RFID智能柜天線問題分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

摘要：隨著無人售貨的普及，RFID智能柜逐漸成為無人售貨應(yīng)用的主流解決方案之一。RFID智能柜采用RFID技術(shù)激活無源RFID標(biāo)簽并讀取標(biāo)簽信息，通過計(jì)算用戶在打開RFID智能柜與取貨關(guān)門后商品的數(shù)量差異，判斷用戶購買的商品并提示結(jié)算。但是，商品擺放方式會(huì)影響智能柜讀取精度，容易引起標(biāo)簽漏讀，最終影響商品的結(jié)算。本文對(duì)現(xiàn)有方案存在的問題進(jìn)行分析，結(jié)合不同天線的場強(qiáng)分布，找到方案的關(guān)鍵薄弱點(diǎn)，通過智能天線和天線部署優(yōu)化，動(dòng)態(tài)化調(diào)整天線狀態(tài)，大幅度提升智能柜的商品標(biāo)簽讀取精度。

關(guān)鍵詞：RFID智能柜；四臂螺旋天線；微帶天線；PIFA天線

引言

隨著無人售貨商業(yè)模式日趨成熟，RFID方案以其成本低的特點(diǎn)，成為智能柜廠商進(jìn)行商品檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，在實(shí)際應(yīng)用場景中，顧客取放商品后，商品碼放并不能像實(shí)驗(yàn)室場景那么規(guī)則，電磁波在智能柜內(nèi)部也有明顯的多徑衰落問題，導(dǎo)致讀卡器經(jīng)常漏讀商品，結(jié)算錯(cuò)誤，影響客戶體驗(yàn)。單純通過加大讀卡器功率，需要引入大功率器件，成本高，能效差，不易產(chǎn)品化，且會(huì)誤讀隔壁智能柜商品。本文通過不同天線方案的設(shè)計(jì)，對(duì)比其在各種場景中的檢測能力，找到在高反射、高遮擋場景下的RFID天線設(shè)計(jì)方法，以期對(duì)相關(guān)行業(yè)的工作人員有所幫助。

1. 背景及問題

當(dāng)前，無人智能柜有多層貨架，每層頂部放置一個(gè)RFID[1]閱讀器天線。商品上的標(biāo)簽天線多采用偶極子天線，偶極子天線是線極化天線，擺放位置不同則垂直或水平極化分量不同。

由于不同商品貼標(biāo)簽位置和擺放位置存在差異，閱讀器端需要考慮讀取各個(gè)極化方向的標(biāo)簽，因此，傳統(tǒng)的RFID閱讀器天線通常采用圓極化天線。在現(xiàn)有的智能柜天線方案中，圓極化天線實(shí)現(xiàn)方式多為微帶天線和四臂螺旋天線[2]。

微帶天線是通過在貼片上激勵(lì)起兩個(gè)相位差90°的簡并模而形成圓極化，效率較高，遠(yuǎn)場輻射性能優(yōu)于四臂螺旋天線[3]。

四臂螺旋天線的四個(gè)振子饋電振幅相同，相位依次相差90°而形成圓極化，但由于饋電網(wǎng)絡(luò)的引入，傳導(dǎo)的損耗加大，其效率和遠(yuǎn)場輻射性能通常比微帶圓極化天線差[4]。

2. 場景問題分析

（1）在智能柜中，擺放商品的層架高度不高，閱讀器天線工作距離商品標(biāo)簽近，距離普遍在5～30cm之間，偶極子形式的商品標(biāo)簽在近場通過容性耦合的方式獲取能量，在此場景中更關(guān)注閱讀器天線的電場強(qiáng)度及電場覆蓋范圍。（2）傳統(tǒng)的圓極化天線[5]在近場區(qū)域，電場能量集中在中心區(qū)域，周圍電場分布較弱，當(dāng)商品擺放在層架邊緣位置，標(biāo)簽接收到的能量較弱，容易發(fā)生漏讀。（3）當(dāng)商品擺放數(shù)量多時(shí)，多標(biāo)簽存在堆積遮擋，處于底層的標(biāo)簽被遮擋嚴(yán)重，接收信號(hào)大幅度下降甚至標(biāo)簽無法被激活，也容易發(fā)生漏讀。（4）智能柜內(nèi)壁常有金屬材料造成信號(hào)反射嚴(yán)重，存在多徑衰落[6]，而標(biāo)簽和天線相對(duì)位置固定，導(dǎo)致部分標(biāo)簽無法被激活，也會(huì)產(chǎn)生明顯的漏讀情況。

