CN101138132A - 用于eas和rfid应用的磁心天线 - Google Patents

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CN101138132A CNA2006800079549A CN200680007954A CN101138132A CN 101138132 A CN101138132 A CN 101138132A CN A2006800079549 A CNA2006800079549 A CN A2006800079549A CN 200680007954 A CN200680007954 A CN 200680007954A CN 101138132 A CN101138132 A CN 101138132A
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斯图尔特·E·霍尔
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Abstract

一种用在电子商品监视(EAS)或射频识别(RFID)系统中的磁心天线系统。该磁心天线系统可包括一个磁心天线。该磁心天线可包括一个磁心，围绕该磁心的至少一部分布置的第一谐振绕组，该第一谐振绕组具有第一绕组匝数N1，以及围绕该磁心的至少一部分布置的第二非谐振绕组，该第二非谐振绕组具有第二绕组匝数N2，该第二绕组匝数大于或等于该第一匝数。该磁心天线可被安装到一个屏蔽板上，并在该屏蔽板上调谐到一个工作频率，使得当该屏蔽的磁心天线被进一步安装到一个安装表面上时，例如验货台，不会发生天线的显著失谐。

Description

用于EAS和RFID应用的磁心天线
技术领域
本公开涉及磁心天线，并且特别是涉及用于电子商品监视(EAS)和射频识别(RFID)系统。
背景技术
EAS和RFID系统典型地用于保护和/或追踪资产。在EAS系统中，可以在诸如零售店的受保护区域的周边，例如出口区域，建立一个询问区域。该询问区域是通过邻近该询问区域放置一个或多个天线建立的。
EAS标记被附加到每个资产以便受到保护。当适当购买了一件商品或以不同方式授权从受保护区域移出，EAS标记或者被去除或者被使得无效。如果没有去除或使标记无效并且移入到询问区域，则通过天线建立的电磁场引起来自EAS标记的响应。天线充当一个接收机，其检测指示一个有效的标记在询问区域内的EAS标记的响应。一个相关的控制器提供这种情形的指示，例如一个语音报警，使得采取适当的行动保护其上贴有标记的物品从受保护区域的未授权移出。
为了诸如库存的各种目的，RFID系统利用RFID标记来追踪商品。RFID标记存储与商品有关的数据。RFID阅读器可以通过以已知的频率发射询问信号扫描RFID标记。RFID可以以一个包含例如与该商品或RFID标记ID有关的数据的响应信号来响应询问信号。RFID阅读器检测响应信号并解码数据或RFID标签ID。RFID阅读器可以是一个手持式的阅读器，或者带有一个RFID标记的物品通过其传送的固定式阅读器。固定式阅读器可以被配置为类似EAS系统的一个位于底座内天线。
在历史上，EAS和RFID系统内的发射、接收、或者收发信机天线被配置为环型天线。这种环型天线的一个缺点是当直接安装到金属结构，例如超市、药店、大型超级市场等的验货台内的金属结构，上时它们易于被失谐。此外，在自由空间内这种环型天线的灵敏度可能足够。然而，当直接安装到金属结构上时，相比自由空间内它们的灵敏度，这种环型天线的灵敏度同样可能降级。
还探索了将磁心天线配置用在这种EAS和RFID系统中。该磁心可以由压塑铁粉形成或者由任何其它的诸如铁氧体、非晶叠片铁心或纳米晶体叠片铁心等的适当的磁性材料形成。铁氧体磁心天线可能在自由空间内具有较高的灵敏度和较高的品质因素(Q)，这也可使得其被直接放置在金属表面上易受失谐和灵敏度降低的影响。解决这个问题的一个方案是使磁心天线与安装表面间隔一个安装距离，例如4到5厘米。然而，这个间隔解决方案要求天线伸出到环境之中，在此类空间上存在额外的费用，例如，天线可能伸出到妨碍顾客的狭窄检查通道。
