CN106779013A - 敏化电路的确定方法、确定系统及敏化rfid传感标签 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种敏化电路的确定方法、确定系统及敏化RFID传感标签，其中，敏化电路的确定方法用于确定敏化电路，以在不降低敏化RFID传感标签的天线增益敏感度的基础上，提高敏化RFID传感标签的功率传输系数的动态范围，从而提升敏化RFID传感标签可实现增益的动态范围，进而提升敏化RFID传感标签的环境感知敏感度。敏化电路的确定方法确定的敏化电路能够最大化提升敏化RFID传感标签的敏感度。并且，当敏化电路应用于天线经过优化的RFID传感标签中时，可以进一步提升该RFID传感标签的敏感度；敏化电路还可以应用于天线未经过优化的RFID传感标签中，以实现较单纯优化天线的RFID传感标签更高的传感敏感度。

Description

敏化电路的确定方法、确定系统及敏化RFID传感标签
技术领域
本申请涉及射频识别技术领域，更具体地说，涉及一种敏化电路的确定方法、确定系统及敏化RFID传感标签。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象，具有易部署、快捷的优点，已经广泛应用于仓库管理、供应链管理、智能感知等领域。随着物联网的发展，对RFID标签出现了一些新的、迫切的要求，例如要求在RFID标签能够感知其所处环境的信息，例如温度、湿度、气体浓度和形变等。目前在RFID标签中集成环境感知功能的方法大都是结合有源传感器实现的，有源传感器具有高传感敏感度的优点，但由于有源传感器需要电池进行供电，其工作寿命受到电池电量的限制。并且当所述有源RFID传感标签应用于危险区域或不易二次到达的区域时，对其的回收以进行更换电池的工作耗时长且危险度高。因此如何在无源RFID标签中设置无源传感器，并实现较高的传感敏感度是研究人员努力的方向。
现有技术中有研究人员通过选定特定的RFID标签天线拓扑，并对其进行优化来实现对集成无源传感器的RFID标签的传感敏感度的提高。但是探索能够使所述RFID传感标签的环境感知敏感度达到最高的天线结构极具挑战性，目前只能通过频繁实验来确定天线的优化结构，效率较低且对RFID传感标签的敏感度的提升有限。
因此，亟需一种利用除对天线进行优化以外的方法来提高RFID传感标签的环境感知敏感度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种敏化电路的确定方法、确定系统及敏化RFID传感标签，以实现利用敏化电路提升RFID传感标签的敏感度的目的。
为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种敏化电路的确定方法，所述敏化电路用于提升无源射频识别RFID传感标签的环境感知敏感度，所述RFID传感标签包括天线、RFID芯片和传感器，所述敏化电路的确定方法包括：
在环境变化范围内选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值；
根据所有所述天线的输入阻抗值构成负载变化路径；
根据构成的负载变化路径选取不同的匹配网络，并对所有所述匹配网络的散射参数进行筛选，保留那些使所述RFID传感标签的功率传输系数在所述负载变化路径上单调变化的匹配网络的散射参数，作为备选散射参数；
选取在所述负载变化路径中的每个阻抗值下，在备选散射参数中，使匹配网络的网络敏感度最大的备选散射参数作为该阻抗值下的备选敏化电路的散射参数，所述网络敏感度为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率；
根据所有所述备选敏化电路对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径绘制最大敏感度分布曲线；
计算每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径的其他天线阻抗值下的网络敏感度，并绘制每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线；
根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数；
根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路。
可选的，所述根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数包括：
根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线计算每个备选敏化电路的敏感度差值；
比较所有所述备选敏化电路的敏感度差值，将具有最小的敏感度差值的备选敏化电路的散射参数作为所述敏化电路的散射参数。
可选的，所述在环境变化范围内选取多个环境状态包括：
在环境变化范围内均匀选取多个环境状态。
可选的，所述根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路包括：
根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路的LC集总电路结构，并根据所述RFID传感标签的天线形式确定所述敏化电路的LC集总电路的分布式电路。
