CN101111852A - 利用参数反射技术的rfid系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过使用射频天线来编码和解码信息的系统和方法。所述系统包括一个或多个询问器设备和RFID数据标签。RFID数据标签包括多个天线元件，所述天线元件在衬底上或直接在物体上形成。天线元件被定向并具有用来提供偏振和相位信息的尺寸，该信息表示在RFID标签上所编码的信息。询问器设备扫描某个区域并且使用雷达成像技术来建立所扫描区域的图像。该设备接收从数据标签上的天线元件所重新辐射的RF信号，优选在图像上呈现所述数据标签。所重新辐射的RF信号优选包括每个天线元件的偏振和相位信息，其中使用雷达信号成像算法来利用该信息以解码RF数据标签上的信息。

Description

利用参数反射技术的RFID系统
相关申请的声明
本申请要求发明人Michael Gregory Pettus于2004年6月22日提交的序号60/581,384、名称为“Millimeter Wave RFID System UsingParametric Reflective Encoding”有共同所有者的美国临时专利申请的优先权益，将其内容通过引用并入此处以供参考。
技术领域
本发明总体上涉及射频识别(radio frequency identification，RFID)询问器(interrogator)和数据标签以及编码和解码方法的领域。
背景技术
在当前的技术开发和应用当中，存在很多现有技术用于实现用来识别货物、物体、车辆和人员的期望的功能。传统上条形码和磁性条作为短程装置已广为人知。近年来，在射频识别或RFID的通用领域中正在使用提高读取可靠性的技术。
RFID技术利用安置在物体上的标签收发器(tag transponder)以及读取器(在这里也被称作询问器)来读取并识别该标签。RFID技术大致分类成使用具有最长距离的“有源”标签和具有较短距离(典型情况下小于20英尺)的“无源标签”。产业界把有源标签归类为具有本地功率源(诸如电池)使得有源标签发送待由询问器读取的信号。产业界把无源标签归类为其功率来源于读取器的那种标签，因此所述无源标签当接收来自读取器的信号时重新发送或转发信息。
在这两类标签中，都存在通常情况下采用集成电路或硅芯片形式的电子电路，其中所述电路存储识别数据并将其传送到读取器。除芯片之外，标签还包括被电连接到芯片的某种形式的天线。有源标签包括根据该标签自己的电源与读取器通信的天线。对于无源标签来说，天线充当用于把源于读取器的射频(RF)能量转换为电功率的换能器，借此芯片被赋能并且执行与所述读取器的通信功能。
考虑到有源和无源标签具有采用芯片形式的电子线路，所以用于每个标签的制造成本是很高的。不仅存在与芯片本身相关联的成本，而且还存在把所述芯片安置到标签上所要求的许多处理步骤。另外，现有标签还要求把天线机械且电连接到芯片的方法，这也增加了制造成本。
还应当注意，有源和无源RFID标签技术根本上是基于询问然后传送的操作序列。因此询问器读取标签具有时间量，所述时间量取决于在所述询问器和标签之间通信信道的RF带宽和数据速率。如果多个标签都在询问器的范围之内，那么询问器试图读取单个标签可能导致多个干扰传输。还应当注意，在这样所描述的RFID类型的系统中，没有直接方法来准确地定位并跟踪标签。上述技术只提供了识别方法。
因此需要一种无芯片的RFID系统和方法，可以在询问器和标签之间提供更大的距离、更低的标签制造成本以及彼此邻近的多个标签较少的总读取时间。还需要一种用于准确地定位并跟踪标签的系统。
发明内容
一种通过使用射频天线来编码并解码信息的系统和方法，包括一个或多个询问器设备和RFID数据标签。RFID数据标签包括多个天线元件，所述天线元件形成在衬底上或直接形成在物体上。天线元件被定向并具有用于提供偏振和相位信息的尺寸，所述偏振和相位信息用于表示在RFID标签上所编码的信息。询问器设备扫描某个区域并且使用雷达成像技术来创建所扫描区域的图像。所述设备利用在图像上所表示的数据标签来接收从所述数据标签上的天线元件所重新辐射的RF信号。所重新辐射的RF信号优选包括每个天线元件的偏振和相位信息，借此使用雷达信号成像算法来利用该信息以解码在RF数据标签上的信息。
附图说明
并入并构成该说明书一部分的附图图示了本发明的一个或多个实施例，并且连同具体实施方式一起用来解释本发明的原理和实现方式。其中
图1A图示了依照本发明的一个示例性实施例的用于行李识别的环境中的射频识别(RFID)系统。
图1B图示了具有本发明一个实施例的RFID标签的行李签。
图1C图示了依照本发明一个实施例的手持式RFID询问器。
图1D图示了依照本发明一个实施例的其上具有RFID标签的个人识别卡。
图1E图示了依照本发明一个实施例的其上具有多个RFID标签的容器。
图2图示了依照本发明一个实施例的RFID询问器的示意图。
图3A同时了依照本发明一个实施例的在RFID标签的衬底上的天线配置的示意图。
图3B图示了依照本发明一个实施例的RFID标签的侧视图。
图3C图示了依照本发明一个实施例的衬底上的另一RFID标签天线配置的示意图。
图4A图示了依照本发明一个实施例的在衬底上的另一RFID标签天线配置的示意图。
图4B图示了依照本发明一个实施例的在衬底上的另一RFID标签天线配置的示意图。
图5图示了依照本发明一个实施例的解码过程的框图。
图6图示了依照一个实施例的用于RFID标签的数据编码模式的示例性表。
图7图示了依照本发明一个实施例的示例性编码过程的流程图。
具体实施方式
