一种扩大低频或高频RFID系统阅读范围的天线设计方法

摘要

一种扩大低频或高频RFID系统阅读范围的天线设计方法，多副空间分离的阅读器天线通过多天线寻读接口电路相连，其特征是：每副阅读器天线线圈由多个小线圈采用并联和串联组合的方式连接构成，相邻小线圈的相邻边的电流方向相反，阻抗匹配电路呈容性且与呈感性的天线线圈谐振在阅读器的工作频率上。所说小线圈可制成包括三角形、长方形、正方形、圆形、椭圆形、多边形的形状，依据天线欲覆盖面积的形状，多个小线圈并联和串联组合后与之匹配。

说明书

技术领域

本发明涉及RFID系统阅读器天线，尤其是一种扩大低频或高频RFID系统阅读范围的天线设计方法，适用于在采用低频或高频RFID系统对较大空间中存放物品进行识别，它能在小电流工作的情况下扩大RFID阅读器的工作区域且在阅读器天线线圈的中心区域无阅读盲区。

背景技术

典型的射频识别RFID系统包括RFID标签(也称电子标签，应答器)、RFID阅读器(也称读写器，读头)以及主系统数据处理单元(通常为计算机(PC机))。RFID阅读器发送一定频率的射频信号在天线线圈周围产生电磁场(天线工作区域)，若RFID标签在RFID阅读器天线产生的电磁场中，RFID标签天线会感应电磁场的能量，并在电路中产生感应电流，RFID标签获得能量被激活；RFID标签将其专用集成芯片中的编码信息调制到载波上形成射频信号，通过RFID标签天线发送出去，RFID标签发送的射频信号产生的电磁场会使阅读器天线产生的电磁场发生波动；RFID阅读器的天线感应周围电磁场的波动，并将从电磁场的波动中产生的感应电流送到RFID阅读器进行解调和解码，然后送主系统数据处理单元进行相关处理。在以13.56MHz为代表的高频和以125KHz为代表的低频RFID系统中，RFID阅读器的天线工作区域与阅读器的天线线圈的输出电流、天线线圈的大小和流过电流的线圈导体边与线圈中心的距离有关。在很多以13.56MHz为代表的高频和以125KHz为代表的低频RFID系统的应用场合下，需要知道较大空间范围中物品的信息。通常的RFID系统因阅读器输出电流较小(阅读器的输出电流是限定的)导致天线工作区域过小，对较大空间范围中存放的物品进行识别时需要较多的RFID阅读器或添加协调多个天线工作的控制电路(称作天线合路器)，增加了阅读器阅读标签的时间和组建系统的成本。

发明内容

本发明目的是克服现有技术之不足，提供一种扩大低频或高频RFID系统阅读范围的天线设计方法。本发明也是本申请人在先提交的“一种对多层箱体中存放物品的识别与定位方法”发明专利的后续申请。在先申请的内容是设置一个阅读器与多付空间分离的阅读器天线通过多天线寻读接口电路相连，每付天线有各自工作区域并都有一个自己的子地址号码，配合RFID阅读器标识地址构成物品的完全地址，该地址码与其实际的物理位置一一对应。多付空间分离的阅读器天线可嵌入在多层箱体摆放物品的分层抽屉底层或其它设有分层结构的桌子、物品架、盒子中。

本发明上述目的通过以下方法实现：一种扩大低频或高频RFID系统阅读范围的天线设计方法，多付空间分离的阅读器天线通过多天线寻读接口电路相连，其特征是：每付阅读器天线线圈由多个小线圈采用并联和串联组合的方式连接构成，相邻小线圈的相邻边的电流方向相反，阻抗匹配电路呈容性且与呈感性的天线线圈谐振在阅读器的工作频率上。

所说小线圈可制成包括三角形、长方形、正方形、圆形、椭圆形、多边形的形状，依据天线欲覆盖面积的形状，多个小线圈并联和串联组合后与之匹配。小线圈的数量通过计算线圈产生的磁通量满足设计要求决定。

根据阅读器工作频段，以13.56MHz为代表的高频频段或以125KHz为代表的低频频段，天线的电感取值范围计算得到的绕制阅读器天线线圈的估计长度的导体绕制线圈，绕制的线圈大小依据以下因素确定：(1)小线圈绕制的圈数，(2)阅读器的输出电流，(3)天线线圈的中心仍有较强的电磁场强度以正确读出位于其中的标签，(4)需要覆盖的区域，(5)天线在谐振频率处的反射系数要低于-10dB。

