CN112649784B - 一种基于标签等效阻抗模型的无源射频标签测距技术 - Google Patents

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Abstract

发明名称：一种基于标签等效阻抗模型的无源射频标签测距技术摘要：本发明公开一种无源标签内部等效阻抗测量的方法，包括：无源射频识别标签，无源射频识别标签包括偶极子天线、标签芯片；以及一台射频识别阅读器，所述射频识别阅读器包括频率合成器、功率放大器、收发一体的阅读器天线、调制解调电路等。通过测量读写器与标签的最大阅读距离，将测量距离值代入方程组解得标签天线的等效阻抗。还公开了一种包含标签内部相位延迟的双频相位差的标签测距方法。

Description

一种基于标签等效阻抗模型的无源射频标签测距技术
技术领域
本发明属于超高频无源射频识别领域，具体涉及一种基于超高频无源射频标签内部的等效阻抗测量的标签与阅读器之间距离的测量方法。
背景技术。射频识别技术(RFID)是一种具有非接触、成本低、体积小的优点。贴上标签的人或物品的可视化处理需要精确的读写器与标签的距离信息以便识别标签的空间位置，在密集标签如图书馆中图书等位置识别中，对距离的测量要求厘米级的精度或更高，为此，必须考虑标签内部延迟相位的影响，以提高定位精度。
传统的标签内部等效阻抗测试需要矢量网络分析仪，但是矢量网络分析仪造价昂贵。因此设计一种不需要外部设备的阻抗测量方法具有迫切的现实意义。
背景技术
本发明要解决的问题之一在于：提供一种不需要矢量网络分析仪等外部设备、成本低、检测方便的标签天线或标签芯片阻抗测量方法以及阅读器与标签间距离的测量方法。
本发明要解决的问题之二在于：针对现有的室内测距方法，将信号在标签的内部延迟考虑在内，提高测距的精确性。
发明内容
一种标签等效阻抗测量方法，无源射频识别标签工作在频率范围860MHz—960MHz，包括偶极子天线、标签芯片。天线与芯片采用单端口连接，天线连接到芯片的一对对角焊盘。
一超高频率的射频识别阅读器，所述射频识别阅读器包括频率合成器、功率放大器、收发一体的阅读器天线、调制解调电路等。
阅读器通过改变发射频率fi，使得标签中天线或芯片的等效阻抗值发生改变，从而标签内部天线与芯片间的传输系数发生改变，每次测量时，如果阅读器发射功率为Pt，i，标签的天线接收功率Pant，i为
Figure BDA0002820288170000021
其中Gt为阅读器天线增益，λi为测量信号波长，Gr为标签天线增益,di为阅读器天线和标签间的距离。
Figure BDA0002820288170000022
其中
Figure BDA0002820288170000023
图1给出了阅读器天线与标签能量传输示意图。图2为现有的无源射频识别标签内部等效模型原理图。
如图2所示，标签天线到芯片的能量传输系数为1-|Si|2，其中
Figure BDA0002820288170000024
得到芯片获得的功率为
Figure BDA0002820288170000025
将(2)式带入(3)式得
Figure BDA0002820288170000026
Zant，i与Zchip，i分别为标签天线、芯片的等效阻抗，可写成实部与虚部的表示形式即Zant，i＝Ra+jXa，i，Zchip，i＝Rc-jXc，i，其中Xa，i＝2πfiL为天线等效电抗，
Figure BDA0002820288170000027
为芯片等效容抗，Ra为天线等效电阻值，L为天线等效电感值。Rc为标签芯片等效电阻值，C为芯片等效电容值。则(4)可转化为
Figure BDA0002820288170000028
由(5)式可知，芯片的输入能量取决于标签天线的阻值，芯片的阻值，阅读器的发射能量和频率，标签与阅读器天线之间的距离di和常数K1。已知标签的芯片有一个激发阈值电压，当芯片电压达到阈值电压时，则标签被激活开始工作，本方法需要芯片刚好可以工作即刚好达到阈值功率，则Pchip，i＝PTH不变为一个常数，得到一个新的常数
Figure BDA0002820288170000031
则(5)式可重新写为
Figure BDA0002820288170000032
其中Xa，i＝2πfiL，
Figure BDA0002820288170000033
通过改变发射频率fi，使得天线的等效阻抗值发生改变，从而标签的传输系数1-|Si|2发生改变，每次测量时，一种是固定发射功率Pt，i＝Pt不变，测量当前频率下的阅读器天线和标签最大距离，即芯片刚好获得阈值能量，得到
Figure BDA0002820288170000034
