自调谐射频识别标签

交叉引用

本申请要求于2021年1月22日提交的申请号为63/199，755的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用被明确并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)标签，并且更具体地涉及用于在包括不同容器材料和内容物的各种物体上使用的具有“自调谐”特征的RFID标签。

背景技术

射频识别(RFID)使用电磁场来识别和跟踪附在物体上的标签。RFID标签包括三个不同的组件：RFID“芯片”，即集成电路(IC)；和天线；两者都固定在基底上。当由来自RFID读取器设备的电磁询问脉冲触发时，标签将数字数据(通常是识别库存编号)发送回读取器；该编号可用于对货物进行库存。有两种类型的RFID标签：无源标签由来自RFID读取器的询问无线电波的能量供电，而有源标签由电池供电并且可以在距离RFID读取器更大的范围(高达数百米)被读取。与条形码不同，RFID标签不需要在读取器的视线内，因此RFID标签可以嵌入在被跟踪的物体中。

RFID标签IC具有逻辑单元，该逻辑单元做出决策并提供存储器以存储数据(例如唯一的产品ID)。连接到标签IC的RFID标签天线是标签的最大部分。天线的几何形状由标签操作的频率决定；天线设计的变化允许标签具有不同的属性和行为。天线可以成形为例如螺旋线圈、单偶极、双偶极(一个垂直于另一个)或折叠偶极。天线被设计用于特定的工作频率，并且根据指定的频率确定有效的天线长度。基底将RFID IC和天线保持在一起；可以将天线沉积或印刷在基底上，然后将IC附着到天线和基底。基底可由诸如薄塑料的柔性材料制成，但它也可由刚性材料制成。大多数无源标签使用由厚度为100nm至1000nm的柔性材料制成的基底。适合用于基底的材料包括聚合物、PVC、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酚类、聚酯、苯乙烯、和甚至纸。基底材料可能影响天线的设计频率；因此，在天线的适当调谐期间必须考虑基底材料的影响。

RFID标签具有标称工作频率，该标称工作频率通常在“自由空气”中测量；即，不会由于标签所附着的物体(诸如在售产品)而对频率产生任何影响。一些这样的物体，例如瓶子的金属盖或包含在其中的液体，可能不利地影响RFID标签的可读性。如果没有为将被粘贴标签的物体选择正确的标签，则将会极大地减小读取范围，可能到标签根本不能被读取的程度。例如，RFID标签已经被设计用于反射RF能量的金属物体上，或者包含通常吸收RF能量地液体(例如，水)的金属物体上。然而，这种标签通常是特定应用的；即，它们是针对将被粘贴到的产品的容器材料的类型或内容物而专门设计的。除了待标记的物品的组成之外，每个物品通常都会显示出一个“最佳点”，该最佳点将使放置在其上的RFID标签的读取范围最大化；这种最佳点可以在不同物品之间有极大的不同，并且只能通过对每个产品进行测试来识别。因此，在本领域中需要改进的RFID标签设计，其可以克服现有技术标签设计的缺陷并且减少构成RFID标签将附着到的物体的材料的影响。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，本文公开了一种用在物体上的射频识别(RFID)标签，其中RFID标签的工作特性易受构成物体的材料的影响。本公开的RFID标签包括具有附着区域和翼片区域的基底，所述附着区域适于将RFID标签连接到物体的表面；以及RFID嵌体，其形成在所述基底上，所述RFID嵌体包括环形天线和偶极子天线，所述环形天线及所述偶极天线各自具有分别位于所述附着区域及所述翼片区域内的第一部分及第二部分，其中，当附接到物体时，所述环形天线在所述附着区域内的一部分对所述工作特性具有相对正向影响，并且所述偶极天线在附着区域内的一部分对所述工作特性具有相对负向影响，由此可以最小化构成RFID标签将附接到的物体的材料对工作特性的净影响。通过在附着区域内提供环形天线和偶极天线部分，以抵消物体材料和/或内容物对工作特性的影响，RFID标签可以被称为“自调谐”。

