CN102073834A - 射频标识系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频标识系统，其具有采用相位调制的无源反向散射发送应答器。发送应答器有选择地将其天线耦合到两个以上阻抗中的其中一个阻抗。当每个阻抗在有阅读器连续波的情况下耦合到天线时，每个阻抗能产生一个反射信号。由阻抗产生的反射信号彼此异相。发送应答器在阻抗之间转换，以便通过反射信号相移对进入反射信号的发送应答器信息编码。阅读器检测在阅读器中接收到的反射信号的相移以获得发送应答器信息。通过对阻抗进行选择，能够产生具有所需相位关系即相位差并具有足够幅度的反射信号。本发明所提供的射频标识系统结构简单，灵敏度高。

Description

射频标识系统

技术领域

本发明关于一种射频标识(Radio Frequency Identification；RFID)系统，尤其是关于一种改进的、将相位调制用于RFID系统的反向散射发送应答器。

背景技术

射频反向散射发送应答器和射频标识(Radio Frequency Identification；RFID)标签用于各种各样的通信系统中，特别是用于这样的系统：在系统中，像车辆类的复杂调度装置装配有发送应答器，该发送应答器与连接到中央系统的一组阅读器通信。这些类型的分布式移动通信系统可以用于电子收费、强制停车、仆从服务、燃料供应站、交通管理以及各种各样的其它用途。

在射频标识系统中使用的射频反向散射发送应答器是两种类型发送应答器，有源发送应答器和无源发送应答器，的一种典型应用。有源发送应答器包括一个给有源发送应答其的电子装置提供电能的电源，用于使有源发送应答器能够对阅读器产生广播应答信号。无源发送应答器没有自己的电源。无源发送应答器一般利用反向散射调制技术从阅读器调制连续波射频发送信号。反向散射调制包括：采用电的方式，按照无源发送应答器的调制信号，将无源发送应答器的天线从反射特性转换成吸收特性。现有的无源发送应答器使无源发送应答器在负载(一般为50欧姆)与地之间转换。无源发送应答器天线产生一个很小的反射信号。在该反射信号中，使用开关键控(OOK)对信号编码。对于从阅读器发送出的连续波而言，反射信号很小，因此，这种开关键控幅度的变换可能很难被阅读器检测到。

现有的无源发送应答器很难设计得当，因为无源发送应答器需要高效率的天线，以使接收的信号的返回的信号最大。虽然用尽可能小的天线制作一个发送应答器以便最大限度地减少无源发送应答器的尺寸与成本是可取的，但是，这必然会使生产厂家在增加天线尺寸方面有压力。无源发送应答器的作用范围也受到以下限制：天线效率的限制、阅读器信号功率的限制，以及该无源发送应答器利用反向散射调制能够引入的相对幅度变化的限制。

因此，方便的办法是，供给一个能部分地克服现有装置的这些或者其它缺点的发送应答器。

发明内容

本发明提供一种带有相位调制无源发送应答器的反向散射射频标识系统。该无源发送应答器有选择地将其天线耦合到两个或两个以上阻抗之一。在无源发送应答器中，当阻抗耦合到阅读器的射频连续波天线时，每一个阻抗产生一个反射信号。由这些阻抗产生的反射信号彼此异相。无源发送应答器在不同的阻抗之间转换，以便利用反射信号的相移编码。选择不同的阻抗，以便产生具有所需相位关系或者相位差并且有足够幅度的反射信号。阅读器包括用于检测反射信号的相对相移的相位检测装置。

在根据本发明的至少一个具体设备中，本发明提供一个具有至少四个阻抗的发送应答器。天线可以有选择地耦合到阻抗上，以便于正交相移调制。

根据本发明的一方面，本发明提供一个包括发送应答器与阅读器的射频标识系统。发送应答器包括用于接收连续波射频信号并将其转换成接收信号的天线、第一阻抗、第二阻抗，控制器以及开关。开关在控制器的控制下工作，开关耦合到天线并有选择地将天线连接到第一阻抗或第二阻抗。反射信号包括对应于第一阻抗反射的第一反射信号和对应于第二阻抗反射的第二反射信号。第一反射信号与第二反射信号不同相，相差一个相位差。阅读器包括一个用于传输连续波射频信号并接收反射信号的阅读器天线，和一个用于检测反射信号内相对相移的相位检测装置。

