CN1980084A - 用于对无线标签的位置进行定位的位置定位器 - Google Patents

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Abstract

用于对无线标签的位置进行定位的位置定位器。具有指向性的天线接收从无线标签产生的谐波信号，并且针对该天线所指向的每一个方向，输出对应于一方向的位置信息和表示是否从该方向接收了谐波信号的接收信息。

Description

用于对无线标签的位置进行定位的位置定位器
技术领域
本发明涉及使用RFID(射频识别)标签来识别数据载体的RFID系统。
背景技术
RFID标签是包括用于存储数据的存储单元和用于进行无线通信的天线的电子器件，并且其中以非接触方式读取和写入数据。通过使用这种附于物品的器件，能够以非接触方式管理该物品。
如图1A所示，常规RFID标签包括天线12、开关13、电阻器14、整流电路15以及数据处理电路16，该RFID标签接收未经调制的连续波，作为例如来自953MHz的读/写器11的询问信号。基于此，整流电路15根据所接收的连续波产生电源电压，并将电力提供给数据处理电路16。
开关13和电阻器14形成了可变负载电路。数据处理电路16通过接通/断开开关13来改变标签上的负载，并且生成响应信号。然后，天线12以与接收对应询问信号的频率相同的频率向读/写器11返回响应信号。
图1B示出了该RFID标签的等效电路。符号V、Rant和RL分别表示天线的开路电压、天线的辐射电阻以及标签的负载。如图1C所示，在该电路中，天线的再辐射功率(V2/Rant)随着RL与Rant之比的变化而发生变化。
在接收到询问信号并发送了逻辑“0”的数据时，开关13保持“断开”状态，并且通常，所述比被设置为满足RL/Rant＝1。当发送了逻辑“1”的数据时，开关接通。由此，电阻器14并联连接到标签电路，从而，减小RL并且也减小RL/Rant的值(例如，RL/Rant＝0.5)。从而，根据图1C的再辐射特性，天线的再辐射功率增加，并且以大电功率发送电磁波。
如上所述，RFID标签在通过改变标签的负载而改变天线12的再辐射的大小之后，向读/写器11返回响应信号。
关于上述RFID系统，提出了通过使用谐波来防止位置相互接近的多个读/写器之间的无线干扰的方法(例如，参见以下专利文献1)。此外，提出了通过光学检测设置在RFID标签的表面上的反光镜来定位标签的位置的方法(例如，参见以下专利文献2)。
专利文献1
日本专利申请公开No.08-227468
专利文献2
日本专利申请公开No.04-089296
然而，以上常规RFID系统具有以下问题。
当存在多个RFID标签时，即使可以基于读/写器接收的响应信号识别出存在这些标签，也难于对这些标签的位置进行定位。此外，无法识别出未附有标签的物品或者其标签存在故障的物品的存在。
为了基于以特定频率从RFID标签返回的响应信号来定位RFID标签的位置，需要构造出以下天线，该天线在接收响应信号时所使用的频率处具有非常窄的波束(指向性)。例如，在953MHz的RFID系统中，波长为大约31cm。因此，需要阵列天线，其中以大于或等于该波长的整数倍的空间间隔来排列多个天线振子。
图1D示出了上述窄波束天线的示例。该波束天线包括以预定间隔排列的四个天线振子21-1到21-4，并且面积为大约700平方毫米，这样存在的问题是该器件必须较大。
专利文献2中描述的定位RFID标签的位置的方法不能用于检测RFID标签的漏贴以及RFID标签的故障，这是因为所使用的反光镜未与RFID标签相关联地操作。此外，需要在读/写器侧提供发光元件。
发明内容
本发明的第一目的是在RFID系统中利用相对小的器件来定位RFID标签的位置。
本发明的第二目的是在RFID系统中检测RFID标签的漏贴以及附贴到物品上的RFID标签的故障。
根据本发明的位置定位器包括天线、控制装置和输出装置，并且该位置定位器对于其中可以按非接触方式读取数据的无线标签的位置进行定位。所述天线具有指向性，并且接收由所述无线标签产生的谐波信号。所述控制装置控制天线所指向的方向。所述输出装置针对天线所指向的各方向，输出与方向相对应的位置信息以及表示是否从该方向接收了谐波信号的接收信息。