一种敏化电路的确定系统，所述敏化电路用于提升无源射频识别RFID传感标签的环境感知敏感度，所述RFID传感标签包括天线、RFID芯片和传感器，所述敏化电路的确定系统包括：
阻抗获取模块，用于在环境变化范围内选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值；
路径获取模块，用于根据所有所述天线的输入阻抗值构成负载变化路径；
筛选模块，用于根据构成的负载变化路径选取不同的匹配网络，并对所有所述匹配网络的散射参数进行筛选，保留那些使所述RFID传感标签的功率传输系数在所述负载变化路径上单调变化的匹配网络的散射参数，作为备选散射参数；
备选电路选取模块，用于选取在所述负载变化路径中的每个天线的阻抗值下，在备选散射参数中，使匹配网络的网络敏感度最大的备选散射参数作为该阻抗值下的备选敏化电路的散射参数，所述网络敏感度为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率；
第一曲线绘制模块，用于根据所有所述备选敏化电路对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径绘制最大敏感度分布曲线；
第二曲线绘制模块，用于计算每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径的其他天线阻抗值下的网络敏感度，并绘制每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线；
散射参数确定模块，用于根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数；
敏化电路确定模块，用于根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路。
可选的，所述散射参数确定模块包括：
计算单元，用于根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线计算每个备选敏化电路的敏感度差值；
比较单元，用于比较所有所述备选敏化电路的敏感度差值，将具有最小的敏感度差值的备选敏化电路的散射参数作为所述敏化电路的散射参数。
可选的，所述阻抗获取模块具体用于在环境变化范围内均匀选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值。
可选的，所述敏化电路确定模块具体用于根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路的LC集总电路结构，并根据所述RFID传感标签的天线形式确定所述敏化电路的LC集总电路的分布式电路。
一种敏化RFID传感标签，包括天线、传感器和RFID芯片，还包括：
设置于所述天线与所述RFID芯片之间的敏化电路，所述敏化电路由上述任一项所述的敏化电路的确定方法确定。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种敏化电路的确定方法、确定系统及敏化RFID传感标签，其中，所述敏化电路的确定方法用于确定所述敏化电路，以通过在不降低所述RFID传感标签的天线增益敏感度的基础上，提高所述RFID传感标签的功率传输系数的动态范围，从而提升所述RFID传感标签可实现增益的动态范围，进而提升所述RFID传感标签的环境感知敏感度(传感敏感度)。并且所述敏化电路的确定方法通过确定所述负载变化路径，并针对所述负载变化路径中的天线阻抗值选取满足功率传输系数单调变化的匹配网络散射参数；然后在备选的散射参数中，选取在每个阻抗下使匹配网络的网络敏感度最大的散射参数作为所述备选敏化电路的散射参数，最后根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数，并根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路，以实现能够最大化提升所述RFID传感标签的传感敏感度的敏化电路的确定。
并且，当所述敏化电路应用于天线经过优化的RFID传感标签中时，可以进一步提升天线经过优化的RFID传感标签的传感敏感度；所述敏化电路还可以应用于天线未经过优化的RFID传感标签中，以实现较单纯优化天线的RFID传感标签更高的传感敏感度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种敏化电路的确定方法的流程示意图；
图2为包含所述匹配网络的RFID传感标签的等效电路示意图；
图3为不同天线负载值沿θ＝π变化时，峰值敏感度随匹配度τ0变化的曲线；
图4为图3的局部放大示意图；
图5为本申请的另一个实施例提供的一种敏化电路的确定方法的流程示意图；
图6为最大敏感度分布曲线和每个备选敏化电路在负载变化路径上的网络敏感度曲线；
图7为本申请的一个具体实施例中，初级RFID传感标签的天线拓扑和结构参数示意图；
图8为本申请的一个具体实施例中，初级RFID传感标签的天线的输入阻抗在915MHz随温度变化示意图；
图9(a)和图9(b)为在初级RFID传感标签中插入敏化电路前后，功率传输系数和天线Z方向增益在915MHz随温度变化的曲线；
