CN102089928A - 用于rfid货架读取器系统的可切换贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可切换贴片天线，其包括：接地板、金属贴片、至少两条馈电线以及开关。金属贴片被设置成与所述接地板相邻但不接触所述接地板。每条馈电线电连接至所述金属贴片。每条馈电线与至少一条其它馈电线大致相正交。开关电连接至所述至少两条馈电线。所述开关可操作用于在所述至少两条馈电线之间依次选择来激励可切换贴片天线。

Description

用于RFID货架读取器系统的可切换贴片天线
相关申请的交叉引用
本发明与2008年7月7日提交的题为“SWITCHABLE PATCH ANTENNA FOR RFID SHELF READER SYSTEM(用于RFID货架读取器系统的可切换贴片天线)”的美国临时专利申请No.61/134,167相关，并且要求其优先权，该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及天线，更具体地说涉及用于射频识别(“RFID”)货架读取器的可切换贴片天线。
背景技术
射频识别(“RFID”)通过发送和接收射频(“RF”)波来识别及跟踪产品、动物或者人。被称为RFID标签或标志的装置被应用至或者被并入被跟踪对象。大多数RFID标签包含至少一个用于接收和发送信号的天线，还包含用于存储及处理信息、调制及解调RF信号以及其它特定功能的集成电路。RFID读取器被用来“读取”(即无线地传送)用于各种应用的这些RFID标签中的信息。
例如，RFID技术可用于企业供应链的所有领域，例如制造商、发行商、批发商以及零售商，以自动地跟踪并管理库存。由于若干单独的RFID标签可能存在于RFID读取器的天线的接收域中，并且被分别识别出来，所以数据可被分别传送至每个标签或者从每个标签传送出来，或者可以获得单个RFID读取器的天线域中存在的标签的总电子清单。一种这样的应用使用RFID货架读取器来实现该结果。RFID货架读取器通常包括天线或天线阵列，该天线或天线阵列位于诸如货架或储藏柜之类的库存存储区域的辐射近距离(例如上方或下方)。RFID货架读取器可自动地检测并“读取”存储区域中的每个RFID标签。
在某些应用中，RFID货架读取器天线仅仅在近场中工作或者可能在辐射近场(radiating near field)中工作。一个示例性应用是读取附接至DVD的RFID标签。从题为“RFID System with Integrated Switched Antenna Array and Multiplexer Electronics(具有集成切换天线阵列和复用器电子器件的RFID系统)”的待决的美国专利申请No.11/829,315中可以找到对这种示例性使用的其它描述，该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。即使DVD堆叠在一起，RFID标签与读取器天线也仅相距很短的距离，并且每个标签均位于已知的位置，即，要么位于DVD盖内的底部，要么可能位于内部支柱(spine)区域。在其它应用中，例如对于服装，可放置RFID标签使之位于近场、辐射近场以及远场区域中。
对于货架读取器应用，附接了RFID标签的物品被堆叠在货架区域的顶部，RFID标签的定向和定位可以是这样的：定向可以是任意的，而标签位置会存在于包括近场、辐射近场以及远场区域的区域之中。
现有的RFID货架读取器实现方式采用了线性极化天线或者圆极化天线。如果RFID标签的方位被控制并且恒定地处于一个特定方向上，那么通常采用线性极化天线的解决方案。图1示出了已知的RFID货架读取器线性极化贴片天线10的实例。线性极化贴片天线10通常包括悬于接地板14之上的金属贴片12。可利用介电衬底16将金属贴片12与接地板14分离来构建贴片天线10。例如，贴片天线10可被构建成印制电路板的形式，其中一侧包括金属贴片12，而另一侧包括接地板14。利用微带传输线18作为馈电线，可对金属贴片12进行馈电或者激活。传统的线性极化天线只在一个方向上辐射，以在正交方向上产生零场。因此，仅仅覆盖了RFID标签的一个方向。如果RFID标签被错误地放置或者物品被不适当地搁置，则将无法利用线性极化天线对其进行检测。