根据本发明的第一无线标签包括接收装置、谐波产生装置以及发送装置。所述接收装置从读/写器接收作为询问信号的未经调制的连续波。所述谐波产生装置根据所接收的连续波产生谐波信号。所述发送装置发送与该询问信号和谐波信号相对应的响应信号。
根据本发明的第二无线标签包括接收装置、发光装置以及发送装置。所述接收装置从所述读/写器接收作为询问信号的未经调制的连续波。所述发光装置根据所接收的连续波产生光。所述发送装置发送与所述询问信号相对应的响应信号。
附图说明
图1A示出了常规RFID系统的构成；
图1B示出了与RFID标签等效的电路；
图1C示出了RFID标签的天线的再辐射功率；
图1D示出了带宽为935MHz的波束天线；
图2示出了根据本发明的位置定位器的原理；
图3示出了第一RFID标签的构成；
图4示出了谐波；
图5A示出了天线的第一波形；
图5B示出了天线的第二波形；
图6示出了第一位置定位器系统的构成；
图7示出了第一接收天线；
图8示出了第二位置定位器系统的构成；
图9示出了第二接收天线；
图10示出了第二RFID标签的构成；
图11示出了第三RFID标签的构成；
图12示出了第四RFID标签的构成；以及
图13示出了第三位置定位器系统的构成。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的优选实施例。
图2示出了根据本发明的位置定位器的原理。该位置定位器包括天线装置101、控制装置102以及输出装置103，并且该位置定位器对可以按非接触方式读取和写入数据的RFID标签104的位置进行定位。
天线装置101具有指向性，并且接收从RFID标签104产生的谐波信号。控制装置102控制天线装置101所指向的方向。针对天线装置101所指向的各方向，输出装置103输出与该方向相对应的位置信息，以及表示是否从该方向接收了谐波的接收信息。
RFID标签104产生频率等于RFID标签104从读/写器接收连续波的频率的整数倍的谐波。天线装置101根据控制装置102作出的指示改变指向性，接收从天线所指向的方向发送的谐波信号，并向输出装置103提供表示该天线装置101是否接收到谐波信号的信息。控制装置102向输出装置103提供表示控制装置102指示天线装置101要指向的方向的信息。
根据天线装置101和控制装置102提供的信息，输出装置103输出由各方向指定的位置信息，和表示是否接收到来自该方向的谐波信号的接收信息。
由此，针对天线101所指向的多个位置中的每一个，能够获得是否存在产生谐波信号的RFID标签104的信息。
此外，如果RFID标签104产生光而不是谐波信号，则能够通过检测该光并基于该光显示图像来定位RFID标签104的位置。
例如，在下面要说明的图6中，天线装置101对应于谐波接收天线604和谐波接收器607，而控制装置102和输出装置103分别对应于位置控制器606和监视装置608。
在下面要说明的图8中，天线装置101对应于谐波接收天线801和谐波接收器607，而控制装置102和输出装置103分别对应于位置控制器606和监视装置608。
因为谐波的频率等于或高于基波频率的两倍，所以谐波的波长等于或短于基波波长的一半。因此，对于确保接收天线的指向性而言所需的天线振子之间的间隔被减小，这使得能够通过小的接收天线来定位RFID标签的位置。如果使用产生光而不是谐波信号的RFID标签，则无需接收天线也可，这实现了更小的装置。
在这两种情况下，可以检测出RFID标签的漏贴以及RFID标签的故障，因为RFID标签在从读/写器接收到连续波时会作出响应。
在根据本实施例的RFID系统中，RFID标签设置有产生所接收的高频信号的谐波的电路，或者设置有产生光的电路，并且通过利用从RFID标签产生的谐波或光来定位RFID标签的位置。
使用诸如二极管、晶体管等的非线性元件作为用于产生谐波的元件。使用诸如发光二极管等的发光元件作为用于产生光的元件。在以下实施例中，使用二极管作为非线性元件，而使用发光二极管作为发光元件。
例如，当利用谐波时，要接收波长短于用于在读/写器与标签之间发送/接收询问信号和响应信号的波长的信号。因此，可以减小用于接收窄波束所需的天线振子之间的间隔，从而能够通过相对小的接收天线来定位标签的位置。在以上专利文献1中，谐波用于防止通信干扰，这意味着专利文献1的发明和本发明在使用谐波的目的方面彼此不同。
当利用光时，可以通过使用诸如CCD(电荷耦合器件)等的光检测器来定位标签的位置。
