CN105844320A - 天线和射频识别系统 - Google Patents

Abstract

一种天线和射频识别系统，所述天线包括：第一线圈单元和第二线圈单元，所述第一线圈与所述第二线圈相互垂直设置且不相交，所述第一线圈和所述第二线圈分别与相应的天线匹配电路耦接。上述的方案可以提高标签的识别率。

Description

天线和射频识别系统

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，特别是涉及一种天线和射频识别系统。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种通信技术，其可以通过无线电波识别特定目标并读写相关数据，而无需与特定目标之间建立机械或光学接触。

典型的RFID系统由阅读器、标签(应答器)和数据处理系统构成。对于高频的RFID系统，阅读器和标签间的通信是通过天线线圈间的电感耦合完成信息的传输。

现有技术中，阅读器读取标签的身份信息时，天线采用单个线圈连接在主板上，但是，标签的存放位置各异，使得天线仅能识别出特定方向上的标签，而对于其他方向上的标签无法进行识别，因此，存在着标签识别率低的问题。

发明内容

本发明实施例解决的是如何提高标签的识别率。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种天线，所述天线包括：

第一线圈单元和第二线圈单元，所述第一线圈单元与所述第二线圈单元相互垂直设置且不相交，所述第一线圈单元和所述第二线圈单元分别与相应的天线匹配电路耦接。

可选地，所述第一线圈单元包括第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈；

所述第一线圈与所述第二线圈串联连接，形成第一线圈组；

所述第三线圈与所述第四线圈串联连接，形成第二线圈组；

所述第一线圈组与所述第二线圈组并联连接。

可选地，所述第二线圈单元包括：第五线圈、第六线圈、第七线圈和第八线圈；

所述第五线圈与所述第六线圈串联连接，形成第三线圈组；

所述第七线圈与所述第八线圈串联连接，形成第四线圈组；

所述第三线圈组与所述第四线圈组并联连接。

可选地，所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈、所述第四线圈、所述第五线圈、所述第六线圈、所述第七线圈和所述第八线圈相同。

可选地，所述正方形线圈的边长为所述天线最大接收距离的倍。

本发明实施例还提供了一种射频识别系统，所述系统包括：标签、第一阅读器和用户终端，所述阅读器分别与所述标签和所述用户终端耦接，所述第一阅读器包括上述的天线、射频单元和控制单元，其中：

所述射频单元，适于发送读取所述标签的身份信息的请求，并接收所述标签的身份信息；

所述控制单元，适于接收用户终端读取所述标签的身份信息的请求，将所述射频单元发送的所述标签的身份信息进行校验和识别，并将识别出的所述标签的身份信息转换成为相应的数字信号发送至所述用户终端。

可选地，所述阅读器还包括：天线阵列和天线切换单元，所述天线和所述天线阵列通过所述天线切换单元与所述射频单元相连接；

所述控制单元还适于控制所述天线与所述天线阵列之间的切换；

所述天线切换单元，适于根据所述控制单元发送的天线切换的控制信号分别断开或者建立与所述天线阵列或者所述天线的连接。

可选地，所述系统还包括第二阅读器，所述第二阅读器分别与所述标签和所述用户终端连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：

通过采用相互垂直设置且不相交的第一线圈单元和第二线圈单元，当第一线圈单元和第二线圈中单元输入电流时，第一线圈单元产生的磁场与第二线圈单元产生的磁场相互垂直，可以识别出各个方向上的标签，从而可以提高标签的识别率。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种天线的结构示意图；

图2是本发明实施例中的另一种天线中的第一线圈单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中的另一种天线中的第二线圈单元的结构示意图

图4是本发明实施例中的一种射频识别系统的结构示意图；

图5是本发明实施例中的一种射频识别系统中的第一阅读器和用户终端之间的数据传输过程示意图。

具体实施方式

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例采用的技术方案通过在天线中采用可以产生相互垂直的磁场的第一线圈单元和第二线圈单元，从而可以识别出各个方向上的标签，可以提高标签的识别率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1示出了本发明实施例中的一种天线的结构示意图。如图1所示的天线100，可以包括：

