专利名称：动态eas检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及动态控制的数字化定相多天线元件，用于为不依赖于方 向的标签检测和数字合成技术产生动态增强电磁场，其提高了商品电子 防盗(EAS)系统的信号灵敏度。
背景技术：
商品电子防盗(EAS)系统通常由(a)标签、(b)询问天线和(c)询 问电子设备组成，其中每个均对总体系统性能起特定作用。
EAS回路天线支架通常安装于零售店出口附近，并且根据对商品上固定 的谐振标签的检测， 一旦商品未经许可而带离商店时会发出警报。所述系 统包括传送装置，用于在支架附近产生电磁场；接收装置，用于检测由 询问场内存在的谐振标签产生的信号。
EAS的某些预期特征包括检测区域内无盲点或空白区存在；询问场在 天线附件很强，足以检测噪音环境中谐振标签存在与否，但为了符合法规 在远处则足够弱；检测性能不受谐振标签的方向影响。
一种抑制远场发射的方法是在中部机械缠绕"0"形回路天线180°形 成"8"字形回路。然而，由于磁场线走向平行于标签平面，在数字8交叉 点附近区域产生检测空白。由于磁场线走向垂直于标签平面时达到最优检 测，这将导致检测显著降低。
专利EP 0 186 483 (Curtis等人)中另一种方法是利用包括第一 "0" 形回路天线和与其共平面的第二 "8"字形回路天线的天线系统。所述装置 中，通过并行地驱动使所述天线产生圆形的偏振询问场，使得不管标签的 方向如何，标签接收的能量相同。
专利EP 0 579 332 (Rebers)中公开的一种不同的天线结构包括两个 回路天线线圈，其中一个线圈是串联谐振电路的一部分，另一个线圈是并联谐振电路的一部分；串联谐振电路和并联谐振电路相互连接形成由单电 源驱动的模拟移相网络。
专利号为EP 1 041 503的专利也公开了一种等效的模拟移相网络，其
涉及一种用于旋转发射场的对相位不灵敏的接收器。
在美国专利号为6，166，706的专利(Gallagher III等人)中，另一种 方法是当上下"8"字形回路部分或完全重叠时产生包括与电驱动"8"字 形回路共平面的磁耦合中心回路的旋转场。通过所述天线配置，磁感应产 生"8"字形回路相位和中心回路相位之间90。的相位差，从而产生旋转场。
美国专利号为6，836，216的专利(Manov等人)中，分别控制四个天线 线圈中电流的方向，从而在询问区内产生在某优选方向(竖直、垂直或平 行于出口通道)偏振的合成磁场。
美国专利第6,081，238号(Alico)中描述了若干天线配置，其中这些 天线相互间隔90°定相，以改善询问场分布。
EAS系统通常利用谐振效应，如磁致弹性谐振(例如，声磁致伸縮或 AM)和电磁谐振(射频线圈标签)。EAS标签对所施加的励磁表现出二阶响 应，并通过脉冲响应和频率响应以数学方式描述谐振行为。来自傅里叶变 换的脉冲响应和频率响应可用于两种替代性标签询问方法中脉冲监听询 问和扫频询问。
与通常低于10MHz的工作频率的波长和近场区域内的询问区相比，EAS 天线电小，而电感耦合占优势。由于使用简单且成本低，平面回路是最常 用的。标签励磁需要实质上与AM标签的长度相切且与电感线圈标签垂直的 磁通量。单个天线回路元件不可避免地会产生相对于标签位置和方向的不 均匀询问区。实际上，至少两个天线元件用于转换磁场方向，从而产生更 均匀的询问区。
已有的对方向问题的解决方法包括同时定相或依次改变多个天线元件。
