内嵌天线的连接方法和系统的制作方法

专利名称：内嵌天线的连接方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如用于接收射频(RF)信号等的内嵌的天线的领域。特别是，本发明涉及例如为了接收和处理来自RF标签和其他信号源的信号，将内嵌的天线连接至远程电路上的新型技术。
背景技术：
越来越多数量的应用利用无线天线从各种源接收信号。大量的这种应用涉及使用RF源，标签，天线和相关的电路来利用无线射频电磁波检测远程设备的存在或者向远程设备发送数据和从无线设备接收数据。例如，在大量增长的存货和材料处理应用中，在组件上设置无源RF标签(包括在组件自身上、包装上和相关文件上)。RF标签能够在组件置于期望的或特定的RF天线的范围内时识别这些组件。数据源也可以是有源的源，诸如带电源供应的计算机芯片或其他设备。通常，天线例如通过选择材料和几何结构而进行了特别设计，以将其电磁特性调谐到源的频率。因此，一旦适当调谐后，天线即能在期望的频率检测、发送和接收信号。
实现射频无线系统的一个挑战在于天线的设计和天线在系统中的放置。例如，已经在诸如贴花纸(decal)、标签、甚至薄片制品或多层结构中使用的天线等的内嵌的天线的形成上取得了进步。在某些应用中，天线处于包装最外层的情况下，发送/接收电路与天线的连接不会出现特别的问题。但是，在天线嵌入多层结构的情况中，与天线的连接变成了问题。
耦合到例如RF天线等无源天线的电路，可以包括各种滤波、阻抗匹配和感应电路。例如，依赖于天线的设计，与天线匹配的确切频率可能需要调谐，例如通过使用调谐电容器调谐。由天线接收并且通过调谐电路的信号可以进一步进行滤波、数字化、放大或者以另外的方式处理以将这些信号转换成可用形式。最终，来自专用电路和系统的接收的信号或者施加于专用电路和系统的发送的信号(例如用于监视关于RF标签或发送器所固定到的具体组件的存在、数量、位置和其他参数)必须耦合到谐振天线。
现在，特别需要将诸如RF天线的内嵌的天线与外部电路接口连接或连接的技术。这种需要存在于薄片合制成的结构的领域中，其中内嵌的天线可以在其中一层薄片制品上形成，并且通过简单和可靠的互连与滤波、阻抗匹配、放大或其他数据获取电路接口连接。

发明内容
本发明针对这种需要，提供了一种将内嵌的天线连接至远程电路的新的解决方案。该技术在广泛的设置范围中都可找到其应用，并且它特别适于将内嵌的在薄片合制成的结构中的天线接口连接至外部电路。薄片合制成的结构可以是包括任何多层材料，特别是酚浸渍(phenolic-impregnated)和/或三聚氰胺浸渍(melamine-impregnated)纤维素材料的各种类型的结构中的一种。此外，本技术可以用在各种类型的天线上。例如，在此处描述的一个实施例中，通过在用于在薄片合制成的结构中形成内嵌层的层上印刷导电材料来形成天线。其他的天线类型可以包括金属结构、薄膜、锡箔等等。类似地，天线和互连结构可以适用于发送和接收各种频率(诸如RF范围内的一个或多个频率)的信号。
根据本技术的一方面，一种用于将内嵌的天线与远程电路接口连接的连接系统，包括从多层材料的外表面延伸的导电元件。该连接系统延伸穿过多层材料的至少一部分并穿过内嵌的天线的一部分。导电元件也可以与内嵌的天线的该部分处于电连接，以在操作中向内嵌的天线发送信号或从内嵌的天线发送信号。
本发明还提供了一种内嵌的天线系统。该系统包括诸如薄片制品的多层材料，薄片制品内嵌的天线，和导电元件。该多层材料包括多个内表面和一个外表面。内嵌的天线可以设置在两个内表面之间，并具有末端垫片。导电元件从多层材料的外表面延伸穿过该多层材料的至少一部分。导电元件还延伸穿过内嵌的天线的末端垫片。导电元件与内嵌的天线的末端垫片处于电连接，以在操作中向内嵌的天线发送信号或从内嵌的天线发送信号。