根据本发明的另一方面，本发明提供一个包括发送应答器与阅读器的射频标识系统。发送应答器包括用于接收连续波射频信号、将其转换成接收信号并且传输反射信号的天线。该发送应答器也包括接收已收到的信号并将已收到的信号作为反射信号反射回天线的反射装置，该反射装置包括相位调制装置，该相位调制装置通过在反射信号范围内产生相位差的方法对带有发送应答器信息的被反射信号进行编码。阅读器包括传输连续波射频信号并接收反射信号的阅读器天线，和检测反射信号范围内相移与提取发送应答器信息的相位检测装置。

根据本发明的又一方面，本发明提供一种用于相位调制射频标识系统的阅读器。所述射频标识系统具有发送应答器，该发送应答器产生一个反射信号以响应连续波射频信号，反射信号包括利用反射信号相移编码的发送应答器信息。阅读器包括用于传输连续波射频信号与接收反射信号的一个阅读器天线，和用于检测反射信号的相对相移并提取发送应答器信息的一个相位检测装置。

本发明通过利用不同的阻抗来进行相位调制，使射频标识系统结构简单，灵敏度高。

对于具有本行业普通技能的人来说，根据以下的详细说明并结合相关的图表，本发明的其它方面与本发明的特点是显而易见的。

附图说明

图1是现有的采用反向散射幅度调制的无源发送应答器的结构示意图；

图2是现有的无源发送应答器得到的反射信号相对相位与相对幅度的组图；

图3是现有的无源发送应答器得到的阅读器中接收到的反射信号曲线图；

图4是根据本发明第一实施例的使用反向散射相位调制的发送应答器的方框示意图；

图5是根据本发明第一实施例的无源发送应答器得到的反射信号相对相位与相对幅度的组图；

图6是根据本发明第一实施例的无源发送应答器得到的阅读器中接收到的反射信号曲线图；

图7是根据本发明第二实施例的无源发送应答器的方框示意图；

图8是根据本发明第二实施例的无源发送应答器得到的反射信号相对相位与相对幅度的组图；

图9是根据本发明第二实施例的无源发送应答器得到的阅读器中接收到的反射信号曲线图；

图10是根据本发明的反向散射射频通信系统，包括无源发送应答器与阅读器，的方框示意图。

在不同的图表中，采用类似的参考数字表示来类似的部分。

具体实施方式

首先介绍图1。图1表示现有技术中，利用反向散射幅度调制器的无源发送应答器10的结构示意图。无源发送应答器10包括天线12、开关14、控制器16、存储器18，以及阻抗20。

开关14将天线12连接到地或者阻抗20。阻抗20连接在开关14与地之间。

开关14在控制器16的控制下工作。控制器16从存储器18接收数据信号22。控制器16根据数据信号22控制开关14。例如，数据信号22可能包括在存储器18中存储的发送应答器信息。发送应答器信息将取决于发送应答器10的应用。例如，在电子车辆收费系统(electronic toll collection；ETC)系统中，发送应答器信息可能包括发送应答器标识号码、最后交易时间、车辆类型、或者其它类似信息。

天线12从远程应答器接收连续波射频(continuous wave radio frequency；CWRF)发送。在广播连续波发射之前，阅读器可以发出一个轮询信号，即触发信号，以便唤醒该发送应答器。连续波射频发送感应出天线12中的射频电流，即射频信号。

开关14将射频信号耦合到地或者阻抗20。地大约相当于总反射特性。一般选择阻抗20以提供近似总吸收特性。因此，当从天线12得到的射频信号通过开关12直接耦合到地时，反射信号最大；当从天线12得到的射频信号耦合到阻抗20时，反射信号最小。值得注意的是，阻抗20吸收射频信号的程度将取决于阻抗20的选择，因为阻抗20吸收射频信号的程度将取决于匹配的质量。

