專利名稱：用于輪胎的射頻天線及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種用于嵌入在有傳導(dǎo)性的、介電材料(例如，輪胎橡膠)內(nèi)的射頻天線，以及在有傳導(dǎo)性的、介電材料內(nèi)嵌入射頻天線的方法。
背景技術(shù)：
與輪胎整合在一起的電子裝置能夠在制造、銷售和使用期間提供識別和跟蹤的功能。這些電子裝置也能夠用于在輪胎的使用期間測量例如壓力和溫度的物理參數(shù)。許多系統(tǒng)利用了輪胎與外部監(jiān)控和詢問裝置之間的射頻通信。射頻通信鏈接要求一個或多個天線。
可以獲得一些安裝到輪胎或車輪表面或結(jié)合在輪胎充氣閥門中的系統(tǒng)。期望一種電子裝置和直接連接到輪胎表面或嵌入在輪胎結(jié)構(gòu)中的天線，作為提供永久的防震蕩的整合。然而，天線直接接觸或嵌入在輪胎中存在困難。射頻能量沿著天線表面?zhèn)鞑ァＬ炀€必須通過周圍的通常用于構(gòu)成輪胎的彈性材料發(fā)射射頻。但是，這樣的材料通常是導(dǎo)電的，并具有相對較高的介電常數(shù)，通常為3或更大。與天線接觸的導(dǎo)電材料容易耗散在天線表面上傳播的射頻能量。此外，與天線接觸的具有傳導(dǎo)性的介電材料允許射頻電流在天線的兩個相鄰的饋電點(diǎn)之間通過，也耗散射頻能量。耗散的問題隨頻率而增加，尤其在位于或高于非常高的頻率(130MHz)工作時更為明顯。此外，天線在例如輪胎橡膠的介電材料內(nèi)的放置會導(dǎo)致天線的諧振和阻抗發(fā)生明顯的改變，使天線從電的立場來看比暴露在空氣中顯得更長。因此，必須通過縮短天線或通過增加適當(dāng)?shù)碾娍惯M(jìn)行修正。
最后，當(dāng)嵌入或以其它方式將天線設(shè)置成與輪胎直接接觸時也會遇到物理問題。例如，天線(通常是金屬元件)必須粘著在橡膠材料上以確保定位。此外，天線材料必須承受輪胎運(yùn)行中的周期應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)將在下面的說明中被部分闡述，或者根據(jù)說明書或通過本發(fā)明的實(shí)施方式而更加明顯。
本發(fā)明提供一種用于嵌入在有傳導(dǎo)性的介電材料(例如，輪胎橡膠)內(nèi)的射頻天線，以及在有傳導(dǎo)性的介電材料內(nèi)嵌入射頻天線的方法。本發(fā)明對于高頻傳輸特別有效，并改善通信范圍。本發(fā)明也提供在天線處理和調(diào)諧方面的改進(jìn)。
在示意性的實(shí)施例中，提供一種與有傳導(dǎo)性的介電材料整合在一起的射頻裝置。該裝置包括用于發(fā)射無線電信號、接收無線電信號、反射無線電信號或其組合的無線電組件。天線連接到無線電組件。提供基本上至少覆蓋該天線的粘合層，如果需要也可覆蓋無線電組件。絕緣層通過該粘合層貼在天線上。絕緣層用于至少使天線與有傳導(dǎo)性的介電材料絕緣，也可用于使該無線電組件與有傳導(dǎo)性的介電材料絕緣。該絕緣層的相對介電常數(shù)小于有傳導(dǎo)性的介電材料的相對介電常數(shù)。在某些實(shí)施例中，絕緣層被構(gòu)成在工作頻率具有大約為6或更小的相對介電常數(shù)。對于絕緣層可使用各種材料，二氧化硅增強(qiáng)高彈體(silica reinforced elastomer)是可供選擇的一種材料?？衫貌煌穸鹊慕^緣層，對于絕緣層固化后的厚度優(yōu)選的是至少0.3mm。在某些實(shí)施例中，絕緣層被構(gòu)成在工作頻率提供大約0.6或更少的介電損失。在本發(fā)明其它的實(shí)施例中，絕緣層被構(gòu)成在工作頻率具有大約0.6或更少的介電損失，至少大約1012ohms/cm2的表面電阻率，以及至少大約1013ohms/cm3的體積電阻率。本發(fā)明可用于輪胎中的有傳導(dǎo)性的介電材料。在這樣的情況下，絕緣層被構(gòu)成用于粘結(jié)到輪胎上或可被構(gòu)成用于嵌入在輪胎的材料中。盡管其它的工作頻率也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但在某些實(shí)施例中，本發(fā)明包括工作在至少130MHz頻率的無線電組件。
在另一個示意性實(shí)施例中，提供一種具有整合在輪胎內(nèi)的射頻裝置的輪胎。射頻裝置包括用于發(fā)射無線電信號、接收無線電信號、反射無線電信號或其組合的無線電組件。天線連接到無線電組件。提供基本上至少覆蓋該天線的粘合層，如果需要也可覆蓋無線電組件。絕緣層通過該粘合層貼在天線上。絕緣層用于至少使天線與輪胎絕緣，也可用于使該無線電組件與輪胎絕緣。當(dāng)該裝置用在輪胎時，該絕緣層的相對介電常數(shù)小于接近天線的至少一部分輪胎的相對介電常數(shù)。