这里在利用参数反射技术的RFID系统的范围内描述了本发明的实施例。本领域普通技术人员应当认识到本发明的以下详细描述仅仅是说明性的而并想以任何方式来进行限制。本发明的其它实施例对于受此公开启示的本领域技术人员来说是显而易见的。现在详细地参考如附图中所图示的本发明的实现方式。在整个附图及其后的具体实施方式使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
这里所描述的本发明优选利用非常低成本的RFID标签构造，并不要求半导体或芯片技术。本发明优选可以在多达100米的距离读取RFID标签，并且可以每秒读取并识别上千个RFID标签。另外，本发明优选可以提供准确的承载RFID标签的二维和/或三维位置。如果RFID标签位于移动物体上，那么可以通过本发明的询问器来计算速度和轨迹信息。本发明优选利用毫米波(millimeter wave)区域中的频率，使得可以检测在植物和非金属建筑材料之后的RFID标签。然而，可以推断本发明能利用在其它范围内的频率并且不局限于毫米波区域。
本发明可以降低操作费用，改进效率并且在工业、政府、国家安全、军队、医疗、教育、运输和消费方面起重要作用。本发明可以被用于各种各样的应用中，包括但不限于：库存识别；资产管理跟踪和集装箱定位；车辆访问控制(例如收费公路)；移动车辆识别；医疗识别和跟踪病人、药物、设备和人员识别，为安全目的跟踪和监视人员及设备；在机场识别行李和包裹；用于定位丢失的对象(例如钥匙、文件、高尔夫球、衣服物品)的系统。
图1A图示了依照本发明一个示例性实施例的RFID系统。如图1A所示，RFID系统10包括也被认为是读取器的一个或多个询问器100以及一个或多个RFID标签200。在图1A中所示出的系统描绘了通常在机场的行李领取处中所看见的传送带97，借此在传送带97上递送各个手提箱98和包裹99。如图1A所示，包裹99包括其上印刷或粘贴的一个或多个RFID标签200，而手提箱98均包括附属物96，所述附属物96其上包括RFID标签200。图1B、1D和1E图示了在手提箱和包裹上的RFID标签200的例子。
询问器100在图1A中被视为独立的单元，当物品98、99在传送带97上移动时，所述询问器定位、识别并可选地跟踪每个标签200。在另一实施例中，询问器采用手持式部件101的形式，如图1C所示。应当注意，本发明的RFID系统可在大量应用和环境中操作，下面描述其中的一些，并且决不限于这里所示出并描述的例子。
本系统10优选在雷达成像(radar imaging)的领域内利用数学集中算法(mathematical focus algorithms)以解码并识别RFID标签。由系统10所使用的数学集中算法类型取决于应用。例如图1所示，本系统10可以使用逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar，ISAR)算法来识别在传送带97上的移动标签200(在合成孔径雷达术语(SAR)中称为“移动目标”)，所述传送带97上有多个行李物品98、99，因此要相对于一个或多个询问器100在平移方向上物理移动所述行李物品。应当注意，在图1A中所示出的应用中可以使用其它数学集中算法并且不局限于SAR。在一个实施例中，询问器100可以沿着传送带97被固定并安置在不同的位置上。询问器100优选相对于传送带97的运动方向垂直且平行地定位。
图2图示了依照本发明一个实施例的RFID询问器的示意图。应当注意，在图2中所示出的询问器100中的组件是优选的，并且询问器100还可以包括未示出的其它组件。如图2所示，询问器100优选包括天线结构102、偏振和相位发送控制块110、射频发送器112、数字信号处理器(DSP)114、控制处理器116、射频接收器118以及偏振和相位接收控制块120。尽管未示出，询问器包括内部和/或外部电源，用于提供必要的功率以便在所指定的距离内定位并识别RFID标签200。优选地是，询问器100的天线结构102被耦合到发送和接收控制块110和120。发送控制块110优选被耦合到射频发送器112，它们优选都被耦合到控制处理器116。接收控制块120优选被耦合到射频接收器118，它们优选也都被耦合到控制处理器116。射频发送器112和接收器118优选被耦合到DSP 114，因此DSP 114被耦合到控制处理器116。
控制处理器116优选使询问器100的各组件同步以确保所述询问器100的有效操作。在一个实施例中，控制处理器116经由硬接线或无线通信技术(例如以太网[诸如Power Over Ethernet，POE]、蓝牙、红外、RF无线局域网)耦合到有线或无线网络。在一个实施例中，询问器100包括集成的显示器或用户控制124，诸如在手持式部件(图1C)中，因此所述显示器124被耦合到控制处理器116。在一个实施例中，询问器100被耦合到外部显示器或用户控制124，诸如在网络计算机上。
在一个实施例中，多个询问器100被联网以相互通信并且是彼此同步的RF相位，使得可以把在共同扫描区域的独立透视图上的信息分析成聚集图像。可以考虑多个询问器100中的一个或多个可以同时或不同时发送RF信号。还可以考虑一个或多个询问器100可以从RFID标签200同时或不同时接收所反射的信号。这些协作信号处理的方法为多个图像透视图提供了基础并且由此可以根据不同的透视图创建用于示出标签200位置的扫描区域的图像。
在优选实施例中，询问设备100利用天线结构102发送和接收RF电磁辐射信号，如图2所示。特别是，天线结构优选包括发送天线阵列102A和接收天线阵列102B，这些天线阵列在天线结构102的单独部分中示出。在图2所示出的实施例中，发送天线阵列102A位于结构102的顶部中，而接收天线阵列102B位于底部中。可以考虑，各个发送和接收天线102A、102B也可以在天线结构102的表面从上到下地交替布置。在另一实施例中，一组天线提供发送和接收功能。在图2所示出的实施例中，天线结构102被示为具有基本上平的平面表面(二维)。在另一实施例中，天线结构102可具有非平面的配置(例如圆锥、球状、成角度的)，借此在三维空间中布置阵列中的各个天线。