图10为本申请的一个具体实施例确定的敏化电路的结构示意图；
图11为本申请的一个具体实施例提供的加入敏化电路后的RFID传感标签的结构示意图；
图12为本申请的又一个实施例提供的一种敏化电路的确定方法的流程示意图；
图13为本申请的一个实施例提供的一种敏化电路的确定系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种敏化电路的确定方法，如图1所示，包括：
S101：在环境变化范围内选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值。
优选的，所述在环境变化范围内选取多个环境状态包括：
在环境变化范围内均匀选取多个环境状态。
S102：根据所有所述天线的输入阻抗值构成负载变化路径；
S103：根据构成的负载变化路径选取不同的匹配网络，并对所有所述匹配网络的散射参数进行筛选，保留那些使所述RFID传感标签的功率传输系数在所述负载变化路径上单调变化的匹配网络的散射参数，作为备选散射参数；
S104：选取在所述负载变化路径中的每个阻抗值下，在备选散射参数中，使匹配网络的网络敏感度最大的散射参数作为该阻抗值下的备选敏化电路的散射参数，所述网络敏感度为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率；
S105：根据所有所述备选敏化电路对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径绘制最大敏感度分布曲线；
S106：计算每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径的其他天线阻抗值下的网络敏感度，并绘制每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线；
S107：根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数；
S108：根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路。
需要说明的是，对于无源RFID传感标签而言，通过在其上设置传感器可以实现对所述RFID传感标签的可实现增益的影响，通过测量所述RFID传感标签最大阅读距离或阅读器最小所需发射功率或标签反向散射功率或标签中心频率的变化均可得到所述RFID传感标签的可实现增益的变化，所述RFID传感标签的可实现增益与所述环境状态一一对应，从而可以通过对所述RFID传感标签的可实现增益的探测实现对环境参数的探测。
对于设定的RFID传感标签结构，环境变化决定了负载变化路径，设负载变化路径为Ψ＝[ZL1,ZL2,…,ZLn]。敏化电路可以针对路径Ψ上任意负载ZLi(i＝1,2,…,n)设计。对于不同的负载ZLi，设计的备选敏化电路具有不同的网络敏感度。在这些备选敏化电路中选出的所述敏化电路应在路径Ψ上提供最大总体网络敏感度。所述敏化电路设计的负载称为路径Ψ上最佳负载ZBL，其散射参数记为S11senb。如此设计的所述敏化电路正是高敏感度无源RFID传感标签设计所需要的。在本实施例中，所述备选敏化电路即为针对所述负载变化路径中各个天线阻抗值下产生最大网络敏感度，但是由于所述环境连续变化导致了所述天线的输入阻抗变化路径，因此需要在所有的所述备选敏化电路中选取一个能够在负载变化路径上提供最大总体网络敏感度的备选敏化电路作为所述敏化电路。
在所述敏化电路的实际设计中，需要保证功率传输系数τ在负载变化路径上的单调性，这是由于需要保证所述RFID传感标签的可实现增益与环境状态的一一对应，如果功率传输系数在所述负载变化路径上不具有单调性，就可能会出现一个可实现增益值对应两个甚至多个不同的环境状态的情况出现，这是不符合环境传感功能的要求的。
参考图2，图2为包含所述匹配网络的RFID传感标签的等效电路，在图2中，Eg表示源，Zg表示源阻抗，ZL表示负载阻抗，Zin表示输入阻抗，S表示匹配网络，τ表示RFID传感标签的功率传输系数，Zg＝Rg+jXg，Zin＝Rin+jXin，ZL＝RL+jXL，其中Rm(m∈(g,in,L))表示阻抗的实部，Xm(m∈(g,in,L))表示负载的虚部。将RFID传感标签中的RFID芯片和加载传感器的天线分别作为所述匹配网络的源和负载(这里仅考虑无耗互易对称的匹配网络)，天线的阻抗值随环境状态的变化会导致所述RFID芯片和天线的失配。对于同一负载阻抗变化，不同的匹配网络产生的失配响应不同，故需定义网络敏感度来描绘匹配网络对RFID传感标签传感敏感度的影响。网络敏感度定义为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率，其定义式为其中，负载变化量△ZL的幅度δ和角度θ分别定义为δ＝[(△RL)2+(△XL)2]1/2和θ＝arctan(△XL/△RL)。对网络敏感度的定义式进行泰勒展开，可得：
由于泰勒展开后的网络敏感度定义式中每个导数都是匹配网络散射参数S11的函数，因此可得网络敏感度是负载值ZL、匹配网络散射参数S11(由于匹配网络的无耗互易对称特性，匹配网络中的其他散射参数可用S11表示)、负载变化幅度δ和角度θ的函数。对于一个确定的RFID传感标签的天线，负载值ZL和负载变化δ和θ是已知的，因此匹配网络的散射参数是唯一可以用于调节RFID传感标签传感敏感度的变量。