本发明的优点及有益效果：通常情况下，阅读器是接一个单线圈天线的，用组合线圈的方法形成的天线未见公开。本发明采用多个小线圈串并联结合形成的阅读器天线，由于单个小线圈占用的面积小，其工作时需要覆盖的区域也小，每个小线圈的中心处距离通电的导线边的距离较近，因而在小线圈的中心的磁感应强度也较大，即使在RFID阅读器的输出为小电流时，在单个小线圈的中心也不会出现阅读盲区，能够有效地识别放置在阅读器天线工作区域中的标签，从而扩大了以13.56MHz为代表的高频和以125KHz为代表的低频RFID系统阅读器天线的工作区域。本发明设计的阅读器天线可以在同一层面灵活布局，提高了阅读器天线产生的电磁场强度，进而提高了阅读器识别标签的效率，同时，本发明使用多个小线圈以串联和并联结合的方式进行连接，扩大了单个阅读器天线的工作区域，使阅读器能够阅读较大区域中的标签的信息，降低了RFID系统的成本。无论是四边形组合、三角形组合，还是圆形组合，只要这些组合构成一个独立的天线，均可以连接到多天线巡读接口电路的任一个输出接口。

附图说明

图1是单个小长方形天线线圈电流方向与产生的磁场方向间关系示意图；

图2是四个小长方形天线线圈在组成覆盖较大区域的天线线圈时的排列示意图；

图3是由四个小线圈组成的阅读器天线示意图；

图4—11是依据天线欲覆盖面积的形状，多个小线圈并联和串联组合的几种方式。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明方法进一步说明。

参看图1，绕制小长方形天线线圈1的导体的长度是根据阅读器工作频段天线的电感取值范围依据导体的材料和直径计算出来的，该长度只是一个估计长度，可以有一定的增减；小长方形线圈1的边长是根据覆盖区域、绕制线圈的圈数和使天线线圈1的中心不出现阅读盲区确定的。若按图中所画的方向为电流流动的方向2，则小长方形天线线圈1在有电流流过时，产生的电磁场方向为在小长方形的外部是背离纸面3，在小长方形的内部是穿出纸面4。

参看图2，按图中所示电流方向11通电时，四个小长方形天线线圈12、13、14、15在线圈的外部产生背离纸面的电磁场方向16，在线圈的内部产生穿出纸面的电磁场方向17，这样相邻的小长方形天线线圈12、13、14、15间的电磁场方向相同(背离纸面16)，使其产生的电磁场强度相互加强。相邻小长方形间的距离约为小长方形短边长度的1/4～1/3。四个小长方形线圈在连接时，线圈12和线圈13串联后的支路，与线圈14和线圈15串联后的支路并联连接，防止单纯采用并联或串联方式而使流过小线圈的电流过小和天线线圈的总电感超出允许值。

参看图3，天线的馈线21采用的是特性阻抗为50Ω的同轴电缆，阻抗呈容性的匹配电路22与阻抗呈感性的天线线圈23谐振在阅读器的工作频率上，同时，阻抗匹配电路22将天线线圈23的阻抗转换成阻抗为50Ω的纯电阻，防止在通过高频电压时馈线出现功率反射、阻抗变换和寄生功率辐射等现象，阻抗匹配电路22靠近天线线圈23端的电阻的作用是增大天线的通频带。

图4是覆盖长方形区域的三角形组合线圈图，由六个小三角形线圈组合而成的组合线圈，其中，小线圈31和32，33和34，35和36先分别并联，然后三个并联后的小线圈组合再串联，也可以如图5所示覆盖长方形区域的另一种连接方式的三角形组合线圈图，小线圈31、33和35，32、34和36先分别串联，然后二个三组合线圈再并联(图中的虚线表示从背面走线，线与线相交叉时有●表示几个点连接起来，无●表示不连接)。图4与图5同样是六个小三角形线圈组合，覆盖形状也相同，所得效果也完全相同，只是小三角形线圈间的串、并联方式不同。

图6是四层组合天线线圈图，组合线圈41、42、43、44分别是图2所示的组合线圈，其中，组合线圈41和42，43和44先分别串联，然后二个串联后的组合线圈再并联，可以覆盖具有分层结构的箱体、物品架等。

图7是覆盖具有拐角形状区域的组合线圈图，由六个小线圈组合而成，其中，小线圈51、52和53，54、55和56先分别串联，然后二个串联后的小线圈组合再并联。

图8是覆盖具有斜拐角形状区域的组合线圈图，由七个小线圈组合而成，其中，小线圈61、62、63和64，65、66和67先分别串联，然后二个串联后的小线圈组合再并联。

图9是覆盖三角形区域的组合线圈图，由九个小线圈组合而成，其中，小线圈71、72和73，74、75和76，77、78和79先分别串联，然后三个串联后的小线圈组合再并联。

图10是覆盖圆环区域的组合线圈图，由十二个小扇形线圈组合而成，其中，小线圈101、102和103，104、105和106，107、108和109，110、111和112先分别串联，然后四个串联后的组合线圈再并联，对于覆盖较小的圆环区域或圆形区域的组合线圈，可以采用如图11所示的覆盖圆环的另一种组合线圈图，小线圈101和102、103和104、105和106、107和108先分别串联，然后四个串联后的小组合线圈再并联。