因此，存在对一种用于EAS和RFID应用的磁心天线的需求，当安装到例如验货台的金属结构上或其附近时这种天线对失谐相对地不敏感。此外，存在对同样维持相对较高的检测输出灵敏度并且不会从安装表面伸出过远的天线的需求。
附图说明
当继续下面的详细描述并在参考附图的基础上，所要求保护的主题的实施例的特征和优点将变得明显，图中相同的数字表示相同的部件，其中：
图1是一个示例性EAS系统的框图；
图2是可以在图1的系统中使用的磁心天线的一个实施例的框图，示意了用于发射机、接收机、或收发信机模式工作的初级谐振线圈绕组和次级非谐振线圈绕组；
图3是用于图2的天线的灵敏度与品质因素的关系曲线图；
图4是用于图2的天线的品质因素和灵敏度与初级谐振绕组的匝数和次级非谐振绕组的匝数比的关系曲线图；
图5是在各种条件下图2的天线的灵敏度与品质因素的比较表；
图6是具有两个正交磁心天线的磁心天线系统的另一个实施例的框图；以及
图7是具有四个磁心天线的磁心天线系统的另一个实施例的框图。
虽然将参考所示实施例进行以下的详细说明，但是本领域的技术人员很容易想到它们的各种替代方案、修正以及变化。因此，所要求保护的主题应视为是广义的。
具体实施方式
为说明简便起见，在此结合EAS系统描述各种磁心天线实施例。然而，这些磁心天线实施例可以与RFID系统一起使用。因此，应理解的是，在此描述的实施例是通过示意而非限制提出的。
转入图1，图1示出了包含符合一个实施例的磁心天线109的EAS系统100。EAS系统100通常包括控制器110和磁心天线109。磁心天线109可以安装在诸如基座的外罩(未示出)内。控制器110也可安装于同一外罩内。磁心天线109也可以安装于屏蔽板上，而该屏蔽板又可以安装在验货台115之上。
在图1的实施例中，天线109可以被配置为收发信机天线，而相关控制器110可包括适当的控制和开关以便以预定的时间间隔从发射功能切换到接收功能。本领域的技术人员将认识到，可以存在独立的发射天线和接收天线，它们位于询问区域104和磁心天线109分别的两侧。
在例如制造工厂或零售机构，EAS标记102在放置要被保护的每一件项目或资产上。如果该标记在进入询问区104之前未被清除或使得无效，该天线所建立的磁场将引起来自EAS标记102的响应。充当接收机的磁心天线109将接收该响应，而该控制器110将检测到指示该标记在询问区104的EAS标记响应。
图2示意了可以用于图1的磁心天线109的磁心天线的实施例109a的透视图。磁心天线109a可包括磁心202、初级谐振绕组204和次级非谐振绕组206。磁心202的磁特性和几何结构可以被优化用于特定应用。磁心202的形状可以是各种形状中的任何一种，例如矩形、柱状、球形等等。磁心202可以由压塑铁粉或任何其它适当的磁材料形成，例如铁氧体、非定型叠片铁心或纳米晶体叠片铁心等等。
纳米晶体叠片铁心可包括与适当的绝缘涂层层叠在一起的纳米晶体材料的堆叠带，以便使每条带与相邻的带电隔离。纳米晶体材料可展示卓越的高频特性，而且其特征是纳米范围内的成分粒度。在此使用的术语纳米晶体材料是指粒度的最大值小于或等于40nm的材料。某些材料具有的最大粒度为从大约10nm到40nm的范围之内。示例性的纳米晶体材料可包括合金，如FeCuNbSiB、FeZrNbCu和FeCoZrBCu。这些合金在商业上的名称分别为FINEMET、NANOPERM和HITPERM。
初级谐振绕组204可以是缠绕磁心202第一绕组匝数N1的线盘绕组。初级绕组204也可绕磁心202的整个长度缠绕，初级绕组204的起始端212和结束端214通过谐振电容器208串联。本领域的技术人员已知的是，可以调节谐振电容器208的值以便在期望的工作频率上谐振或调谐该天线，例如在一个实例中为58kHz。初级谐振绕组206也可以通过利用绝缘带围绕磁心202的长度固定。