下面将对步骤S104进行具体说明：
对于给定的负载，我们定义匹配度τ0来描述匹配网络设计的功率传输系数。对于给定的源阻抗Zg和负载阻抗ZL，设计于τ＝τ0的匹配网络存在一系列散射参数S11的值。对于同一负载变化，不同的匹配网络的散射参数S11的值展现出不同的网络敏感度。因此对于给定的负载变化△ZL＝δ∠θ和匹配度τ0，总可以找到一个匹配网络的散射参数具有极大的网络敏感度，成为峰值敏感度。当τ0∈[0～1]内变化时，总可以找到峰值敏感度的最大值，称为最大敏感度，将取得最大敏感度的匹配网络定义为该负载下的备选敏化电路。
如图3所示，图3为不同天线负载值(ZL1＝1+j50Ω,ZL2＝5-j80Ω,ZL3＝11+j143Ω)沿θ＝π变化时，峰值敏感度随匹配度τ0变化的曲线。在计算和图3的绘制中，源阻抗设定为Zg＝11-j143Ω。从图3可得，最大敏感度Senmax在某一匹配度τ0处取得。例如，负载ZL＝1+j50Ω沿θ＝π变化时,最大敏感度Senmax＝0.42可以由设计在τ0＝0.67的敏化电路S11＝0.198∠0.329π取得。同时，具有较小电阻的负载在整个匹配度范围τ0∈[0～1]内都取得较高的网络敏感度，其中τ0＝1表示完全匹配网络，其敏感度(图3中标号A1所示部分)如图4所示。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图5所示，所述根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数包括：
S1071：根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线计算每个备选敏化电路的敏感度差值；
S1072：比较所有所述备选敏化电路的敏感度差值，将具有最小的敏感度差值的备选敏化电路的散射参数作为所述敏化电路的散射参数。
具体地，参考图6，图6为所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线。
根据步骤S104中获取的所有所述备选敏化电路的散射参数对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径中的各个天线的阻抗值描点绘制的所述最大敏感度分布曲线y0＝Senmax(ZL)如图6中的实线所示；每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线yi＝SenS11i(ZL)(i＝1,…,n)(其中，n表示所述备选敏化电路的数量，也即所述负载变化路径中的天线的阻抗值的数量)如图6中的虚线曲线所示。
相应的，所述根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数包括：比较和计算最大敏感度曲线和网络敏感度曲线的差值：
其中，具有最小的敏感度差值的备选敏化电路，意味着其在所述负载变化路径上具有最大的总体敏感度，其对应的负载值ZLi和网络散射参数S11i为所述敏化电路的最佳负载ZBL和散射参数S11senb。
下面以具体的例子进行说明，RFID芯片采用Alien Higgs H-3芯片，在915MHz阻抗为27-j200Ω。温度感知通过加载在天线上的热敏电阻实现。热敏电阻的等效阻抗可以看作电阻和电容的并联ZS(T)＝RS(T)||CS(T)，其中T表示温度。当温度从25℃变为160℃时，电阻RS从2.2KΩ减小至200Ω，电容CS从0.3pF增大至0.7pF。采用未优化的蜿蜒线天线作为初级RFID传感标签的天线，天线拓扑和结构参数如图7所示，图7中，标号100表示所述RFID芯片，标号200表示热敏电阻，热敏电阻加载在天线的一臂上。天线基板介电常数为6.15，厚度为1mm。具体天线尺寸如下：W1＝2.5mm,L1＝26.5mm,W2＝2.5mm,L2＝26mm,W3＝2.5mm,L3＝14.5mm,W4＝2.5mm和L4＝20mm。
初级RFID传感标签天线的输入阻抗在915MHz随温度变化如图8所示，图8中标号300表示天线输入电阻，标号400表示天线输入电抗。初级RFID传感标签的功率传输系数和天线Z方向(参考图7中的XYZ坐标系)增益在915MHz随温度变化如图9(a)和9(b)中的虚线所示。
利用所述敏化电路的确定方法，可得敏化电路的S11senb＝0.634∠0.798π，最佳负载ZBL＝18.2-j94.3Ω。最佳负载ZBL在T＝85℃时取得。该敏化电路可以用图10所示的共面带状线电路实现。具体敏化电路尺寸如下：w1＝0.5mm,l1＝4mm,w2＝3mm,l2＝39.2mm和d＝0.4mm。将该敏化电路插入初级RFID传感标签的芯片和天线之间，具有温度探测功能的高敏感度的RFID传感标签如图11所示。插入敏化电路后，所述RFID传感标签的功率传输系数和天线增益随温度变化如图9(a)和图9(b)中的实线所示。比较图9(a)和图9(b)中实线和虚线可以看出：加入所述敏化电路后，所述RFID传感标签功率传输系数和所述RFID传感标签天线增益的敏感度和动态范围都大幅度提高。计算可得：加入敏化电路后，所述RFID传感标签的可实现增益动态范围从0.01增大为0.78。
