专利名称：射频识别(rfid)系统的场形成屏蔽的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于物品管理的射频识别(RFID)系统。
背景技术：
实际上，射频识别(RFID)技术已经被广泛地应用在各个领域，这些领域包括运输、生产、废物管理、邮政跟踪、航空行李核对和公路收费管理。通常RFID系统包括多个RFID标签、至少一个与该RFID标签通信的具有天线的RFID读取器或检测系统、以及用于控制该RFID读取器的计算装置。该RFID读取器包括发送器，可以用于将能量或信息提供到标签；和接收器，用于从标签接收身份和其它信息。该计算装置处理通过RFID读取器获得的信息。
通常，从RFID标签接收的信息对具体应用是特定的，并且经常提供固定了标签的物品的识别。示例性物品包括生产项目、书、文件、动物或个人或者可以是实际上任何其它有形物品。还能够对物品提供附加信息。在生产过程中例如标签可用于指示生产期间的汽车底盘的涂料颜色或其它有用信息。
RFID读取器的发送器经由天线输出RF信号，从而产生电磁场，该电磁场使得标签返回携带信息的RF信号。在一些结构中，发送器启动通信，利用放大器通过调制的输出信号来驱动天线，从而与RFID标签通信。在其它结构中，RFID标签从RFID读取器接收连续波形信号，并且通过立即响应其信息来启动通信。
传统标签可以是包括内部电源的“有源”标签，或者是通过由RFID读取器产生的场来提供能量的“无源”标签。在任何情况下，标签使用预定义协议通信，允许RFID读取器从一个或多个标签接收信息。计算装置通过从RFID读取器接收信息并且执行诸如更新数据库的一些动作来用作信息管理系统。另外，该计算装置可以用作通过发送器将数据编程到标签中的机构。
传统的RFID读取器的天线具有单感应回路，并且在相对高的频率范围内，例如3MHz到30MHz范围内操作。因此，这些天线趋向建立这样的磁场，该磁场遭受“孔”的影响，即，这样的区域，在该区域内，即使RFID标签相对靠近天线，RFID标签还是不能够被读取。例如，取决于固定有RFID标签的物品的方向和位置，在一些情况下，在查询期间RFID标签可以居中在单圈感应回路天线之上。在这种情况下，基本相等的电流可以被加载在RFID标签的相对侧，这导致相消效应。结果，RFID标签也许不能够实现与RFID读取器的通信。
此外，用于桌面RFID读取器的传统天线趋向建立磁场，该磁场水平延伸超过天线的边界。因此，最接近天线放置的例如几乎接近该桌面上的天线放置的物品可被非有意地被读取器读取，这会导致非期望的结果。例如，在图书馆管理系统中，与一个图书馆顾客相关联并且紧靠天线的书可被非有意地检验到另一个顾客。
发明内容
通常，场形成天线和屏蔽部件被描述为将磁场形成为期望的配置以用于RFID系统。更具体地讲，双回路天线被描述为以减少所得到的磁场内的孔的大小的方式来定位和隔开这些回路。此外，相对于具有相同功率的单回路天线，在此描述的双回路天线的配置增加了场大小，并且减少了跨绕线容量，从而增加了由天线实现的全部读取范围。
此外，导电屏蔽被描述为进一步改进和形成了由天线产生的磁场。例如，天线可以基本上被水平定位在桌面或柜台上。导电屏蔽可以平行于天线的平面，这包括位于天线所在平面上，并且一般围绕天线以限制电磁场水平延伸超过天线的边界。结果，电磁场被产生其一般地投射在天线之上和之下，因此限定了能够读取RFID标签的一般垂直通信区。
在一个实施例中，多回路天线包括用于产生与RFID标签进行射频识别(RFID)通信的电磁场的多个导电回路。导电回路之间至少隔开一定距离，该距离是基于与天线通信的RFID标签的尺寸而选择的。
在另一个实施例中，射频识别(RFID)系统包括RFID标签，与物品相关；和天线，具有产生与RFID标签进行通信的电磁场的多个导电回路。导电回路之间至少隔开一定距离，该距离是至少部分地基于RFID标签的尺寸而选择的。
在另一个实施例中，射频识别(RFID)系统包括形成与RFID标签通信的电磁场的天线，其中，该天线具有基本平面形式。基本上相连导电屏蔽围绕天线放置并且在平行于天线的平面内。
以下，在附图和说明书中详细描述了本发明的一个或多个实施例。从说明书和附图以及权利要求书中可以清楚看出本发明的其它特征、目的和优点。