在示例性实施例中，附着区域内的环形天线对工作特性的相对正向影响随着物体的与附着区域相连接的表面面积而增加；类似地，附着区域内的偶极天线对工作特性的相对负向影响也随着物体的与附着区域相连接的表面面积而增加。工作特性可以是以期望的工作频率有效地读取RFID标签所需的前向链路功率；还可以针对RFID读取器距自调谐RFID标签的标准距离来指定所需前向链接功率。优选地，对于RFID标签在包括实质性不同的材料的物体上的使用，前向链路功率是相对一致的。工作特性还可以是RFID标签在期望工作频率下的灵敏度，期望的工作频率可以例如在标准902-928MHz频带内。自调谐RFID标签可附着到的同时表现出“自调谐”特性的物体包括由金属、纸、塑料或玻璃形成的容器；该物体还可包括容器内的材料，诸如液体。

在示例性实施例中，基底由第一边缘和第二边缘以及中心折叠位置物理地限定，附着区域包括基底的在中心折叠位置和第一边缘之间的区域，翼片区域包括基底的在中心折叠位置与第二边缘之间的区域。在示例性实施例中，RFID标签具有整体矩形形状，其中附着区域和翼片区域形成在其端部上，每个区域具有较小的矩形区域；或者，标签可以具有圆形或其它形状，以最好地适应标签将附着到的物体或其部分的形状。

在示例性实施例中，偶极天线包括源自翼片区域内的位置的第一腿和第二腿。在这样的实施例中，偶极天线的第一腿完全位于基底的翼片区域内，并且偶极天线的第二腿从基底的翼片区域延伸到附着区域中。在某些实施例中，分别在翼片区域和附着区域内的偶极天线的第一和第二腿是不对称的。类似地，环形天线包括首级部分和次级部分，次级部分的至少一部分位于附着区域内。在示例性实施例中，环形天线的次级部分包括细长的短截线。在这样的实施例中，细长的短截线被定向成使得随着附着区域的更大面积被粘贴到物体，短截线逐渐更多地覆盖物体。

在示例性实施例中，RFID标签还包括设置在附着区域中的基底的至少一部分上的粘合装置，该粘合装置适于将RFID标签固定地附着到物体的表面。在这样的实施例中，基底的翼片区域适于远离RFID标签将附接到的物体的表面延伸。在一些实施例中，基底包括相对的第一表面和第二表面，并且RFID嵌体仅位于第一表面上；在这样的实施例中，基底可以用于使RFID嵌体与标签将附着到的物体的表面材料绝缘。或者，如果需要特定应用，RFID嵌体的一部分可形成在基底的一侧上，而第二部分可形成于相对侧上，且这两部分之间通过基底连接。

附图说明

图1示出了各种各样的产品，包括各种类型的容器和内容物；

图2示出了示例性现有技术RFID嵌体和根据本公开原理的示例性“自调谐”RFID嵌体的比较；

图3示出了图2的示例性“自调谐”RFID嵌体在附着到图1中示出的各种产品时的工作特性的图；

图4示出了图2中所示的示例性“自调谐”RFID嵌体的实际尺寸；

图5示出了图2中所示的示例性现有技术RFID嵌体的实际尺寸；

图6示出了示例性“自调谐”RFID嵌体的不同方面；

图7示出了示例性“自调谐”RFID嵌体附着到产品以用于测试；

图8提供了用于比较示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID嵌体在各种直径的金属帽上的各种安装深度处的性能的测试用例表；

图9示出了用于在直径分别为27mm、42mm和65mm的金属帽上、安装深度为14mm的第一测试用例的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID嵌体的工作特性的曲线图；

图10示出了用于在直径分别为27mm、42mm和65mm的金属帽上、安装深度为16mm的第二测试用例的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID嵌体的工作特性的曲线图；

图11示出了用于在直径分别为27mm、42mm和65mm的金属帽上、安装深度为18mm的第三测试用例的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID嵌体的工作特性的曲线图；

图12示出了用于在直径分别为27mm、42mm和65mm的金属帽上、安装深度为20mm的第四测试用例的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID嵌体的工作特性的曲线图；

图13示出了用于在直径分别为27mm、42mm和65mm的金属帽上、安装深度为22mm的第五测试用例的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID嵌体的工作特性的曲线图；

图14示出了在27mm金属帽上的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID镶嵌的工作特性的曲线图，以各种安装深度的作为函数；

图15示出了在42mm金属帽上的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID镶嵌的工作特性的曲线图，以各种安装深度的作为函数；