现在参考图2，图2表示从图1无源发送应答器得到的反射信号相对相位与幅度的组图50。在原点52的这个点对应于“总吸收”，即对应于当开关14把天线12耦合到负载电阻20时的反射信号。在圆圈56上的点54对应于“总反射”，即对应于当开关14把天线12耦合到地时的反射信号。相对幅度差的大小由圆圈56的半径给出。

利用反射信号幅度在阅读器识别上的相对变化，从发送应答器10到阅读器的通信变得更为方便。相对幅度变化越大，阅读器越能容易地识别发送应答器10天线负载的变化和恢复数据信号22。在圆圈56上点54的精确位置与通信方式无关，即不考虑相位，因为通过幅度调制对信息进行编码。在阅读器中，相对于连续波信号相位的反射信号相位将取决于负载特性和信号路径特性，即从发送应答器到阅读器的距离。阅读器接收到的射频信号将包括叠加在连续波信号反射波上的反射信号。在连续波信号的反射信号与反射波之间的相对相位差可能影响阅读器检测反射信号幅度偏离的能力。因此，阅读器一般设计成能使用循环电路以便与来自本地振荡器的信号适当混合，设法隔离反射信号，此处，循环电路不会有助于减少反射信号。

图3表示阅读器自图1发送应答器得到的传感信号曲线图70。绝大多数传感信号由于连续波发送引起的；然而，从发送应答器10得到的反射信号对传感信号的幅度有影响。当天线12接地，即提供一个总反射特性时，反射信号的幅度最大，产生最大传感信号峰-峰幅度72。当天线12耦合到阻抗20，即提供一个总吸收特性，时，传感信号产生幅度下降d。在某些具体设备中，相对于峰-峰传感信号幅度的幅度下降d可以达到60dB。应当注意的是，这可能很难在阅读器中检测到。

因此，本发明提出一个用于射频标识(Radio Frequency Identification；RFID)反向散射相位调制系统的发送应答器。本发明所提供的射频标识系统包括电子车辆收费系统，发送应答器包括车载发送应答器，射频标识系统中与发送应答器对应的阅读器包括路边阅读器。现在，请参阅图4。图4表示根据本发明第一实施例的反向散射相位调制的发送应答器100的方框示意图。发送应答器100包括天线112，开关114，控制器116和存储器118。发送应答器100也包括第一阻抗102和第二阻抗104。开关114将天线112耦合到第一阻抗102或者第二阻抗104。

选择第一阻抗102和第二阻抗104，旨在获得一定的吸收/反射特性。特别是，两个阻抗102和104是这样选择的：两个负载产生有一个相对相位差的发射信号。例如，第一阻抗102可能产生一个与第二阻抗104产生的反射信号相位差大约180度的反射信号。当然，相位差用不着是大约180度，但是，相位差应当大到足以产生一个使反射信号接收器能够检测到的相对相位变化。在一种设备中，两个信号之间的相位差是在45度到180度之间。

现在，请同时参阅参考图4和图5。图5表示从图4无源发送应答器得到的反射信号相对相位与幅度的组图150。当天线112耦合到第一阻抗102时，反射信号具有通过第一相位复数矢量152表示的幅度与相位。当天线112耦合到第二阻抗104时，反射信号具有通过第二相位复数矢量154表示的幅度与相位。应当注意的是，在这个设备例子中，第一相位复数矢量152与第二相位复数矢量154的幅度几乎是相同的，即第一相位复数矢量152与第二相位复数矢量154均在圆圈156上；但是，需要注意的是，在所有的设备中，这并不是必须的。在第一相位复数矢量152与第二相位复数矢量154之间的相对相位差用角度Φ表示。应当知道的是，精确的角度Φ将取决于这两个不同阻抗102与104产生的反射信号相位差。该相位差不必是180度；相位差可以是任何数值，只要相位差大到足以被阅读器检测出来即可。

