CN102254208B - 声表面波无源射频识别标签和传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声表面波无源射频识别标签和传感器，它由阅读器、应答器和数据库组成。应答器的探测头是一采用声表面波技术的无源组件，内含一个或多个具有防碰撞功能的声表面波射频识别码芯片单元。阅读器顺序发射数个相异编码调制载波脉冲，各探测头识别码芯片单元或同一探测头内相异识别码芯片单元的输入防碰撞换能器顺序只对相应载波脉冲产生芯片内相关声脉冲，并被该芯片单元的编码体转换为回波电脉冲串，返回阅读器解调，得到识别码和传感信息。采用本发明，利用多个防碰撞芯片单元，码分时分组合构成射频识别系统，具有低成本和通用的特点，有助于大容量声表面波射频识别标签和多功能声表面波无线传感器实用化。

Description

声表面波无源射频识别标签和传感器

技术领域

本发明涉及声表面波无源射频识别(RFID)标签和传感器。

背景技术

射频识别(RFID)是现今技术发展的需要。采用声表面波(SAW)技术的射频识别标签具有无源、严酷环境适用和维护生产简单等特点，是现今IC产品的补充。声表面波传感器，也因无源和无线传感的特点，是无线物联网的优选。

声表面波射频识别标签和传感器的研制工作已有多年，并发表了多项有关专利，大容量编码是射频标签实用化的基本条件，但至今市场推广不尽人意，主要原因是大容量编码标签生产技术有本质缺陷。

目前主流技术的编码方式都是基于反射栅时域特性的，理论上可以满足市场需要。因为反射栅编码技术是建立在芯片反射栅的时域特性，如时基位置、幅度和相位等等，为了回波的幅度一致及时域分辨灵敏度，不同编码的标签芯片要分别设计并要经过不同的半导体工艺工序，不同编码标签就是不同种产品。例如，要建立一百万号容量的SAW射频识别标签系统，就有一百万个不同的芯片，封装后成一百万个产品，芯片编码与封装后产品号必须一一对应。所以大容量标签的生产技术必定繁复，导致产品成本高，成品管理很困难。

因此，如何简化大容量SAW射频识别标签探测头的生产技术，是充分发挥SAW标签的优势的技术前提。

采用SAW技术的RFID标签发明已有多年，有关文献和专利不少，但就本技术有关的不多，我们己查阅的主要有：

美国专利US005469170(1994.10.20，1995.11.21)，Passive SAW_ID tags usinga chirp transducer by Elio A.Mariani，采用色散换能器(chirp transducer)接收线性调频(chirp)调制载波，形成芯片内询问窄声脉冲。由于脉冲窄，可使编码体间距大大减小，编码容量大。编码体为标准抽头延迟线，可以加大回波幅度，增加标签阅读距离。

1998IEEE Ultrasonics Symposium J-4学术会议论文：On-Chip Correlation-A New Approach to Narrow Band SAW Identification Tags by W.Buff et al.，提出采用编码为S1(t)的相关器作为声表面波标签输入换能器，用相关编码S1(-t)载波源激励在芯片上获得窄声脉冲的方法(OOC，On-Chip Correlation)获得标签的询问脉冲。而识别码也采用编码换能器。并实验证明了方法的可行性。

美国专利US006788204(2000.3.2，2004.12.7)，Surface Wave TransducerDevice and Identification System with such Device by Zbignew Ianelli et al.，采用色散换能器接收线性调频调制载波，形成询问窄声脉冲。由于脉冲窄，可使编码体间距大大减小。识别编码采用编码IDT，设置参考IDT建立参考脉冲，可引入相位调制。结合相位调制和开关调制，可实现三态编码。加入硅开关器件编码，可实现声表面波标签的读写，不过需要电池。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明对现有技术方案进行如下改造：

一种声表面波无源射频识别标签，它由阅读器、应答器和数据库组成，其特征在于：所述阅读器由编码调制载波发射单元、识别码回波接收与处理单元和阅读器收发天线构成，所述应答器由探测头、小型应答器收发天线以及与应用环境适应的外封装构成，所述探测头是唯一涉及声表面波技术的无源组件，为含多个具有防碰撞功能的声表面波射频识别码芯片单元和内封装基板的组合。

