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超高频RFID货架的级联阅读器天线和定位能力的方案
Yong Yuan and Dan Yu
Corporate Technology, Siemens Ltd. China, Beijing, China
Email: yong.yuan@siemens.com, dan.yu@siemens.com
摘要：货架上商品自动盘点是一个重要的超高频(UHF)射频识别(RFID)的应用。与其他应用相比,它有一些独特的要求:1)确定阅读区域以避免交叉读到其他层和货架;2)知道货架上标签位置的定位能力;3)系统总成本低以便支持许多应用的货架。在本文中,为RFID货架提出了一个创新的超高频RFID解决方案。它包含两个关键技术。首先,提出近场(NF)货架天线在[1]中被改进来提供将5级联天线连接到一个天线端口的可能性。它可以通过降低读写器的数量以节省系统成本。其次,提出了一种基于相位差测量标记定位方法。为了支持不同的应用,它可以提供两层级别和项目定位在货架上的货物。根据测量结果,该方法可以得到项目水平定位精度,平均误差为4.16厘米。它还可以得到100%层水平定位精度。
关键字：RFID；智能货架；级联式天线；基于相位差测量的标签定位
1 绪论
无线射频识别技术具有无线识别和跟踪的能力，具有大量的物流应用和制造应用。许多物流应用，如仓库管理，都有共同能够盘点货架上的货物的要求。当射频识别技术涉及到项目的时候，它很适合支持货架上的自动库存。每一个物品都贴上一个标签。读写器识别自动库存的每一个标签。带有通过RFID自动商品库存的能力，货架通常被称为智能货架[1-4]。它可以显着提高可靠性和减少所需的人力相比于旧的手工库存方法。
与其他应用相比，智能货架具有一些独特的要求。首先，它需要在每一层上限制读区域。在所需的层，100%的可靠性预期能读取所有层上的标签。在所需的层外，没有读写发生以避免交叉读。它是无线识别技术如RFID遭受电波反射发出挑战。其次，在库存过程中，系统需要知道在货架的标签的位置。对于不同的应用，该系统可能需要知道的每层上的标签，或在货架上的标签的确切位置。第三，总的系统成本应保持低，特别是在大量的货架部署应用中。读写器成本是整个系统成本的重要组成部分。通过减少所需的读写器数量可以显著节省总系统成本。
由于低成本的标签和高库存的速度，超高频RFID技术的项目级应用如智能货架很有前途。然而，目前的超高频RFID技术采用远场无线传输方法。由于无线电波反射的问题，很难提供密闭的读区域。幸运的是，近年来出现了NF UHF RFID技术[5]。其基本思想是使用类似的耦合方法的UHF RFID系统为HF的同伴。基于这样的设计，它得到最好的两个世界。一个NF UHF RFID系统由带有新的NF阅读器天线未改性的超高频阅读器配，带有新的标签天线处理NF性能的未改性的标签芯片。在目前的超高频RFID系统中它很容易被采用。基于这些优点，智能货架中的应用非常有前途。在[1]中，作者提出了一种基于接地共面带状线（CPS）的结构的特殊的NF架天线。它可以提供在每个层上的限定读区域。
在本文中，提出了一种改进的货架天线，它能将5个级联天线连接到一个天线端口，通过减少所需阅读器的数量来节省系统成本。通过假设一个读卡器支持4个天线端口，一个货架上有4层，下面给出一个例子。
作为正常的设置，4个读写器需要支持4个货架如图1（a）。通过使用级联的天线，只有1个读写器是必要的，以支持4个货架如图1（b）。对于应用大量的货架部署，节省成本的效果更为显著。
图1 通过超高频RFID阅读器的托管架（a）每一个天线端口；（b）每个端口的多个天线
一种基于相位差测量的标签定位方法也提出了基于级联的天线设置如图1（b）。其基本思想是在双通道上测量标记后向散射信号的相位。然后将这2个阶段的差分映射到级联天线上的相对位置。由于以下原因，这种方法可以很容易地集成到当前的产品和解决方案。首先，它只依赖于由当前读写器和标签的正常操作将获得的基带信号的分析。其次，只有一个额外的校准程序需要估计相关参数的方法。它只是需要在部署前在实验室里进行一次应用。之后，该方法可以直接使用在实际应用中。根据测量结果，该方法可获得项目级的定位精度在平均误差4.16cm内。它也可以得到100%级的定位精度。
