专利名称：用于eas和rfid应用的纳米晶体磁芯天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁芯天线，尤其涉及用于电子物品监视(EAS)和射频识别(RFID)系统的磁芯天线。
背景技术：
EAS和RFID系统通常用于保护和/或跟踪财物。在EAS系统中，可以在受保护区域比如零售商店的周边，例如出口区域，建立询问区。询问区由位于询问区附近的天线或多个天线建立。
EAS标识连接于受保护的每一财物。当物品正常销售或以其他方式允许从受保护区域带走时，去除EAS标识或使其失效。如果没有去除EAS标识或使其失效而进入询问区，那么由天线建立的电磁场致使EAS标识产生响应。作为接收器的天线检测EAS标识的指示有效标识处于询问区的响应信号。相关的控制器提供这种状态的指示，例如音频报警，从而可以采取适当的行为，防止将附贴有标识的物品未经允许从受保护区域带走。
RFID系统利用RFID标识来跟踪各种目的的物品，比如库存。RFID标识存储有与物品相关的数据。RFID阅读器可以通过以已知频率发射询问信号来扫描RFID标识。RFID标识可以对询问信号产生响应，响应信号包含例如与物品或RFID标识的ID相关的数据。RFID阅读器检测响应信号，并对数据或RFID标签的ID解码。RFID阅读器可以是手持式阅读器，或带有RFID标识的物品经过的固定阅读器。固定阅读器可以作为位于基座上的天线，类似于EAS系统。
在历史上，EAS和RFID系统中发射、接收或收发器天线已经成为环型天线。然而，近年来，已经研究将磁芯天线结构用于这些系统中。用作磁芯天线中的磁芯材料的材料包括铁氧体和非晶态磁性材料。
铁素体材料可以为粉末形式，混和并压制成具体的形状，然后在非常高温度的炉内烧结。在烧结之后，复合物成为完全结晶的结构。铁氧体材料具有比空气更高的磁导率，例如与大多数非晶材料相比，具有较低的饱和磁通量密度。而且，在更高RF(例如15MHz)频率下工作的铁氧体材料具有较低的磁导率和/或饱和磁通量密度。
与铁氧体材料相比，非晶态磁性材料缺少独特的晶体结构。非晶态磁性材料，例如VC6025F，可以从Vacuumschmelze GmBH公司(D-6450 Hanua，Germany)得到，已经成功地用于低频EAS应用，例如58KHz。然而，这种非晶磁性材料不能在RF频率下很好地工作，因为对于比数百kHz更高的频率来说，磁芯损失和磁导率降低了性能。
因此，需要提供一种能适用于高达RF范围的工作频率的EAS和RFID应用的磁芯天线。此外，需要改进作为铁氧体或非晶态材料替代品的磁芯天线在EAS的低频范围内的性能。
发明内容
一种符合本发明的用于EAS或RFID的天线包括含有纳米晶体磁性材料的磁芯，位于至少所述磁芯的一部分周围的线圈绕组。所述天线可以用于EAS或RFID系统中，产生电磁场，通过设置控制器询问标识，该控制器用于提供激励信号，以给定的频率激励天线工作。
一种符合本发明的在EAS或RFID系统中的建立扩展的检测范围的方法包括提供纳米晶体磁芯天线，该天线包括磁芯和至少一个位于至少所述磁芯的一部分周围的线圈绕组，所述磁芯包括纳米晶体磁性材料；激励天线在高达和包括RF的频率下工作。
为了更好地理解本发明，以及其他目的、特征和优点，参照下面结合附图的详细描述，其中相同的附图标记表示相同的部件图1是符合本发明的示例性EAS系统的框图；图2是符合本发明的纳米晶体磁芯天线的一个实施例的框图；
图3是与图1的系统一起使用的控制器的一个示例性电路图；图4是符合本发明的示例性纳米晶体磁芯天线的透视图；图5是沿图4的线5-5作出的图4的纳米晶体磁芯的局部剖面图，示出了绝缘叠层；图6A是符合本发明的另一示例性纳米晶体磁芯天线的透视图，示出了谐振初级线圈绕组和非谐振次级线圈绕组，用于发射器，接收器或收发器模式工作。
图6B是图6A的天线的一部分的透视图，更详细地示出了初级和次级绕组。
图7是符合本发明的示例性纳米晶体磁芯天线的相对磁导率对磁场强度的曲线。
图8是符合本发明的示例性纳米晶体磁芯天线的相对磁导率对磁场强度的曲线。
图9A-9C是示出了在符合本发明的示例性系统中分别在侧向，水平和垂直方向上的EAS标识的检测范围的检测性能图。
具体实施例方式
为简化且易于解释，现在将结合与EAS系统相关的各示例性实施例描述本发明。然而，符合本发明的磁芯天线可以与RFID系统一起使用。因此，应当理解，在此描述的实施例是示例性地给出的，而非限制性的。
参照图1，示出了EAS系统100，包括符合本发明的纳米晶体磁芯天线109。EAS系统100通常包括控制器110和用于放置磁芯天线109的基座106。为清楚起见，控制器110示为与基座106分离，但可以包括在基座壳体内。在图1的示例性实施例中，天线109构成为收发器，且相连的控制器110包括适当的控制部分和以预定的时间间隔从发射切换为接收功能的开关部分。本领域的技术人员将认识到可以有位于询问区104的分离侧的单独的发射天线和接收天线。