上述的声表面波无源射频识别标签，其进一步特征在于：所述射频识别标签采用时域脉冲识别机制，通过回波脉冲串的时间位置来解调识别码；所述阅读器顺序发射数个相异码调制载波电脉冲，所述探测头内各芯片单元顺序地只对相应载波电脉冲产生芯片内询问声脉冲，并被所述探测头芯片单元的识别码编码体转换为识别码回波电脉冲串，返回阅读器解调。

上述的声表面波无源射频识别标签，其进一步特征在于：所述探测头识别码芯片单元的识别码编码体结构采用伪随机码调制，并在所述阅读器中相关接收；所述阅读器包括相关接收单元。

上述的声表面波无源射频识别标签，其进一步特征在于：所述探测头识别码芯片单元的芯片输入换能器采用不同编码的相关器，所述编码与所述阅读器发射的调制载波的调制码相同，完成防碰撞功能。

上述的声表面波无源射频识别标签，其进一步特征在于：所述探测头识别码芯片单元芯片输入换能器采用伪随机码编码的相关叉指换能器，所述相关叉指换能器是指采用编码极性调制的叉指换能器，叉指换能器的叉指时域和极性与编码一致，叉指周期由射频载波确定。

上述的声表面波无源射频识别标签，其进一步特征在于：所述标签探测头识别码芯片单元识别码编码体采用极性编码抽头延迟线，或者采用Chirp结构，或者采用延迟反射型结构。

上述的声表面波无源射频识别标签，其进一步特征在于：所述探测头识别码芯片单元芯片输入换能器采用扇形结构换能器，或者单向结构换能器，或者采用常规矩形换能器。

本发明还公开了一种具有防碰撞功能的声表面波无源射频识别标签，它采用相关器作为标签的输入换能器，其特征在于：所述相关器是伪随机码编码相关器，所述相关器采用常规结构、单向结构或者扇形结构；标签识别码的编码体为延迟反射型结构、抽头延迟线结构，或者Chirp结构。

本发明还公开了一种具有防碰撞功能的声表面波无源无线传感器，它采用相关器作为传感器的输入换能器实现防碰撞功能，抽头延迟线或反射延迟线作为传感器编码体和传感结构，其特征在于：所述相关器是采用常规结构、单向结构或扇形结构的伪随机码编码相关换能器。

本发明的有益效果：

本发明公开的声表面波无源射频识别标签和传感器，其中探测头内含一个或多个具有防碰撞功能的声表面波射频识别码芯片单元。阅读器顺序发射数个相异编码调制载波电脉冲，各探测头识别码芯片单元或同一探测头内相异识别码芯片单元的输入防碰撞换能器顺序只对相应载波电脉冲产生芯片内询问声脉冲，并被该芯片单元的编码体转换为回波电脉冲串，返回阅读器解调，得到识别码和(或)传感信息。

采用本发明，利用多个防碰撞芯片单元，码分时分组合构成射频识别系统，克服了目前声表面波射频标签技术的本质缺陷，具有低成本和通用的特点，将使大容量声表面波射频识别标签实用化成为现实。

