CN109326873B - 基于rfid的弧形天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别技术领域，具体的说是一种特别针对于墙角、花坛周围等图书馆的特殊需要弧形书架的区域或因希望书架外观美观等特殊需要所设计具有弧度的书架适配的具有读取精度高，读写速度快，价格便宜等诸多优点的基于RFID的弧形天线装置，其特征在于所述弧形天线的天线线圈呈条形，且天线线圈的两端向同一侧弯曲，使天线线圈的侧面呈梯形。

Description

基于RFID的弧形天线装置

技术领域：

本发明涉及射频识别技术领域，具体的说是一种特别针对于墙角、花坛周围等图书馆的特殊需要弧形书架的区域或因希望书架外观美观等特殊需要所设计具有弧度的书架适配的具有读取精度高，读写速度快，价格便宜等诸多优点的基于RFID的弧形天线装置。

背景技术：

在目前智能图书领域，主要的射频天线一般有以下两种：一是竖立式天线方案，其原型的组成部分包括大功率读写器、功分器、若干个射频天线等。原理是首先大功率读写器发射出大功率的射频信号，经由功分器将其发射的功率进行再次分配，按照需要分配到各个必需的射频天线上，用以实现较大区域内的射频磁场分布和信号的均匀覆盖。由天线发出的激励信号到达特定频率的标签时，在标签上会产生相应的响应信号，并由各个天线将信息汇集回读写器中，再由读写器实现对射频信号中的信息进行解读的目的。

单从RFID在书架方面的应用来看，这类天线在技术方面存在标签窜读和漏读标签等问题，在成本方面也存在着性价比低，单价过高等问题。(1)技术方面：竖立式的线圈样式一般为方形环状，通过四条边产生的均匀的环状磁场进行检标签的操作，这种方式虽然可以达到中间部分磁场的强度最大，但是由于标签很难保证都粘贴在不同的位置，届时会存有大量重叠的标签，使标签之间出现互感严重的现象而引发较为严重的频率偏移，最终导致标签的漏检现象。而且不仅如此，由于电磁波是均匀环于天线四条边的，所以平行于水平面的两条边和靠近邻格的天线在不加入金属隔断的情况下，会很轻易地检测到不属于本层本格的图书，造成图书的窜读现象，致使读取错误。若是格口的上下后左右五个方向都加入隔离金属板，也无法彻底隔绝电磁波，窜读现象虽然有所改善但依旧存在，而且金属板隔离电磁波的原因，致使天线中紧靠天线的三条边所产生磁场的功效大大降低，进而造成严重的资源浪费。但是由于目前技术上的不足，只能通过金属隔断的方式减轻当前存在的窜读问题。竖立式天线对结构要求高的同时，还对于稳定性和后期维护上提出了较大的要求，首先，由于添加了多个天线板以及功分器板，元器件过多，不仅安装维护麻烦，而且更加容易损坏。其次，不符合图书管理员的顺架习惯，由于多个隔断的阻挡，使图书管理员不能按照以往的习惯向内或向外统一顺架，增加了后期管理员培训的成本。而此类书架天线由于上述原因读取成功率又无法达到理想目标，故为后来推广造成很大的困扰。

(2)成本方面：竖立式天线的弊端不仅体现在技术上实现起来的较为困难，在成本方面也无法做到较大的优势。由于上面所述的技术方面的各类问题，决定了采用竖立式天线无法做成通透型书架的事实，只能以类书柜形式来展现书架的内容。

结构方面，采用竖立式天线必须在天线每个格口上下左右后五个方向另加金属板以防止磁场过度扩散而造成的窜读，而实际意义上的书架只需要四根立柱作为支撑点，故与通透性强的传统书架相比，此类设计将在结构问题上成本大大提高。

电气方面，目前市面上的竖立式天线书架，每个格口需要4个天线进行配合检标签工作，每个天线又需要相应的电气元件配合，并且采用竖立式天线又要单独制作功分器，以及功分器与天线之间的连接线，这些操作无疑又是巨大的成本问题。