图3示出了将RFID标签的整流电路用作谐波发生电路的示例。该RFID标签包括偶极天线201、开关202、电阻器203、整流电路204以及数据处理电路205，整流电路204包括二极管211和212以及电容器213和214。数据处理电路205包括存储电路和逻辑电路，并且数据处理电路205的负载电阻由R等效表示。
开关202和电阻器203形成了可变负载电路。数据处理电路205利用经调制的信号来接通/断开开关202而改变标签的负载，并且生成响应信号。然后，偶极天线201以从读/写器接收对应询问信号的频率将响应信号返回给读/写器。
在通常的整流电路中，通过制备在特性和尺寸方面彼此相同的二极管211和二极管212来防止谐波的产生。相反地，在本实施例中，通过改变这些特性或通过制备尺寸不同的两个二极管，来产生其电平不会影响其他无线系统的谐波。
图4示出了在图3的整流电路204中产生的谐波的示例。在该示例中，产生频率分别比基波频率(953MHz)高两倍和高三倍的二次谐波和三次谐波。例如，当使用三次谐波进行位置定位时，可将形状如图1D所示的接收天线的尺寸减小到三分之一。
此处，将说明二极管211和212的优选尺寸和特性。为了防止谐波影响其他无线系统，要产生如下信号，其功率通常比基波的功率低大约60分贝。
图5A示出了当天线产生奇次谐波时，该天线的波形示例。横轴表示相位，纵轴表示天线中产生的电压。通常，将二极管211和212导通的阈值电压403设置为大约0V，以提高整流电路204的转换效率。因此，从天线201再辐射出具有与接收波形401类似的电压波形的波，从而，几乎不会产生谐波。
当将阈值电路403设为“a”以产生谐波时，包括通过整流电路204产生的谐波的分量对应于电压波形402。当天线201与电路匹配时，天线201再辐射的信号电压由下式表示。
基波：
(4/π)(α·sinθ-(1/2)·sin2θ)
n次谐波分量(n为奇数)：
(4/π)((α/n)·sin(nθ)-(1/(n+1))·sin((n+1)θ)+(1/(n-1))·sin((n-1)θ))
其中，原始波形的振幅为1，原始波形中的信号值变为“a”的相位是π/2-θ以及π/2+θ，并且信号值变为“-a”的相位是3π/2-θ和3π/2+θ。
在上式中，θ是作为“a”的函数获得的。因此，通过确定“a”可以产生恰当的谐波，从而使得基于上式，基波与n次谐波的功率比为-60dB。
图5B示出了当天线产生偶次谐波时该天线的波形示例。通常，二极管211和212的尺寸被设置为相等，以防止产生谐波。当这两个二极管的尺寸彼此不同时，从天线201再辐射的高频信号的波形是电压波形501，并且正压侧的振幅与负压侧的振幅大小相等。
此处，如果较高的半周期的振幅是1，并且较低的半周期的振幅是“b”(b＜1)，则当天线201与电路匹配时，天线201再辐射的信号电压由下式表示。
基波：
(1+b)/2
n次谐波分量(n为偶数)：
2(1-b)/(π(n2-1))
因此，通过基于上式将“b”确定为使基波与n次谐波的功率比为-60dB，并且通过使用所确定的“b”作为两个二极管的尺寸比，可以产生恰当的谐波。
此外，最好还考虑天线201的频率特性来确定“a”的值和“b”的值。在谐波中，天线的辐射阻抗比基波中的高大约10倍，并且天线增益比基波中的高大约1.5倍或更高。考虑到这些特性，将-60dB的谐波信号设置为对于电路具有大约-40dB的差。
例如，当使用2次到5次谐波来进行位置定位时，“a”和“b”的优选值如下所述。
3次谐波：
a≥0.025(阈值电压等于或者大于天线中产生的电压振幅的2.5％)
5次谐波：
a≥0.004(阈值电压等于或者大于天线中产生的电压振幅的4％)
2次谐波：
a≤0.98(使用两个在尺寸上相差至少2％的二极管)
4次谐波：
a≤0.895(使用两个在尺寸上相差至少10.5％的二极管)
图6示出使用如上所述的从RFID标签产生的高频信号的位置定位器系统的构成示例。该系统包括：附贴到大量诸如波纹(corrugated)箱等的物品601上的RFID标签602、读/写器603、谐波接收天线604、旋转控制机构605-1和605-2、位置控制器606、谐波接收器607以及监视装置608。
读/写器603将未经调制的连续波作为询问信号发送到RFID标签602，并且还将触发信号发送到谐波接收天线604。RFID标签602在频率与接收波的频率相等的基波中输出响应信号，并且还输出该基波的谐波信号。读/写器603接收基波中的响应信号，并且谐波接收天线604由触发信号激活，并接收谐波信号。