通常，询问器100利用一个或多个无线电探测和测距(radiodetection and ranging，RADAR)技术来识别在所扫描区域上的标签。询问器100的发送阵列102A按所期望的频率向大区域发送电磁辐射。优选，根据使用系统10的不同应用，频率范围在30GHz和300GHz之间。然而，也可以考虑在此范围之外的其它频率。在所扫描区域中的RFID标签200处接收电磁辐射，借此所述RFID标签200的天线结构按所期望的频率谐振并且把电磁信号重新辐射到询问器100。询问器100采样并存储从RFID标签所接收的信号，以及从所扫描区域中的所有对象所反射的电磁辐射，并且在存储器系统中构建信号相位历史。通过数学相干相位分析，询问器100优选使用通用的合成孔径雷达(SAR)信号处理算法来处理相位历史和偏振采样，不过也可以考虑其它的处理算法。然后询问器100能够根据相位历史采样和相关联的偏振数据来产生所扫描区域的图像，以此来识别在该区域的RFID标签200。换句话说，询问器100能够使用RADAR技术来“浏览”所扫描区域并“观察”RFID标签，并且按照其天线结构的方向和尺寸把所述标签200与其它对象和RFID标签200相区分。
本发明的RFID系统10优选在毫米波范围中利用偏振和相位信息来检测并识别标签200。如图2所示，询问器100的天线结构102在发送和接收部分102A、102B中包括几个垂直布置的天线106以及几个水平布置的天线108。各个天线106、108利用不同的RF偏振模式来独立地发送和接收信号。例如，天线结构102可以利用垂直偏振(V)以及水平偏振(H)来发送RF信号。这优选通过对垂直偏振的信号V激励垂直定向的天线106和对水平偏振的信号H激励水平定向的天线108来执行。
对于图2中的天线结构102来说，询问器100可以利用一个偏振模式来发送信号，同时可以控制接收部分102B中的天线来接收另一偏振模式的信号。例如只有询问器100可以发送垂直偏振的信号V并且同时接收水平偏振的信号H。
另外，询问器100可以控制垂直和水平天线以便发送和接收附加偏振参数。询问器100可以利用适当的相位差来激励垂直定向的天线106并且同时激励水平定向的天线108以便产生逆时针循环(left-handcircular，LC)或顺时针循环(right-hand circular，RC)的偏振信号。在本系统10中优选实现垂直、水平、逆时针循环和顺时针循环(V，H，LC，RC)的独立发送和接收偏振的任意组合。这使本系统10能够利用偏振差异以及多样性使得询问器100可以存储利用不同的发送和接收偏振参数所创建的接收信号，如下面更详细地论述。
询问器100在与RFID标签上的谐振天线元件的频率范围兼容的频率范围内产生并接收射频信号。通过由DSP处理器114所产生的调制信号，及时调制发送信号的频率。DSP处理器向射频发送器112提供调制信号，借此射频发送器112优选创建调频等幅波(frequencymodulated continuous wave，FMCW)信号。如本领域中已知，可以使用FMCW信号来确定在询问器100和RFID标签200之间的距离(z轴)。特别，通过转换在接收器阵列天线102B所接收的信号并且测量拍频的内容，测量发送器阵列天线102A的扫描速率和扫描带宽并且在基带中创建所述拍频。
如图2所示，射频发送器112向发送偏振和相位控制块110发送FMCW信号，借此块110把所述FMCW信号调节到所想要的偏振和/或相位。偏振和相位块110向发送阵列天线102A输出所调节的偏振和相位信号。然后所述信号被发送阵列天线102A转换为电磁辐射。根据所调节的信号，发送阵列天线102A可以沿着波束扫描图形发送垂直(V)、水平(H)、顺时针循环(RC)或逆时针循环(LC)偏振的电磁辐射。
发送阵列天线102A能够在径向、平移、水平(x)和/或垂直(y)方向上直接辐射由一个或多个图形126所指示的电磁辐射。询问器100优选利用在雷达成像中所使用的数学集中方法来结合波束扫描方法形成合成孔径，以询问用于各RFID标签200的大物理区域。可以利用在本领域中已知的波束扫描方法来扫描物理区域。在一个实施例中，询问器100结合天线的机械移动来径向扫描和/或转换波束以扫描区域。在另一实施例中，询问器100结合相控阵列波束形成和控制来扫描区域。在一个实施例中，发送阵列天线102A连续地发送电磁辐射信号，同时接收阵列天线102B连续地接收所重新辐射的电磁辐射。
在另一实施例中，发送阵列天线102A按脉冲发送电磁辐射，而接收阵列天线102B在各脉冲之间从发送阵列102A接收所反射的电磁辐射。询问器可以利用准确的电子计时时钟信号来测量要发送并且从RFID标签200接收回的信号所花费的时间量。知道所发送脉冲的传播速度乘以所测量的发送脉冲和接收脉冲的时间差就能够计算标签100的距离。可以使用结合空间扫描数据(x，y)所使用的计算距离(z轴)提供标签200的三维空间位置信息。应当注意，以上只是示例性实施例，并且本发明可以利用任何其它适当的方法来准确地发送和接收RF信号。
在一个实施例中，在询问器100和各个RFID标签200之间的操作距离范围取决于任意障碍物的环境和性质，可以多达几百英尺。在以毫米波频率发送和接收电磁辐射的应用中，扫描区域中的各种材料可能会吸收RF能量。例如，在使用本系统的应用中，可能希望穿过纸和纸板包裹材料来查询标签200，借此减少在询问器100和纸/纸板包裹材料之间的距离以便适应衰减。考虑到本系统10可以被用于任何可想到的RFID应用中，本系统10可以被配置为根据应用来确定所想要波束图形的大小、RF传输的功率以及所使用的聚焦方法类型。
