CN102057533A - 射频转发器 - Google Patents
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Abstract
在谐振器/天线结构中对信息进行编码，该谐振器/天线结构可以被询问以便经由射频(RF)激励获取信息。谐振器/天线结构包括包含有多个子结构的多谐振器，并且在射频域中表现多个谐振。谐振的特征频率取决于子结构，该子结构可以根据在谐振器/天线结构中待被编码的信息来进行修改。谐振器/天线可以形成为设置在电介质衬底上的导电结构，并可以用于对在无芯射频识别标签、安全文件、流通票据等中的信息进行编码。公开了各种合适的多谐振器结构，包括包含有级联的螺旋形谐振器的多阻带滤波器、“轮和辐条”结构、交织谐振电路和分形谐振器结构。
Description
技术领域
本发明涉及射频转发器，更具体而言，涉及用于对标识信息和/或其它数据进行编码的无源转发器结构以及在这种结构中对信息进行编码的方法。本发明的应用包括但不限于无源器件的制造和操作，例如利用本发明的结构和编码方法的无芯射频识别(RFID)标签。
背景技术
存在许多应用，在这些应用中用可以通过电子装置来检测和/或读取的标识信息来标记物品是有利的。这些应用包括物流(例如跟踪仓库和/或运输中的物品)，销售(例如货物的自动识别和计费/收费)和安全(例如文件和/或包括身份证和例如钞票的流通票据的物品的识别和/或鉴别)。
条形码是目前最广泛的识别系统之一。条形码最常见的类型包括一连串代表数字和符号的印刷竖线和空白。条形码识别是涉及用激光读取设备扫描印刷的条形码的视距(line-of-sight)处理。在这种处理中，激光束指向条形码上，并被印刷竖线和空白反射或者吸收，得到的图案被读取器检测并且根据转换协议转换成信息符号。然后将信息符号传送到电脑或其它电子器件用于立刻行动，或存储起来用于以后的使用。
由于条形码的成本非常低，并且易于制作(即它们可以使用广泛的传统印刷技术来印刷)，条形码应用在非常广泛的应用中，包括：零售产品的标识、图书馆图书的标识和借出、制造和货运移动的跟踪、访问和鉴别(例如停车场进入和退出，大厦入口)等等。然而，对于具有现实利益的许多应用，条形码技术具有许多缺点。例如，在条形码与相应的激光读取器之间的“视距”要求需要操作员通常在场指导读取过程。而且，通常可以一次仅读取单个条形码并要求按次序地扫描货物。
克服条形码系统以上提到的限制的最有前途的技术是射频识别(RFID)。适合固定到需要标识的物品的射频识别“标签”包括：小天线以及可选地微芯片。这种标签可以被读取器“询问”，该读取器包括用于产生射频(RF)信号的发送器和天线。该射频识别标签是接收由读取器发送的信号并以相应的、可检测的、本身的射频信号来响应的转发器。读取器使用与发送所用的相同的天线，或者独立的接收天线来接收这个信号。由射频识别标签生成的响应可以包括例如数字数据的信息，并且可以唯一地识别标签，并且因此可以唯一地识别已被粘上标签的物品。利用合适的“防冲突”协议，可以基本上同时询问多个标签。
有源射频识别标签另外包括例如电池的电源，用于给微芯片供以动力并生成发送的响应信号。这种有源标签通常能够从至少几米的距离处被检测到，并可以有相对复杂的处理能力。例如可以配置有源标签来接收来自读取器的询问数据，并且生成可以取决于接收到的信息的相对长的响应。有源标签可以有基本的数据存储能力。
无源射频识别标签没有本地电源，并依赖于从读取器发送的信号中接收到的能量以便生成响应。因此，由无源标签生成的响应通常比可以由有源标签生成的响应较不复杂，并可以包括较少的数据。通常，这种类型的无源标签生成包括识别码的响应。无源标签的可读距离通常也小于与有源射频识别标签相关联的可读距离。
另外，一些无源标签是完全无芯的(即不包括微芯片)。这种标签经常可以被印刷为商标，例如使用导电油墨，因此这种标签有时被称为“智能标签”。虽然无芯标签可以非常价廉的生产，但是它们提供的信息是相应有限的。实际上，在许多情况下，无芯标签的有效信息容量仅是单个比特，即对由相应的读取器发送的信号的响应的存在或不存在来简单地识别标签是否出现在范围之内。
存在许多应用，例如在物流中，需要以可比的成本即零点几美分每标签来识别相当于条形码代表的信息即几十比特。即使以非常大量的大规模生产，制作和粘附包括微芯片的射频识别转发器的目前的成本也大约是10美分或更多。因此，仍然存在着许多大容量、低成本的产品(包括零售产品，例如超市产品)，对于这些产品微芯片射频识别标签在经济上是不可行的。在包括产品识别、例如钞票的流通票据的鉴别和/或防伪标记的许多其它应用中，成本是个问题。对于这些应用，可印刷条形码技术和其它相当的光学技术还是经济上最可行的方案，尽管这些技术有以上概述的多种局限性。
因此理想的将是提供远程可读取的识别器件，该识别器件具有多比特容量(至少比得上现有的条形码技术)，并且该识别器件具有简单制造(例如通过印刷)、低成本的潜力。本发明致力于满足这种需要。
发明内容
一方面，本发明提供在其中对信息进行编码的谐振器/天线，该信息可以通过施加合适的射频激励(RF)以及识别相应的射频频率响应中的谐振来获取，该谐振器/天线包括：