如果RFID标签的方位未被很好地控制，那么通常优选地使用圆极化天线。图2示出了已知的RFID货架读取器圆极化贴片天线20的实例。圆极化贴片天线20包括圆形或者椭圆形的金属板22，支撑架26经过中心将金属板22悬于接地板24之上，并且支撑架26将金属板22接地至下方的接地板24。对于图2的圆极化贴片天线20，由气隙将金属板22与接地板24分开；然而，可利用介电衬底将金属板22与接地板24分开来构建贴片天线20。元件28偏离中心地直接对圆形或者椭圆形贴片22馈电。圆极化贴片天线20被设计用于在远场中产生相等的正交电场分量。
利用馈电点28来对金属板22进行馈电或激活。调谐短柱30可被用来对贴片天线20的谐振频率进行容性调谐。调谐短柱30是金属圆柱体，其相对于金属板22的垂直位置是可调节的。图3提供了示出调谐短柱30的定位的圆极化贴片天线20的侧视图。
圆极化天线的辐射图利用激励信号的相位改变方位，从而可以检测到RFID标签的所有方位。然而，虽然线性极化天线的场方位从与天线相距近场距离到远场距离都非常恒定，但是对于简单的圆极化天线却不是这样的情况。圆极化天线尤其在近场或辐射近场中具有场很弱的一些区域。近场和辐射近场对用于圆极化天线的RFID标签的某些角度呈现出零区，并且仅仅在远场中该场的表现是全指向的并且没有零区。
此外，其它装置也可使用贴片天线来与大量装置同时通信。题为“Metal Oxide Semiconductor Device for Use in UHF EAS Systems(用于UHF EAS系统的金属氧化物半导体器件)”的美国专利申请No.12/331,604中所描述的电子商品防盗(“EAS”)标签去激活系统就是一种这样的装置，该专利申请的全部教导以引用的方式由此并入。正如上述的RFID货架读取器一样，EAS去激活系统的天线必须较为接近EAS标签，从而发送能够去激活EAS标签的信号。在同时去激活大量EAS标签时，重要的是，EAS标签的方位是已知的并且是被控制的，或者辐射场必须是均匀的并且全指向的。否则，不会激活所有期望的EAS标签。如上所示，已知的天线构造对于本应用来说不是可靠的。
在任一情况下，这些天线表面上的场具有在近场、辐射近场或远场处的零区或弱场区。这些方案仅仅在特定应用和环境下有效。
因此，需要一种提供具有下述场的天线解决方案的系统，该场在近场、辐射近场和远场中，在天线上方所有可能的标志或标签方位上都表现良好。
发明内容
本发明有利地提供了一种可切换贴片天线、RFID读取器、以及用于产生在近场、辐射近场以及远场中在天线上方所有可能的标志或标签方位上都表现良好的电场的方法。总体上，线性极化贴片天线包括至少两条正交馈电线以及在两条馈电线之间切换的激励信号，从而产生随时间具有正交方位的电场。
根据本发明的一个方面，一种可切换贴片天线包括：接地板、金属贴片、至少两条馈电线以及开关。所述金属贴片被设置成与所述接地板相邻但不接触所述接地板。每条馈电线电连接至所述金属贴片。每条馈电线与至少一条其它馈电线大致相正交。所述开关电连接至所述至少两条馈电线。所述开关可操作用于在所述至少两条馈电线之间依次选择来激励可切换贴片天线。
根据本发明的另一个方面，一种射频识别(“RFID”)货架读取器包括：控制器、收发器和可切换贴片天线。所述收发器与所述控制器电连接。所述收发器可操作用于发送和接收RF信号。所述可切换贴片天线与所述收发器电连接。所述可切换贴片天线包括：接地板、金属贴片、至少两条馈电线以及开关。所述金属贴片被设置成与所述接地板相邻但不接触所述接地板。每条馈电线电连接至所述金属贴片，并且与至少一条其它馈电线大致相正交。所述开关电连接至所述至少两条馈电线。所述开关可操作用于在所述至少两条馈电线之间依次选择来激励所述可切换贴片天线。