由询问器100所使用的功率取决于所述询问器100与RFID标签200之间的距离范围以及系统10操作的频率范围及其它因素。在一个实施例中，询问器100以10mW的发送功率供电并且对于每个天线阵列102A和102B具有30dBi的天线增益，借此询问器100在数字信号处理之后对于每个RFID标签天线元件发展了10dB的信号电平裕度(signal level margin)。较大的RFID标签200会在较长的距离范围反射信号。然而这只是一个例子，并且本发明的询问器和/或RFID标签不局限于这些值。由本发明的询问器所利用的功率取决于具体应用并且参考频谱规则所述询问器是被许可或未被许可的设备或者所述询问器是否在军事应用中利用。发送功率等级可以在几微瓦到100mW之间。可以考虑其它的功率值，并且决不限于这里所提供的值。
询问器100优选在独立于发送阵列天线102A的接收阵列天线102B接收所反射的电磁辐射。从至少一个RFID标签200反射由询问器100所接收的图形128所表明的电磁辐射。如图2所示，当天线阵列102B接收所反射的电磁辐射时，所述信号被天线阵列102B转换为射频信号。所接收的射频信号被传递到接收偏振和相位控制块120。偏振和相位控制块120与接收天线阵列102B具有接口，用以创建所接收的信号所想要的偏振和相位响应并且向射频接收器118输出信号，如图2所示。射频接收器118把所接收的信号转换为基带信号，这样所述基带信号被提供到DSP处理器114。然后DSP处理器114优选使用雷达图像信号处理算法来处理所接收的基带信号以便分析所述基带信号。这种算法来自但不局限于在合成孔径雷达(SAR)、逆合成孔径雷达(ISAR)、干涉测量SAR(InSAR)、极化SAR(POLSAR)、极化干涉测量SAR(POLENSAR)中所利用的算法计算以及在接合时间频率分析(joint time frequency analysis，JTFA)应用中所使用的算法。应当注意，可以考虑其它的雷达信号图像数据处理方法也可以用于本系统中。取决于其中使用本系统10的应用，应用这些类型图像处理方法中的一个或多个形成了扫描区域的唯一图像。在一个实施例中，RFID标签上的单个天线可以被表示为单个像素，借此在显示屏上提供RFID标签200以及其代表性信息的光学视图以便识别并跟踪特定的标签200。为了更好地理解怎样分析数据，首先论述RFID标签200的天线元件。
图3-4图示了本发明的RFID标签200的不同实施例。图3A和3B图示了依照本发明的RFID标签200的一个实施例。如图3A所示，标签200包括衬底层202，其上具有一个或多个导电天线元件204、206、208、210、212、214、216、218。为简洁起见，相对于图3A所示出的天线元件总体上用附图标记204来指代，而在需要的情况下利用它们各自的附图标记206、208、210、212、214、216、218来描述所述天线元件。应当注意，天线元件204的相对大小、数目和位置在图3A中是作为非限制性例子示出的，而并不是局限于此。还应当注意，天线元件204相对于彼此或相对于衬底层202被大大地夸张而并未按比例绘制。尽管本说明书论述了几种不同的标签配置，然而即便只论述了一个标签附图标记，任何标签配置也是适用的。
在一个实施例中，衬底层202被安置在可选导电接地面203上或与其集成。接地面203可以增加辐射效率以及允许更大地控制天线元件谐振、幅度响应、相位响应和偏振响应反射参数。然而，不使用接地面203的操作在许多应用中会提供足够的响应，所述应用包括但不局限于把天线元件直接印刷在封装容器99上(图1E)或直接把天线结构嵌入到制造产品中。
天线元件204在图3A中被示为具有各种长和宽尺寸，因此优选在天线偶极子的末端测量所述宽尺寸。优选，长度尺寸数量级为1/2波长，λ/2。优选，天线元件的宽度尺寸数量级为λ/10。作为一个例子，在60GHz的频率，λ/2天线元件的尺寸在自由空间中被近似为2.50mm。优选天线元件204、206、208、210、212、214、216、218彼此相隔至少λ/2来布置。然而预计可按彼此相隔小于λ/2来分隔各天线元件。
衬底层材料202按方程式(1)来实现减少与表面导电元件相关联的波长的实际大小。
λ g = λ / ϵ r - - - ( 1 )
如方程式1所示，λg是物理波长(引导长度)，λ是自由空间波长并且εr是衬底层202材料的相对电容率或介电常数。例如，如果衬底层202的材料具有介电常数2.0，那么依照方程式(1)，在60GHz频率时表面上导电元件的物理波长(λg)可能会是3.54mm，并且沿着所述天线元件的长度尺寸，λg/2元件206可能会是1.77mm。衬底层202的厚度尺寸优选数量级为λ/10到λ/50，但考虑其它尺寸也是可以的。
标签200的天线元件204、206、208、210、212、214、216、218对从询问器100所发送的入射电磁辐射作出响应。特别，如果入射电磁辐射的频率与天线元件204的波长特性相符合，那么所述天线元件204会谐振并把所述入射电磁辐射转换为电信号。当被激励时，由天线元件204所生成的电信号会流过天线元件204的导电结构以及与其耦合的任何终端传输线路或电阻抗。
假定与天线元件本身的终端阻抗相比，天线元件204被直接端接到低电阻抗中，那么所述天线元件204会立即把电信号转换为电磁辐射，所述电磁辐射然后从天线元件204被重新辐射(也被认为是反射)以便由询问器100接收。然而，所反射的辐射具有诸如幅度、相位和偏振之类的参数和特性，询问器100使用这些内容来识别每个特定的天线元件204，这些内容的集合体使得所述询问器100识别RFID标签200以及与所述标签200相关的任何信息。这些参数由用于生成反射的天线元件204的物理特性来控制。
