CN207818871U - 用于无人收银平台的近场阅读器天线和天线组阵 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于无人收银平台的近场阅读器天线和天线组阵。其天线辐射结构包括天线微带辐射枝节、移相枝节；天线微带辐射枝节包括垂直方向设置的天线微带线和水平方向设置的天线微带线，形成蛇形结构，调节微带线水平和垂直的长度使局部垂直方向上电流流向相同，和局部水平方向上电流流向相同；天线微带线相同流向的局部中插入移相枝节，使同向电流的空间高度相同，并实现近场区域电场更多的极化方向，避免近场标签误读。本实用新型可以避免对远场标签的误读，同时也减少其他系统对无人RFID系统的干扰；可以读取线圈式的标签天线，也可以读取类偶极子的标签天线，天线更具灵活性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)系统技术领域，特别是涉及一种用于无人收银平台的RFID近场阅读器天线和天线组阵。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)技术是利用射频信号通过反向散射或电磁场耦合实现自动识别和无线数据传输的技术。阅读器天线是RFID系统中不可或缺的组成部分，天线的性能好坏直接影响到整个系统的的性能。RFID技术是物联网中不可或缺的重要组成部分，广泛应用于图书馆，门禁系统，食品安全溯源等各领域。更进一步的，RFID系统与手机等移动终端的集成，可以实现移动支付、物品防伪与追踪等移动互联网应用，具有较高的商业价值。RFID技术在无人零售行业的应用，如无人收银等是RFID系统与手机等移动终端融合的体现。
无人收银主要使用近场RFID系统，目前，大多数的无人收银系统采用的是13.56MHz的高频RFID系统，采用磁场耦合的近场RFID 系统，在近距离识别具有较好的稳定性能，但是磁场耦合的线圈标签的成本较高，不适合低利润的零售行业。而UHF(Ultra HighFrequency， 300-3000MHz超高频)频段的RFID系统标签成本较高频标签成本更低，更适合应用于零售行业。
对于UHF频段近场RFID系统，磁场耦合的近场读取距离过短，而电场耦合的近场读取距离较远，所以对于UHF频段的近场RFID系统来说，更加适合采用电场耦合的近场漏波RFID天线。
在无人收银平台上，要求必须能读到近场区的所有目标物标签，而且排除远场区中的非目标物标签的干扰，避免标签误读。因此，近场读写器天线的设计是实现无人超市以及无人收银平台关键的环节。另一方面，由于商家为节约成本，贴在物体上的标签一般都为单极化的天线，需要检测处的物品上的标签，标签天线的极化方向需要与阅读器天线的极化匹配。对于客户购买商品付款时，在付款平台上物品的摆放位置是不固定的，标签天线趋向于不同方向。如果阅读器天线是单一极化方向，那么标签将会发生漏读。因此设计近场天线必须具有电场多极化。其次近场能够满足均匀的较强的电场分布，也是近场天线有一个重要因数。
传统的基于远场散射原理的UHF频段RFID读写器天线远不能满足开放空间收银平台RFID读卡器天线的设计要求，必须基于近场工作原理，实现在一定阅读区间内保证标签的准确读取的近场RFID 天线。
实用新型内容
1、实用新型目的。
为了解决现有技术中磁场耦合的近场读取距离过短的问题而提出了一种用于无人收银平台的近场阅读器天线和天线组阵，提高近场的识别距离和精确度、排除干扰、降低成本。
2、本实用新型所采用的技术方案。
用于无人收银平台的近场RFID阅读器天线，应用于860MHz～ 960MHz频段内，具有较强近场电场和较低远场增益。
本实用新型提出的一种用于无人收银平台的近场阅读器天线，其天线辐射结构包括天线微带辐射枝节、移相枝节；天线微带辐射枝节包括垂直方向设置的天线微带线和水平方向设置的天线微带线，形成蛇形结构，调节微带线水平和垂直的长度使局部垂直方向上电流流向相同，局部水平方向上电流流向相同；天线微带线相同流向的局部中插入移相枝节，使同向电流的空间高度相同，并实现近场区域电场更多的极化方向，避免近场标签误读。
更进一步具体实施方式中，所述的蛇形结构的拐角为圆弧或直角的微带蛇形结构。
