低返回损耗的粗壮rfid天线的制作方法

专利名称：低返回损耗的粗壮rfid天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频标识(RFID)读取器，并且更具体地说，涉及 RFID读取器天线。
背景技术：
射频标识(RFID)标签是可以附到其存在被探测和/或监视的物品 上的电子装置。RFID标签的存在、及因此标签所附物品的存在，可 以由称作"读取器，，的装置无线检查和监视。读取器典型地具有一根或 多根发射射频信号的天线，标签应答该射频信号。由于读取器"询 问"RFID标签，并且响应询问接收从标签返回的信号，所以读取器有 时称作"读取器询问器"或简单地称作"询问器"。
随着RFID技术的成熟，在标签与询问器之间的高效通信已经成 为供应链管理中的关键因素，特别是在制造、装运、及零售业中以及 在建筑安全设施、保健设施、图书馆、机场、仓库等中。
对于RFID读取器的要求正在变得更难以满足。RFID读取器要 求天线拥有适当的增益、产生所希望的天线图案、及产生适当偏振的 信号。此外，天线必须提供非常低的电压驻波比(VSWR)，这等效于 非常低的RF返回损耗。这些性能必须在相当宽的频率带宽上保持， 即使天线可能瞄准在打算读取的标签附近的巨大和高反射物体上也 是如此。这些物体造成的反射在适当读取标签时可产生困难。
此外，标签的读取常常发生在其中读取器天线经受物理破坏的环 境中，如在仓库环境中，其中物体可能碰撞天线。
因而，所需要的是具有足够增益、且可产生有用的天线图案、具 有适当偏振的RFID读取器天线。此外，天线应该具有低VSWR，以 提供低RF返回损耗。更进一步，天线需要能够在具有高反射物体的环境中操作，并且应该粗壮(rugged)以承受环境破坏。

发明内容
这里描述用于诸如读取器之类的RFID装置的方法、系统及设 备。例如，描述用于改进读取器天线的方法、系统及设备。这里描述 的天线提供所希望的天线特性，如增益、天线图案、偏振、VSWR、 及返回损耗。此外，描述能够在反射环中和/或对天线破坏的环境中操 作的天线。
在第一方面，RFID读取器天线组件包括正交混合耦合器、终止 元件及天线。例如，天线可以是拼板天线(patch antenna)。正交混合 耦合器具有第一、第二、第三及第四端口 。第一端口接收输入射频(RF) 信号。第二端口输出第一RF输出信号。第三端口输出第二RF输出 信号。第二RF输出信号相对于第一RF输出信号相移90度。第四端 口联接到终止元件上。天线具有耦合到第一 RF输出信号上的第一点、 和耦合到第二 RF输出信号上的第二点。天线由于接收的第一和第二 RF输出信号而辐射圆偏振RF信号。圆偏振RF信号可以用来询问标 签。
在本发明的另一方面，RFID读取器天线组件包括后板、电路板、 拼板天线、可压缩电绝缘材料及第一和第二可压缩接触部件。电路板 由后板支撑。电路板接收输入射频(RF)信号，并且输出第一RF输出 信号和第二RF输出信号。可压缩电绝缘材料把拼板天线安装在后板 上。第一可压缩接触部件把第一输出RF信号耦合到拼板天线的第一 点。第二可压缩接触部件把第二输出RF信号耦合到拼板天线的第二 点。
当装置受到碰撞时，可压缩电绝缘材料及第一和第二可压缩接触 部件供装置吸收冲击之用。
鉴于本发明的如下详细描述，这些和其它目的、优点及特征将成 为显而易见的。注意，概述和摘要部分可能叙述由本发明人所想到的 本发明的一个或多个、但不是所有范例实施例。包括在这里并且形成说明书部分的


本发明，并且与描述 一起进一步用来解释本发明的原理和使得本领域的技术人员能够实 现和使用本发明。
图l表示其中RFID读取器与RFID标签的范例集合相通信的环境。
图2是表示RFID读取器的接收器和发射器部分的方块图。
图3表示根据本发明实施例的天线組件。
图4A表示实施图3的电路的范例电路板的平面图。
图4B表示范例天线。
图5表示根据本发明范例实施例提供用来发射RF信号的范例步
骤的流程图。
图6和7表示由天线组件对反射信号的处置。
图8-14表示才艮据本发明实施例的范例天线结构的视图。
图15表示具有框架的与图8的天线组件类似的天线组件。
图16A和16B表示根据本发明范例实施例安装天线组件的铲车
的视图。
现在参照附图将描述本发明。附图中类似附图标记指示相同或功 能类似元件。另外，附图标记的最左位标识其中附图标记首先出现的 附图。
具体实施方式
引言
这里描述用于诸如读取器之类的RFID装置的方法、系统及设 备。例如，描述用于改进读取器天线的方法、系统及设备。这里描述 的天线提供希望的天线特性，如增益、天线图案、偏振、VSWR及返 回损耗。此外，描述能够在反射环境和/或对天线破坏的环境中操作的 天线。
10本说明书公开包括本发明特征的一个或多个实施例。公开实施例 仅举例说明本发明。本发明的范围不限于公开的实施例。本发明由附 属于其的权利要求书限定。
在说明书中提到的"一个实施例"、"实施例"、"范例实施例"等等， 指示描述的实施例可以包括具体特征、结构、或特性，但每个实施例 可能不必包括具体特征、结构、或特性。况且，这样的短语不必指同 一实施例。而且，当具体特征、结构、或特性与实施例一起描述时， 认为在本领域技术人员的知识范围内，与不管是否被清晰描述的其它 实施例一起实现这样的特征、结构、或特性。
此外，应该理解这里使用的空间描述(例如，"上方"、"下面"、 "上"、"下"、"顶部"、"底部"、"垂直"、"水平"等)仅用于说明目的， 并且这里描述的结构的实际实施能以任何方位或方式空间布置。
范例RFID系统实施例
详细描述本发明的实施例之前，有益的是描述其中可以实施本发 明的范例RFID通信环境。图1表明其中RFID标签读取器104与RFID 标签102的范例集合120通信的环境。如图1中所示，标签的集合120 包括七个标签102a-102g。集合120可以包括任何数量的标签102。
环境100包括一个或多个读取器104。读取器104可以由外部应 用程序请求以寻址标签的集合120。可选择地，读取器104可以具有 启动通信的内部逻辑电路，或者可以具有触发装置以使读取器104a 的操作人员用来启动通信。
如图1所示，读取器104把具有栽波频率的询问信号110发射到 标签的集合120。读取器104在对这种类型的FR通信分配频带的一 个或多个中操作。例如，对于一定RFID应用，联邦通信委员会(FCC) 已经定义902-928 MHz和2400-2483.5 MHz频带。
各种类型的标签102可以存在于标签集合120中，其把一个或多 个响应信号112发射到询问读取器104，包括根据时基图案或频率通 过交替地反射并吸收信号110的部分。用来交替地吸收并反射信号110 的这种技术这里称作反向散射调制(backscatter modulation),读取器104从响应信号112接收并得到数据，如应答标签102的标识号。在 这里描述的实施例中，读取器可以根据任何适当的通信协议，包括二 进制遍历协议、时隙aloha协议、级0、级l、 EPCGen2、别处提到 的任何其它协议及未来通信协议，能够与标签102通信。
图2表示范例RFID读取器104的接收器和发射器部分220的方 块图。读取器104包括一根或多根天线202、 RF前端204、解调器/ 译码器206及调制器/编码器208。读取器104的这些元件可以包括软 件、硬件及/或固件、或其任意组合，以便完成它们的功能。