第一线圈单元101和第二线圈单元102，所述第一线圈101与所述第二线圈单元102相互垂直设置且不相交，所述第一线圈单元101、所述第二线圈单元102还分别与相应的天线匹配电路(图中未示出)耦接。

当向第一线圈单元101和第二线圈102中单元中输入电流时，第一线圈单元101产生的磁场与第二线圈单元102产生的磁场相互垂直，从而可以识别出各个方向上的标签，从而可以提高标签的识别率。

图2和图3分别示出了本发明实施例中的另一种天线中的第一线圈单元和第二线圈单元的结构示意图。

请参见图2所示，所述第一线圈单元201可以包括第一线圈201a、第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d，其中：

所述第一线圈201a与所述第二线圈202b串联连接，形成第一线圈组，所述第三线圈201c与所述第四线圈201d串联连接，形成第二线圈组，所述第一线圈组与所述第二线圈组并联连接。

请参见图3所示，所述第二线圈单元202可以包括第五线圈202a、第六线圈202b、第七线圈202c和第八线圈202d，其中：

所述第五线圈202a与所述第六线圈202b串联连接，形成第三线圈组；所述第七线圈202c与所述第八线圈202d串联连接，形成第四线圈组；所述第三线圈组与所述第四线圈组并联连接。

在具体实施中，第一线圈201a、第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d、第五线圈202a、第六线圈202b、第七线圈202c和第八线圈202d可以完全相同。

下面以第一线圈单元201为例，详细介绍本发明实施例中的第一线圈单元201和第二线圈单元的采用上述的连接方式的原因：

众所周知，当所述天线包括单个线圈时，不存在线圈间的磁场干扰的问题。但是，当采用多个线圈组合替代单个线圈时，会存在着相邻线圈间的磁场干扰，即电流方向产生的干扰和互感产生的干扰。

当相邻两个线圈按相同方式排列时，两个线圈在两线圈间的区域产生的磁场方向相同，彼此增强，合磁场强度强于单个线圈产生的磁场强度。因此，在将上述的线圈进行组合时，可以将相邻线圈之间按照相同的磁场方向排列。

如图2所示，首先可以确定的是要在第一线圈201a和第三线圈201c两个线圈出分别引相应的第一引出线路(图中未示出)和第二引出线路(图中未示出)与天线匹配电路(图中未示出)相连接。在本发明一实施例中，第一线圈201a的电流方向如图2所示，为了使得相邻的两个线圈互相增强，将相邻两个线圈之间可以按照相同方式排列(即相邻的两个线圈中的电流方向应该一致)，因此，当第一线圈201a的电流方向确定时，第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d也可以确定下来。

在确定了第一线圈单元201中的各个线圈中的电流方向后，可以采用如下方法确定各个线圈之间的连接方式：

需要说明的是，不同的连接方式会导致第一线圈单元201中的第一线圈201a、第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d的电流和组合后得到的第一线圈单元201的总电感的不同，而各个线圈中的电流和第一线圈单元201的总电感又会影响所述天线的性能。

根据电路理论，M个电感值相同的电感在串联时总电感等于单个电感的M倍，流过每个电感支路的电流均等于总电流；M个电感值相同的电感在并联时总电感等于单个电感的1/M倍,流过每个电感的电流均等于总电流的1/M。

因此，在将第一线圈201a、第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d连接时，既要保持第一线圈单元201的总电感不能过大，以免难以与相应的天线匹配电路中的电容进行匹配，又要保持第一线圈201a、第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d中的电流值足够大，以使得各个线圈的中心具有较大的磁感应强度以读取相应的数据。

综上，在将第一线圈201a、第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d连接时，不能单一使用串联或并联而是要采用串并结合的方式，以使得第一线圈单元210的总电感在允许的范围内，且各个线圈能正确地读出位于磁场方向上的标签中的数据。换句话说，就是将第一线圈单元210的总电感控制在合适的范围内，以便于与相应的天线匹配电路匹配。