采用本发明，利用多个防碰撞传感器单元，码分时分组合构成带识别号的传感器系统，可实现多功能传感器或传感器网，有利于无线无源声表面波传感器的实用化。

附图说明

图1为本发明实施例的组合码声表面波射频识别标签系统示意图；

图2为本发明实施例的阅读器电路框图；

图3a为本发明实施例的伪随机码编码相关器原理示意图(编码载波)；

图3b为本发明实施例的伪随机码编码相关器原理示意图(相关叉指换能器)；

图3c为本发明实施例的伪随机码编码相关器原理示意图(自相关峰)；

图4为本发明实施例的伪随机码编码相关器叉指排列示意图；

图5为本发明实施例的31位伪随机码编码示意图；

图6a为本发明实施例的31位伪随机码自相关特性；

图6b为本发明实施例的31位伪随机码互相关特性；

图7为本发明实施例的延迟反射结构示意图；

图8为本发明实施例的抽头延迟线结构示意图；

图9为本发明实施例的Chirp结构示意图；

图10为本发明实施例的器件模拟结构示意图；

图11为本发明实施例的阅读器响应(9位码)；

图12为本发明实施例的防碰撞传感器示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的阐述。

本创新技术的主要特点是：采用多个防碰撞芯片单元，码分时分组合构成海量标签系统，具有低成本和通用的特点，将使大容量声表面波射频识别标签实用化成为现实。技术示意如图1所示(组合码声表面波射频识别标签系统示意图)：阅读器顺序发射数个相异码调制载波电脉冲，组合标签探测头各声表面波识别码芯片单元的输入防碰撞换能器也顺序只对相应载波电脉冲产生芯片内询问声脉冲，并被该单元的识别码编码体转换为识别码回波电脉冲串，返回阅读器解调；这样，组合标签的容量就是各单元标签码容量Ni的积，而芯片单元数目M最大值是由芯片输入防碰撞换能器编码的可能数目Mmax确定，所以，实现海量标签系统简易。

本发明提出的技术创新方案，基本解决了现有SAW射频识别标签生产技术的本质缺陷，而且也能移植于SAW传感器应用中。这将使SAW射频识别和传感技术得到长足发展，成为现有IC技术的良好伙伴。

目前，本发明的创新还包括：读写器载波调制采用伪随机码编码，如Gold码编码，它具有良好的自相关和互相关特性，码数较大；识别码编码采用极性编码抽头延迟线，回波幅度大；抽头采用伪随机码(例如巴克码)调制，并在阅读器中相关接收，提高系统的性能；采用封装管座外部识别码编码简化生产技术。

系统构成关键

声表面波识别标签系统由阅读器、应答器和数据库组成。应答器由探测头、小型收发天线以及与使用环境适应的外封装构成。其中探测头是携带识别码的无源组件，是唯一涉及声表面波技术的部分，即本技术的组合标签(含芯片和编码封装)。

阅读器的构成：编码调制载波发射、相关接收、收发天线、温度补偿。

阅读器电路框图如图2所示。主要需要考虑的是：高频载波脉冲调制码元宽度确定了芯片尺寸和单元标签编码容量；回波脉冲串的相关接收；标签环境温度变化时载波频率微调；小型化和低成本。

时分码分时域脉冲识别技术

新技术仍采用主流SAW射频识别标签的时域脉冲识别机制，通过回波脉冲串的时间位置(幅度或极性)来解调识别码。

为解决大容量码生产难题，本技术方案是将大容量码分解为多个子码的组合，每个子码各采用一个标签单元，然后将它们组合在一个外封装内，并共用一组收发天线，就构成组合码标签。

为识别组合码标签，阅读器必须发射时分询问信号，所以本系统为时分码分时域脉冲识别技术。

多个防碰撞芯片单元组合成海量码探测头

要识别组合码标签，其组合中的各单元应该是防碰撞的。

采用时分技术，多个防碰撞芯片单元就能组合成海量码探测头。设防碰撞芯片种类有N种，每种芯片的物理码(即编码的物理单元，如延迟反射结构的反射栅，抽头延迟线的抽头)的数目为m，每个开关型物理码的状态为2(例如幅度有无，正负极性等)，那么组合码标签系统的容量为：2^mN，单元产品数仅为N*2^m种。

采用组合码技术，并配合外编码方法，将使大容量码标签生产和管理极大简便：

·芯片生产流程简单，一种芯片只要一块光刻掩膜，完全等同常规SAW批产品；

·采用外编码封装，芯片封装工艺简单通用；

·单元产品种类少，储存和管理方便。

例如要建立一个码容量为一百万的SAW射频识别标签系统，可将6位十进制码分为3个2位十进制码，则只要生产三种码容量为100的标签单元，用三种不同的单元组合成一个标签，就能构成容量为一百万个码的射频识别系统。此时所用的光刻掩膜仅有三块，而半成品异码标签单元仅有300个：A1…A100，B1…B100，C1…C100。由A45，B91和C22组合的标签，其组合码为459122。

