CN114970588B - 一种防数据碰撞的超高频rfid电子标签及射频识别系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种防数据碰撞的超高频RFID电子标签。电子标签包括收发装置和RFID芯片。收发装置包括匹配环，以及与匹配环耦合的弯折偶极子天线；其中，弯折偶极子天线包括第一弯折偶极子臂和第二弯折偶极子臂，第一弯折偶极子臂和/或第二弯折偶极子臂的至少部分位于匹配环所处平面的一侧。RFID芯片，与收发装置连接。本申请提供的电子标签具有较大的天线散射截面，可以有效减少标签密集环境读写数据碰撞，从而提高了数据读取率。

Description

一种防数据碰撞的超高频RFID电子标签及射频识别系统
技术领域
本申请涉及射频识别技术领域，具体涉及一种防数据碰撞的超高频RFID电子标签及射频识别系统。
背景技术
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号获得目标对象的数据，在整个识别的过程不需要人工的参与，以此可工作在各种恶劣的环境中。
目前国际上射频识别技术中被广泛采用的频率主要分布于四种波段：低频(125KHz~134.2KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(860MHz~960MHz)、微波(2.4GHz~2.5GHz)。其中低频和高频由于其能量传输是通过电感耦合的方式，传输距离相对比较近，一般情况是低于10厘米，而且数据的传输速率比较慢，应用场合的局限性比较大；微波频段其标签为有源标签，成本比较高，所以应用也会受限。所以对于超高频RFID来说，无源标签的出现以及RFID技术的应用，可以满足读写器短时间内准确快速地识别完所有标签信息的情况。
但是，在读写器射频范围内，多个标签同时与读写器进行通信时会发生数据碰撞的问题，读写器就很难完全读取到数据或者读取到错误的数据，影响整个系统的识别效率。目前通过后期不断改进防碰撞算法来解决多标签之间发生碰撞的问题，在标签数量少的情况下，算法之间的影响相差不大，但是在数量非常多的情况下，特别是在标签密集环境下，碰撞的比例会急剧上升，算法的影响就各有千秋。
因此，有必要提出一种技术方案，解决现有技术中射频识别系统在标签密集环境中使用受限的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种防数据碰撞的超高频RFID电子标签，解决现有技术中射频识别系统在标签密集环境中使用受限的问题。
基于以上目的，本申请提供一种防数据碰撞的超高频RFID电子标签，用于射频识别技术，通过阅读器读取电子标签包含的信息，所述电子标签包括：
收发装置，接收来自所述阅读器的信号，并把所述阅读器要求的数据送回给所述阅读器；
RFID芯片，与所述收发装置连接；
其特征在于，所述收发装置包括匹配环，以及，与所述匹配环耦合的弯折偶极子天线；
其中，所述弯折偶极子天线包括第一弯折偶极子臂和第二弯折偶极子臂，所述第一弯折偶极子臂和/或所述第二弯折偶极子臂的至少部分位于所述匹配环所处平面的一侧。
进一步的，所述匹配环所在平面为第一平面，所述第一偶极子臂在所述第一平面内的投影为第一投影面，所述第二偶极子臂在所述第一平面内的投影为第二投影面，所述匹配环在所述第一平面内的投影为第三投影面，所述第三投影面为正六边形，所述第一投影面与所述第二投影面组合构成围绕所述第三投影面的至少两层正六边形开环结构。
进一步的，所述第一投影面与所述第二投影面组合构成的两层正六边形开环结构中，靠近所述第三投影面的为第一正六边形开环结构，远离所述第三投影面的为第二正六边形开环结构，
所述第三投影面内环边长为大于2.5mm且小于7.5mm；
所述第三投影面外环边长为大于3mm且小于9mm；
所述第一正六边形开环结构的正六边形内环边长为大于4mm且小于12mm；
所述第一正六边形开环结构的正六边形外环边长为大于4.5且小于13.5mm；
所述第二正六边形开环结构的正六边形内环边长为大于5.5mm且小于16.5mm；
所述第二正六边形开环结构的正六边形外环边长为大于6mm且小于18mm。
进一步的，所述第一正六边形开环结构与所述匹配环的间距大于0.5mm且小于1.5mm；
所述第二正六边形开环结构与所述第一正六边形开环结构的间距大于0.5mm且小于1.5mm。
进一步的，所述第一弯折偶极子臂和/或所述第二弯折偶极子臂包括至少一个天线换面段，所述天线换面段的延伸方向与所述第一平面的夹角为5°-15°。