读取器104具有至少一根用来与标签102和/或其它读取器104 通信的天线202。 RF前端204可以包括一个或多个天线匹配元件、放 大器、滤波器、回波消除单元、下转换器及/或上转换器。RF前端204 通过天线202接收标签响应信号，并且把响应信号下转换(如有必要) 到适合进一步信号处理的频率范围。此外，RF前端204从调制器/编 码器208接收调制编码询问信号，上转换(如有必要)询问信号，及把 询问信号传输到天线202以被辐射。
解调器/译码器206联接到RF前端204的输出上，从RF前端 204接收调制标签响应信号。解调器/译码器206解调上转换的标签响 应信号。标签响应信号可以包括#>据FMO或Miller编码格式编码的 反向散射数据。解调器/译码器206输出译码数据信号214。译码数据 信号214可以在读取器104中被进一步处理。额外或可选择地，译码 数据信号214可以传输到后续计算机系统以便进一步处理。
调制器/编码器208联接到RF前端204的输入上，并且接收询问 请求210。调制器/编码器208把询问请求210编码成信号格式，如FMO 或Miller编码格式之一，调制编码信号，及把调制编码询问信号输出 到RF前端204。
下面详细描述本发明的实施例。这样的实施例可以在图l表示的 环境100中、在图2表示的读取器104中、和/或在可选择环境和RFID 装置中实施。例如，本发明的实施例可以在图2表示的读取器104的 天线202中和/或在RF前端204中实施。RFID读取器天线参数和问题
用于读取器的单根天线和双重天线已经被开发，试图改进RFID 读取器性能，对于读取器感兴趣的范例天线参数包括增益、天线图案、 天线偏振、电压驻波比(VSWR)、反射系数及返回损耗。"VSWR"是 信号"反射"的度量，当传输线:土输入到天线的信号在传输线和天线的 界面处被反射时，由于阻抗不匹配，该信号"反射"可能发生。VSWR 是所生成的干扰波中的最大与最小幅值的比值。
"反射系数，，与VSWR相关，并且有时称作"S1参数"、"p"、或"r"。 -1的反射系数(或在180度处"l"的幅值)指示短路，并且1的反射系数 (或在0度角处)指示开路。数学上，VSWR和反射系数按如下相关<formula>formula see original document page 13</formula>
此外，反射系数以dB按如下表示为"返回损耗" 返回损耗=-20*1(^|1^8 公式3
基本上，"返回损耗"是入射波和反射波的幅值之间单位为dB的 差值。例如，在读取器系统中，入射波可以是由读取器发射器(例如在 图2表示的调制器/编码器208)产生的、打算由读取器的天线发射的 RF信号。反射波可以是由于阻抗不匹配从发射器信号的天线返回的 反射。返回损耗数值(单位为dB)越高，反射越少并且阻抗匹配越好。 显然，反射信号在读取器系统中是不希望的。来自天线的任何信号反 射都可能在读取器的接收器(例如，在图2表示的解调器/译码器206) 被接收，并且可能干扰接收器接收所希望信号的能力。
直到最近，对于读取器天线的低返回损耗要求已经引起双重天线 型RFID读取器系统被使用。通过使用分离的天线用于发射和接收， 内部反射问题被大大减小，因为在接收和发射功能之间的隔离被大大 地改进。然而，使用一对天线与单根天线系统相比，增加成本和体积。 此外，因为两根天线是固有偏移的，所以两根天线不会观察相同的空 间体积。更进一步，在可携带RFID读取器中(除其它用途外)的适用空间常常不允许两根天线。因而，单根天线解决方案是所希望的。
多种类型的天线存在。对于大多数用途，2:1或更好的天线VSWR 技术规格已经认为是适当的。2:1 VSWR等效于-9.54 dB的返回损耗， 并且代表-0.51 dB的最坏情形传输损失。有时，对于很重要的应用， 已经规定1.5:1的天线VSWR，这等效于-14dB的返回损耗、和-0.18 dB的最坏情形传输损失。非常少的天线具有比这好的制造技术规格。
正在引入对于RFID读取器天线的新要求，包括-20至-30 dB的 返回损耗，分别等效于1.22至1.065的VSWR，在感兴趣频带(常常 为902至928 MHz)上。这种新要求不一定是为了保持传输效率的目 的。也存在新的要求以避免当高于-20dB的返回损耗存在时可能发生 的RFID读取器接收器的饱和。
因为大多数单根天线型RFID读取器以与具有零差接收器的连 续波(CW)雷达相类似的方式操作，所以任何显著的天线反射率(内部 引起的反射系数或返回损耗)可使发射器输出功率的显著部分返回到 接收器。当返回功率超过一定阈值时，接收器将饱和。饱和接收器表 现出非线性效果，使它具有降低的读取器灵敏度、和当环境中多于一 个信号存在时对于相互调制失真(IMD)的受损性的增加。IMD在接收 器内引起虚假或无关信号，这干扰所希望的接收器性能。
已经被用于RFID读取器的天线类型包括如下六类拼板天线、 空腔支撑拼板天线、颠倒-F天线、单极、双极及Yagi天线。当这些 天线以全尺寸样式建造以用于具有巨大适用体积的区域应用时，它们 通常能够被调谐以提供可接受的增益性能，具有适当低的返回损耗。 然而，已知较小天线具有较高"Q，，(即，带宽与中心/谐振频率的比值)。 当天线尺寸减小时，其上存在低返回损耗的带宽也减小。因而，当天 线类型以更紧凑形式建造时(由于适用体积的缺乏，如在可携带读取器 用途中)，它们仅能够在较窄频率区域上提供所要求的低返回损耗。越 来越窄的频率区域通常相对于RFID读取器所希望操作的频率范围以 符合FCC规则(如对于卯2至928 MHz民用频率内的跳频非授权无线 服务)而言太小。最后结果是仅在希望频率区域的一部分上提供适当性
14能的RFID读取器。减小的频率范围又导致减小的读取速率，并且导 致未读取标签，特别是当多路径传播存在时。
当RFID标签驻留在具有巨大的、反射RF的物体的环境中时， 进一步的困难发生。反射物体可创建返回到读取器的强信号(夕卜部引起 反射系数或返回4资耗，与以上描述的内部反射原因相反)作为读取器发 射信号的反射。反射信号可使读取器的接收器饱和并且降低其灵敏 度。这可使读取器对于虚假标签响应敏感，并且/或者可掩蔽标签响应， 因为当环境中存在多个信号(由于外部反射)时在接收器内产生的中间 调制失真(IMD)产物的存在。
此外，便携的和固定位置的RFID读取器都用在对天线可能高度 物理破坏的环境中。安装天线可接收损害冲击的范例位置包括在妒车 上，在仓库箱式粉碎机(box crusher)内、或在传送带系统内。在这样 的用途中，即使已经认真调谐以提供可接受性能的天线，由于这些类
和危害，通常性能也将降级。已经进行尝试，通过把天线放置在透明 天线罩内而保护天线，天线罩能承受冲击。这种技术因为在天线罩的 物理强度与RF透明性之间的必要折衷、以及天线罩引起的增加天线 尺寸的缺点(包括厚度)，仅部分成功。
下面详细描述用于RFID读取器天线的实施例，该天线具有改进 的性能和粗壮程度，克服以上及本文其它地方描述的困难。
用于改进RFID天线的范例实施例
下面描述对于天线的范例实施例。在实施例中，天线配置成辐射 圆偏振RF信号。天线具有非常低的电压驻波比(VSWR),导致非常 低的RF返回损耗。天线可以被加固以承受在物理破坏环境中的冲击。 尽管下面在RFID环境的上下文中描述天线，但由本领域的技术人员 将理解，天线可以用在RFID之外的环境中。
图3表示天线系统300。天线系统300可以在诸如读取器之类的 RFID装置中实施。如图3所示，天线系统300包括电路302和天线 304。天线304也可以称作"辐射器"或"辐射元件"。电路302接收输入RF信号306，如从读取器发射器，并且输出第一RF输出信号308 和第二 RF输出信号310。天线304接收第一和第二 RF输出信号308 和310，并且辐射圆偏振RF信号312。圆偏振RF信号312可在顺时 针或逆时针方向上偏振，并且可选择性地椭圆偏振，如果具体用途希 望这样。