本发明还提供了一种用于在内嵌的入多层材料的天线和外部电路之间发送信号的方法。根据本方法的特定方面，从多层材料的外表面开始在多层材料中形成孔。孔延伸至少穿过内嵌的天线的末端区域。将导电末端元件插入到孔中使末端元件与天线处于电连接。


参考所附附图阅读以下的详细描述，将能更好地理解本发明的这些和其他特征，方面和优点，全部附图中相似的符号代表相似的部分，其中图1是薄片制品系统的部分透视图，其中沿着互连结构安装RF识别系统以向天线施加信号或从天线接收信号；图2是示例天线的部分平面图，在此例中该示例天线为RF天线，可以根据本技术对其进行连接；图3是穿过其中形成了天线的薄片制品结构的部分截面图，示出了在根据本发明的一方面安装到材料中之前的连接或末端元件；图4是图3所示系统的一部分的详细视图，其中安装了末端元件以完成内嵌的天线和外部电路的互连；图5是根据本技术替代配置的部分透视图，其中通过电容耦合实现与内嵌的天线的互连；图6是穿过图5的结构的部分截面图，示出了相对于天线中的垫片各互连组件的放置；图7是为图5和6的电容耦合结构而建立的示例电路的代表示意图，示出了由互连系统获取信号的示例方式。
具体实施例方式
现在参考附图，首先参看图1，示出了无线射频识别(RFID)系统10形式的信号感应系统，包括内嵌的在薄片制品14中的天线12。尽管图中示出了RFID系统，应当明白在本讨论全部范围内，这里所描述的互连技术可以应用于RFID系统，和为了识别和其他目的、运行在无线射频或其他频率的其他系统。例如，附图中示出的系统经特别设计用于在例如915MHz或13.56MHz的特定目标频率运行。但是，可以设想到其他频率，包括射频范围以外的频率。此外，基于调谐，材料，和其他几何结构，以及其他因素，天线的工作范围或灵敏度可以特别适用于，例如，增加或减小灵敏度范围。
在图1所示的实施例中，互连系统包括接线柱16，其穿入薄片制品14并且在需要时可以穿入薄片制品以下的基板，如同之后将更加详细地描述的。以下将更详细地描述接线柱及其优选构造。接线柱16耦合到外部电路，诸如耦合到阻抗匹配电路18，该阻抗匹配电路18将天线12调谐到期望频率或频率范围。阻抗匹配电路18可以耦合到更远的电路，例如读取器20。通常，可以本地或者远程于天线的设置读取器20，并且读取器20可以执行各种功能。例如，读取器可以对通过接线柱16向天线发送的信号或从天线接收的信号进行滤波，或者可以执行诸如在模拟和数字形式之间转换信号，甚至识别信号或翻译数据的功能。在典型的系统中，读取器20可以进一步耦合到监视系统22。监视系统22可以是例如用于存货管理、目标定位、盗窃控制等等的较大目标监视方案的一部分。
如图1所示，以参考数字24通常示出的物体可以承载有源或无源标签，例如RF标签26。本领域技术人员应当理解，标签可以存储可以响应于天线的激励而提供给读取器和监视系统的数据。或者，物体24上或之内可以设置特定标签或其他设备，以主动地发送由天线感应的信号。在某些应用中，在特定位置内感应标签，例如在天线的感应范围内或紧邻天线处。在其他应用中，通常依赖于系统的频率，标签可以响应距离天线相当远处的信号。
