CN101425148B - 多模rfid标签及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模RFID标签及其操作方法。所述多模RFID标签包括发电和信号探测模块、基带处理模块、发射部件、可配置耦合电路和天线部件。在近场模式中，可配置耦合电路利用电磁和电感耦合将发射部件耦合至可配置耦合电路中的线圈或电感器以发送出站发射信号给RFID阅读器。在远场模式中，可配置耦合电路将发射部件耦合至天线部件，然后多模RFID标签利用反向散射RF技术发送出站发射信号给RFID阅读器。

Description

多模RFID标签及其操作方法
技术领域
本发明涉及无线通信，更具体地说，涉及RFID系统。
背景技术
射频识别(RFID)系统通常包括阅读器，也称询问机，和远程标签，也称应答器。每个标签存有用来鉴别人、物品、托盘其它对象或与人、物品、托盘或其它对象的特征有关的数据的标识数据或其它数据。射频识别系统可使用具有内部电源如电池的有源标签，和/或不含内部电源而由阅读器远程供电的无源标签。
阅读器和远程标签之间的通讯由射频(RF)信号实现。通常，为了访问存储在RFID标签内的标识数据，RFID阅读器生成调制RF询问信号，用来唤起来自某个标签的调制RF响应信号。来自标签的RF响应信号包括储存在RFID标签中的编码数据。RFID阅读器解码该编码数据后用来鉴别或确定和RFID标签关联的人、物品、托盘或其它对象的特征。对没有电池或其它电源的无源标签，在数据传输的过程中，RFID阅读器会产生未调制的连续波信号去激活标签并给标签供电。因此，无源标签从RFID阅读器的信号发射中获得电源。有源标签本身具有电源，并且具有强大的能力，能为收发器、处理器、存储器和其它位于标签上的器件供电。
RFID系统一般利用远场或近场技术。在远场技术中，与载波信号的波长相比，阅读器和标签之间的距离是很大的。一般来说，远场技术使用介于超高频或微波范围内的载波信号。在远程应用中，RFID阅读器通过天线产生和发射RF信号给该天线覆盖范围内的所有标签。一个和更多的标签在收到RF信号后使用反向散射技术响应阅读器，使用该技术，标签调制并反射接收到的RF信号。
在近场技术中，运行距离通常小于载波信号的一个波长。因此，根据频率的不同，阅读距离大约局限于20cm或更小的范围内。在近场应用中，RFID阅读器和标签通过阅读器线圈与标签之间的电磁或者电感耦合来通讯。一般，近场技术使用低频范围内的载波信号。关于标签线圈天线，RFID标签在135KHz的低频上使用多层线圈(例如，每层100-150转的3层线圈)绕金属核缠绕。有时，在13.56MHz的高频上，RFID标签使用一种在信用卡大小的形状上绕5-7圈的扁平螺旋线圈电感器。这些标签线圈天线与RFID标签的其它模块相比非常大，不能与RFID标签的其它模块集成到一个芯片上，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)、双极互补金属氧化物半导体(BiCOS)、镓砷化物(GaAs)集成电路等。
国际标准组织开发了名叫ISO18000系列的RFID标准。ISO18000系列标准描述了RFID系统在特别是跟踪供应链内物品的应用方面的空中接口协议。ISO18000系列有七部分，覆盖了世界上RFID系统使用的主要频率。这七部分是：
18000-1：针对全球接受的频率的空中接口通用参数；
18000-2：135KHz以下的空中接口；
18000-3：13.56MHz空中接口；
18000-4：2.45GHz空中接口；
18000-5：5.8GHz空中接口；
18000-6：860MHz-930MHz空中接口；
18000-7：433.92MHz空中接口。
根据ISO18000系列中的ISO18000-2和18000-3部分，使用磁/电感耦合的近场技术具有在135KHz低频(LF)或更低或在13.56MHz高频上的空中接口协议。ISO18000-3定义了两种模式。在模式1中，从标签到阅读器的数据率是26.48kbps，而模式2在8个信道中的每个信道上都是105.9375的高速接口。阅读器和标签使用的通讯协议是一种典型的负载调制技术。
使用RF反向散射耦合的远场技术有三个ISO定义的空中接口，它们是根据ISO18000-5定义的在2.49GHz微波频率的空中接口，根据ISO18000-6定义的860MHz到930MHz超高频(UHF)范围内的空中接口，根据ISO18000-7定义的433.95MHz UHF空中接口。对于在860-930MHz频段的超高频，ISO18000-6定义了两种标签类型，即A型和B型，定义的从标签到阅读器的链路具有40kbps的数据率、幅移键控(ASK)调制和数据的双相空间或FM0编码。
另外，EPCglobal第1类第二代(Class1，Generation2)标准定义了使用超高频的标签标准，它拥有40-640kbps的标签到阅读器链路、ASK或相移键控调制(PSK)和FM0或米勒调制子载波的数据编码技术。
