。涂覆的天线112的周围是相对介电常数充分小于轮胎114周围的相对介电常数的绝缘层124，因此对于预期的应用和工作频率，天线112的有效传输范围没有受到不可接受的损害。优选的，绝缘层124具有大约为6或更小的介电常数。另外且优选的，绝缘层124具有等于或大于1012ohms/cm2的表面电阻率，以及等于或大于1013ohms/cm3的体积电阻率。使用此处公开的技术，本领域普通技术人员将理解按照本发明可使用具有其它相对介电常数和电阻率值的材料。
仅作为示例，粘合层122可由Lord公司制造的命名为Chemlok8210的粘合剂构成，该粘合剂使用底漆Chemlok 8007而施加。在此情况下，层122能够被施加的相对较薄，厚度大约0.1mm。此外，仅作为示例，绝缘层124可由二氧化硅增强高弹体构成，二氧化硅增强高弹体具有大约为4或更小的相对介电常数、等于或大于1012ohms/cm2的表面电阻率以及等于或大于1013ohms/cm3的体积电阻率。使用所述的这些材料，天线112周围的二氧化硅增强高弹体固化后的厚度(在最薄点)应当是0.3mm。构成上述的装置110并使用这些示意性的材料，在工作频率能够获得可接受的传输范围和仅大约为0.2或更小的介电损失。使用所述的技术，本领域普通技术人员将明白对于粘合层122和层124可使用各种其它的材料，上述的例子仅是示例性的并不限制本发明。
在一个示意性实施例中，按照本发明的构成装置110的方法包括提供和连接无线电组件111与天线112的步骤，使用粘合层122涂覆组件111和天线112的步骤，以及然后将绝缘层124施加到粘合层122的步骤。根据粘合层122和层124所选的材料，可能使用额外的固化步骤以提供粘合层122和绝缘层124的粘结，和/或粘合层122与天线112和无线电组件111之间的粘结。如果必要，能够通过尝试各种长度的天线112来优化装置110，以便调谐半波长偶极子长度直到实现预期的读取范围。或者，可以使用网络分析器确定嵌入在具体轮胎中的天线112的共振频率，以降低找到最佳长度的反复次数。
所述使用装置110的示意性实施例的本发明提供了多种优点和改进。尽管图1至3显示的天线112为正弦曲线，但是天线112也可以由螺旋弹簧构成。在此情况下，绝缘层124被施加到天线112，使得由层124占据螺旋中心的空间。与具有高介电常数的相对导电材料(例如轮胎橡胶材料)被紧密连接到天线的无源近场的构造(该结构容易解谐天线并吸收能量)相比，这样的构造提供了改进的传输和调谐能力。
此外，由于绝缘层124提供在天线112与构成轮胎114的有传导性的介电材料之间，所以能够降低粘合层122的厚度而不牺牲性能。因为通常能够在单步骤而不是多步涂覆中施加粘合层122以确保厚度和完全覆盖，因此改进了制造过程。此外，因为存在绝缘层124所以粘合层122不必由非导电材料构成。因此，增加了可用作粘合层122的适当材料的范围，这样的材料具有很好的适于与轮胎114整合的特性。例如，这种材料的粘性方便在轮胎114的结构组件内放置装置110，也方便作为补片130来制造装置110用于放置在轮胎114的表面。仅作为示例，绝缘层114能够作为片来施加，使得装置110夹在其间，以产生用于嵌入在轮胎114内或用于放置在轮胎表面上的结构。然后使用一步或多步固化步骤来粘结轮胎114、粘合层122和/或绝缘层124。使用此处公开的技术的本领域普通技术人员将意识到能够使用各种方法来整合装置110。
本领域技术人员应当理解在不脱离权利要求的范围和实质的情况下，可对此处所述的装置和方法进行各种修改和改变。本发明倾向于包括落于权利要求以及等价物所限定的范围内的这样的修改和变化。
权利要求
1.一种用于与有传导性的介电材料整合在一起的射频装置，所述装置包括用于发射无线电信号、接收无线电信号或发射和接收无线电信号的无线电组件；连接到所述无线电组件的天线；基本上至少覆盖所述天线的粘合层；以及通过所述粘合层贴在所述天线上的绝缘层，所述绝缘层用于至少使天线与有传导性的介电材料绝缘，所述绝缘层的相对介电常数小于有传导性的介电材料的相对介电常数。
2.如权利要求1所述的射频装置，其中所述绝缘层在工作频率具有大约为6或更小的相对介电常数。
3.如权利要求1所述的射频装置，其中所述绝缘层由二氧化硅增强高弹体构成。
4.如权利要求1所述的射频装置，其中所述绝缘层固化后的厚度至少为0.3mm。
5.如权利要求1所述的射频装置，其中所述绝缘层在工作频率提供大约0.6或更少的介电损失。