次级非谐振绕组206然后可绕磁心202缠绕第二绕组匝数N2。次级非谐振绕组206可缠绕在初级线圈204之上，而且可以与初级谐振绕组204电感性耦合。次级非谐振绕组206也可与传输线或电缆220耦合，传输线和电缆220又可与控制器110耦合。控制器110可以具有适当的激励和检测电路以同时支持发射和/或接收功能。
控制器110可适合于利用脉冲或连续波形检测机制来工作，包括扫频、跳频、频移键控、调幅、调频等等，这取决于系统的具体设计。例如，控制器110可以在给定的工作频率，例如8.2MHz，在传输期间提供有限持续时间的脉冲给传输线或电缆220。该脉冲可以经由传输线或电缆220传输到磁心天线负载。传输线电缆可以具有例如50欧姆的阻抗，该阻抗与信号发生器阻抗相匹配以防止反射。在较低频率，例如58kHz处，传输线或电缆220在阻抗匹配上并不重要。
当天线109a被用作接收天线时，天线对外部磁场信号的灵敏度是接收天线的一个主要参数。通常期望具有较高的灵敏度以检测相对较弱的外部磁场信号。该天线的灵敏度可以被测量作为由施加的外部磁场感应的输出电压的函数。该接收天线的灵敏度通常随天线的品质因素(Q)成比例变化，如果次级非谐振绕组206的匝数N1与初级谐振绕组204的匝数N2之比(N2/N1比)保持恒定的话。该品质因素(Q)是由以下公式(1)给出的。
a.Q＝2BfL/R
其中，f是天线的工作频率，L是所绕线圈的等效电感，而R是在工作频率处的等效实际阻抗。
磁心天线109a也可以安装于屏蔽板180之上。屏蔽板180也可以是类似于可以安装屏蔽的磁心天线的验货台115的各种材料之一。这种材料可包括但不局限于铝、磁钢以及冷轧钢。在被安装到屏蔽板180时，一旦被安装到屏蔽板180之上，磁心天线109a就可被调谐到期望的工作频率，例如通过调节谐振电容器208。因此有利的是，当屏蔽的磁心天线被直接放置在或者为导电的或者为含铁的材料上，例如验货台115之上时，就不存在显著的失谐，因为天线109a的谐振频率只有微小的变化。
当磁心天线109a被放置在屏蔽板180上时，如果N2/N1比保持恒定，Q可能被降低，并且灵敏度也可能按比例地降低。但是，可以通过增加N2/N1比来补偿该灵敏度的损失。而且，从次级非谐振绕组206角度的磁心天线109a的阻抗可能被增加为(N2/N1)2。因此，带有相同频谱响应的较高灵敏度天线是可能的。这可能发生在接收机输入阻抗高于磁心天线的输入阻抗时。也就是说，接收机的电子输出阻抗并不会加重磁心天线阻抗的负载。
例如，图3示意了具有次级非谐振绕组206的匝数N2与初级谐振绕组204的匝数N1的固定比值N2/N1的天线的灵敏度与Q的关系曲线300。如图所示，在不改变N2/N1比值的条件下，Q值降低的结果是灵敏度的相关降低。
图4示意了灵敏度曲线400和Q与N2/N1比值的关系曲线402。随着N2/N1比值增大，当Q保持不变时接收天线的灵敏度增大。有利地，这使得能够调高比值N2/N1以便提高天线的灵敏度同时不影响Q。在一个实例中，在天线109a被安装到屏蔽板180之后可以调节这个N2/N1比值以便提高接收天线的灵敏度而不影响Q。
图5是用于许多实例的其中一个的N2/N1比、Q以及相对灵敏度值的表500。表500示意了一个磁心天线，例如图2的磁心天线109a，可能有0.25的初始N2/N1比值、Q为23、以及自由空间内的灵敏度x。当具有同样的N2/N1比值的磁心天线被安装到屏蔽板180上时，Q可能降低到8并且灵敏度可能按比例降低到8/23x。然而，可以通过增大N2/N1比值来补偿这个灵敏度损失。如果将N2/N1比值从0.25增大到一或1.0，灵敏度将提高到N2/N1比值为0.25的同样的天线在自由空间内的灵敏度x的接近2倍(2x)。因此，由在屏蔽板180上安装天线109a引起的灵敏度损失可以通过增大N2/N1比来补偿。已发现将N2/N1比值增大到一或1.0足以补偿这个灵敏度损失。