设置在电介质衬底上的平面导电多谐振器结构，
多谐振器结构包括与在射频域中的多个谐振相关联的多个子结构，每个所述谐振具有取决于所述子结构的特征频率，
其中子结构被形成以便在谐振器/天线的射频频率响应中对信息进行编码，该信息在与子结构相关联的所述谐振中被编码。
根据优选实施例，术语“谐振器/天线”包括一系列对合适的射频激励做出响应的器件。特别是，本发明的范围包括具有多个频率谐振的无源电路、具有相似谐振特性的天线和谐振器与天线的组合，例如耦合到合适的宽带天线的多谐振结构。
术语“射频”或者“RF”，如在此使用的，包括通常用在为通信和其它目的的电磁波辐射的传播中的频率，并且至少包括3KHz至300GHz范围内的那些频率。关于根据本发明的实施例形成的谐振结构，特别感兴趣的是那些在微波和毫米波范围内的频率，例如超过1GHz的射频频率。
术语“电介质”，如在此使用的，包括广泛范围的、基本上不导电的材料，该材料为根据本发明的实施例形成的导电结构提供合适的衬底。这些材料包括为了用作电路的衬底而专门设计的材料(例如常用于印制电路板制造的环氧玻璃布层压板FR4和其它材料)，以及例如聚合物和纸的其它材料，通过这些材料可以制作例如安全文件、钞票和其它流通票据的物品。
有利地，本发明的实施例能够包括在多谐振结构内编码的信息，该信息可以通过施加适当的射频激励(例如脉冲、宽带信号或扫频的窄带信号)来获取，其中信息可以通过分析相应的频率响应来恢复。更具体而言，在优选实施例中，在相应的特征频率处幅度和/或相位的谐振响应的存在和/或不存在被用于编码数字信息。通过使用包括多个子结构的多谐振结构，其中多个谐振与该多个子结构相关联，谐振响应、从而编码的信息可以通过合适地形成各个子结构来进行修改。
在特别优选的实施例中，在谐振器/天线的每个子结构与相关联的谐振之间有直接的一一对应关系。因此，每个单独的子结构可以用于例如单个比特信息的独立编码。因此在这样的谐振器/天线中可以被编码的信息的比特数可以等于子结构/谐振的数目。在其它实施例中，在整个导电结构的不同子结构之间可以存在一定程度的耦合，使得各个子结构的存在或不存在，或者特别的形成方式对结构的谐振而不是与子结构有直接关联的谐振有某些影响，尽管在每个单独的子结构与整个结构的相应的谐振之间仍然基本上(即足以用于实践的目的)保持有关联。
在另一个方面本发明提供对信息进行编码的方法，所述信息通过射频(RF)激励来询问和/或获取，该方法包括：
提供谐振器/天线结构，该谐振器/天线结构包括包含多个子结构的多谐振器，并且该谐振器/天线结构在射频域中表现多个谐振，其中每个所述谐振的特征频率取决于所述子结构；
通过根据待被编码的信息修改谐振器/天线结构的一个或多个子结构来限定修改的谐振器/天线结构；以及
形成谐振器/天线，该谐振器/天线包括设置在电介质衬底上的导电结构，所述谐振器/天线还包括所述修改的谐振器/天线结构，
由此，可以通过将合适的射频激励施加到所述谐振器/天线以及识别相应的射频频率响应中的谐振来随后地确定编码的信息。
优选地，谐振器/天线结构在所述多个子结构中的每一个与射频域中相关联的谐振的特征频率之间设置基本上直接的对应关系，由此修改子结构导致在相应的特征频率处谐振器/天线结构的幅度和/或相位响应的改变。
在特别优选的实施例中，修改每个子结构导致谐振在相应的特征频率处基本上存在或不存在，由此每个子结构可以用于编码一比特数字信息。
在示例性的实施例中，谐振器/天线结构包括包含有多个级联的谐振器子结构的多阻带滤波器，每个谐振器子结构与具有相关联的特征频率的阻带相对应，使得可以通过修改谐振子结构来在该结构中对信息进行编码。在这种类型的一个特别的实施例中，谐振器子结构是螺旋形谐振器。
在另一个示例性的实施例中，谐振器/天线结构包括轮式形式的多谐振器，该轮式形式包括中心“轮轴”子结构、周向“轮缘”子结构和设置在中心“轮轴”子结构和周向“轮缘”子结构之间的多个辐射状的“辐条”子结构，由此谐振与每个辐条子结构相关联，使得可以通过修改辐条子结构来在该结构中对信息进行编码。
在再一个示例性的实施例中，谐振器/天线结构包括交织谐振电路形式的多谐振器，该交织谐振电路包括多个设置在其间的、平行的微带线子结构，由此谐振与每个微带线子结构相关联，使得可以通过修改微带线子结构来在该结构中对信息进行编码。
该方法的修改步骤可以包括短路或者去除谐振器子结构中的一个或多个以每谐振器编码一比特数字信息。
谐振器/天线可以使用传统的PCP制造方法形成为平面电路。或者，谐振器/天线可以使用合适的导电油墨经由印刷技术来形成。
可以在制造之前执行谐振器/天线结构的修改，即可以确定恰当的修改，然后制作谐振器/天线(例如经由印刷技术)以编码期望的信息。
或者，可以在制造之后修改结构。也就是说，可以制造包括多谐振器的谐振器/天线结构，其中多谐振器包括多个预先形成的多个子结构，并且可以通过物理上改变结构来随后地修改子结构，以便形成期望的对信息进行编码的谐振器/天线。例如，可以增加导电元件以便“短路”特定的子结构元件，或者可替代地可以通过切割将子结构元件从整个结构断开，例如通过激光烧蚀。
