專利名稱：一種擴(kuò)大低頻或高頻rfid系統(tǒng)閱讀范圍的天線設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及RFID系統(tǒng)閱讀器天線，尤其是一種擴(kuò)大低頻或高頻RFID系統(tǒng)閱讀范圍的 天線設(shè)計方法，適用于在采用低頻或高頻RFID系統(tǒng)對較大空間中存放物品進(jìn)行識別，它 能在小電流工作的情況下擴(kuò)大RFID閱讀器的工作區(qū)域且在閱讀器天線線圈的中心區(qū)域 無閱讀盲區(qū)。
背景技術(shù)：
典型的射頻識別RFID系統(tǒng)包括RFID標(biāo)簽(也稱電子標(biāo)簽，應(yīng)答器)、RFID閱讀器(也 稱讀寫器，讀頭)以及主系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理單元(通常為計算機(jī)(PC機(jī)))。RFID閱讀器發(fā)送一定 頻率的射頻信號在天線線圈周圍產(chǎn)生電磁場(天線工作區(qū)域)，若RFID標(biāo)簽在RFID閱讀器 天線產(chǎn)生的電磁場中，RFID標(biāo)簽天線會感應(yīng)電磁場的能量，并在電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流， RFID標(biāo)簽獲得能量被激活；RFID標(biāo)簽將其專用集成芯片中的編碼信息調(diào)制到載波上形成 射頻信號，通過RFID標(biāo)簽天線發(fā)送出去，RFID標(biāo)簽發(fā)送的射頻信號產(chǎn)生的電磁場會使閱 讀器天線產(chǎn)生的電磁場發(fā)生波動；RFID閱讀器的天線感應(yīng)周圍電磁場的波動，并將從電 磁場的波動中產(chǎn)生的感應(yīng)電流送到RFID閱讀器進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送主系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理 單元進(jìn)行相關(guān)處理。在以13.56MHz為代表的高頻和以125KHz為代表的低頻RFID系統(tǒng)中, RFID閱讀器的天線工作區(qū)域與閱讀器的天線線圈的輸出電流、天線線圈的大小和流過電 流的線圈導(dǎo)體邊與線圈中心的距離有關(guān)。在很多以13.56MHz為代表的高頻和以125KHz 為代表的低頻RFID系統(tǒng)的應(yīng)用場合下，需要知道較大空間范圍中物品的信息。通常的 RFID系統(tǒng)因閱讀器輸出電流較小(閱讀器的輸出電流是限定的)導(dǎo)致天線工作區(qū)域過小， 對較大空間范圍中存放的物品進(jìn)行識別時需要較多的RFID閱讀器或添加協(xié)調(diào)多個天線 工作的控制電路(稱作天線合路器)，增加了閱讀器閱讀標(biāo)簽的時間和組建系統(tǒng)的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種擴(kuò)大低頻或高頻RFID系統(tǒng)閱讀范圍的 天線設(shè)計方法。本發(fā)明也是本申請人在先提交的"一種對多層箱體中存放物品的識別與 定位方法"發(fā)明專利的后續(xù)申請。在先申請的內(nèi)容是設(shè)置一個閱讀器與多付空間分離的 閱讀器天線通過多天線尋讀接口電路相連，每付天線有各自工作區(qū)域并都有一個自己的 子地址號碼，配合RFID閱讀器標(biāo)識地址構(gòu)成物品的完全地址，該地址碼與其實(shí)際的物理 位置一一對應(yīng)。多付空間分離的閱讀器天線可嵌入在多層箱體擺放物品的分層抽屜底層 或其它設(shè)有分層結(jié)構(gòu)的桌子、物品架、盒子中。
本發(fā)明上述目的通過以下方法實(shí)現(xiàn) 一種擴(kuò)大低頻或高頻RFID系統(tǒng)閱讀范圍的天線 設(shè)計方法，多付空間分離的閱讀器天線通過多天線尋讀接口電路相連，其特征是每付 閱讀器天線線圈由多個小線圈采用并聯(lián)和串聯(lián)組合的方式連接構(gòu)成，相鄰小線圈的相鄰 邊的電流方向相反，阻抗匹配電路呈容性且與呈感性的天線線圈諧振在閱讀器的工作頻 率上。
所說小線圈可制成包括三角形、長方形、正方形、圓形、橢圓形、多邊形的形狀，依 據(jù)天線欲覆蓋面積的形狀，多個小線圈并聯(lián)和串聯(lián)組合后與之匹配。小線圈的數(shù)量通過 計算線圈產(chǎn)生的磁通量滿足設(shè)計要求決定。