通常，使用近场技术、运行于低频或高频的标签有两种应用：一种是在供应链管理中用于库存控制的物品层标签，另一种是短程阅读，如用于出入控制、货币使用、护照、货币票据验证、银行文件等的智能卡或近距离信用卡。这些应用不需要远距离阅读标签，但是需要有近场技术提供的更多的安全保障。另外，近场技术在近距离流动标签方面有更好的性能，如药品流动，这其中远场RF耦合容易在流动中产生干扰。
采用微波或超高频范围内的远场技术RF耦合的标签，常应用于运输单元，如托盘或纸箱级的跟踪，或其它需要远距离阅读的应用。
这些不同类型的技术和不同的RFID标准，每个都定义了在阅读器和标签之间实现通讯的不同协议，这种情况抑制了RFID在各种应用中的广泛传播。因此，存在对高度集成、低成本的RFID标签的需求。此外，存在对多标准、多技术RFID标签的需求。
发明内容
本发明涉及的设备和操作方法在以下的附图说明、具体实施方式和权利要求书中进行了进一步的说明。参照附图的以下详细说明将使本发明的特征和优势变得更加清晰。
根据本发明的一个方面，一种多模射频识别(RFID)标签包括：
可配置耦合电路，当多模RFID标签处于近场模式时，所述可配置耦合电路提供到RFID阅读器的电磁耦合，当多模RFID标签处于远场模式时，所述耦合电路提供到RFID阅读器的射频耦合；
与所述可配置耦合电路连接的发电和信号探测模块，所述发电和信号探测模块转换入站接收信号为电源电压并恢复来自入站接收信号的编码数据；
基带处理模块，用于：
解码所述编码数据从而产生解码信号；
处理所述解码信号；
当所述解码信号的处理指示生成响应信号时，生成响应信号；
编码所述响应信号以产生出站编码数据；
与所述可编码耦合电路连接的发射部件，所述发射部件转换所述出站编码数据为出站发射信号。
在本发明所述的多模RFID标签中，所述可配置耦合电路包括：
在远场模式中连接至天线且在近场模式中断开或连接至地的第一电容器；
在近场模式中提供电磁耦合且在远场模式中提供用于阻抗匹配的电感值的电感器；
连接至所述电感器的第二电容器，所述第二电容器提供电容值以用于在远场模式中调节阻抗匹配，或在近场模式中调节所述可配置耦合电路的以下至少一项：带宽、品质因素、增益和滚降(roll-off)。
在本发明所述的多模RFID标签中，所述第二电容器是可调节的。
在本发明所述的多模RFID标签中，在远场模式中所述天线在超高频范围内发射和接收射频信号。
在本发明所述的多模RFID标签中，在近场模式中提供电磁耦合的所述电感器包括电感线圈，所述电感线圈在近场模式中提供超高频范围内的电磁耦合。
在本发明所述的多模RFID标签中，所述电感线圈是集成在芯片上的。
在本发明所述的多模RFID标签中，所述电感器线圈集成在CMOS芯片上。
在本发明所述的多模RFID标签中，用于解码编码数据以产生解码信号的所述基带处理模块进一步用于：
在近场模式中利用第一编码/解码协议；
在远场模式中利用第二编码/解码协议。
在本发明所述的多模RFID标签中，用于编码响应信号以产生编码数据的所述基带处理模块包括：
至少第一编码处理模块，所述至少第一编码处理模块在近场模式中根据第一编码协议编码所述响应信号，并在远场模式中根据第二编码协议编码所述响应信号。
在本发明所述的多模RFID标签中，在近场模式中提供电磁耦合的所述电感器包括电感线圈，所述电感线圈在近场模式中提供低频(LF)范围的电磁耦合。
在本发明所述的多模RFID标签中，所述可配置耦合电路响应来自RFID阅读器的指令，转换为近场模式并提供到RFID阅读器的电磁耦合。
在本发明所述的多模RFID标签中，所述可配置耦合电路响应来自RFID阅读器的指令，转换为远场模式并提供到RFID阅读器的电磁耦合。
在本发明所述的多模RFID标签中，所述可配置耦合电路被配置为运行在远场模式并提供到RFID阅读器的射频耦合，直到所述可配置耦合电路接收到来自RFID阅读器的指令，从而转换为近场模式并提供到RFID阅读器的电磁耦合。
根据本发明的一个方面，一种操作多模RFID标签的方法包括：
配置所述多模RFID标签的耦合电路以在远场模式中提供到RFID阅读器的射频耦合并在近场模式中提供到RFID阅读器的电感耦合；
在远场模式或近场模式其中一种模式中和RFID阅读器通讯；
当从RFID阅读器接收到指令后，配置所述耦合电路提供所述远场模式和近场模式中的另一种模式；
在所述另一种模式中和RFID阅读器通讯。
在本发明所述的方法中，和RFID阅读器通讯进一步包括：
接收来自RFID阅读器的入站信号，恢复来自入站信号的编码数据信号；
解码所述被恢复的编码数据信号，其中所述编码数据信号根据第一编码协议编码；
处理所述解码数据信号；
依据所述解码数据信号中的要求对RFID阅读器做出响应的指令，对所述解码数据信号生成响应信号；
使用所述第一编码协议编码所述响应信号。
本发明所述的方法进一步包括：
将依据所述第一编码协议编码的响应信号调制到载波信号，其中所述载波信号位于超高频(UHF)范围内；
使用射频(RF)耦合将所述经调制的载波信号发射给RFID阅读器。