3. 技術(shù)問題分析及解決方案設(shè)計(jì)

結(jié)合以上問題，需要對(duì)現(xiàn)有方案的場強(qiáng)進(jìn)行分析，針對(duì)四臂螺旋天線[7]和微帶天線做一輪分析。在近距離下，四臂螺旋天線場強(qiáng)更為均衡，在商品層架邊緣的商品更容易被掃描到，但是，距離拉到30cm時(shí)，四臂螺旋天線場強(qiáng)衰減明顯，如果商品倒放或者高度較矮的商品被遮擋，標(biāo)簽漏讀概率就會(huì)提高。

微帶天線近距離下場強(qiáng)[8]均衡性相比四臂螺旋天線更差，邊緣標(biāo)簽存在較為明顯的漏讀情況。但是，因?yàn)樘炀€整體效率更高，距離達(dá)到30cm時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度比四臂螺旋天線強(qiáng)。

四臂螺旋天線功率分配移相網(wǎng)絡(luò)帶來損耗降低效率，微帶天線會(huì)激勵(lì)表面波帶來效率降低，PIFA（planar inverted F-shaped antenna，平面倒F形天線）天線阻抗易調(diào)節(jié)，與輸入端有良好的匹配，減少反射損耗提升效率，接地平面可以增強(qiáng)天線輻射增益，使得天線增益高，且在此場景下，所有天線均有水平極化和垂直極化分量可以應(yīng)對(duì)商品各種擺放方式。方案易實(shí)現(xiàn)且天線效率高，所以也引入做方案對(duì)比。

四臂螺旋天線、微帶天線和PIFA天線方案，通過HFSS仿真得出場強(qiáng)分布圖如圖1所示。

三種方案都各有優(yōu)劣勢，改進(jìn)后的新方案需要結(jié)合三個(gè)方案的優(yōu)勢，在保障場強(qiáng)均衡性的同時(shí)也需要保障天線效率。

結(jié)合上一輪分析，進(jìn)行場景實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造分散堆放、隨機(jī)堆放、散亂遮擋三種場景。

分散堆放：商品分散堆放不同區(qū)域，遮擋不嚴(yán)重，層架的四個(gè)角落均有商品。

隨機(jī)堆放：商品隨機(jī)擺放，姿態(tài)隨機(jī)，存在互相遮擋，不刻意在角落堆放商品。

散亂遮擋：構(gòu)造嚴(yán)重遮擋標(biāo)簽場景，讓半數(shù)標(biāo)簽被遮擋。

總商品數(shù)量40個(gè)，盤讀結(jié)果如表1所示。

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果相匹配，需要尋找高效率且場強(qiáng)分布更均勻的天線方案。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PIFA天線雖然效率高、最大增益高，但是場強(qiáng)分布不均，對(duì)邊緣商品存在漏掃情況。由于RFID讀取多層貨架本身就是輪詢掃描，可以將單層架天線做成多個(gè)PIFA天線組合，采用射頻開發(fā)切換輪詢，在不同時(shí)刻激活不同PIFA天線工作，通過多個(gè)天線組合解決場強(qiáng)均衡性問題，同時(shí)保障了單個(gè)天線的效率和增益，保障整體性能優(yōu)良。