在另一个方面，本发明提供包括设置在电介质衬底上的平面导电结构的谐振器/天线，
其中所述导电结构包括以多个生成参数和迭代阶数为特征的分形几何，
由此，导电结构在射频(RF)域中表现多个不同的谐振，每个所述谐振的特征频率取决于所述生成参数和迭代阶数。
在特别优选的实施例中，分形几何是毕达哥拉斯树(Pythagoras Tree)，其中生成参数是生成矩形的尺寸，并且是生成三角形的特征角度。
可以修改导电结构的谐振，以便通过短路和/或断路分形几何的各个子结构，例如分支，来在该结构中对信息进行编码。
在又一个方面，本发明提供包括根据本发明先前描述的方面的谐振器/天线和/或根据体现本发明的方法形成的谐振器/天线的无芯无源射频识别标签、安全文件或流通票据(例如钞票)。
从本发明优选的实施例的以下说明中，本发明进一步优选的特征和优点对于本领域普通技术人员将是明显的，以下说明应该被认为不是对本发明的范围的限制，本发明的范围在先前的陈述或在此所附的权利要求中限定。
在本说明书中使用的包括/包含和其语法上的变型用于说明所陈述的特征、整数、步骤或组件或其组合的存在，而不排除存在或附加一个或多个其它特征、整数、步骤、组件或其组合。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中相似的附图标记代表相似的特征，并且其中：
图1是体现本发明的射频识别系统的示意图；
图2(a)是振据本发明的实施例的无芯标签的照片；
图2(b)是根据本发明的实施例的、包括多个螺旋形谐振器的多谐振器结构的照片；
图3是示出针对图2(b)的多谐振器结构、谐振频率作为螺旋长度的函数的图形；
图4(a)和4(b)是示出包括六个级联谐振器结构的多谐振器结构的频率响应的图形；
图5是示出根据本发明的实施例的、包括螺旋形谐振器的、修改的多谐振器结构的照片；
图6(a)、6(b)和6(c)示出根据本发明的实施例、修改的多谐振器结构的频率响应；
图7是包括根据本发明的实施例的无芯标签的射频识别测试系统的示意图；
图8(a)和8(b)示出体现本发明的六比特无芯标签原型的实验性测试的结果；
图9(a)是根据本发明的实施例的35比特无芯标签的照片；
图9(b)示出图9(a)的标签的多谐振器结构的测量的频率响应；
图10(a)和10(b)示出图9(a)的标签的测量的频率响应；
图11示意性地示出根据本发明的无芯标签的另一实施例；
图12示意性地示出根据本发明的实施例的轮式谐振器结构的有代表性的特性；
图13示出根据本发明的实施例的交织谐振电路和轮式谐振器的示意图；
图14示出根据本发明的实施例的、具有分形几何的、结合谐振器和天线的导电结构的构造原理；
图15是具有图14的分形几何的分形谐振器/天线结构的照片；
图16是示出图15中示出的谐振器/天线结构的测量的回波损耗的图形；
图17是具有图14中示出的几何的一些可替代的分形谐振器/天线结构的测量的回波损耗的图形；
图18是示出具有与图14相对应的分形几何的远程询问谐振器/天线结构的实验性测试设置的说明性元件的方框图；以及
图19是示出根据本发明的、具有分形几何的谐振器/天线的实验性询问的示例性结果的图形。
具体实施方式
图1示出体现本发明的射频识别系统100。特别地，根据本发明的实施例，系统100包括结合多谐振器结构104的无芯射频识别标签102。多谐振器104设置在接收天线106与发送天线108之间，并耦合到接收天线106与发送天线108。根据优选的布置，接收天线106、多谐振器104和发送天线108都在单个衬底上制作。例如，元件106、104、108可以使用传统PCB制造技术在电介质衬底上形成，或可以使用合适的导电油墨印刷到衬底上。以下更加详细地描述制作过程中的附加步骤，以下相关的涉及多谐振器104的特定实施例。
如将被本领域普通技术人员所公知的，射频识别读取器或者询问器110包括合适的发送/接收电子设备，以及发送天线112和接收天线114。这一点将被理解，尽管系统100包括具有分开的发送天线和接收天线的射频识别读取器110和无芯标签102，在可替代的实施例中，读取器110和/或标签102可以使用单个天线既用于射频信号的发送也用于接收。
如在具有幅值分量116a和相位分量116b的发送信号频谱116中所指示的，射频识别询问器110发送包括多个频率成分f1到fn的射频信号。相当于，询问器110可以发送宽带射频信号或者具有广泛的、相应的频谱的脉冲。耦合到多谐振器104的标签天线106接收发送信号116，得到的信号耦合到标签发送天线108，得到的信号从发送天线108传播到询问接收天线114。由于多谐振器104的特性，由无芯标签102接收到的信号116的各个频率成分耦合到发送天线108，而其它频率成分可以被反射、吸收或者在幅值和/或相位上另外被修改。因此，根据多谐振器104的特性，从标签102返回的、由具有幅值分量118a和相位分量118b的频谱118代表的回波信号包括出现在信号116中的一个或多个频率成分。
