CN103682635A - 一种射频识别天线、射频识别天线的控制单元及控制方法和射频识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于射频识别的天线，该天线包括辐射单元和反射电磁波的能力可以改变的至少两个反射单元，所述反射单元排列在所述辐射单元周围，所述反射单元为电导体；所述辐射单元发射电磁波；及所述反射单元反射来自所述辐射单元的电磁波。本发明还提出了一种射频识别天线的控制的方法、控制单元及系统。采用本发明能够以较低的成本减少读取空洞。

Description

一种射频识别天线、射频识别天线的控制单元及控制方法和射频识别系统

技术领域

本发明涉及进行近距离波速扫描的天线领域，尤其涉及可以用于射频识别（RFID，Radio FrequencyIdentification）的天线领域。

背景技术

随着RFID技术在工业生产、物流等多个领域的广泛应用，应用于FRID技术的天线的性能也日益受到关注。RFID是一种非接触式的自动识别技术，俗称电子标签，其通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

RFID系统是一种无线系统，用于控制、检测和跟踪物体，其包括如下基本组成部分：

1、标签（Tag），其由标签天线及芯片组成，附着在被控制、检测或跟踪的物体上，其中，在RFID系统中通常包括多个标签，每个标签具有唯一的电子编码，用以唯一地标识被控制、检测或跟踪的物体；；

2、阅读器（Reader），其用于读/写标签中存储的信息，可为手持式或固定式，其中RFID系统中通常包括一个阅读器，其读取各个标签中存储的信息（有时还能向标签写入标签信息，也可称为读写器），以实现对于各个标签所附着的物体的控制、检测或跟踪；

3、天线（Antenna），其连接阅读器，用于在各个标签和阅读器间传递射频信号，以在阅读器和标签之间的传递信息。

RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW）。目前，UHFRFID技术已得到广泛应用，与HF RFID技术相比，UHF RFID技术具有标签接入速度快、芯片成本低、能实现物品级的标签识别等优点。但是，UHF RFID技术具有远场电磁传输的特性，其中的多径传输现象将引起干涉延时效应，即多径效应，这种多径效应通常会给阅读区域引入读取空洞（field null）。因此，多径效应将严重影响UHF RFID系统的可靠性。

在现有技术中，目前已提出了几种针对多径效应的解决方案：

一.目前已提出了一种特殊的阅读器和天线阵，其利用数字波束形成（digital beam forming）技术来扫描阅读区域。为了利用数字波束形成技术，需要修改阅读器的硬件结构来支持多信道。由于要对阅读器的硬件结构进行改动，因此，此阅读器天线的实现成本较高。

二.目前已提出了一种针对RFID系统的相位阵列式天线。在采用此天线时，阅读器需要预留特定的控制接口。这种天线有如下缺点：首先，必须使用移相器（phase shifter），而这种移相器非常贵，因此天线的实现成本很高；其次，此相位阵列式天线需要使用贴片阵列（patch array），而贴片阵列占用空间较大，使得整个相位阵列式天线过大，因而无法在很多应用场景中使用。

可见，现有技术中的这些解决方案虽然能减轻多径效应对系统的影响，但实现成本过高，天线尺寸过大，实现难度也较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种射频识别天线、天线的控制单元及其控制方法和系统，本发明的实施方式如下：

一种用于射频识别的天线，包括辐射单元和反射电磁波的能力可以改变的至少两个反射单元；所述反射单元排列在所述辐射单元周围，所述反射单元为电导体；所述辐射单元发射电磁波；及所述反射单元反射来自所述辐射单元的电磁波。采用此种天线，能够减小天线尺寸并以较低成本减少空洞。这里所谓“反射电磁波的能力”可以视为反射单元的一种反射特性。反射单元“具有反射电磁波的能力”即指反射单元“具有反射特性”，反之，“不具有反射电磁波的能力”指“不具有反射特性”，即反射单元被禁用。在改变反射单元反射电磁波的能力时，可以对所有的反射单元反射电磁波的能力进行更新，也可以根据反射单元的当前状态和现在的需要，仅仅改变需要改变其反射电磁波能力的部分反射单元反射电磁波的能力，这样都能使其中特定的一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力。

在本发明一实施例中，所述反射单元可被手动调整来改变其反射所述电磁波的能力，从而使得一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力而其它反射单元被禁用。此种方案使得天线结构简单，制造成本低，可以根据需求动态调整反射单元反射电磁波的能力，进而调整天线的扫描方向。

在本发明一实施例中，所述反射单元可响应于外部的控制信号而改变其反射电磁波的能力，从而使得所述反射单元中的一个或多个具有反射所述电磁波的能力而其它反射单元被禁用。此种方案中采用控制信号来动态调整反射单元的反射能力，使对于天线反射单元的控制更为准确。

在本发明一实施例中，所述天线进一步包括：控制单元；所述控制单元根据预设的策略改变所述反射单元反射电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力而其它反射单元被禁用。此种方案可以实现对于反射单元的自动控制，减少人为干预。在本发明一实施例中，每一反射单元包括N个串联的块和N-1个二极管，其中，N为大于1的整数，每两个相邻的块之间串联一个二极管，并且所述N-1个二极管的导通方向相同；每一个块产生的感应电动势小于二极管的偏置电压，当施加在二极管上的偏置电压改变时反射单元（102）反射电磁波的能力改变。此方案能以低成本实现对于反射单元反射能力的自动调整。

在本发明一实施例中，所述反射单元为表面镀有导电金属层的板，所述导电金属层上被蚀刻出所述N个块，并且每两个相邻的块之间焊接有一个二极管。此方案能以低成本实现对于反射单元反射能力的自动调整，并且加工工艺简单。

在本发明一实施例中，每一反射单元为平面的矩形板；并且，每一反射单元中，所述N个块为N个大小相同的矩形块，且每一矩形块的长度和宽度都不超过λ/2，其中，λ为所述天线的工作频率所对应的电磁波的波长。此方案设计简单、加工工艺更为简单、并且各个块自身产生的感应电流对天线的辐射电场基本无影响。