值得注意的是，对比现有技术中的文献：“S.Manzari,S.Caizzone,C.Rubini,andG.Marrocco,“Feasibility of wireless temperature sensing by passive UHF-RFIDtags in ground satellite test beds,”in Proc.IEEE Int.Conf.WiSEE,Noordwijk,TheNetherlands,pp.1–6,Oct.2014.)”，该文献中采用相同的热敏电阻，通过优化标签天线实现了0.21的可实现增益动态范围。因此敏化电路能够结合随意采用且未经优化的初级RFID传感标签天线，达到较优化选定天线的RFID传感标签高得多的敏感度。因此采用本发明的设计方法，无需特别筛选RFID传感标签天线形式，即可方便地实现具有温度探测功能的高敏感度的RFID传感标签的设计。
当所述RFID传感标签中嵌入或接入不同的传感器，如温度、湿度、气体、振动等传感器，本发明的设计可广泛用于军事、工业自动化、智能农业、食品安全和生物医学等众多应用领域。
在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，参考图12，所述根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路包括：
S1081：根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路的LC集总电路结构，并根据所述RFID传感标签的天线形式确定所述敏化电路的LC集总电路的分布式电路。
相应的，本申请实施例还提供了一种敏化电路的确定系统，如图13所示，所述敏化电路用于提升无源RFID传感标签的传感敏感度，所述RFID传感标签包括天线和RFID芯片，所述敏化电路的确定系统包括：
阻抗获取模块A10，用于在环境变化范围内选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值；
路径获取模块A20，用于根据所有所述天线的输入阻抗值构成负载变化路径；
筛选模块A30，用于根据构成的负载变化路径选取不同的匹配网络，并对所有所述匹配网络的散射参数进行筛选，保留那些使所述RFID传感标签的功率传输系数在所述负载变化路径上单调变化的匹配网络的散射参数，作为备选散射参数；
备选电路选取模块A40，用于选取在所述负载变化路径中的每个天线的阻抗值下，在备选散射参数中，使匹配网络的网络敏感度最大的备选散射参数作为该阻抗值下的备选敏化电路的散射参数，所述网络敏感度为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率；
第一曲线绘制模块A50，用于根据所有所述备选敏化电路对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径绘制最大敏感度分布曲线；
第二曲线绘制模块A60，用于计算每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径的其他天线阻抗值下的网络敏感度，并绘制每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线；
散射参数确定模块A70，用于根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数；
敏化电路确定模块A80，用于根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路。
优选的，阻抗获取模块具体用于在环境变化范围内均匀选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值。
需要说明的是，对于无源RFID传感标签而言，通过在其上设置传感器可以实现对所述RFID传感标签的可实现增益的影响，通过测量所述RFID传感标签最大阅读距离或阅读器最小所需发射功率或RFID传感标签反向散射功率或标签中心频率的变化均可得到所述RFID传感标签的可实现增益的变化，所述RFID传感标签的可实现增益与所述环境状态一一对应，从而可以通过对所述RFID传感标签的可实现增益的探测实现对环境参数的探测。
对于设定的RFID传感标签结构，环境变化决定了负载变化路径，设负载变化路径为Ψ＝[ZL1,ZL2,…,ZLn]。敏化电路可以针对路径Ψ上任意负载ZLi(i＝1,2,…,n)设计。对于不同的负载ZLi，设计的备选敏化电路具有不同的网络敏感度。在这些备选敏化电路中选出的所述敏化电路应在路径Ψ上提供最大总体网络敏感度。所述敏化电路设计的负载称为路径Ψ上最佳负载ZBL，其散射参数记为S11senb。如此设计的所述敏化电路正是高传感敏感度无源RFID传感标签设计所需要的。在本实施例中，所述备选敏化电路即为针对所述负载变化路径中各个天线阻抗值下使所述RFID传感标签具有最高的传感敏感度的敏化电路，但是由于所述环境变化导致了所述天线的输入阻抗值的变化，因此需要在所有的所述备选敏化电路中选取一个能够最大化提升所述RFID传感标签的传感敏感度的备选敏化电路作为所述敏化电路。