如图3A中的实施例所示，天线元件204、206、208、210、212、214、216、218具有各种尺寸长度和旋转方向。天线元件204、206、208、210、212、214、216、218的尺寸长度和方向分别控制它们的特定相位和偏振响应，以及使得所述天线元件204、206、208、210、212、214、216、218可提供询问器100所需要的用来识别所述天线元件的信息。在图3A中标签200的左上角中的天线元件204优选充当参考天线元件，借此相对于所述参考天线元件204来确定天线元件206、208、210、212、214、216、218的方向以及偏振特性。这使得标签200的整个旋转方向(进而贴有标签200的对象的转动方向)与读取天线元件无关。换句话说，询问器100将能借助于其天线元件204、206、208、210、212、214、216、218来有效地识别标签200而不管所述标签200是正面朝上还是被倒过来。应当注意，可以在标签200或贴有所述标签200的对象上的任何地方定位参考天线元件204，并且不局限于左上角。应当注意，在不脱离本发明范围的情况下每个标签200可以有一个以上的参考天线元件。
如图3A所示，天线元件204被示为具有方向0°并且被垂直地偏振(V)。图3A中的邻近天线元件206被示为具有方向90°并且被水平地偏振(H)。天线元件208和2 10被示为处于45°和135°(θ)并且按它们各自的角度被偏振。类似地，天线元件212和214被示为垂直地偏振(V)，而天线元件216被示为水平地偏振(H)。天线元件218被示为按45°偏振。应当注意，所示出并描述的特定旋转方向只用于示例性目的并且不应当只限于那些所描述的角度。很明显，在本发明的范围内可以考虑任何角度以及偏振特性。
只为了示例性目的，天线结构204、206、208和210具有相同的长度尺寸进而重新辐射要处于相同相位的RF信号。图3A中的天线元件212、214、216和218被示为具有不同的长度尺寸。尽管天线元件212和214像天线元件204那样被垂直地偏振(0°)，然而元件212和214彼此以及元件206具有不同的长度尺寸使得元件212和214具有不同的相位响应特性。从而天线元件212和214彼此以及与天线元件204响应并反射电磁辐射的不同相位。天线元件216像天线元件206那样在90°被水平地偏振，然而由于长度尺寸中的差异，天线元件216与元件206相比会作出响应并反射不同的相位。相同的原理适用于天线元件218。
图3C图示了依照本发明的RFID标签300的另一实施例。如图3C所示，天线元件304、306、308、310、312、314、316、318被示为矩形或正方形导电材料条。构造天线元件沿着长度和宽度尺寸数量级为λg/2，其中所述宽度尺寸要使得矩形天线元件对谐振频率作出响应。优选各天线元件彼此相隔至少一个λ/2来安置。如同图3A中的RFID标签200一样，天线元件的物理尺寸和方向要改变以控制各个天线元件的相位和偏振反射参数。
图4A图示了依照本发明的RFID标签400的另一实施例。如图4A所示，天线元件404、406、408、410、412、414、416、418具有相同的长度和宽度尺寸。在另一实施例中，天线元件404、406、408、410、412、414、416、418中的一个或多个彼此具有不同的长度和宽度尺寸。尽管在图4A中在衬底402上示出了八个天线元件404、406、408、410、412、414、416、418，但应当注意，可以考虑任意数目的天线元件，包括只有一个。为简洁起见，相对于图4A所示出的天线元件总体上用附图标记404指代，而在必要时利用它们各自的附图标记404、406、408、410、412、414、416、418来描述所述天线元件。
在图4A中所示出的每个天线元件包括从其延伸的传输线路。特别，天线元件404包括传输线路元件420，而天线元件406包括传输线路元件422等。如图4A所示，传输线路元件420、422、424、426、428、430、432和434彼此之间相对在长度和位置上改变，借此传输线路元件的长度和位置控制相位和偏振参数，天线元件以所述相位和偏振参数对入射电磁辐射作出响应。图4A中的每个天线元件404的传输线路元件包括第一传输线路420A和第二传输线路420B，借此所述第一传输线路420A从天线元件404垂直伸出。第二传输线路420B以直角从第一传输线路420A伸出并且平行于天线元件404的侧面。
当接收入射电磁辐射时，传输线路元件420的位置和整个长度控制天线元件的偏振和相位响应。在图4A中，传输线路元件420的方向是0°并且被称作垂直偏振(V)。传输线路元件422的方向是90°并且被称作水平偏振(H)。对于天线元件408和410来说，传输线路元件424和426的方向分别是135°和45°。
如所述的，当接收入射电磁辐射时，传输线路元件420的整个长度也控制相位参数的响应。如图4A所示，传输线路元件420比传输线路元件428具有更大的长度尺寸，但是比传输线路元件430具有更小的长度尺寸。整个长度尺寸中的差异使天线元件404、412和414以不同的相位反射入射电磁辐射。其它天线元件406、408、410、416和418具有传输线路元件的各个长度尺寸和方向，所述长度尺寸和方向分别影响相位和偏振反射参数。
图4B图示了RFID标签500的另一实施例，所述RFID标签500优选包括天线元件506、508、510、512、514、516、518和520。如图4B所示，天线元件均包括一个或多个传输线路元件，借此所述传输线路元件彼此之间相对在长度、位置和数目方面改变。天线元件508、510、512、516、518和520类似于在图4A中所论述的天线元件并且不再论述。然而，天线元件504和512均分别包括两组传输线路元件520和522。