因此，询问器110能够处理无芯标签102的频率响应，在该无芯标签102中可以根据多谐振器104的特性对信息进行编码。例如，在数字系统中，特定的频率成分(例如频谱118a的成分f1、f3和fn)的存在可以解释为代表二进制“1”。相反地，频率成分(例如频谱118b的f2)的不存在可以解释为二进制“0”。因为每个这样的频率成分的存在或不存在取决于多谐振器104的特性，因此多谐振器104的结构可以用于对无芯标签102的射频频率响应中的信息进行编码。
可替代地，或者另外地，可以根据谐振器104的特性来修改发送回射频识别询问器的信号118的相位分量118b。例如，相位响应中的相位“跃变”或其它变化，可以出现在特征频率处，例如频谱118b的f2和f3。发送信号相位的这样的特征可以单独地或者结合幅值响应118a的分析来使用，以便获取在多谐振器104中编码的信息。
就这点而论，多谐振器104、从而标签102可以被分配唯一的标识符(ID)或者“频谱标记(spectral signature)”。通过使用多频率信号116询问标签102得到频谱标记。标签102转发接收到的信号，该信号具有在发送频谱的幅值和/或相位中编码的信息。
图2(a)是无芯标签102的一个特别的实施例的布局200的照片。特别地，标签200包括多谐振器电路204，该多谐振器电路204包括一系列螺旋形谐振器204a至204f。标签200还包括接收和发送超宽带单极天线206，208。为了方便，将天线206，208布置成具有正交的极化配置，以便最小化在相应的接收信号与发送信号之间的串扰。将被理解的是，尽管这种配置有助于标签200的询问，然而天线206，208具有正交的极化配置不是必需的，也可以在射频识别询问器中使用其它技术，以便分离发送信号和接收信号。
图2(b)是示出包括多个级联螺旋形谐振器214a至214f的多谐振器结构的更多细节的照片210。微带线212将输入端216连接到输出端218。螺旋形谐振器子结构214a至214f从微带线212在与螺旋形子结构元件的尺寸相对应的、特定的谐振频率处耦合射频能量。因此，具有特定谐振频率的螺旋形谐振器子结构元件的存在，例如214a，导致了在该频率处整个多谐振结构210的响应的相应衰减。因此，螺旋形谐振器子结构214a至214f中的每一个的存在或者不存在确定了具有特定的特征频率和相位响应的相应谐振的存在或者不存在，这样可用于例如对一比特数字信息进行编码。或者，每个元件214a至214f的谐振响应可以通过修改子结构来有效地“关闭”，例如通过短路螺旋形子结构，以便改变或者消除与微带传送线302耦合的谐振。
在图3中示出图形300，在该图形300中通过迹线302示出谐振频率(以千兆赫为单位)作为螺旋形谐振器子结构元件的长度(以毫米为单位)的函数。如可以看到的，对于在大约4mm与大约10mm之间的螺旋长度，相应的谐振频率是长度的单调递减函数，在大约5GHz与大约2GHz之间改变。通过改变每一个螺旋子结构元件的全部尺寸，和/或通过螺旋中的“螺线(turn)”的数目，容易选择螺旋长度。因此，图形300使得多谐振结构的设计能够具有多个选择的特征谐振频率。
图4(a)和图4(b)的图形400和410中示出根据本发明的实施例的多谐振结构的频率响应。特别地，图形400示出与图2(a)和图2(b)示出的结构相似的、包括六个螺旋形谐振器的多谐振结构的插入损耗(以dB(分贝)为单位)。图形400示出原型(prototype)器件的仿真结果401和相应的测量结果402。观察到在仿真与实验之间的近似对应。“波谷”404a至404f与整个多谐振器结构的各个螺旋形谐振器子结构的谐振耦合相对应。也就是说，404a至404f的每个波谷一对一地和例如214a至214f的螺旋形谐振器子结构相对应。
图4(b)是示出与图4(a)示出的插入损耗对应的相位响应的图形410。一系列相位“跃变”或偏移，414a至414f，与各个螺旋形谐振器子结构或整个多谐振器子结构的谐振耦合再次相对应。图形再次示出在仿真结果411与测量结果412之间的比较。在仿真与测量之间观察到相位偏差，该相位偏差很大程度上是采用的仿真方法的人为现象。忽略固定偏差，在仿真与测量结果之间可以看到相对相位之间的近似对应。
从图4(a)和图4(b)中示出的结果，由于包括多谐振器结构的六个螺旋形谐振器，在幅值中观察到六个清楚的谐振空值(null)和六个相应的相位偏移。因此每个螺旋形谐振器贡献可以用于信息编码的特定的谐振。例如，幅值响应中的空值，和/或相应的相位偏移(在这种情况下大约40度)可以用于代表二进制“0”值，而其不存在可以代表二进制“1”。
有必要将数据编码到多谐振器结构中，以便产生具有唯一标识符的射频识别标签。这是可以通过选择性的引入或去除多谐振器的各个谐振来完成的。以下参照图5、图6(a)、图6(b)和图6(c)来描述一种完成该过程的方法。
图5是示出修改的多谐振器结构500的部分照片。在修改的多谐振器500中，短路螺旋中的一个或者多个，以便改变它们的谐振响应。在示出的示例中，上螺旋502未修改，而下螺旋504经由电路迹线506被短路。