优选实施例中，本发明的所述方法进一步包括：
调制依据第二编码协议编码的响应信号到载波信号，其中所述载波信号位于超高频(UHF)范围内；
使用电感耦合来发射所述经调制的载波信号给RFID阅读器。
优选实施例中，本发明的所述方法进一步包括：
在近场模式和远场模式中，从来自RFID阅读器的入站信号中产生操作所述多模RFID标签的电源。
根据本发明的一个方面，一种射频识别(RFID)标签包括：
可配置耦合电路，所述可配置耦合电路在近场模式中提供到RFID阅读器的电磁耦合并在远场模式中提供到RFID阅读器的射频耦合；
与所述可配置耦合电路连接的发电和信号探测模块，其中，所述发电和信号探测模块转换来自RFID阅读器的入站接收信号为电源电压，并在近场模式中恢复来自所述入站接收信号的编码数据，以及在远场模式中产生被还恢复的编码数据信号；
基带处理模块，用于：
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议解码所述被恢复的编码数据信号，产生解码数据信号；
处理所述解码数据信号；
根据所述解码数据信号中的指令生成对所述解码数据信号的响应信号；
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议编码所述响应信号，产生出站编码数据；
与所述可配置耦合电路连接的发射部件，其中所述发射部件转换所述出站编码数据为出站发射信号。
在本发明所述的RFID标签中，所述出站发射信号在近场模式和远场模式两者中均位于超高频(UHF)范围内。
在本发明所述的RFID标签中，所述可配置耦合电路包括：
在远场模式中连接至天线且在近场模式中断开或连接至地的第一电容器；
在近场模式中提供电磁耦合且在远场模式中提供用于阻抗匹配的电感值的电感器；
连接至所述电感器的第二电容器，所述第二电容器提供电容值以用于在远场模式中调节阻抗匹配，或在近场模式中调节所述可配置耦合电路的以下至少一项：带宽、品质因素、增益和滚降。
在本发明所述的RFID标签中，所述出站发射信号在近场模式和远场模式两者中均位于超高频(UHF)范围内。
根据本发明的一个方面，一种射频识别(RFID)标签包括：
在远场模式中提供射频耦合的射频天线；
在近场模式中提供电磁耦合的线圈天线；
与所述射频天线或线圈天线连接的信号探测模块，所述信号探测模块恢复来自入站接收信号的编码数据从而产生被恢复的编码数据信号；
基带处理模块，用于：
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议解码所述被恢复的编码数据信号，产生解码数据信号；
处理所述解码数据信号；
根据所述解码数据信号中的指令生成对所述解码数据信号的响应信号；
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议编码所述响应信号，产生出站编码数据；
与所述射频天线或线圈天线连接的发射部件，其中所述发射部件转换所述出站编码数据为出站发射信号。
本发明的优选实施例中，所述RFID标签进一步包括可配置耦合电路，所述可配置耦合电路在远场模式中将射频天线耦合到信号探测模块和发射部件，并在近场模式中将所述线圈天线耦合到信号探测模块和发射部件。
本发明的优选实施例中，所述RFID标签预先被配置成将射频天线耦合到信号探测模块和发射部件以用于远场模式中的操作，以及将线圈天线耦合到信号探测模块和发射部件以用于近场模式中的操作。
附图说明
图1是根据本发明的RFID系统实施例的示意框图。
图2是根据本发明的多模RFID标签实施例的示意框图。
图3是根据本发明的RFID标签实施例中的可配置耦合电路的示意框图。
图4是根据本发明的RFID标签另一个实施例的示意框图
图5是根据本发明实施例的多模RFID标签和RFID阅读器中的线圈天线的示意图。
图6是根据本发明实施例的多模RFID标签和RFID阅读器之间的电磁耦合的示意图。
具体实施方式
图1是一个RFID(射频识别)系统实施例的示意框图，该RFID系统包括计算机/服务器12、多个RFID阅读器14-18、多个RFID标签20-30。每个RFID标签20-30可与一个特定的对象关联，用于各种目的，包括但不仅仅局限于跟踪库存、跟踪状态、定位、组装进程等。RFID标签可以是包括内部电源的有源器件或者是从RFID阅读器14-18获得电源的无源器件。
每个RFID阅读器14-18与其覆盖范围内的一个或多个RFID标签20-30进行无线通讯。例如，RFID标签20、22在RFID阅读器14的覆盖范围内，RFID标签24、26在RFID阅读器16的范围内，RFID标签28、30在阅读器18的覆盖范围内。一种操作模式中，RFID阅读器14-18和RFID标签20-30之间的RF通讯方案是利用远场技术的反向散射耦合方法，在这里，RFID阅读器14-18通过RF信号从RFID标签20-30请求数据，RF标签20-30通过调制和反向散射由RFID阅读器14-18提供的RF信号来对请求数据做出响应。在另一种操作模式中，RFID阅读器14-18和RFID标签20-30之间的RF通讯方案是利用近场技术的电磁或电感耦合方法，这里RFID阅读器14-18电磁或电感耦合到RFIF标签20-30以访问RFID标签20-30上的数据。因此，在本发明的一个实施例中，在远场模式中，RFID标签20-30用此性能与RFID阅读器14-18通讯，在近场模式中，RFID标签20-30用此性能与RFID阅读器14-18通讯。