通过M次改变阅读器的发射频率fi，i＝1，2，...，M，即可组成一个含M个未知参数的方程组。只要M大于等于未知参数个数，可求得无源射频标签的等效阻抗模型参数值。另一种是当每次测量时，固定阅读器天线和标签距离di＝d为不变，测量当前频率fi下的最小发射功率Pt，i，即芯片刚好获得阈值能量让回复信号被阅读器识别的阅读器发射功率，通过M次改变阅读器的发射频率fi，i＝1，2，...，M，即可组成一个含M个含未知参数的方程组。只要M大于等于未知参数个数，可求得无源射频标签的等效阻抗模型参数值和阅读器天线和无源射频标签之间的距离。总之，只要改变的频率数大于等于未知参数的数目，就可以联立方程(6)，求得标签内部参数。
由标签内部的等效阻抗值为Zi＝Zant，i+Zchip，i＝(Ra+Rc)+j(Xa，i-Xc，i)，可得信号在标签内的相位延迟为
Figure BDA0002820288170000035
作为本发明第二方面的运用双频相位差进行测距的方法，不同之处在于将信号在标签内部的相位延迟考虑在内。通过测量读写器接收的标签反射信号与读写器发射本振信号的相位差，比如测量阅读器接收的同相I路和正交Q路的两路信号，并用反正切actan(Q/I)求出总的阅读器发送信号与标签反射后阅读器接收的信号之间相位差Δφ0，j＝actan(Q/I)＝Δφ1，j+Δφ2，j+Δφ3，j，其中标签内部相位延迟值Δφ1，j(通过式(7)得到)、阅读器内部电气距离相位延迟值Δφ2，j(通过校准得到)、和Δφ3，j为阅读器天线与标签来回距离的相位延迟值。通过去除标签内部相位延迟与阅读器内部电气距离相位延迟，得到阅读器天线与标签来回距离的相位延迟值Δφ3，j＝Δφ0，j-Δφ1，j-Δφ2，j，然后可根据两次不同频率的相位差值(j＝1，2)得到与读器天线与标签间的距离：
Figure BDA0002820288170000041
式中，Δf＝|f1-f2|表示实际测量的两个频率之间的差值。
通过如上技术方案，本发明的优点在于简化了标签等效阻抗的测量方法，减小测量成本，并且将信号在标签内部的相位延迟加入传统的测距方法中，提高测距精度。
附图说明
图1为现有的阅读器天线与标签能量传输示意图。
图2为现有的超高频无源射频识别标签内部等效原理图。
图3为本发明的阻抗测量示意图。
图4为本发明的阅读器接收到的标签EPC码信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加明白易于了解，下面将结合具体图示对本发明进行详细阐述。本次实验仅举例在已知标签芯片阻抗时，测量标签天线的等效阻抗值。在已知标签天线等效阻抗值时，也可以使用同样的方法测量到标签芯片等效阻抗值，或标签天线阻抗、标签芯片阻抗均未知时也可进行类似处理。
图1为阅读器与无源标签的能量传输示意图。如图所示，阅读器发出功率Pt，并通过增益为Gt的天线将功率向空间发射出去，标签接收到的功率由增益为Gr的标签天线所接收，得到标签天线接收功率公式为
Figure BDA0002820288170000051
Pant和d(阅读器天线与标签间距离)是变量，随着频率f的改变，波长λ也是变量，其它参数为常数，所以公式可以写为
Figure BDA0002820288170000052
其中/>
Figure BDA0002820288170000053
图2为标签的内部等效原理图，标签天线向标签内芯片传输功率，标签天线到芯片的能量传输系数为1-|S|2，其中
Figure BDA0002820288170000054
便可得到芯片的接收功率为
Figure BDA0002820288170000055
Zant与Zchip可写成实部与虚部的表示形式即Zant＝Ra+jXa，Zchip＝Rc-jXc。则上式也可转化为/>
Figure BDA0002820288170000056
芯片的输入能量取决于标签天线的阻抗值，芯片的阻抗值，阅读器的发射能量和频率，标签天线与阅读器之间的距离d和常数K1。已知芯片有一个激发阈值电压或功率PTH，当芯片电压达到阈值电压或者芯片获得这个最低功率即Pchip＝PTH时，则标签被激活开始工作，且PTH不变为一个常数，得到一个新的常数
Figure BDA0002820288170000057
得到最终的阻抗测量公式
Figure BDA0002820288170000058
图3为阻抗测量其中一种方法的示意图。要使标签芯片刚好达到阈值能量开始工作，有两种方法。第一方法是固定阅读器与标签的距离，改变阅读器的发射功率，使得当发射功率最小时，标签刚好获得能量开始工作。第二种方法是固定标签的发射功率，测量当前功率下的最大阅读距离。本实验采用第二种方法，即测量最大阅读距离。至少三次改变载波频率，每个频率下的标签等效阻抗不同。测量每个频率下的最大阅读距离，组成一个方程组，即可求得标签天线的等效电阻和电感值。
本发明可采用双频相位差测距公式，可以克服信号在传输过程中的整周期模糊度问题。不同之处在于测量相位的过程中，考虑了标签的内部相位延迟，即可得到信号在往返路径中实际经历的相位延迟值。