图1是示出包括于此描述的技术的示例性RFID系统2的框图。
图2是进一步示出图1的RFID系统的天线的实施例的框图。
图3是示例性双回路天线的俯视图。
图4是图3的双回路天线的分解图。
图5是示出与导电屏蔽结合使用以进一步改进和形成所得到的磁场的双回路天线的示意图。
图6是示出来自单回路天线上的导电屏蔽的磁场的示例性效果的侧视图。
图7是示出导电屏蔽的示例性场形成效果的另一个侧视图。
图8A是示出导电屏蔽和天线安装在工作表面之下的实施例的侧视图的透视图。
图8B是示出天线安装在工作表面的凹口部分并且导电屏蔽安装在工作表面的非隐藏部分的实施例的侧视图的透视图。
具体实施例方式
图1是示出包括于此描述的技术的示例性RFID系统2的框图。在图1的示出的例子中，RFID系统2用于跟踪书、文档、文件或其它物品。该RFID系统可以例如被运用在图书馆、律师事务所、政府代理处或产生和/或存储诸如商业、犯罪和医疗记录的文档和文件的其它设施中。物品包含唯一地标识该物品的RFID标签。此外，每个RFID标签还可以包含描述物品的信息和指示物品移动是否被授权的状态信息。RFID标签可以被嵌入在物品中，从而该标签基本上是感觉不到的，从而减少或防止篡改。
通常，RFID系统2在电磁频谱的频率范围内，诸如13.56MHz范围内工作，允许的频率变化是+/-7kHz。然而，其它频率可以被用于RFID应用，本发明不限于此。例如，诸如仓库的大存储空间中的一些RFID系统可以使用在大约900Mhz工作的RFID系统。
如图1所示，系统2包括检测来自保护区域的物品的未授权的移动的出口控制系统5。例如，该保护区域可以是图书馆，并且该物品可以是从图书馆取出和归还的书或其它物品。在不脱离本发明的范围的情况下，该技术还可以被应用到其它种类的物品。
出口控制系统5包括格子9A和9B，用于限定靠近保护区域的出口放置的查询区或走廊。格子9A和9B包括用于查询RFID际签的天线，当RFID标签通过走廊时，该天线查询RFID标签以确定附有标签的项目的移动是否被授权。出口控制系统5可以利用至少一个RFID读取器(未示出)来驱动天线。为了检测标签，RF读取器经由天线输出RF功率来在查询走廊内建立电磁场。一般，术语“电磁场”和“磁场”于此可互换使用作为用于与RFID标签耦合的磁部件。
RF读取器从存在于查询走廊内任何标签接收信息，出口控制系统5确定物品的移动是否被授权。如果物品的移动没有被授权，则出口控制系统5启动一些恰当的安全动作，诸如发出听得见的警报声音、锁定出口门等。
此外，RFID系统2包括登记/检验(check-in/check-out)区域11，通过该区域11，授权人例如图书馆支持人或工作人员处理物品的移动或返还。具体地讲，登记/检验区域11包括RFID读取器18，用于查询固定到物品上的RFID标签并且按照期望改变它们的状态，例如，登记或检验物品。
此外，如图1所示，物品可以放置在很多存储区域12中，例如，放置在敞开架子12A上、盒子12B上、垂直文件分隔器12C或其它位置上。每个智能存储区域12包括通过设施实现物品的跟踪的标签查询能力。在图书馆设置中，例如，书在架子12A上登记后能够被跟踪。
在不脱离本发明的范围的情况下，该RFID标签能够采用任何形式。商业上可用的RFID标签的例子包括来自3M公司，St.Paul，MN的3MTMRFID标签；或来自Texas Instruments，Dallas，TX的“Tag-it”RFID发射机应答器。RFID标签通常包括集成电路，该集成电路有效地连接到天线，该天线以本领域公知方式从源接收RF能量并且后向散射RF能量。RFID标签将提供后向散射信号的RF能量调制成关于RFID标签及其相关物品的通信信息。
物品管理系统14提供设施中的每个物品的标签信息的中心数据库。物品管理系统14可以以网络方式或其它方式耦合到一个或多个计算机，从而个人，例如不同位置的图书管理员能够访问关于那些项目的数据。例如，用户可以请求诸如书的具体物品的位置和状态。物品管理系统14可以从数据库检索物品信息，并且将智能存储区域之一中放置物品的最后位置报告到用户。或者，物品管理系统14能够重新登记或另外重新获取物品的当前位置以验证该物品位于数据库中指示的位置。