RFID阅读器14-18从其覆盖的范围内的每个RFID标签20-30收集计算机/服务器12所请求的数据。收集到的数据然后通过有线或无线连接32和/或对等通讯34传输到计算机/服务器12。另外，计算机/服务器12可通过关联的RFID阅读器14-18提供数据给一个或多个RFID标签20-30。如此下载的信息取决于不同的应用而且变化很大。一旦接收到下载的数据，RFID标签20-30能将这些数据存储在非易失性存储器中。
如上所指出的，RFID阅读器14-18可基于对等方式进行通讯，因此每个RFID阅读器不需要到计算机/服务器12的独立的有线或无线连接32。例如，RFID阅读器14和RFID阅读器16可利用反向散射技术、无线局域网技术和/或任何其它无线通讯技术在对等网络的基础上通讯。在这个例子中，RFID阅读器16可不包括到计算机/服务器12的有线或无线连接32。在RFID阅读器16和计算机/服务器12之间的通讯通过有线或无线连接32传递的实施例中，有线或无线连接32可使用多个有线标准(例如以太网、火线等)和/或无线通讯标准(例如IEEE802.11x、蓝牙等)中的任何一种。
如本领域的普通技术人员所熟知的，图1中的RFID系统可以被扩大到包括分布在期望位置(例如建筑物、办公场所等)的多个RFID阅读器14-18，在这些不同的地点，RFID标签可与以下对象关联：出入控制卡、智能卡、移动电话、个人数字助理、笔记本电脑、个人计算机、库存项目、托盘、纸板箱、设备、个人等。另外，需注意的是，计算机/服务器12可与另一个服务器和/或网络连接相连以提供更广区域的网络覆盖。
图2是可用作图1里的RFID标签20-30中的一个的多模RFID标签38的一个实施例的示意图。多模RFID标签38可在远场模式下和RFID阅读器14-18通讯，并可在近场模式下与RFID阅读器14-18通讯。多模RFID标签38包括发电和信号探测模块40、基带处理模块42、发射部件44、可配置耦合电路46、天线部件48。多模RFID标签38可以是包括电池41的有源标签。如果它是有源标签，电池41可代替或协助发电和信号探测模块40的发电功能，以向基带处理模块42、发射部件44和可配置耦合电路供电。如果多模RFID标签38是无源标签，在图中则无电池41。
发电和探测模块40、基带处理模块42和发射部件44可以是单个处理器件或多个处理器件。这种处理器件可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑设备、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路、和/或任何基于电路的硬编码和/或操作指令处理信号(模拟的和/或数字的)的器件。其中的一个或多模块可具有关联的存储器件，该存储器件可以是单个的存储器、多个存储器和/或模块的嵌入电路。该存储器件可以是只读存储器、随机访问存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、高速缓冲存储器和/或任何存储数字信息的设备。注意当前述模块通过状态机、模拟电路、数字电路、和/或逻辑电路执行一个或更多的功能时，储存对应的操作指令的存储器件可嵌入或外接包括状态机、模拟电路、数字电路、和/或逻辑电路在内的电路。进一步要注意，存储器存储并由前述模块执行的硬编码和/或操作指令对应于图1-7所示的至少一些步骤和/或功能。
在本发明的一个实施例中，天线部件48是工作在微波或超高频范围内的偶极型天线。对于紧凑型应用，可使用折叠偶极或半波偶极天线，或者其它类型的能弯曲或蜿蜒、具有电容尖端载荷或蝶形宽带结构的偶极天线。通常，天线部件48可以是几种类型的天线中针对期望的操作频率和应用最优的一种。
在运行过程中，当在远场模式时，可配置耦合电路46将发电和信号探测模块40耦合至天线部件48；当在近场模式时，将发电和信号探测模块40耦合至可配置耦合电路46内的电感器或线圈天线，以下会有更详细的解释。在任何一种模式中，可配置耦合电路46可发射入站接收信号50给发电和信号探测模块40。在无源多模RFID标签38的实施例中，RFID阅读器14-18首先产生未调制的连续波(CW)信号去激活和给标签供电。发电和信号探测模块40转换这类CW未调制入站接收信号50为电源电压。发电和信号探测模块40存储该电源电压并且提供给其它模块运行用。