在本发明一实施例中，每一反射单元到与所述发射电磁波的辐射单元的距离相同；和/或，所述至少一个反射单元沿圆形曲线或对称多边形曲线排列。采用此方案，反射单元的设计更为容易、加工工艺也很简单。

在本发明一实施例中，所述控制单元具有下述功能，即确定来自所述天线中馈线的射频信号，再根据确定得到的所述射频信号的参数以及所述预设的策略改变所述反射单元反射电磁波的能力。此方案能够根据天线本身的信号特点动态地、自动调整天线的扫描方向。

本发明实施例还提供了一种用于控制上述天线的控制单元，该控制单元包括：方向耦合器、功率检测器和控制器；其中：所述方向耦合器从射频信号中提取前向的射频信号，再将所述前向射频信号输出给所述功率检测器；所述功率检测器获取所述前向射频信号的功率并提供给所述控制器；控制器根据预设的策略和所述射频信号的功率确定出射频信号的功率或时间与应具有反射电磁波的能力的反射单元之间的对应关系，并根据该对应关系改变向反射单元输出的偏置电压的方向，以改变所述反射单元反射电磁波的能力，使根据预设的策略确定出的相应的一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力而其它反射单元被禁用。此方案能够根据天线本身的信号特点动态地、自动调整天线的扫描方向。

本发明实施例还提供了一种射频识别（RFID）系统，该系统包括阅读器和标签；所述系统进一步包括：上述的天线；或者，进一步包括上述的天线，其中，所述阅读器包括控制单元，该控制单元根据预设的策略改变所述反射单元反射所述电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元具有反射所述电磁波的能力而其它反射单元被禁用；或者，进一步包括：上述的天线和控制单元，其中，该控制单元根据预设的策略改变所述反射单元反射电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元具有反射所述电磁波的能力而其它反射单元被禁用。此种射频识别系统的天线可以动态调整扫描方向、尺寸小、能以低成本减少空洞。

本发明实施例还提供了一种对于上述天线的控制方法，该方法包括：根据预设的策略改变所述天线中反射单元反射电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力而其它反射单元被禁用。该方案可以自动调整反射单元的反射能力，进而达到自动调整天线扫描方向、减少空洞的目的。

本发明的一个实施例还提供了一种机器可读的存储介质，存储用于使机器执行根据上述方法的指令。

本发明另外一个实施例还提供一种计算机程序，当所述计算机程序运行于机器中时使所述机器执行根据上述的方法。

本发明实施例提供的射频识别天线、控制单元及控制方法和射频识别系统能够显著减少读取空洞且实现成本很低。

附图说明

图1为依据本发明一实施例的射频识别天线的组成结构示意图；

图2a至2c为图1所示射频识别天线的天线增益仿真结果图；

图3为依据本发明一实施例的射频识别天线中的反射单元的组成结构示意图；

图4示出了图3所示射频识别天线采用图3所示反射单元时的天线增益仿真结果图；

图5示出了本发明实施例提出的射频识别天线一实例的俯视图；

图6示出了依据本发明一实施例的控制单元的组成结构示意图；

图7示出了依据本发明一实施例的控制单元的组成结构示意图；

图8示出了依据本发明一实施例的控制单元的组成结构示意图；

图9示出了本发明实施例中改变反射单元的反射能力一具体实现方法；及，

图10本发明实施例中改变反射单元的反射能力一具体实现方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

针对上述现有技术中出现的技术问题，本发明的发明人做了一系列研究，并提出了能够解决此技术问题的技术方案。

首先，本发明人设计了一个针对天线覆盖率的仿真实验。其中，根据仿真得到的天线采用不同方位角时的辐射场图，能够确定天线采用不同方位角时的读取空洞分布情况以及覆盖率。具体的，天线采用特定方位角时（即在单一方向上）覆盖率仅能达到75%左右，而当对天线在不同方向上（即采用不同方位角）的辐射场进行合并时，可以发现天线的覆盖率显著提高，比如可以达到90%左右。根据上述仿真实验结果，本发明人发现，通过对天线在不同方向上的辐射场进行合并，可以使天线的覆盖率得到显著提高，即使天线的读取空洞显著减少。

此外，本发明人还设计了一个针对读取空洞概率的在真实环境中的实验。其中，在一个典型的走廊中设置一个阅读器天线和一个无源标签，手动调节阅读器天线的方向（即方位角），并统计阅读器天线采用不同的方位角时对于此无源标签的读取成功率。根据实验结果，本发明人发现，通过合并阅读器天线采用不同方位角时的读取结果，可以显著提高读取成功率，即使读取空洞概率显著降低。

根据以上实验，本发明人发现，采用空间分集（space diversity，也称天线分集）技术可以显著降低读取空洞概率。所谓空间分集是指通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多个天线元素来发送信号，并对各天线接收信号进行合并。

基于以上研究结果，本发明人提出了一种新的射频识别天线。该天线包括辐射单元和反射电磁波的能力可以改变的至少两个反射单元；所述反射单元排列在所述辐射单元周围，所述反射单元为电导体；所述辐射单元发射电磁波；及所述反射单元反射来自所述辐射单元的电磁波。根据实际应用场景的需要，反射单元可以为平面，也可以为诸如抛物面、球面等的曲面，其可以与辐射单元平行也可以与辐射单元具有一定的夹角。本发明实施例中，辐射单元可以为单一辐射单元，也可以包括多个子辐射单元。以下从几个方面来描述此天线的组成结构：