进一步的，所述第一弯折偶极子臂包括至少两个天线换面段，其中，第一天线换面段在所述第一平面内的投影位于所述第一弯折偶极子臂与所述匹配环的连接处，第二天线换面段在所述第一平面内的投影位于两层正六边形开环结构的连接处；
所述第二弯折偶极子臂包括至少两个天线换面段，其中，第三天线换面段在所述第一平面内的投影位于所述第二弯折偶极子臂与所述匹配环的连接处，第四天线换面段在所述第一平面内的投影位于两层正六边形开环结构的连接处。
进一步的，所述第一弯折偶极子臂和所述第二弯折偶极子臂的带宽为大于0.5mm且小于1.5mm。
进一步的，所述弯折偶极子天线的总输入阻抗与所述RFID芯片的输入阻抗相匹配。
进一步的，所述弯折偶极子天线的谐振频率在860MHz~960MHz。
本申请还提供一种射频识别系统，包括如上任一所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签。
本申请通过调整天线的物理结构，增大了天线的散射截面，使得当电子标签处于标签密集环境时，依旧具有较大的最大识别距离，并且可以有效减少读写数据碰撞，提高了数据读取率，从而解决现有技术中射频识别系统在标签密集环境中使用受限的问题。
附图说明
图1为本申请一种实施例提供防数据碰撞的超高频RFID电子标签示意图；
图2为本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签在第一平面内的投影示意图；
图3为本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签的天线的辐射方向图；
图4为本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签的天线输入阻抗示意图；
图5为本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签的天线回波损耗示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
对于射频识别系统，阅读器和RFID电子标签之间是通过无线电波进行数据传输的，根据耦合方式、工作频率和作用距离的不同，射频识别系统可以分为电感耦合方式和电磁反向散射方式。其中，又因电磁反向散射方式的射频识别系统的识别距离较远，该方式的识别系统又称为远距离RFID系统。现有超高频射频识别是一种利用电磁场反向散射方式进行标签识别的无线传输技术，能够实现快速无接触识别，准确读取多枚标签信息，同时具有较高的数据传输效率和数据安全性，目前在物流管理、生产管理、智慧交通以及无人超市等领域得到广泛应用。
但是，对于远距离RFID系统，当标签近距离放置且小于工作波长时，标签间的互耦效应成为影响射频识别系统的识别性能的重要因素，致使射频识别系统在标签密集环境中的使用受限。有鉴于此，本申请的目的在于提供一种技术方案，解决现有技术中射频识别系统在标签密集环境中使用受限的问题。
基于以上目的，本申请提供一种防数据碰撞的超高频RFID电子标签，用于射频识别技术，通过阅读器读取电子标签100包含的信息。
如图1所示，其示出了本申请实施例提供的电子标签100示意图。电子标签100包括：收发装置11和RFID芯片12。
其中，收发装置11用于接收来自阅读器的信号，并把阅读器要求的数据送回给阅读器。RFID芯片12与收发装置11连接。
作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，收发装置11包括匹配环111，以及，与匹配环111耦合的弯折偶极子天线112。
其中，弯折偶极子天线112包括第一弯折偶极子臂112a和第二弯折偶极子臂112b，第一弯折偶极子臂112a和/或第二弯折偶极子臂112b的至少部分位于匹配环111所处平面的一侧。
如图2所示，其示出了本申请实施例提供的电子标签100在匹配环111所处平面的投影示意图。为了便于说明，在本申请实施例中，将匹配环111所处平面定义为第一平面。将匹配环111在第一平面上的投影定义为第三投影面，将第一弯折偶极子臂112a在第一平面内的投影定义为第一投影面，将第二弯折偶极子臂112b在第一平面内的投影定义为第二投影面。
作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，第三投影面为正六边形结构，第一投影面与第二投影面组合构成围绕第三投影面的至少两层正六边形开环结构。
具体的，如图2所示，为了便于说明，将第一投影面与第二投影面组合构成的两层正六边形开环结构中，靠近第三投影面的称为第一正六边形开环结构，远离第三投影面的称为第二正六边形开环结构。