根據(jù)閱讀器工作頻段，以13. 56MHz為代表的高頻頻段或以125KHz為代表的低頻頻段， 天線的電感取值范圍計算得到的繞制閱讀器天線線圈的估計長度的導(dǎo)體繞制線圈，繞制 的線圈大小依據(jù)以下因素確定(1)小線圈繞制的圈數(shù)，(2)閱讀器的輸出電流，(3)天 線線圈的中心仍有較強(qiáng)的電磁場強(qiáng)度以正確讀出位于其中的標(biāo)簽，(4)需要覆蓋的區(qū)域， (5)天線在諧振頻率處的反射系數(shù)要低于-10dB。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果通常情況下，閱讀器是接一個單線圈天線的，用組合線圈 的方法形成的天線未見公開。本發(fā)明采用多個小線圈串并聯(lián)結(jié)合形成的閱讀器天線，由 于單個小線圈占用的面積小，其工作時需要覆蓋的區(qū)域也小，每個小線圈的中心處距離
通電的導(dǎo)線邊的距離較近，因而在小線圈的中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度也較大，即使在RFID閱讀 器的輸出為小電流時，在單個小線圈的中心也不會出現(xiàn)閱讀盲區(qū)，能夠有效地識別放置 在閱讀器天線工作區(qū)域中的標(biāo)簽，從而擴(kuò)大了以13.56MHz為代表的高頻和以125KHz為 代表的低頻RFID系統(tǒng)閱讀器天線的工作區(qū)域。本發(fā)明設(shè)計的閱讀器天線可以在同一層面 靈活布局，提高了閱讀器天線產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度，進(jìn)而提高了閱讀器識別標(biāo)簽的效率， 同時，本發(fā)明使用多個小線圈以串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合的方式進(jìn)行連接，擴(kuò)大了單個閱讀器天 線的工作區(qū)域，使閱讀器能夠閱讀較大區(qū)域中的標(biāo)簽的信息，降低了 RFID系統(tǒng)的成本。 無論是四邊形組合、三角形組合，還是圓形組合，只要這些組合構(gòu)成一個獨(dú)立的天線， 均可以連接到多天線巡讀接口電路的任一個輸出接口。


圖l是單個小長方形天線線圈電流方向與產(chǎn)生的磁場方向間關(guān)系示意圖2是四個小長方形天線線圈在組成覆蓋較大區(qū)域的天線線圈時的排列示意圖3是由四個小線圈組成的閱讀器天線示意圖4一11是依據(jù)天線欲覆蓋面積的形狀，多個小線圈并聯(lián)和串聯(lián)組合的幾種方式。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明方法進(jìn)一步說明。
參看圖1，繞制小長方形天線線圈1的導(dǎo)體的長度是根據(jù)閱讀器工作頻段天線的電感 取值范圍依據(jù)導(dǎo)體的材料和直徑計算出來的，該長度只是一個估計長度，可以有一定的 增減；小長方形線圈1的邊長是根據(jù)覆蓋區(qū)域、繞制線圈的圈數(shù)和使天線線圈1的中心 不出現(xiàn)閱讀盲區(qū)確定的。若按圖中所畫的方向為電流流動的方向2，則小長方形天線線圈 l在有電流流過時，產(chǎn)生的電磁場方向為在小長方形的外部是背離紙面3，在小長方形的 內(nèi)部是穿出紙面4。
參看圖2，按圖中所示電流方向ll通電時，四個小長方形天線線圈12、 13、 14、 15 在線圈的外部產(chǎn)生背離紙面的電磁場方向16，在線圈的內(nèi)部產(chǎn)生穿出紙面的電磁場方向 17，這樣相鄰的小長方形天線線圈12、 13、 14、 15間的電磁場方向相同(背離紙面16)， 使其產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度相互加強(qiáng)。相鄰小長方形間的距離約為小長方形短邊長度的1/4 1/3。四個小長方形線圈在連接時，線圈12和線圈13串聯(lián)后的支路，與線圈14和線圈15串聯(lián)后的支路并聯(lián)連接，防止單純采用并聯(lián)或串聯(lián)方式而使流過小線圈的電流過小和 天線線圈的總電感超出允許值。
參看圖3，天線的饋線21采用的是特性阻抗為50Q的同軸電纜，阻抗呈容性的匹配電 路22與阻抗呈感性的天線線圈23諧振在閱讀器的工作頻率上，同時，阻抗匹配電路22 將天線線圈23的阻抗轉(zhuǎn)換成阻抗為50Q的純電阻，防止在通過高頻電壓時饋線出現(xiàn)功 率反射、阻抗變換和寄生功率輻射等現(xiàn)象，阻抗匹配電路22靠近天線線圈23端的電阻 的作用是增大天線的通頻帶。