1、反射单元

优选的，反射单元为平面的结构，以利于加工，更优选采用平面的反射板。不过也可以根据所想达到的天线增益和波瓣宽度采用曲面的反射板，该曲面的参数可以根据需要来优化。

2、反射单元的排列方式

本发明实施例提供的天线实际上是通过镜象原理来行成天线阵，其中，用反射单元（例如可以为反射板）产生镜象阵元以代替实际的阵元，这样可以有效减小天线阵尺寸和简化馈电网络设计。根据实际想模拟的天线阵的形状，反射单元可以沿一定规律的曲线排列在至少一个辐射单元周围。比如：若想模拟圆形天线阵，就可以把反射单元沿圆形曲线排列包围在辐射单元周围；若想模拟的是矩形天线阵，就可以把反射单元沿矩形曲线排列包围在辐射单元周围。依此类推，反射单元还可以沿梯形、三角形等曲线排列以模拟所期望的天线阵。不过为了减小整个天线的大小，使反射单元沿圆形曲线排列是一个比较好的选择。优选的，这些反射单元沿圆形曲线排列在辐射单元周围，比如：这些反射单元沿以辐射单元为中心的正圆或椭圆形曲线排列在辐射单元周围。需要说明的是：这些反射单元是沿非闭合曲线排列在辐射单元周围的，即这些反射单元与垂直于辐射单元的平面的交线形成一个非闭合曲线；此外，如果反射单元为平面的且沿圆形曲线排列，则这些反射单元与垂直于辐射单元的平面的交线实际上形成的是一个近似于圆形的多边形曲线，而本领域技术人员也可以将这种情况理解为这些平面反射单元沿圆形曲线排列。同时根据应用所期望覆盖的读取区域，该曲线的闭合程度可以调整，比如：若应用需要在天线正前方的180度内的范围均要覆盖，那么可以选取一个半圆形曲线，并使反射单元沿此半圆形曲线排列。这里，所述反射单元可以沿一定规律的曲线排列在至少一个辐射单元周围指的是这些反射单元与垂直于辐射单元的平面的交线可以形成包括直线在内的符合一定规律的曲线。

3、辐射单元

辐射单元的选取也可以是多样化，不过从实现难度和成本考虑，线状天线单元是比较合适的辐射单元，比如可以选取半波振子天线单元、四分之一波天线单元等等，具体的选取取决于想模拟的天线阵和所想达到的增益和波瓣宽度等性能指标。此外，辐射单元可以为双极或单极的。

4、反射单元和辐射单元的角度和距离关系

较佳的，为了获得最好的辐射效率，反射单元与辐射单元平行，并且每一反射单元与辐射单元的距离相同。其中，当辐射单元为单一辐射单元时，此辐射单元与各个反射单元的距离均相同；而当辐射单元包括多个子辐射单元时，这些子辐射单元紧凑的摆放在一起，任两个子辐射单元之间的距离（d1）远小于任一辐射单元与任一反射单元之间的距离（d2），则这些子辐射单元可以构成一个较大的辐射单元，而此较大的辐射单元与各个反射单元之间的距离均相同。但是，如有其他需要比如将天线安装在某种特殊结构的天线罩内，这些参数也可以调整，即：反射单元与辐射单元也可以不平行而具有特定的夹角，各个反射单元与辐射单元之间的距离也可以不同。

在本发明实施例中，反射单元与辐射单元的距离可以根据需要而采用各种取值，通常会取比较小的值以使天线的尺寸较小。较佳的，此距离可小于等于λ/4并大于等于λ/8，其中λ是工作频率所对应电磁波的波长，这样既能实现扫描到各个方向上的电磁波同时还能保证天线的尺寸最小。优选的，可以等于λ/4或λ/8。此外，反射单元也可以采用各种尺寸，优选的，反射单元的长度和宽度都大于辐射单元的长度和宽度。为防止各个反射单元的信号耦合，各个反射单元之间则需要绝缘，优选它们之间的距离至少为λ/10，并且距离越大绝缘效果越好。

采用上述射频识别天线可以显著减少读取空洞的比例。具体的，辐射单元连接馈线，当馈线通电后，辐射单元开始向周围辐射电磁波，电磁波到达各个反射单元后会发生反射，各个反射单元所反射的电磁波与辐射单元辐射的电磁波叠加在一起形成一个合并的辐射场。通过改变反射单元的反射能力可以使得合并的辐射场在对应方向上进行扫描，这样可以获得和对应的实际天线阵同样的性能，进而通过合并不同方向的扫描结果可以有效消除读取空洞。

这里，本领域技术人员可以知道，当电磁波在导电平面的一边发生反射时，相当于在此导电平面的另一边形成了一个镜像天线（image antenna），被反射的电磁波可以看成是从此镜像的天线辐射的电磁波，此镜像天线可以看成是一个虚拟的镜像辐射单元，这样，利用一个真实的辐射单元和多个反射单元就可以构造出一个包括此真实的辐射单元和多个镜像的辐射单元的天线阵列。各个辐射单元（包括真实的辐射单元和虚拟的镜像辐射单元）的辐射场方向不同，这些不同方向的辐射场叠加起来形成合并的辐射场。通过改变反射单元的反射能力可以使得合并的辐射场的最大辐射方向对准实际需要的方向，使合并的辐射场进行扫描。根据上述本发明人的实验结论，通过扫描这样的合并辐射场，读取空洞会显著减少。同时，采用这样的镜像辐射原理可以减小天线的尺寸。

图1示出了依据本发明一实施例的阅读器天线的组成结构示意图。如图1所示，阅读器天线包括：辐射单元101和多个平面的反射单元——反射板102。具体的，在图1中，以三维的XYZ坐标系来表示天线的各个组成部件之间的关系，其中，XY坐标平面表示垂直于辐射单元301的平面，辐射单元101沿Z坐标轴放置，这些反射板102沿正圆形曲线排列在辐射单元101周围且均平行于辐射单元101，这些反射板102与垂直于辐射单元101的平面的交线形成了一个半径为八分之一波长（表示为λ/8）的半圆形，这里的波长指辐射单元101辐射出的电磁波的波长。这里，各个反射板102到辐射单元的距离等于λ/8，而λ/8等于4cm，可见，采用这样的阅读器天线结构，天线的整个尺寸非常小。在上述天线中，反射单元的反射能力可以动态改变，这样就可以实现消除空洞的目的。根据实际需要，可以使辐射单元周围的多个反射单元中一个或多个特定的反射单元具有反射电磁波的能力，即使特定的一个或多个反射单元能够反射电磁波，而使其它的反射单元被禁用，这样就能灵活调整阅读器天线的辐射场的方向。