本文的其余部分结构如下。第二节给出了有关工作的简要概述，第三节介绍了天线的设计和定位方法，测量设置和结果在第四节中，在实际应用中的一些具体问题和解决方法在第五节提出，得出结论性意见在第六节。
2 相关工作
由于其能力的限制阅读区规定，NF UHF RFID技术得到了很多的关注，它支持智能货架的应用。在[11]中，电耦合方法用于架天线的设计。其目的是存储在核因子区域的电场的能量。然而，在一些实际应用中，电耦合方法遇到了一些麻烦。首先，对于金属货架，电场分布受到严重影响。二，阅读区域的标签定位严重影响。在[7]中，不同的标签定位，探测距离可能会改变从0.3m～1m。天线可以限制放置物品的首选标记方向的读数。然而，在装卸过程中，工人携带的货物可能会产生错误的标签方向，导致交叉读取。磁耦合方法可以有效地解决这些问题。然而，它是很难设计一个大的均匀磁场分布以覆盖整个层的货架天线[12]。即使在高频射频识别系统具有较大的波长，它也很难使用一个为每一层提供均匀的磁场分布的单一的回路[13]。在[13]中，设计了一种特殊的高频天线，通过级联多个循环。在每一层的相位相反，各相邻回路的电流方向被设置为提供均匀磁场分布。根据作者的研究，在高频波段天线可以提供每一层上的一致的读数。然而，由于更短的波长，类似的设计很难在UHF频段实现。在[1]中，作者提出了一种基于CPS架天线接地结构。天线上的行波是用来产生均匀的平均磁场分布。根据测量结果，该天线可以有一个可靠的密闭读区域。基于核因子的磁耦合方法，在不同的商品存在下，货架天线也可以有稳定的读取区域。
除了天线设计，系统部署问题也应考虑。如图1(a）所示，许多读写器都需要以正常的设置来管理货架，这使整个系统成本高昂。在[6]中，作者建议使用一个射频开关依次访问每个天线。在[14]中，设计了一个射频开关模块。该模块可根据读写器的地址命令访问每个天线。基于射频开关模块，可以减少所需的读写器数量。然而，必须引入额外的有源射频开关。读写器或其他控制器必须能够发送一些命令到射频开关。在这项研究中，我们改进了天线在[1]中提供级联连接的可能性。基于新的天线设计，最多可级联连接到一个天线端口的有5个天线。通过这样的设计，所需的读写器的数量可以显着降低，以节省总成本如图1（b）。
对于大多数应用，用户还需要知道在货架上的标签的位置。在[15]中，一些参考标记被部署在货架上标记位置。通过监测RSSI沿着参考标签的变化的特殊规律，读写器知道新标签的位置。根据作者的观点，可以得到平均误差为18.48cm。通过使用普通远场天线和标签，该方法是简单的。然而，RSSI值也可能有环境反射的影响，例如运动人体或金属物体。在环境中的定位精度可能会进一步降低。也表明了使用相位差测量方法在RFID系统的标签定位的很多工作。相位差可以在频域[16-18]测量、空间域和时间域[19,21,22][20]。几乎所有的工作发现，定位精度受信道环境的严重影响。为了获得较高的定位精度，在实际环境中严重的多径效应、大带宽的需要而不被大多数UHF RFID的规定[23]支持。在我们的论文中，提出了一个相位差测量方法在频域上定位的标签上的级联天线。与目前的工作相比，最大的区别是，大多数相位差是由信号传输通过天线和连接电缆。它不会从附近的环境中获得巨大的影响。所以目前UHF RFID监管[24]下得到一个更可靠的准确性。
3 天线设计与定位方法
3.1 天线设计
在[1]中提出的天线有如下图所示。其目的是连接几个级联天线的一个天线端口。它主要包含以下几个部分：接地的CPS结构，两集总巴伦，两共面波导（CPW）结构，扩展金属接地平面和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）住房。
图2 货架天线结果 （a）前视图（b）侧视图
基本的天线设计和分析，在[1]中进行了深入讨论。他们在这里讨论的是有限的空间。与天线的级联组合的性能进行了讨论如下。
基于CPS结构传输的差分信号，在Z方向形成一个强大的磁场。所以最好的位置是在底部的货物附加的核因子循环标签。磁场的振幅是通过设置输入功率的30dBm和20dBm信号和模拟。结果显示如下图。