EAS标识102例如在制造厂或销售机构放在受保护的每个物品或财物上。如果在进入询问区104之前没有去除标识或使其失效，那么由天线形成的电磁场将使EAS标识102产生响应。作为接收器的磁芯天线109将接收这一响应，而控制器110将检测EAS标识的响应，该响应指示该标识在询问区104内。
参照图2，示出了作为收发器天线的符合本发明的纳米晶体磁芯天线的一个实施例的框图200。在所示实施例200中，绕组位于纳米晶体磁芯周围，且连接于一串联谐振电容器C2。具有该绕组的磁芯天线由串联RLC电路218中的电感L2，电阻R2和串联谐振电容器C2表示。本领域的技术人员公知，串联的谐振电容器C2的值选择为使天线电路在所需工作频率下谐振或调谐。另一绕组，由L1表示，可以放在磁芯天线周围，然后连接于传输线或电缆(取决于工作频率)212，而电缆又连接于控制器210，该控制器具有适当的激励和检测电路，以实现发射和接收功能。绕组L1电感性地与串联谐振RLC电路218耦合。
控制器210可以适于使用脉冲或连续波形检测方案工作，包括扫频、跳频、频移键控、振幅调制、频率调制等，取决于系统的具体设计。例如，控制器210可在发射过程中给传输线电缆212提供给定工作频率，例如8.2MHz的有限脉冲宽度。脉冲经传输线缆212传输至磁芯天线负载。传输线缆可具有例如50欧姆的阻抗，该阻抗匹配信号发生器的阻抗，以避免反射。在更低频率下，例如58kHz，传输线或电缆在阻抗匹配上并不重要。此外，阻抗变压器L1可以使串联RLC电路218的谐振磁芯负载阻抗匹配传输电缆212。
图3是利用脉冲检测方案工作的示例性控制器310的更详细的框图。控制器310可以包括发射器驱动电路318，该电路包括信号发生器311和发射器放大器312。信号发生器311以所需的频率，比如RF频率，为发射器312提供输入信号。在此使用的术语“RF”指的是在9KHz和300MHz之间的频率。
发射器312驱动由电感LA，电阻RC和谐振电容器CR表示的纳米晶体磁芯天线。这样，发射器驱动电路318以给定的频率在短时间内为磁芯天线提供脉冲串，在离相应的询问区内的磁芯天线足够距离处产生足够的电磁场。当磁芯天线连接于控制器310的接收器电路部分时，受该电磁场激励的、在询问区的标识产生足够的检测用响应信号。
在发射脉冲串之后的短时延迟之后，当开关控制器324指令开关S1打开时，纳米晶体磁芯天线连接于接收器电路322。开关控制器324有效地切换磁芯天线为发射和接收模式。在发射脉冲时，经由电容器CDEC和电阻器RDEC和输入保护电路334形成的脱开网络，接收器电路322在节点330处与天线负载隔离。在发射脉冲之后，有足够的延迟，使发射器电路318的能量完全消失。然后，开关控制器324通过打开开关S1而与天线脱开发射器放大器312。以这种脉冲模式交替地连续进行发射和接收模式。
在图4中示出了符合本发明的纳米晶体磁芯天线400的透视图。磁芯天线400可以用作图1和2的系统的收发器天线，发射器天线，或接收器天线。纳米晶体磁芯天线400包括具有线圈绕组406的磁芯组件404。线圈绕组406可以联结于传输线和控制器，如前所述。本领域的技术人员应当认识到符合本发明的磁芯天线的尺寸可以根据应用和性能需求而变化。在示例性实施例中，磁芯可以具有20至80cm的长度，且可以具有0.02至1cm2的截面积。
图5是沿图4的线5-5作出的磁芯组件404的局部剖面图。在所示的示例性实施例中，磁芯组件404通常包括与适当的绝缘涂层510层叠在一起的纳米晶体材料形成的层叠带508。绝缘涂层510使每一带508与相邻的带电隔离，从而降低涡流损失。
本领域的技术人员应当认识到，纳米晶体材料开始于通过快速凝固技术达到的非晶状态。在铸造之后，而材料仍然非常柔韧时，可以在所述材料上施加适当的涂层，比如SiO2。在退火之后这种涂层保持有效，避免层叠的磁芯中的涡流。所述材料可以切割成所需的形状和体积，退火后形成纳米晶体状态。所形成的纳米晶体材料表现出优良的高频性能，其特征在于为纳米范围内的构成晶粒尺寸。在此所使用的术语“纳米晶体材料”指的是包括有最大尺寸小于或等于40nm的晶粒的材料。某些材料的最大尺寸在约10nm至40nm的范围内。
在符合本发明的纳米晶体磁芯天线中使用的示例性纳米晶体材料包括合金，比如FeCuNbSiB，FeZrNbCu和FeCoZrBCu。这些合金可以分别以FINEMET，NANOPERM和HITPERM的名称在市场上购买。绝缘材料510可以是任何适当的材料，可以承受退火条件，因为优选为在退火之前涂敷所述材料。环氧树脂可以用于在材料退火之后粘结层叠的叠层。这也为磁芯组件提供了机械刚性，从而防止机械变形或断裂。或者，纳米晶体叠层可以放在刚性塑料壳体内。
图6A和6B是符合本发明的另一示例性纳米晶体磁芯天线600的透视图。如图所示，磁芯天线600包括纳米晶体磁芯组件602，具有初级谐振线圈绕组604和次级非谐振线圈绕组606。电容器608，尤其是在图6B中示出，连接于初级绕组604，用于调谐初级绕组的谐振频率。
