CN1197310A - 检测射频识别标记信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

检测标记通过检测容积时所产生的已编码射频识别标记信号的天线阵包括:至少第一和第二天线,设置在围绕检测容积周边的不同位置上,及一个电路,具有用于接收第一和第二天线各自输出信号的输入端,及一个输出端,连接到用于解码该检测信号的信号接收机上。该电路输出信号内含第一和第二天线输出信号及第一和第二天线输出信号之和;最好附加地包含反相的第二天线输出信号和第一天线输出信号与反相的第二天线输出信号之和。

Description

检测射频识别标记信号的方法和装置

本发明涉及一种用于检测射频识别(RFID)信号并将其提供给阅读器的天线阵，具体涉及一种天线阵，用于检测出通过检测容积例如入口或网关的RFID标记的输出信号并将该信号提供给接收机来解调和解码该信号。

用RFID标记或卡来识别一个人或物是众所周知的事情。这种标记受到激励时通常会产生出具有由一个识别码调制的第一频率的磁场，有时产生电场。所述的标记可以是有源标记，亦即这种标记具有一个自备电源；也可以是无源标记(这种情况更普遍)，在阅读器的检测容积(例如门廊或入口)内读出或处理它时需要有外部的激励。对入口型设备而言，通常采用有源型的装置，其中，有一个发射天线用于对该标记发射一个激励频率信号，设置在入口处通常毗邻于接收天线，该接收天线用于接收由被激励的标记所产生的已调制磁场或电磁场，以便识别出该标记，进而识别出附有该标记的用户或物体。

在被读的RFID标记所在的检测容积的水平和垂直尺寸超过单一阅读器的读出范围或检测的几何条件的大区域或大容积中，检测RFID标志时会发生问题。在被读的标记通过入口(检测容积)时未限制在一个特定方位的情况下，例如该标记是由经过该入口的一个人携带的，或是附在一个随机取向定位的物体上例如放在传送器上的包裹或封装物上时，也会发生问题。具体地说，单一阅读器的检测容积在跨度上不是具有足够的场强的所需的容积，不足以使该标记在离开该阅读器表面一定距离的该容积的角落处被读出。

为了谋求解决这个问题，人们已知采用围绕在入口前沿或后沿的入口区周边而定位的、具有单平面环形天线的单一阅读器。然而，单一射频阅读器的检测容积，特别是用于检测磁场的接近型，在跨度上未覆盖具有足够场强的所需的入口容积，不足以使该标记在所有部位都能被读出。再则，环形的几体形状所形成的区域，在该标记的某些取向的情况下，例如平行或垂直于地面时，单一阅读器的场强不足以为该标记充分供能(在有源标记的情况下)，往往产生一个微弱的识别信号。为此，这样的配置结构在从标记提供足够的场强以在单一阅读器的检测范围内进行检测方面还有问题。

为了试图解决这个问题，人们还已知采用多个阅读器的组件，将它们相互放在一个阵列之中、在入口或检测容积的周围，由每个相应的阅读器所检测的模拟信号在一个单一射频检测和解码装置处结合在一起。还已知将这些阅读器设置在同一处，或相互面对地设置在入口的两端处，以改善该标记在检测区的场强。然而，对于RFID信号的检测仍有问题，特别是在两个检测信号是180°反相的时候，这可能是由于天线反向连接造成的，也可能是由于标记相对于天线平面的取向造成的。例如，如果一对天线设置在入口相对的两侧，在标记的表面是平行于两个接收天线线圈而取向时，则标记在两个天线线圈中产生反相信号，而在标记的表面垂直于天线线圈时标记在两个天线线圈中产生同相信号。

据此，现在需要一种改进的天线阵，用以在标记通过一个检测容积期间检测出由该标记所产生的RFID标记信号。这种可以提供改善的信号检测的、由一个单一接收机应用的天线阵对于现有技术会是一种改进。