根据本发明的又一个方面，提供了一种产生电场的方法。提供了一种可切换贴片天线，其包括：接地板、金属贴片、至少两条馈电线以及开关。所述金属贴片被设置成与所述接地板相邻但不接触所述接地板。每条馈电线电连接至所述金属贴片，并且与至少一条其它馈电线大致相正交。所述开关电连接至所述至少两条馈电线，并且可操作用于在选择所述至少两条馈电线之一。依次选择所述至少两条馈电线之一，并且向所选的馈电线施加激励信号。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1是现有技术线性极化贴片天线的透视图；
图2是现有技术圆极化贴片天线的透视图；
图3是图2的现有技术圆极化贴片天线的侧视图；
图4是根据本发明原理构建的示例性射频识别(“RFID”)货架读取器的框图；
图5是根据本发明原理构建的可切换贴片天线的俯视图；
图6是示出了根据本发明原理的相对天线激励的曲线图，其中示出了图5的可切换贴片天线的两种操作模式；
图7是示出了当根据本发明原理对x-方位源馈电线通电时近场(金属贴片上方2cm)中可切换贴片天线的0°相位电场图案的矢量图；
图8是示出了当根据本发明原理对x-方位源馈电线通电时近场(金属贴片上方2cm)中可切换贴片天线的180°相位电场图案的矢量图；
图9是示出了当根据本发明原理对x-方位源馈电线通电时辐射近场(金属贴片上方5cm)中可切换贴片天线的0°相位电场图案的矢量图；
图10是示出了当根据本发明原理对x-方位源馈电线通电时辐射近场(金属贴片上方5cm)中可切换贴片天线的180°相位电场图案的矢量图；
图11是示出了当根据本发明原理对x-方位源馈电线通电时远场(金属贴片上方30cm)中可切换贴片天线的0°相位电场图案的矢量图；
图12是示出了当根据本发明原理对x-方位源馈电线通电时远场(金属贴片上方30cm)中可切换贴片天线的180°相位电场图案的矢量图；
图13是示出了近场(金属贴片上方2cm)中圆极化贴片天线的0°相位电场图案的矢量图；
图14是示出了近场(金属贴片上方2cm)中圆极化贴片天线的180°相位电场图案的矢量图；
图15是示出了辐射近场(金属贴片上方5cm)中圆极化贴片天线的0°相位电场图案的矢量图；
图16是示出了辐射近场(金属贴片上方5cm)中圆极化贴片天线的180°相位电场图案的矢量图；
图17是示出了远场(金属贴片上方30cm)中圆极化贴片天线的0°相位电场图案的矢量图；以及
图18是示出了远场(金属贴片上方30cm)中圆极化贴片天线的180°相位电场图案的矢量图。
具体实施方式
在详细描述根据本发明的示例性实施例之前，应当注意，实施例主要在于结合与实现如下系统和方法相关的设备部件和处理步骤，所述系统和方法用于实现一种可切换贴片天线，其具有在近场、辐射近场以及远场中，在天线上方的所有方位上都表现良好的场。因此，在附图中已经通过常规符号在适当之处表示了系统和方法的组件，仅示出与理解本发明实施例有关的那些具体细节，以便不会以对于阅读本文说明书的本领域的普通技术人员来说将容易明了的细节来混淆本发明。
本文使用的相关术语，比如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”等，可以仅用于将一个实体或元件与另一实体或元件区分开，而不是必定要求或暗示任何物理或逻辑关系或者这些实体或元件之间的次序。