现在参考图6。图6表示图4发送应答器反射信号的曲线图170。曲线图170假定相位角Φ大约为90度。已经示出反射信号。反射信号在第一持续时间172、第二持续时间174与第三持续时间176内的振荡时间一致。一个相位变化发生在第一持续时间172和第二持续时间174之间的点178。另一个相位变化发生在第二持续时间174和第三持续时间176之间的点180。例如，第一持续时间172可能代表逻辑零，在点178的相位变化可能将一个变化反射回逻辑零。通过检测反射信号的相对相位变化，阅读器可以在反射信号中提取发送应答器编码的信息。阅读器包括一个解调器。该解调器并入了检测接收反射信号相对相位变化的相位检测装置。设计与检测一个已知阅读器-发送应答器射频系统反射信号相位变化的适当相位检测装置的前提是，了解本专业的一项普通技术，并重视这里的说明。

现在参考图10。图10表示用于反向散射射频通信的系统300，包括发送应答器100与阅读器302。阅读器302包括天线304。阅读器传播连续波射频信号310，以便激励和/或触发阅读器302附近任何发送应答器的响应。发送应答器100接收并反射作为反射反向散射信号312的连续波射频信号310。反射反向散射信号312包括相移。相移对发送应答器100存储器中存储的信息进行编码。为了产生有区别的相位特性的反射信号，通过在选择的两个以上的阻抗之间转换发送应答器天线112来产生相移。

阅读器302通过其天线304接收反射的反向散射信号312。阅读器302包括用于检测反射反向散射信号312内相对相位变化的相位检测装置306。阅读器302由此利用相位调制接收该发送应答器传播的信息。具有本专业普通技能的人们将会知道，阅读器302可以包括用于隔离与检测反射反向散射信号312的其它元件。如阅读器302包括耦合到所述阅读器天线的接收检测器(未图示)，用以接收进入信号、隔离所述反射信号，并将所述隔离的反射信号输入到所述相位检测装置。只要该信号被充分隔离与检测，相位检测装置306就能识别信号的相移。检测到的相移向阅读器302提供发送应答器300编码的信息，换言之，相位检测装置306从相移中提取发送应答器信息。

仍然参看图4到图6，本专业具有普通技能的人们将会懂得，反向散射场中的反射能量可以用Hansen矢量方程来建立模型：

$E_s\left(Z_L\right)=E_s\left(0\right)-\left[\frac{I\left(0\right)-(1-{\mathrm{\Γ}}_A)}{2}\right]E_r---\left(1\right)$

式中，Es(0)是对应于天线112接地的全反射信号能量，Es(Z_L)是天线112耦合到阻抗Z_L时的反向散射场。方程1第二项表示阻抗Z_L吸收的能量。在第二项中，矢量I(0)表示接地时的电流，因子Γ_A是由阻抗匹配质量决定的反射体系数，矢量Er是反射的信号能量。利用阻抗Z_L，方程1第二项可以变换以产生有特定相位的反向散射场能量矢量Es(Z_L)。因此，通过选择适合的Z_L1和Z_L2，可以使发送应答器100产生有特别相位关系的反向散射场能量矢量Es(Z_L1)和Es(Z_L2)，以至于当发送应答器100在两个阻抗之间转换时阅读器能够接收场能量并检测相位变化。

下面的全向方程类似于方程1。该方程建立了当天线112耦合到给定阻抗时有效雷达截面积的模型：

$\mathrm{\σ}={|\sqrt{{\mathrm{\σ}}_s}-(1-{\mathrm{\Γ}}_A)\sqrt{{\mathrm{\σ}}_r}{e}^{\mathrm{j\φ}}|}^2---\left(2\right)$

式中，σs表示天线接地情况下的雷达截面积，σr是对应于一个特定阻抗反射信号的雷达截面积，Φ是两个元件之间的相对相位。

现在参看图7。图7表示根据本发明第二实施例的发送应答器100的方框示意图。在这种具体设备中，有一个反射装置，该反射装置包括控制器116、存储器118、开关114，以及有4个阻抗：202、204、206和208。天线112接收连续波射频信号并将其转换成接收信号。天线112可以通过开关114耦合到所述4个阻抗上，由于每个阻抗202、204、206和208在耦合到天线112时，反射不同部分的输入射频信号，使天线112传输不同的反射信号。因此，对应于每个阻抗202、204、206和208的反射信号，在相位上与对应于其它阻抗202、204、206和208的反射信号不同。换言之，所述四个阻抗作为一个相位调制装置，通过使所述反射信号产生相移，利用发送应答器信息对所述反射信号编码。在同一个具体设备中，阻抗202、204、206和208是这样选择的：反射信号在相位上相隔大约45度或90度。因而，这便于发送应答器100参与正交相移通信，利用正交调制对反射信号编码。