图1示出根据本发明的配备有一个天线阵中第一天线和第二天线的一个入口形式的检测容积的示意图。

图2示出根据本发明的一个实施例的具有时分复用天线的整体阅读器系统的基本电路方框图。

图3示出图2所示的天线阵的复用器的基本电路方框图。

图4示出在两个天线信号同相对的天线信号和图3所示电路的复用器控制信号和复用器输出信号的定时图。

图5示出在两个天线信号反相时图3所示的本发明实施例中如图4所示的那些信号的定时图。

图6示出图2所示的时分复用器优选实施例的电路方框图。

图7示出在两个天线信号反相时的天线信号和图6所示电路的含有附加反相器控制信号在内的复用器控制信号和复用器输出信号的定时图。

图8示出根据本发明的利用一个开关电路而不用复用器的天线阵另一个实施例的电路原理图。

图9示出根据本发明的一种入口的示意图，它具有两个以上的天线，围绕该入口的周边而设置成为一个阵。

图10示出根据本发明的天线阵的一个数字实施例示意图。

本发明概括一种天线阵，用以检测出在标记通过一个检测容积期间所产生的RFID标记信号。该天线阵包括：第一天线和第二天线，它们设置在围绕一个检测容积的周边的不同位置处；一个电路，具有：输入端，被连接来用于从第一和第二天线接收各自相应的输出信号；和一个输出端，被连接到一个接收机上，该接收机用于解码该检测信号。输出信号携带了第一和第二天线各自的输出信号以及第一和第二天线输出信号之和。该电路的输出信号最好附加地含有：反相的第二天线输出信号及第一天线输出信号与反相的第二天线输出信号之和。按照这种方式，该天线阵具有可使该单一接收机输入端所得到的信号最大化的效果，避免了在每个天线单独连接时该标记信号由两个天线的相互180°反相地接收时产生一个矢量和可使接收机输入端的信号电平下降的潜在的负面效应。

根据本发明的各种实施例，该电路可以包括：一个时分复用器，具有连接到第一和第二天线的相应输入端和连接到信号接收机的一个输出端；及一个控制电路，用于向该复用器提供控制信号，以使该复用器周期地提供所需的输出信号。另一种可替代的方案是，在使用线圈式天线时，该电路可以包括一个开关装置，连接到第一和第二天线上，用于有选择地连接第一天线线圈或第二天线线圈或以同向串联连接的第一和第二天线，以使各自相应检测的磁场相加到该电路的输出端。在这后一个实施例中，该开关装置最好附加地有选择地反向串联连接第一和第二天线线圈，以使各自相应的检测磁场相减地传送到该电路的输出端。

根据又一个实施例，该电路还包括：各自相应的模/数(A/D)转换器，连接到每个天线上；及一个数字信号处理器(DSP)，响应该A/D转换器的各自相应的输出信号，向信号接收机周期地提供一个数字输出信号，其含有第一和第二天线的各自输出信号以及第一和第二天线的输出信号之和。在这个实施例中，DSP的输出最好附加地含有反相的第二天线输出信号和第一天线输出信号与反相的第二天线输出信号之和。

在该电路从每个天线接收各自相应的输出信号并提供一个输出信号(内含每个天线的各自相应输出信号、与每个天线输出信号和每另一个天线输出信号的各自相应和值相对应的信号)的情况下，环绕该检测容积的周边所设置的天线阵的天线个数大于2。在这种情况下，该电路的输出信号还最好含有反相的至少除了第一天线以外每个天线的输出信号及每个天线输出信号与反相的每个另一个相应天线输出信号之相应的和值。

参照图1，图中示出以入口10形式的一种检测容积，它具有一对天线12和14，围绕入口10的周边设置。在所示的配置结构中，天线12和14是平面的或平绕线环形天线，设置在入口10的相对侧面上，以使环形天线12和14相互平行且垂直于入口10的横截面。可以理解，虽然入口10业已示为其横截面通常是矩形的，但入口10可以是任何所需的横截面形状(例如圆形、椭圆形、椭性的、三角形等)。线圈也可以是其它类型的，例如螺线管，该天线不要求天线12和14具有几何关系，例如它们不要求彼此相对或相平行，或垂直于该入口10的横截面。例如天线12和14之一可以有该入口的底部水平面上，以便限定出一个具有三角形横截面的容积。

参照图2，如图1所示的已定位的两个环形天线12和14的输出馈送到一个复用器20的两个信号输入端16和18上，该复用器的输出端22连接到一个接收机24的输入端，用以检测和解调复用器21的输出信号，而接收机24的输出信号馈入一个主数据处理器26，以待使用。该时分复用器20的电路配置结构的两个实施例示于图3和图6中。