在图4B中所示出的天线元件504和512被循环偏振，而所示出的其余天线元件被线性偏振。例如在天线元件504中，传输线路元件520被定向并被示为在长度尺寸方面大于传输线路元件522。该方向和较大的长度尺寸优选使传输线路元件520具有π/2弧度的相位延迟，其大于其它传输线路元件522的相位延迟。此相位延迟差在天线元件504的邻近侧产生正交相位条件，用于创建循环偏振参数(例如LC，RC)。特别地是，按照正方形接线天线的哪一侧超前或滞后正交弧度(π/2弧度)来确定循环偏振的方向(顺时针方向或逆时针方向)。例如，天线元件512的传输线路元件524在图4B中被示为比传输线路元件526具有更大的长度尺寸。在传输线路元件524和526之间的此长度尺寸差异在天线元件512的邻近侧上产生了正交相位条件，这与天线元件504相比，在循环偏振方向上是相对的。如下所论述，这些双调谐的天线元件504、512使得元件504、512提供采用电磁辐射的循环偏振形式的附加信息。
对于上述天线结构中的一个或多个来说，所述结构优选由导电墨(conductive ink)制成，所述导电墨可以被印刷在衬底或其它表面上。可以从激光、喷墨或商用打印机来非常经济地生成天线结构进而生成RFID标签。还可以使用制造RFID标签的其它常规方法来印刷天线结构。在另一实施例中，可以使用任何其它适当的方法来蚀刻、淀积或施加天线结构。
图5图示了一个示例性方法的流程图，其中询问器100的DSP处理器114处理并分析所接收的信号来解码并识别并获取来自RFID标签200的信息。如上面相对于图2所述，发送偏振和相位控制块110结合发送阵列天线102A和DSP处理器114产生并发送具有按时间顺序的偏振参数的入射电磁辐射。电磁辐射的偏振可以是垂直V、水平H、顺时针循环RC或逆时针循环LC的。一旦入射电磁辐射谐振RFID标签的天线结构(图3-4)，标签200就反射随后在询问器100的接收阵列天线102B所接收的辐射。接收偏振和相位控制块120(图2)结合DSP处理器114产生对某些反射的电磁辐射更灵敏的预定天线结构。预定的偏振配置被排序并存储，使得询问器100能够把所接收的反射信号的偏振分集与所存储配置的偏振分集相比较以便帮助识别并解码标签200。
来自不同于RFID标签的物体的普通的背反射会由询问器100接收，并且与标签的天线元件相比较，具有随机的偏振和相位。从而，具有已知相位和偏振参数的天线在已知的相对位置上被印刷为编码图形以便建立先验参考返回信号。此技术提供了用于锁定标签200并且为询问器产生相位和偏振解码参考的有效方法。
通过控制如何发送和接收偏振辐射，与所发送和接收的辐射相关联的偏振结构控制如何依照时间标引(time-indexed)方式来存储所采样的接收信号信息。在一个实施例中，这样接收的信号信息依照时间排序并在存储器中索引。如图5所示，从射频接收器块118接收基带信号(图2)。在一个实施例中，依照模拟形式接收基带信号，借此把模拟信号转换为数字形式(步骤602)。所转换的数字信号优选由在给定时间的Vt-Vr、Ht-Hr、Ht-Vr、LCt-LCr、RCt-RCr、LCt-RCr、Vt-LCr、Vt-RCr、Ht-LCr和Ht-RCr的发送-接收偏振组合的时间序列组成。例如，偏振组合Vt-LCr表示对于特定时间当发送垂直偏振辐射和接收左循环偏振辐射时所接收的数据。时间标引偏振采样的每个偏振组合集优选被存储在被称为偏振存储图像方格的一个独立存储单元中，被示为604A-604J。应当注意，本发明不局限于这里所示出并描述的偏振组合，并且可以考虑所发送和接收的任意数目个各偏振辐射或其组合。
雷达图像信号处理在步骤606被应用于每个存储器方格，优选通过对所接收的数据执行傅立叶变换算法。对于每个采样来说，通过傅立叶所变换的数据由存储器中的两个数据单元来符号化，借此能够根据数据来计算每个采样的幅度和相位信息。通过为每个采样计算幅度和相位信息，可以确定在扫描区域中的任意数目个RFID标签200中每个天线元件的偏振和相位信息。
如图5所示，一旦使用傅立叶变换算法来处理数据，那么对所述数据执行合成孔径雷达计算以便计算所压缩的仰角(elevation)数据(y)采样608。如果需要的话，那么对仰角数据608执行相位校正计算，如610所示。然后优选再次使用傅立叶变换算法来处理校正的相位数据612以便计算所压缩的方位角(azimuth)数据(x)采样616。根据仰角608和方位角616数据采样，可以形成扫描区域的初步数字图像618，然后使用数据620A-620J的多个存储器方格来解码标签200和/或输出所述标签200和包含所述标签200的整个扫描区域的可视图像624。
通过产生数据620A-620J的多个存储器方格，本发明的系统能够关联并识别标签图形数据。例如，如果在给定时间，发送阵列天线102A被垂直极化V并且接收阵列天线102B也被垂直极化V，那么在该时期所获取的数据采样按可唯一识别的方式被存储在存储器位置中，通过时间来标引，被指定为Vt-Vr。如果发送器是H并且接收器是V，那么独立的存储器方格单元被使用并且被认为是Ht-Vr等。通过有效的数学置换，为分析发送和接收偏振的不同组合所必须的存储器方格组成为组Vt-Vr、Ht-Hr、Ht-Vr、LCt-LCr、RCt-RCr、LCt-RCr、Vt-LCr、Vt-RCr、Ht-LCr和Ht-RCr。通过在这些图像方格之间在数学上进行关联，可以推导出识别标签的偏振和相位。然后应用存储器方格间的数学相关以便导出加重图像内偏振内容的图像细节。然后能够对于每组时间标引偏振组合来形成唯一的图像。
在标签200周围的物体、墙壁或建筑准确SAR成像，在扫描区域中所表示物体的环境内的标签200的位置处理中也是有用的。在一个实施例中，可以结合GPS系统和图形绘图软件使用询问器来相对于地理坐标定位并跟踪RFID标签的位置。可以考虑在所绘制的图形显示器上表明RFID标签200以及一个或多个询问器的位置以供用户识别目标的位置。在一个实施例中，这通过系统10扫描边界区域来绘制询问器的位置来执行，所述边界区域诸如房间的墙壁。一旦建立边界周边，那么可以确定在所述周边内询问器的位置并且也可以确定标签200的方向。应当注意，既可以在诸如房间之类的固定环境中确定询问器100以及标签200的位置，也可以当询问器和/或标签200正在移动时确定询问器100以及标签200的位置。