在本申请文件中，所谓反射电磁波的能力指反射单元的一种反射特性，“具有反射电磁波的能力”指“具有反射特性”，“不具有反射电磁波的能力”也可以称为“不具有反射特性”，即指反射单元被禁用。在改变反射单元反射电磁波的能力时，可以对天线中所有反射单元的反射电磁波的能力进行更新，也可以根据反射单元的当前状态和现在的需要，仅仅改变需要改变反射电磁波能力的部分反射单元反射电磁波的能力。以具有三个反射单元的天线为例，假如当前反射单元1和2具有反射电磁波的能力而反射单元3被禁用，现在需要使反射单元2和3具有反射电磁波的能力而反射单元1被禁用。在具体实现时，可以更新所有反射单元1～3反射电磁波的能力（这里的“更新”指的是：改变反射单元1的反射电磁波的能力以使其被禁用，保持反射单元2的反射电磁波的能力，改变反射单元3的反射电磁波的能力以使其具有反射电磁波的能力），也可以仅改变反射单元1和3的反射电磁波的能力而对反射单元2不做处理。

这样，当辐射单元101开始辐射电磁波之后，电磁波经过各个反射板102反射之后与辐射单元101辐射出的电磁波叠加在一起形成一个合并的辐射场。也就是说，当电磁波在各个反射板102的一面发生反射时，相当于在各个反射板102的另一面形成了镜像辐射单元，这样，辐射单元101和各个镜像辐射单元就构成了一个天线阵列，通过改变各个反射板反射电磁波的能力可以使得合并的辐射场在实际需要的方向上进行扫描，这样可以使得读取空洞显著减少。

以上仅给出依据本发明实施例的天线的一个具体实施方式，在实际应用中还可根据需求对反射单元的数量和形状、反射单元距离辐射单元的距离、反射单元的排列方式（如反射单元排列所沿的非闭合曲线的形状等）、反射单元之间的距离等等进行调整。本文不再将各种实施方式一一示出，但均在本发明的保护范围之内。

以图1所示的阅读器天线为例。使位于Φ=0°（Φ定义为图1中在XY坐标平面中从x轴向y轴旋转的角度）的反射板（如图1中圆圈a标出的反射板）具有反射能力而其它反射板被禁用时，所得到的XY坐标平面上的天线增益仿真结果如图2a所示。当使位于Φ=22.5°的反射板（如图1中圆圈b标出的反射板）具有反射能力而其它反射板被禁用时，所得到的XY坐标平面上的天线增益仿真结果如图2b所示。当同时使位于Φ=0°的反射板和位于Φ=22.5°的反射板具有反射能力而其它反射板被禁用时，所得到的XY坐标平面上的天线增益仿真结果如图2c所示。根据图2a至2c示出的仿真结果可知，通过使图1中的各个反射板中的一个或多个Φ角度不同的反射板具有反射能力，能够改变整个阅读器天线的辐射场的方向，进而能够根据实际需要动态的对阅读器天线的辐射场的方向进行调整。

这里，本领域技术人员可以知道Φ角度指的是在XY坐标平面中与X坐标轴的夹角，在图1所示的阅读器天线中，某一反射板的Φ角度指的就是经过XY坐标平面的原点的一条垂直于此反射板的直线与X坐标轴之间的夹角。

上述对于反射单元的反射能力的动态调整可以采用人工手动的方式也可以采用自动的方式。

具体的，采用手动方式调整反射单元的反射能力的实现方式可以有如下几种：

1、通过手动改变反射单元的摆放角度可以使反射单元具有反射能力或者不具有反射能力（即被禁用）。例如，手动调整反射单元的摆放角度使反射单元不产生感应电动势，因而就不具有反射能力；相应的，将反射单元手动转到一个合适的角度，使反射单元产生感应电动势，从而可以使反射单元具有反射能力，进而达到弥补空洞的目的。

2、还可以给反射单元设置特定的机械结构，通过手动调整此机械结构来使反射单元具有反射能力或者不具有反射能力。比如：给反射单元设计成一面覆盖导电材料作为反射面而背面覆盖导电材料，通过手动将此反射单元的反射面旋转到面向辐射单元的位置而使反射单元具有反射能力，反之，通过手动将此反射单元上覆盖不导电材料的一面旋转到面向辐射单元的位置而使反射单元不具有反射能力。再如：给反射单元的反射面设置一种不导电的并能够像窗帘一样降下和升起的机械结构，手动将此窗帘结构拉下而挡住反射面进而可以使反射单元不具有反射能力，反之，手动将此窗帘结构拉起而露出反射面可以使反射单元具有反射能力。

3、在每一反射单元上设置用于改变其反射能力的开关（例如射频开关），开关再接一个匹配负载——通常为50欧母的电阻。当开关闭合时，电阻吸收传播过来的电磁波，反射单元无反射能力；当开关断开时，开关和电阻断开连接，此时反射单元具有反射能力。

另外，为了实现上述对于反射单元的反射能力的动态调整，可以从如下两个方面来设计阅读器天线：1）每一反射单元具有可以调节自身反射能力的设置；2）阅读器天线中包括一个控制单元来动态调整各个反射单元的反射能力。

在本发明一实施例中，可以将每一个反射单元分为多个块，这些块按一定的顺序串联，并且每两个相邻的小块通过一个二极管连接，这样，这些块和各个二极管就形成了一条串联的线路，在此线路上各个二极管的导通方向相同。当这些二极管正向偏压时，这些块就处于导通状态，使得整个反射单元具有较好的导电性，进而能够反射来自辐射单元的电磁波。然而，当这些二极管反向偏压时，这些块处于断开状态，使得整个反射单元的导电性丧失，进而不能反射来自辐射单元的电磁波（需要注意的是，此时反射单元有可能反射少量的电磁波，但不足以形成一个可用的辐射场）。由于，反射单元可以为各种形状，因此，划分反射单元而得到的这些块也可以为各种形状（如：矩形、圆形、对称或非对称的多边形等等），并且它们的形状可以相同或不同。优选这些块为矩形，这些块的大小和形状均相同。上述二极管可以为各种类型的二极管，优选为PIN二极管。