如图3所示的基本的复用器实施例，时分复用器20的两个信号输入端16和18分别地引导到两个模拟开关30和32的各自相应输入端上。这两个模拟开关30和32的各自相应输出端连接到一个公共求和结点34上，然后引导到复用器输出端22上。模拟开关30和32的每个应附加地具有一个各自相应的控制输入端36、38，用于从一个复用器控制电路40接收一个复用器控制A信号或一个复用器控制B信号，所述的复用器控制电路40可以是一个微处理器，也可以是逻辑和定时门，如图中所示的。利用从复用器控制电路40来控制信号36、38，模拟开关30和32之中任一个可以单独地或同时地被起动(即闭合)，以使输入端16的从天线12来的输入信号A、输入端18的从天线14来的输入信号B、或从天线12和14来的输入信号A与B之和可以单独地提供在复用器输出端22上。在一个优选实施例中，该复用器控制信号可使得复用器输出端22上所提供的信号是一个周期性的依序排列的信号，即输入信号A和输入信号A与B之和，然后是输入信号B。利用定时图来说明图3所示的电路的操作情况，由天线12和14所接收的两个信号在图14中是同相的，而在图5中是180°反相的。如图所示，虽然其频率和有关的定时相对于实际信号业已大为简化了，但仍能充分说明图3所示的时分复用器21的实施例的操作方式。在这两个定时图中，复用器控制A信号的高值使输入端16上来自天线12的信号A连接到复用器输出端22，而复用器控制B信号的高值使输入端18上来自天线14的信号B连接到复用器输出端22。

如图4所示，复用器控制信号36、38使复用器输出端22的周期性依序信号是由信号A、信号A+B和信号B组成的。由于对复用器21的各自相应输入信号A和B是同相的，如图4定时图的上两行所示的，在信号A和B相加时，复用器20的输出端22上产生最大的或最大值的信号，如图还示出用圆圈42所示的、对应于该和值的这个信号比各自相应信号A和B的任一个都大。于是，在信号的检测性方面提供了最大化并具有实质性的改进。

另一方面，如图5所示，当两个各自相应的输入信号A和B是180°反相时，在复用器输出端22上呈现的最大信号是由圆圈部分44所示的、与各自信号A和B相对应的和值信号，它具有减小的幅度，如图所示。为此，在本发明的这个实施例中，人们可以估算在复用器输出端上的和值信号，当两信号同相时提供了增加的幅度；而在两信号反相时得不到增大信号的任何益处。于是，虽然在两输入信号同相时该电路配置可使该信号最大化，但在这两信号反相时它几乎不产生任何实质性的益处。这样的反相信号可能是这两个天线以某种方式反相连接的结果(如果需要这种状态可以容易地检查出来，然后可被校正)，也可能是标记在入口内的取向造成的，这种状态不能正常地被纠正。于是，在这些状态下图3所示的电路对于使复用器输出信号最大化不能提供出最佳解决。

为了克服上述的问题，复用器21最好含有如图6所示的电路，图中的部件与图3相同者用与图3相同的标号表示，其操作方式也与图3相同。如图6所示，代之以模拟开关32的输出端直接连接到求和结点34，而是经由一个电路装置连接到求和结点34，所述的电路装置允许从天线14来的信号B或反相的信号B有选择地馈入求和结点34。为此目的，设置了两个附加的模拟开关50和52，开关50的信号输入端54直接连接到开关32的输出端，而开关52的信号输入端56经过一个信号反相器58连接到开关32的输出端，所述的信号反相器例如是一个放大器，其增益为-1。附加开关50、52的各自相应输出端共同地连接到求和结点34。为了控制开关50和52的状态，复用器控制电路40提供出一个附加的控制信号，即一个反相的控制信号，它直接耦连到开关52的控制输入端59，和经由一个信号反相器60耦连到开关50的控制输入端上。这个实施例的定时图示于图7中，这是从天线12和14来的各自相应的输入信号A和B是180°反相的情况。