在所述敏化电路的实际设计中，需要保证功率传输系数τ在负载变化路径上的单调性，这是由于需要保证所述RFID传感标签的可实现增益与环境状态的一一对应，如果功率传输系数在所述负载变化路径上不具有单调性，就可能会出现一个可实现增益值对应两个甚至多个不同的环境状态的情况出现，这是不符合环境传感功能的要求的。
参考图2，图2为包含所述匹配网络的RFID传感标签的等效电路，在图2中，Eg表示源，Zg表示源阻抗，ZL表示负载阻抗，Zin表示输入阻抗，S表示匹配网络，τ表示RFID传感标签的功率传输系数，Zg＝Rg+jXg，Zin＝Rin+jXin，ZL＝RL+jXL，其中Rm(m∈(g,in,L))表示阻抗的实部，Xm(m∈(g,in,L))表示负载的虚部。将RFID传感标签中的RFID芯片和天线分别作为所述匹配网络的源和负载(这里仅考虑无耗互易对称的匹配网络)，天线的阻抗值随环境状态的变化会导致所述RFID芯片和天线的失配。对于同一负载阻抗变化，不同的匹配网络产生的失配响应不同，故需定义网络敏感度来描绘匹配网络对RFID传感标签传感敏感度的影响。网络敏感度定义为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率，其定义式为其中，负载变化量△ZL的幅度δ和角度θ分别定义为δ＝[(△RL)2+(△XL)2]1/2和θ＝arctan(△XL/△RL)。对网络敏感度的定义式进行泰勒展开，可得：
由于泰勒展开后的网络敏感度定义式中每个导数都是匹配网络散射参数S11的函数，因此可得网络敏感度是负载值ZL、匹配网络散射参数S11(由于匹配网络的无耗互易对称特性，匹配网络中的其他散射参数可用S11表示)、负载变化幅度δ和角度θ的函数。对于一个确定的RFID传感标签的天线，负载值ZL和负载变化δ和θ是已知的，因此匹配网络的散射参数是唯一可以用于调节RFID传感标签传感敏感度的变量。
下面对所述备选电路选取模块A40的具体工作过程进行说明：对于给定的负载，我们定义匹配度τ0来描述匹配网络设计的功率传输系数。对于给定的源阻抗Zg和负载阻抗ZL，设计于τ＝τ0的匹配网络存在一系列散射参数S11的值。对于同一负载变化，不同的匹配网络的散射参数S11的值展现出不同的网络敏感度。因此对于给定的负载变化△ZL＝δ∠θ和匹配度τ0，总可以找到一个匹配网络的散射参数具有极大的网络敏感度，成为峰值敏感度。当τ0∈[0～1]内变化时，总可以找到峰值敏感度的最大值，称为最大敏感度，将取得最大敏感度的匹配网络定义为该负载下的备选敏化电路。
如图3所示，图3为不同天线负载值(ZL1＝1+j50Ω,ZL2＝5-j80Ω,ZL3＝11+j143Ω)沿θ＝π变化时，峰值敏感度随匹配度τ0变化的曲线。在计算和图3的绘制中，源阻抗设定为Zg＝11-j143Ω。从图3可得，最大敏感度Senmax在某一匹配度τ0处取得。例如，负载ZL＝1+j50Ω沿θ＝π变化时,最大敏感度Senmax＝0.42可以由设计在τ0＝0.67的敏化电路S11＝0.198∠0.329π取得。同时，具有较小电阻的负载在整个匹配度范围τ0∈[0～1]内都取得较高的网络敏感度，其中τ0＝1表示完全匹配网络，其敏感度(图3中标号A1所示部分)如图4所示。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述散射参数确定模块包括：
计算单元，用于根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线计算每个备选敏化电路的敏感度差值；
比较单元，用于比较所有所述备选敏化电路的敏感度差值，将具有最小的敏感度差值的备选敏化电路的散射参数作为所述敏化电路的散射参数。
具体地，参考图6，图6为所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线。
根据所述备选电路选取模块A40获取的所有所述备选敏化电路的散射参数对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径中的各个天线的阻抗值描点绘制的所述最大敏感度分布曲线y0＝Senmax(ZL)如图6中的实线所示；每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线(其中，n表示所述备选敏化电路的数量，也即所述负载变化路径中的天线的阻抗值的数量)如图6中的虚线曲线所示。
相应的，所述根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数包括：比较和计算最大敏感度曲线和网络敏感度曲线的差值：
其中，具有最小的敏感度差值的备选敏化电路，意味着其在所述负载变化路径上具有最大的总体敏感度，其对应的负载值ZLi和网络散射参数S11i为所述敏化电路的最佳负载ZBL和散射参数S11senb。
下面以具体的例子进行说明，RFID芯片采用Alien Higgs H-3芯片，在915MHz阻抗为27-j200Ω。温度感知通过加载在天线上的热敏电阻实现。热敏电阻的等效阻抗可以看作电阻和电容的并联ZS(T)＝RS(T)||CS(T)，其中T表示温度。当温度从25℃变为160℃时，电阻RS从2.2KΩ减小至200Ω，电容CS从0.3pF增大至0.7pF。采用未优化的蜿蜒线天线作为初级RFID传感标签的天线，天线拓扑和结构参数如图7所示，图7中，标号100表示所述RFID芯片，标号200表示热敏电阻，热敏电阻加载在天线的一臂上。天线基板介电常数为6.15，厚度为1mm。具体天线尺寸如下：W1＝2.5mm,L1＝26.5mm,W2＝2.5mm,L2＝26mm,W3＝2.5mm,L3＝14.5mm,W4＝2.5mm和L4＝20mm。