如下面更加详细描述，RFID系统2包括于此描述的技术。登记/检验区域11和RFID读取器18例如可以包括场形成双回路天线13和导电屏蔽16，用于按照期望配置产生磁场。例如，RFID读取器18可以包括于此描述的双回路天线13，该双回路天线13通过降低所得到的磁场内的孔的大小的方式来被定位和隔开。此外，与具有相同功率的单回路天线相比，在此描述的双回路天线13的配置实现场大小增加，并且减少了跨绕线容量，从而增加了由RFID读取器18实现的全部读取范围。
此外，登记/检验区域11可以利用导电屏蔽16来进一步改进和形成由天线13产生的磁场。例如，如所示，天线13基本上可以水平地安装在桌面15上、桌面15内或桌面15下。导电屏蔽16可以被平面放置并且一般包围天线13，从而防止电磁场水平地延伸超过天线的边界。结果，产生了这样一种电磁场，该电磁场一般投射在天线13之下和之上，因此，限定了一般垂直通信区，在该通信区内能够读取RFID标签。导电屏蔽16可以被安装在桌面15之上、之下或桌面15内部，图书馆顾客和工作人员是看不见的。导电屏蔽16不一定需要电接地来形成于此描述的磁场。
图2是进一步描述天线13的框图。如所示，天线13一般包括下面将详细描述的双回路20，该双回路20以这样一种方式被定位和隔开，该方式为减少所得到的磁场内的孔的大小并且实现场大小和强度增加。尽管通常讨论的天线13具有双回路，但是天线13还可以具有附加回路，该附加回路基于标签通信区的期望大小和各个标签的尺寸被隔开。
调谐电路22将双回路20调谐到谐振频率，并且在该回路结构和线缆26之间提供阻抗匹配和信号转换，该线缆26可以是同轴电缆。读取器18经由线缆26连接到调谐电路22，并且利用天线13来完成RFID发送和接收操作。因此，读取器18可以包括方向联接器，用于解释从调谐电路22返回的信号。
图3是示例性双回路天线30的俯视图。在一个示例性实施例中，双回路天线30包括驻留在印刷电路板的平行层上的内回路32和外回路34。在另一个实施例中，内回路32和外回路34在同一平面放置。
由于双回路天线30的配置，来自读取器18(图1和图2)的电流(I)以相同方向流过回路32和34的每个导电边界。结果，由回路32和34的平行导电边界产生的电磁场本质上叠加，并且与具有相同功率的单回路天线相比，实现了场大小增加的场。
此外，内回路32和外回路34被定位和隔开，从而减少了所得到的磁场内的任意潜在孔的数目和/或大小。例如，与传统单回路天线不同，读取器18能够实现与直接定位于天线的导电边界之上的RFID标签的成功通信。更具体地讲，在这个情形下，传统单回路RFID天线可以在RFID标签的相对侧产生基本一样电流，这导致相消效应。相比较，由于内回路32，在外回路34的边界之上以其为中心的RFID标签例如会在RFID标签的内侧实现电流增加。同样地，由于外回路34，在内回路32的边界之上以其为中心的RFID标签例如会在RFID标签的外侧实现电流增加。在任一情况下，增加的电流实现RFID标签内的能量增加，使得RFID标签与RFID读取器成功通信。这样，所述的双回路天线30的配置可以减少所得到的电磁场内的任何孔的数目和/或大小。
在一个实施例中，内回路32和外回路34可以被定位相距至少D，该D是基于系统内使用的RFID标签的尺寸而被选择的。例如，许多传统13.56MHz RFID标签的大小在从0.5”×1”(1.27cm×2.54cm)到2”×3”(5.08cm×7.62cm)的尺寸内变化。因此在一个实施例中，D可以被选择为超过RFID标签的最大尺寸，从而确保没有RFID标签能够跨内回路32和外回路34而被定位，这有利于增加读取器18的能力以实现与标签的成功通信而不管标签位置。因此，在一个实施例中，D≥2.54cm。在另一个实施例中，D≥5.08cm。
尽管示例性示出了一般的矩形双回路，但是也可以容易地使用另外形式的回路，诸如圆形、椭圆形或其它几何形状。
图4是图3的天线30的分解视图。如上所述，天线30包括包含内回路32的第一层40和包含外回路34的第二层42。例如，层40和42可以是彼此重叠的层以形成多层印刷电路板。
图5是示意图，示出与导电屏蔽66结合使用以进一步重新改进并形成所得到的磁场的双回路天线60。尽管示例性示出了双回路天线，但是导电屏蔽66可以与其它形式的天线一起使用，诸如方形的单回路或多回路天线、圆的或其它形状。