如图3所示，电路302包括正交混合耦合器314和终止元件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接收输入RF信号306。第二端口 318输出第一 RF输出信号308。第三端口 320输出第二RF输出信号310。第二RF 输出信号310相对于第一 RF输出信号308由正交混合耦合器314相 移90度(即感兴趣信号的四分之一波长)。此外，第一和第二RF输出 信号308和310相对于输入RF信号306减小3dB。
终止元件324联接到正交混合耦合器314的第四端口 322。终止 元件324能是任何类型的终止元件、或终止元件的组合，包括电阻器。
注意，与天线系统300相关联的RFID读取器的接收器从天线 304通过输入RF信号306接收信号。换句话说，例如，当天线304 接收标签响应信号时，标签响应信号从天线304通过正交混合耦合器 314，经输入RF信号306通到读取器接收器。
电路302可以在诸如印刷电路板(PCB)之类的电路板上实施。图 4A表示实施电路302的范例电路板400的平面图。如图4A所示，电 路板400安装正交混合耦合器314和终止元件324。如图4A所示， 第一端口 316接收输入RF信号306,它由电路板400上的传输线402 路由到第一端口316。传输线402能是任何类型的传输线，包括但不 限于同轴型、带条型、微带条型、共面波导管型传输线。
如图4A所示，第二端口 318由传输线406耦合到在电路板400 上的第一点404上，并且第三端口 320由传输线410耦合到在电路板 400的第二点408。传输线406和410能是任何类型的传输线。电路 板400上的第一和第二点404和408耦合到天线304的相应第一和第 二点上，也称作天线304的"馈入点，，，以分别把第一和第二RF输出
16信号308和310耦合到天线304上。
正交混合耦合器314提供电路板400上的第一和第二点404和 408之间的平衡阻抗匹配，以把匹配阻抗提供给接收第一和第二 RF 输出信号308和310的天线304的第一和第二点。例如，正交混合耦 合器314可以是3 dB定向耦合器，具有诸如被小型化、高介电型材 料(例如，陶瓷)及/或是印刷电路板可安装的之类的属性。下面描述关 于用于正交混合耦合器314的范例参数的进一步细节。
图4B表示天线420的底面图，它是可联接到图4A的电路板400 上的天线304的例子。图4B还表示定位在天线420之后的接地平面 元件430。天线420具有第一和第二点412和414，当图4B的天线420 倒转(例如，水平地)并且安装在电路板400上时，该第一和第二点412 和414可联接到电路板400的第一和第二点404和408上。这样的安 装结构被表示在下面进一步详细描述的图8-11中。天线420表示成图 4B中的拼板天线。然而，天线304依据具体用途能够是替换类型的 天线。第一和第二点412和414可称作天线420的"馈入点"。第一和 第二点412和414对于天线420也分别称作"水平偏振输入"和"竖直 偏振输入"，它们组合输入信号以形成圆偏振辐射输出信号。
在范例的拼板天线实施例中，天线420沿其周界在天线420与接 地平面元件430之间的间隙中创建强电场("E-场")。天线420产生从 离开接地平面元件430的天线420侧向外辐射(即，图4B中在"从纸 出来"方向辐射)的半球形辐射图案。
为了说明目的而不是为了限制目的，如下描述拼板天线的范例操 作。在当前例子中，天线420是3.63英寸x3.63英寸正方形拼板天线(例 如，其中3.63英寸是感兴趣波长的0.28倍)。图3的第一RF输出信 号308馈送到图4B的第一点412(例如，通过图11的接触部件810， 下面描述)，使天线420辐射竖直偏振辐射信号。例如，在RF周期的 某一时刻，天线420的第一水平周界边缘432电气为正(+)，第二水平 周界边缘434电气为负(-)，及水平电气中性线436穿过第二点414(它 与施加到第一点412上的第一 RF输出信号308电气隔离)。如图4B所示，接地平面元件430的面积比天线420大，具有在天线420的周 界边缘外的周界区域。接地平面元件430的这个周界区域是非谐振的， 并且保持RF中性。因而，天线420的边缘432作为缝隙天线操作， E-场向量沿边缘432向下指，因为天线420的(+)场相对于它上方的接 埃乎面元件430的区域是(+)。对应地，天线420的边缘434与它下面 的中性接地平面元件430相比是(-)(它通过比较显得为+)。因而，E-场向量再次沿边缘434向下指。最后结果是，上部"缝隙"(边缘432) 和下部"缝隙，，(边缘434)是共相E-场辐射器。因而，天线420像构成 干涉仪的一对缝隙天线那样作用，在缝隙天线之间仅具有3.63英寸的 空隙(0.28波长)。
RF周期的一半以后，边缘432和434的(+)和(-)电压(及向量)颠 倒，并且穿过第二点414的水平线436保持中性。通过类似过程，第 二RF输出信号310馈送到笫二点414，并且创建水平偏振辐射信号。 水平和垂直辐射信号彼此独立，但因为第一和第二点412和414^皮馈 送具有正交相位关系的相等幅值信号，所以天线420辐射圃偏振(CP) 信号。
图5表示提供用来发射RF信号的范例步骤的流程图500。基于 如下讨论，其它结构和操作实施例对于本领域的技术人员将是显然 的。图5表示的步骤不必按所示顺序发生。下面详细描述图5的步骤。
流程图500以步骤502开始。在步骤502中，RF信号被接收。 例如，如图4A所示，输入RF信号306在传输线402上被接收。输 入RF信号306可从与天线系统300相关联的读取器发射器接收。
在步骤504中，第一RF输出信号和第二RF输出信号由接收RF 信号产生，其中第二RF输出信号相对于第一RF输出信号相移90度。 例如，如图4A所示，输入RF信号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产生相位隔开90度的第一 和第二 RF输出信号308和310。
在步骤506中，第一RF输出信号耦合到天线上的第一点。例如， 如图4A和4B所示，笫一RF输出信号308耦合到天线420的第一点
18412(经传输线406和电路板400的第 一点404)。
在步骤508中，第二RF输出信号耦合到天线上的第二点。例如， 如图4A和4B所示，第二RF输出信号310耦合到天线420的第二点 414(经传输线410和电路板400的第二点408)。
在步骤510中，圆偏振RF信号从天线辐射。例如，如图3所示， 圆偏振RF信号312由天线304辐射。
天线实施例的范例优点
图3和4A的电路302的操作所提供的优点类似于有时称作 "Kurokawa"放大器的平衡放大器的操作。"平衡放大器"概念基于向 放大器提供宽带阻抗匹配可能很困难的现实；然而，提供一对其阻抗 不匹配特性基本上相等的放大器比较容易。当拥有相等阻抗不匹配的 一对放大器从良好平衡的正交混合耦合器馈送时，最后结果是拥有非 常小的生成返回损耗的宽带阻抗匹配放大器组件。这是因为任何反射 能量都相等地从两个放大器反射。反射能量通过正交混合返回。正交 混合把额外的卯度相移差引入到一些反射能量中。因为这个，通过 正交混合从两个放大器反射回的信号在正交混合的输入端口处具有 合计180度的相移差，并因而被消除。反射信号在正交混合的终止端 口处具有零度的相移差，但通过终止被吸收。因而从两个匹配放大器 反射的大部分能量被吸收。得到的放大器系统具有的Sll参数值是两 个单独放大器的Sll参数之间向量差的一半。