图6(a)示出短路多谐振器中的一个螺旋形谐振器子结构的典型效果。图形650示出插入损耗(以dB为单位)作为单个未短路螺旋的频率的函数652，与当同一螺旋被短路时的响应654进行比较。如可以清楚看到的，在频率响应中相应的波谷的幅值存在减少，而相应的特征频率存在基本上向上偏移。(应当指出，这个偏移与如下的事实相一致：螺旋在长度上已经被有效的减少，造成了在图3中示出的图形300所预示的谐振频率的偏移。)频率偏移是有利的，在于它将残余的谐振响应偏移到感兴趣的、信息在其中被编码的频率范围外。
图6(b)和图6(c)示出短路六元件多谐振器结构中的、交替的螺旋形谐振器子结构的效果。在这种情况下，修改的多谐振结构编码二进制序列“101010”。图形600示出未修改的(迹线601)和修改的(迹线602)多谐振器结构的插入损耗的对比。未修改结构有效地编码二进制序列“000000”。如可以容易地观察到的，短路交替的螺旋形谐振器子结构以便编码二进制“1”基本上去除了在未修改的多谐振器结构中、在2.0GHz、2.2GHz和2.4GHz处存在的谐振。去除幅值响应中的这些波谷在幅值响应600中、在频率604b、604d和604f处产生了编码的数据“1”。
图6(c)中示出相应的相位响应结果610。当在未修改的多谐振器结构中出现的、在2.1GHz、2.3GHz和2.5GHz处的相位偏移不存在时，数据“1”被编码。也就是说，在相位响应中、在与幅值响应中的相同频率604b、604d和604f处，数据“1”被编码。
在幅值响应600和相位响应610中可以观察到小的频率偏移，该频率偏移是由电路布局(即螺旋螺线的短路)的改变和制造过程(即PCB铣床)所引入的变化造成。然而，明显地这个小的频率偏移并不削弱在多谐振结构中检测编码的数据的能力。
因此，通过适当地修改螺旋形谐振器子结构，可以将数字信息编码到多谐振器的结构中。可以在制作整个谐振器结构之前执行这种修改。或者，可以制作未修改的谐振器结构，例如300，并随后地进行修改，例如通过增加导电材料来产生短路的螺旋，以便在结构中编码想要的信息。
如图7示出的那样，基于螺旋形谐振器子结构的多谐振器，例如300，可以被结合到实验性的射频识别测试系统700中。如所示的那样，为了测试的目的，使用耦合到发送天线712的矢量网络分析器710来询问无芯标签200(与图2示出的标签相对应)。发送信号被耦合到谐振器结构204的标签接收天线206接收，并且得到的信号经由标签发送天线208发送。
回波信号由耦合回矢量网络分析器710的天线714接收。因此，可以远程地询问无芯标签200的频率响应的幅值和相位，并且可以获取在其中编码的信息。
图8(a)和图8(b)是示出在天线712，714和标签200之间5cm远的距离处使用图7示出的布置700来执行的试验性测量的结果的图形。在每种情况下，在具有“000000”的标识符的“参考”标签，即未修改的多谐振器结构，和编码序列“010101”的标签之间示出比较。图8(a)中示出幅值响应800。将参考响应802与具有编码数据的标签的响应804进行比较，与值20、22和24相对应的数据“1”是清楚可辨别的。图8(b)中示出相应的相位响应810，其中未修改的多谐振结构的响应812与编码序列“010101”的修改的结构的响应814进行比较。当不存在与值20、22和24相对应的相应的相位“跃变”时，在相位响应内的编码数据“1”是清楚可辨别的。
下面的列表总结了代表全0序列和全1序列的多谐振结构在每个特征频率处的幅值和相位的变化，作为询问器天线和标签之间的距离(以厘米为单位)的函数。因此这个列表提供了询问器在不同距离处的灵敏度的指示。
这些结果证明，尽管可以有效地利用幅值或相位响应在短询问距离处(例如不到10cm)提取编码数据，随着询问天线和标签之间的距离增大，相位响应显示为更可靠的译码机制。特别地，甚至在40cm的距离处，在特征频率处存在相位响应的可测量的差异，该差异可以用于在数据“0”与数据“1”之间进行区别。
更多需要射频识别技术的应用，例如鉴别安全文件，流通票据等将需要更多的待被编码的比特数。为此，图9(a)示出无芯射频识别标签的照片920，该无芯射频识别标签包括发送天线922、接收天线924和包含例如928，930的35个单独的螺旋形谐振器的多谐振结构926。这种标签能够编码35比特的数字信息。正如可以看到的那样，为了最小化转发器的尺寸，已经以弯曲的形式布置连接天线922、924的微带线，并且螺旋形谐振器以每个之间3mm的间距放置在线的两侧。图9(b)中示出标签920的测量的插入损耗932。35个特征谐振频率是清楚可见的(934)。这种标签能够编码大约1.3亿个唯一标识符的组合。
图10(a)和图10(b)示出对使用图7中示出的实验性射频识别装置700的标签920的进一步实验性测量，图10(a)和图10(b)分别描绘幅值响应940和相位响应950。测量幅度和相位信息使得没有谐振的标签(即编码所有数据“1”，没有空值和没有相位跃变)充当参考。对多谐振器电路的测量与实验性询问结果的比较示出无芯射频识别标签和对无芯射频识别标签的检测的成功操作。