现在参看图8。图8表示阅读器天线从图7无源发送应答器100获得的反射信号相对相位与幅度的组图220。对应于4个阻抗202、204、206和208的反射信号由4个相位复数矢量224、226、228和230来表示。

应当知道的是，虽然图5与图8的组图表明代表有相同幅度反射信号的相位复数矢量，但是，如果它们有能够进行相位调制的可测量的相位差，则反射信号未必需要有相同的幅度。在某些具体设备中，利用相位调制与幅度调制的结合，数据可以通过发送应答器传送到阅读器。

现在参看图9。图9表示阅读器天线从图7发送应答器100获得的反射信号的曲线图250。曲线图250假定，在通过阻抗202、204、206和208串联产生的连续反射信号之间的相位角大约为90度。在曲线图250中示出的反射信号的特点是，4个点252、254、256和258的相移为90度。在差分相位调制方案中，这些相移可以反应由反射信号表示的逻辑对的变化，如曲线图250下方所示。

具有本专业普通技能的人员应当知道，关于相位检测装置的以上说明中的基准电路，可以使用各种各样分立或者集成电子元件，比如在存储程序控制下工作的微处理器或微控制器，和/或使用专用集成电路芯片来体现。对于具有本专业普通技能的人员来说，采用的其它具体设备是很清楚的。根据在这里的说明对微处理器或微控制器进行适当编程，应当在具有本专业普通技能人员的技能范围之内。

具有本专业普通技能的人员也应当懂得范围广泛的电子元件或器件。这些电子元件或器件可以作为一个开关使用。如上所述，在控制器的控制下，开关有选择地将天线耦合到阻抗。在一些具体设备中，开关也可以包括晶体管或者其它固体器件。

如果不脱离本发明的精神即基本特性，本发明可以用其它具体形式来体现。对于具有本专业技能的人员而论，本发明的一定适应与修改是显然的。所以，以上讨论的具体设备被认为是说明性的，不是限制性的。本发明的范围是用附加的要求而不是上述说明来表示。因此，包括在这些要求的含义与等效性范围的所有修改均确定为本发明包含的内容。

Claims (19)

1.一种射频标识系统，其特征在于，该系统包括：

发送应答器，该发送应答器包含

天线，用于接收连续波射频信号，并将该连续波射频信号转换成接收信号；

第一阻抗；

第二阻抗；

控制器；以及

开关，该开关在控制器的控制下工作，该开关耦合到所述天线并且有选择的将所述天线连接到所述第一阻抗或者所述第二阻抗；

所述接收信号作为一个反射信号被返回到所述天线，所述反射信号包括对应于从上述第一阻抗反射的第一反射信号，和对应于从上述第二阻抗反射的第二反射信号；所述第一反射信号与所述第二反射信号相差一个相位差；

以及，

阅读器，该阅读器包括用于传输上述连续波射频信号和接收上述反射信号的阅读器天线，和用于检测所述反射信号的相位差的相位检测装置。

2.根据权利要求1所述的射频标识系统，其特征在于，所述相位检测装置从所述相位差中提取一发送应答器信息，所述控制器根据该发送应答器信息操作所述开关，所述发送应答器还包括一个存储器，用于存储所述发送应答器信息。

3.根据权利要求1所述的射频标识系统，其特征在于，所述相位差由所述第一阻抗和第二阻抗的阻抗决定，通过选择所述第一阻抗和第二阻抗，能够利用所述相位检测装置，产生需要的、能够检测的相位差。