6.如权利要求1所述的射频装置，其中所述绝缘层在工作频率具有大约0.6或更少的介电损失，至少大约1012ohms/cm2的表面电阻率，以及至少大约1013ohms/cm3的体积电阻率。
7.如权利要求1所述的射频装置，其中有传导性的介电材料存在于轮胎中，所述绝缘层被构成用于粘结到轮胎上。
8.如权利要求1所述的射频装置，其中有传导性的介电材料存在于轮胎中，所述绝缘层被构成用于嵌入在轮胎中。
9.如权利要求1所述的射频装置，其中所述无线电组件工作在至少130MHz的频率。
10.一种具有整合在其内的射频装置的轮胎，所述射频装置包括用于发射无线电信号、接收无线电信号或发射和接收无线电信号的无线电组件；连接到所述无线电组件的天线；基本上至少覆盖所述天线的粘合层；以及通过所述粘合层贴在所述天线上的绝缘层，所述绝缘层用于至少使所述天线与所述轮胎绝缘，当天线用在所述轮胎中时，所述绝缘层的相对介电常数小于接近所述天线的至少一部分轮胎的相对介电常数。
11.如权利要求10所述的轮胎，其中所述绝缘层在所述无线电组件的工作频率具有大约为6或更小的相对介电常数。
12.如权利要求11所述的轮胎，其中所述绝缘层包括二氧化硅增强高弹体。
13.如权利要求12所述的轮胎，其中所述绝缘层固化后的厚度至少为0.3mm。
14.如权利要求13所述的轮胎，其中所述绝缘层在工作频率提供大约0.6或更少的介电损失。
15.如权利要求13所述的轮胎，其中所述绝缘层在工作频率提供大约0.6或更少的介电损失，至少大约1012ohms/cm2的表面电阻率，以及至少大约1013ohms/cm3的体积电阻率。
16.如权利要求13所述的轮胎，其中所述无线电组件工作在至少130MHz的频率。
17.一种用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，包括以下步骤提供用于发射无线电信号、接收无线电信号或发射和接收无线电信号的无线电组件；提供连接到所述无线电组件的天线；使用粘合剂至少涂覆所述的天线；以及通过所述粘合层将绝缘层施加到所述天线上，所述绝缘层用于至少使所述天线与轮胎绝缘，所述绝缘层的相对介电常数小于轮胎的相对介电常数。
18.如权利要求17所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，还包括将所述绝缘层、天线和无线电组件与轮胎整合在一起的步骤。
19.如权利要求17所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，还包括将所述绝缘层、天线和无线电组件嵌入在轮胎中的步骤。
20.如权利要求17所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，还包括将所述绝缘层固定到轮胎上的步骤。
21.如权利要求17所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，其中轮胎由弹性材料构成，并且还包括针对所述弹性材料的共振频率调谐所述天线的步骤。
22.如权利要求17所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，其中轮胎由弹性材料构成，并且还包括使所述绝缘层与所述弹性材料固化的步骤。
23.如权利要求22所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，其中所述绝缘层在固化步骤之后具有至少为0.3mm的厚度。
24.如权利要求17所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，其中所述绝缘层在工作频率具有大约6或更小的相对介电常数。
25.如权利要求24所述的用于组装供轮胎使用的射频装置的方法，其中所述绝缘层由二氧化硅增强高弹体构成。
全文摘要
提供一种用于嵌入在有传导性的、介电材料(例如，轮胎橡胶)内的射频天线，以及在这样的材料内嵌入射频天线的方法。对于高频传输，提供改进的通信范围以及在天线处理和调谐方面的改进。
文档编号H01Q9/16GK1674352SQ20051005696
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月24日 优先权日2004年3月24日
发明者J·D·阿达姆松, C·E·凯利, C·E·史密斯, C·莫兰德 申请人:米其林技术公司, 米其林研究和技术股份有限公司