本发明的一个实施例有利地提供了一种用于射频识别(“RFID”)货架读取器或电子商品防盗(“EAS”)标签去激活系统的可切换贴片天线。如在此进一步描述的那样，本发明可包括大致成方形的贴片天线，该贴片天线具有长度大致相等的两条微带馈电线。可通过开关装置来交替地对这两条馈电线进行馈电，以产生两个场模式(水平和垂直的场模式)，从而在一个时间间隔中对一个方位端口进行馈电，而在另一个时间间隔中对另一个正交的端口进行馈电。三个区域(近场、辐射近场以及远场)中所计算出来的矢量E场良好表现在，对于这两种操作模式的每一种，场在水平和垂直方位的每个上均具有很强的定向性。这种天线系统针对近场、辐射近场以及远场、在位于其正上方的区域中提供了改进的电场分布，并且表现得优于传统的线性或圆极化天线。
现在参考附图(其中相似的附图标号指代相似元件)，图4示出了根据本发明原理构建的示例性RFID货架读取器，该RFID货架读取器被总地标记为“32”。RFID货架读取器32包括与RF收发器36耦接的可切换贴片天线34，RF收发器36以公知的方式向RFID标签(未示出)发送RF信号并且从RFID标签接收RF信号。以下更详细地讨论可切换贴片天线34。RF收发器36耦接至控制器38，控制器38总体上控制RFID货架读取器32的操作。
控制器38还耦接至通信接口40以及输入/输出(“I/O”)接口42。I/O接口42与多个外围输入/输出装置中的任一个相互作用，从而向用户呈现信息或者从用户收集信息。通信接口40实现了RFID读取器32与通信网络(未示出)之间的通信。控制器38还耦接至存储器44，存储器44包含用于控制RFID读取器32的操作的指令模块。存储器44可以是易失性的或者非易失性的。
现在参考图5，本发明的一个实施例是正交馈电可切换贴片天线34，其具有方形金属贴片46，金属贴片46位于接地板48上方(即，邻近但不接触接地板48)。金属贴片材料通常是铜，但是也可以是铝或者任意其它具有类似电导率的类似金属。衬底材料的示例性厚度(贴片与接地板之间的距离)通常是3-6mm，该厚度取决于衬底材料的介电常数。例如，典型的介电材料是FR4或者陶瓷。然而，本发明并不限于此，并且要理解的是可以使用其它介电材料。两条微带传输线50a、50b对可切换贴片天线34进行馈电，微带传输线50a、50b在可切换贴片天线34的正交的边52a、52b的中点处搭接。开关器件54被用来依次选择馈电线50a或另一馈电线50b，从而电场在单独的时间段在两种正交的模式下以线性极化模式工作。金属贴片46具有方形的几何形状，其位于介电衬底56顶部，介电衬底56下面是接地板48。例如，介电衬底56可以是一侧具有金属贴片46而相对侧具有接地板48的印制电路板。通过开关54将激励信号每次一条地施加至馈电线50a、50b之一。馈电线50a、50b应该是大致对称的，并且具有大致相等的长度，从而确保馈电线呈现相同的阻抗特性。另外，贴片46优选地大致为方形以确保天线34上方的场在两个正交的模式下具有大致相等的幅值。
虽然开关54在图5中被示出为小型晶体管(“SOT”)器件，但是可以使用任何适当的开关器件。在题为“RFID System with Integrated Switched Antenna Array and Multiplexer Electronics(具有集成切换天线阵列和复用器电子器件的RFID系统)”的待决的美国专利申请No.11/829,315中可以找到示例性开关，该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。适合的开关的另一实例就是Skyworks AS195-306PHEMT GaAs IC High Power SP5T 0.1-2GHz开关。然而，本发明并不限于这些开关，要理解的是可以使用任意类似类型的高频开关。应该注意，进行切换期间一般不施加RF功率。进行切换的时序取决于所用的应用。例如，询问模式可在每个方向均仅在几毫秒内激活贴片天线34，随后休眠几秒钟或几分钟。另一方面，去激活模式可能很快并且仅仅响应于触发(例如检测到移动、手动激活等)而出现。
现在参考图6，提供了曲线图58，其示出了表示两种所关注操作模式的相对天线激励。这两种模式指的是0°相位60(Phi＝0°)和180°相位62(Phi＝180°)。通过计算机仿真可以看出，这两种模式表示了天线34上方得到的场的重要的峰值相位。