在客户的角度考虑，由于天线隔断的原因以及为了天线可以更好地实现功能等因素所产生的必需的空间，又致使每个隔断空间不能得到充分的利用，从而造成图书放置过少，进而采购书架过多等不必要的麻烦。

二是层板式射频天线，层板式射频天线对于智能书架类的发展推动无疑是巨大的。其克服了前者窜读的问题进而解决了书架智能化的问题并且节约了大量的成本。又因为这种方案仅需要一个天线，故省去了功分器部分实现了从读写器到天线的直接连接，对于阻抗匹配等问题也得到了更好的解决。与层板式天线所配套的标签为粘贴于书脊部，一定程度上避免了标签的重叠，进而提升了读取的准确度。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种特别针对于墙角、花坛周围等图书馆的特殊需要弧形书架的区域或因希望书架外观美观等特殊需要所设计具有弧度的书架适配的具有读取精度高，读写速度快，价格便宜等诸多优点的基于RFID的弧形天线装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于RFID的弧形天线装置，设有射频读写器、用于固定天线匹配电路的匹配电路板以及弧形天线，其中射频读写器经信号同轴线与匹配电路板相连接，匹配电路板与弧形天线相连接，其特征在于所述弧形天线的天线线圈呈条形，且天线线圈的两端向同一侧弯曲，使天线线圈的侧面呈梯形。

本发明所述天线线圈设置在PCB电路板上，PCB电路板为与天线线圈形状相适应的条形，PCB电路板的两端向同一侧弯折，使PCB电路板的侧面呈梯形。

本发明所述天线线圈两端弯折角度对称，天线线圈的宽度为5cm，天线线圈的未弯折部分为最大识读区W1，最大识读区W1的宽度为 10cm，天线线圈的长度为80-100cm，天线线圈两端的弯折角度为15°。

本发明所述匹配电路板上还设有用于控制高频信号导通和关断的高频开关电路。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)标签的可读区域大大增加：本发明在市面上层板式天线原来的读取宽度的基础上，扩大识读区面积约为1/2，实现了8cm区域内准确识读。目前市面上的书架 (包括智能书架和非智能书架)，书籍放置位置宽度都在21cm到24cm, 而8cm识读区的确定，基本涵盖了整个图书放置区总面积的1/3，满足了市面上几乎所有图书的标签读取需求。(2)弧形天线角度管理方便：天线在规定的规定的长度与角度范围内有较大的可变空间，通过调节阻抗匹配电路，即可实现多角度，多长度的变换，以适应各种场合下的书架应用。(3)天线数量少。由于采用了弧形天线，书架折弯部分可以不使用多个天线进行拼凑的方式，只需要一个天线一个结构件便可以完成固定使用。(4)性能稳定。弧形天线采用了层板式天线的思维模式，继承和发扬了层板式天线高效能低成本高稳定性的优点，性能可靠。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中天线线圈的弯折示意图。

附图标记：弧形天线1、匹配板2、射频读写器3、电源适配器4。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明提出的方案为弧形天线，所需用的配合电气部分主要包括以下几个方面：弧形天线1、匹配板2、射频读写器3、电源适配器4以及所需要的配合连接线组成。该系统可以达到使整个连接都呈现出串行的连接方式，没有任何冗余的器件连接，在性能达到与目前市面上的天线相比有所增强的同时，使得成本可以达到最低的程度。

所述读写器C，输入端与电源模块相连，用于产生射频信号、天线切换控制信号等，其中射频信号可以直接传送至天线的阻抗匹配板模块，从而直接作用于天线本身，没有经过功分器进行传输，可以达到功率应用效率的最大化。

所述的阻抗匹配模块，通过RLC阻抗匹配和变压器匹配等多种方式，可以做到Q值和发射接收效率等可调节的功效，以便于应对各类场合，适应性达到更强。输入端与高频开关相连，输出端与对应的天线相连，用于对对应的天线进行阻抗匹配，将对应天线的频率谐振至 13.56M，输出阻抗变换至50Ω，从而保证射频读写器发出的射频信号尽可能多的到达天线，并通过天线辐射出去。