图6示意了利用了可能位于共同的平面内的一对正交磁心天线602、604的磁心天线系统实施例600。磁心天线602、604可与图2的磁心天线109a实施例一致。例如，水平方向上的第一磁心天线602可具有初级谐振绕组603和次级非谐振绕组607。初级谐振绕组603可与谐振电容器605串联耦合。类似地，垂直方向上的第二磁心天线604可具有初级谐振绕组621和次级非谐振绕组623。初级谐振绕组621可与谐振电容器625串联耦合。通过控制器604可单独按顺序排列每个磁心天线602、604或者同时将它们结合在一起。
当同时结合到一起时，每个相关的磁心天线602、604的每个次级非谐振绕组607和623可与传输线和电缆638耦合。磁心天线602、604还可被安装到屏蔽板680上并在安装到该屏蔽板上的同时调谐。此外，那边当屏蔽的磁心天线602、604被安装到或者为导电的或者为含铁的各种材料上时(例如验货台115)，天线602、604的谐振频率只有极小的变化。屏蔽板680的特性可与屏蔽板180的类似。当用作EAS和RFID系统内的接收天线时磁心天线系统600可提供用于检测的改进的定向灵敏度。
图7示意了利用了可能位于共同的平面内的四个磁心天线702、704、706、708的还一个磁心天线实施例700。每个磁心天线702、704、706、708都可与图2的磁心天线实施例109a一致。两个磁心天线702、704可定位于垂直方向而另外两个磁心天线706、708可定位于水平方向。两个垂直定位的磁心天线702、704可相互间隔一个稍微大于水平定位的磁心天线706、708的长度的距离。类似地，两个水平定位的磁心天线706、708可相互间隔一个稍微大于垂直定位的磁心天线702、704的长度的距离。如同图6的实施例，通过一个相关的控制器(未示出)，每个磁心天线702、704、706、708可单独按顺序排列或者同时结合在一起。磁心天线实施例700也可被安装到屏蔽板780上并在安装到该屏蔽板上的同时调谐。
总之，一种用在EAS或RFID检测系统中的磁心天线系统可包括磁心天线。该磁心天线可包括一个磁心，围绕该磁心的至少一部分布置的第一谐振绕组，该第一谐振绕组具有第一绕组匝数N1，以及围绕该磁心的至少一部分布置的第二非谐振绕组，该第二非谐振绕组具有第二绕组匝数N2，该第二绕组匝数大于或等于该第一匝数。
另一个实施例可能包括一种方法。该方法可包括安装磁心天线到屏蔽板上以形成屏蔽的磁心天线，并且调谐该屏蔽的磁心天线到EAS或RFID系统的工作频率。
还有另一个实施例可包括一种EAS或RFID系统。该系统可包括磁心天线系统。该磁心天线系统可包括一个磁心天线。该磁心天线可包括一个磁心，围绕该磁心的至少一部分布置的第一谐振绕组，该第一谐振绕组具有第一绕组匝数N1，以及围绕该磁心的至少一部分布置的第二非谐振绕组，该第二非谐振绕组具有第二绕组匝数N2，该第二绕组匝数大于或等于该第一匝数。该磁心天线系统可进一步包括一个与该第二非谐振绕组耦合的控制器以接收来自该第二非谐振绕组的信号。
还有另一个实施例可包括一种用在EAS或RFID检测系统中的天线系统。该天线系统可包括第一磁心天线和第二磁心天线，该第一磁心天线与该第二磁心天线正交并且该第一和第二磁心天线位于一个公共平面内。
还有另一个实施例可包括一种用在EAS或RFID检测系统中的天线系统。该天线系统可包括第一磁心天线和第二磁心天线，第一和第二天线的每一个具有一个水平方向上定位的长度；第三和第四磁心天线，第三和第四天线的每一个具有与第一和第二磁心天线正交定位的长度。
有利地，这些实施例的磁心天线可被用作EAS和RFID系统中具有较高灵敏度的接收天线。通过调节次级非谐振绕组的匝数N2与初级谐振绕组的匝数N1的比值可提高该灵敏度。
这些实施例的磁心天线以可安装在屏蔽板上并随后调谐到工作频率，当该屏蔽板接着被安装到诸如可在验货台上找到的金属表面之上或附近时，该屏蔽的磁心天线保持相对的灵敏度以失谐。这样就防止了否则可能发生的降低相关的EAS或RFID系统的性能和/或要求安装期间现场的调谐的明显的去谐量。此外，屏蔽的磁心天线以可安装在对外观要求较低的区域，例如付款后离开的通道，以便屏蔽的接收天线不会明显地从安装表面伸出去。