在具体实施中，所述第一线圈单元201中的第一线圈201a、第二线圈201b、第三线圈201c和第四线圈201d以及所述第二线圈单元202中的第五线圈202a、第六线圈202b、第七线圈202c和第八线圈202d可以相同，并分别为正方向线圈，所述正方形线圈的边长为所述天线最大接收距离的倍。

之所以将正方形线圈的边长为所述天线最大接收距离的倍的理由如下：

首先，根据安培定律：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}i}{4\mathrm{\πr}}(\cos {\mathrm{\α}}_2-\cos {\mathrm{\α}}_1)---\left(1\right);$

其中，B表示磁感应强度，μ₀为真空磁导率，r为导体的半径，i为导体中的电流值，α1、α2分别为空间某一点的磁感应强度B与导线的夹角。

由公式(1)可知，当电流流经一段导体时，会在导体周围产生磁场，磁场的磁感应强度与流经导体的电流值成正比，与距导体的半径成反比。

根据毕奥-萨伐尔定律：

其中，为电流元在求场点产生磁感应强度，l₁-l₂为积分路径，idl为电流元，r为电流元到求场点的距离，为电流元指向求场点的向量。

由公式(2)可以得出，在距离线圈中心垂直距离为X处的磁感应强度B的大小为：

$B={\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{NR}}^2}{2{(R^2+X^2)}^{3/2}}i---\left(3\right);$

其中，B表示磁感应强度，μ₀为真空磁导率，X为离各个线圈中心的垂直距离，R为各个线圈的边长，i为电流值，N为线圈匝数。

下面根据公式(3)对R求导得出：

$\frac{d}{\mathrm{dR}}B\left(R\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{iN}}{2}\·\frac{2R\sqrt{{(R^2+X^2)}^3}-3R^3\sqrt{(R^2+X^2)}}{{(R^2+X^2)}^3}---\left(4\right);$

并且令可以计算得出B具有极大值时的线圈的边长其中的±表示天线产生的磁感应强度在垂直于线圈的中轴线的两个传播方向。

因此，为了提高线圈的射频识别率，可以将所述正方形线圈的边长设置为所述天线最大接收距离的倍。

图4示出了本发明实施例中的一种射频识别系统的结构示意图。如图4所示的射频识别系统，可以包括：标签301、第一阅读器302和用户终端303，阅读器302分别与标签301和用户终端303耦接。

在具体实施中，第一阅读器302可以包括上述的天线302a、射频单元302b和控制单元302c，其中：

所述射频单元302b，适于发送读取所述标签的身份信息的请求，并接收所述标签的身份信息。

所述控制单元302c，适于接收用户终端303读取标签301的身份信息的请求，将射频单元302b发送的标签301的身份信息进行校验和识别，并将识别出的标签301的身份信息转换成为相应的数字信号发送至所述用户终端303。

在具体实施中，为了降低成本，第一阅读器302还可以包括天线阵列302d和天线切换单元302e，天线302a和天线阵列302d通过天线切换单元302e与射频单元302b相连接，其中：

所述控制单元302c，还适于控制所述天线302a与所述天线阵列302d之间的切换。

所述天线切换单元302e，适于根据所述控制单元302c发送的天线切换的控制信号分别断开或者建立与天线阵列302d或者天线302a的连接。

在具体实施中，如图4所示的射频识别系统还包括可以第二阅读器304，所述第二阅读器304与所述用户终端303连接。

这里需要指出的是，第二阅读器304为现有技术中的阅读器，其工作频率为13.56MHz。

为了使得本发明实施例中的射频识别系统可以满足多样化的需求，本发明一实施例中的射频识别系统可以同时包括第一阅读器301和第二阅读器304。这样，用户便可以根据实际的需要，选择使用第一阅读器301或者第二阅读器304与标签301和用户终端303进行通信。

在本发明的一实施例中，用户终端303与第一阅读器302、第二阅读器304之间分别采用458总线进行通信，由于458总线可以实现一对多的数据传输，因此，为了确保直接可靠地数据传输，用户终端303可以通过458总线分别与第一阅读器302和第二阅读器304连接。