图4为示波器采集到的接收信号的EPC码I路图，返回链路信号采用FM0编码。该段信号含有信号往返路径相位延迟、标签内部相位延迟信息和阅读器内部电气延迟相位。所以I路和Q路均加以采集，可利用该段信号提取相位值。
校验读写器的内部电气距离。通过在阅读器天线处接入一定反射系数的负载，测量阅读器收到的发射回波信号，可校准阅读器内部的电气距离引起的相位延迟。
本实施中将射频标签置于距离阅读器天线0.6m处，利用本发明实施距离测量，并与实际距离对比。由于系统无法克服随机误差的影响，因此采用最小二乘法对测量相位差进行平滑处理，以减小系统随机误差带来的影响，处理后的测距绝对误差最后均稳定在小于0.05m。
本发明不受上述实施例的限制，还会有多种变化，因此本领域的技术人员根据本发明原理所做的修改都应该在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于标签等效阻抗模型的无源射频标签测距方法，其特征在于，首先，建立无源射频标签等效阻抗模型，然后，基于无源射频标签等效阻抗模型进行无源射频标签内部参数测量，最后，在无源射频标签参数测量的基础上测量阅读器到无源射频标签的距离；
所述无源射频标签包括偶极子天线和无源射频标签芯片，偶极子天线与无源射频标签芯片采用单端口连接，偶极子天线连接到无源射频标签芯片的一对对角焊盘；
所述无源射频标签等效阻抗模型包括偶极子天线等效阻抗和无源射频标签芯片等效阻抗，无源射频标签偶极子天线的等效阻抗为Za,i＝Ra+j2πfiL，式中，Ra为偶极子天线等效电阻值，fi为系统工作频率，L为偶极子天线等效电感值，无源射频标签芯片的等效阻抗为
Figure FDA0004257578040000011
其中Rc为无源射频标签芯片等效电阻值，C为无源射频标签芯片等效电容值；
所述阅读器用于向无源射频标签发射固定功率的不同频率射频信号，提供给无源射频标签工作所需的能量以及控制、查询无源射频标签的指令，并且接收无源射频标签返回的信号，通过内部解调电路实现阅读器与无源射频标签间的信息解调和相位差值的测量；
所述基于无源射频标签等效阻抗模型进行无源射频标签内部参数测量，在于根据阅读器与无源射频标签的信号能量传输过程，推导出公式
Figure FDA0004257578040000012
式中，λi为工作频率fi对应波长，di为阅读器与无源射频标签之间的最大阅读距离，所述最大阅读距离，是指无源射频标签芯片刚好获得阈值能量让回复信号被阅读器识别的距离；Pt,i为阅读器发射信号功率，K为常数，阅读器通过改变其发射频率fi，使得无源射频标签的偶极子天线、无源射频标签芯片的等效阻抗值发生改变，无源射频标签的传输系数发生改变，每次测量时，固定发射功率不变，测量当前频率fi下的阅读器和无源射频标签最大距离di，通过M次改变阅读器的发射频率，即可组成M个含未知参数的方程组，只要M大于等于未知参数个数5，即Ra、Rc、L、C以及式(1)中K共5个参数，就可以求得无源射频标签内部未知元件的参数值Ra、Rc、L、C，得到无源射频标签内部等效阻抗值；
所述在无源射频标签参数测量的基础上测量阅读器到无源射频标签的距离，是指利用阅读器接收的无源射频标签反射信号的相位差值Δφ0,j，包含了无源射频标签内部的相位延迟值Δφ1,j、阅读器的内部电气距离相位值Δφ2,j和阅读器与无源射频标签之间的往返路径相位值Δφ3,j，即：
Δφ0,j＝Δφ1,j+Δφ2,j+Δφ3,j (2)
所述Δφ0,j通过测量阅读器发送信号与接收到的无源射频标签反射信号的相位差得到；无源射频标签内部的相位延迟值Δφ1,j是频率为fj下信号在无源射频标签内部的相位延迟，根据求解的无源射频标签内部等效阻抗值，可求得频率为fj下信号在无源射频标签内部的相位延迟为
Figure FDA0004257578040000021
式(3)中Xa,j＝2πfjL，为无源射频标签偶极子天线等效电抗，
Figure FDA0004257578040000022
为无源射频标签芯片等效容抗，其中j＝1，2；
所述阅读器的内部电气距离相位值Δφ2,j为频率为fj下，信号经过阅读器内部所经历的相位延迟值，可通过校准测量得到；最后将实际测量到相位差值Δφ0,j＝Δφ1,j+Δφ2,j+Δφ3,j，减去无源射频标签内部相位延迟值Δφ1,j和阅读器内部电气距离对应相位值Δφ2,j，即可得到发射频率为fj信号下无源射频标签和阅读器之间的往返路径相位值Δφ3,j，
Δφ3,j＝Δφ0,j-Δφ1,j-Δφ2,j (4)
利用两个频率下的往返路径相位差Δφ＝|Δφ3,1-Δφ3,2|，根据公式
Figure FDA0004257578040000023
计算出阅读器与无源射频标签之间的距离d，式(5)中c为光速，Δf为频差，即Δf＝|f1-f2|。
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