专利EPO 186 483 (Curtis等人)公开了一种包括"8"字形回路(或 "2"字形回路)元件11和"0"形回路(或"1"字形回路)元件12的天 线结构(见图l)，其在驱动90°相位差时产生恒定的旋转磁场。由于"O" 形回路产生比"8"字形回路大很多的磁场，Curtis的天线结构不那么平衡。 专利EP 0 645 840 (Rebers)提出一种使用"2"字形回路元件14和 "3"字形回路元件13的改进结构(见图2)。尽管在Curtis的发明和专利EP 0 645 840 (Rebers)发明中均未涉及，所述"3"字形回路还在远场消 除方面较"1"字形回路(见图1)有优势。为了在接收信号为调制形式时 在载波信号上进行连续传输，接收信号的相位对标签方向敏感。如果不断 的旋转标签，同步解调或相位灵敏检测将不会在旋转磁场中起作用。需要 正交接收机计算来消除相敏。
专利EP 1 041 503 (Kip)公开了一种寻址相敏问题的接收机(见图3)。 美国专利号6， 081， 238的专利(Alicot)公开了一种使用两个相邻共 面单回路的天线结构(见图4)，其中互耦合引起一个90°移相，从而产生 相对无空白检测模式。通过互耦合引起的移相实际问题是需要一种高Q,以 引起两回路间90°的移相，导致脉冲监听询问的过度振铃。同样，耦合回 路的感应电流不具有和供电回路电流同样大的幅值，并且所述两种回路的 检测模式不同。
上述专利中公开了一种实用设备(见图5)，其改变两回路间的相位差 (同相或异相)来转换磁场方向。从两回路接收的信号移位90°以进行后 续混合。两天线回路同相时(如图6所示时间间隔期间)，无远场消除。
上述同一专利中公开了一种通过将单回路划分为如图7所示的四个相 位指定为0°、 90°、 180°和270°的等面积元件的解决方法。
上述方法和设备具有特定问题和限制。Curtis忽视了接收机和远场消 除。专利EP 0 579 332 (Rebers)采用RC移相电路，如果用于脉冲监听系 统中，其不仅引起插入损失还会引起谐振问题。同样，由于RC移相电路带 宽有限，RC移相电路可能在频率范围内不能正常工作。对于脉冲监听系统 而言，在传输和接收方面，依次交替"2"字形回路和"3"字形回路更简 单。Alicot还使用用于正交接收机的移相电路。至于远场消除，Alicot将 单回路划分为四个等面积元件。由于检测性能主要取决于每个回路元件的 尺寸，具有远场消除性能的四元件天线与不具有远场消除性能的二元件天 线相比，检测减少。
本文引用的所有参考文献的全部内容均以引用的方式并入本文。
发明内容
本发明的目的是消除用于传输和接收的模拟移相电路，从而消除插入 损失并提高信噪比。使用适合的数字处理技术数字化或处理化的从每个天 线元件接收的信号。
本发明的另 一 目的是在为符合法规实现远场消除的同时增大天线元件的尺寸。
对于90°相位差驱动的两个元件而言，如图8所示，其在远场的矢量 和不为零，需要另外的远场消除技术。
本发明的一种改进的定相方法是如图9所示的三个天线元件，当以120。 相位差驱动时，其使得远场矢量和为零。
本发明提供一种商品电子防盗系统，包括天线结构，其包括三个或 三个以上均与独立传输驱动器连接用于产生相应电磁场的回路，其中所述 传输驱动器设置为以所述独立传输驱动器的所述电磁场的矢量和在远场为
零的方式驱动所述回路，其中没有矢量以180°的相位从另一矢量中分离。
本发明提供一种动态控制的商品电子防盗系统，用于检测安全标签， 其中数字化定相并有源驱动的天线元件阵列进行同时传输，以产生若干具 有各自矢量的电磁场，其中所述系统改变在各个所述矢量之间的相位以与 安全标签相互作用，从而实现标签检测。
结合以下附图来描述本发明，图中的相同参考数字表示相同元件，其
中
图1为专利EP 0 186 483 (Curtis)中描述的一种现有技术天线元件； 图2为专利EP 0 645 840 (Rebers)中描述的另一种现有技术天线元
件；
图3为专利EP 1 041 503 (Kip)中描述的一种现有技术接收机；