关于平衡放大器和范例正交混合耦合器的进一步信息，参照 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两个放大器，本实施例使用两个正交 天线馈入点，天线420的第一点412和第二点414(它们之一当作水平 偏振并且另一个当作竖直偏振)。本发明的"平衡天线馈入点，，方案以与平衡放大器方案相类似的方式减小反射。
图6和7表明通过图3的天线系统300(天线420表示成联接到正 交混合耦合器314)的内部反射信号的平衡处理。如图6所示，输入 RF信号306在正交混合耦合器314(由路径602和604代表)中分离成 第一和第二 RF输出信号308和310。第一和第二 RF输出信号308 和310具有基本上相同幅值，并且第二 RF输出信号310相对于第一 RF输出信号308延迟卯度。如在图6所示那样，第一和第二RF输 出信号308和310到达天线420的点412和414(即，"馈入点")。
图7表示从天线420的第一第二点412和414反射的第一和第二 信号702和704。因为笫一和第二信号702和704分别是第一和第二 RF输出信号308和310的反射，所以第二信号704相对于第一信号 702总是延迟90度。如图7所示，从第一点412反射的信号702进入 正交混合耦合器314的第二端口 318,并且分离成第一和第二反射信 号706和708。第二反射信号708相对于第一反射信号706由正交混 合耦合器314相移90度。从天线420的第二点414反射的信号704 进入正交混合耦合器314的第三端口 320，并且分离成第三和第四反 射信号710和712。第三反射信号710相对于第四反射信号712由正 交混合耦合器314相移90度，并因而第三反射信号710相对于第一 反射信号706延迟合计180度。第一和第三反射信号706和710都指 向正交混合耦合器314的第一端口 316。第一和第三反射信号706和 710在第一端口 316处彼此抵消，因为它们相位相差180度。第二和 第四反射信号708和712都指向正交混合耦合器314的第四端口 322。 第二和第四反射信号708和712同相，并且都由耦合到第四端口 322 上的终止元件314接收(如由路径714表示的那样)，并且被吸收。因 而，由于电路302的构造，天线系统300中基本上除去(即，消除、终 止)反射。
平衡放大器技术施加到双重偏振天线，如这里描述的那样，提供 几个好处，包括把双重天线元件的每一个(例如，天线420的第一和第 二点412和414)的自然返回损耗降低至少一至两个数量级，即使天线可能瞄准天线外部的高RF反射率环境(甚至在天线一英寸内的物体) 也能够使返回损耗保持得很低，并且即使天线已经被减小尺寸也能够 使返回损耗不降级，即使远远超越其中天线Q已显著增大的点。
以各种方式保持返回损耗为极低。例如，如以上关于图6和7 描述的那样，两个天线馈入点(412和，414)之间的小心阻抗匹配(平衡) 抵消来自两根天线的内部反射。另外，位于天线420前面的大多数
反向。例如，如果圆偏振RF信号312被顺时针偏振，则其反射信号 将由天线420接收为逆时针偏振信号。因而，来自环境的反向、反射 能量将路由到正交混合耦合器314的第四端口 422，并且在这里由终 止元件324终止。更进一步，如下面更详细描述的那样，本发明的粗 壮和稳定天线结构允许天线对的小心匹配阻抗被保持，即使有可能影 响天线420的物理破坏(甚至不用保护天线罩)。
关于天线"Q"值(其是带宽与谐振频率的比值)，拼板天线显示出 天线与接地平面之间空隙减小引起天线Q增大的特性。这往往引起可 用增益带宽和可用返回损耗带宽的减小。例如，对于相关讨论，见Jasik 和Johnson的"Antenna Engineering Handbook" McGraw-Hill, 1993 年，笫7-7页。已经有通过使用高介电材料以增加天线的"电气高度，， 来解决这个问题的常规尝试，从而消除这个因素。然而，实际上，对 于高性能拼板天线，其中天线进行辐射的外部气隙的高度和宽度也是 重要因素。因而，天线与接地平面(例如，后板，如下面描述的那样) 之间的气隙的绝对厚度、以及天线的RF发射边缘的长度，确定了天 线的Q值和可用带宽。
本发明的天线中，对馈送天线420的平衡方案能够实现天线420 的"电气高度"的显著降低。尽管所述降低已经显著升高天线Q值，并 因而降低增益带宽，但馈入点412与414之间的小心阻抗匹配能够使 得对返回损耗带宽基本上没有影响。对于RFID读取器有有益的折衷， 因为返回损耗是能够使RFID读取器表现良好的重要特性。在天线420 的带宽边缘存在的任何增益减小对于标签-读取范围具有次要作用。这
21因素是无源RFID标签从由读取器发射的 主载波频率经历的前向-链接"充电RF信号强度"。这是在中心频率的 读取器的天线增益、以及标签到读取器距离(通过倒数平方定律)的函 数。因而，这个充电强度基本上上不受天线带宽边缘处的增益变化的 影响。
例如，天线带宽边缘处天线增益的1 dB减小(由于内部VSWR) 仅使标签读取范围减小到89%。天线增益的l dB减小由在带宽边缘 处的各自显示2.66的VSWR(-6.87 dB的返回损耗)的天线馈入点引 起。然而，由于本发明的阻抗平衡，正交混合耦合器的第一端口 316 显示好于1.10的VSWR(-26 dB的返回损耗)，这把读取器接收器暴露 于来自一瓦特(+30 dBm)读取器发射器的小于+4.0 dBm(0.0025瓦特) 的反射信号。不使用本平衡馈入点方案，天线阻抗显示2.66的 VSWR(-6,87 dB的返回损耗)，并且RFID读取器以+23.1 dBm(0.206 瓦特)的反射功率饱和。因而，这个例子中，本发明的平衡阻抗方案引 起返回到读取器接收器的反射功率的19.1 dB(23.1 dBm v.s. 4 dBm)的 改进(这几乎是两个数量级)。
拼板天线可形成在印刷电路板(PCB)上。这样的拼板天线常常叫 做"微带条"天线。用来使用拼板天线实现圆偏振的技术包括如下
(1) 角部馈送稍微不对称的拼板天线(有或没有边沿接片)；
(2) 在拼板天线的两侧使用45度偏移馈送系统；
(3) 用"支线"耦合器馈送拼板天线的两侧；或
(4) 用正交混合耦合器馈送拼板天线的两侧。 技术(4)由于常规正交混合耦合器的成本和尺寸而通常认为很昂
贵。见Jasik和Johnson(以上提到)第7章。在以前已经使用正交混合 耦合器的场合，没有认识到对于平衡放大器方案的关系。例如，没有 认识到极低返回损耗能力(在宽带宽上)，也没有良好平衡正交混合耦 合器与高度对称拼板天线的组合。
"支线"型正交混合耦合器(技术(3))对于低返回损耗型的圆偏振 天线是较不希望的。以前，支线型3 dB混合耦合器更普遍，因为它
22们在单块PCB内构造更容易(并且更便宜)。然而，支线混合耦合器通 常没有被良好平衡，并且只在窄得多的带宽上保持该平衡。支线3dB 混合耦合器装置的多级样式的例子在H.Howe的"Stripline Circuit Design Techniques" Artech，197年中描述。多级支线混合耦合器拥有 大于单级型的带宽。然而厂它不能等于3 dB定向混合耦合器的带宽 或平衡能力(如在本发明的实施例中那样)，除非大量多级被级联。然 而，这种方案是不希望的，因为它使用大量的PCB面积，在商业可 用元件中并不提供，并且要求大量计算机建模以实现所希望的性能要 求。