图1所示的实施例包括嵌入到薄片制品14的天线。在此示例实施例中，薄片制品14包括以参考数字28通常指示的多个层。在典型的薄片制品结构(可以是高压力或低压力薄片制品)中，薄片制品多层28可以包括例如用于抗磨损或损耗的三聚氰胺浸渍层30，以及一个或多个装饰层32。层30和32可以都用三聚氰胺浸渍，或者其中一个中间层可以用三聚氰胺和酚树脂浸渍。在此示例实施例中，薄片制品进一步包括一系列酚浸渍牛皮纸(kraft)层34，36和38。天线12形成在这些层中一个的表面上，特别是所示实施例中的层36上。天线可以各种方式中的一种形成，以下将更加详细地讨论。通常，在示例实施例中，由导电墨、颜料或其他流体形成限定天线边界的痕迹40来形成天线。天线末端垫片42形成在天线痕迹40的末端。本领域技术人员可以理解，天线可以形成在多层结构的其他位置处，包括在顶侧上，底侧上和层叠中的各种位置处。类似地，本互连技术可以利用经浸渍的纤维素材料之外的其他结构。这些材料可以包括，并不作为限制，塑料、薄膜、片材、玻璃层、木头层等等。图2示出了例如可以印在图1所示的酚浸渍牛皮纸层36上的示例的天线布局，。如图2所示，天线痕迹40形成了天线本身，通常在区域44上延伸。本领域技术人员可以理解，区域44的尺寸和形成天线的痕迹40的具体配置将随着包围天线的材料而变化，特别是随着天线所设计用于的频率和频率范围而变化。此外，天线通常可以形成为单个或多个痕迹，例如可以是在区域44上彼此平行延伸的痕迹。痕迹或多个痕迹与天线末端垫片42接触，该天线末端垫片42可以由与天线相同的材料构成。如以上所提到的，可以不象此处描述实施例中的印刷那样，天线、痕迹和/或末端垫片42可以由其他材料构成，诸如薄膜、锡箔等等。
图3示出了图1所示的互连系统的部分截面。在图3示出的实施例中，示出了具有多个内部层的多层薄片制品14，如以上参考图1详细描述的。孔46穿过各层形成，并且可以穿入固定薄片制品结构的基板或基底。尽管图3中未示出，可以为薄片制品提供比如木头、夹板、MDF或其他基板薄片制品，可以通过粘结将薄片制品固定上去。在提供了这样的基板的情况下，优选将孔46延伸到薄片制品结构之下的基板中。在图3所示实施例中的接线柱自身包括例如铝制波普空心铆钉(pop-rivet)的铆钉48，具有头部50和杆部52。穿过铆钉48的洞或孔允许铆钉安装到孔46内之后扩张。孔46和铆钉杆部52的尺寸使得铆钉能够容易地插入孔46中，并保留了微小空间用于容纳二者之间的导电材料，如下所述。通常，铆钉的头部50可以位于薄片制品结构之上或者薄片制品结构可以下陷以容纳铆钉，安装之后铆钉头部与薄片制品顶部齐平或者在其之下。
参看图4，更加详细地示出了图3所示的结构。在图4的视图中，已经安装了铆钉48，并且铆钉48朝向孔的边界扩张。以上提到，在示出的具体配置中，铆钉的头50抵靠在薄片制品14的上表面56。但是，将铆钉插入孔之前，先在孔内、铆钉杆部周围或者这两处位置插入导电材料，例如以参考数字58示出的导电环氧树脂。安装之后(较佳地接线柱铆钉扩张之后)，铆钉对导电环氧树脂58施力，并从而对孔的边界施力，这都会将铆钉固定住并促进接线柱铆钉和内嵌的天线末端垫片的电接触。
可以设想许多替代结构和材料用于完成以上参考图3和4描述的互连。例如，在此描述的实施例中，使用了在商业指定(commercial designation)CW2400之下可以从ITW Chemtronics商业地得到的银导电环氧树脂。在插入铆钉之前，在接线柱铆钉和孔的内部边界都使用环氧树脂。替代导电材料可以包括在商业指定CW7100之下可以从ITW Chemtronics获取的导电油脂。本领域技术人员应当清楚，也可以使用其他导电元件，例如螺杆、销钉、中空圆柱和轴套等等。在本实施例中，接线柱铆钉48的杆部具有0.125英寸的外径，孔要大0.020英寸。还应当注意，取决于应用，紧固件本身也可以用于完成连接而不需要中间材料。但是，已经发现通过使用此处所述的中间材料可以获得优越的可靠性。