图4为美国专利号为6， 081， 238的专利(Alicot)中描述的另一种现 有技术天线结构；
图5为图4中所述天线结构的工作原理图6为用于激活图4-5中所述天线结构的时序图7为美国专利号为6， 081， 238的专利(Alicot)中所示不同天线元 件定相的简化示意图8为一种非零远场矢量求和法的简化示意图9为本发明的一种具有远场消除的定相方法的简化示意图9A描绘了本发明所述系统的方框图10为根据本发明所述的直接数字合成器的俯视图11为根据本发明所述的数字移相网络；
图12为根据本发明所述的数字上变频器；
6图13为用于实质远场抑制的约束矢量求和法；
图14显示了用下变频器和移相网络数字化处理的接收信号；
图15为生成以若干接收天线数据的平方和计算的新复合信号的方框
图16显示了使用两种不同移相设置生成两个来源于接收天线阵列的复 合信号的方案；
图17显示了生成对若干接收天线的数据进行平方和运算来计算的新复 合信号的方框图18显示了动态定相和有源驱动天线元件阵列进行同时传输的方框
图19显示了动态定相天线元件阵列并将其结合于接收装置中以提高检 测的方框图20说明了动态定相的宽通道检测方案；
图21描绘了一种典型天线元件，其包括电磁铁芯附近的绕组，如铁氧 体陶瓷材料。
具体实施例方式
本发明20 (见图9A)涉及一种动态控制的商品电子防盗系统(EAS)， 其中数字化定相并有源驱动的天线元件阵列(天线1、天线2...天线K) 进行同时传输22，数字化定相所述天线元件阵列并将其结合于接收装置24 中以提高安全标签10的检测。所有天线元件均从中心协调位置26 (例如， 处理器)开始设置。特别地，数字化扫描收发询问场，以便可在某些期望 位置加强检测，而在某些其他位置仍对受抑制的标签方向灵敏。本发明的 一个实施例中，有源定相多天线元件进行同时传输是通过使用直接数字合 成器(DDS)数字化进行的。
图IO显示了 DDS 100的俯视图。累加(即按时进行数字化积分)并量 化控制输出频率的相位三角形101以生成一个指数102，用正/余弦查找表 映射所述指数102以生成输出射频波形104。相位累加105后，量化之前将 期望相位偏移106与结果相加。可根据大范围射频频谱的样品周期，设定 或动态更改相位三角形和相位偏移。
例如，IO次取样中十分之一 (1/10)的相位三角形和百分之一 (1/100) 的相位偏移，意味着正弦曲线具有360/100度的移相。然后将DDS输出送 至数模转换器(DAC) 107和低通滤波器108，以生成模拟传输波形。使用不同相位偏移寄存器，每个天线元件对应一个相位偏移寄存器，以产生数 字定相网络，以便同一查找表能按时间多元的划分，从而产生若干射频波 形。此外，由于同一查找表的正余弦输出均可用，容易产生90°相位差的一 对传输信号。
本发明的另一实施例中，有源定相多天线元件进行同时传输是通过数 字移相上变频器网络进行的。首先设计模板同相(I)正交(Q)基带信号，
并送至数字移相网络，然后送至数字上变频器(DUC)。图lla显示了使用 乘法器和加法器网络获得数字移相网络200，以根据旋转矩阵进行若干矢量 旋转。
函4: sin &
>1
其中，[i， q]表示模板I/Q波形，
Ll %」表示天线元件k的已旋转波形，6k表示天线元件k的移相。 图12显示了使用级联积分梳(CIC)上采样滤波器201和DDS 100上
变频化移相输出。根据以下公式得出最终的上变频信号 、(打)=^ (w) cos(叫n) — yfc (w) sin(叫n)
其中》]表示天线元件k的CIC输出； [cos(叫m) ，sin(叫")]表示输出，
%表示射频波形的预期角频率。
同一 DDS用于为所有传输天线元件进行频率上移。与仅适合用于单(或 窄带)频的模拟移相网络不同，同一数字移相网络200 (图11)可仅通过 调节DDS的相位三角形来用于大范围射频频谱。