初级RFID传感标签天线的输入阻抗在915MHz随温度变化如图8所示，图8中标号300表示天线输入电阻，标号400表示天线输入电抗。初级RFID传感标签的功率传输系数和天线Z方向(参考图7中的XYZ坐标系)增益在915MHz随温度变化如图9(a)和9(b)中的虚线所示。
利用所述敏化电路的确定方法，可得敏化电路的S11senb＝0.634∠0.798π，最佳负载ZBL＝18.2-j94.3Ω。最佳负载ZBL在T＝85℃时取得。该敏化电路可以用图10所示的共面带状线电路实现。具体敏化电路尺寸如下：w1＝0.5mm,l1＝4mm,w2＝3mm,l2＝39.2mm和d＝0.4mm。将该敏化电路插入初级RFID传感标签的芯片和天线之间，具有温度探测功能的高敏感度的RFID传感标签如图11所示。插入敏化电路后，所述RFID传感标签的功率传输系数和天线增益随温度变化如图9(a)和图9(b)中的实线所示。比较图9(a)和图9(b)中实线和虚线可以看出：加入所述敏化电路后，所述RFID传感标签功率传输系数和所述RFID传感标签天线增益的敏感度和动态范围都大幅度提高。计算可得：加入敏化电路后，所述RFID传感标签的可实现增益动态范围从0.01增大为0.78。
值得注意的是，对比现有技术中的文献：“S.Manzari,S.Caizzone,C.Rubini,andG.Marrocco,“Feasibility of wireless temperature sensing by passive UHF-RFIDtags in ground satellite test beds,”in Proc.IEEE Int.Conf.WiSEE,Noordwijk,TheNetherlands,pp.1–6,Oct.2014.)”，该文献中采用相同的热敏电阻，通过优化标签天线实现了0.21的可实现增益动态范围。因此敏化电路能够结合随意采用且未经优化的初级RFID传感标签天线，达到较优化选定天线的RFID传感标签高得多的敏感度。因此采用本发明的设计方法，无需特别筛选RFID传感标签天线形式，即可方便地实现具有温度探测功能的高敏感度的RFID传感标签的设计。
当所述RFID传感标签中嵌入或接入不同的传感器，如温度、湿度、气体、振动等传感器，本发明的设计可广泛用于军事、工业自动化、智能农业、食品安全和生物医学等众多应用领域。
在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，所述敏化电路确定模块A80具体用于根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路的LC集总电路结构，并根据所述RFID传感标签的天线形式确定所述敏化电路的LC集总电路的分布式电路。
相应的，本申请实施例还提供了一种敏化RFID传感标签，包括天线、传感器和RFID芯片，还包括：
设置于所述天线与所述RFID芯片之间的敏化电路，所述敏化电路由上述任一实施例所述的敏化电路的确定方法确定。
综上所述，本申请实施例提供了一种敏化电路的确定方法、确定系统及敏化RFID传感标签，其中，所述敏化电路的确定方法用于确定所述敏化电路，以通过在不降低所述RFID传感标签的天线增益的基础上，提高所述RFID传感标签的功率传输系数的动态范围，从而提升所述RFID传感标签的可实现增益，进而提升所述RFID传感标签的传感敏感度。并且所述敏化电路的确定方法通过确定所述负载变化路径，并针对所述负载变化路径中的每个天线的阻抗值选取每个匹配网络的备选散射参数；然后选取在每个匹配网络的备选散射参数中选取在每个阻抗下使该匹配网络的网络敏感度最大的备选散射参数作为所述备选敏化电路的散射参数，最后根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数，并根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路，以实现能够最大化提升所述RFID传感标签的传感敏感度的敏化电路的确定。
并且，当所述敏化电路应用于天线经过优化的RFID传感标签中时，可以进一步提升天线经过优化的RFID传感标签的传感敏感度；所述敏化电路还可以应用于天线未经过优化的RFID传感标签中，以实现较单纯优化天线的RFID传感标签更高的传感敏感度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种敏化电路的确定方法，其特征在于，所述敏化电路用于提升无源射频识别RFID传感标签的环境感知敏感度，所述RFID传感标签包括天线、RFID芯片和传感器，所述敏化电路的确定方法包括：
在环境变化范围内选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值；
根据所有所述天线的输入阻抗值构成负载变化路径；
根据构成的负载变化路径选取不同的匹配网络，并对所有所述匹配网络的散射参数进行筛选，保留那些使所述RFID传感标签的功率传输系数在所述负载变化路径上单调变化的匹配网络的散射参数，作为备选散射参数；
