RFID分集系统设计方案

库存管理系统现在依靠无源RFID技术进行产品的实时自动识别。对许多应用来说,使用RFID的投资回报是可接受的。这些系统必须能够实时捕获到全部在场库存产品的信息,这就要求RFID系统必须能够百分百地读取所有被贴以标签的物品。RFID系统的读取能力是涉及到许多变量的一个函数,这些变量包括:标签大小、方向、放置方式,以及查询器天线(IA)设计。不幸的是,对所有单天线设计来说都存在读不到标签的“黑洞”。通过分析并确认这些黑洞,业界已开发出一种方法,即利用对ISO 15693/ISO 18000-3(13.56-MHz)物品等级系统的多样性来实现百分之百的读取能力。

诸如智能卡车/货柜等高频(HF)RFID系统在该领域发挥着作用,很多制造商和方案供应商都提供此类产品。这些并不昂贵的系统采用无源RFID标签(大量生产时单价不到25美分),这项技术在跟踪临床高价值物品时具有巨大潜力,其中一些物品有一定的保质期。例如,在医院的心导管实验室通常会有的储物柜内,可能会存放着250多个支架,总价值估计达37.5万美元。取决于医院规模,有可能会使用四个这样的储物柜,其内的物品每4个月要被消耗掉,相当于这样一个储物柜每年“经手”的物品价值高达1.125百万美元。植入式心脏去纤颤器(ICD)也是医院内的高价值物品。它们体积小(采用约3×4×6英寸的包装),但是价值却在10,000至20,000美元。它们通常储存在诸如加锁储物柜等安全空间。在此类应用中,使用RFID可以降低因某些物品备货不足或过量而导致的成本损失,并且可以更好地掌控这些贵重物品的下落。

一个基本的RFID系统包括一个主机系统和多个RF组件(图1)。RF组件包括一个射频查询器(读写器和天线)以及标签。查询器的目的是与现场标签通信,对无源系统来说,查询器还通过发射的RF信号给标签供电。查询器负责协议处理、给标签供电、读取标签信息、将信息写入标签,并确保将信息有效传递到主机系统。

ISO 15693标准规定:只有当“置身”于射频场时,无源标签才被激活。为激活无源标签,由射频场感应来的电压(VTag)必须足够高,要达到嵌入在标签内的 RFID芯片工作所需的最低电压水平。VTag 值是标签尺寸/方向与磁场强度幅值的函数,对一个理想环路来说,VTag 可以表述为:

VTag = 2πf0NQB(Scosa) (1)

其中:

N=标签线圈的绕组数,

Q = 标签的质量因数,

B=磁场强度,

S =标签线圈的面积,

a = 标签的指向角

磁场强度(B)由圆形查询器天线(IA)产生,可由式2表述:

B = (μ0INa2)/2r3 (2)

其中:

I = IA线圈电流,

N = IA线圈绕组数,

a = IA线圈半径,

μ0 =无碍空间的磁导率,

r = 到IA的距离。

从这些方程,我们可以推导出标签大小和方向之间,以及与沿IA轴线感应出的场强之间的关系。当标签和查询器接近时,虽然借助两者间复杂的反应式近场关系,其耦合关联得以建立,但是只能被上述等式勉强表述,特别是当r 《《 a且偏离查询器的轴线时,其耦合关系难以准确预测。在实际的物件级应用中,标签通常是靠近查询器天线的,所以基于这个原因,选择并不完全依赖这些预测。

该机制对理解射频黑洞很关键,它既与IA和标签的设计相关,也受两者间交互的影响。HF标签有多种设计和尺寸,通常分为两大类:平面和三维(3D)设计。平面标签是较常见的那种薄纸载体型,而三维标签内含铁氧体且体积小得多。这项研究中使用的标签都是平面型。由于性能是标签和IA的函数,所以这里探讨了三种不同大小的常用标签的功能,其中图2所示标签尺寸最小,图3为两种不同尺寸且设计截然不同的IA。对在感应场内只有一个标签和多个标签的情况,对读写器的反应做了记录。对在感应场内通常会有许多产品挨着摆放的实际应用情况来说,这种做法颇有代表性。这些测量的目的,是力图勾画出一个可代表实际系统的三维空间,并定位出任何存在的RF黑洞。