参照图7，在开关52的控制输入端59上施加的复用器反相控制信号是高电平时，该开关闭合，使反相的信号B馈送到该复用器的输出端22上。从图7可以看出，反相控制信号最好被定时得可使复用器的输出信号按如下顺序周期性地被产生：信号A、信号A与B之和、信号B、信号A、信号A与反相信号B之和、最后是反相的信号B。图7还示出：一个最小的输出信号是在信号A与B时发生的；最大的复用器输出信号是在信号A与反相的信号B求和时发生的，这个信号比从各自相应的天线12和14来的、相应的信号A或B的任何一个都大些。据此，由于标记在入口区域内可能的取向而导致反相状态可能随机地发生，因此图6所示的电路(即具有反相控制)是优选的复用器实施例，可以提供最大的检测信号。

请注意，尽管规定的相应天线以及和信号的顺序是优选的并且是由于一个简化的开关顺序而产生的结果，但根据本发明、只要相应天线以及和信号是按周期提供的，就不要求上述的顺序了。

参照图8，图中示出根据本发明的天线阵的又一个实施例，用于提供与图6所示的复用器实施例所提供的输出信号相同的输出信号。根据这个实施例，代之以使用复用器21，将两个天线线圈12和14经由一对双刀开关70、72连接到接收机24。可以理解，虽然开关70、72图示为机械开关，但它们可以利用电子元件制成电气开关。

根据开关70和72的具体位置，提供给接收机24的输入信号(使用与说明图6的相同命名的习惯性描述，例如：天线12产生一个相应的输出信号A；天线14产生一个相应的输出信号B)是按如下顺序安排的：输出信号A、输出信号B、输出信号之和(A+B)、或输出信号A与反相的输出信号B之和(亦即差信号)(A-B)。这是借助于将具有标明极性的线圈12和14与开关70和72相连接，如图所示，以在开关70的动开关接点74的第一图示位置(即上部位置)时将线圈12连接到接收机24，来提供输出信号A。相似地是，在开关70的接点74处于下部位置时，天线线圈14连接到接收机24的输入端，来提供信号B。最后是在开关70的中央位置时将天线线圈12和14经由开关72连接到接收机24，来将信号A+B或信号A-B提供给接收机24，这将在下文描述。

参照开关72，假设开关接点74处于中央位置和开关接点76处于图示的上部位置，天线线圈12和14按照同向串联方式连接，以对接收机提供信号和(A+B)。另一方面，在开关72的接点76处于下部位置时，天线线圈12和14反向串联连接，向接收机提供一个差信号(A-B)，亦即两线圈之一的输出信号与另一线圈的反相输出信号之和的结果。

可以理解，根据本发明的天线阵可以含有两个以上的天线，它们围绕检测容积或入口10的周边设置。例如图9中所示的，入口10设有6个天线，它们具有例如扁平的或其它形状的线圈，围绕入口10的周边分布。具体地说，附加的天线13、15可以分别地设置在与天线12、14相同的入口10的垂直侧面上，而另外的天线17、19可以分别地设置在入口10的顶面和底面上各设一个。每个天线12～15、17和19的输出连接到复用器23的各自相应输入端上；在这种情况下，该复用器是一个6∶1复用器，而不是前述实施例中的2∶1复用器。在复用器23中，控制信号引发一个输出信号，该输出信号馈送到接收机，其内含每个天线12～15、17和19的各自相应的输出信号以及对应于每个天线的各自相应输出信号与每个其它天线的各自相应输出信号之和的信号。也就是说，每个相应的天线对提供一个和信号。于是，复用器23提供一个输出信号，在图示的实施例中对应于天线12的输出信号与其它天线13～15、17和19的每个的相应输出信号之和，一个输出信号对应于天线13的输出信号与其它天线14、15、17和19的输出信号之一的相应和值，等等。复用器23最像图6所示的复用器21那样，引发一个输出信号，以附加地含有除了用于参考相位(例如天线12的输出信号)的一个天线以外的至少每个天线的反相输出信号，以及每个天线输出信号与每个其它天线的相应的反相输出信号之和。为此，复用器23的输出信号包含：每个天线12～15、17和19的输出信号，每个天线12～15、17和19的反相输出信号，每对天线12～15、17和19的输出信号的相应和值，以及每个天线的输出信号与天线12～15、17和19之中的另一个的反相输出信号之相应的和值。这后一组信号还可以描述为来自天线12～15、17和19的相应输出信号之间的差值。