图7至图12分别示出了在天线上方的与近场、辐射近场和远场相对应的各种距离2cm、5cm和30cm处的平面上的矢量电场。仅仅针对供电的x-方位源馈电线50a的情况示出了场。当向y-方位源馈电线50b供电时，场主要在y-方位上，即，基本上与图7至图12所示的这些场相正交。在图7至图12的矢量电场图中，场的强度与矢量箭状物的厚度相关。换言之，具有粗箭杆和大箭头的箭状物表示强场，而具有细箭杆和小箭头的箭状物表示弱场。
应该注意，利用已有的现有技术的简单线性极化天线，仅仅x或y方位模式是可能的。根据本发明的可切换天线，有利的是，x和y模式都存在。
在图7中，示出了在天线板46上方2cm的距离处的0°相位的近场的矢量场。注意，电场主要在x-方向上，其中最大的场强沿x-轴接近金属贴片46的中心。图8示出了天线板46上方2cm的距离处的180°相位的近场的矢量场。注意，除了场定位至相反的方向之外(即改变了极化)，该矢量场几乎与0°相位产生的矢量场相同。
在图9中，示出了在天线板46上方5cm的距离处的0°相位的辐射近场的矢量场。5cm处的场强大于2cm处的场强。图10示出了天线板46上方5cm的距离处的180°相位的辐射近场的矢量场。同样，除了极化改变了以外，该矢量场几乎与0°相位产生的矢量场相同。
在图11中，示出了在天线板46上方30cm的距离处的0°相位的远场的矢量场。该场是x-方向上的几乎均匀的场，具有高场强。图12示出了天线板46上方30cm的距离处的180°相位的远场的矢量场。同样，除了极化改变了以外，该矢量场几乎与30cm处的0°相位产生的矢量场相同。
在与图7至图12相对应的所有三个场区域中，场强主要被定向在x-方向上，并且在激励波的两个相位，仅仅场的极化发生了改变。在任何情况下都没有零区(板上的场消失的区域)。通过在x-方向馈电线50a和y-方向馈电线50b之间切换，不管方位如何，都可以及时发现与贴片天线34邻近的所有标签。这在诸如货架读取器应用(其中标志是静止的，并且在询问期间会处于这些弱场区域中)的情况下尤其有用。
出于比较的目的，图13至图18分别表示了2cm、5cm和30cm的高度处针对图2的圆极化天线的两个不同相位模式的前述三个区域，即，近场、辐射近场以及远场。在图13中，示出了在天线板46上方2cm的距离处的0°相位的近场的矢量场。注意，相对于沿着金属板22的边的场强，沿x-轴的电场强度相对较弱。图14示出了天线板46上方2cm的距离处的180°相位的近场的矢量场。同样，沿x-轴的场强较弱。
在图15中，示出了在天线板46上方5cm的距离处的0°相位的辐射近场的矢量场。图16示出了天线板46上方5cm的距离处的180°相位的辐射近场的矢量场。虽然5cm处的沿x-轴的场强大于2cm处的场强，但是相对于沿金属板22的边的场强，它还是较弱的。表示圆极化天线的两种极化模式的图17和图18的箭状物的大小应该优选地大致相等。对于所示的特定示例，轴比，即x方位和y方位上的E场之比不是1。
在图17中，示出了在天线板46上方30cm的距离处的0°相位的远场的矢量场。该场是在y-方向上的几乎均匀的场，具有高场强。图18示出了天线板46上方30cm的距离处的180°相位的远场的矢量场。在这种情况下，虽然矢量场在与0°相位产生的远场矢量场相正交的方向上是均匀的，但是应该注意的是，相比而言场强显著地变弱。
利用圆极化天线，近场和辐射近场中存在这样的区域，其中在两种模式中的任一模式下，不存在接近零的场方位。
本发明的实施例有利地提供了一种可切换贴片天线，该可切换贴片天线呈现的电场在近场、辐射近场以及远场中在天线上方的所有可能的方位上表现良好。通过在RFID货架读取器中使用可切换贴片天线，天线可以有效地与位于近场、辐射近场以及远场中的所有RFID标签通信，而不管方位如何。此外，上述切换贴片天线34还可与美国专利申请No.12/331,604的EAS去激活系统结合使用，从而同时去激活多个EAS标志。