本发明的另一方面，为符合法规实现实质的远场抑制，用于驱动传输 天线阵列的若干移相的矢量和在远场必须为零。用于驱动传输天线阵列的 移相的选择对于产生的询问场模式和远离天线的场强均至关重要。为了抑 制远场能量使其达到规定要求，如图13所示此处施加限制，以便无论所述系统中天线结构和所述若干天线元件存在与否均能实现实质的远场抑制。 例如，在具有三个相同天线元件的系统中，如果两个天线的移相为0。-120。， 则最好为第三个天线元件选择240°的移相，以使所有移相的矢量和等于零。
本发明的又一方面，使用下变频移相网络数字化处理从天线阵列接收 来的若干射频/中频信号。将每个天线的接收射频信号送至数字下变频器
(DDC)，然后送至数字移相器。图14显示了使用DDS 100和CIC下采样
滤波器400下变频接收的射频信号。频率下变频输出以与传输模式的操作 反向的方式与基带I/Q信号相对应。传输模式期间使用的同一 DDS和数字 移相网络用于接收模式，以为所有接收天线元件进行频率下移和移相。
为进行标签检测，通过使用相干包络检波器结合若干经下变频移相的 接收信号而产生复合接收信号，所述相干包络检波器进行平方和运算。图 15显示了生成以若干接收天线数据的平方和500计算的新复合信号的方框 图。对于n个相同元件而言，求和给出是单一元件灵敏度n倍的灵敏度。 相干求和的作用是沿同一方向旋转并调准来自若干接收天线元件的I/Q矢 量，以便所得到的矢量和等于接收天线元件上感应电压的幅值和。通过改 变旋转角的选择，可以根据需要调节接收场的空间灵敏度或方向性，以在 相对于天线阵列结构的不同空间坐标和方向检测谐振标签。这尤其适合天 线元件间必须进行互耦合的情况。此外，由于发射场间的磁通线交叉点角 度在空间上连续地变化，接收天线上的感应电压可具有取决于标签位置和 方向的相互的相差。
为进行标签检测，本发明也可能使用相干包络检波器生成若干来源于 经下变频移相的接收信号的复合接收信号，所述相干包络检波器进行平方 和500运算。因为接收模式中采用的移相的选择决定接收场的空间灵敏度 或方向性，可能需要不同移相设置，以最好地在不同位置检测进入询问场 的标签，尤其是当信噪比极低时。图16显示了使用两种不同移相设置来生 成两个来源于接收天线阵列的复合接收信号的方案。原理是一种移相设置 适用于检测位于特定区域内的谐振标签，另一种设置适用于检测位于不同 区域的谐振标签。
如本发明用于标签检测的另一实施例，使用非相干包络检波器从若干 经下变频的信号获得复合接收信号，所述非相干包络检波器进行平方和运 算。图17显示了一个通过对来自若干接收天线的数据进行平方和700运算 生成新复合信号的方框图。这对应为每个天线元件设置一个平方律检波器(包络检波器)，然后增加来自元件的功率(幅值)以获得最终信号检测。 与相干求和相比，非相干求和设备更直接，但灵敏度为^，与相干求和的
灵敏度n相比稍微较差。
动态改变若干传输信号的个体频率和相位，以允许传输场模式的自动
操作(操纵)。通过使用高速计算机控制(微控制器、微处理器和FPGA等)
和定相阵列天线系统，可通过控制个体天线元件的定相和励磁快速扫描传
输场模式。图18显示了一个动态定相并有源驱动的天线元件阵列以进行同
时传输的方框图。数字化控制的阵列天线可为EAS提供所需灵活性，以适
应并按最适于特定零售店标签检测的方式进行。此外，可通过随时任意改
变传输频率进行频率扫描。这些功能可以自动适应程序控制，以进行有效
的自动管理，以便在某些期望位置加强场模式而在某些其他位置抑制场模
式，从而使检测区域局部化。
动态改变所述若干接收信号的个体频率和相位，以允许自动操作(操
纵)接收场灵敏度。图19显示了一个动态定相天线元件阵列并将其结合于