图16示出了在65mm金属帽上的示例性现有技术RFID嵌体和示例性“自调谐”RFID镶嵌的工作特性的曲线图，以各种安装深度的作为函数；以及，

图17示出了可以根据本公开原理工作的RFID嵌体的示例性替代设计。

具体实施方式

具有金属表面或包含液体的产品可以改变RFID标签的期望频率特性。因此，现有技术中的实践是使用RFID“标志标签，”其具有使用例如粘合剂固定到产品的第一部分和从产品向外延伸到自由空气中的第二“标志”部分，以便消除或最小化产品容器/内容物对RFID标签的频率响应/灵敏度的影响。然而，期望最小化RFID标签的尺寸，特别是“标志”部分的尺寸。本文公开的新的RFID标签设计帮助实现这些目标并提高RF性能/灵敏度。

图1示出了具有各种类型的容器和内容物的产品分类。产品可以包括纸、塑料、玻璃或金属容器，或其各种组合；这样的容器还可以具有包括不同材料(通常是塑料或金属)的帽或盖。该产品还可以容纳各种内容物，包括各种液体或凝胶。在现有技术中，可能需要标签的分类，每种类型都是针对特定产品而设计的。然而，根据本文公开的原理设计的RFID标签可以产生适用于广泛范围的产品的标签，而与容器的类型或其内容物无关。

现在参考图2，示出了示例性现有技术RFID嵌体210(在下文和附图中也被称为SMLGB4U8)与根据本文公开的原理设计的示例性“自调谐”RFID嵌体220(在下文中和在附图中还被称为SML GB26aU8)的比较。GB26aU8“自调谐”RFID嵌体220和GB4U8 RFID嵌体210的具体尺寸分别在图4和图5中示出；对于两种嵌体，天线由铝形成，嵌体具有9μm的厚度且设置在50μm PET基底上。嵌体210、220中的每一个被示出为具有定位在物体200上方的部分，物体200上方的每一个嵌体的部分被设计为在RFID标签的附着区域内。例如，嵌体可形成在包括附着区域和翼片区域的基底(未示出)上，附接区适于将RFID标签连接到物体(例如，销售产品)的表面，而翼片区域设计成延伸到自由空气中(即，不直接结合到物体)。RFID标签优选地包括设置在附着区域中的基底的至少一部分上的粘合装置，该粘合装置适于将RFID标签固定地附着到物体的表面。

示例性现有技术RFID嵌体210的特征在于对称设计，包括中心环形天线部分211和偶极天线部分212；偶极天线部分包括折叠的第一腿212-A和第二腿212-B，它们在相对侧上从中心环形天部分211向外延伸。大多数这样的现有技术RFID嵌体的偶极天线和环形天线都是对称的，并且环形天线的相对尺寸被选择为将偶极天线的阻抗调谐到适于RFID集成电路(IC；未示出)的适当值，该RFID集成电路通常在中心位置213处连接到环和偶极天线。

与示例性现有技术的对称的RFID嵌体210相比，示例性“自调谐”RFID嵌体220的特征在于非对称设计。类似于现有技术的RFID嵌体210，示例性的自调谐RFID嵌体220包括环形天线部分221和偶极天线部分222，偶极天线部分222包括折叠的第一腿222-A和第二腿222-B，它们在相对侧上从中心环形天线部分221向外延伸。RFID IC(未示出)连接到环和偶极天线位置223。然而，与示例性现有技术RFID嵌体210相比，环形天线部分221(包括第一环形部分221-A和第二环形部分221-B)不对称，偶极天线部分222的折叠的第一腿222-A和第二腿222-B也不对称。

示例性RFID嵌体220的设计克服了现有技术RFID嵌体210的某些缺陷；“自调谐”设计基于这样的认识，即一些物体，特别是具有附着有RFID标签的金属表面的物体和/或包含液体的物体，导致常规RFID标签期望工作频率的负偏移，该负偏移是接近物体表面/内容物的RFID嵌体的偶极天线部分的函数；相反，存在期望工作频率的正偏移，该正偏移是接近物体表面/内容物的RFID嵌体的环形天线部分的函数。通过调整偶极部分和环形部分的配置以平衡期望工作频率上的负偏移和正偏移，RFID标签可以在更广泛的容器材料/内容物之间附着到不同的物体，同时仍然保持良好的性能。对于图2中示出的示例性RFID嵌体220，环形天线部分221的特征在于首级环形部分221-A和次级转弯部分(dog-leg portion)221-B；随着更多的环形天线的转弯部分覆盖物体200，工作频率中更大的所得正偏移可以抵消由偶极天线在物体200上的覆盖导致的负偏移。通过成比例地调整将被粘贴到产品(特别是具有金属表面或包含液体的产品)的标签的偶极部分和环行部分的相对面积大小，可以最小化产品包装/内容物对RFID标签的频率灵敏度的影响。这样的设计还允许更多的RFID标签被粘附到产品上，从而优选地减小RFID标签的“标志”部分的尺寸。