另外，除非以上做了相反陈述，否则应当注意所有附图没有按照比例绘制。明显地，在不脱离本发明精神或本质属性的情况下，可以以其它特定形式来实现本发明，并且相应地，应该必须参照所附权利要求而非前述说明书来指示本发明的范围。

Claims (20)

1.一种可切换贴片天线，包括：
接地板；
金属贴片，所述金属贴片位于所述接地板上方但不接触所述接地板；
至少两条馈电线，每条馈电线电连接至所述金属贴片，每条馈电线与至少一条其它馈电线大致相正交；以及
开关，所述开关电连接至所述至少两条馈电线，所述开关可操作用于在所述至少两条馈电线之间依次选择来激励所述可切换贴片天线。
2.根据权利要求1所述的可切换贴片天线，进一步包括位于所述接地板和所述金属贴片之间的介电衬底。
3.根据权利要求2所述的可切换贴片天线，其中所述介电衬底是印制电路板和陶瓷材料之一。
4.根据权利要求1所述的可切换贴片天线，其中所述至少两条馈电线是微带传输线。
5.根据权利要求4所述的可切换贴片天线，其中所述微带传输线具有大致相等的长度。
6.根据权利要求4所述的可切换贴片天线，其中所述微带传输线大致相互对称。
7.根据权利要求4所述的可切换贴片天线，其中所述微带传输线具有相等的阻抗。
8.根据权利要求1所述的可切换贴片天线，其中所述金属贴片大致上是方形。
9.根据权利要求8所述的可切换贴片天线，其中所述金属贴片具有两个成对的正交边，每个正交边具有中点，每条馈电线在正交边的中点处连接至所述金属贴片。
10.根据权利要求1所述的可切换贴片天线，其中在预定时期中只有一条馈电线是激活的。
11.一种射频识别(“RFID”)货架读取器，包括：
控制器；
与所述控制器电连接的收发器，所述收发器可操作用于发送和接收RF信号；以及
与所述收发器电连接的可切换贴片天线，所述可切换贴片天线包括：
接地板；
金属贴片，所述金属贴片被设置成与所述接地板相邻但不接触所述接地板；
至少两条馈电线，每条馈电线电连接至所述金属贴片，每条馈电线与至少一条其它馈电线大致相正交；以及
开关，所述开关电连接至所述至少两条馈电线，所述开关可操作用于在所述至少两条馈电线之间依次选择来激励所述可切换贴片天线。
12.根据权利要求11所述的RFID货架读取器，其中所述可切换贴片天线进一步包括位于所述接地板和所述金属贴片之间的介电衬底。
13.根据权利要求11所述的RFID货架读取器，其中所述至少两条馈电线是微带传输线。
14.根据权利要求13所述的RFID货架读取器，其中所述微带传输线大致相互对称，并且具有大致相等的长度。
15.根据权利要求13所述的RFID货架读取器，其中所述微带传输线具有相等的阻抗。
16.根据权利要求11所述的RFID货架读取器，其中所述金属贴片大致是方形。
17.根据权利要求16所述的RFID货架读取器，其中所述金属贴片具有两个成对的正交边，每个正交边具有中点，每条馈电线在正交边的中点处连接至所述金属贴片。
18.根据权利要求11所述的RFID货架读取器，其中在预定时期中只有一条馈电线是激活的。
19.一种产生电场的方法，所述方法包括：
提供一个可切换贴片天线，所述可切换贴片天线包括：
接地板；
金属贴片，所述金属贴片被设置成与所述接地板相邻但不接触所述接地板；
至少两条馈电线，每条馈电线电连接至所述金属贴片，每条馈电线与至少一条其它馈电线大致相正交；以及
开关，所述开关电连接至所述至少两条馈电线，所述开关可操作用于选择所述至少两条馈电线之一；
依次选择所述至少两条馈电线之一；以及
向所选的馈电线施加激励信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在预定时期中只有一条馈电线是激活的。
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