本發(fā)明還提供一種用于組裝供通常在輪胎中的有傳導(dǎo)性的介電材料使用的射頻天線的方法。在本發(fā)明的一種示意性方法中，提供一種用于產(chǎn)生供輪胎使用的射頻天線的方法，其包括以下步驟。提供用于發(fā)射無線電信號、接收無線電信號或發(fā)射和接收無線電信號的無線電組件。天線連接到無線電組件。粘合層用于至少覆蓋該天線，如果需要也可用于覆蓋無線電組件。絕緣層被施加到天線上并被過該粘合層粘結(jié)。絕緣層用于至少使天線與輪胎絕緣，也可用于使該無線電組件與輪胎絕緣。選擇絕緣層使其相對介電常數(shù)小于輪胎的相對介電常數(shù)。
參照下面的說明書和后面的權(quán)利要求書將更易于理解本發(fā)明的這些和其它的特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與說明書一起用于說明本發(fā)明的原理。


圖1是按照本發(fā)明示意性實(shí)施例的具有天線的電子裝置的示意圖；圖2是輪胎的剖面圖，顯示了按照本發(fā)明示意性實(shí)施例的具有天線的電子裝置的可選放置；圖3是沿圖1中線3-3的示意性實(shí)施例的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了按照本發(fā)明的在輪胎114(圖2)中的絕緣射頻裝置110的示意性實(shí)施例。裝置110包括無線電組件111和天線112。裝置110可以是識別和跟蹤裝置，例如可用在制造、分散和銷售活動中。裝置110也可以是或包括用于在工作期間測量輪胎內(nèi)溫度、壓力或其它物理參數(shù)的監(jiān)控裝置。例如，裝置110的天線112可通過射頻用于向或從外部裝置發(fā)射、接收和/或反饋信息。另一個例子是，天線112也可用于從輪胎114外部的詢問裝置接收能量。這樣的射頻裝置110可用作接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、應(yīng)答器或反射器，因?yàn)楸景l(fā)明的天線可用于所有的這些裝置，在隨后的說明中，術(shù)語“射頻裝置”的范圍是廣泛的。
如圖2所示，裝置110可有利地定位在輪胎114中多個不同的位置。作為示例，裝置110可放置在輪胎面119中，輪胎胎圈115附近或在輪胎赤道113上。單個輪胎114可包括一個或多個這樣的裝置110，例如，如果需要在輪胎114中不同的位置監(jiān)控物理參數(shù)或監(jiān)控不同的參數(shù)。裝置110可作為粘附在輪胎114表面的補(bǔ)片130形成?；蛘撸b置110可嵌入在輪胎114的結(jié)構(gòu)內(nèi)或形成輪胎114內(nèi)表面的分層的橡膠材料中。例如，射頻裝置110可定位在胎體簾布層116與內(nèi)襯121之間，胎體簾布層116與側(cè)壁117之間，和/或帶式包裝(belt package)118與輪胎面119之間。通過“整合”，發(fā)明人參照了一些用于將具有天線112和無線電組件111的裝置110組合在輪胎中的所述技術(shù)。
該輪胎結(jié)構(gòu)中使用的材料，例如橡膠，通常是導(dǎo)電的，一般是因?yàn)樘亢诘袝r也因?yàn)槠渌脑鰪?qiáng)填充物。射頻天線與輪胎橡膠材料之間的直接接觸對于天線發(fā)射能量的能力是有害的。射頻能量沿著天線表面?zhèn)鞑?，即所謂的“表面效應(yīng)”。與天線表面接觸的導(dǎo)電材料容易通過渦流耗散能量。此外，該導(dǎo)電材料也允許射頻能量在天線的兩個臨近的饋電點(diǎn)132和134之間通過，這也耗散能量。作為示例，通常用在輪胎側(cè)壁中的橡膠可以具有高達(dá)12的介電常數(shù)。這使得天線的有效傳輸距離下降。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)包括915MHz RFID芯片的裝置在空氣中具有42英寸的傳輸范圍，該915MHz RFID芯片具有83mm的半波長偶極子長度的天線。但是，當(dāng)嵌入在傳統(tǒng)的輪胎橡膠中時，該裝置僅具有4英寸的傳輸范圍。