选取在所述负载变化路径中的每个阻抗值下，在备选散射参数中，使匹配网络的网络敏感度最大的备选散射参数作为该阻抗值下的备选敏化电路的散射参数，所述网络敏感度为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率；
根据所有所述备选敏化电路对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径绘制最大敏感度分布曲线；
计算每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径的其他天线阻抗值下的网络敏感度，并绘制每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线；
根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数；
根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路。
2.根据权利要求1所述的敏化电路的确定方法，其特征在于，所述根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数包括：
根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线计算每个备选敏化电路的敏感度差值；
比较所有所述备选敏化电路的敏感度差值，将具有最小的敏感度差值的备选敏化电路的散射参数作为所述敏化电路的散射参数。
3.根据权利要求1所述的敏化电路的确定方法，其特征在于，所述在环境变化范围内选取多个环境状态包括：
在环境变化范围内均匀选取多个环境状态。
4.根据权利要求1所述的敏化电路的确定方法，其特征在于，所述根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路包括：
根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路的LC集总电路结构，并根据所述RFID传感标签的天线形式确定所述敏化电路的LC集总电路的分布式电路。
5.一种敏化电路的确定系统，其特征在于，所述敏化电路用于提升无源射频识别RFID传感标签的环境感知敏感度，所述RFID传感标签包括天线、RFID芯片和传感器，所述敏化电路的确定系统包括：
阻抗获取模块，用于在环境变化范围内选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值；
路径获取模块，用于根据所有所述天线的输入阻抗值构成负载变化路径；
筛选模块，用于根据构成的负载变化路径选取不同的匹配网络，并对所有所述匹配网络的散射参数进行筛选，保留那些使所述RFID传感标签的功率传输系数在所述负载变化路径上单调变化的匹配网络的散射参数，作为备选散射参数；
备选电路选取模块，用于选取在所述负载变化路径中的每个天线的阻抗值下，在备选散射参数中，使匹配网络的网络敏感度最大的备选散射参数作为该阻抗值下的备选敏化电路的散射参数，所述网络敏感度为所述匹配网络输入端口处的功率传输系数对负载变化的平均变化率；
第一曲线绘制模块，用于根据所有所述备选敏化电路对应的最大网络敏感度和所述负载变化路径绘制最大敏感度分布曲线；
第二曲线绘制模块，用于计算每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径的其他天线阻抗值下的网络敏感度，并绘制每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线；
散射参数确定模块，用于根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线，确定敏化电路的散射参数；
敏化电路确定模块，用于根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路。
6.根据权利要求5所述的敏化电路的确定系统，其特征在于，所述散射参数确定模块包括：
计算单元，用于根据所述最大敏感度分布曲线和每个所述备选敏化电路在所述负载变化路径上的网络敏感度曲线计算每个备选敏化电路的敏感度差值；
比较单元，用于比较所有所述备选敏化电路的敏感度差值，将具有最小的敏感度差值的备选敏化电路的散射参数作为所述敏化电路的散射参数。
7.根据权利要求5所述的敏化电路的确定系统，其特征在于，所述阻抗获取模块具体用于在环境变化范围内均匀选取多个环境状态，并获取在每个所述环境状态下的所述天线的输入阻抗值。
8.根据权利要求5所述的敏化电路的确定系统，其特征在于，所述敏化电路确定模块具体用于根据所述敏化电路的散射参数确定所述敏化电路的LC集总电路结构，并根据所述RFID传感标签的天线形式确定所述敏化电路的LC集总电路的分布式电路。
9.一种敏化RFID传感标签，包括天线、传感器和RFID芯片，其特征在于，还包括：
设置于所述天线与所述RFID芯片之间的敏化电路，所述敏化电路由权利要求1-4任一项所述的敏化电路的确定方法确定。
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