針對(duì)四臂螺旋天線、微帶天線和新設(shè)計(jì)的智能天線，做場強(qiáng)分布對(duì)比分析。智能天線采用四個(gè)PIFA天線組合，單個(gè)天線保障四分之一的區(qū)域信號(hào)，四個(gè)天線組合出來的電場分布更均勻，而且多個(gè)天線還可形成空間分析，減少多徑衰落引起的標(biāo)簽漏讀的情況。但是，標(biāo)簽距離天線30cm時(shí)候，PIFA天線的場強(qiáng)還是會(huì)弱于微帶天線，需要進(jìn)一步解決。智能天線近距場強(qiáng)對(duì)比圖和遠(yuǎn)距場強(qiáng)對(duì)比圖如圖2與圖3所示。

針對(duì)30cm處信號(hào)偏弱的問題，結(jié)合考慮商品層架部署特點(diǎn)，進(jìn)行天線設(shè)計(jì)優(yōu)化，做了雙面天線陣設(shè)計(jì)，把天線集成到層架中，上下兩面分別四個(gè)PIFA天線，從兩個(gè)方向進(jìn)行標(biāo)簽掃描，這樣單面天線最遠(yuǎn)的覆蓋距離從30cm縮減到15cm，即使商品堆疊，也能有較好的覆蓋效果。8個(gè)天線通過開關(guān)切換輪詢[9]，更大程度地減少了多徑衰落造成的漏讀情況。

4. 方案驗(yàn)證

選取單層貨架進(jìn)行讀取驗(yàn)證，單層部署44個(gè)商品。商品以對(duì)信號(hào)影響較大的礦泉水為主，讀卡器只進(jìn)行一輪掃描，對(duì)比不同天線的單輪盤讀結(jié)果，確定不同天線的盤讀能力。

模型一：隨機(jī)堆放，隨意碼放礦泉水，雙面智能天線0漏讀，改善效果明顯。隨機(jī)堆放盤讀能力對(duì)比結(jié)果如表2所示。

模型二：商品整齊碼放，雙面智能天線0漏讀，單面智能天線和微帶天線對(duì)比提升不大。整齊碼放盤讀能力對(duì)比結(jié)果如表3所示。

從單層部署上看，雙面智能天線可以較好地解決傳統(tǒng)方案的天線漏讀問題，整體符合理論預(yù)期。接下來驗(yàn)證符合實(shí)際場景的單柜體大規(guī)模盤讀能力。

整柜實(shí)驗(yàn)總計(jì)部署255個(gè)商品，配置不同讀卡器功率進(jìn)行掃描，從1dBm開始，以1dB為步進(jìn)，逐步增大信號(hào)到30dBm，對(duì)比不同天線的盤讀性能，越低的信號(hào)強(qiáng)度能盤讀的商品越多，說明天線性能越強(qiáng)。商品標(biāo)簽通過擺放位置調(diào)整，構(gòu)造水平極化和垂直極化[10]兩種狀態(tài)作對(duì)比。結(jié)果如圖4所示。

從測試結(jié)果上看，智能天線的盤讀能力明顯高于其他天線，雙面智能天線無論商品標(biāo)簽如何擺放，均有較好的盤讀性能，智能天線增益比傳統(tǒng)圓極化天線改善了10dB左右的性能。

結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)智能柜的RFID閱讀器漏讀問題，本文從天線角度切入做改進(jìn)，結(jié)合場景和天線能力分析，打破常規(guī)設(shè)計(jì)思路，動(dòng)態(tài)化調(diào)整閱讀器天線波束，把智能柜空間進(jìn)行更小顆粒度細(xì)分，全方位考慮柜內(nèi)商品部署狀態(tài)，讓智能柜更加智能etezd9WkC6P+V7v6ESfPcCL0aDLqjl3Xm86l2ViPBN0=。該方案與傳統(tǒng)方案比，在低功率下盤讀性能提升50%；在高功率多標(biāo)簽堆疊遮擋場景，盤讀性能提升22%；同時(shí)，在成本方面，比原有方案成本降低25%。該方案還可以延伸應(yīng)用于無人超市、倉儲(chǔ)物流、圖書館等標(biāo)簽多、密度高、反射大的場景，降低技術(shù)落地難度，更大程度推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用，為國家發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力貢獻(xiàn)一份力量。

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作者簡介：胡岳挺，本科，工程師，huyueting@ruijie.com.cn，研究方向：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。