為了克服有效范圍的損失，需要適當(dāng)?shù)牟牧?，以使天線與輪胎結(jié)構(gòu)的高介電常數(shù)且導(dǎo)電的材料絕緣。在申請人受讓而擁有的先前提交的優(yōu)先權(quán)申請，即2004年2月10日提交的美國申請No.10/775,623(其以引用方式整體并入本文)中，其所公開的是通過為天線112提供在天線112與構(gòu)成輪胎114的彈性材料之間的單層絕緣材料而改進(jìn)傳輸?shù)陌l(fā)現(xiàn)。在所述的至少一個示意性實(shí)施例中，從涂層形成未固化狀態(tài)下厚度為0.02mm的絕緣材料，其是垂直于天線112測量的，這個厚度在輪胎114的有傳導(dǎo)性的高彈體與天線112之間提供了充分的間隔，以避免向彈性材料透膠(bleed-through)放電。對于先前所述的實(shí)施例，涂層材料的介電常數(shù)小于用于構(gòu)成輪胎114的高彈體的介電常數(shù)，并且優(yōu)選的小于3。還指出的是涂層材料優(yōu)選的具有至少1012ohms/cm2的表面電阻率，至少109ohms/cm3的體積電阻率，以及小于0.03的耗散因數(shù)?？捎糜谛纬蛇@樣的涂層材料的材料包括電收縮管形材料、熱塑性聚碳酸酯、聚丁橡膠、低碳橡膠(低碳被定義為橡膠混合物具有按重量計小于10％的炭黑)、兌金屬粘合劑的異氰酸酯基橡膠(粘合劑如Chemlok(牌)TS3604-50粘合劑(可從Lord公司的化學(xué)產(chǎn)品部分獲得，公司在2000 Weat Grand View Boulevard，Erie，賓夕法尼亞州))、聚乙烯、絕緣清漆、環(huán)氧樹脂、TPE纖維素乙酸酯、聚對-亞二甲苯(polypara-xylylene)(通常稱為“聚對二甲苯”)、以及絕緣聚酯清漆。這些材料包括某些優(yōu)點(diǎn)，包括以預(yù)期厚度施加以及與可能的天線材料(例如黃銅或鋼)的良好附著的能力。對于至少一個示意性實(shí)施例，在先前申請中充分公開了具有至少0.02mm厚度的適當(dāng)材料的涂層，以便獲得讀取范圍的有效增加，優(yōu)選的厚度至少為0.1mm。
在本發(fā)明中，申請人發(fā)現(xiàn)了用于使天線元件與輪胎絕緣的其它方法，其提供了在天線調(diào)諧與處理方面的改進(jìn)。更具體地，本發(fā)明允許使用相對介電常數(shù)充分小于用于構(gòu)成輪胎的材料的相對介電常數(shù)的絕緣材料，因此天線信號沒有受到不可接受的損失。例如，使用本發(fā)明，在工作頻率可以使用高達(dá)6或更低的相對介電常數(shù)。一般而言，因?yàn)楣┹喬ナ褂?，所以工作頻率通常在至少130MHz范圍內(nèi)。
對于權(quán)利要求書和說明書，使用下面的定義電容率＝e′+je″相對介電常數(shù)＝e′/e。
介電損失＝e″/e。
其中，e。是自由空間的電容率，e″是給定材料的介電損失。
返回到裝置110并具體參照圖1和圖3，作為可選的單層絕緣材料，相對薄的粘合層或?qū)?22施加在天線112上。涂覆的天線112的周圍是相對介電常數(shù)充分小于輪胎114周圍的相對介電常數(shù)的絕緣層124，因此對于預(yù)期的應(yīng)用和工作頻率，天線112的有效傳輸范圍沒有受到不可接受的損害。優(yōu)選的，絕緣層124具有大約為6或更小的介電常數(shù)。另外且優(yōu)選的，絕緣層124具有等于或大于1012ohms/cm2的表面電阻率，以及等于或大于1013ohms/cm3的體積電阻率。使用此處公開的技術(shù)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解按照本發(fā)明可使用具有其它相對介電常數(shù)和電阻率值的材料。
僅作為示例，粘合層122可由Lord公司制造的命名為Chemlok8210的粘合劑構(gòu)成，該粘合劑使用底漆Chemlok 8007而施加。在此情況下，層122能夠被施加的相對較薄，厚度大約0.1mm。此外，僅作為示例，絕緣層124可由二氧化硅增強(qiáng)高彈體構(gòu)成，二氧化硅增強(qiáng)高彈體具有大約為4或更小的相對介電常數(shù)、等于或大于1012ohms/cm2的表面電阻率以及等于或大于1013ohms/cm3的體積電阻率。使用所述的這些材料，天線112周圍的二氧化硅增強(qiáng)高彈體固化后的厚度(在最薄點(diǎn))應(yīng)當(dāng)是0.3mm。構(gòu)成上述的裝置110并使用這些示意性的材料，在工作頻率能夠獲得可接受的傳輸范圍和僅大約為0.2或更小的介電損失。使用所述的技術(shù)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明白對于粘合層122和層124可使用各種其它的材料，上述的例子僅是示例性的并不限制本發(fā)明。