如图5所示，对所识别的各个标签结构200执行优选利用雷达图像信号处理的数学集中计算以便推导出一个或多个给定标签天线结构200的频率和相位响应。在推导出偏振、频率和相位响应的时候，可以解码622在标签200上的信息。仅为了示例性目的，图6图示了用于示出示例性RFID标签天线结构代码解码模式的表。应当注意，在图6中所示出的表只考虑天线结构的偏振和相位特性来解码所述结构。为了示例性目的，相对于在图3A中所论述的RFID标签来解释图6中的表。然而应当注意，该表可以被用于任何其它天线结构并且不局限于在图3A中所示出的结构。
如图6所示，所述表提供了四级偏振代码和四级相位代码。从而建立该表使得根据从RFID标签200所接收的偏振和相位信息总共可以表示16种不同的组合或状态。在二进制数据术语中，代码的位大小由log216＝4来定义。因此，图6中的表就偏振和相位而言提供了4位代码的所有可能的组合。
如上所述，在一个实施例中，询问器100发送RF信号作为调制频率载波(例如FMCW)，它每秒在大频率范围内被扩展许多倍。考虑到可以通过改变标签天线结构的几何形状来调谐所述结构以便重新辐射不同波长的信号，可以按不同的、独立的频率来重复在图6的采样表中所表示的偏振和相位组合。这样，这就使得对于给定天线结构可编码和解码更多的位。频率分隔度会取决于天线结构、导电性和衬底介电损失，它们都会影响谐振锐度(即Q系数)。例如，如果使用四个频率“bin”来分析每个bin中单独的4位偏振和相位数据，那么总共4×16或64个全部组合是可行的。由于log264＝6，从而对每个使用4个bin的频率分隔天线结构产生6位代码。
在一个实施例中，本发明的系统可以在期望每个天线结构的较大量位编码的应用中容纳更高密度的代码，由此使得每个标签区域产生更多的编码数据。作为可以被编码到给定标签区域中的数据位数的非限制性例子，一平方英寸标签可以容纳近似25个单个λ/2的微带接线天线，所述天线相互间隔1个波长(λ)，或者在60GHz的频率下间隔5mm。使用6位编码模式，被编码到平方英寸区域中的总位数可能会是6×25＝150位。在92GHz(λ＝3.2mm)使用相同的编码模式，大约60个单个接线天线安装在一平方英寸内。从而，可以编码360位(6×60)。
图7图示了可以怎样编码天线元件的一个示例性方法。如图7所示，要编码的任何信息最初从字母数字字符被转换为数据编码格式(例如ASCII)(步骤700)。然后优选把数据字符转换为适当的相位和偏振值，其可以是标准的或专有的(步骤702)。之后，优选随后把每个字符的相位和偏振值转换为适当的天线结构(步骤704)。可以借助软件程序来执行此整个过程，所述软件程序随后向打印机发送信息(706)以便产生天线结构配置。如上所述，预计把参考天线元件置于所印刷的天线结构中。在一个实施例中，向所述数据应用纠错编码方法(例如奇偶校验编码、turbo编码)，所述数据将被最后编码到天线元件中。在一个实施例中，为了安全，利用加密/解密方法来编码并解码天线元件。这种方法包括但不局限于使用散列算法、数字签名，诸如MD2、MD4、MD5和/或SHA算法。在本发明的范围内还可以使用散列算法来增强信号随机性以用于检测强化。
虽然已经示出并描述了本发明的实施例和应用，然而对那些本领域内技术人员来说清楚的是：本公开的优点在于在不脱离这里发明原理的情况下可以进行与上述不同的许多改变。因此，除权利要求所述的精神之外，本发明不受任何限制。

Claims (41)

1.一种用于读取RF数据标签中所存储数据的方法，所述方法包括：
按预定偏振向扫描区域发送电磁辐射，其中，该区域中具有天线元件的RF数据标签重新辐射电磁辐射，所述天线元件具有偏振和相位参数；
接收所重新辐射的电磁辐射；
根据所接收的电磁辐射来确定所述天线元件的所述偏振和相位参数；并且
把所述偏振和相位参数转换成表示所述RF数据标签中编码信息的数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中的确定步骤进一步包括根据偏振和相位信息来计算仰角和方位角压缩数据以识别所述RF数据标签。
3.如权利要求1所述的方法，其中的确定步骤进一步包括对所接收的电磁辐射执行信号图像处理算法以计算偏振和相位特性。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括生成所述扫描区域的图像，在该扫描区域内发送和接收所述电磁辐射，其中，所述天线元件存在于所述图像中。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当RF标签移动时，接收RF数据标签所重新辐射的电磁辐射。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括改变所发送电磁辐射的频率。
7.如权利要求1所述的方法，其中从同步的多个独立发送和接收场点执行发送。
8.一种用于把信息编码为RF数据标签的方法，包括：
把待编码的信息转换为预定的位编码模式；
把所述位编码模式转换为相位特性和偏振特性中的至少一个；并且
