RFID 天線與增強設備

傳統購物車如僅加上 RFID 模組會有功率洩漏及強度不均等問題發生，因此常 會造成誤判或漏判的情況發生，若使用者將商品放在智能車內角落處或是 RFID 天 線的死角處，RFID 將會無法讀取到商品，因此本團隊為改善此問題，自行設計 RFID 強化設備，其特殊超穎材料(Metamaterial)結構能使得智能車內部的電磁場分佈非 常均勻，因此無論使用者任意擺放商品在智能車內任意處，RFID 模組都能準確讀 取商品資訊。智能車上的 RFID 系統中採用了一支圓極化 RFID 天線以及超穎材料 腔體(Metamaterial cavity)[34] -[37]製成的 RFID 強化設備來做為商品讀取系統，以 下兩小節將分別介紹所使用之 RFID 天線與超穎材料並說明模擬結果。

3.2.8.1 圓極化 RFID 天線

一般而言，RFID 標籤均為線性極化天線，例如環形天線、雙極化天線等等，

因此，若在 RFID 模組端使用線性極化天線做為收發天線，可能會因為貼有 RFID 電子標籤的商品隨意擺放而造成極化與 RFID 模組收發天線不匹配，導致接收訊號 品質低落，使得商品讀取的誤判機率大幅增加，為了避免極化不匹配能量損失，我 們採用了圓極化天線作為 RFID 模組的收發天線，利用 Wilkinson 功率分配器與傳 輸線的長度差激發出天線兩個等振幅且相差 90 度的正交模態來產生圓極化特性。

RFID 天線實體如下圖 3.32 所示

圖 3. 32、RFID 天線實體

3.2.8.2 超穎材料之簡介、原理與量測結果

為了更符合實際購物商場的低成本訴求，本系統所使用的是被動式的 RFID 標 籤，能否順利讀取的關鍵在於 RFID 標籤所處的位置是否能接收到足夠強的訊號來 激發標籤輻射訊號回去，但是一般天線若直接放置於購物車內壁，會因為購物車本 體是由條狀金屬所構成，天線場型會受到影響產生零點，能量分布非常不均勻，或 因為天線輻射場型無法涵蓋某些區域型成死角，使得標籤的接收情況受到影響而 產生讀取錯誤的結果。學生利用 Ansys 公司的 HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟體來模擬購物車的柵欄結構與我們所設計的 RFID 天線，電磁能量分 佈模擬結果如下圖 3.33 所示，可以發現黑色圈起部分電磁能量在車體內右上、右 下與左下角落呈現藍色，能量較弱，若使用者將商品擺放在這些區域將會讀取不到，

導致購物車總價值的計算結果錯誤。

圖 3. 33、將 RFID 天線放入購物車的柵欄結構之電場強度模擬結果

因此在學生希望能在智能車上裝載一個特殊設計的腔體使得購物車內部的電 磁能量分佈更加均勻。若使用單純的金屬板當作腔體的內表面，當電磁波入射時會 因為金屬表面等效為短路負載，電磁波產生共振時腔體邊緣的電場強度會趨近於 零，此時將貼有 RFID 標籤的商品放在購物車內邊原處將無法順利讀取。因此我們 希望電磁波入射這個腔體內部表面時，在邊界上的入射波和反射波相位差能盡可 能接近零度，也就是腔體內部表面等效為開路負載，如此一來只要適當的設計腔體 大小，就能在電磁波產生共振時，腔體邊緣的電場強度為最大值，因此放在購物車 內邊緣或角落的商品也能順利被偵測到。

我們是利用電路的觀點，設計一個雙層金屬板的結構來等效為並連的電阻與 電容，實體如下圖 3.34，當系統操作在這組電阻與電容形成電路之的振盪頻率時，

輸入阻抗將會非常大，接近開路負載的特性，其中外層採用銅作為導體表面，等效 為短路負載，經過一段空氣介質層等效而成的傳輸線後，便能產生電感特性，最後 再利用內層由金屬銅構成的格狀陣列等效電容，如此一來電磁波入射時，腔體邊緣

圖 3. 34、雙層金屬板結構實體圖

圖 3. 35、雙層金屬板結構等效電路示意圖

最後我們選擇採用三個 RFID 強化表面與兩個導體面組成的類腔體結構搭載 於智能車上，如圖 3.36 所示。將圓極化 RFID 天線放入一般購物車與搭載我們所 設計的 RFID 強化設備後使用 HFSS 模擬，模擬結果如圖 3.37 所示，可以看出使 用增強表面形成的腔體，相較於一般未使用強化設備的購物車內部電場強度更強 且分佈更加均勻。

圖 3. 36、智能車之 RFID 強化表面腔體