圖4是覆蓋長方形區(qū)域的三角形組合線圈圖，由六個小三角形線圈組合而成的組合線 圈，其中，小線圈31和32, 33和34, 35和36先分別并聯(lián)，然后三個并聯(lián)后的小線圈組 合再串聯(lián)，也可以如圖5所示覆蓋長方形區(qū)域的另一種連接方式的三角形組合線圈圖， 小線圈31、 33和35， 32、 34和36先分別串聯(lián)，然后二個三組合線圈再并聯(lián)(圖中的虛 線表示從背面走線，線與線相交叉時有參表示幾個點(diǎn)連接起來，無參表示不連接)。圖4 與圖5同樣是六個小三角形線圈組合，覆蓋形狀也相同，所得效果也完全相同，只是小 三角形線圈間的串、并聯(lián)方式不同。
圖6是四層組合天線線圈圖，組合線圈41、 42、 43、 44分別是圖2所示的組合線圈， 其中，組合線圈41和42,43和44先分別串聯(lián)，然后二個串聯(lián)后的組合線圈再并聯(lián)，可 以覆蓋具有分層結(jié)構(gòu)的箱體、物品架等。
圖7是覆蓋具有拐角形狀區(qū)域的組合線圈圖，由六個小線圈組合而成，其中，小線圈 51、 52和53， 54、 55和56先分別串聯(lián)，然后二個串聯(lián)后的小線圈組合再并聯(lián)。
圖8是覆蓋具有斜拐角形狀區(qū)域的組合線圈圖，由七個小線圈組合而成，其中，小線 圈61、 62、 63和64， 65、 66和67先分別串聯(lián)，然后二個串聯(lián)后的小線圈組合再并聯(lián)。
圖9是覆蓋三角形區(qū)域的組合線圈圖，由九個小線圈組合而成，其中，小線圈71、 72 和73， 74、 75和76， 77、 78和79先分別串聯(lián)，然后三個串聯(lián)后的小線圈組合再并聯(lián)。
圖10是覆蓋圓環(huán)區(qū)域的組合線圈圖，由十二個小扇形線圈組合而成，其中，小線圈 101、 102和103， 104、 105和106， 107、 108和109， 110、 111禾B 112先分別串聯(lián)，然 后四個串聯(lián)后的組合線圈再并聯(lián)，對于覆蓋較小的圓環(huán)區(qū)域或圓形區(qū)域的組合線圈，可 以采用如圖11所示的覆蓋圓環(huán)的另一種組合線圈圖，小線圈101和102、 103和104、 105 和106、 107和108先分別串聯(lián)，然后四個串聯(lián)后的小組合線圈再并聯(lián)。
權(quán)利要求
1、一種擴(kuò)大低頻或高頻RFID系統(tǒng)閱讀范圍的天線設(shè)計方法，多付空間分離的閱讀器天線通過多天線尋讀接口電路相連，其特征是每付閱讀器天線線圈由多個小線圈采用并聯(lián)和串聯(lián)組合的方式連接構(gòu)成，相鄰小線圈的相鄰邊的電流方向相反，阻抗匹配電路呈容性且與呈感性的天線線圈諧振在閱讀器的工作頻率上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)大低頻或高頻RFID系統(tǒng)閱讀范圍的天線設(shè)計方法，其特征是所說小線圈可制成包括三角形、長方形、正方形、圓形、橢圓形、多邊形的形狀，依據(jù)天線欲覆蓋面積的形狀，多個小線圈并聯(lián)和串聯(lián)組合后與之匹配。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的擴(kuò)大低頻或高頻RFID系統(tǒng)閱讀范圍的天線設(shè)計方法， 其特征是小線圈的數(shù)量通過計算線圈產(chǎn)生的磁通量滿足設(shè)計要求決定。
全文摘要
一種擴(kuò)大低頻或高頻RFID系統(tǒng)閱讀范圍的天線設(shè)計方法，多副空間分離的閱讀器天線通過多天線尋讀接口電路相連，其特征是每副閱讀器天線線圈由多個小線圈采用并聯(lián)和串聯(lián)組合的方式連接構(gòu)成，相鄰小線圈的相鄰邊的電流方向相反，阻抗匹配電路呈容性且與呈感性的天線線圈諧振在閱讀器的工作頻率上。所說小線圈可制成包括三角形、長方形、正方形、圓形、橢圓形、多邊形的形狀，依據(jù)天線欲覆蓋面積的形狀，多個小線圈并聯(lián)和串聯(lián)組合后與之匹配。
文檔編號G06K7/00GK101394022SQ200810195059
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者劉小琴, 波 楊, 剛 王, 王洪金, 趙文婧 申請人:江蘇大學(xué)