接收装置中以提高检测的方框图。由于互惠定律，标签检测性能受接收场
模式以及接收场灵敏度影响。特别地，相对于随距离的增加而降低的磁场
强度，以脉冲模式运行的EAS系统的传输场强和接收场灵敏度之间存在互
惠性。因此，对于标签检测而言，只有仍进行动态定位所述若干接收信号
时所述若干传输信号的动态定相才有效。
对于宽通道天线配置，天线元件设置为形成支架对，使得一半移相为 "《<"的元件位于出口通道一侧的同一平面上，而另一半移相为 ;^^<^的所述天线元件位于所述出口通道另一侧的同一平面上。特别
地，图20显示了由4个天线元件组成的方案1000，其中0°和90°回路设置 于所述出口通道一侧的共用平面上，而180°和270°回路设置于另一侧的共 用平面上。注意，所有传输相位之和为360°，以便实质上减少远场发射。
动态EAS系统的天线结构可以各种方式构造。例如，如图21所示，天 线元件210可由电磁铁芯204周围如铁氧体陶瓷材料的绕组206组成，并 用非铁质垫片202隔开，而不构造成空气回路。不同回路可共用一个公用 铁芯或直线排列于相邻或近邻材料段上或按各种其它布置排列。
参考具体实施例详细描述本发明的同时，在不违反本发明精神和范围 的前提下本技术领域的技术人员可对本发明进行各种改变和修改。
权利要求
1、一种商品电子防盗系统，包括天线结构，其包括三个或三个以上均与独立传输驱动器连接以用于产生相应电磁场的回路，其中所述传输驱动器设置为以所述独立传输驱动器的所述电磁场的矢量和在远场为零的方式驱动所述回路，其中没有矢量以180°的相位从另一矢量中分离。
2、 根据权利要求1所述的系统，其中数字化合成传输信号。
3、 根据权利要求1所述的系统，其中所述传输信号相互间的相位不同。
4、 根据权利要求1所述的系统，所述天线结构还包括电磁铁芯结构，其 周围缠绕有所述天线结构的所述回路。
5、 根据权利要求4所述的系统，其中所述电磁铁芯包括铁氧体陶瓷材料或复合铁质绝缘材料。
6、 一种动态控制的商品电子防盗系统，用于检测安全标签，其中数字化 定相并有源驱动的天线元件阵列进行同时传输，以产生若干具有各自矢量的 电磁场，其中所述系统改变在每个所述矢量间的相位以与安全标签相互作用， 从而实现标签检测。
7、 根据权利要求6所述的系统，通过以计算机控制的方式快速改变若干 已收发安全标签信号的个体频率和相位来自动操纵所述电磁场并扫描相关频 率。
8、 根据权利要求6所述的系统，还包括传送装置，其同时驱动若干天 线；接收装置，其处理并结合任何从安全标签接收的信号；计算机装置，其 动态控制所述传送装置和所述接收装置。
9、 根据权利要求6所述的系统，其中用于宽通道配置的天线结构包括 偶数个天线元件，其设置成形成支架对，使得一半在0°-180°间移相的元件 位于出口通道一侧的同一平面上，而另一半在180°-360°间移相的所述天线 元件位于所述出口通道另一侧的同一平面上。
10、 根据权利要求7所述的系统，其中数字化定相和动态控制所述若干 已收发的安全标签信号，以产生圆形的偏振螺旋状射频场。
全文摘要
本发明涉及动态控制的商品电子防盗(EAS)系统，其中数字化定相和有源驱动的天线元件阵列进行同时传输，数字化定相并结合于接收装置中以提高安全标签检测。特别地，若干传输/接收信号的个体频率和相位快速变化，以允许传输场模式和接收场灵敏度的自动化操作(操纵)。本发明目的在于通过数字化定相和动态计算机控制实现以下特征无论标签方向如何，远场消除充分、无空白检测和检测性能稳定。
文档编号H01Q7/00GK101689704SQ200880019244
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月6日 优先权日2007年6月8日
发明者哈里·翁, 曾可锋 申请人:检查站系统股份有限公司