导电屏蔽66可以被看作四个导电平面区域65A到65D，该四个导电平面区域65A到65D形成了几乎相接导电屏蔽，该相接导电屏蔽在天线60周围形成非屏蔽内部区域61。导电屏蔽66防止电磁场的通过，从而将由天线60产生的磁场限制到内部区域。换言之，虽然由天线60产生的磁场在内部区域61内垂直延伸(例如，从图6向内和向外)，但是由于导电屏蔽的导电特性，基本上防止所述磁场越过导电屏蔽66而形成。
导电屏蔽66包括不连接区域63，该不连接区域63防止围绕天线60形成闭环，从而防止在导电屏蔽内形成电流。通常，不连接区域63可以具有最小距离D4的间隙，该D4足以产生导电屏蔽66内的电不连接并且基本上不降低导电屏蔽的屏蔽效果。例如，导电屏蔽66可以是一般的铜或其它导电屏蔽，并且距离D4不需要超过几毫米。
通常，导电屏蔽66位于离外回路64距离D3的位置，并且距离D3因此限定了由天线60产生的标签通信区的最外侧区域。换言之，D3限定了非屏蔽内部区域61的最外侧界限，在非屏蔽内部区域61中，当天线60由足够功率驱动以产生具有足够强度的磁场时标签可以被读取以通过该内部区域实现成功通信。
每个导电区域65A到65D的宽度是D5，该D5一般是基于由天线60形成的磁场的强度而确定的。例如，每个导电区域65A到65D的宽度D5必须足够宽，以使得任何区域例如导电屏蔽66的外部的场强度低于RFID通信所需的阈值水平。这样，导电屏蔽66基本上防止导电屏蔽66之上的区域中的RFID通信，直到场自身的场强度降到不足以进行RFID通信，这可以存在于导电区域65的内边界和外边界之间的任何点。因此，D5可以被视为是导电区域65的最小宽度，并且导电区域可以更宽。例如，为了例如生产简化的其它原因，导电区域65可以被延伸超过距离D5。此外，导电区域65不需要是一样的宽度，但是最好都超过最小距离D5。
图6是侧视图，示出了导电屏蔽的磁场效果，对该导电屏蔽描述了左部分70和右部分72。为了简化，通过导电轨迹74和76在图6中示出了单回路天线。应该实现关于导体屏蔽的效果，双回路天线可以逻辑上视为半径等于双回路的半径的均值的单回路天线。
如图6所示，导电轨迹74和76内的电流I产生各自磁场82和84。显著地，磁场82和84分别延伸到区域78和80，但是分别受到左部分70和右部分72的屏蔽效果的影响。因此，应该实现将左部分70和右部分72更加靠近导电轨迹74和76放置将会进一步限制所得到的磁场形成的向外延伸。此外，将左部分70和右部分72更加靠近导电轨迹74和76放置会进一步限制延伸，使得场82和84向内延伸向相对导电轨迹。这个单回路天线的全部通信区大约是磁场82和84之和。
因此，D3(图5)被选择为超过磁场82和84(图6)重叠所需的最小距离，从而确保在回路内实现足以用于RFID通信的场强度。
在一个实施例中，例如，D3被选择为近似等于D1和D2的均值，如下D3≥(D1+D2)/2 (1)此外，D2近似等于1.5×D1。例如，D1、D2和D3可以分别等于2”(5.08cm)、3.5”(8.89cm)和2.75”(6.98cm)。距离D3的具体选择使得所得到的由内回路62和外回路64(图5)产生的磁场以向内和向外方向从这些回路延伸，从而以足够强度完全覆盖天线60以实现RFID通信。
图7是另一个侧视图，示出了导电屏蔽的场形成效果。具体地讲，图7示出了由天线94产生并且由导电屏蔽形成的所得到的电磁场90，对该导电屏蔽描述了左部分92A和右部分92B。如所示，导电屏蔽限制电磁场90从天线94向外延伸，从而防止超过限定的通信区的水平边界放置的RFID标签的非有意读取。
图8A是透视图，示出了登记/检验区域100的一个实施例的侧视图，在该登记/检验区域100内，天线102和导电屏蔽104安装在表面106之下。在这个例子中，天线102和导电屏蔽104在表面106之上产生RFID标签通信区107。表面106可以包括识别通信区的边界的可视标记。这样，导电屏蔽104防止在超过限定的通信区107的区域108内RFID标签的非有意读取。