RFID阅读器14-18随后发射经调制编码的询问入站接收信号50。发电和信号探测模块40从可配置耦合电路46接收到该入站接收信号50。发电和探测模块40解调该入站接收信号50，恢复出编码数据52。根据RFID阅读器14-18和运行模式，可利用幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)或其它类型的调制方法来调制入站接收信号50。在一个实施例中，发电和信号探测模块40使用一种或多种类型的解调技术解调入站接收信号50，从入站接收信号50中恢复出编码数据52。发电和信号探测模块40发射已被恢复的编码数据52至基带处理模块40。
基带处理模块42接收编码数据52，并且使用一种或多种协议解码编码数据52。对近场模式信号和远场模式信号，可以定义不同的数据编码协议。例如，在近场模式中，可由基带处理模块42使用第一数据编码协议解码数据，而在远场模式中，由基带处理模块42使用第二数据编码协议解码数据。例如，在近场模式中，可用曼切斯特编码方法，在远场模式中，可用米勒调制子载波编码方法和/或双相空间编码方法。或者，在近场和远场模式中，基带处理模块42可使用相同的数据编码协议。
在本发明的一个实施例中，基带处理模块42被编程有多种编码协议，能够依据不同协议解码该编码数据52。因此，在必要的情况下，无论近场模式或者远场模式下，基带处理模块42可使用不同的编码协议来解码编码数据52。例如，当运行在近场模式时，基带处理模块42可试图利用近场模式下常用的第一协议去解码编码数据52，例如曼切斯特编码。如果这一解码不成功，基带处理模块可试图利用下一协议解码编码数据52，直到编码数据52被解码。类似的，当运行在远场模式时，基带处理模块42可试图利用远场模式下常用的第二协议去解码编码数据52，例如米勒调制子载波编码和双相空间编码。如果这一解码操作不成功，基带处理模块可试图利用下一协议解码编码数据52，直到编码数据52被解码。
一旦解码完成，基带处理模块42处理被解码的数据然后确定其内包含的一个或多个指令。该指令可以是存储数据、更新数据、回应储存的数据、验证指令相符性、应答、改变运行的模式等。如果这个(这些)指令请求一个响应，基带处理模块42确定响应数据并编码响应数据为出站编码数据54。更适合地，基带处理模块42使用与解码入站编码数据52所使用的相同编码协议来编码用于响应的数据。一旦编码完成，基带处理模块42提供该出站编码数据54给发射部件44。发射部件44接收出站编码数据54然后转换出站编码数据54成为出站发射信号56。
出站发射信号56是载波信号，对该载波信号可使用振幅调制如ASK，或相位调制，如PSK，或负载调制。在本发明的一个实施例里，在近场模式中，载波信号的频率位于低频(LF)或高频(HF)范围内。依照ISO系列标准，近场频率范围是大约135KHz或更低的低频，和大约13.56MHz的高频。在远场模式中，根据一个实施例，载波信号频率位于超高频范围或微波范围内。依据ISO系列标准，远场频率范围是大约2.45GHz的频率、大约从860MGHz到930MHz的超高频(UHF)范围、或大约433.92MHz的UHF。
在近场模式中，可配置耦合电路46将发射部件44与可配置耦合电路46内的电感器耦合，以便利用电磁或电感耦合发射出站发射信号56至RFID阅读器16-18。在远场模式中，可配置耦合电路46将发射部件44耦合至天线部件48，然后多模RFID标签38利用反向散射技术发射出站发射信号56至RFID阅读器16-18。
图3是可配置耦合电路46的一个实施例的结构示意图。可配置耦合电路46包括电容器C160、电感器L162和第二电容器C266。在一个实施例中，可配置耦合电路包括转换器64。在这个实施例中，在第一位置，转换器64连接天线部件48和电容器66到电感器L1和电容器C1。在第二位置，转换器64连接天线部件48和电容器66到地，或使天线与电感器L1和电容器C1断开。转换器64可以是致动器、晶体管电路、或其它等效器件。对于有源标签，电池41给转换器64供电。对于无源标签，RFID阅读器16-18发射连续波的未调制信号给多模RFID标签38供电。多模RFID标签38可以然后使用来自发电和信号探测模块40的电压给转换器64供电以改变位置。在另一个实施例中，多模RFID标签38被预先配置成规定仅仅运行在近场和远场模式中。例如，多模RFID标签38可能在生产时就被硬连接成仅仅耦合至天线部件48以用于远场模式下的操作，或仅仅耦合至线圈天线62以用于近场模式下的操作。在另一个例子中，在规定之前，RFID标签38被预先编程至仅仅运行在近场或远场模式中。
在远场模式中，天线48、电容器C2和电感器L1、电容器C1连接。电感器L1、电容器C1用作天线48的阻抗匹配电路。电感器L1提供阻抗值用于天线48的阻抗匹配，电感器C1为天线48的阻抗匹配提供电容值。在本发明的一个实施例中，电感器C1是可调节的或可变化的，如数字转换电容器，并可以被调节以为远场模式中的阻抗匹配提供想要的电容值。因此，在远场模式中，天线48和可配置耦合电路46接收入站接收信号50，并提供入站接收信号50至发电和信号探测模块40。