已经在此采用的术语和表述被用作描述术语而非限制，并且在使用上述的术语和表述中并没有排除任何所示和所描述的特征(或它们的各部分)的等同物的目的，并且认识到在权利要求的范围之内存在各种各样的修改。还可能有其它的修改、变体、以及替代物。因此，权利要求书有意覆盖所有这样的等同物。

Claims (19)

1.一种用于EAS或RFID检测系统中的磁心天线系统，所述磁心天线系统包括：
磁心天线，所述磁心天线包括：
磁心；
至少围绕所述磁心的一部分布置的第一谐振绕组，所述第一谐振绕组具有第一绕组匝数N1；以及
至少围绕所述磁心的一部分布置的第二非谐振绕组，所述第二非谐振绕组具有第二绕组匝数N2，所述第二绕组匝数大于或等于所述第一绕组匝数。
2.根据权利要求1所述的磁心天线系统，还包括屏蔽板，所述磁心天线安装在所述屏蔽板上。
3.根据权利要求2所述的磁心天线系统，其中所述屏蔽板是从由铝、磁钢、以及冷轧钢组成的组中选择的。
4.根据权利要求2所述的磁心天线系统，其中所述磁心天线至少部分与所述屏蔽板接触。
5.根据权利要求1所述的磁心天线系统，还包括传输线，所述传输线的一端与所述EAS或RFID系统的控制器耦合，并且另一端与所述第二非谐振绕组耦合。
6.根据权利要求5所述的磁心天线系统，其中所述第二非谐振绕组与所述第一谐振绕组电感性耦合。
7.根据权利要求1所述的磁心天线系统，其中所述第一谐振绕组与谐振电容器串联耦合，其中通过调节所述谐振电容器，将所述磁心天线调谐到所述EAS或RFID系统的工作频率。
8.一种用于EAS或RFID检测系统中的天线系统，所述天线系统包括：
第一磁心天线和第二磁心天线，所述第一磁心天线与所述第二磁心天线正交，并且所述第一和第二磁心天线位于一个公共平面内。
9.根据权利要求8所述的天线系统，其中所述第一和第二磁心天线的每一个均包括磁心，至少围绕所述磁心的一部分布置的第一谐振绕组，所述第一谐振绕组具有第一绕组匝数N1，以及至少围绕所述磁心的一部分布置的第二非谐振绕组，所述第二非谐振绕组具有第二绕组匝数N2，所述第二绕组匝数大于或等于所述第一绕组匝数。
10.根据权利要求9所述的天线系统，还包括屏蔽板，所述第一和第二磁心天线安装在所述屏蔽板上。
11.根据权利要求10所述的磁心天线系统，其中所述屏蔽板是从由铝、磁钢、以及冷轧钢组成的组中选择的。
12.根据权利要求10所述的磁心天线系统，其中所述第一和第二磁心天线至少部分与所述屏蔽板接触。
13.根据权利要求9所述的磁心天线系统，还包括传输线，所述传输线的一端与所述EAS或RFID系统的控制器耦合，并且另一端与所述第一和第二磁心天线的第二非谐振绕组耦合二者。
14.一种用于EAS或RFID检测系统中的天线系统，所述天线系统包括：
第一磁心天线和第二磁心天线，所述第一和第二天线的每一个均具有一个水平方向上定位的长度，第三和第四磁心天线，所述第三和第四天线的每一个均具有与所述第一和第二磁心天线正交定位的长度，所述第一、第二、第三和第四磁心天线位于一个公共平面内。
15.根据权利要求14所述的天线系统，其中所述第一、第二、第三和第四磁心天线的每一个均包括磁心，至少围绕所述磁心的一部分布置的第一谐振绕组，所述第一谐振绕组具有第一绕组匝数N1，以及至少围绕所述磁心的一部分布置的第二非谐振绕组，所述第二非谐振绕组具有第二绕组匝数N2，所述第二绕组匝数大于或等于所述第一绕组匝数。
16.根据权利要求15所述的天线系统，还包括屏蔽板，所述第一、第二、第三和第四磁心天线安装在所述屏蔽板上。
17.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述屏蔽板是从由铝、磁钢、以及冷轧钢组成的组中选择的。
18.根据权利要求16所述的天线系统，其中所述第一、第二、第三和第四磁心天线至少部分与所述屏蔽板接触。
19.根据权利要求15所述的天线系统，还包括传输线，所述传输线的一端与所述EAS或RFID系统的控制器耦合，并且另一端与所述第一、第二、第三和第四磁心天线的每一个第二非谐振绕组耦合。
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