伪随机码编码相关器

SAW相关器用作无源匹配滤波来提高雷达回波的探测灵敏度，成为雷达技术的关键元件。由于扩频通信的发展，SAW相关器又成为匹配滤波的标准电路元件。近来，随着超宽带脉冲通信技术的崛起，高频SAW相关器可直接将高频脉冲调制信号变换为基带信号，有可能使无中频超宽带通信系统结构大大简化。所以，SAW相关器技术在未来通信技术中将发挥更大作用。

现有的延迟反射型声表面波射频标签，均采用具有单通带特性的常规均匀叉指换能器(或单向换能器)作为射频信号的转换元件，它对单频射频识别信号只有频率选择作用。

本技术目前采用伪随机码编码的相关叉指换能器作为标签单元中射频信号能量转换元件。相关叉指换能器是指采用编码极性调制的叉指换能器，叉指换能器的叉指时域和极性与编码一致，叉指周期由射频载波确定。它对具有规定脉冲调制特征的射频信号在一定时域内转换为较大幅度窄脉冲，而对具有其他调制特征射频信号的输出较小，即对射频信号不但有频率选择作用，也对编码调制特性有选择作用，就能得到射频标签所要求的输入窄询问脉冲。

图3为本发明实施例的伪随机码编码相关器原理示意图。其中，图3a是编码载波；图3b是相关叉指换能器；图3c是自相关峰。图4为本发明实施例的伪随机码编码相关器叉指排列示意图；

采用相关器作为防碰撞SAW标签的换能器，此时阅读器应发射逆序相关码调制的载波作为识别询问信号。信号由应答器接收天线加到伪随机码编码相关器，将在芯片上产生自相关窄声脉冲信号，用作为SAW识别码的源激励脉冲。

选用有良好自相关和互相关特性的伪随机码，是保证标签性能的关键。码族数目是系统码容量的基础，也可以因应用而采用不同的编码方式，加强各系统间的保密性。图5为本实施例的31位伪随机码编码；图6a为本实施例的31位伪随机码自相关特性；图6b为本实施例的31位伪随机码互相关特性。

Gold码，是自相关和互相关特性都比较好的伪随机码，而且码序列数目也多，适合本技术应用。通过计算可以得到一些更实用的伪随机码。

识别码编码体

得到标签识别码的识别码编码体可以有三种类型：

·延迟反射型结构，如图7所示，是目前主流，其特点有：

回波脉冲串间距大，为物理码间距的一倍，器件尺寸短；

反射峰衰减大；

标签为二端口，只要一个天线。

·抽头延迟线结构，如图8所示，其特点为：

回波幅度大；

标签是四端口，需要两个天线；

·Chirp结构，如图9所示，若将抽头延迟线的输出与接收换能器连接，就构成chirp结构，其特点是：

回波幅度大；

反射峰在延迟时基的两倍处干扰；

标签为二端口，只要一个天线。

识别码回波采用巴克码调制及相关接收

为提高标签系统的探测灵敏度和抗干扰能力，可以对抽头进行伪随机码编码，并在阅读器中采用相关接收技术。采用巴克码调制是较好的选择，因为巴克码有优良的自相关特性，其自相关边瓣为相关峰的1/N。目前巴克码最长也只有13位，识别码调制一般4～7位即可。