阻抗匹配板上另安装有专门控制高频信号导通和关断的高频开关电路。主要实现的功能是在需要的时候开启该电路，以达到是高频信号通过阻抗匹配板，从而最终通过天线发射出去，达到检测高频标签的目的；但是当该路天线不工作时，高频信号开关关闭，进而可以阻止其他噪声高频信号进入读写器内，造成噪声干扰。这个设计可以使多个天线由一个多路读写器进行控制，避免资源浪费。

整个系统包括天线，匹配电路，高频开关电路等都是由统一的电源进行供电，而且标签普遍使用无源标签，成本低，操作简单，可靠性强。

实施例2：

天线的具体尺寸参数如图2所示：其中，天线最大识读区W1宽度为10cm,准确高效识读范围在8cm左右，已经可以满足绝大多数图书的识读要求；天线线圈的非识读区的宽度W2为1cm,这样设计可以使线圈四条边呈现出不对称的发射方式，有利于电磁波的集中和避免无效干扰电磁波的浪费；线圈的宽度H1为5cm。在天线面板上，假定电流的流向整体为顺时针方向，即磁场在天线读取面板上方的方向为平行于水平面向内，一边的天线的铜箔宽度变宽，从而改变此处的磁感线的方向，由标准的圆形方向更改为椭圆型的方向，从而检测的宽度大大增大，通过天线形式的配合，最终达到8cm的检测的区域。

此弧形天线的专利的理论基础是在最初天线为直的基础上，从中间慢慢的将天线由直的形式更改为梯形，本天线通过梯形天线的形式，以及对最边缘天线的磁场的处理等方式，最终确定了单边弯曲15°，两边总共弯曲30°的弧形天线，在此基础上，将此种天线的长度由通常的80cm左右伸长到100cm,准确识读区的宽度由5cm增长到8cm左右，有效检测面积增长了60％。

本设计完全满足了市面上大多数圆形环形书架的使用要求，也满足了天线宽识读区，低耦合率的现实条件，同时也扩展了天线的种类。

实施例3：

步骤1：系统上电，射频读写器完成基本数据的加载。

步骤2,射频读写器完成基本数据的加载后，选择多路天线的其中一路进行导通，打开高频开关，经过阻抗匹配板进行匹配调节，在谐振频率13.56Mhz的情况下匹配调节至50Ω，完成匹配；

步骤3，射频信号经由天线面板向外扩散，当到达指定标签位置时，即与相应频率的标签产生谐振，并通过谐振来传递信息；

步骤4，标签信息返回，读写器通过天线进行接收，并最终由读写器进行译码等工作，再通过上层软件实现对图书内容的展现。

Claims (1)

1.一种基于RFID的弧形天线装置，设有射频读写器、用于固定天线匹配电路的匹配电路板以及弧形天线，其中射频读写器经信号同轴线与匹配电路板相连接，匹配电路板与弧形天线相连接，其特征在于所述弧形天线的天线线圈呈条形，且天线线圈的两端向同一侧弯曲，使天线线圈的侧面呈梯形；

所述天线线圈设置在PCB电路板上，PCB电路板为与天线线圈形状相适应的条形，PCB电路板的两端向同一侧弯折，使PCB电路板的侧面呈梯形；

所述天线线圈两端弯折角度对称，天线线圈的宽度为5cm，天线线圈的未弯折部分为最大识读区W1，最大识读区W1的宽度为10cm，天线线圈的非识读区的宽度W2为1cm，线圈的宽度H为5cm，天线线圈的长度为80-100cm，天线线圈两端的弯折角度为15°，使天线面板上，假定电流的流向整体为顺时针方向，即磁场在天线读取面板上方的方向为平行于水平面向内，一边的天线的铜箔宽度变宽，从而改变此处的磁感线方向，由标准的圆形方向更改为椭圆形的方向，从而检测宽度大大增大；

所述匹配电路板上还设有用于控制高频信号导通和关断的高频开关电路。

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