图5和6示出了根据本发明的方面的互连连接结构的替代配置，其利用了内嵌的天线的天线末端垫片42和位于薄片制品结构外表面的末端垫片之间的电容耦合。如图5所示，天线末端垫片42位于电容耦合垫片62之下，两种垫片可以具有相似尺寸和结构。例如，在本实施例中，两种垫片尺寸都是大约2”×2”(5cm×5cm)。电容耦合垫片62可由任何适当材料构成，例如粘结固定到薄片制品表面的铜胶带。本领域技术人员可以理解，这些末端垫片和电容耦合垫片的某些结构可以使以上所述的系统中的一个或另一个更加优越。例如，更低的操作频率，更高的电容，从而对于电容耦合结构可能需要更大的面积。因此，该结构可以更加适于这种较高的频率。
图7示出了图5和6的电容耦合实施例的等价示例电路。如图7所示，由一个或多个痕迹40形成的天线12在天线末端垫片42终止。上述位于天线末端垫片之上的电容耦合垫片62，通过位于天线末端垫片42和电容耦合垫片62之间的、作为电介质的薄片制品结构中间层，有效地形成了电容68。之后可以将导体固定到电容耦合垫片62，这些导体连线到包含一系列电容70的阻抗匹配网络上。电容70用于将天线的谐振频率调谐到期望的频率或频率范围。耦合到电容70的网络上的导体可以接着耦合到同轴电缆72的内和外导体，电缆72连线到外部电路，例如以上参考图1所述的读取器20。应当注意，以上参考图1所述的阻抗匹配电路18可以采用与图7所示类似的形式，包括耦合至同轴电缆72的电容70。
尽管本讨论中已经参考了依据频率的调谐电路，但是这些调谐电路不是必需的。例如，在两个现在可预期的频率波段中，第一个在13.56MHz，第二个在更高的915MHz，用于阻抗匹配的调谐电路可能只在13.56MHz范围内需要。本领域技术人员应当清楚，具体的天线结构将取决于所需的应用，较低频率波段通常提供较小空间内的定位。此外，对于以上上述的天线和本技术的互连系统，可以设想其他的应用和频率范围。因此，本技术可以用于各种无线网络，WI-FI应用等等。
构造了前述结构的例子，它们在意图的应用中工作非常好。尽管实际中使用的是铝制铆钉，更一般地，任何适当的导电元件都可应用于接线柱，特别是具有低电阻的材料。合适的材料可以包括铝、铜、黄铜等等。该材料优选提供良好的抗腐蚀性，在使用了银基导电粘合剂的实施例中，该材料优选具有与银的最小双金属腐蚀性。以上提到，在本实施例中，紧固件可冷成形以在安装过程中在置于紧固件和天线边缘之间的中间流体上产生液压。
系统安装的过程包括天线的末端在薄片制品内的定位。这可以通过各种方法实现，例如用灯背照薄片制品以显露天线痕迹或末端垫片的位置。在某些应用中，天线或末端垫片可以通过薄片制品或者薄膜或者片形材料中的表面偏差来观察到。随后，薄片制品结构可以施加或者安装到合适的基板上，例如MDF、粒子板、夹板或者任何其他合适的基板上。之后，以稍微大于紧固件的直径(例如，0.005到0.010英寸；0.125mm到0.250mm)钻出其中固定紧固件的孔。在构造的实施例中，随后将0.125”(3mm)的紧固件插入孔中。在插入孔中之前，在紧固件的杆部上涂覆上述的导电粘合剂，并将组件压在一起。在使用波普空心铆钉的情况下，使用波普空心铆钉工具扩张孔中的铆钉的杆部，从而将导电粘合剂压入孔中的缝隙和裂缝中，完成与天线垫片的电接触。以上提到，如果需要，孔和铆钉或其他紧固件可以完全穿过薄片制品进入到之下的基板中。应当注意，如果是中间连接，例如连接到印刷电路板，在将末端紧固件涂覆导电材料的步骤之前，紧固件的头部可以涂覆类似的导电粘合剂，并将紧固件压入印刷电路板。然后紧固件的头部可与电路板的导电痕迹以及其下的天线垫片进行物理和电接触。仍然，其他的紧固件可以包括螺钉紧固件等等。
以下制造并测试了四个示例天线以确定提供上述连接的方法的耐久性。技术的变型包括下列的样本系列1——银墨天线，无铜天线垫片，导电粘合剂；样本系列2——同样本系列1；样本系列3——银墨天线之上覆盖铜条，导电粘合剂；样本系列4——同样本系列3。