对于第一弯折偶极子臂112a，第一弯折偶极子臂112a与匹配环111连接，并通过折叠天线的方式在匹配环111的外围构成双层结构的天线。第一弯折偶极子臂112a距离匹配环111较近的一层天线在第一平面内的投影为第一正六边形开环结构的一部分，第一弯折偶极子臂112a距离匹配环111较远的一层天线在第一平面内的投影为第二正六边形开环结构的一部分。
对于第二弯折偶极子臂112b，第二弯折偶极子臂112b与匹配环111连接，并通过折叠天线的方式在匹配环111的外围构成双层结构的天线。第二弯折偶极子臂112b距离匹配环111较近的一层天线在第一平面内的投影为第一正六边形开环结构的另一部分，第二弯折偶极子臂112b距离匹配环111较远的一层天线在第一平面内的投影为第二正六边形开环结构的另一部分。
在本申请实施例中，第一弯折偶极子臂112a与第二弯折偶极子臂112b互不接触，因此第一投影面与第二投影面也互不接触，第一投影面与第二投影面组合构成的双层正六边形结构存在开口，在本申请实施例中，开口的宽度可以表示为第一弯折偶极子臂112a与匹配环111的连接处到第二弯折偶极子臂112b与匹配环111的连接处之间的距离。
在本申请实施例中，弯折偶极子天线112在第一平面的投影为正六边形结构，该结构可以有效加强电子标签100的空间利用率，使电子标签100的结构更为紧凑，便于电子标签100在标签密集环境的使用。此外，正六边形结构还可以提高结构的稳定性。
对于电子标签100，其几何参数和形状是影响标签性能的重要因素，根据以上说明可知，在本申请实施例中，电子标签100在第一平面的投影基本呈正六边形。作为一种可选的实现方式，本申请实施例对电子标签100的几何参数进行设计，使弯折偶极子天线112的总输入阻抗与RFID芯片12的输入阻抗相匹配。具体的，弯折偶极子天线112的总输入阻抗与RFID芯片12的输入阻抗共轭匹配。
如图2所示，作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，第三投影面内环边长为大于2.5mm且小于7.5mm，第三投影面外环边长为大于3mm且小于9mm。第一正六边形开环结构的正六边形内环边长为大于4mm且小于12mm，第一正六边形开环结构的正六边形外环边长为大于4.5且小于13.5mm。第二正六边形开环结构的正六边形内环边长为大于5.5mm且小于16.5mm，第二正六边形开环结构的正六边形外环边长为大于6mm且小于18mm。
作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，第一正六边形开环结构与匹配环111的间距大于0.5mm且小于1.5mm，第二正六边形开环结构与第一正六边形开环结构的间距大于0.5mm且小于1.5mm。
作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，第一弯折偶极子臂112a和/或第二弯折偶极子臂112b包括至少一个天线换面段，天线换面段的延伸方向与第一平面的夹角为5°-15°。本申请在弯折偶极子天线112中设置天线换面段，使得弯折偶极子天线112中的至少部分位于匹配环111所处平面的一侧，即，弯折偶极子天线112中的至少部分与匹配环111不处于同一平面，增大了弯折偶极子天线112的最大散射截面。
作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，第一弯折偶极子臂112a包括至少两个天线换面段，其中，第一天线换面段在第一平面内的投影位于第一弯折偶极子臂112a与匹配环111的连接处，第二天线换面段在第一平面内的投影位于两层正六边形开环结构的连接处。
具体的，第一弯折偶极子臂112a包括依次连接的至少四个部分，并且第一弯折偶极子臂112a可以一体成形。其中，第一弯折偶极子臂112a的第一部分作为第一天线换面段与匹配环111连接，第一弯折偶极子臂112a的第二部分在第一平面的投影为第一正六边形开环结构的左半部分，第一弯折偶极子臂112a的第三部分作为第二天线换面段，第一弯折偶极子臂112a的第四部分在第一平面的投影为第二正六边形开环结构的左半部分。
根据以上说明，第一弯折偶极子臂112a的第一部分作为第一天线换面段，第一天线换面段的延伸方向与第一平面的夹角为5°-15°。第一弯折偶极子臂112a的第三部分作为第二天线换面段，第二天线换面段的延伸方向与第一平面的夹角为5°-15°。
为了便于说明，假定匹配环111水平放置，第一平面为水平面。则第一弯折偶极子臂112a由于其第一部分与第一平面之间的倾角的作用，第一弯折偶极子臂112a的第二部分中至少存在部分高于或低于第一平面。同理，则第一弯折偶极子臂112a由于其第三部分与第一平面之间的倾角的作用，第一弯折偶极子臂112a的第四部分中至少存在部分高于或低于第一平面。