此外，本领域技术人员可以知道，由于当导电表面的尺寸达到一定值时（比如：矩形导电表面的长和宽大于一定值），导电表面受电磁波的影响而产生感应电流，这样，当由反射单元划分出的块的尺寸达到一定的值时，块本身受电磁波的影响就会产生感应电流，如果此时施加的是反向偏压，各个块本应处于断开状态而不具备辐射电磁波的能力，但是各个块产生的感应电流有可能对二极管形成正向偏压，进而使得各个块处于导通状态，使整个反射单元具有足够的导电性来反射来自辐射单元的电磁波。为此，由反射单元划分出的各个块的尺寸应小于一定的值，而此值可根据块的形状、电磁波理论或仿真实验结果等来设定，本发明的实施例对此并不进行特别的限定。优选的，这些块的长度和宽度均不超过λ/2。

图3示出了依据本发明一实施例的阅读器天线中的反射单元的组成结构示意图。如图3所示，反射单元为平面的矩形反射板，此反射板包括n个大小相同的矩形块（块b1至bn）和n-1个二极管，其中，n为大于1的整数，这些块的长和宽均小于λ/2。其中，任两个相邻的块之间连接有一个二极管，这些块和二极管串联在一条线路上。当对这条线路施以正向偏压时，这些块处于导通状态，因此具有反射电磁波的能力，即具有反射能力。当对这条线路施以反向偏压时，这些块处于断开状态，因此不具有反射电磁波的能力，即被禁用。

图4示出了图1所示阅读器天线采用图3所示反射板时XY坐标平面上的天线增益仿真结果图。如图4所示，曲线61为反射板中的各个块处于断开状态时的辐射图，曲线62为该反射板中的各个块处于导通状态时的辐射图，曲线63为一个完整的与曲线61和62对应的反射板同等大小的反射板（即未划分成多个块的反射板）的辐射图。由图4示出的仿真结果可知，曲线62和63呈现出的辐射图均具有辐射的方向性，说明反射板都具有反射电磁波的能力，而曲线61呈现出的辐射图不具有辐射的方向性，说明反射板不具有反射电磁波的能力。并且，曲线62和63所呈现出的辐射图非常相近，说明虽然反射板被分割成多个小块并以二极管连接，但对反射板的反射电磁波的能力的影响非常小。

在本发明实施例中，反射单元可采用各种导电材料，比如：采用金属材料，此反射单元可以为表面镀有导电金属层的板，在此金属层上可以蚀刻出多个块，并且在此板上每两个相邻的块之间焊接有一个二极管。优选的，反射板可以为一个表面镀铜的电路板作为反射板。

在本发明实施例中，可以采用一个直流电源来对反射单元中各个块和二极管施加正向或反向偏压，比如在阅读器天线中安装一个专用的电池，或者利用阅读器天线原有的电源。本领域技术人员可以知道，对于二极管施加正向或反向偏压仅耗费很少的电能，不会对阅读器天线的其它部件造成影响。

具体的，上述用于动态调整反射单元的反射能力的控制单元可以由专用的电池供电，或者由例如阅读器天线原有的电源供电，此控制单元可以通过向各个反射单元施加正向或反向偏压来使一个或多个反射单元具有反射能力而其它反射单元不具有反射能力。此控制单元可以集成在阅读器内，也可以独立设置，还可以集成在阅读器天线现有的诸如辐射单元、馈线系统等组件中。优选的，在阅读器天线内现有的诸如辐射单元、馈线系统等组件中集成该控制单元，该控制单元可以通过专用的电池供电也可以通过在阅读器天线的馈线中加入直流电源来供电。

在本发明一实施例中，控制单元内预置了用于调整各个反射单元的反射能力的策略，根据此策略控制单元可以确定当前是否需要调整反射单元的反射能力以及需要调整哪些反射单元的反射能力等等。比如，根据此策略，控制单元可以确定出射频信号的功率或时间与应具有反射能力的反射单元的对应关系，进而，可以在射频信号的功率达到某个阈值时使对应的一个或多个反射单元具有反射能力，或，在某个时间段使对应的一个或多个反射单元具有反射能力。这里，本领域技术人员可以理解，根据具体应用场景的需求可以设定多种策略用来改变反射单元的反射能力，这种策略以及根据策略改变反射单元的反射能力的方法可采用软件方式实现为计算机程序，这种计算机程序可以预先配置在控制单元中，当控制单元运行时加载该计算机程序进而可以按预设的这种策略动态调整各个反射单元的反射能力。

在本发明一实施例中，控制单元可以获取射频信号的功率，然后根据射频信号的功率以及预设的功率阈值能够确定射频信号的发射周期，进而能根据预设的策略确定：射频信号的每个发射周期所对应的应具有反射能力的反射单元；或者，射频信号的每个发射周期内各个时间段所对应的应具有反射能力的反射单元。

这里，上述用于调整各个反射单元的反射能力的策略依实际应用需求而设置，进而可以通过设置不同的策略来实现适用于不同应用环境和满足不同需求的扫描天线。优选的，当此控制单元集成在阅读器天线内时，该控制单元根据预设的策略，通过分析馈线中的射频信号的功率等参数来自动调整反射单元的反射能力。

采用上述本发明实施例提供的射频识别阅读器天线，仅采用一个辐射单元就能构造出一个天线阵列，进而能够形成读取空洞较少的辐射场，提高了标签读取成功率，并且此阅读器天线实现成本很低也不占用太大空间。

