射频识别定位与追踪设备及方式制造技术

本发明专利技术涉及射频识别领域，具体涉及射频识别定位和追踪设备和方法，主要公开了一种带相控阵天线的射频识别读写器与射频识别标签，以定位和跟踪读写器与标签；还公开了多种提高读写距离的技术，包括：用于消除在读写器内和天线内的发射泄漏技术；用于提高射频识别标签散射调制效率的技术；调节读写器与标签极化模式以改善信道损耗的技术；使用中继器来减少信道损耗的技术。被公开的技术方案中还包括一个新型的反射式矢量衰减器的构造及其在射频读写器内与标签内的应用方法。本发明专利技术是对现有基于射频识别读写器与电子标签系统的综合性改进，系统地解决了现有基于射频识别读写器与电子标签系统中存在的读写距离短、追踪能力弱的问题。

【技术实现步骤摘要】
射频识别定位与追踪设备及方式
本专利技术涉及射频识别领域，具体来说，涉及一种射频识别定位与追踪设备及方式。
技术介绍
本
技术介绍
是为了阐述不同视频识别系统的通用实现方式，其观点不能简单等效于现有技术。相应地，背景说明中阐述的特定实现方式也不应被简单等效为已论证或公示的现有技术的实现方法。射频识别(RFID)标签和读写器系统使用电磁场传输数据，包括RFID标签和RFID读写器。RFID标签也称为电子标签、应答器、识别标签。RFID读写器用来与RFID标签交换编码后的信息并定位标签。RFID标签会吸收附近的读写器所发射的无线电波，并对所接收的无线电波通过变负载调制以将识别标签内的标识信息传回射频读写器。现有的识别标签大致可分为三种类型：第一类为有源电子标签，自身产生射频信号并可独立产生调制信号，工作能量由电池提供；第二类为无源电子标签，本身没有电池，需要从接收到的电磁波中获取能量，并对接收到的射频信号进行散射调制；第三种为半无源电子标签，内含用来给芯片供电的电池，但不能产生独立射频信号，需要对接收到的射频信号做散射调制。一般而言，带电池的半无源电子标签具有较低的射频激活功率和更长的读写范围。电磁波在长距离传输过程中会有较大的损耗，为保证足够长的读取距离，要求射频识别读写器有足够的灵敏度。无源标签使用一个天线，同时用于发送和接收，发送时通过改变天线的负载阻抗进行散射调制。散射回的信号能量仅为输入信号能量的一部分，另一部分能量被用于无源电子标签的内部供电。放大器和环行器可与单天线散射标签组合形成环路来增加调制效率。但是这种结构非常容易振荡，因为环行器和增益环路的存在，使RFID天线的阻抗非常容易受环境影响，天线的反射系数会直接变成环路增益，在振荡环路增益为1以上时，此电路即会震荡。因此带射频放大器的电子标签需要更可靠、更稳定的电路结构，以有效利用放大器增益来实现高散射效率。RFID读写器既发送又接收电磁波，用来与附近的电子标签进行信息交换。对读写器和电子标签这一系统而言，读取范围由读写器的发射功率、电子标签的激活功率、传输损耗、天线极化匹配确定。成功的电子标签读取需要确保电子标签接收到足够高的射频功率，而且读写器接收到的散射调制信号高于读写器的灵敏度。在实际环境中，读写器和电子标签之间有多个传播路径。移动式的电子标签由于组合波的传播路径多而且不稳定，导致接收到的信号强度也更加不稳定，并且组合后的波的极化倾角和极化轴之比也会发生变化。对于极化固定的读写器和电子标签天线，如果读写距离不同，多径衰落效应就会明显增强，除非极化固定的读写器和电子标签天线是在单一传播路径的自由空间或电磁无回声室中。为了克服此衰落效应，保证即使距离长也能有效读取电子标签，需要提高读写器的灵敏度。读取器的灵敏度由其噪声系数和动态范围、以及抗发射泄漏的能力来决定。电子标签的激活距离可以通过增加发送功率或减小电子标签激活功率来实现。