根据图3，均匀的磁场分布对天线的CPS结构。基于30dBm和20dBm的输入功率，强磁场分布可以维持到5cm、3cm以上的PMMA外壳的顶部。假设标签附在距离0-3cm货物的天线，一个信号的最小输入功率应保证。另一方面，磁场主要集中在天线结构的CPS。天线的两端都不用来读取标签。因此，确定天线的有效标签的读取面积。
图3 天线磁场分布
级联天线设计的一个重要特性是引入小的插入损耗。然后，功率可以有效地被转发到下一个天线。探讨插入损耗S21参数模拟和实测研究天线的插入损耗。结果显示如图4所示。
图 4模拟和测量S21参数
根据模拟，插入损耗约为每个天线0.4dB。然而在实际测量中，插入损耗约为860MHz-960MHz，UHF RFID频段-2.6db。这种差异来自两集总巴伦和两同轴共面波导过渡的插入损耗。考虑读写器的第一天线和连接电缆造成的损失提供了0.5dB、33dBm输入功率，输入功率是4后降到20.6dbm级联的天线。正如前面讨论的，是建议的最小输入功率20dBm。因此，级联天线的最大数目是约5。然而，级联的天线设计有可能通过选择低损耗同轴波导转换集总巴伦和支持更多的天线。
3.2基于相位差测量的标签定位
建议的级联天线可以显着地降低总成本。基于级联的天线设置，一个标签定位方法也需要使系统知道在货架的标签的位置。在这部分中使用基于相位差的标记定位方法。在该方法中，在2个频率通道上的标记后向散射信号的相位差测量。然后将它映射到标记的相对位置。
参考的连续信号的标记后向散射信号的相位显示如图5所示。
图5用于标记位置的后向散射信号的相位（X,Y）
在图5中，轴表示沿天线方向的信号传输。轴表示从天线表面到标签的信号传输方向。用于标记位置的后向散射信号的相位（X,Y）可以计算如下。
(1)
其中，是通过天线信号的波数和相速度，电缆和自由空间在频率；表示部分天线长度i在阅读器天线端口和标签之间；表示电缆i的长度；表示由其他组件引入的固定相位偏移，例如相关的读写器硬件组件和从读写器端口到第一天线的电缆等。不改变标签位置。对于大多数在仓库管理的应用，标签是几乎放在货架上同一位置的箱子。它们被假定为具有相同的距离的天线表面。因此可以添加到。估计在校准过程中。另一方面，为了简化分析，所有的天线和电缆都有相等的长度，它表示为和。但它很容易扩展到的情况下，不等长的电缆长度和天线长度。但它很容易扩展到的情况下，不等长的电缆长度和天线长度。在这些假设下，该阶段可以改写如下。
(2)
其中，表示在一个方向上发送的信号的总长度的天线部分，表示在一个方向上发送的信号的总长度。定位问题变成了如何利用测得的相位信息，，找到的相对位置的级联天线，X标记。根据（2）式，X不能只考虑一个频率信道的相位估计，自2多个pi;相位差检测不出。考虑到，最大明确的距离只有约0.13m。它是不有用的级联天线的标签定位。为了增加明确的距离，频率通道的相位差被认为是以下。
为了简化分析，被用来作为等效电缆的长度，通过参照在（3）式的天线的相速度。然后，一个单一的长度可用于在考虑天线和电缆的波的传输。在（3）式被定义为转换系数转换为真正的电缆长度的等效电缆长度。在所提出的天线设计中，基板和接地平面之间的空气间隙使得等效介电常数小于在大多数电缆中的基板的介电常数。它使1，因此大于。这有利于区分天线。要使用（3）式用于定位目的，必须估计以下参数：。当天线和电缆是固定的，只有一个时间校准程序是必要的，估计这些参数在实验室中的实际部署之前。根据估计的参数，标签的位置可以被估计为以下。
3.3 分析
由于标签只出现在天线，标签的位置只能作为以下的值。
(5)
其中，n表示阅读器天线端口与标签之间的天线数。在（5）式中定义作为模板的位置。通过与的对比，可获得级联天线上的精确标记位置。
所提出的方法的性能限制如下：
- 最大明确的总长度和支持的天线的最大数目被确定为以下。
- 为了支持该项目的水平定位，定位精度被确定为以下。
其中，意味着相位差的测量是由阅读器硬件和相位检测算法的误差影响。
-
为了支持层级定位，电缆长度应满足以下的方程来区
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