在一个磁芯602上设置多个绕组604，606可以使磁芯以一个频率发射，以另一个频率接收，只要提供足够的频率分隔。使用两个以不同频率工作的绕组，比如58kHz和13.56MHz，也可以使一个天线以任一频率作为发射器和/或接收器，而使天线组件可以插入以任一频率工作的系统中，而不进行特别调谐。此外，可以使用多个绕组，使发射器绕组调谐为13.56MHz，接收器绕组调谐为6.78MHz(半频)，以有利于使用分频方案工作。
参照图7，提供了如图4所示使用FINEMET磁芯构成的符合本发明的示例性纳米晶体磁芯天线的BH曲线700。示例性纳米晶体磁芯天线为60cm长，0.5cm宽，0.5cm高，且在1KHz下工作。通常，该曲线包括在低于饱和磁场(在约+/-170A/m之间的H磁场)的线性区域和在饱和状态(在约+/-250A/m上方和下方的H磁场)的平台区域。线性区域的斜率决定磁导率。通常，当用作接收器天线时，较高的磁导率形成更灵敏的天线。
图8是针对显示出图7的BH曲线的同一示例性60cm×0.5cm×0.5cm的纳米晶体磁芯天线，在频率1kHz下相对磁导率对以A/m为单位的H磁场的曲线800。如所示，在0和约100A/m之间的H磁场中，相对磁导率约5000或更高。磁导率相对地线性下降，直到约250A/m时饱和，在此开始进一步下降。当然，随着天线工作频率的增加，磁导率下降。然而，与普通的磁芯天线结构相比，保持了较高的磁导率。例如，显示出图7的BH曲线和图8的磁导率特性的同一示例性60cm×0.5cm×0.5cm的纳米晶体磁芯天线，在8.2至13.56MHz的频率下工作，显示出最小的相对磁导率300。由于纳米晶体材料的较高磁导率和饱和度，例如在图7和8中所示，与普通的磁芯天线结构相比，用作接收器天线的纳米晶体磁芯天线显示出增强的检测性能。
图9A-9C是分别示出了侧向、水平方向和竖直方向的EAS标识的检测范围的检测性能曲线900，902，904，结合符合本发明的轴向布置的一对纳米晶体磁芯天线。两个纳米晶体磁芯天线为60cm长，0.5cm宽，0.5cm厚，且在58kHz下的检测结构。在图9A-9C中曲线的尺寸对应于测试区域的高度和宽度尺寸。每个图中的阴影区域示出了EAS标识的检测。非阴影区域是EAS标识没有检测到的区域。如图所示，示例性天线结构显示出在从0cm至150cm的大高度范围上在0cm至90cm之间的检测范围。此外，检测速率，也称为拾取速率，在侧向上为93.1％。水平方向的拾取速率为79.3％，竖直方向上的拾取率为95.6％。显示出的检测范围和拾取速率可与那些晶态磁芯天线有利地相比。
这样提供了一种用于EAS和RFID系统的纳米晶体磁芯天线。纳米晶体天线由纳米晶体材料构成，在RF频率下显示出优良的性能特点。与普通的天线结构相比，天线的性能导致EAS和RFID系统的检测范围改善。
然而，已经描述的实施例仅是利用本发明的一些方案，且在此示例性地公开，而非限制性的。对于本领域的技术人员来说，显然可以作出其他实施例，而没有从实质上脱离如所附权利要求限定的本发明的主旨和范围。
权利要求
1.一种EAS或RFID系统，包含天线，该天线包含磁芯和至少一个位于所述磁芯的至少一部分周围的线圈绕组，所述磁芯包含纳米晶体磁性材料；以及控制器，该控制器连接于所述至少一个线圈绕组，从而为所述绕组提供激励信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述磁芯包含层叠的磁芯组件，该组件包含多个纳米晶体磁性带。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述多个纳米晶体磁性带层叠而形成基本上细长的、固态的矩形层叠磁芯组件。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述层叠的磁芯组件包含位于每个所述纳米晶体磁性带之间的绝缘材料。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于当所述激励信号具有1kHz的频率时，对于约0A/m至约100A/m的相关H磁场值，所述磁芯的相对磁导率大于5000。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于当所述激励信号具有13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于当所述激励信号具有8.2MHz至13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述磁芯具有20至80cm的长度，和0.02至1cm2的截面积。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于当所述激励信号具有1kHz的频率时，对于约0A/m至约100A/m的相关H磁场值，所述磁芯的相对磁导率大于5000。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于当所述激励信号具有13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于当所述激励信号具有8.2MHz至13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包含传输线，该传输线具有联结于所述控制器的一端、和联结于所述绕组的另一端。