样本的评估基于对天线复数阻抗的测试而进行的。复数阻抗的实部是天线的电阻。复数天线的虚部是阻抗的电抗部分。以下的表1总结了室温下经过导电粘合剂3周的老化周期而收集的复数阻抗数据。全部4组样本系列的特征阻抗足够接近，使得为样本系列1构造的电容匹配网络能够将每个天线与50Ω的阻抗源匹配。
表1复数阻抗/老化数据总结

还测试了连接到天线的铆钉方法的性能以确定承受热冲击和循环的耐久性。样本在22℃和70％相对湿度的环境腔室中处理48小时。之后，将样品移动到25℃、环境相对湿度的环境中一整夜。然后将样品再次移动到70℃、环境相对湿度的环境中一整夜。重复上述循环。然后测量DC阻抗并将其作为比较的基础。下列的表2总结了这些测试的结果。
表2热冲击和循环阻抗数据

使用另一组天线系列研究连接中具有中间导电流体的影响。测量每个天线末端处的三个铆钉的各个组合之间的DC阻抗。也就是，左侧末端设置三个铆钉，右侧末端设置三个铆钉。各种排列组合得到总共九个测量。如果测量到小于2Ω的总DC阻抗(即，组合的天线阻抗和连接阻抗)，则认为建立了可接受的连接。表3和4总结了具有或不具有导电流体或中间物时收集的数据。
表3不具有导电流体的DC阻抗

表4具有导电流体的DC阻抗

导电流体的存在显著地减小了铆钉连接的接触电阻。无流体的连接具有大50％的故障率，而流体连接没有故障。认为例如上述类型的银导电油脂或银导电粘合剂的导电中间流体，可以提供满意的结果。
尽管此处仅示出和描述了本发明的某些特征，本领域技术人员可以进行许多变型和改变。因此，应当理解所附权利要求意图是覆盖落入本发明真正精神范围内的这种变型和改变的全部。
权利要求
1.一种向内嵌在多层材料中的天线发送信号或者从该天线发送信号的系统，包括导电元件，该导电元件从多层材料的外表面延伸，穿过多层材料的至少一部分和内嵌的天线的一部分，该导电元件与内嵌的天线的所述部分处于电连接，以在操作中向内嵌的天线发送信号或从内嵌的天线发送信号。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括导电层，该导电层在导电元件和天线的所述部分之间沿着导电元件延伸，以使导电元件和天线的所述部分处于电连接。
3.如权利要求2所述的系统，其中导电层包括导电环氧树脂。
4.如权利要求1所述的系统，其中导电元件延伸完全穿过多层材料的所有层。
5.如权利要求1所述的系统，其中导电元件可扩张，以在安装到多层材料中时对多层材料施加压力。
6.如权利要求1所述的系统，其中导电元件是中空的。
7.一种内嵌的天线系统，包括多层材料，包括多个内表面和一外表面；内嵌的天线，设置在两个内表面之间，并具有末端垫片；和导电元件，该导电元件从多层材料的外表面延伸，穿过多层材料的至少一部分和内嵌的天线的末端垫片，该导电元件与所述内嵌的天线的末端垫片处于电连接，以在操作中向内嵌的天线发送信号或从内嵌的天线发送信号。
8.如权利要求7所述的系统，其中多层材料是薄片制品，包括至少一个酚浸渍层和至少一个三聚氰胺浸渍层。
9.如权利要求7所述的系统，其中天线印刷在多层材料中的一层上。
10.如权利要求7所述的系统，其中天线配置为接收无线射频范围内的信号。
11.如权利要求7所述的系统，进一步包括导电层，该导电层在导电元件和天线的末端垫片之间沿着导电元件延伸，以使导电元件和天线的末端垫片处于电连接。
12.如权利要求11所述的系统，其中导电层包括导电环氧树脂或油脂。
13.如权利要求7所述的系统，其中导电元件延伸完全穿过多层材料的所有层。
