RFID智能柜天線問題分析與設(shè)計改進(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)合不同天線的場強分布，找到方案的關(guān)鍵薄弱點，通過智能天線和天線部署優(yōu)化，動態(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，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，在實際應(yīng)用場景中，顧客取放商品后，商品碼放并不能像實驗室場景那么規(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)算錯誤，影響客戶體驗。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，且會誤讀隔壁智能柜商品。本文通過不同天線方案的設(shè)計，對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)計方法，以期對相關(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起兩個相位差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，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反射嚴(yán)重，存在多徑衰落[6]，而標(biāo)簽和天線相對位置固定，導(dǎo)致部分標(biāo)簽無法被激活，也會產(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

結(jié)合以上問題，需要對現(xiàn)有方案的場強進(jìn)行分析，針對四臂螺旋天線[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，四臂螺旋天線場強衰減明顯，如果商品倒放或者高度較矮的商品被遮擋，標(biāo)簽漏讀概率就會提高。

微帶天線近距離下場強[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，因為天線整體效率更高，距離達(dá)到30cm時，信號強度比四臂螺旋天線強。

四臂螺旋天線功率分配移相網(wǎng)絡(luò)帶來損耗降低效率，微帶天線會激勵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)對商品各種擺放方式。方案易實現(xiàn)且天線效率高，所以也引入做方案對比。

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)合三個方案的優(yōu)勢，在保障場強均衡性的同時也需要保障天線效率。

結(jié)合上一輪分析，進(jìn)行場景實驗，構(gòu)造分散堆放、隨機堆放、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，層架的四個角落均有商品。

隨機堆放：商品隨機擺放，姿態(tài)隨機，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，盤讀結(jié)果如表1所示。

以上實驗數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果相匹配，需要尋找高效率且場強分布更均勻的天線方案。實驗發(fā)現(xiàn)，PIFA天線雖然效率高、最大增益高，但是場強分布不均，對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PIFA天線組合，采用射頻開發(fā)切換輪詢，在不同時刻激活不同PIFA天線工作，通過多個天線組合解決場強均衡性問題，同時保障了單個天線的效率和增益，保障整體性能優(yōu)良。

針對四臂螺旋天線、微帶天線和新設(shè)計的智能天線，做場強分布對比分析。智能天線采用四個PIFA天線組合，單個天線保障四分之一的區(qū)域信號，四個天線組合出來的電場分布更均勻，而且多個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時候，PIFA天線的場強還是會弱于微帶天線，需要進(jìn)一步解決。智能天線近距場強對比圖和遠(yuǎn)距場強對比圖如圖2與圖3所示。

針對30cm處信號偏弱的問題，結(jié)合考慮商品層架部署特點，進(jìn)行天線設(shè)計優(yōu)化，做了雙面天線陣設(shè)計，把天線集成到層架中，上下兩面分別四個PIFA天線，從兩個方向進(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. 方案驗證

選取單層貨架進(jìn)行讀取驗證，單層部署44個商品。商品以對信號影響較大的礦泉水為主，讀卡器只進(jìn)行一輪掃描，對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。隨機堆放盤讀能力對比結(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比提升不大。整齊碼放盤讀能力對比結(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。接下來驗證符合實際場景的單柜體大規(guī)模盤讀能力。

整柜實驗總計部署255個商品，配置不同讀卡器功率進(jìn)行掃描，從1dBm開始，以1dB為步進(jìn)，逐步增大信號到30dBm，對比不同天線的盤讀性能，越低的信號強度能盤讀的商品越多，說明天線性能越強。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)計思路，動態(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，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。