最近可用的3 dB定向正交混合耦合器，具有诸如比较便宜、高 介电型、小型化、陶瓷及印刷电路板可安装的属性，使得该类型的平 衡馈入点天线可行，允许合理尺寸的PCB在天线结构中实施。因而， 如下面进一步描述的那样，天线本身可用作物理保护装置以保护电路 板(例如，电路板400)。以前，正交混合耦合器尺寸很大、比较昂贵， 并且要求复杂组装过程用于实现。
用来减小RFID读取器天线的返回损耗的范例技术包括
(1) 添加衰减(填料)；
(2) 使用循环器(circulator)或单向放大器；
(3) 使用具有匹配天线对的正交混合耦合器；或
(4) 使用返回信号消除器电路(FR消除器)。
技术(l)减小RFID读取器的接收器灵敏度一个填料的dB额定值 的两倍的量。
技术(2)使接收器灵敏性降低，因为它直接吸收调制的标签信号， 这是由于同 一天线用于发射和接收(假定单天线读取器)。
技术(3)是四种中最好的解决方案。技术(3)是无源的，解决跨过 显著带宽(高达八度或更大)的反射问题，及具有圆偏振选择性的额外 优点。换句话说，圆偏振的方向通过把输入信号切换到正交混合耦合 器314的第一端口 316和第四端口 322可以;故颠倒。放置在天线420偏振信号。因而，顺时针辐射信号将反射成逆时针信号。如果相反方
向信号由天线420接收，则它将在正交混合耦合器314的第四端口 322 由终止元件324吸收。然而，因为标签具有线性偏振天线，所以标签 响应将被线性偏振。因而，在通过读取器的接收器部分时，接收的线 性偏振标签信号将仅受到正交混合耦合器314的3 dB损失。
技术(4)具有良好的天线返回损耗性能，但具有较高电路损失、 体积及高功率消耗。例如，因为RF消除器典型地经由10或15dB耦 合器连接到接收器传输线上，所以RF消除器必须产生比正消除的返 回损耗功率强10至15 dB的功率量。这可能要求由RF消除器电路产 生高达l瓦特的RF功率。
范例天线结构
图8-14表示根据本发明实施例的范例天线结构和系统的视图。 在实施例中，图8-14的天线结构用来实施以上描述的天线系统300。 图8-14的实施例为说明目的而提供并且不打算限制本发明。包括修 改、组合等的替换实施例对于本领域的技术人员基于这里的教导将是 已知的。这些替换实施例在本发明的范围和精神内。
图8表示天线组件800的剖视图。如图8所示，天线组件800 包括后板802、电路板400、天线420、可压缩电绝缘材料808及第一 和第二可压缩接触部件810和812。
后板802是为天线组件800提供机械支撑和保护的平面矩形板。 后板802典型地由刚性材料制成，如由金属，包括铝、钢，或其它金 属或金属的合金/组合而制成。后板802可具有除在图8表示之外的形 状，包括非平面、圆形等。后板802常常接地，以形成用于天线组件 800的较大接地平面，但后板802的接地不是必需的。
电路板400由后板802支撑。在图8实施例中，后板802具有中 心设置的开口 814。电路板400可以安装在中心设置开口 814中。例 如，下凹区域816或凸缘可以形成在后板802中在围绕开口 814的周 界边缘中。下凹区域816可以形成在后板802的底部表面中(如图8 所示)，可以形成在后板802的顶部表面中(如图10所示)，或者可以
24形成在后板802的顶部和底部表面中(如图9所示，作为下凹区域816a 和816b)。电路板400可以由一个或多个螺栓、螺钉、或其它附加元 件和/或由粘合材料附加在下凹区域816中。例如，图8表示由多个螺 钉818安装到在后板802的底部表面中的下凹区域816上的电路板 400。
天线420是一块操作以辐射圓偏振RF信号312的平面矩形板， 类似于图3的天线304。天线420典型地由导电、刚性材料，如金属， 包括铝、钢(包括不锈钢)或其它金属或金属的合金/组合制成。天线420 可具有除图8表示之外的形状，包括非平面、圆形等。例如，天线420 可以是0.100英寸厚的镀金不锈钢片。天线420依据具体用途可具有 任何尺寸。例如，天线420可以是3.63英寸x3.63英寸的正方形。
第一可压缩接触部件810把第一输出RF信号308耦合到天线 420的第一点412。第二可压缩接触部件812把第二输出RF信号310 耦合到天线420的第二点414。例如，第一和第二接触部件810和812 把在图4A表示的电路板400的接触点404和408与在图4B表示的天 线420的接触点412和414("馈入点")相联接。第一和第二可压缩接 触部件810和812可以是任何类型的可压缩电气触点，包括"pogo"-型针(如图8所示)(例如，弹簧加载的)或导电弹性体触点(如图9和10 所示)。天线420的底部表面(以及可性的顶部表面)可以用金、或其它 导电金属钝化，以改进与第一和第二可压缩接触部件810和812的电 接触。此外，接触部件810和812可以镀有金、或其它导电金属，以 改进电接触。
可压缩电绝缘材料808把天线420安装在后板802上。可压缩电 绝缘材料808能是任何类型的可压缩介电材料，包括硅树脂介电材料， 如高硬度硅树脂橡胶弹性体(例如，具有60硬度值)。60硬度硅树脂 橡胶同时供给坚固物理支撑、冲击能量吸收及低介电损失切向支撑天 线420，并因而不耗散施加到天线420上的RF功率。
当天线组件800用在操作环境中时，可压缩电绝缘材料808和第 一和第二可压缩接触部件810和812供天线420上的冲击期间震动吸收之用。天线组件800可以接收的范例环境应力在下面更充分描述。 因而，绝缘材料808用于多个目的，包括支撑天线420和把其与后板 802间隔开、吸收对于天线420的冲击能量及使天线420与后板802 之间安装的电路板400耐风雨。
第一和第二可压缩接触部件810和812提供对天线420的物理冲 击期间所需要的机械柔顺性，而在它们压缩期间导电性没有显著偏 差。尤其是，在压缩期间，第一和第二可压缩接触部件810和812各 自经历电感的微小且匹配的变化，这因此不会显著影响性能。
如图8所示，可压缩电绝缘材料808可以具有中心设置开口 820, 以在电路板400与天线420之间形成开口空隙822。空隙822理想地 保持无潮气和其它污染物，以避免损害接触部件810和812与天线420 的接触，并且避免对电路板400的损害。替换地，可压缩电绝缘材料 808可以覆盖电路板400,以基本上填充在电路板400与天线420之 间的空隙822(如图9和10所示)。
图11表示图8的天线组件800的俯视图。图11表示由可压缩电 绝缘材料808在后板802上支撑的天线420。此外，图ll表示电路板 400和可压缩接触部件810和812的位置的轮廓，它们实际上隐藏在 天线420下面。图11也表示布置在后板802的角部、可以用来把天 线组件800安装到结构上(例如，使用螺栓、螺钉、钉、或其它附加元 件)的开口 1102a-1102d。如果具体用途需要，则为了安装天线组件800 可以呈现任何数量或构造的开口 1102、或其它安装机构。
在一个例子中，图8的天线是3.75英寸x3.75英寸正方形拼板天 线，它是0.1英寸厚的钢板。绝缘材料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英寸正方形铝板。因 而，图8的天线组件800具有近似0.55英寸的厚度。所有元件包含在 天线组件800的下部轮廓的受保护结构内。