射频黑洞的位置信息可用来定位其他天线的位置,使其在一个“没有黑洞”的分集系统中发挥作用。常用的分集系统(图4)内置单刀多掷开关,用来将多个天线路由至RFID读写器。此类系统被设计可以频繁在众多天线中切换,采用PIN二极管开关,与只有单一可移动天线RFID系统所用的机械继电器比,PIN二极管的平均无故障时间(MTBF)要长得多。目前市面上已推出商用的整合了带复用电路读写器(有些能处理多达256个查询器天线)的分集RFID系统,而价格也相对可接受。

在整个测试设置中,RFID读写器被认为是最关键的部分,它被规定按照ISO 15693/ISO 18000-3 Mode 1协议的要求工作。该ISO标准是成熟的,在全球范围得到认可,许多资深的制造商可提供各种读写器型号和标签大小。由于在一次扫描中可能会发现大量物件,所选的RFID读写器有能力在每次扫描中读识最少100个标签。测试系统所选的读写器的(射频)输出是1W、来自可靠的制造商。本测试也*估了低功耗(200至250mW)读写器,但发现对特定的物件级应用来说,其读识范围不理想。另外*估了功率高达10W的读写器,但并没发现性能有显著改善。此外,高功率水平与建议使用的IA相结合,会超过监管的辐射水平。且这些大功率读写器的成本比实际测试所用的低功耗版本要高近一个数量级。

由于在实际使用模型中,大量标签会非常紧凑地放在一起,所以设计人员担心查询器的失谐效应会降低读写器性能,从而影响到标签的正确读取。所测得的单一查询器天线的回波损耗响应(S11)接近50(图5),与读写器给出的特性阻抗匹配。图5还显示了在不同标签大小条件下,查询器的S11响应。较大的标签,与查询器耦合得非常好,对S11响应有显著影响,将其置于读写器约明的要求之外。有些读写器根本读取不了挨得很近的标签,其厂家表示,高度的不匹配将“吞没”接收器电路,以致检测不到标签。但在这项研究中使用的读写器在这种条件下表现良好。除将标签非常近地靠近查询器的PCB走线,针对查询器 S11的单标签(相对于多个标签)恶化现象并不严重。希望单标签测试发现的射频黑洞会类似于多标签测试中所发现的,以加快以后查询器设计的验证过程。

在预测试时,一个简单的无源RF探针会很有用(图6)。探针包含一个标签,其RFID芯片被发光二极管(LED)所取代,LED可用以指示EM场的存在;采用不同大小的标签组装三个探针。虽然这个测试工具仅需一美元,很粗糙,但作为一种可定位RF黑洞的实时探针却很有效。该探针能够定位当时无法明显凭直观感觉到的射频黑洞。当标签非常靠近查询器时,射频黑洞暴露了出来,且对称地分布在环形PCB走线的周围。读写器的 S11响应验证了这种情况,当标签放置在这些位置时,观察不到变化,根据小环形探针记录的S21测量情况也证明了这点。

这表明了可借助矢量网络分析仪(VNA),通过观察S11 和S21随标签或PCB导线环运动的响应变化,来观测射频黑洞。通过对不同尺寸标签以及查询器天线的进一步检测表明,在PCB走线的相同位置存在着黑洞。测试发现,读取效果不好的区域相当大,且都在PCB导线环附近、很有可能放置标签的位置。

RFID标签测试台准备了多种标签设计和方向配置(图7)。测试台的配置包括多达77个标签、并指向x-y平面(平行于查询器平面)以及正交于查询器平面。每个RFID标签内的各芯片都内含一个独特标识符,作为读取过程的一部分,可以读出该标识符;它用来标记其测试台的位置。读写器反应(读取标签的能力)以IA(Z轴)之上的固定增量被记录下来。此外,还记录了卡片以小步进增量在查询器的x-y平面移动的结果。x-y平面上的运动很重要,因为它允许对标签和查询器导线的对称排列并指示出在先前预测试时遇到的射频黑洞。

结果发现,单和多标签测试结果对行平面和垂直平面来说,都符合得相当好。垂直平面测量的结果符合这样一种情况:在标签-标签间的高度耦合是主导趋势时,当标签间距小于0.4英寸时,有恶化现象。在垂直平面条件下的多标签测试是不停地读取更多的标签;因标签间的高度耦合使位于射频黑洞内的标签得以激活,所以可将其认为是一个激活标签产生的结果,而非直接来自查询器。