如图7所示，谐波接收天线604包括在一平面上以预定间隔排列的多个天线振子，以及两个旋转轴。例如可以使用贴片天线(patch antenna)作为天线振子，并且其阵列间隔大致与例如要接收的谐波的波长相等。旋转控制机构605-1和605-2根据来自位置控制器606的表示位置信息的控制信号，使谐波接收天线604绕着各相应轴旋转。由此，可以机械地将谐波接收天线604的波束指向较宽范围。
位置控制器606将表示谐波接收天线604的波束的当前方向的信号输出到监视装置608。谐波接收器607从谐波接收天线604接收信号，并将表示是否接收了预定谐波的信号输出到监视装置608。然后，监视装置608评估来自位置控制器606的信号所表示的方向是否为存在RFID标签602的方向，并将该方向转换为显示面板上的位置坐标，随后，在屏幕上显示表示是否从各位置接收了谐波的信息。
虽然最好以图6所示的图像格式显示信息，但是也可以文本格式等显示该信息。操作员可以根据显示在监视装置608上的信息识别出各RFID标签602的位置。在这种情况下，在没有附贴RFID标签602的物品601的位置以及附贴有具有故障的RFID标签的物品601的位置，不显示表示谐波的接收的信息，由此，还可以检测出RFID标签602的漏贴和RFID标签602的故障。
除了机械地对波束进行指向的方法之外，还可以通过电气地改变多个天线振子的相位的方法来定位天线的位置。图8示出了这种类型的位置定位器系统的构成示例。该系统具有图6的构成，其中谐波接收天线604和旋转控制机构605-1/605-2分别由谐波接收天线801和位置信息转换器802代替。RFID标签602、读/写器603、位置控制器606、谐波接收器607以及监视装置608以与图6的相应部分相似的方式进行操作。
谐波接收天线801是如图9所示的定相阵列波束天线，并且包括在一平面上以预定间隔排列的大量天线振子901，还包括数量与天线振子901一样多的可变移相器902，这些可变移相器902分别连接到天线振子901。该谐波接收天线801由来自读/写器603的触发信号激活，并且接收谐波信号。
例如使用贴片天线作为天线振子901，并且其阵列间隔例如大致与要接收的谐波的波长相同。可变移相器902的相位差根据来自位置信息转换器802的控制信号而变化。各可变移相器902在将从对应天线振子901输出的信号的相位变化了根据对应控制信号的相位差之后，将该信号输出到谐波接收器607。
位置信息转换器802将来自位置控制器606的表示位置信息的控制信号转换成表示各可变移相器902的相位差的控制信号，并将经过转换的信号输出到谐波接收天线801。
谐波接收器607可以通过使用从可变移相器902输出的信号只检测从特定方向接收的信号。例如，如果所有可变移相器902的相位差被设为0，则只检测来自天线正前方的谐波，而不检测来自其他方向的谐波。也可以通过采用不同值作为各相位差，来任意改变待检测的谐波的方向。
位置控制器606将表示谐波接收天线801的波束的当前方向的信号输出到监视装置608。谐波接收器607将表示是否接收了预定谐波的信号输出到监视装置608。由此，表示是否从各位置接收了谐波的信息以类似图6所示的方式显示在监视装置608的屏幕上。
在图8的RFID系统中，谐波接收天线801的构成比图6的复杂，然而，图8的RFID系统的优点在于由于无需机械操作，所以处理速度更高并且减少了故障。
在图3的RFID标签中，使用整流电路204来产生谐波，但也可以为此目的使用其他电路。图10示出了使用RFID标签的可变负载电路作为谐波发生电路的示例。
该RFID标签包括天线1001、开关1002、二极管1003、电阻器1004、整流电路1005以及数据处理电路1006。在这些部件中，天线1001、开关1002、电阻器1004以及数据处理电路1006以类似于图3的偶极天线201、开关202、电阻器203以及数据处理电路205的方式进行操作。整流电路1005对应于不产生谐波的共用整流电路。
通过如图10所示以串联方式将二极管1003插入可变负载电路中，在开关1002处于“接通”状态时，即，在传送了逻辑“1”时，可以基于二极管1003的非线性特性产生谐波。同样，在这种情况下，RFID标签的位置由图6或图8的系统进行定位。