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述传输线具有第一阻抗级，在所述控制器中的信号发生器具有第二阻抗级，其中所述第一阻抗级和所述第二阻抗级基本上相等。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述系统包含多个所述线圈绕组。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述线圈绕组中的第一个电感性地耦合于所述线圈绕组中的第二个。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述线圈绕组中的第一和第二个用于在不同的相关频率下工作。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述第一线圈绕组被构造成用于以第一频率发射，所述第二线圈绕组被构造成用于以不同于所述第一频率的第二频率接收来自EAS或RFID标识的响应。
18.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述天线被构造成收发器天线，以便产生所述电磁场并检测在所述电磁场内的标识，其中所述控制器包含被构造成用于提供所述激励信号的发射器驱动电路；被构造成用于接收来自所述标识的所述特征响应信号的接收器电路，被构造成用于在所述发射器驱动电路和所述接收器电路之间切换线圈的所述第一线圈绕组的开关。
19.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述激励信号具有从9KHz至300MHz的频率。
20.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述纳米晶体磁性材料包含最大尺寸在从10nm至40nm的范围内的晶粒。
21.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeCuNbSiB的合金。
22.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeZrNbCu的合金。
23.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeCoZrBCu的合金。
24.一种用于EAS或RFID系统的天线，所述天线包含包含纳米晶体磁性材料的磁芯；以及位于所述磁芯的至少一部分周围的至少一个线圈绕组。
25.如权利要求24所述的天线，其特征在于所述磁芯包含层叠的磁芯组件，该组件包含多个纳米晶体磁性带。
26.如权利要求25所述的天线，其特征在于所述多个纳米晶体磁性带层叠而形成基本上细长的、固态的矩形层叠磁芯组件。
27.如权利要求25所述的天线，其特征在于所述层叠的磁芯组件包含位于每个所述纳米晶体磁性带之间的绝缘材料。
28.如权利要求24所述的天线，其特征在于当所述激励信号具有1kHz的频率时，对于约0A/m至约100A/m的相关H磁场值，所述磁芯的相对磁导率大于5000。
29.如权利要求24所述的天线，其特征在于当所述激励信号具有13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
30.如权利要求24所述的天线，其特征在于当所述激励信号具有8.2MHz至13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
31.如权利要求24所述的天线，其特征在于所述磁芯具有20至80cm的长度，和0.02至1cm2的截面积。
32.如权利要求31所述的天线，其特征在于当所述激励信号具有1kHz的频率时，对于约0A/m至约100A/m的相关H磁场值，所述磁芯的相对磁导率大于5000。
33.如权利要求31所述的天线，其特征在于当所述激励信号具有13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
34.如权利要求31所述的天线，其特征在于当所述激励信号具有8.2MHz至13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
35.如权利要求24所述的天线，其特征在于所述天线包含多个所述线圈绕组。
36.如权利要求35所述的天线，其特征在于所述线圈绕组中的第一个电感性地耦合于所述线圈绕组中的第二个。
37.如权利要求35所述的天线，其特征在于所述线圈绕组中的第一和第二个用于在不同的相关频率下工作。
38.如权利要求37所述的天线，其特征在于所述第一线圈绕组被构造成用于以第一频率发射，所述第二线圈绕组被构造成用于以不同于所述第一频率的第二频率接收来自EAS或RFID标识的响应。