图9表示一般与天线组件800相类似的天线组件900的剖视图。 如以上描述的那样，在天线组件900中的后板802具有分别形成在后 板802的顶部和底部表面中、绕开口 814的下凹区域816a和816b。此外，可压缩电绝缘材料808覆盖电路板400，以基本上填充在电路 板400与天线420之间的空隙。气隙902保持在螺钉818头部周围， 从而如果可压缩电绝缘材料808从后板802剥离(例如，在天线组件 900的维护期间)则可以容易地接近螺钉818。如图9所示，第一和第 二可压缩接触部件810和812是导电弹性体-型触点。导电弹性体-型 触点与pogo-型触点相比，可以对天线组件900压缩期间的机械损害 以及对环境条件具有较小敏感性(例如，pogo接触到天线的接口的退 化，引起噪声接触)。导电粘合剂可以用在第一和第二可压缩接触部件 810和812的顶部和底部位置，以提供与电路板400和天线420的可 靠电接触。
此外，图9的电路板400相对于图8表示的电路板400被倒置(例 如，正交混合耦合器314安装在图9的电路板400的底部表面上)。此 外，在图9的电路板400的底部表面涂有耐风雨密封剂，以环境保护 电路板400和相关元件。
图10表示一般与图9的天线组件900相类似的天线组件1000 的剖视图。如以上描述的那样，在天线组件1000中的后板802具有 形成在后板802的顶部表面中、绕开口 814的周界的下凹区域816。 电路板400通过把电路板400的边缘定位在下凹区域816中、以及绕
域816中，而安装到后板802上。此外，如果希望，则粘合剂可以是 导电的以提供电路板400与后板802之间的改进电接触(例如，当接地 时)。
此外，可压缩电绝缘材料808覆盖电路板400，以基本上填充在 电路板400与天线420之间的空隙。由于螺钉818在天线组件1000 中是不必要的，所以图9所示的气隙902不存在。因而，没有空隙和 空穴呈现在天线组件1000中的可压缩电绝缘材料808中。因而，水 和污染物由可压缩电绝缘材料808排出，这减小了由于水或其它污染 物到达电路板400或天线组件1000内部的其它元件而导致的天线组 件1000失效危险。
27天线组件1000具有多个益处。例如，天线组件1000比天线组件 800和900要求更少的元件，由此降低成本。此外，天线组件1000的 组装被简化，因为它可形成为层叠组件。天线组件1000被充分地环 境钝化。
图12-14表示与图8和11的天线组件800相类似的天线组件1200 的立体图。图12表示天线组件1200的底部表面的立体图。如图1200 所示，天线组件1200包括在后板802中的开口 814和开口 1102a-d。 电路板400的底部表面表示在开口 814中，配合到绕开口 814周界的 下凹区域中。连接器1202(例如同轴连接器)呈现在天线组件1200的 边缘处，它例如从读取器接收输入RF信号。连接器1202由同轴电缆 1204联接到电路板400上。
图13表示天线组件1200的顶部表面的立体图(未显示天线420)。 如图12和13所示，十二个螺钉818用来把电路板400安装在绕开口 814的下凹周界区域上。第一和第二可压缩接触部件810和812显示 为从电路板400延伸。此外，图13显示在绕电路板400的后板802 上形成的可压缩电绝缘材料808。图13也显示附加到且覆盖绝缘材料 808的顶部表面的周界区的平面框架1304。平面框架1304配置成当 天线420附加到绝缘材料808上时，绕天线420的周界边缘配合。下 面进一步描述平面框架1304。
图14表示天线组件1200的顶部表面的立体图，天线420可见并 且附加到后板802上，在后板802上由绝缘材料808(在图14中不可 见)支撑。图14还显示位于围绕绝缘材料808上的天线420的平面框 架1304。
图12表示贯通后板802的八个开口 1206，并且图13表示贯通 绝缘材料808的八个对应开口 1302,用来接收螺钉(或其它调节元件)。 在一个例子中，螺钉是5/16-16螺紋乘3/8长六角头定位螺钉，并且 后板802是1/4英寸厚铝板。
开口 1206中接收的螺钉能够实现天线420的微调。换句话说， 这些螺钉可以被调节，以提供天线420的参数的调谐。例如，调谐允许在天线420的第一点412(例如水平天线馈入点)和第二点414(例如， 垂直天线馈入点)之间建立高度隔离，并且保证每个偏振具有匹配的阻 抗v.s.频率特性。
如图12和13中开口 1206的位置指示的那样，插入在开口 1206 中的螺钉，在每个螺钉位置处，由于它们靠近天线420，影响后板 802(它是局部RF接地)与天线420之间的电容。通过微调在八个开口 1206中的螺钉(例如，调节每个螺钉进一步进或出它们的相应螺紋开 口 1206,以改变螺钉末端离开天线420的空隙)，可调谐几个参数， 包括
A. 用于水平和竖直偏振的天线420的中心频率。例如，通过调 节在开口 1206中的螺钉可微调所希望的中心频率。
B. 在水平和竖直偏振之间的阻抗的跟踪。例如，通过调节在开 口 1206中的螺钉，阻抗可更密切地匹配。
C. 在水平和竖直偏振输入点(例如，在第一和第二可压缩接触部 件810和812)之间的隔离量。例如，螺钉可被调节以找到最好隔离。
D. 天线轴向比值(AR),它与圆偏振(CP)的质量有关。例如，螺 钉可被调节以找到最好天线轴向比值。
在范例的调谐情景中，在操作人员调节开口 1206中的螺钉的同 时，RF网络分析仪装置由操作人员用来(或计算机控制成)监视天线 420的参数。例如，操作人员可调节8个螺钉，直到返回损耗成为-30 dB(即，1.07:1的VSWR)。
本发明的天线之前的典型天线表现出约-10 dB(即2:1的VSWR) 至约-14 dB(即1.5:1的VSWR)的返回损耗。-10 dB的返回损耗意味着 来自1瓦特读取器发射器(例如，+30 dBm信号)的天线反射是+20 dBm。这样的高返回损耗使大多数读取器接收器饱和。
本天线实现的-30 dB的返回损耗是优于典型天线20 dB的返回 损耗改进，并且提供100:1的反射功率比值改进。这意味着来自+30 dBm (1瓦特)读取器发射器的上述天线反射是O.O dBm，并因而读取 器接收器不可能被饱和。注意，这些螺钉的调节并不是在所有实施例中都要求。在替换实 施例中，天线参数由于天线系统的相关元件公差可能在可接受范围内 而不用调谐。
在范例实施例中，对于感兴趣频带上的非常低返回损耗(如-30 dB)，天线可配置成按如下获得/平衡参数
1. 正交混合耦合器314可配置成跨过感兴趣频带提供近似±0.15 dB的幅值平衡。
2. 正交混合耦合器314可配置成跨过感兴趣频带提供近似90±2 度的相位平衡。
3. 正交混合耦合器314可配置成提供约25 dB的方向性。
4. 两个天线负载(在水平和竖直偏振输入点，点412和414)被平 衡，以跨过感兴趣频带呈现基本上相同的向量阻抗(如在Smith Chart 观察到的那样)。
5. 天线负载被隔离近似25 dB。
6. 辐射轴向比值配置成足够低，从而在天线420外部的垂直RF 反射表面，其从天线420接收顺时针偏振波(其具有足够的轴向比值保 真)，反射在正交混合耦合器314的第四端口 322由终止元件324吸收 的反向波(即，逆时针波，具有相同的轴向比值保真)，并因而不会作 为对读取器接收器的返回损耗而出现。这保证标签仍然可被读取，即
使天线420位于巨大RF-反射物体的前面。本发明的平衡实施例的这 种顺时针到逆时针(或反之)排斥功能取决于所配置的轴向比值的质 量。
如以上描述的那样，平面框架1304表示在图13和14中，并且 配置成围绕在绝缘材料808上的天线420。平面框架1304附加到绝缘 材料808上的粘合剂材料上。在范例实施例中，平面框架1304是0.003 英寸厚的矩形(例如，正方形)形状，并且由塑料制成。此外，平面框 架1304的边缘依据具体用途可具有各种宽度。例如，平面框架1304 的边缘可以具有0.15英寸的宽度。然而，在替换实施例中，平面框架 1304可具有其它尺寸和/或形状，并且可由其它材料制成。在实施例中，可以提供(例如，由制造商)具有粘合剂材料的绝