为进一步体现本发明的技术效果，以下结合图5对本发明实施例提出的阅读器天线与现有的由实际的辐射单元构成的天线阵列的尺寸大小加以比较。图5示出了本发明实施例提出的阅读器天线的俯视图。其中，在XY坐标平面中，原点A为辐射单元，此辐射单元周围分布着五个平面的矩形反射板（由粗实线表示），这五个反射板到辐射单元的距离相同，均为d1；考虑反射板还具有一定的厚度，d2为反射板向外的一面到辐射单元的距离，d2=d1+反射板的厚度。这样，阅读器天线在XY坐标平面中的尺寸为2d2*d2。假定：d1=λ/8，且λ/8=4cm，反射板的厚度为1cm，则d2=5cm，阅读器天线在XY坐标平面中的尺寸为10cm*5cm。而在另一方面，原点A左边的点A’代表一个镜像辐射单元，点A’到辐射单元的距离为2d1，本领域技术人员可以知道，如果要以实际的辐射单元构成天线阵列，则此点A’处应该放置一个实际的辐射单元，进而此天线阵列在XY坐标平面中的尺寸至少应为4d1*2d1，假定d1=λ/8，且λ/8=4cm，则此天线阵列在XY坐标平面中的尺寸至少为16cm*8cm。显然，现有的这种天线阵列的尺寸要比本发明实施例提出的阅读器天线大很多，由于要使用多个辐射单元所以其实现成本要高很多。

在本发明实施例中，上述控制单元可以具体包括：方向耦合器、功率检测器、控制逻辑单元和偏置电压控制器。其中，方向耦合器从来自阅读器的射频信号中提取前向的射频信号分量（即，从阅读器到标签方向的射频信号），再将提取到的前向的射频信号输出给功率检测器。方向耦合器可以为环形器或混合式耦合器（hybrid coupler）；功率检测器获取此前向的射频信号的功率包络信号并提供给控制逻辑单元；控制逻辑单元可以为处理器，其根据预先配置的策略和所接收到的功率包络信号确定出射频信号的功率或时间与应具有反射能力的反射板的对应关系，并根据此对应关系向偏置电压控制器发出指令；及，偏置电压控制器可以为模数转换器或者开关，其按来自控制逻辑单元的指令更新向反射板输出的偏置电压，进而更新反射板的反射能力。这里需要说明的是，这里还可以把控制逻辑单元和偏置电压控制器集成在一个控制器中。

这里，控制逻辑单元和偏置电压控制器需要由直流电源供电，此直流电源可以为控制单元自带的电池，也可以为阅读器向馈线中加入的直流电源，还可以为阅读器本身的电源，以下对这几种情况下控制单元的具体工作方式逐一加以描述。

一、控制单元设置在阅读器外部并且由阅读器向馈线加入的直流电源供电

如图6所示，此控制单元除了包括方向耦合器602、功率检测器603、控制逻辑单元601和偏置电压控制器605之外，还包括偏置器601。偏置器601从阅读器600的馈线中接收混合了射频信号（RF）和直流信号（DC）的一路信号，从此路信号中获取直流信号并输出给控制逻辑单元604和偏置电压控制器605作为它们的直流电源，并将此路信号中的射频信号输出给方向耦合器602。方向耦合器602从来自偏置器601的射频信号中提取前向的射频信号并输出给功率检测器603。功率检测器603获取此前向的射频信号的功率包络信号并提供给控制逻辑单元604。控制逻辑单元604根据预先配置的策略和所接收到的功率包络信号确定出射频信号的功率或时间与应具有反射能力的反射单元的对应关系，并根据此对应关系向偏置电压控制器605发出指令。偏置电压控制器605按来自控制逻辑单元604的指令调整向反射单元输出的偏置电压，进而使特定的一个或多个反射单元具有反射能力。

二、控制单元设置在阅读器外部并且由自带电源供电

如图7所示，此控制单元与图6所示控制单元的区别在于：

1、直流电源是由自带电源（比如一个自带电池）单独提供的，而不是从阅读器输出的信号中获取的。这样，控制单元的应用并不需要对现有阅读器做改动。

2、控制单元不包括偏置器601，其除了包括：方向耦合器602、功率检测器603、控制逻辑单元604和偏置电压控制器605，还进一步包括电源701。其中，方向耦合器602直接接收来自阅读器700的射频信号并从中提取前向的射频信号输出给功率检测器603；电源701用于为控制逻辑单元604和偏置电压控制器605提供直流电源；其它各个部分的功能前面已有详述，这里不再赘述。

以上图6和7所示的控制单元设置在阅读器外部，其可以为独立设置的单元，也可以集成在阅读器天线现有的诸如辐射单元、馈线系统等组件中。

三、控制单元集成在阅读器内部并且由阅读器的电源供电

如图8所示，此控制单元与图7所示控制单元的区别在于：

1、直流电源是由阅读器原有的电源模块801提供的，而不是由控制单元自带的电源提供。

2、控制单元不包括电源701，其包括：方向耦合器602、功率检测器603、控制逻辑单元604和偏置电压控制器605。其中，方向耦合器602直接从阅读器内部原有的射频模块802接收射频信号并从中提取前向的射频信号输出给功率检测器603；控制逻辑单元604和偏置电压控制器605则由阅读器内部原有的电源模块801供电；其它各个部分的功能前面已有详述，这里不再赘述。

基于以上本发明实施例所提供的阅读器天线，本发明实施例还提供了用于此阅读器天线的控制方法，该方法可应用于上述的控制单元，包括：根据预设的策略改变反射单元的反射电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元具有反射能力而其它反射单元不具有反射能力。

在本发明一实施例中，上述预设的策略定义了来自阅读器的射频信号的功率与具有反射能力的反射单元之间的对应关系，此时，上述根据预设的策略改变一个或多个反射单元的反射能力的方法可以包括：分析来自阅读器的射频信号的功率；及，根据所述预设的策略，当确定的射频信号的功率达到预定的功率阈值时，确定该功率阈值对应的一个或多个反射单元，并通过改变一个或多个反射单元的反射能力来使该功率阈值对应的一个或多个反射单元具有反射能力。

在本发明另一实施例中，上述预设的策略定义了时间与具有反射能力的反射单元之间的对应关系，此时，上述根据预设的策略改变一个或多个反射单元的反射能力的方法可以包括：根据所述预设的策略，当进入预设的时间段时，确定该时间段对应的一个或多个反射单元，并通过改变反射单元的反射能力来使该时间段对应的所述一个或多个反射单元具有反射能力。