对指向与IA平面相同的标签进行的测试,指明了对所有标签尺寸和查询器设计而言所共有的黑洞位置。如前面观察到的,当存在与标签的对称情况时,在IA PCB导线附近就出现射频黑洞。图8(a)详尽标明了映射响应,当把卡向左或右移动,使这一整列标签与查询器天线导线具有对称性时,可清楚显示出射频黑洞。随着高度的增加,处在边缘的标签逐渐落在可读取范围之外,此时,可用金字塔表述该整体三维可读取区的形状。我们还发现,读取区的大小与查询器和标签的大小成正比。

当标签指向与查询器正交时,因为标签和查询器场域正交且耦合不好,所以认为标签读取性能会变差。该方向的标签映射如图8(b)所示,当标签接近并与查询器PCB导线平行时,标签读取效果很好,但其它地方都不好。在查询器PCB走线附近,没发现RF黑洞,与平行平面指向的对称排列所测得结果不一样。读取性能是高度的函数,特别是对小标签来说,性能随高度增加而显著恶化(相对于平面平行反应);这些结果证明,在此方向只能使用较大的ISO标签。尽管该方向的总体读取性能表现不佳,但分集系统的多天线设计可改善读取性能。

如测试表明,没有任何一个平面查询器天线在其整个平面能实现百分之百的读取率,且在查询器附近有一个体积不小的射频黑洞。测试结果表明,若适当地排布多个IA,则有望实现百分之百的读取。测试还显示,适当设计的分集系统可在整个表面满足百分之百的读取性能要求,且没有物件数量的限制。这些结果只应用于可能的不同标签/查询器组合样例,其中一些可能会满足预期的性能。

与此同时,我们还研究了双回路IA设计。很显然,对小标签来说,在大的单回路IA设计的中心普遍存在着射频黑洞。对双回路IA设计的建模结果表明,与同样大小的单回路设计相比,双回路设计在中心区的标签读取效果有显著改进。虽然双回路IA尚未投放市场,但我们制造了一个并进行了测试。结果显示,对放置在中心区标签的读取有显著改善,但同样遭受了在此位置对称效应的影响。

分集天线

随后将这些测试结果应用到分集系统的设计,目标是针对库存管理应用实现百分之百的读取率。另一个目标是在对现有硬件(架子、橱柜等)不做重大修改的条件下,提供平面设计,这样做不会减小产品空间而且也美观。该设计还必须考虑到任何可能降低性能的因素,如包装。我们对纸板包装的支架和导管产品以及密封在箔衬袋内的产品进行了大量测试,还针对智能图书架应用,对图书馆内的书籍的标记和读取做了很多次测试。与此同时,ICD测试也在进行中。结果发现,相对较大的包装所出的问题最少,从而允许以与RFID查询器平行的指向使用大的ISO标签。

针对以支架为对象的物件级应用来说,对其进行标记被认为是适当的,因为标签实际上可尽可能近地靠近查询器。对于支架类产品,标签如图9(a)所示置于底部边缘;甚至在带箔内衬包装时,仍可实现百分之百的读取。对以正交指向放置的较大ISO标签进行测试的结果发现,只有在去除铝箔包装后,才可实现百分之百的读取。对垂直指向放置、带铝箔包装的ISO标签的测试结果不好,这是因为标签被夹在金属之间,从而使标签失调且也减弱了达到标签的射频场强。

对于图书应用,ISO大小的标签被放置在前封面内侧的下部(图 9(b))。即使标签与读写器成直角,只要书的宽度大于0.2英寸,采用大标签才可以实现百分之百的读取。当书的宽度太小时,各本书内的标签就会挨得很近,实际上对标签施加了失谐效应,从而使读取变得困难。应该指出的是,对随机放置的标签来说,无论怎样努力都无法实现百分之百的读取率,本研究只针对妥善安置的标签。

在查询器设计的早期发展阶段,人们了解到:所有单回路天线设计的组合都可能产生问题,因它们彼此间存在强烈的耦合,使测得的每个单回路天线的性能也因此不再有效。对各种回路组合进行多次建模测试的结果发现:单和双回路(通常称为“数字8”)组合架构可互补彼此的覆盖范围,早期测试中也证明了这点。此外,同心环/“数字8”间的耦合性预测会很低,后来的测试证明该指标好于-20dB。