缘材料808在绝缘材料808的顶部和底部表面上。粘合剂材料可从各 种粘合剂材料选择，包括9485丙烯酸粘合剂。平面框架1304可放置 在绝缘材料808的上表面，以附到粘合剂材料。剥离纸片可以放置在 绝缘材料808的上下表面以覆盖粘合剂材料的剩余部分(例如，在平面 框架1304内)。当組装诸如天线组件1200之类的天线组件时，纸片可 以从绝缘材料808剥离，并且绝缘材料808可以放置在后板802，以 由粘合剂材料附到后板802上。天线420可以放置在绝缘材料808上 在平面框架1304内，以由粘合剂材料附到绝缘材料808上。对准固 定物可以用来对准绝缘材料808 (当放置在后板808上时)，并且/或 者对准天线420 (当放置在绝缘材料808上时)。 平面框架1304提供多个益处，包括
(a) 覆盖在绝缘材料808的顶部表面上天线420周围的粘合剂材料。
(b) 为天线420周围以外的绝缘材料808的顶部表面提供环境保 护(例如，免受锋利物体)。
(c) 为天线组件1200提供更容易的组装。例如，在粘合剂材料的 涂敷期间把平面框架1304施加到绝缘材料808上可能比掩蔽绝缘材 料808的顶部表面的周界部分、或试图从绝缘材料808的顶部表面的 周界区域除去过多粘合剂材料更容易。
平面框架1304可具有其它形状，包括非平面构造。例如，图15 表示具有框架1502的、与天线组件800相类似的天线组件1500。类 似于在图13表示的平面框架1304,框架1502围绕天线420。此外， 框架1502具有通过粘合剂材料附到绝缘材料808上的顶部内边缘 1504。内边缘1504从框架1502的侧壁部分1506向内向框架1502的 中心延伸。侧壁部分1506向下延伸以覆盖绝缘材料808的外侧。侧 壁部分1506的底部边缘1508接触绝缘材料808周围的后板802的顶 部表面。因而，框架1502覆盖没有被天线420或后板802覆盖的绝 缘材料808的部分，并因而为绝缘材料808提供增大的环境保护。
31由于框架1502的存在增加对绝缘材料808的保护，天线组件 1500可用在恶劣环境中。例如，天线组件1500可用在箱式粉碎机中， 如位于箱式粉碎机的壁中形成的孔中。在这样一种实施例中，框架 1502可由耐用材料制成，如由Delrin制成。
天线系统的范例实施
本发明的天线系统可安装在方便询问RFID标签的任何地方。例 如，天线系统可安装在商业环境中，如在仓库、业务室或商店中，并 且可安装在军事或其它非商业环境中。此外，天线系统可以附到静止 结构或移动结构上。天线系统可以用于铲车、仓库箱式粉碎机及用于 传送带。本天线系统的可能小尺寸和耐久性使得天线系统能够用在多 种以前不可接近的位置中。
例如，图16A和16B表示根据本发明范例实施例的安装天线组 件1604的伊车1602的视图。天线组件1604能够是例如上述天线组 件800、 900、 1000及1200的任一种。图16A表示铲车1602的前视 图，使铲车1602的叉架1606在底部位置附近。图16B表示铲车1602 的侧视图，叉架1606升到中部位置(相对于图16A)并且支撑物体1608 负载。如图16A和16B所示，天线组件1604可安装在铲车1602的叉 架1606之间的未保护位置中(例如，在"负载靠背(load back rest)"区 域)，以便利地靠近物体1608,以便读取与物体1608相关联的标签。 天线组件1604在这个位置可能受到冲击，但由于其粗壮结构可经受 住沖击，包括可压缩电绝缘材料808的震动吸收。联接到天线组件1604 上的无线电池操作读取器1610 (其使用天线组件1604来辐射询问信 号和接收标签响应)可直接安装在铲车1602中的天线组件1604的后 面，如图16A和16B所示，或者可安装在铲车1602上其它处。这样 在该实施例中，读取器1610可以包括电池，并且/或者可以包括用来 与远程计算机系统通信的无线通信模块。例如，无线通信模块可以配 置成根据WLAN(例如，802.11)和/或蓝牙(例如，802.15)标准通信。 无线通信模块可以与布置在铲车1602上其它处或布置在铲车1602外 部的接入点通信。可替换地，读取器1610可远离铲车1602安装，并因而可能不必 无线和/或电池操作。例如，读取器1610可以由电缆联接到天线组件 1604。
对电路302(在图3中表示)的"平衡放大器，，型方案、以及粗壮天 线结构构造(例如图8、 9、 10及12所示)的组合，允许天线具有优良 的返回损耗，尽管轮廓非常小。小轮廓和粗壮度的组合允许天线应用 于以前不可能的位置，如铲车1602的叉架1606之间的未保护负载靠 背(LBR)区域。这个位置对于读取被安装在支撑物体1608的铲车1602 所举起的托架(在图16A和16B中未表示)上的RFID标签是非常希望 的。托架标签以及物体1608的标签的适当读取允许RFID相关主机 系统适当地把所有项目相关联，确认实现了适当"堆叠顺序"。相关联 的负栽然后可以运输到装运卡车，或者临时存储在仓库内的货架上。 当负载正由伊车1602放置在货架上的同时，叉架1606之间安装的天 线允许读取器读取被安装到仓库货架的前边缘上的标签。这允许主机 系统确认负载被放置在适当货架上。
任何数量的天线可以安装到诸如铲车1602或传送带系统之类的 具体结构上，以提高标签读取性能。例如，四个天线组件1604可以 安装在妒车1602上，包括在伊车1602的高和低位置安装的天线组件、 以及伊车1602上安装的作为侧面读取器的一对天线组件。在仓库环 境中，天线组件可能暴露于液压油、石油、化学制品、极端温度、直 接阳光及来自运输负栽的冲击的物理破坏、以及货架、壁及门的冲击。 这里描述的天线系统的粗壮结构配置成承受这种破坏。
这里描述的RFID读取器天线克服以前天线的缺点。例如，这里 描述的读取器天线具有极低的反射系数(在有或没有放置在天线附近 的反射物体的情况下)。此外，这里描述的读取器天线足够粗壮，从而 不要求保护天线革。天线组件本身比可得到的天线罩更粗壮。
结论
尽管以上已经描述了本发明的各种实施例，但应该理解，它们仅 通过例子呈现并且没有限制。对于本领域的技术人员显然，其中可进
33行形式和细节的各种变更而不脱离本发明的精神和范围。因而，本发 明的广度和范围不受上述任一个典型实施例的限制，而是应该仅按照 如下权利要求书和其等效物被限定。
权利要求
1. 一种射频标识(RFID)装置，包括正交混合耦合器，具有第一、第二、第三及第四端口，其中第一端口接收输入射频(RF)信号，第二端口输出第一RF输出信号，及第三端口输出第二RF输出信号，其中第二RF输出信号相对于第一RF输出信号相移90度；终止元件，耦合到第四端口上；及拼板天线，具有耦合到第一RF输出信号上的第一点和耦合到第二RF输出信号上的第二点，其中拼板天线辐射圆偏振RF信号。
2. 根据权利要求1所述的装置，还包括电路板，其中终止元件和正交混合耦合器被安装到电路板上。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中输入RF信号以及第一和第 二RF输出信号在电极板上被路由为印刷电路传输线。
4. 根据权利要求3所述的装置，其中印刷电路传输线是共面波导 型传输线。
5. 根据权利要求2所述的装置，其中拼板天线是平面的，并且放 置成与电路板相平行。
6. 根据权利要求5所述的装置，其中第一RF输出信号由在电路 板与拼板天线的第一点之间安装的第一可压缩接触部件耦合到拼板 天线的第一点；并且第二RF输出信号由在电路板与拼板天线的第二点之间安装的第 二可压缩接触部件耦合到拼板天线的第二点。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中第一和第二可压缩接触部件 是pogo针。