在近场模式中，转换器64断开，因而电容器C2是浮动的或与地连接。在本发明的另一个实施例中，多模RFID标签38未设有转换器64，而是在制造时就被硬连接，从而将天线48和/或电容器C2与电感器L1隔断。在本发明的另一实施例中，当多模RFID标签38处于近场模式时，除了转换器64之外还可以使用其它器件来隔断天线48和/或电容器C2与电感器L1。
感应器L1用作线圈天线，提供与RFID阅读器14-18的线圈的电磁或电感耦合。电感器L1和电容器C1形成谐振电路，用来调节RFID阅读器14-18的发射频率。响应RFID阅读器14-18线圈天线产生的磁场，电感器L1的电压由于并联谐振电路内的谐振上升而达到最大值。在一个实施例中，电容器C1是可调节的或可变化的，并且可被调节从而提供并联谐振电路的优化。例如，在近场模式中，可调节电容器C1来提供可配置耦合电路46的至少以下一项的优化：带宽、质量因子、增益和滚降。通常，当运行在近场模式中，RFID标签38的电感器L1和RFID阅读器14-18的线圈天线之间的距离必须不能超过λ/2π，以便电感器L1位于RFID阅读器14-18的线圈天线产生的磁场内。在近场模式中，可配置耦合电路46提供入站接收信号50至发电和信号探测模块40。
在发射过程中，电感器L1担当线圈天线，其利用发电和信号探测模块40供给发射部件44的电能，从流经电感器L1的电流产生磁场。再次，为了在近场模式中接收出站发射信号56，RFID标签38的电感器L1和RFID阅读器14-18的线圈天线之间的距离应该等于或小于λ/2π，这样RFID阅读器14-18的线圈天线才能位于电感器L1生成的磁场内。
在本发明的一个实施例中，如上结合图2解释的，基带处理模块42处理来自RFID阅读器14-18的命令。例如，来自RFID阅读器14-18的一个命令可以是在近场或远场模式中操作多模RFID标签38的模式命令。一旦处理如此的模式命令后，基带处理模块42配置多模RFID标签38在近场或远场模式中操作。在另外的一个实施例中，多模RFID标签可以有被用户设定的预设输入，来确定运行的模式。因此，一旦该多模RFID标签安装于特殊的应用中，该RFID标签可以预设到最适合此应用的模式。
图4是根据本发明的多模RFID标签68的另一个实施例。类似于图2和图3，本实施例的多模RFID标签68包括发电和信号探测模块40、基带处理模块42、发射部件44、可配置耦合线圈46、天线部件48。另外，转换器70和负载电阻Zm连接在发射部件和可配置耦合电路之间。在运行过程中，电感器L1(例如近场模式下的线圈天线)处的负载电阻Zm的接通和断开，会影响RFID阅读器的线圈天线的电压的改变，并因此具有多模RFID标签38对RFID阅读器天线电压进行调幅的效果。通过响应出站编码数据54而接通和断开负载电阻Zm，发射部件44可从RFID标签传送具有负载调制的数据给RFID阅读器。类似的，转换器70和负载电阻Zm能调制来自发射部件44的RF反向散射信号，从而在远场模式中调制反射的RF出站发射信号56。因此，转换器70和负载电阻Zm为多模RFID标签38提供了出站发射信号56的有效调制。
实施例4示出了无源RFID多模标签38。在另一个图2所示的实施例中，多模标签38可被设计为包括电池41的有源标签，为RFID标签38提供电源。对于有源标签设计，发电电路可以不是必须的，并且RFID阅读器14-18不需要在与RFID标签38通讯之前发射CW非调制信号给RFID标签38供电。另外，电池41使得RFID标签38能够在近场和远场之间切换以便侦测来自RFID阅读器的14-18的信号，而不用等待来自RFID阅读器14-18的电源信号和指令。具有电池的有源标签的不利方面是这种标签的寿命较短。当电池电量用尽后，标签将变得不可操作。然而，对于某些较高处理应用或仅需要一定寿命的应用(例如用于易腐烂物品的标签)来说，有源多模RFID标签38是最佳的。
图5示出了根据本发明的一个多模RFID标签38的实施例中电感器L162的结构图。在这个实施例中，可配置耦合电路46内的电感器L1在近场模式中工作在高频(UHF)范围内。由于频率较高，电感器L1的线圈是很小尺寸的线圈，并且能够与多模RFID标签38的其它模块集成在一个芯片内。如图5示，电感器L162具有半径r2；RFID阅读器14-18的线圈天线80有半径r1；电感器L1和线圈天线80之间的距离等于距离d。在这个实施例中，参照图5，RFID阅读器14-18的线圈天线80和RFID标签38的电感器L1之间的磁场M12，可由以下公式得出：
M 12 = μ 0 · π · N 1 · N 2 · r 1 2 · r 2 2 2 ( d 2 + r 1 2 ) 3
其中μ0是空间导磁率。感应系数Ltag和标签Qtag的Q因子能由以下公式确定：
Figure G2008101744051D00152
Q TAG = ω 0 · L r series ∝ ω 0
例如，对于在900MHz的UHF范围内运行于近场模式的多模RFID标签38的一个实施例，Ltag大约等于56.6nH，Qtag大约等于4.9。