接下来，参照图11到图13说明其中对RFID标签提供发光电路的示例。
图11示出了使用RFID标签的整流电路作为发光电路的示例。该RFID标签具有图3的构成，其中整流电路204由整流电路1101代替，并且整流电路1101具有图3的整流电路204的构成，其中二极管211由发射红外线或可见光的发光二极管1102代替。由此，当整流电路1101操作时，发光二极管发光。
此外，即使发光二极管代替整流电路204的二极管212而不是二极管211，也可以实现同样的效果。
图12示出了使用RFID标签的可变负载电路作为发光电路的示例。该RFID标签具有图10的构成，其中二极管1003由发光二极管1201代替。由此，发光二极管1201基于逻辑“1”的传送而发光。
图13示出了使用如上所述的从RFID标签产生的光的位置定位器系统的构成示例。该系统包括附贴到大量物品601的RFID标签1301、读/写器603、摄像机1302以及监视装置1303。在这些部件中，读/写器以类似于图6的方式进行操作。
RFID标签1301将响应信号输出到读/写器603，并且还产生光。摄像机1302包括诸如CCD等的用于进行光电转换的光检测器，并且由来自读/写器603的触发信号激活，获取物品601的图像，并且将图像信息输出到监视装置1303。该监视装置1303在屏面上显示所接收的图像信息。
操作员可以根据显示在监视显示器1303上的光点的位置识别出作出响应的RFID标签1301的位置。在这种情况下，在没有附贴RFID标签1301的物品601的位置或附贴有具有故障的RFID标签1301的物品601的位置，不显示光点，从而还可以检测出RFID标签1301的漏贴以及RFID标签1301的故障。

Claims (13)

1、一种位置定位器，用于对其中可以按非接触方式读取并写入数据的无线标签的位置进行定位，所述位置定位器包括：
具有指向性的天线装置，用于接收从无线标签产生的谐波信号；
控制装置，用于控制天线装置指向的方向；以及
输出装置，用于针对天线装置指向的每一个方向，输出与一方向相对应的位置信息，和表示是否接收了来自该方向的谐波的接收信息。
2、根据权利要求1所述的位置定位器，进一步包括：
旋转控制装置，用于根据来自控制装置的控制信号，使天线装置绕着旋转轴旋转，其中：
天线装置包括以预定间隔排列的多个天线振子。
3、根据权利要求1所述的位置定位器，进一步包括：
转换装置，用于将来自控制装置的控制信号转换成相位控制信号，其中：
天线装置包括：以预定间隔排列的多个天线振子；和多个可变移相器，用于根据相位控制信号改变从各天线振子输出的信号的相位。
4、一种无线标签，包括：
接收装置，用于从读/写器接收未经调制的连续波作为询问信号；
谐波产生装置，用于根据所接收的连续波产生谐波信号；以及
发送装置，用于发送对应于询问信号的响应信号和谐波信号。
5、根据权利要求4所述的无线标签，其中：
谐波产生装置包括非线性元件，并且包括整流装置，该整流装置用于根据所接收的连续波产生电源电压。
6、根据权利要求5所述的无线标签，其中：
整流装置包括阈值电压等于或高于预定值的两个二极管，作为非线性元件。
7、根据权利要求6所述的无线标签，其中：
所述阈值电压等于或高于所接收的连续波的电压振幅的2.5％。
8、根据权利要求5所述的无线标签，其中：
整流装置包括尺寸互不相同的两个二极管，作为非线性元件。
9、根据权利要求8所述的无线标签，其中：
所述两个二极管中的一个的尺寸等于或小于另一个的89.5％。
10、根据权利要求4所述的无线标签，其中：
谐波产生装置包括非线性元件，并且包括用于产生响应信号的可变负载装置。
11、一种无线标签，包括：
接收装置，用于从读/写器接收作为询问信号的未经调制的连续波；
发光装置，用于根据所接收的连续波产生光；以及
发送装置，用于发送对应于询问信号的响应信号。
12、根据权利要求11所述的无线标签，其中：
发光装置包括发光元件，并且包括整流装置，该整流装置用于根据所接收的连续波产生电源电压。
13、根据权利要求11所述的无线标签，其中：
发光装置包括发光元件，并且包括用于产生响应信号的可变负载装置。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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