14.如权利要求7所述的系统，其中导电元件可扩张，以在安装到多层材料中时对多层材料施加压力。
15.如权利要求7所述的系统，其中导电元件是中空的。
16.如权利要求7所述的系统，进一步包括耦合到所述导电元件上的调谐电路，用于将天线调谐至期望的频率。
17.一种内嵌的天线系统，包括多层材料，包括多个内表面和一外表面；内嵌的天线，设置在两个内表面之间，并具有末端垫片；和导电元件，该导电元件设置在邻近所述外表面并耦合至所述末端垫片，以在操作中向内嵌的天线发送信号或从内嵌的天线发送信号。
18.如权利要求17所述的系统，其中导电元件机械地耦合到末端垫片。
19.如权利要求18所述的系统，其中导电元件从多层材料的外表面延伸，穿过多层材料的至少一部分并穿过内嵌的天线的末端垫片，该导电元件与内嵌的天线的末端垫片处于电连接。
20.如权利要求19所述的系统，进一步包括导电层，在导电元件和天线的末端垫片之间沿着导电元件延伸，以使导电元件和天线的末端垫片处于电连接。
21.如权利要求20所述的系统，其中导电层包括导电环氧树脂或油脂。
22.如权利要求19所述的系统，其中导电元件延伸完全穿过多层材料的所有层。
23.如权利要求19所述的系统，其中导电元件可扩张，以在安装到多层材料中时对多层材料施加压力。
24.如权利要求19所述的系统，其中导电元件是中空的。
25.如权利要求17所述的系统，其中导电元件电容地耦合至末端垫片。
26.如权利要求25所述的系统，其中导电元件和末端垫片形成电容，该电容具有由夹在其间的多层材料的一层或多层定义的电介质层。
27.如权利要求17所述的系统，其中多层材料是薄片制品，包括至少一个酚浸渍层和至少一个三聚氰胺浸渍层。
28.如权利要求17所述的系统，其中天线印刷在多层材料的一层上。
29.如权利要求17所述的系统，其中天线配置为接收无线射频范围内的信号。
30.一种用于在多层材料中内嵌的天线和外部电路之间传送信号的方法，包括从多层材料的外表面开始在多层材料中形成孔，该孔延伸至少穿过内嵌的天线的末端区域；和将导电末端元件插入到孔中以使末端元件与天线处于电连接。
31.如权利要求30所述的方法，包括在孔的内表面和导电末端元件之间放置导电流体，以使末端元件与天线处于电连接。
32.如权利要求31所述的方法，包括使得末端元件向外扩张，以使导电流体受到压力。
33.如权利要求31所述的方法，其中导电流体为导电环氧树脂或油脂。
34.如权利要求31所述的方法，进一步包括在多层材料的两层之间形成天线。
35.如权利要求34所述的方法，其中天线印刷在多层材料中的一层上。
36.一种用于在多层材料中内嵌的天线和外部电路之间传送信号的方法，包括在多层材料的末端区域上设置导电末端元件；和将导电末端元件与天线的末端垫片耦合，以在操作中向内嵌的天线发送信号或从内嵌的天线发送信号。
37.如权利要求36所述的方法，其中导电元件机械地耦合到末端垫片。
38.如权利要求36所述的方法，其中导电元件电容地耦合到末端垫片。
全文摘要
提供了一种技术，用于将内嵌的天线和外部电路互连。该天线可以形成在例如薄片制品的层结构中的中间层上。可以通过设置穿过薄片制品结构和天线的末端垫片的孔，并且通过延伸穿过薄片制品结构的紧固件或类似结构进行物理连接，来实现互连。可以在紧固件和内嵌的天线的末端垫片之间设置例如环氧树脂的导电流体或其他中间材料。通过与薄片制品结构的外表面上的末端垫片进行电容耦合可以实现类似的连接。
文档编号H01Q9/04GK1993861SQ200580016729
公开日2007年7月4日 申请日期2005年5月26日 优先权日2004年6月15日
发明者拉里·D.·本顿, 罗伯特·R.·克雷布斯 申请人:浦瑞玛柯Rwp控股公司