现在参考图3，示出了图2的示例性“自调谐”RFID嵌体(GB26aU8)220在附着到诸如图1所示的各种产品时的工作特性的曲线图；该工作特性是足以从RFID IC读取所存储的信息的向前发射功率(“标签前向功率(dBm)”)。如图3中的图例所标识的，各个曲线图对应于RFID嵌体220在自由空气(FA)中和当附接到九种不同产品时的前向发射功率的测量，这九种产品包括塑料瓶装的果冻花生酱(JELLY-PB)、具有金属盖的玻璃瓶装的苹果汁(JUICE-GB)、塑料瓶装的洗发水(SHAMP)、带有塑料盖的金属瓶装的头发产品(HAIR-P)、聚碳酸酯容器装的冰茶(ICETEA-PC)、金属容器装的剃须膏(SHAVE-CB)、金属瓶装的香水(PERF)和大金属盖(LARGE-C)。可以看出，在多种产品/包装上的灵敏度几乎没有变化，并且性能实际上比标签在自由空气中的性能有所提高。将参照图6-16进一步示出和描述不同安装“深度”的性能范围(即，改变固定到物体的附着区域中的环形天线部分的尺寸)，以及与示例性现有技术GB4U8 RFID嵌体210相比，示例性“自调谐”GB26aU8 RFID嵌体220的改进的性能。

如图6所示，利用两个基本测试来进行概念验证；在一个测试中，“自调谐”GB26aU8RFID嵌体220的22mm与金属表面重叠(完全覆盖标签的附着部分的偶极部分222-B和环形天线的“自调式”或“调谐式”部分221-B)，以及在第二测试中，GB26aU8 RFID嵌体220的仅14mm与金属表面重叠(覆盖标签的附着部分的偶极部分222-B的一部分，而没有覆盖环形天线的“自调式”或“调谐式”部分221-B)。如上所述，概念验证测试证实，当环形天线不与金属表面重叠时，金属表面将偶极频率偏移得更低。然而，当环形天线与金属表面重叠时，则将使环路频率偏移得更高，从而补偿由偶极天线覆盖金属表面所引起的负偏移。当嵌体的安装从与金属表面重叠14mm递增地变化到22mm(如下文所述)时，偶极天线在金属表面上重叠的增加使工作频率逐渐偏移得更低，而环形天线的一部分重叠的增加使频率逐渐偏移得更高，从而自调节/补偿由于偶极天线引起的负偏移。

利用GB26aU8 RFID嵌体220，对具有不同直径(27mm/42mm/65mm)和不同重叠程度(14mm/16mm/18mm/20mm/22mm)的金属帽的产品进行设计概念的进一步测试，并与示例性现有技术GB4U8 RFID嵌体210的性能进行比较。图7示出了将嵌体安装到产品上的方式，以用于测试和比较；在测试期间使用的产品包括具有不同直径“X”(27mm/42mm/65mm)的金属盖720的玻璃容器710，并且RFID嵌体(示出为220)安装在不同的安装深度“Y”(14mm/16mm/18mm/20mm/22mm)。嵌体形成在由第一边缘731和第二边缘732以及中心折叠位置733物理限定的基底730上，附着区域包括基底730的在中心折叠部位和第一边缘713之间的区域，翼片区域包括在中心折叠部位733和第二边732之间的基底区域。在各种实施例中，RFID标签包括在基底730上的RFID嵌体220，中心折叠位置733可以是固定的或可变的；例如，如果是可变的，则针对标签可以附着到的不同物体类型，可以在标签上指示不同的位置(即，针对不同容器类型和/或不同内容物指示不同的位置)。