在本发明另一实施例中，上述预设的策略定义了功率阈值以及时间与具有反射能力的反射单元之间的对应关系；此时，上述根据预设的策略改变反射单元的反射能力的方法可以包括：确定来自阅读器的射频信号的功率；及，根据所述预设的策略，当射频信号的功率达到预定的功率阈值时，确定当前时间段对应的一个或多个反射单元，并通过改变反射单元的反射能力来使该时间段对应的一个或多个反射单元具有反射能力。

在本发明一实施例中，每一反射单元包括N个串联的块和N-1个二极管，其中，N为大于1的整数，每两个相邻的块之间串联一个二极管，并且所述N-1个二极管的导通方向相同。此时，上述改变反射单元的反射能力的方法可以包括：通过分别改变向反射单元施加的偏压的方向来分别改变其反射能力。

以上方法中各个步骤的具体实现方法在前文已有详述，这里不再赘述。

以下结合图9和10给出了两种优选的根据预设的策略改变反射单元的反射能力的具体方式。

一、使用基于发射周期内时间段的策略

如图9所示，当来自阅读器的射频信号的功率由小到大达到预设的功率阈值时，在t0时刻，第一个发射周期到达，则开始学习阅读器的发射周期，经过T_ON的时长，在t1时刻，射频信号的功率回落到此功率阈值，此时可以学习到阅读器的发射周期为T_ON，这样，就能根据射频信号的功率和预设的功率阈值确定出射频信号的发射周期T_ON。在学习到发射周期之后，可以按预设的策略将发射周期划分为两个时间段T₁和T₂，并在每个发射周期到来时，在此发射周期内的各个时间段采用不同的反射方案（这里，所谓反射方案指的是使一组特定的反射单元具有反射能力，不同的反射方案是指使不同组的反射单元具有反射能力的反射方案）。如图9所示，在t2时刻，第二个发射周期到来，在此发射周期内，从t2到t3的时间段T₁采用反射方案1；而从t3时刻开始到此发射周期结束的时间段T₂采用反射方案2；在t4时刻，第三个发射周期到来，在此发射周期内，从t4到t5的时间段T₁采用反射方案3；而从t5时刻开始到此发射周期结束的时间段T₂采用反射方案4。以此类推，在后续的每个发射周期内，在时间段T₁和T₂采用不同的反射方案，图9中就不再一一示出。其中，在属于不同发射周期的时间段，可以采用相同或不同的反射方案。

二、使用基于发射周期的策略

如图10所示，当来自阅读器的射频信号的功率由小到大达到预设的功率阈值时，在t0时刻，第一个发射周期到达，则采用第一个发射周期对应的反射方案1，经过T_ON的时长，射频信号的功率回落到此功率阈值，此发射周期结束；之后，在每个发射周期到来时，开始采用该发射周期对应的反射方案。如图10所示，在t1时刻，第二个发射周期到来，在此发射周期内，采用反射方案2；在t2时刻，第三个发射周期到来，在此发射周期内，采用反射方案3；在t3时刻，第四个发射周期到来，在此发射周期内，采用反射方案4。以此类推，在后续的每个发射周期到来时采用当前的发射周期对应的反射方案，图10中就不再一一示出。其中，任两个发射周期可以对应相同或不同的反射方案。

本发明还提供了一种机器可读的存储介质，存储用于使一机器执行如本文所述的控制方法的指令。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机（或CPU或MPU）读出并执行存储在存储介质中的程序代码。

在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。

用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘（如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW）、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。

此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。

此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。

综上，本发明实施例提出的射频识别天线，能动态调整其辐射方向和辐射范围，不仅实现成本低、尺寸小，而且使用方便、读取空洞少，具有很高的实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (21)

1.一种用于射频识别的天线，包括辐射单元（101）和反射电磁波的能力可以改变的至少两个反射单元（102）；所述反射单元（102）排列在所述辐射单元（101）周围，所述反射单元（102）为电导体；所述辐射单元（101）发射电磁波；及所述反射单元（102）反射来自所述辐射单元（101）的电磁波。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述反射单元（102）可被手动调整来改变其反射所述电磁波的能力，从而使得一个或多个反射单元（102）具有反射电磁波的能力，而其它反射单元（102）被禁用。

3.根据权利要求1所述的天线，所述反射单元（102）可响应于外部的控制信号而改变其反射电磁波的能力，从而使得所述反射单元（102）中的一个或多个具有反射所述电磁波的能力而其它反射单元（102）被禁用。

4.根据权利要求3所述的天线，进一步包括控制单元；所述控制单元根据预设的策略改变所述反射单元（102）反射电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元（102）具有反射电磁波的能力而其它反射单元（102）被禁用。

5.根据权利要求3或4所述的天线，其中，每一反射单元（102）包括N个串联的块（b1，b2，…，bn）和N-1个二极管，其中，N为大于1的整数，每两个相邻的块之间串联一个二极管，并且所述N-1个二极管的导通方向相同；每一个块产生的感应电动势小于二极管的偏置电压，当施加在二极管上的偏置电压改变时反射单元（102）反射电磁波的能力改变。

6.根据权利要求5所述的天线，其中，所述反射单元（102）为表面镀有导电金属层的板，所述导电金属层上蚀刻有所述N个块（b1，b2，…，bn）。

7.根据权利要求5所述的天线，其中，每一反射单元（102）为平面的反射板；并且，

在每一反射单元（102）中，所述N个块为大小相同的矩形块（b1，b2，…，bn），且每一矩形块的长度和宽度都不超过λ/2，其中λ为所述天线的工作频率对应的电磁波的波长。

8.根据权利要求1至4任一项所述的天线，其中，每一反射单元（102）到所述辐射单元（101）的距离相同；和/或，所述的至少两个反射单元（102）沿圆形曲线或对称多边形曲线排列。