如图5所示，为了确保数据传输的可靠性，用户终端303与第一阅读器302之间可以采用如下的方式进行信息传输：

S501，第一次握手阶段：

用户终端303发送信息请求帧，并进入等待应道模式。其中，所述信息请求帧包括用户终端303的标识、命令、标识码等信息。如果在预设时间内，用户终端303未得到第一阅读器302的响应，就会再次发起第一次握手。

S502，第二次握手阶段：

第一阅读器302在接收到用户终端303发送的信息请求帧时，读取标签301的身份信息并进行CRC校验，当校验无误后发出应答帧。其中，所述应答帧包括第一阅读器302的标识信息和第一阅读器302所读取的标签301的身份信息。与此同时，用户终端303会将自身的标识+1，并进入等待模式。

S503，第三次握手阶段：

用户终端303在接收到第一阅读器301发送的应答帧后，进行CRC校验。当用户终端303对所接收的应答帧的校验结果为应答帧有误时，用户终端303再次进入所述第一次握手阶段；反之，用户终端303则解析所述应答帧中标签301的身份信息。

当用户终端303解析所述应答帧中的标签301的身份信息的结果为所述标签301的身份信息有误时，用户终端303再次进入第一次握手阶段；反之，则将所解析出来的标签301的身份信息存储于本地数据库中，并发送确认帧至第一阅读器302。其中，所述确认帧中的用户终端303的标识信息+2。

第一阅读器302在接收到用户终端303发送的确认帧时，从自身中删除所述第二次握手阶段中发送的标签301的身份信息。

这里需要指出的是，本发明实施例中第一阅读器301和用户终端303之间采用了与传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)中的“三次握手”类似的方式进行数据传输。但是，TCP协议中的三次握手仅仅用于建立连接，建立连接后才可以进行数据的传输，而本发明实施例中的三次握手阶段直接用于数据的传输，这种数据传输方式可以确保数据传输的安全性和可靠性。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例的方法及系统做了详细的介绍，本发明并不限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种天线，其特征在于，包括：第一线圈单元和第二线圈单元，所述第一线圈单元与所述第二线圈单元相互垂直设置且不相交，所述第一线圈单元和所述第二线圈单元分别与相应的天线匹配电路耦接。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一线圈单元包括第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈；

所述第一线圈与所述第二线圈串联连接，形成第一线圈组；

所述第三线圈与所述第四线圈串联连接，形成第二线圈组；

所述第一线圈组与所述第二线圈组并联连接。

3.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述第二线圈单元包括：第五线圈、第六线圈、第七线圈和第八线圈；

所述第五线圈与所述第六线圈串联连接，形成第三线圈组；

所述第七线圈与所述第八线圈串联连接，形成第四线圈组；

所述第三线圈组与所述第四线圈组并联连接。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈、所述第四线圈、所述第五线圈、所述第六线圈、所述第七线圈和所述第八线圈相同。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述正方形线圈的边长为所述天线最大接收距离的倍。

6.一种射频识别系统，其特征在于，包括：标签、第一阅读器和用户终端，所述阅读器分别与所述标签和所述用户终端耦接，所述第一阅读器包括权利要求1-5任一项所述的天线、射频单元和控制单元，其中：

所述射频单元，适于发送读取所述标签的身份信息的请求，并接收所述标签的身份信息；

所述控制单元，适于接收用户终端读取所述标签的身份信息的请求，将所述射频单元发送的所述标签的身份信息进行校验和识别，并将识别出的所述标签的身份信息转换成为相应的数字信号发送至所述用户终端。

7.根据权利要求6所述的射频识别系统，其特征在于，所述阅读器还包括：天线阵列和天线切换单元，所述天线和所述天线阵列通过所述天线切换单元与所述射频单元相连接；

所述控制单元还适于控制所述天线与所述天线阵列之间的切换；

所述天线切换单元，适于根据所述控制单元发送的天线切换的控制信号分别断开或者建立与所述天线阵列或者所述天线的连接。

8.根据权利要求7所述的射频识别系统，其特征在于，还包括第二阅读器，所述第二阅读器分别与所述标签和所述用户终端连接。