在一個示意性實(shí)施例中，按照本發(fā)明的構(gòu)成裝置110的方法包括提供和連接無線電組件111與天線112的步驟，使用粘合層122涂覆組件111和天線112的步驟，以及然后將絕緣層124施加到粘合層122的步驟。根據(jù)粘合層122和層124所選的材料，可能使用額外的固化步驟以提供粘合層122和絕緣層124的粘結(jié)，和/或粘合層122與天線112和無線電組件111之間的粘結(jié)。如果必要，能夠通過嘗試各種長度的天線112來優(yōu)化裝置110，以便調(diào)諧半波長偶極子長度直到實(shí)現(xiàn)預(yù)期的讀取范圍?；蛘撸梢允褂镁W(wǎng)絡(luò)分析器確定嵌入在具體輪胎中的天線112的共振頻率，以降低找到最佳長度的反復(fù)次數(shù)。
所述使用裝置110的示意性實(shí)施例的本發(fā)明提供了多種優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)。盡管圖1至3顯示的天線112為正弦曲線，但是天線112也可以由螺旋彈簧構(gòu)成。在此情況下，絕緣層124被施加到天線112，使得由層124占據(jù)螺旋中心的空間。與具有高介電常數(shù)的相對導(dǎo)電材料(例如輪胎橡膠材料)被緊密連接到天線的無源近場的構(gòu)造(該結(jié)構(gòu)容易解諧天線并吸收能量)相比，這樣的構(gòu)造提供了改進(jìn)的傳輸和調(diào)諧能力。
此外，由于絕緣層124提供在天線112與構(gòu)成輪胎114的有傳導(dǎo)性的介電材料之間，所以能夠降低粘合層122的厚度而不犧牲性能。因?yàn)橥ǔＤ軌蛟趩尾襟E而不是多步涂覆中施加粘合層122以確保厚度和完全覆蓋，因此改進(jìn)了制造過程。此外，因?yàn)榇嬖诮^緣層124所以粘合層122不必由非導(dǎo)電材料構(gòu)成。因此，增加了可用作粘合層122的適當(dāng)材料的范圍，這樣的材料具有很好的適于與輪胎114整合的特性。例如，這種材料的粘性方便在輪胎114的結(jié)構(gòu)組件內(nèi)放置裝置110，也方便作為補(bǔ)片130來制造裝置110用于放置在輪胎114的表面。僅作為示例，絕緣層114能夠作為片來施加，使得裝置110夾在其間，以產(chǎn)生用于嵌入在輪胎114內(nèi)或用于放置在輪胎表面上的結(jié)構(gòu)。然后使用一步或多步固化步驟來粘結(jié)輪胎114、粘合層122和/或絕緣層124。使用此處公開的技術(shù)的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識到能夠使用各種方法來整合裝置110。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解在不脫離權(quán)利要求的范圍和實(shí)質(zhì)的情況下，可對此處所述的裝置和方法進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明傾向于包括落于權(quán)利要求以及等價物所限定的范圍內(nèi)的這樣的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于與有傳導(dǎo)性的介電材料整合在一起的射頻裝置，所述裝置包括用于發(fā)射無線電信號、接收無線電信號或發(fā)射和接收無線電信號的無線電組件；連接到所述無線電組件的天線；基本上至少覆蓋所述天線的粘合層；以及通過所述粘合層貼在所述天線上的絕緣層，所述絕緣層用于至少使天線與有傳導(dǎo)性的介電材料絕緣，所述絕緣層的相對介電常數(shù)小于有傳導(dǎo)性的介電材料的相對介電常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中所述絕緣層在工作頻率具有大約為6或更小的相對介電常數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中所述絕緣層由二氧化硅增強(qiáng)高彈體構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中所述絕緣層固化后的厚度至少為0.3mm。
5.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中所述絕緣層在工作頻率提供大約0.6或更少的介電損失。
6.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中所述絕緣層在工作頻率具有大約0.6或更少的介電損失，至少大約1012ohms/cm2的表面電阻率，以及至少大約1013ohms/cm3的體積電阻率。
7.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中有傳導(dǎo)性的介電材料存在于輪胎中，所述絕緣層被構(gòu)成用于粘結(jié)到輪胎上。