图6示出了图5实施例中在UHF近场模式中的RFID标签38和RFID阅读器14-18之间的射程。就像在图6看到的，这一射程受限于标签的发射功率。例如：
Z 12 ( ω 0 ) = V 2 I 1 = ω 0 M 12 Q 2
Δ Z 11 ( ω 0 ) ∝ ω 0 2 · M 12 2 · Q 2
假设标签的最大发射电流是500mA，那么对于-55dBV的最小接收信号，射程大约是5mm，标签的最小电压是0.25伏特，60dB的阻滞信号比(blockerto signal ratio)。注意这里标签的输入电压＝I1*Z11；阅读器的最小RX信号＝0.5*(I1*ΔZ11)2；阻滞信号比＝Z11/ΔZ11。在这个实施例中，使用具有50kbps数据率的曼切斯特编码。
尽管在高频(UHF)近场模式中的通讯射程比低频(例如HF和LF)短，如此的短射程UHF近场RFID通讯正好适合于近距离阅读应用，如库存货检查、监控分析认证、护照、信用卡等应用。RFID标签38的近场高频(UHF)操作还具有更有效的操作近距离流动性，如流动药瓶。另外，电感器L1或线圈天线62可以被设计得非常小，从而集成到芯片内。若集成RFID标签38到一个单独的集成电路上，则RFID标签38的成本能被大大的减少。
多模RFID标签38因此提供近场和远场模式的运行。在一个实施例中，多模RFID标签使用集成到芯片内的电感器或线圈天线运行在近场模式的UHF频段内。通过运行在近场和远场两种模式，RFID标签能为多种应用提供多种标准、多种技术的选择。如上，RFID标签不局限于仅仅在近距离阅读或远距离阅读的应用，而且能用于两种类型的应用种，并且能从近场模式转换到远场模式或从远场模式转换到近场模式，以适应不同类型的RFID阅读器和多模RFID标签与RFID阅读器之间的不同距离。
本领域普通技术人员可以理解，术语“基本上”或“大约”，正如这里可能用到的，对相应的术语提供一种业内可接受的公差。这种业内可接受的公差从小于1％到20％，并对应于，但不限于，组件值、集成电路处理波动、温度波动、上升和下降时间和/或热噪声。本领域普通技术人员还可以理解，术语“可操作地连接”，正如这里可能用到的，包括通过另一个组件、元件、电路或模块直接连接和间接连接，其中对于间接连接，中间插入组件、元件、电路或模块并不改变信号的信息，但可以调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。本领域普通技术人员可知，推断连接(亦即，一个元件根据推论连接到另一个元件)包括两个元件之间用相同于“可操作地连接”的方法直接和间接连接。本领域普通技术人员还可知，术语“比较结果有利”，正如这里可能用的，指两个或多个元件、项目、信号等之间的比较提供一个想要的关系。例如，当想要的关系是信号1具有大于信号2的振幅时，当信号1的振幅大于信号2的振幅或信号2的振幅小于信号1振幅时，可以得到有利的比较结果。
本发明通过借助方法步骤展示了本发明的特定功能及其关系。所述方法步骤的范围和顺序是为了便于描述任意定义的。只要能够执行特定的功能和顺序，也可应用其它界限和顺序。任何所述或选的界限或顺序因此落入本发明的范围和精神实质。
本发明还借助功能模块对某些重要的功能进行了描述。所述功能模块的界限和各种功能模块的关系是为了便于描述任意定义的。只要能够执行特定的功能，也可应用其它的界限或关系。所述其它的界限或关系也因此落入本发明的范围和精神实质。本领域普通技术人员还可知，本申请中的功能模块和其它展示性模块和组件可实现为离散组件、专用集成电路、执行恰当软件的处理器和前述的任意组合。

Claims (10)

1.一种多模RFID标签，其特征在于，包括：
可配置耦合电路，当多模RFID标签处于近场模式时，所述可配置耦合电路提供到RFID阅读器的电磁耦合，当多模RFID标签处于远场模式时，所述耦合电路提供到RFID阅读器的射频耦合，所述可配置耦合电路包括配合实现远场模式和近场模式的转换器、在远场模式中连接至天线且在近场模式中断开或连接至地的第一电容器、在近场模式中提供电磁耦合且在远场模式中提供用于阻抗匹配的电感值的电感器以及连接至所述电感器的第二电容器，所述第二电容器提供电容值以用于在远场模式中调节阻抗匹配，或在近场模式中调节所述可配置耦合电路的以下至少一项：带宽、品质因素、增益和滚降；
与所述可配置耦合电路连接的发电和信号探测模块，所述发电和信号探测模块转换入站接收信号为电源电压并恢复来自入站接收信号的编码数据；
基带处理模块，用于：
解码所述编码数据从而产生解码信号；
处理所述解码信号；
当所述解码信号的处理指示生成响应信号时，生成响应信号；
编码所述响应信号以产生出站编码数据；
与所述可配置耦合电路连接的发射部件，所述发射部件转换所述出站编码数据为出站发射信号。
2.根据权利要求1所述的多模RFID标签，其特征在于，所述基带处理模块进一步用于：
在近场模式中利用第一编码/解码协议；
在远场模式中利用第二编码/解码协议。
3.根据权利要求1所述的多模RFID标签，其特征在于，所述第二电容器是可调节的。