具体的，例如，第一弯折偶极子臂112a中，第一部分向上倾斜，即，第一部分高于第一平面，由于第一弯折偶极子臂112a中第二部分与第一部分连续，因此，第二部分中至少存在部分天线高出第一平面。第二弯折偶极子臂112b中的第三部分向上倾斜（第三部分也可以向下倾斜，无需与第一部分的倾斜方向一致，并且倾斜的角度也可不同），第三部分高于第一平面，由于第一弯折偶极子臂112a中第四部分与第三部分连续，因此，第四部分中至少存在部分天线高出第一平面。
类似的，第二弯折偶极子臂112b的设计可以参考第一弯折偶极子臂112a。为了便于设计，在本申请实施例中，第二弯折偶极子臂112b与第一弯折偶极子臂112a对称。
此外，作为一种可选的实现方式，以第一弯折偶极子臂112a为例，除了可以在第一弯折偶极子臂112a的第一部分设计倾角外，还可以在第二部分和/或第四部分中天线的折弯处设计倾角，从而增加标签天线的最大散射截面。
作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，第一弯折偶极子臂112a和第二弯折偶极子臂112b的带宽为大于0.5mm且小于1.5mm。
对于电子标签100，由于其标签天线的互耦效应导致标签天线的识别性能发生改变，基本上RFID系统对电子标签100的最大识别距离随电子标签100间距的减小而减小。
因此，本申请实施例提供的电子标签100对标签的天线进行改良，提升RFID系统对电子标签100的最大识别距离。
作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的电子标签100通过对标签天线的结构设计，增大电子标签100的最大散射截面，从而提升RFID系统对电子标签100的最大识别距离。
具体的，对于基于电磁反向散射方式的射频识别系统，电子标签100被激活后，电子标签100通过自身天线对阅读器发送信号。根据天线散射理论，电子标签100的天线的散射截面表示如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：ΓA表示标签负载反射系数；σs表示结构模式散射截面；σa表示天线模式散射截面；φr表示两种散射截面相位差。结构模式散射截面与天线负载无关，天线材料、表面结构以及天线大小影响结构模式散射截面；对于同一天线，不同负载情况下天线的散射截面不同。
如图3所示，其示出了本申请实施例提供的电子标签100的天线的辐射方向图。从中可以看出，本申请实施例提供的电子标签100的天线的最大增益约为2.5dB，根据公式计算可以获得该电子标签100的理论最大识别距离，公式如下：
Figure 183102DEST_PATH_IMAGE002
式中，R max 表示雷达最大作用距离，P t 表示发射功率，G表示天线增益，λ表示载波波长，σ表示天线的散射截面，S i min 表示最小可检测信号 (S i min ∈P r )，P r 表示回波功率。
对于天线增益，可以通过如下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，Ae表示天线的有效接受面积，λ表示载波波长。
由上式可知，在载波波长不变的前提下，天线的有效接受面积越大，则天线的增益越强，天线的辐射的方向性越好。如图3所示，本申请实施例提供的电子标签100，其通过改变天线的物理结构，调整天线的弯折角度及平面的内嵌，增大了天线的有效接受面积，从而天线的最大增益约为2.5dB，其天线增益效果优越，辐射方向性好，可以有效减少电子标签100之间的互耦效应。
如图4所示，其示出了本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签的天线输入阻抗示意图。如图4所示，在920MHZ频率下，天线输入阻抗与芯片输入阻抗基本共轭匹配，满足芯片阻抗的共轭要求，根据传输线理论，此时芯片可获得最大工作能量。
天线输入阻抗的虚部在谐振频率附近较为平缓，使得天线和芯片阻抗在一个较宽的频段内可以得到共轭匹配，当天线阻抗的虚部与标签芯片的虚部匹配时，反射系数S 11 是最小的。
如图5所示，其示出了本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签的天线回波损耗示意图。如图5所示，本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签的天线的回波损耗在频率范围内最低可以达到-35dB左右，在920MHZ频率下，该款标签回波损耗在-31dB左右，说明天线输入阻抗与芯片输入阻抗达到良好的匹配。