更进一步具体实施方式中，所述天线辐射结构由两段移相枝节结构和四段天线微带线蛇形结构组成；所述四段天线微带线蛇形结构中两段微带蛇形结构采用两侧对称的形式，在垂直方向上电流流向相同；另外两条微带线蛇形结构采用近似两侧镜像形式，电流方向在水平方向上流向相同，并且四段微带线的路径长度相同，四段蛇形微带结构末端均采用开路状态，两段移相结构分别位于两侧对称微带的微线上和两侧镜像式微带的微线上，实现相同电流方向的空间高度相同，并实现近场区域电场更多的极化方向，避免近场标签误读。
更进一步具体实施方式中，所述两段移相枝节结构均采用U型结构，第一段U型移相结构中，两侧臂较长，第二段U型结构中的两侧臂较短，增强天线微带线同向电流，使近场电场产生更多的极化方向。
更进一步具体实施方式中，所述的U型移相枝节结构为垂直形状或水平形状。
更进一步具体实施方式中，还包括SMA接头，馈电端口、天线匹配枝节、功率分配枝节；天线馈电口采用一个SMA接头直接与馈电端口一端连接，另一端与天线匹配枝节相连；天线匹配枝节与天线的功率分配器相连，天线功率分配器与天线微带辐射枝节相连。
更进一步具体实施方式中，所述的馈电端口为50欧姆微带线。
更进一步具体实施方式中，所述的天线一共有三层，顶层设有所述的天线辐射结构，中间层为介质层，底层为地面层；顶层为导电性高的材料；所述的介质层为环氧树脂玻璃纤维板或PCB介质基板。
本实用新型提出的一种用于无人收银平台的近场阅读器天线组阵，将多个所述的阅读器天线，平行排列在同一个平面上且方向相同形成天线组阵。
空间结构的底面、顶面和侧壁任一或选择几面分别安装多个平行排列的阅读器天线组阵。读取时，以一定频率和顺序切换工作的RFID 阅读器天线，使阅读范围覆盖整个空间。
3、本实用新型所产生的技术效果。
(1)天线为平面结构，结构简单，易于加工，可采用普通FR4 作为基板，制作成本低。
(2)天线尺寸较大，具有阅读范围覆盖面大，厚度薄，质量轻的特点，特别适合用于要求阅读面积大的无人收费平台RFID系统中。
(3)天线采用电磁波在微带线传输过程中的漏波效应，基于电场耦合的原理，阅读器天线既可以读取线圈式的标签天线，也可以读取类偶极子的标签天线，天线更具灵活性。
(4)天线采用蛇形结构，使得电流在空间上是属于同向叠加，消除电流反向削弱电场的效应。因此近场区域内电场强度强，利用较低的功率也可得到较大的读取距离，可用于各种低功耗的UHF近场 RFID系统中，特别适用于需要一定阅读距离的无人收银平台。
(5)天线远场增益较低，可以避免对远场标签的误读，同时也减少其他系统对无人RFID系统的干扰。天线远场增益较低，这是因为天线介质基板较薄，电磁波被尽量束缚在天线地和微带线之间。天线地与微带线的电流方向相反，导致远场的电磁场相互抵消，远场增益变低。
(6)天线电场极化方式近场区域采用多极化，在近场区域内可以避免由于标签天线趋向于不同方向而造成的漏读。
(7)本实用新型可应用在UHF频段，工作频段为：900MHz～ 918MHz频段内，是一款具有较强近场电场强度和较低远场增益的近场RFID读写器天线。
附图说明
图1是UHF近场RFID读写器天线的顶层平面结构示意图；
图2是UHF近场RFID读写器天线的侧面示意图；
图3是电磁波在微带线传播形式示意图；
图4直线振子天线的坐标关系图；
图5是实施例1中天线当激励电流相位为0度时的表面电流分布图；
图6是实施例1中天线的反射系数曲线图；
图7是实施例1中，距离天线表面高度z＝200mm时电场的极化方向图；
图8是实施例1中，天线远场增益曲线图；
图9是在无人收银平台天线组阵的具体位置图；
图10是用于无人零售冰箱的RFID近场天线组阵以及冰箱侧视示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实用新型提出的用于无人收银平台的近场阅读器天线，包括SMA接头1，馈电端口2、天线匹配枝节3、功率分配枝节4、天线微带辐射枝节、移相枝节；天线馈电口采用一个SMA接头1直接与馈电端口2一端连接，另一端与天线匹配枝节3相连；天线匹配枝节3与天线的功率分配器4相连，天线功率分配器4与天线微带辐射枝节相连。馈电端口2为50欧姆微带线。如图2所示，所述的天线一共有三层，顶层11所述的天线结构，中间层为介质层12，底层为地面层13。所述的天线馈电端口、天线匹配枝节、天线辐射结构等微带结构的材质可为铜、铝、银等其它具有较好导电性能的材料。所述的介质层为环氧树脂玻璃纤维板及其它PCB介质基板。