8. 根据权利要求6所述的装置，其中第一和第二可压缩接触部件 是导电弹性体触点。
9. 根据权利要求5所述的装置，还包括后板，具有中心设置的开口 ，其中电路板安装在中心设置的开口 。
10. 根据权利要求9所述的装置，还包括 可压缩电绝缘材料，它在后板上支撑拼板天线。
11. 根据权利要求10所述的装置，其中可压缩电绝缘材料是硅树 脂橡胶介电材料。
12.根据权利要求ii所述的装置，其中硅树脂橡胶介电材料是高 硬度硅树脂橡胶。
13. 根据权利要求10所述的装置，其中在对拼板天线沖击期间， 可压缩电绝缘材料提供震动吸收。
14. 根据权利要求10所述的装置，其中可压缩电绝缘材料具有第 二中心设置的开口 ，以形成在电路板与拼板天线之间的开放空隙。
15. 根据权利要求10所述的装置，其中可压缩电绝缘材料覆盖电 路板的表面，以基本上填充在电路板与拼板天线之间的空隙。
16. 根据权利要求9所述的装置，其中电路板的周界边缘由粘合 剂附到中心设置开口的周界边缘上。
17. 根据权利要求9所述的装置，其中电路板通过多个附加元件 安装在中心设置的开口中。
18. 根据权利要求9所述的装置，其中所述后板接地。
19. 根据权利要求1所述的装置，其中从拼板天线的第一点反射 的信号进入正交混合耦合器的第二端口，并且分离成第一和第二反射 信号，其中第二反射信号相对于第一反射信号相移90度；其中从拼板天线的第二点反射的信号进入正交混合耦合器的第 三端口，并且由正交混合耦合器分离成第三和第四反射信号，其中第 四反射信号相对于第三反射信号相移90度；其中第 一和第三反射信号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号由耦合到正交混合耦合器的第四端口 的终止元件接收。
20. 根据权利要求1所述的装置，其中终止元件是电阻器。
21. 根据权利要求1所述的装置，其中正交混合耦合器是定向正交混合耦合器。
22. —种射频标识(RFID)装置，包括后板；电路板，由后板支撑，其中电路板接收输入射频(RF)信号并且输'出第一 RF输出信号和第二 RF输出信号；拼板天线；可压缩电绝缘材料，它把拼板天线安装在后板上；第一可压缩接触部件，它把第一输出RF信号耦合到拼板天线的第一点；及第二可压缩接触部件，它把第二输出RF信号耦合到拼板天线的第点。
23. 根据权利要求22所述的装置，其中后板具有中心设置的开口 ，其中电路板安装在中心设置的开口中。
24. 根据权利要求23所述的装置，电路板的周界边缘由粘合剂附到中心设置的开口的周界边缘。
25. 根据权利要求23所述的装置，其中电路板通过多个附加元件安装在中心设置的开口中。
26. 根据权利要求22所述的装置，其中可压缩电绝缘材料是硅树脂介电材料。
27. 根据权利要求26所述的装置，其中硅树脂介电材料是高硬度硅树脂橡胶。
28. 根据权利要求22所述的装置，其中在对拼板天线冲击期间，可压缩电绝缘材料提供震动吸收。
29. 根据权利要求22所述的装置，其中可压缩电绝缘材料具有中心设置的开口以形成电路板与拼板天线之间的开放空隙。
30. 根据权利要求22所述的装置，其中可压缩电绝缘材料覆盖电路板的表面，以基本上填充电路板与拼板天线之间的空隙。
31. 根据权利要求22所述的装置，其中后板接地。
32. 根据权利要求22所述的装置，还包括正交混合耦合器，安装到电路板上并且具有第一、第二、第三及第四端口，其中第一端口接收输入射频(RF)信号，第二端口输出第一RF输出信号，及笫三端口输出第二RF输出信号，其中第二RF输出信号相对于第一RF输出信号相移90度；和终止元件，安装到电路板上并且耦合到第四端口。
33. 根据权利要求32所述的装置，其中拼板天线辐射圆偏振RF信号。
34. 根据权利要求22所述的装置，还包括多个调谐螺钉，位于贯通后板的开口中，具有位于拼板天线附近的端子。
35. 根据权利要求34所述的装置，其中调谐螺钉可被调节以调谐拼板天线的至少一个参数。
36. 根据权利要求22所述的装置，其中正交混合耦合器是定向正交混合耦合器。
37. 根据权利要求22所述的装置，还包括RFID读取器，其产生输入RF信号。
38. 根据权利要求37所述的装置，其中RFID读取器包括电池和无线通信模块。
39. 根据权利要求38所述的装置，其中该装置安装在铲车上。
40. 根据权利要求39所述的装置，其中该装置安装到铲车上、在伊车的叉架之间。
41. 根据权利要求22所述的装置，还包括附到可压缩电绝缘材料上的框架，其中框架围绕拼板天线的周界边缘。
42. —种用来发射射频(RF)信号的方法，包括在传输线上接收RF信号；使用正交混合耦合器从接收的RF信号产生第一RF输出信号和第二RF输出信号，其中第二RF输出信号相对于第一RF输出信号相移90度；把第一 RF输出信号耦合到拼板天线上的第 一点；把第二RF输出信号耦合到拼板天线上的第二点；及从拼板天线辐射圆偏振RF信号。
43. 根据权利要求42所述的方法，其中所述产生步骤包括在正交混合耦合器的第 一端口接收RF信号；在正交混合耦合器的第二端口输出第一RF输出信号；及在正交混合耦合器的第三端口输出第二RF输出信号。
44. 根据权利要求43所述的方法，还包括在正交混合耦合器的第二端口接收从拼板天线的笫一点反射的信号；把从第一点反射的信号分离成第一和第二反射信号，其中第二反射信号相对于第一反射信号相移90度；在正交混合耦合器的第三端口接收从拼板天线的第二点反射的信号；把从第二点反射的信号分离成第三和第四反射信号，其中第三反射信号相对于第四反射信号相移90度；使第 一和第三反射信号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终止元件接收第二和第四反射信号。
45. 根据权利要求42所述的方法，还包括调谐拼板天线的至少一个参数。
46. 根据权利要求45所述的方法，其中所述调谐包括调谐水平谐振频率、垂直谐振频率、水平和垂直阻抗跟踪、或水平至垂直隔离中的一个或多个。
47. 根据权利要求42所述的方法，还包括选择正交混合耦合器为印刷电路板可安装的正交混合耦合器。
48. 根据权利要求45所述的方法，其中所述调谐提高笫 一和第二RF输出信号之间的幅值匹配精度和卯度相差精度。
49. 根据权利要求45所述的方法，其中所述调谐包括使拼板天线呈现-30 dB或更大的绝对返回损耗。
50. 根据权利要求45所述的方法，其中所述调谐包括改进轴向比值。
全文摘要
描述诸如读取器天线之类的RFID装置的方法、系统及设备。一种读取器天线包括正交混合耦合器、终止元件及天线，如拼板天线。正交混合耦合器具有第一、第二、第三及第四端口。第一端口接收输入射频RF信号。第二端口输出第一RF输出信号。第三端口输出第二RF输出信号。第二RF输出信号相对于第一RF输出信号相移90度。第四端口耦合到终止元件。拼板天线具有耦合到第一RF输出信号的第一点和耦合到第二RF输出信号的第二点。拼板天线由于接收的第一和第二RF输出信号而辐射圆偏振RF信号。圆偏振RF信号可以用来询问标签。此外，读取器天线集成为一种粗壮结构，该结构提供对于天线的环境保护，包括提供对天线冲击的震动吸收。
文档编号H01Q1/32GK101507047SQ200680040865
公开日2009年8月12日 申请日期2006年11月3日 优先权日2005年11月3日
发明者M·杜龙, 小R·T·克纳德尔 申请人:讯宝科技公司