9.根据权利要求4所述的天线，所述控制单元具有下述功能：根据天线中馈线的射频信号的功率，按照所述预设的策略改变所述反射单元（102）反射电磁波的能力。

10.一种用于控制权利要求1中所述的天线的控制单元，所述控制单元包括：方向耦合器（602）、功率检测器（603）和控制器；其中：

所述方向耦合器（602）从射频信号中提取前向的射频信号，再将所述前向射频信号输出给所述功率检测器（603）；

所述功率检测器（603）获取所述前向射频信号的功率并提供给所述控制器；

控制器根据预设的策略和获取的所述射频信号的功率确定出应具有反射电磁波能力的反射单元，并改变向所述反射单元（102）输出的偏置电压，以改变所述反射单元（102）反射电磁波的能力，使根据预设的策略确定出的相应的一个或多个反射单元（102）具有反射电磁波的能力而其它反射单元（102）被禁用，其中，所述控制策略为射频信号的功率阈值和/或发射时间与应具有反射电磁波的能力的反射单元（102）之间的对应关系。

11.根据权利要求10所述的控制单元，所述控制器包括控制逻辑单元（604）和偏置电压控制器（605）；其中：

所述控制逻辑单元（604）根据所述策略和所述获取的射频信号的功率确定出射频信号的功率或时间与应具有反射电磁波的能力的反射单元（102）之间的对应关系，并根据该对应关系向所述偏置电压控制器（605）发出指令；及

所述偏置电压控制器（605）按来自所述控制逻辑单元（604）的指令改变向所述反射单元（102）输出的偏置电压，以改变所述反射单元（102）反射电磁波的能力，使根据预设的策略和功率确定出的一个或多个反射单元（102）具有反射电磁波的能力而其它反射单元（102）被禁用。

12.根据权利要求10所述的控制单元，其中，所述控制单元设置在与所述天线连接的发射机的外部，所述控制单元进一步包括偏置器（601）；

所述偏置器（601）从所述天线的馈线接收混合了所述射频信号和直流信号的信号，从该路信号中获取直流信号并输出给所述控制器，以提供直流电源，并将信号中的所述射频信号输出给所述方向耦合器（602）。

13.根据权利要求10所述的控制单元，其中，所述控制单元设置在所述天线连接的发射机的外部，所述控制单元进一步包括：电源（701），其用于为所述控制器提供直流电源。

14.根据权利要求10所述的控制单元，其中所述控制单元集成在与所述天线连接的发射机中；

所述方向耦合器（602）直接从所述发射机内的射频模块（802）接收所述射频信号并从中提取所述前向的射频信号；及，

所述控制器由所述发射机内的电源模块（801）供电。

15.一种射频识别系统，包括阅读器和标签；所述系统进一步包括：

根据权利要求1至4任一项所述的天线；或者，

根据权利要求1所述的天线，其中所述阅读器包括控制单元，该控制单元可根据预设的策略改变所述的反射单元（102）反射电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元（102）具有反射所述电磁波的能力而其它反射单元（102）被禁用；或者，

根据权利要求1所述的天线和控制单元，其中该控制单元可根据预设的策略改变所述反射单元（102）反射所述电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元（102）具有反射电磁波的能力而其它反射单元（102）被禁用。

16.一种用于控制权利要求1所述天线的方法，该方法包括：

根据预设的策略改变所述反射单元反射电磁波的能力，以使其中一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力而其它反射单元被禁用。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预设的策略定义了射频信号的功率阈值与应具有反射电磁波能力的反射单元之间的对应关系；

所述根据预设的策略改变所述天线的反射单元反射电磁波的能力的步骤包括：

确定所述天线连接的发射机发射的射频信号的功率；及，

根据所述预设的策略，确定所述射频信号的功率对应的一个或多个反射单元，并通过改变反射单元反射电磁波的能力来使所述功率对应的所述一个或多个反射单元具有反射所述电磁波的能力，而其它反射单元被禁用。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预设的策略定义了时间与应具有反射电磁波能力的反射单元之间的对应关系；

所述根据预设的策略改变天线中反射单元反射电磁波的能力的步骤包括：

根据所述预设的策略，每当进入一时间段时，确定该时间段应当对应的一个或多个反射单元，并通过改变反射单元反射所述电磁波的能力来使该时间段对应的所述一个或多个反射单元具有反射所述电磁波的能力，而其它反射单元被禁用。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预设的策略定义了射频信号的发射周期与应具有反射电磁波能力的反射单元之间的对应关系；

所述根据预设的策略改变反射单元所述天线中所述反射单元反射电磁波能力的步骤包括：

确定来自所述天线连接的发射机的射频信号的功率；

根据所述预设的策略，每当进入一发射周期，则确定该发射周期对应的一个或多个反射单元，并通过改变反射单元反射电磁波的能力来使该发射周期对应的所述一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力，而其它反射单元被禁用。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预设的策略定义了射频信号的发射周期内的多个时间段与应具有反射电磁波能力的反射单元之间的对应关系；

根据预设的策略改变所述反射单元反射电磁波的能力的步骤包括：

确定所述来自所述天线连接的发射机的射频信号的功率；

根据所述射频信号功率的变化确定所述射频信号的发射周期；

根据所述预设的策略，确定所述发射周期内的各个时间段；及，

根据所述预设的策略，在每一发射周期内，每当进入该发射周期内的一个时间段时，则确定该时间段对应的一个或多个反射单元，并通过改变反射单元反射电磁波的能力来使该时间段对应的所述一个或多个反射单元具有反射所述电磁波的能力。

21.根据权利要求16至20任一项所述的方法，其中，每一反射单元包括N个串联的块和N-1个二极管，其中，N为大于1的整数，每两个相邻的块之间串联一个二极管，并且所述N-1个二极管的导通方向相同；所述块的尺寸在一定范围内以使所述块上产生的感应电流不足以对所述天线辐射的电场构成影响；通过改变向所述反射单元输出的偏置电压的方向，改变所述反射单元反射电磁波的能力，从而使其中一个或多个反射单元具有反射电磁波的能力而其它反射单元被禁用。

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