4.根据权利要求3所述的多模RFID标签，其特征在于，在远场模式中所述天线在超高频范围内发射和接收射频信号。
5.根据权利要求4所述的多模RFID标签，其特征在于，在近场模式中提供电磁耦合的所述电感器包括电感线圈，所述电感线圈在近场模式中提供超高频范围内的电磁耦合。
6.根据权利要求5所述的多模RFID标签，其特征在于，所述电感线圈是集成在芯片上的。
7.一种操作多模RFID标签的方法，其特征在于，所述方法包括：
配置所述多模RFID标签的耦合电路以在远场模式中提供到RFID阅读器的射频耦合并在近场模式中提供到RFID阅读器的电感耦合，所述耦合电路包括配合实现远场模式和近场模式的转换器、在远场模式中连接至天线且在近场模式中断开或连接至地的第一电容器、在近场模式中提供电磁耦合且在远场模式中提供用于阻抗匹配的电感值的电感器以及连接至所述电感器的第二电容器，所述第二电容器提供电容值以用于在远场模式中调节阻抗匹配，或在近场模式中调节所述可配置耦合电路的以下至少一项：带宽、品质因素、增益和滚降；
在远场模式或近场模式其中一种模式中和RFID阅读器通讯；和RFID阅读器通讯进一步包括：
接收来自RFID阅读器的入站信号，恢复来自入站信号的编码数据信号；
解码所述被恢复的编码数据信号，产生解码数据信号，其中所述编码数据信号根据第一编码协议编码；
处理所述解码数据信号；
依据所述解码数据信号中的要求对RFID阅读器做出响应的指令，对所述解码数据信号生成响应信号；
使用所述第一编码协议编码所述响应信号；
当从RFID阅读器接收到指令后，配置所述耦合电路提供所述远场模式和近场模式中的另一种模式；
在所述另一种模式中和RFID阅读器通讯。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的方法进一步包括：
将依据所述第一编码协议编码的响应信号调制到载波信号，其中所述载波信号位于超高频范围内；
使用射频耦合将所述经调制的载波信号发射给RFID阅读器。
9.一种RFID标签，其特征在于，包括：
可配置耦合电路，所述可配置耦合电路在近场模式中提供到RFID阅读器的电磁耦合并在远场模式中提供到RFID阅读器的射频耦合，所述可配置耦合电路包括配合实现远场模式和近场模式的转换器、在远场模式中连接至天线且在近场模式中断开或连接至地的第一电容器、在近场模式中提供电磁耦合且在远场模式中提供用于阻抗匹配的电感值的电感器以及连接至所述电感器的第二电容器，所述第二电容器提供电容值以用于在远场模式中调节阻抗匹配，或在近场模式中调节所述可配置耦合电路的以下至少一项：带宽、品质因素、增益和滚降；
与所述可配置耦合电路连接的发电和信号探测模块，其中，所述发电和信号探测模块转换来自RFID阅读器的入站接收信号为电源电压，并在近场模式中恢复来自所述入站接收信号的编码数据，以及在远场模式中产生被恢复的编码数据信号；
基带处理模块，用于：
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议解码所述被恢复的编码数据信号，产生解码数据信号；
处理所述解码数据信号；
根据所述解码数据信号中的指令生成对所述解码数据信号的响应信号；
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议编码所述响应信号，产生出站编码数据；
与所述可配置耦合电路连接的发射部件，其中所述发射部件转换所述出站编码数据为出站发射信号。
10.一种RFID标签，其特征在于，包括：
在远场模式中提供射频耦合的射频天线；
在近场模式中提供电磁耦合的线圈天线；
可配置耦合电路，所述可配置耦合电路在近场模式中提供到RFID阅读器的电磁耦合并在远场模式中提供到RFID阅读器的射频耦合，所述可配置耦合电路包括配合实现远场模式和近场模式的转换器、在远场模式中连接至天线且在近场模式中断开或连接至地的第一电容器、在近场模式中提供电磁耦合且在远场模式中提供用于阻抗匹配的电感值的电感器以及连接至所述电感器的第二电容器，所述第二电容器提供电容值以用于在远场模式中调节阻抗匹配，或在近场模式中调节所述可配置耦合电路的以下至少一项：带宽、品质因素、增益和滚降；
与所述射频天线或线圈天线连接的信号探测模块，所述信号探测模块恢复来自入站接收信号的编码数据从而产生被恢复的编码数据信号；
基带处理模块，用于：
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议解码所述被恢复的编码数据信号，产生解码数据信号；
处理所述解码数据信号；
根据所述解码数据信号中的指令生成对所述解码数据信号的响应信号；
在远场模式中使用第一协议以及在近场模式中使用第二协议编码所述响应信号，产生出站编码数据；
与所述射频天线或线圈天线连接的发射部件，其中所述发射部件转换所述出站编码数据为出站发射信号。
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