天线微带辐射枝节包括垂直方向设置的天线枝节和水平方向设置的天线枝节，形成蛇形结构，调节局部垂直方向上电流流向相同，局部水平方向上电流流向相同；天线微带辐射枝节电流流向相同的微带线插入移相枝节，使其空间高度相同，并实现近场区域电场更多的极化方向，避免近场标签误读。蛇形结构可为拐角为圆弧的微带蛇形，或拐角为直角微带蛇形结构。
实施例2
用于无人收银平台的UHF近场RFID阅读器天线。图1是UHF近场RFID读写器天线的顶层平面结构示意图。如图1所示，天线由SMA 接头1，馈电端口2、天线匹配枝节3、功率分配枝节4、左移相枝节5,右移相枝节6、天线微带辐射枝节组成。图2是UHF近场RFID读写器天线的侧面示意图，如图2所示，天线一共有三层，顶层11，介质层12，地面层13，天线馈电口采用一个SMA接头1直接与50 欧姆微带线2连接，使得馈线与天线得到很好的匹配，安装稳固，易于焊接。50欧姆微带线2一端焊接SMA头，另一端与匹配枝节3相连。天线匹配枝节3与天线的功率分配器4相连。
天线匹配枝节是基于四分之一阻抗变换器的原理：已知输入传输线上任一点的输入阻抗为：当传输线长度等于四分之一导波波长且负载阻抗ZL为纯电阻时，tanβl＝∞则其中Zc为阻抗变换枝节的特性阻抗。若有一段传输线的特性阻抗为Z1，负载为Z2，要使得传输线的阻抗与负载匹配，只需插入一段四分之一波长的微带匹配枝节，该匹配枝节的特性阻抗为Zc,于是有：既可以利用所计算得到阻抗变换枝节特性阻抗为Zc，因为使用的基板较薄，采用宽带微带线经验公式：
εr为介质基板相对介电常数。于是基于以上原理，可以的到微带线宽度。因为在该实例天线中，负载不一定是纯阻抗，所以进行优化相应的长度和宽度，使得天线在相应的RFID频段工作。
图3为电磁波在微带线的传播形式示意图，如图3所示，由于采用的微带线漏波效应形成的近场天线，微带线尽量覆盖更多的空间，电场分布将更为均匀。为使天线电场分布均匀，采用功率分配方案，天线的功率分配器4采用一分二，再二分四的功率分配方式，使得天线辐射的电场可以尽量均匀的覆盖天线近场区域。由于功率的分配，必然导致微带线上不连续性，导致阻抗不匹配，天线端口效应很强，反射很大，天线在近场内不能够产生很强的电场。为了解决由于功率分配带来的传输不连续问题，添加天线匹配枝节3，将能够消除功率分配带来的阻抗不匹配问题，使得天线馈电能够直接采用现有商业化高频线缆，实现电磁波最大的传播效应。阻抗匹配枝节影响天线的反射系数，可以通过调节改匹配枝节3的长度和宽度来调节天线的反射系数大小和工作带宽。功率分配器4中的微带线电长度以及线宽，是由RFID工作频率所确定的。
实施例3
所述天线辐射结构由两段移相结构和四段微带线蛇形结构组成。所述四段微带线蛇形结构中两段微带蛇形结构采用两侧对称的形式，另外两条微带线蛇形结构采用近似两侧镜像形式，并且四段微带线的路径长度是相同的，四段蛇形微带结构末端均采用开路状态。
天线微带辐射枝节四段，分别为左上微带线7，左下微带线8，右上微带线9，右下微带线10，左上微带线7和左下微带线8上下对称设置，右上微带线9和右下微带线10上下镜像对称设置；
左上微带线7和左下微带线8分为水平方向的枝节和垂直方向枝节，采用蛇形的结构，通过调节水平方向和垂直方向的长度，左上微带线7和左下微带线8在垂直方向上电流流向相同，在垂直方向直线线振子形成直线阵；调节右上微带线9和右下微带线10，通过调节水平方向的枝节和垂直方向的的枝节长度，使得各枝节上的电流方向能在水平方向上相同；所述两段移相结构均采用U型结构，第一段U 型移相结构中，两侧臂较长，第二段U型结构中的两侧臂较短，增强天线微带线同向电流，使近场电场产生更多的极化方向。所述的U型移相结构可为垂直形状也可为水平形状。
左下微带线8插入一段U型的左微带移相结构6，调节左微带移相结构6的臂长，使得左上微带线7和左下微带线8在垂直方向上的空间上电流流向相同；右上微带线9添加了一段右移相结构5；调节右移相结构5的臂长，使得右上微带线9和右下微带线10水平方向上的空间上电流流向同向。
左上微带线7和右上微带线9电流方向垂直，左下微带线8和右下微带线10电流方向垂直。