图8B是透视图，示出了登记/检验区域110的另一实施例的侧视图。在这个例子中，桌面116形成了凹口120，天线112安装在凹口120之下。导电屏蔽114安装在桌面116的非凹口部分上，环绕天线112。在这个例子中，天线112和导电屏蔽114产生RFID标签通信区117，并且导电屏蔽防止在超过限定的通信区的区域118内RFID标签的非有意读取。在另一个实施例中，桌面116没有形成凹口120，并且天线112安装在桌面之下。
已经描述了本发明的多个实施例。这些和其它实施例在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种射频识别(RFID)系统，包括天线，其形成与RFID标签进行通信的电磁场，其中，所述天线基本上为平面形状；和基本相连的导电屏蔽，围绕所述天线放置并且在平行于所述天线的平面内。
2.如权利要求1所述的RFID系统，其中，所述导电屏蔽形成电磁场基本上以垂直于所述天线的方向延伸，并且基本上防止所述电磁场越过所述导电屏蔽而形成。
3.如权利要求1所述的RFID系统，其中，所述导电屏蔽包括形成非屏蔽内部区域的平面导电区域，并且进一步，其中，所述天线位于所述非屏蔽内部区域内并且平行于所述平面导电区域。
4.如权利要求3所述的RFID系统，其中，所述导电区域限定了至少一个不连接区域，用于防止所述导电屏蔽围绕所述天线形成闭合导电回路。
5.如权利要求3所述的RFID系统，其中，所述天线包括一个或多个导电回路，其中多个导电回路包括外回路，并且所述导电屏蔽的导电区域离所述天线的外回路的距离至少为D，所述距离D是基于所述外回路的半径而选择的。
6.如权利要求3所述的RFID系统，其中，所述天线具有半径为D1的第一导电回路和半径为D2的同心第二导电回路，并且所述导电屏蔽的导电区域离所述外回路的距离至少为D3，其中，距离D3被选择近似为D1和D2的均值。
7.如权利要求3所述的RFID系统，其中，所述导电区域的每一个分别具有从所述天线向外延伸的宽度，并且进一步，其中，所述宽度是至少部分地基于用于在所述天线和所述RFID标签之间进行RFID通信所需的磁场的阈值水平来被选择的。
8.如权利要求7所述的RFID系统，其中，所述宽度被选择为在平行于所述天线并且从所述天线向外的方向上充分延伸，从而防止在所述导电区域之内或之上形成所述电磁场，直到所述电磁场的强度减少到低于通信阈值。
9.如权利要求1所述的RFID系统，其中，所述天线和所述导电屏蔽安装到RFID登记/检验区域的工作表面。
10.如权利要求9所述的RFID系统，其中，所述工作表面具有凹口区域和非凹口区域，并且进一步，其中，所述天线被安装到所述工作表面的凹口区域，而所述导电屏蔽被安装到所述非凹口区域。
11.如权利要求1所述的RFID系统，其中，所述导电屏蔽和所述天线位于同一平面。
12.如权利要求1所述的RFID系统，其中，所述导电屏蔽和所述天线位于两个不同的平行平面内。
13.如权利要求1所述的RFID系统，还包括连接到所述天线的RFID查询装置，其中，所述查询装置查询所述RFID标签以获得关于有关物品的信息；和计算装置，用于处理从所述RFID查询装置获得的信息。
14.如权利要求1所述的RFID系统，其中，所述天线包括用于产生所述电磁场的多个导电回路，并且其中，所述导电回路至少隔开距离D，所述距离D是基于与所述天线进行通信的RFID标签的尺寸而选择的。
15.如权利要求14所述的RFID系统，其中，所述距离D被选择为超过所述RFID标签的最大尺寸。
16.如权利要求14所述的RFID系统，其中，所述RFID标签的长度是M，并且所述多个导电回路中的每个之间的距离D被选择为D≥M。
全文摘要
本发明公开了一种射频识别(RFID)系统，该系统利用基本相连的导电屏蔽来形成由与RFID标签通信的天线形成的电磁场。该天线和导电屏蔽基本上是平面形状，并且可以被安装到登记/检验(check－in/check－out)区域的表面上。该导电屏蔽围绕天线放置并且在平行于天线的平面内，例如在同一平面内。该导电屏蔽形成电磁场基本上以垂直于所述天线的方向延伸，并且基本上防止所述电磁场越过所述导电屏蔽而形成。
文档编号G08B13/14GK1954462SQ200580009009
公开日2007年4月25日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年2月20日
发明者塞思·A·利弗尔特, 爱德华·D·戈夫 申请人:3M创新有限公司