8.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中有傳導(dǎo)性的介電材料存在于輪胎中，所述絕緣層被構(gòu)成用于嵌入在輪胎中。
9.如權(quán)利要求1所述的射頻裝置，其中所述無線電組件工作在至少130MHz的頻率。
10.一種具有整合在其內(nèi)的射頻裝置的輪胎，所述射頻裝置包括用于發(fā)射無線電信號、接收無線電信號或發(fā)射和接收無線電信號的無線電組件；連接到所述無線電組件的天線；基本上至少覆蓋所述天線的粘合層；以及通過所述粘合層貼在所述天線上的絕緣層，所述絕緣層用于至少使所述天線與所述輪胎絕緣，當(dāng)天線用在所述輪胎中時，所述絕緣層的相對介電常數(shù)小于接近所述天線的至少一部分輪胎的相對介電常數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的輪胎，其中所述絕緣層在所述無線電組件的工作頻率具有大約為6或更小的相對介電常數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的輪胎，其中所述絕緣層包括二氧化硅增強(qiáng)高彈體。
13.如權(quán)利要求12所述的輪胎，其中所述絕緣層固化后的厚度至少為0.3mm。
14.如權(quán)利要求13所述的輪胎，其中所述絕緣層在工作頻率提供大約0.6或更少的介電損失。
15.如權(quán)利要求13所述的輪胎，其中所述絕緣層在工作頻率提供大約0.6或更少的介電損失，至少大約1012ohms/cm2的表面電阻率，以及至少大約1013ohms/cm3的體積電阻率。
16.如權(quán)利要求13所述的輪胎，其中所述無線電組件工作在至少130MHz的頻率。
17.一種用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，包括以下步驟提供用于發(fā)射無線電信號、接收無線電信號或發(fā)射和接收無線電信號的無線電組件；提供連接到所述無線電組件的天線；使用粘合劑至少涂覆所述的天線；以及通過所述粘合層將絕緣層施加到所述天線上，所述絕緣層用于至少使所述天線與輪胎絕緣，所述絕緣層的相對介電常數(shù)小于輪胎的相對介電常數(shù)。
18.如權(quán)利要求17所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，還包括將所述絕緣層、天線和無線電組件與輪胎整合在一起的步驟。
19.如權(quán)利要求17所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，還包括將所述絕緣層、天線和無線電組件嵌入在輪胎中的步驟。
20.如權(quán)利要求17所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，還包括將所述絕緣層固定到輪胎上的步驟。
21.如權(quán)利要求17所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，其中輪胎由彈性材料構(gòu)成，并且還包括針對所述彈性材料的共振頻率調(diào)諧所述天線的步驟。
22.如權(quán)利要求17所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，其中輪胎由彈性材料構(gòu)成，并且還包括使所述絕緣層與所述彈性材料固化的步驟。
23.如權(quán)利要求22所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，其中所述絕緣層在固化步驟之后具有至少為0.3mm的厚度。
24.如權(quán)利要求17所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，其中所述絕緣層在工作頻率具有大約6或更小的相對介電常數(shù)。
25.如權(quán)利要求24所述的用于組裝供輪胎使用的射頻裝置的方法，其中所述絕緣層由二氧化硅增強(qiáng)高彈體構(gòu)成。
全文摘要
提供一種用于嵌入在有傳導(dǎo)性的、介電材料(例如，輪胎橡膠)內(nèi)的射頻天線，以及在這樣的材料內(nèi)嵌入射頻天線的方法。對于高頻傳輸，提供改進(jìn)的通信范圍以及在天線處理和調(diào)諧方面的改進(jìn)。
文檔編號H01Q9/16GK1674352SQ20051005696
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者J·D·阿達(dá)姆松, C·E·凱利, C·E·史密斯, C·莫蘭德 申請人:米其林技術(shù)公司, 米其林研究和技術(shù)股份有限公司