图9示出根据本发明的无芯标签900的可替代的实施例。特别地，标签包括具有“轮”结构的谐振器904。如下面更加详细描述的，参照图11，轮式谐振器结构904包括“轮轴”子结构、周向“轮缘”子结构和设置在“轮轴”子结构和周向“轮缘”子结构之间的多个辐射状“辐条”子结构。轮式结构904在射频域中表现与“辐条”子结构的放置和形式基本上相对应的多个谐振。
无芯标签900也包括耦合到谐振器904的相应的输入端口和输出端口的接收天线906和发送天线908。因此可以询问标签900，例如用宽频带输入信号916来询问标签900，并返回相应的响应信号918。
图10示意性地示出轮式谐振器结构904的典型特性。如示出的，第一轮式谐振器结构1002可以表现例如射频域1006中的4个谐振峰。因此，该结构可以用于编码二进制序列“1111”。具有“辐条”子结构的不同配置的第二谐振轮式结构1004可以仅表现4个谐振中的三个1008，从而编码二进制序列“1011”。如同先前参照图2至图8描述的连续的螺旋形谐振器结构，轮式谐振器结构904的“辐条”子结构的相关修改可以在标签900的初始制作中施加或通过在制作之后的合适的修改来施加。例如，可以通过切割制作的结构的导电部分去除辐条，例如通过机械装置或通过激光烧蚀。或者，可以通过沉积附加的导电材料来增加辐条，例如通过用导电油墨印刷或通过将合适的导电材料粘附到结构上。
通过考虑图11中示出的交织谐振电路1102，可以理解轮式谐振器904的以上描述的非干扰性、多谐振标记的起因，根据本发明该轮式谐振器904可用于编码信息。该交织谐振电路1102包括多个例如1104的“指状物(finger)”。结构的每个“指状物”代表其值取决于包括指状物的微带传输线的宽度和长度的电感。在每个指状物子结构之间的间隙代表电容，类似地电容取决于间隙的宽度/面积。因此，每组分离的指状物的特定尺寸产生具有特征频谱标记的唯一电感电容谐振电路，其中该特征频谱标记可以用于编码信息。因此由电路1102代表的导电平面结构连同其多个“指状物”子结构可以用于本发明的实施例中，以便在无芯射频识别标签的谐振器中或者在其它物品中编码信息。
图11中还示出的结构1106代表轮式谐振器结构904，并由“折叠”线性结构1102有效地造成，以便产生更多紧密的圆形轮式结构。得到的轮具有中心轮轴子结构1108、周向“轮缘”子结构1110和多个“辐条”子结构，例如1112。
尽管本发明前述的示例性实施例已使用谐振结构和用于询问信号的接收与发送的分开的天线，将被理解的是，如果谐振结构可以合并到天线设计中，可以实现另外的好处，例如在更紧凑的尺寸方面。也就是说，具有固有的多谐振响应、适合于根据本发明的实施例编码信息的天线可以提供给更紧凑和实际的实施。
图12示出具有分形几何(fractal geometry)的结合谐振器和天线的导电结构的构造原理。图12代表的特定的几何是毕达哥拉斯树(Pythagorean Tree，PT)，然而将被理解的是，可以应用相似的原理来产生具有不同几何的谐振器/天线结构。
这一点将被理解，分形结构通常具有自相似的特性，因此使用合适的规则，并基于某些特征参数可以生成分形结构。图12中示出的毕达哥拉斯树结构可以使用矩形发生器1202和三角形发生器1204来构造。特别地，矩形发生器1202以尺寸XL和YL为特征。三角形发生器1204是斜边长度等于XL的直角三角形，因此完全以单个参数为特征，例如角度α。于是毕达哥拉斯树生成的过程是通过在三角形发生器的、与其直角相邻的每个边上构造与生成的矩形1202相似的矩形(即具有相同的比例)来进行，由此产生分支结构1206。
关于每个新构造的矩形，该过程可以重复任何期望的迭代数目。
因此毕达哥拉斯树结构完全以生成参数为特征，该生成参数是矩形发生器的尺寸XL和YL和三角形发生器的角度α，以及迭代阶数(iteration order)(即生成过程的迭代数目)。于是给定的毕达哥拉斯树可以定义为PT(XL，YL，α，i)，其中i是迭代阶数。
图13是根据前述的步骤构造的、并由PT(3，18，30，9)限定的分形谐振器/天线的照片1300，其中尺寸以毫米表示，角度以度表示。本发明人还制造了许多具有不同参数的、另外的这样的结构。由于所有这些结构通常是相似的外观，图中没有描绘另外的谐振器/天线的设计。
图14是测量的回波损耗作为谐振器/天线结构1300的频率的函数的图形1400。如可以看到的，该结构表现多个谐振(大约30个)，许多谐振是非常地清楚，因此根据本发明的实施例许多谐振适合于在该结构中编码信息。特别地，已经发现通过短路毕达哥拉斯树的某些“分支”，例如使用铜带，可以去除响应1400中示出的、选定的谐振，并对剩余的谐振有极小的影响。或者，例如毕达哥拉斯树1300的结构可以形成有已在恰当位置的短路连接，并且这些连接可以随后地被断开或烧蚀，以便引入期望的相应的谐振。而且，具有期望的谐振并且由此编码特定的信息内容的毕达哥拉斯树结构可以以期望的形式，例如使用传统的PCB制造技术和/或合适的导电印刷工艺，来预定和制作。