在FCC第15部分规则第15.247节中定义的条件下，允许在UHF频率下操作的RFID设备在工业、科学和医疗(Industrial,Scientific,and Medical,ISM)频带中操作。第15.247节定义了频带902-928MHz、2400.0-2483.5MHz和5725-5850MHz内的操作。902-928MHz频带提供最优的操作范围，并且通常对于供应链RFID应用是优选的。测试过程利用Voyantic的

1.将RFID标签(含GB4U8 RFID嵌体210或GB26aU8“自调谐”RFID嵌体220)以不同的重叠程度(14mm/16mm/18mm/20mm/22mm)贴在金属制品盖(27mm/42m/65mm)上；

2.将每个样品置于消声室中；

3.关闭消声室，使用Tagperformance Pro软件进行测试。

图9-16示出了图8中确定的测试用例的测量结果；首先，作为每个安装深度的不同金属帽尺寸的函数(图9至13)，其次，作为各个帽尺寸的不同深度的函数(图14至16)。从图中可以看出并且在下文中描述，对于自调谐GB26aU8RFID嵌体220，测量结果的可变性明显小于示例性现有技术的GB4U8 RFID嵌体210，这两者都是不同金属帽尺寸和安装深度的函数。

参考图9，上面的曲线图示出了自调谐RFID嵌体(GB26aU8)220在自由空间(FA)中以及在27mm、42mm和65mm的金属帽尺寸上的14mm的安装深度处的测试结果；下面的曲线图示出了示例性的现有技术RFID嵌体(GB4U8)210的类似测试结果。从下面的曲线图中可以看出，对于GB4U8，有效读取标签所需的前向发射功率(“标签前向功率(dBm)”)的变化是显著的，其作为金属帽尺寸的函数并且在优选的902-928MHz频带上。相反，如上面的曲线图所示，GB26aU8在该频带内具有更平坦的特性，并且功率始终较低并且几乎没有变化。安装深度分别为16mm、18mm、20mm和22mm时，可在图10-13中观察到类似的试验结果。

图14、15和16所示数据与图9-13所示数据相同，但对于每种金属盖尺寸(分别为27mm、42mm和65mm)，其安装深度(14mm/16mm/18mm/20mm/22mm)不同。例如，图14的上图示出了自调谐RFID嵌体(GB26aU8)在自由空气(FA)中以及在27mm的金属帽尺寸上的14mm、16mm、18mm、20mm和22mm的安装深度处的测试结果；下面的曲线图示出示例性现有技术RFID嵌体(GB4U9)的测试结果。从下面的曲线图中可以看出，对于GB4U8的所有安装深度，有效读取标签所需的前向发射功率的变化都是显著的。相反，如上面的曲线图所示，GB26aU8在相同频带内具有更平坦的特性，并且功率始终较低，并且对于所有安装深度几乎没有变化。在图15和16中可以分别看到对于42mm和65mm的金属盖尺寸的类似测试结果。

上文说明了可以通过选择性地配置RFID偶极天线和环形天线的将覆盖产品表面的相对部分来设计“自调谐”(可选地，“自调节”、“自补偿”、或“自动调节”或“自动补偿，”但不限于此)RFID嵌体；特别是对于具有金属表面或液体内容物的产品/包装。从设计的观点来看，从给定的偶极布局开始，环形天线的一部分优选地被设计成延伸到用于嵌体的安装区域中，使得随着嵌体在产品表面上的重叠成都逐渐增加，它将逐渐地正向偏移嵌体的工作频率，以补偿由于偶极部分导致的负偏移。可替换地，嵌体的设计可以从用于安装区域内的环形天线的一部分的给定布局进行，将安装区域中的偶极部分设计为随着嵌体在产品表面上的覆盖逐渐增加而逐渐地负向偏移嵌的地工作频率，以补偿由于环形部分导致的正偏移。嵌体的总体设计可以是对称的或非对称的，并且偶极天线和环形天线可以具有任何期望的形状，只需要环的一部分位于标签的待固定到产品的部分上(例如，“安装区域”或“附着区域”)；该部分相对于偶极的也位于标签的待固定到产品的部分上的部分进行调节。在图17中示出了一些示例性替代设计，包括非对称设计1710、1730和对称设计1720；在本文公开的原理的范围内设想了其它设计。