根据电磁波在相应的工作频率下由微带线传输的原理；高频电流经过微带线半个波长的长度后，其相应的电流方向将发生反向。采用蛇形的结构，通过调节水平方向和垂直方向的长度，可以实现几个波长的范围内电流在空间上的流向相同。因此左上微带线7运用此原理调节相应的长度，实现在垂直方向上电流能够相同流向，这样就可以是的辐射电场增大，消除了电流反向而引起的抵消作用。相当于在垂直方向直线线振子形成直线阵，直线振的坐标关系如图4所示。
在图4中，直线振子的近场电场和磁场的近似表达式为：
于是在近场区域内，直线振子的电场相互叠加，形成较大的电场，从而满足较远的识别距离。采用左上微带线7的设计原理，设计左下微带线8。这样可以实现左上微带线7和左下微带线8的电流方向分别都在垂直方向上相同。同样的原理，可以调节右上微带线9和右下微带线10，使得各枝节上的电流方向能在水平方向上相同。
为了在空间上能够实现左上微带线7和左下微带线8的电流同向，引入了一段U型移相枝节。调节U型移相枝节的臂长，就可以改变电流的相位，使得左上微带线7和左下微带线8的电流在空间上的流动方向一致。对于右上微带线9和右下微带线10，要使得他们在空间上的电流方向相同，采用了一种镜像对称的方式以及添加移相枝节的方式。从空间上看，左上微带线7和右上微带线9的电流方向是垂直的，左下微带线8和右下微带线10的电流方向也是垂直的。分别调节U型枝节的臂长度，使得天线在空间的电场产生多极化效果。
图5为当激励电流相位为0度时的天线表面电流分布图。
图6是天线的反射系数曲线图，如图6所示，天线工作频带为 900MHz-918MHz,适合用于UHF频段的RFID系统。
图7是距离天线表面高度z＝200mm时电场的极化方向图，如图 7所示，箭头代表电场极化方向，近场区域内电场极化方向是多极化，电场极化方向上半部分实现左旋转，下半部分实现右旋转，天线近场区域内具有多极化效应。可读取任意摆置的标签天线。
图8是天线远场增益曲线图，如图8所示，由于介质基板薄，天线微带线上的电流与地面电流方向相反，远场电磁场相互抵消。天线的远场增益小于-8dBi,整体增益比较低，当标签远离天线一定距离时，不会被读到，可避免误读标签。
实施例4
用于无人收银平台的RFID近场天线组阵。图9是在无人收银平台天线组阵的具体位置图，如图7所示，无人收银平台为前后两端开口的箱型结构，箭头14所指为前后两端面，空间尺寸为 400*300*250mm。天线组阵由4个近场RFID阅读器天线组成，两个一组分别安装在无人收银平台的底面和一个侧面，构成一个L型平台。
收银平台工作时，贴有标签的商品以箭头14方向进入收银平台空间，单个RFID阅读器天线的读取范围无法完全覆盖整个收银平台空间，需要采用近场RFID阅读器天线组阵，读取时，以一定频率和顺序切换工作RFID阅读器天线，使阅读范围覆盖整个收银平台空间，在商品停留在收银平台的时间内读取到所有商品标签。
作为本实用新型的扩展，无人收银平台系统可同时采用RFID近场天线组阵与图像识别技术进行商品的识别。在平台空间中安装摄像装置，对于一些价格便宜，利润较低的商品，或者对于金属包装/液体等RFID读取效果差的商品，可采取基于机器学习的图像识别的方式进行识别；对于其他商品，则采用RFID近场天线组阵识别标签的方式进行识别，从而提高读取率。
实施例5
用于无人零售冰箱的RFID近场天线组阵。图10为用于无人零售冰箱的RFID近场天线组阵以及冰箱侧视示意图，如图10所示，近场阅读器天线15、16、17、18安装于冰箱的顶部以及每一层的隔板上，商品上贴有标签19，每一层的商品由该层的近场阅读器天线识别。在工作时，阅读器以一定频率识别冰箱中的商品，顾客登录系统打开冰箱取走商品，关上冰箱门，比较取出前后阅读器识别出的商品，得到被取出商品信息，连接用户账户进行扣款。关上冰箱门前，顾客可以改变意愿放回已拿出的商品，这一点比基于机器学习的图像识别方式要方便的多。
本实用新型提出的用于无人收银平台的近场阅读器天线和天线组阵不仅局限于无人收银台和无人收银冰箱，任何可以采用近距离识别商品或物品的环境都可以使用，成本低、识别距离范围较广、抗干扰能力强，使用的场合很多
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：其天线辐射结构包括天线微带辐射枝节、移相枝节；天线微带辐射枝节包括垂直方向设置的天线微带线和水平方向设置的天线微带线，形成蛇形结构，调节微带线水平和垂直的长度使局部垂直方向上电流流向相同，局部水平方向上电流流向相同；天线微带线相同流向的局部中插入移相枝节，使同向电流的空间高度相同。