最后生成的查询器设计如图10所示。设计时考虑了要满足支架和ICD的实际存储情况,以及书籍或任何类似大小、类此组成的其它产品的情况。最初的设计包括三个环路/数字8对。这种配置是为预计应用(支架/ICD/书籍)设计的,用来读取与读写器同一平面内的任何标签,或任何与读写器垂直或平行于侧壁的标签。后来增加了两个数字8来*估额外的标签取向(垂直和平行于背墙),此举使其有能力借助单一平面读写器配置,来读取任意指向的标签。设计查询器天线布局和间距的原则,是以最少天线实现最佳性能。如图10所示,该布局允许采用多条走线完成PCB的走线长度。这些靠得很近的长线段有利于在整个表面上读识标签。

对设计内的每个查询器天线进行调整,以使阻抗匹配有利于标签现场情况。读写器的阻抗要求规定IA应满足50-?的系统特性阻抗。为在标签在场的情况下调整其反应,则标签不在场时的性能将不再是优化的了。在这两种情况间做了妥协,以使在任何数量的标签在场的情况下,匹配都相当于VSWR小于 2.0:1的情况。先前的研究测试了读写器的性能与VSWR的关系,情况显示:除非匹配明显高于5.0:1的VSWR,否则性能没有明显恶化。值得一提的是,从等式1和2可以看到:为使读取范围加倍,由读写器产生的IA内的电流必须以立方的量级增加。因功率正比于电流的平方,则读写器的功率必须要高64倍才能在该RFID系统内使读取距离加倍(其中P与r6成比例);系统内合理的VSWR反应不会导致感应电压的重大损失。

借助商业读写器/多工器和测试设置对测试结果进行记录,如图11。所有8个天线的映射响应如图12所示。映射响应清楚表明,对许多标签指向来说,都可得到百分之百的读取率。此外,还发现存在巨大的天线“冗员”现象,其中标签被一个以上天线读取,因此可将参加扫描的天线数减为三个,且仍可达到百分之百的读取性能。读写器/多路复用器还有可操控多达256个查询器天线的复用功能。使用由读写器/复用器制造商描述的常用CAT5电缆,可轻松地配置和组装智能货车以便容纳多达16个RFID货柜,每一个都可以在16个天线间切换。借助非平衡变压器的使用,射频能量通过四对CAT5双绞线电缆(100-)中的一对传送,其余6根线用作数字输入/输出(I/O)。在13.56MHz,CAT5电缆的损耗相对较低,通过100英尺的电缆可实现百分之百的读取性能。

在这项研究中碰到的几个问题可以认为是对一些应用的限制,例如捕获速度。借助整合的复用技术,可顺序进行切换交替;读写器捕获标签所需的时间与现场标签数直接成正比。用所有这8个查询器读取77标签试验台所需的时间为40秒。在研究这些数据集之后,确认其中5个查询器是完全多余的,将它们拿掉后整个扫描时间缩短为20秒。在测试现场,对支架应用来说,我们遇到的情况是不超过50个产品/货架,通常是25个,读取它们所花的时间在15秒以内。读写器的速率是转发器协议(指定的标签/秒速率)、防竞突算法以及读写器能力(将数据传递到主机的吞吐量)的函数。好消息是,新的HF Gen2 RFID标准协议的进度明显加快,而相应的读写器/标签应在不久就可面市。在该应用中,对时间的考虑不是重要问题,因为库存更新只需在换班时进行,每天3 次。有一些应用既要借助RFID跟踪产品,也需求通过生物识别技术(指纹)或ID卡识别人员,它们发生在繁忙区域,其中货车/货柜间的读识间隔会很短,这时扫描时间就是个重要参数了。

另一个潜在的问题与窄的产品相关,如支架;有一种现象是,当货架没全满时,这些窄的产品有可能“跌倒”。在这种情况下,标签就与读写器成直角,且有可能处在无法被读取的高度,尤其是当产品使用小标签时。为规避这种情况,需在货架内放置可移动的塑料格栅/书档,以防止产品“跌倒”

随着价格便宜的COTS硬件的推出,商家可以配置具有成本效益的分集系统,从而满足许多库存管理应用所要求的规范。这些系统本来就可以是模块化的,且为将其整合进现有的系统进行了配置,从而不会显著牺牲产品空间,从美学角度也不会很难看。整合了复用技术的物件级RFID技术为许多应用提供了可接受的方案,且对跟踪诸如支架和ICD等昂贵临床产品尤其有吸引力。

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