扇形和单向换能器

扇形结构换能器和单向换能器及其组合，己在宽带声表面波滤波器得到巨大成功。本技术也可加入了此技术。

标签的相关换能器采用单向换能器，可以提高换能效率。

采用扇形结构换能器，是为了改善标签的温度性能。经过模拟，采用扇形结构换能器，标签的温度性能有一定改进。当然，在要求较高时读写器的温度补偿技术也必须考虑。

超宽带通信技术

超宽带(UWB，Ultra-Wide Band)通信系统，是指通信系统利用了较宽超高频电磁波谱(例如中心频率大于500MHz，或相对通信带宽超过25％)，并且功率谱密度极小的通信方式。由此，通信距离不大，且必须采用相干接收来解调基带信号。由于UWB信号实际就是窄脉冲，故称为脉冲通信系统，可从雷达技术得到支持。目前雷达和数字脉冲技术较成熟，UWB的进展明显，特别是不需要载波的无载波脉冲技术得到青睐。

本技术所涉及的标签系统，由于采用了编码相关器作为射频识别通信链路的换能器，工作频率带宽得到较大扩展，具有超宽带通信技术特征，有关超宽带通信技术的进展必将有助于本技术的进步。

器件模拟

为设计SAW组合码标签，采用MATLAB平台进行了器件性能模拟。实际模拟器件如图10，由31位伪随机码防碰撞编码扇形相关器和9位可编码抽头组成，其中抽头为5位巴克码换能器。

图11为比较标签输入换能器为扇形相关器和常规换能器在标签处环境温度变化时的阅读器响应，上方为扇形换能器，下方为常规换能器。从左至右：标签环境温度25度，75度和-25度。

由模拟及图可知，当输入换能器为扇形结构时，阅读器正常检测范围大于+/-50℃，如图11上方；而不采用扇形结构时，阅读器的正常检测范围小于+/-50℃，见图11下方。

传感器应用

利用本发明的防碰撞传感器，可以简单的形成传感器网络，能在较小空间内放置多个传感器。如图12示意。

利用本发明的防碰撞传感器，可以得到多功能传感器，即把多个有不同传感功能(如温度，压力，湿度等)的声表面波传感器的输入换能器改造为不同编码的相关器，并集成在一个有效外封装内。

此时的传感器，可以同时带有识别码。

虽然本发明通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样均在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (6)

1.一种声表面波无源射频识别标签，它由阅读器、应答器和数据库组成，其特征在于：所述阅读器由编码调制载波发射单元、识别码回波接收与处理单元和阅读器收发天线构成，所述应答器由探测头、小型应答器收发天线以及与应用环境适应的外封装构成，所述探测头是唯一涉及声表面波技术的无源组件，为含多个具有防碰撞功能的声表面波射频识别码芯片单元和内封装基板的组合；

所述射频识别标签采用时域脉冲识别机制，通过回波脉冲串的时间位置来解调识别码；所述阅读器顺序发射数个相异码调制载波电脉冲，所述探测头内各芯片单元顺序地只对相应载波电脉冲产生芯片内询问声脉冲，并被所述探测头芯片单元的识别码编码体转换为识别码回波电脉冲串，返回阅读器解调。

2.根据权利要求1所述的声表面波无源射频识别标签，其特征在于：所述探测头识别码芯片单元的识别码编码体结构采用伪随机码调制，并在所述阅读器中相关接收；所述阅读器包括相关接收单元。

3.根据权利要求1所述的声表面波无源射频识别标签，其特征在于：所述探测头识别码芯片单元的芯片输入换能器采用不同编码的相关器，所述编码与所述阅读器发射的调制载波的调制码相同，完成防碰撞功能。

4.根据权利要求1所述的声表面波无源射频识别标签，其特征在于：所述探测头识别码芯片单元芯片输入换能器采用伪随机码编码的相关叉指换能器，所述相关叉指换能器是指采用编码极性调制的叉指换能器，叉指换能器的叉指时域和极性与编码一致，叉指周期由射频载波确定。

5.根据权利要求1所述的声表面波无源射频识别标签，其特征在于：所述标签探测头识别码芯片单元识别码编码体采用极性编码抽头延迟线，或者采用线性调频Chirp结构，或者采用延迟反射型结构。

6.根据权利要求1所述的声表面波无源射频识别标签，其特征在于：所述探测头识别码芯片单元芯片输入换能器采用扇形结构换能器，或者单向结构换能器，或者采用常规矩形换能器。

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