39.如权利要求24所述的天线，其特征在于所述纳米晶体磁性材料包含最大尺寸在从10nm至40nm的范围内的晶粒。
40.如权利要求24所述的天线，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeCuNbSiB的合金。
41.如权利要求24所述的天线，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeZrNbCu的合金。
42.如权利要求24所述的天线，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeCoZrBCu的合金。
43.一种在EAS或RFID系统中建立询问区的方法，所述方法包含提供纳米晶体磁芯天线，该天线包含磁芯和至少一个位于所述磁芯的至少一部分周围的线圈绕组，所述磁芯包含纳米晶体磁性材料；用激励信号激励所述线圈绕组。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述磁芯包含层叠的磁芯组件，该组件包含多个纳米晶体磁性带。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于所述多个纳米晶体磁性带层叠而形成基本上细长的固态的矩形层叠磁芯组件。
46.如权利要求44所述的方法，其特征在于所述层叠的磁芯组件包含位于每个所述纳米晶体磁性带之间的绝缘材料。
47.如权利要求43所述的方法，其特征在于当所述激励信号具有1kHz的频率时，对于约0A/m至约100A/m的相关H磁场值，所述磁芯的相对磁导率大于5000。
48.如权利要求43所述的方法，其特征在于当所述激励信号具有13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
49.如权利要求43所述的方法，其特征在于当所述激励信号具有8.2MHz至13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
50.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述磁芯具有20至80cm的长度，和0.02至1cm2的截面积。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于当所述激励信号具有1kHz的频率时，对于约0A/m至约100A/m的相关H磁场值，所述磁芯的相对磁导率大于5000。
52.如权利要求50所述的方法，其特征在于当所述激励信号具有13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
53.如权利要求50所述的方法，其特征在于当所述激励信号具有8.2MHz至13.56MHz的频率时，所述磁芯的相对磁导率大于或等于300。
54.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述天线包含多个所述线圈绕组。
55.如权利要求54所述的方法，其特征在于所述线圈绕组中的第一个电感性地耦合于所述线圈绕组中的第二个。
56.如权利要求54所述的方法，其特征在于所述线圈绕组中的第一和第二个用于在不同的相关频率下工作。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于所述第一线圈绕组被构造成用于以第一频率发射，所述第二线圈绕组被构造成用于以不同于所述第一频率的第二频率接收来自EAS或RFID标识的响应。
58.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述激励信号具有在从9KHz至300MHz范围内的频率。
59.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述纳米晶体磁性材料包含最大尺寸在从10nm至40nm的范围内的晶粒。
60.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeCuNbSiB的合金。
61.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeZrNbCu的合金。
62.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述纳米晶体磁性材料是包含FeCoZrBCu的合金。
全文摘要
一种用于电子物品监视(EAS)和射频识别(RFID)系统的纳米晶体磁芯天线。该纳米晶体天线由纳米晶体材料构成，且与普通的天线结构相比，在EAS和RFID系统中显示出改进的检测范围。
文档编号H01Q7/00GK1638191SQ200410104618
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月22日 优先权日2003年12月22日
发明者理查德·L·库普兰德, 艾迪·H·凯茨 申请人:传感电子公司