在每个上述的实施例中，对于馈送到接收机24的信号的处理是利用模拟信号来实现的。可以理解，根据本发明也可以提供一个天线阵以数字方式来处理该信号，这样的配置结构示于图10中。如图10所示，从围绕检测容积周边的各相应天线来的相应模拟输出信号经由前置放大器80、82和84(对于三个天线的配置而言)处理之后，馈送到相应的A/D转换器电路86、88和90。A/D输出信号馈送到一个数字信号处理器(DSP)92，来提供一个数据输出信号，馈送给一个数字接收机和解码器。在DSP 92中，所需的反相的求和和复用提供出的信号与上述的模拟形式所提供的那些信号相对应，而是以一种常规的方式利用软件控制来实现的。也就是说，DSP 92周期性地提供一个数字输出信号，其内含至少每个天线的各自相应的瞬时输出信号值与各自相应天线来的每个相应输入信号对的瞬时信号值之和。DSP 92在其输出信号中最好附加地含有：每个天线的反相瞬时输出信号的值，每个天线的输出信号值与每个其它的各自相应天线的反相输出信号之和。

可以理解，虽然本发明是利用天线以天线线圈的形式描述的，用以在标记通过检测容积时检测出由该标记所产生的已调制的磁场，但本发明同样可应用于检测出产生已调制电场或电磁场而不是磁场的标记。在这种情况下，代之以天线是线圈式，而是例如以直接或平面形式的天线。这种标记和检测机构已在例如共同转让的美国专利4,818,855中和在共同未决的美国专利申请(申请号为08/540,813，提交日为1995年10月11日，其主题事物包括在这里供参考)中都已描述了。

Claims (10)

1.一种天线阵，用于检测在一个标记通过一个检测容积期间所产生的已编码的射频识别标记信号，其特征在于，该天线阵包括：

第一和第二天线，设置在围绕该检测容积周边的不同位置上；和

电路装置，具有：输入端，被耦连耒接收从所述的第一和第二天线耒的各自相应的输出信号，用于提供一个输出信号，其内含所述的第一和第二天线的各自相应输出信号和所述的第一和第二天线的输出信号之和。

2.根据权利要求1所述的天线阵，其特征在于，所述的电路装置的输出信号附加地含有：反相的第二天线输出信号，及所述第一天线的输出信号与所述的反相第二天线输出信号之和。

3.根据权利要求1所述的天线阵，其特征在于，所述的检测容积其横截面是矩形的，所述的第一和第二天线设置在该矩形横截面的相邻两侧面上。

4.根据权利要求1所述的天线阵，其特征在于，所述的检测容积其横截面是矩形的，所述的第一和第二天线设置在该检测容积的相对两侧面上。

5.根据权利要求4所述的天线阵，其特征在于，所述的第一和第二天线是平面的线圈，相互基本上是平行定位的。

6.根据权利要求5所述的天线阵，其特征在于，所述的第一和第二天线线圈基本上是垂直于由检测容积的矩形横截面所限定的一个平面而定位的。

7.根据权利要求1所述的天线阵，其特征在于所述的电路装置包括：

一个时分复用器，具有：第一和第二输入端，它们分别地连接到所述的第一和第二天线，及一个输出端，连接到一个信号接收机；和

一个控制电路，用于向所述的复用器提供控制信号，然后使该时分复用器提供一个复用器输出信号，其内含：所述的第一和第二天线的各自相应的输出信号，及所述的第一和第二天线的输出信号之和。

8.根据权利要求7所述的天线阵，其特征在于，所述的控制信号使所述的时分复用器周期性的依序地提供：

(a)从所述第一天线耒的输出信号；

(b)从所述第一和第二天线耒的输出信号之和；及

(c)所述的第二天线的输出信号。

9.根据权利要求7所述的天线阵，其特征在于，所述的复用器包括：一个电路装置，用于提供一个信号，该信号是所述的反相第二天线输出信号，所述的控制电路为该复用器产生另一个控制信号，可使所述的复用器附加地周期性地提供：所述的反相第二天线输出信号，及所述第一天线输出信号与所述的反相第二天线输出信号之和。

10.根据权利要求9所述的天线阵，其特征在于，所述的控制信号使所述的复用器周期性地依序地提供：

(a)所述第一天线的输出信号；

(b)所述第一和第二天线的输出信号之和；

(c)所述的第二天线输出信号；

(d)所述的第一天线输出信号；

(e)所述的第一天线输出信号与所述的反相第二天线输出信号之和；及

(f)所述的反相第二天线输出信号。

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