生成具有所述相位和偏振特性中至少一个的天线元件。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括把所述天线元件印刷到衬底上。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述天线元件适合于当以预定频率接收入射电磁辐射时重新辐射具有至少一个相位和偏振特性的电磁辐射。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述天线元件具有与偏振和相位特性中至少一个相关联的方向和至少一个尺寸。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述天线元件是参考天线元件。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述天线元件适合于当接收入射RF信号时重新辐射RF信号，其中所重新辐射的RF信号能够被处理以解码在该RF数据标签中所编码的信息。
14.一种用于读取RF标签中所存储数据的方法，所述方法包括：
发送多个RF信号，其中该多个信号中的至少两个RF信号具有不同的偏振特性；
从具有天线元件的RF数据标签接收多个重新辐射的RF信号，所述天线元件具有偏振和相位信息，其中每个重新辐射的RF信号与相应发送的RF信号相关联并且包括所述天线元件的偏振信息；
对每个重新辐射的RF信号的偏振信息做比较，以识别所述天线元件；并且
把所识别的天线元件的偏振和相位信息转换成表示所述天线元件中所编码信息的数据。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括存储每个接收的RF信号的偏振和相位信息。
16.如权利要求14所述的方法，其中的比较步骤进一步包括根据所述偏振和相位信息来计算仰角和方位角压缩数据，以识别所述RF数据标签。
17.如权利要求14所述的方法，进一步包括对所重新辐射的RF信号执行信号图像处理算法以确定所述偏振和相位信息。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括生成扫描区域的图像，在该扫描区域中发送和接收所述电磁辐射，其中所述天线元件存在于所述图像中。
19.如权利要求14所述的方法，其中沿径向运动和平移运动中的至少一个来执行发送。
20.如权利要求14所述的方法，其中从同步的多个独立的发送和接收场点执行发送。
21.一种RF数据标签识别系统，包括：
具有编码信息的RF数据标签，所述RF数据标签包括具有预定相位和偏振参数的天线元件；和
至少一个查询设备，用于发送电磁辐射并且接收从所述RF数据标签所重新辐射的电磁辐射，其中所述至少一个查询设备根据在所接收的重新辐射的电磁辐射中的至少一个偏振参数和至少一个相位参数来解码所编码的信息。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述天线元件具有与所述偏振和相位参数相关联的方向和至少一个尺寸。
23.如权利要求21所述的系统，其中所述RF数据标签进一步包括参考天线元件，其中所述参考天线元件与所述天线元件相分隔至少一个半波长。
24.如权利要求21所述的系统，其中所述至少一个查询设备和RF数据标签是移动的。
25.如权利要求21所述的系统，其中所述查询设备使用雷达图像信号处理算法根据所重新辐射的电磁辐射来确定所述偏振和相位参数。
26.如权利要求21所述的系统，进一步包括被耦合到查询设备的显示器，用于根据所发送和接收的电磁辐射来生成所扫描区域的图像，其中所述图像包括所述RF数据标签的位置和身份中的至少一个。
27.如权利要求21所述的系统，进一步包括彼此耦合的多个查询设备，其中所述多个设备中的至少一个查询设备向所述多个设备中的至少一个其它查询设备提供RF数据标签信息。
28.如权利要求27所述的系统，其中第一查询设备发送电磁辐射并且多个查询设备同时接收所重新辐射的电磁辐射。
29.如权利要求27所述的系统，其中第一查询设备发送电磁辐射并且多个查询设备依照所期望的顺序来接收所重新辐射的电磁辐射。
30.如权利要求27所述的系统，其中多个查询设备顺序地发送电磁辐射并且多个查询设备同时接收所重新辐射的电磁辐射。
31.如权利要求27所述的系统，其中多个查询设备依照第一顺序发送电磁辐射并且多个查询设备依照第二顺序接收所重新辐射的电磁辐射。
32.一种被编码来包含信息的RF数据标签，包括适合于接收入射电磁辐射的多个天线元件，所述天线元件各具有用于表示所编码信息的相位和偏振参数，其中至少一个天线元件重新辐射具有用于表示所编码信息的相位和偏振参数的电磁辐射。
33.如权利要求32所述的数据标签，其中用导电墨来印刷所述天线元件。
34.如权利要求32所述的数据标签，其中至少一个天线元件是具有已知相位和偏振参数的参考天线元件。
35.如权利要求32所述的数据标签，其中所述各天线元件彼此相分隔至少一个半波长。
36.如权利要求32所述的数据标签，其中每个天线元件具有与偏振和相位参数相关联的方向和至少一个尺寸。
37.如权利要求32所述的数据标签，其中所述天线元件位于衬底上。
38.如权利要求32所述的数据标签，其中所述天线元件适合于用导电墨直接印刷到物体上。
39.一种询问器设备，用于解码RF数据标签中的编码信息，所述询问器设备包括：
a.用于发送电磁辐射的天线结构，其中所述天线结构适于检测从RF数据标签重新辐射的电磁辐射；
b.第一电路，用于根据所检测的电磁辐射来至少确定偏振和相位信息；和
c.第二电路，用于把所述偏振和相位信息转换为机器可读数据，用于表示在所述RF数据标签中编码的信息。
40.如权利要求39所述的设备，其中所述第一电路执行雷达图像信号处理以确定所述偏振和相位信息。
41.如权利要求39所述的设备，其中所述询问器按期望的频率发送多个电磁辐射扫描，其中，至少一个扫描中的电磁辐射在具有与所述多个扫描中另一扫描中的偏振参数不同的偏振参数的情况下被发送。
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