此外，本申请实施例提供的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其通过调整天线的物理结构，增大了天线的散射截面，从而使得电子标签即使处于标签密集环境中时，依旧具有较大的最大识别距离，从而解决现有技术中射频识别系统在标签密集环境中使用受限的问题。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种防数据碰撞的超高频RFID电子标签，用于射频识别技术，通过阅读器读取电子标签包含的信息，所述电子标签包括：
收发装置，接收来自所述阅读器的信号，并把所述阅读器要求的数据送回给所述阅读器；
RFID芯片，与所述收发装置连接；
其特征在于，所述收发装置包括匹配环，以及，与所述匹配环耦合的弯折偶极子天线；
其中，所述弯折偶极子天线包括第一弯折偶极子臂和第二弯折偶极子臂，所述第一弯折偶极子臂和/或所述第二弯折偶极子臂的至少部分位于所述匹配环所处平面的一侧；
所述匹配环所在平面为第一平面，所述第一弯折偶极子臂在所述第一平面内的投影为第一投影面，所述第二弯折偶极子臂在所述第一平面内的投影为第二投影面，所述匹配环在所述第一平面内的投影为第三投影面，所述第三投影面为正六边形，所述第一投影面与所述第二投影面组合构成围绕所述第三投影面的至少两层正六边形开环结构。
2.根据权利要求1所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其特征在于，
所述第一投影面与所述第二投影面组合构成的两层正六边形开环结构中，靠近所述第三投影面的为第一正六边形开环结构，远离所述第三投影面的为第二正六边形开环结构，
所述第三投影面内环边长为大于2.5mm且小于7.5mm；
所述第三投影面外环边长为大于3mm且小于9mm；
所述第一正六边形开环结构的正六边形内环边长为大于4mm且小于12mm；
所述第一正六边形开环结构的正六边形外环边长为大于4.5且小于13.5mm；
所述第二正六边形开环结构的正六边形内环边长为大于5.5mm且小于16.5mm；
所述第二正六边形开环结构的正六边形外环边长为大于6mm且小于18mm。
3.根据权利要求2所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其特征在于，所述第一正六边形开环结构与所述匹配环的间距大于0.5mm且小于1.5mm；
所述第二正六边形开环结构与所述第一正六边形开环结构的间距大于0.5mm且小于1.5mm。
4.根据权利要求1所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其特征在于，
所述第一弯折偶极子臂和/或所述第二弯折偶极子臂包括至少一个天线换面段，所述天线换面段的延伸方向与所述第一平面的夹角为5°-15°。
5.根据权利要求4所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其特征在于，
所述第一弯折偶极子臂包括至少两个天线换面段，其中，第一天线换面段在所述第一平面内的投影位于所述第一弯折偶极子臂与所述匹配环的连接处，第二天线换面段在所述第一平面内的投影位于两层正六边形开环结构的连接处；
所述第二弯折偶极子臂包括至少两个天线换面段，其中，第三天线换面段在所述第一平面内的投影位于所述第二弯折偶极子臂与所述匹配环的连接处，第四天线换面段在所述第一平面内的投影位于两层正六边形开环结构的连接处。
6.根据权利要求1所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其特征在于，所述第一弯折偶极子臂和所述第二弯折偶极子臂的带宽为大于0.5mm且小于1.5mm。
7.根据权利要求1所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其特征在于，所述弯折偶极子天线的总输入阻抗与所述RFID芯片的输入阻抗相匹配。
8.根据权利要求1所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签，其特征在于，所述弯折偶极子天线的谐振频率在860MHz~960MHz。
9.一种射频识别系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的防数据碰撞的超高频RFID电子标签。
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