图15示出标记为分形A(与结构1300相对应)到分形H的许多不同的毕达哥拉斯树分形谐振器/天线结构的测量的回波损耗的图形1500。如可以看到的，所有这些结构表现相似的谐振特性，尽管每个谐振的深度和特征频率在不同的结构之间不同。因此，很明显的是，通过改变用于生成导电谐振器/天线结构的分形几何的生成参数和/或迭代级数，可以识别具有对于任何给定的应用特别理想的特性的结构。
图16是示出用于包括毕达哥拉斯树分形几何的、远程询问的谐振器/天线结构的实验性测试设置的元件的框图1600。输入射频信号1602被耦合到合适的读取器或询问器的发送天线1604。信号通过自由空间(1606)传播，并被毕达哥拉斯树天线1608接收。毕达哥拉斯树天线1608被耦合到宽带天线1610(例如与宽带单极天线206，208相似)，由此得到的信号再次通过自由空间(1612)传播回到读取器或询问器的接收天线1614。将被理解的是在这个设置中的无芯射频识别标签并不要求两个分开的天线和谐振结构，而是毕达哥拉斯树天线1608既充当谐振器也充当天线中的一个。因此，使用这种结构可以减少这样的器件的尺寸、成本和复杂性。
图17是示出根据在图16中示意性描述的布置1600，耦合到宽带天线1610的原型毕达哥拉斯树天线1608的实验性询问的示例性结果的图形1700。图形1700包括代表测量的接收功率的曲线1702，相对于当标签不出现时在天线1614处接收到的功率。毕达哥拉斯树谐振器/天线结构的谐振1702是清楚可见的，该谐振1702与该结构在测量的S11幅值1704中的“波谷”相对应。这证明了分形几何(特别是谐振器/天线几何)被远程地询问以便在相应的特征频率处识别谐振的存在或不存在的能力。
尽管在前述中已经参照许多原型无芯射频识别标签器件描述了本发明，将被理解的是本发明的实施例可以应用在各种其他应用中。例如，体现本发明的天线/谐振器结构可以被制作、印刷在各种不同的物品上或结合到各种不同的物品中，各种不同的物品包括但不限于，射频识别标签、安全文件和例如钞票的流通票据。因此为了安全和/或鉴别的目的，以及为了识别、检测和/或跟踪多个条目或者感兴趣的物品，可以使用它们。
因此，将要明白的是本发明并不局限于在此描述的特定实施例，这些特定实施例仅仅作为例子而提供。更确切地，本发明的范围是由所附的权利要求来限定的。
Claims (27)
1.一种在其中对信息进行编码的谐振器/天线，所述信息能够通过施加合适的射频(RF)激励，并且识别相应的射频频率响应中的谐振来获取，所述谐振器/天线包括：
设置在电介质衬底上的平面导电多谐振器结构，
所述多谐振器结构包括与在射频域中的多个谐振相关联的多个子结构，每个所述谐振具有取决于所述子结构的特征频率，
其中所述子结构被形成以便在所述谐振器/天线的所述射频频率响应中对信息进行编码，所述信息在与所述子结构相关联的所述谐振中被编码。
2.根据权利要求1所述的谐振器/天线，其中，谐振响应在相应的特征频率处的存在和/或不存在被用于编码数字信息。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器/天线，其中，所述信息至少部分地在所述多谐振器结构的幅度响应中、在所述特征频率处被编码。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振器/天线，其中，所述信息至少部分地在所述多谐振器结构的相位响应中、在所述特征频率处被编码。
5.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器/天线，其中，在所述谐振器/天线的每个子结构与相关联的谐振之间有直接的一一对应关系。
6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器/天线，其中，所述平面导电多谐振器结构包括包含有多个级联的谐振器结构的多阻带滤波器，每个所述谐振器结构与具有相关联的特征频率和相位响应的阻带相对应。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的谐振器/天线，其中，所述平面导电多谐振器结构包括轮式结构，所述轮式结构包括中心“轮轴”子结构、周向“轮缘”子结构和设置在所述中心“轮轴”子结构和所述周向“轮缘”子结构之间的多个辐射状的“辐条”子结构，其中谐振与每个所述辐条子结构相关联。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的谐振器/天线，其中，所述平面导电多谐振器结构包括交织谐振电路，所述交织谐振电路包括多个设置在其间的、平行的微带线子结构，其中谐振与每个微带线子结构相关联。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的谐振器/天线，其中，所述平面导电多谐振器结构包括以多个生成参数和迭代阶数为特征的分形几何，其中所述导电结构在所述射频(RF)域中表现多个不同的谐振，每个所述谐振的特征频率取决于所述生成参数和迭代阶数。
10.一种对信息进行编码的方法，所述信息通过射频(RF)激励来询问和/或获取，所述方法包括：
提供谐振器/天线结构，所述谐振器/天线结构包括包含多个子结构的多谐振器，并且所述谐振器/天线结构在射频域中表现多个谐振，其中每个所述谐振的特征频率取决于所述子结构；