4.根据权利要求1所述的射频标识系统，其特征在于，所述第一反射信号和所述第二反射信号的幅度值，足以使第一反射信号和第二反射信号传输到所述阅读器。

5.根据权利要求1所述的射频标识系统，其特征在于，该射频标识系统还包括一个第三阻抗和一个第四阻抗；所述开关能够有选择的将所述天线耦合到所述第一阻抗、所述第二阻抗、所述第三阻抗，和所述第四阻抗，并分别产生所述第一反射信号和所述第二反射信号，对应第三阻抗和第四阻抗，分别产生第三反射信号和第四反射信号；所述第一反射信号、第二反射信号、第三反射信号，和第四反射信号的任何两者之间，都有一个相位差。

6.根据权利要求1所述的射频标识系统，其特征在于，每两个连续的所述反射信号之间的相位差大约是90度，用以使所述发送应答器能够利用正交调制对信息编码。

7.根据权利要求1所述的射频标识系统，其特征在于，所述射频标识系统包括电子车辆收费系统，所述阅读器包括路边阅读器，所述发送应答器包括车载发送应答器。

8.根据权利要求1所述的射频标识系统，其特征在于，所述阅读器还包括一个耦合到所述阅读器天线的接收检测器，用以接收进入信号、隔离所述反射信号，并将所述隔离的反射信号输入到所述相位检测装置。

9.一种射频标识系统，其特征在于，该系统包括：

发送应答器，包含：

天线，用于接收连续波射频信号并将其转换成接收信号，并用于传输反射信号；

反射装置，用于接收所述接收信号并将该接收信号作为反射信号反射回所述天线，该装置包括相位调制装置，该相位调制装置通过使所述反射信号产生相移，利用发送应答器信息对所述反射信号编码；

阅读器，包含：

阅读器天线，用于传输所述连续波射频信号和接收所述反射信号；

相位检测装置，用于检测所述反射信号的相移并且提取所述发送应答器信息。

10.根据权利要求9所述的射频标识系统，其特征在于，所述反射装置包括存储所述发送应答器信息的存储器和按照发送应答器信息控制所述相位调制装置的控制器。

11.根据权利要求9所述的射频标识系统，其特征在于，所述相位调制装置还包括至少两个阻抗和一个开关，通过操作该开关，将所述天线耦合到至少其中一个阻抗上，以产生所述反射信号。

12.根据权利要求11所述的射频标识系统，其特征在于，所述两个阻抗分别产生第一反射信号和第二反射信号，所述第一反射信号与所述第二反射信号不同相，因此导致所述反射信号的相移。

13.根据权利要求12所述的射频标识系统，其特征在于，所述两个阻抗能够使所述相移被所述阅读器的所述相位检测装置检测到。

14.根据权利要求11所述的射频标识系统，其特征在于，所述至少两个阻抗包括四个阻抗，并且所述相位调制装置包括一个正交相移调制装置。

15.根据权利要求9所述的射频标识系统，其特征在于，所述射频标识系统包括电子车辆收费系统，所述阅读器包括路边阅读器，所述发送应答器包括车载发送应答器。

16.根据权利要求9所述的射频标识系统，其特征在于，所述阅读器还包括耦合到阅读器天线的信号接收装置，该信号接收装置用于接收所述反射信号，隔离所述反射信号，并将隔离后的所述反射信号输入到所述相位检测装置。

17.一种用于射频标识系统的阅读器，所述射频标识系统具有一个发送应答器，该发送应答器采用相位调制装置产生若干个反射信号以分别响应若干个连续波信号，该反射信号包括使用反射信号相移编码的发送应答器信息，其特征在于，所述阅读器包括：

阅读器天线，用于传输连续波射频信号和接收反射信号；

相位检测装置，用于检测所述反射信号的相对相移和提取所述发送应答器信息。

18.根据权利要求17所述的用于射频标识系统的阅读器，其特征在于，所述阅读器还包括耦合到所述阅读器天线的接收检测器，用于接收进入信号，隔离所述述反射信号，并将所述隔离反射信号输入所述相位检测装置。

19.根据权利要求17所述的用于射频标识系统的阅读器，其特征在于，所述射频标识系统包括电子车辆收费系统，所述阅读器包括路边阅读器，所述发送应答器包括车载发送应答器。

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