2.根据权利要求1所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：所述的蛇形结构的拐角为圆弧或直角的微带蛇形结构。
3.根据权利要求1所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：所述天线辐射结构由两段移相枝节结构和四段天线微带线蛇形结构组成；所述四段天线微带线蛇形结构中两段微带蛇形结构采用两侧对称的形式，在垂直方向上电流流向相同；另外两条微带线蛇形结构采用近似两侧镜像形式，电流方向在水平方向上流向相同，并且四段微带线的路径长度相同，四段蛇形微带结构末端均采用开路状态，两段移相结构分别位于两侧对称微带的微线上和两侧镜像式微带的微线上，实现相同电流方向的空间高度相同。
4.根据权利要求3所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：所述两段移相枝节结构均采用U型结构，第一段U型移相结构中，两侧臂较长，第二段U型结构中的两侧臂较短，增强天线微带线同向电流，使近场电场产生更多的极化方向。
5.根据权利要求4所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：所述的U型移相枝节结构为垂直形状或水平形状。
6.根据权利要求1所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：还包括SMA接头，馈电端口、天线匹配枝节、功率分配枝节；天线馈电口采用一个SMA 接头直接与馈电端口一端连接，另一端与天线匹配枝节相连；天线匹配枝节与天线的功率分配器相连，天线功率分配器与天线微带辐射枝节相连。
7.根据权利要求6所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：所述的馈电端口为50欧姆微带线。
8.根据权利要求1-5任一所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线，其特征在于：所述的天线一共有三层，顶层设有天线辐射结构，中间层为介质层，底层为地面层；顶层为导电性高的材料；所述的介质层为环氧树脂玻璃纤维板或PCB介质基板。
9.一种用于无人收银平台的近场阅读器天线组阵，其特征在于：将多个如权利要求1-5任一所述的阅读器天线，平行排列在同一个平面上且方向相同形成天线组阵。
10.根据权利要求9所述的用于无人收银平台的近场阅读器天线组阵，其特征在于：空间结构的底面、顶面和侧壁任一或选择几面分别安装多个平行排列的阅读器天线组阵。
Priority Applications (1)
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| CN207818871U true CN207818871U (zh) | 2018-09-04 |
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| CN201721394061.6U Withdrawn - After Issue CN207818871U (zh) | 2017-10-26 | 2017-10-26 | 用于无人收银平台的近场阅读器天线和天线组阵 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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-
2017
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Cited By (2)
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| CN107799873B (zh) * | 2017-10-26 | 2024-01-09 | 苏州优函信息科技有限公司 | 用于无人收银平台的近场阅读器天线和天线组阵 |
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