通过根据待被编码的信息修改所述谐振器/天线结构的一个或多个所述子结构来限定修改的谐振器/天线结构；以及
形成谐振器/天线，所述谐振器/天线包括设置在电介质衬底上的导电结构，所述谐振器/天线还包括所述修改的谐振器/天线结构，
由此，能够通过将合适的射频激励施加到所述谐振器/天线并且识别相应的射频频率响应中的谐振来随后地确定编码的信息。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述谐振器/天线结构在所述多个子结构中的每一个与所述射频域中相关联的谐振的特征频率之间设置基本上直接的对应关系，由此，修改子结构导致在相应的特征频率处所述谐振器/天线结构的响应的改变。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述信息至少部分地在所述多谐振器结构的幅度响应中、在所述特征频率处被编码，其中所述修改一个或多个所述子结构导致所述幅度响应的相应改变。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述信息至少部分地在所述多谐振器结构的相位响应中、在所述特征频率处被编码，其中所述修改一个或多个所述子结构导致所述相位响应的相应改变。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，修改每个子结构导致所述谐振在所述相应的特征频率处基本上存在或不存在，由此每个子结构能够用于编码一比特数字信息。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述谐振器/天线结构包括包含有多个级联的谐振器子结构的多阻带滤波器，每个所述谐振器子结构与具有相关联的特征频率和相位响应的阻带相对应，使得能够通过修改所述谐振器子结构来在所述结构中对信息进行编码。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述谐振器子结构是螺旋形谐振器。
17.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述谐振器/天线结构包括轮式形式的多谐振器，所述轮式形式包括中心“轮轴”子结构、周向“轮缘”子结构和设置在所述中心“轮轴”子结构和所述周向“轮缘”子结构之间的多个辐射状的“辐条”子结构，由此，谐振与每个所述辐条子结构相关联，使得能够通过修改所述辐条子结构来在所述结构中对信息进行编码。
18.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述谐振器/天线结构包括交织谐振电路形式的多谐振器，所述交织谐振电路包括多个设置在其间的、平行的微带线子结构，由此，谐振与每个微带线子结构相关联，使得能够通过修改所述微带线子结构来在所述结构中对信息进行编码。
19.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述谐振器/天线结构包括具有以多个生成参数和迭代阶数为特征的分形几何的平面导电结构，其中所述导电结构在所述射频域中表现多个不同的谐振，每个所述谐振的特征频率取决于所述生成参数和迭代阶数，并且其中能够通过短路和/或断开所述分形几何的如分支的各个子结构，来在所述分形结构中对信息进行编码。
20.根据权利要求10至19中任一项所述的方法，其中，所述谐振器/天线结构被制造为包括预先形成的多个子结构，并且通过物理上改变结构来随后地修改所述子结构，以便形成期望的对所述信息进行编码的谐振器/天线。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，增加导电元件以便“短路”特定的子结构元件。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，通过如激光烧蚀的切割将所述子结构元件从整个结构断开。
23.一种包括设置在电介质衬底上的平面导电结构的谐振器/天线，
其中所述导电结构包括以多个生成参数和迭代阶数为特征的分形几何，
由此，所述导电结构在射频(RF)域中表现多个不同的谐振，每个所述谐振的特征频率取决于所述生成参数和迭代阶数。
24.根据权利要求23所述的谐振器/天线，其中，所述分形几何是毕达哥拉斯树，其中所述生成参数是生成矩形的尺寸和生成三角形的特征角度。
25.根据权利要求24所述的谐振器/天线，其中，修改所述导电结构的谐振，以便通过“短路”和/或断路所述分形几何的如分支的各个子结构来在所述结构中对信息进行编码。
26.一种包括根据权利要求1至9和23至25中任一项所述的谐振器/天线的无芯无源射频识别标签、安全文件或流通票据。
27.一种包括谐振器/天线的无芯无源射频识别标签、安全文件或流通票据，所述谐振器/天线包括根据权利要求10至22中任一项所述的方法进行编码的信息。
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