增加发送功率会导致更严重的发射泄漏，而减小电子标签激活功率需要提高读写器的噪声系数和动态范围。因此，这两种方法都需要降低发射泄漏以提高读写器接收部件的灵敏度。在全双工的RFID系统中，读写器发射信号的泄漏可能发生在读写器内部、天线引起的耦合过程中或天线周围的环境反射耦合至读写器的接收部件的过程中。读写器内的发射泄漏可能由内部电路板间的耦合、电源耦合、电容耦合、互感耦合、波共振等引起。单发单收读写器的天线引起的耦合泄漏由天线的反射系数决定，而收发分置式读写器的天线引起的耦合泄漏由两个天线间的互耦合系数决定。单发单收式读写器是使用一个天线同时负责传输和接收信号，而收发分置式读写器是使用两个天线分别负责发送和接收。单发单收式读写器常使用一个环行器或方向耦合器作为分立发射和接收信号的双工器。此外，环境的变化，如车辆或人的接近或离开，天线也会产生发射泄漏，因为一部分发射信号被环境反射至接收天线中。解决这三种类型的泄漏需要多种方案相互配合。天线引入的发射泄漏和环境导致的发射泄漏变化速度都比较快，需要相对快速的追踪速度。现有泄漏消除方法是使用可调式衰减器和可调式移相器进行组合来对发送信号的副本进行调节，以产生发射泄漏的负样本。但是，现有的反射型移相器缺乏连续的调谐范围，因而无法做到360度以上不间断的调节。另外，衰减器因有调谐精度与范围的限制，使调谐分辨率受到限制。这种结构的发射泄漏消除结构成本高、调谐速度慢、并需要复杂的控制算法，且无法使用经典的负反馈控制算法来控制。虽然射频识别与定位系统在日常生活中的门禁访问控制、资产管理等行业应用比较广泛，但并未得到充分应用。究其原因，其中一部分是受到物理因素限制，如多传播路径衰落、因晶体管尺寸与设计问题导致的芯片激活功率受限制，无源及半无源散射通讯的能量守恒限制，等等。从工程角度考虑，采用散射通讯的电子标签需要让读写器在全双工模式下工作，即让其发射器和接收器同时工作。因为射频识别读写器的发射信号和接收信号无法在射频段用滤波器分离，发射信号会泄漏至同一读写器的接收电路中，从而降低读写器接收器的灵敏度并且提高读写器的噪声系数。如果能显著提高射频识别读写器的灵敏度和标签的散射调制效率，将大大提高读取电子标签的读取距离，并开发出许多新的RFID应用方式。目前因读写距离的限制而无法使用的应用方式在读写距离成倍数增长后即可被开发使用。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种无线射频识别定位系统，以提高现有基于RFID的定位系统的定位距离和追踪能力。本专利技术通过以下技术方案实现上述第一个专利技术目的：所述无线射频识别定位系统包括射频识别读写器及其相控天线阵列，该相控天线阵列至少含有两个辐射元件，每个辐射元件在射频识别读写器内有专用的上变频器与下变频器，且至少两个辐射元件间的相位延迟可以被调节，用来给相控天线阵列产生方向可以调节的天线辐射波瓣以检索无线电信号的方向；该带相控天线阵列的射频识别读写器用来检测至少两个射频识别标签的角度，获得储存在两个标签内的标签位置坐标，并对标签的位置坐标与角度进行计算以获得所述射频识别读写器的位置信息。本专利技术的第二个目的是提供一种电子标签，用来解决现有电子标签发射的信号强度弱和读写距离短的问题。本专利技术通过以下技术方案实现上述第二个专利技术目的；所述电子标签，包括：接收天线，用来接收从读写器传来的外部射频信号；放大器，与所述接收天线相连，用来放大外部射频信号；包络检测器，与所述放大器相连，用来解调放大的射频信号，并产生解调信号；数字处理器，与所述包络检测器相连，用来处理解调后的信号并执行预先写入的程序，控制与数字相连的元件；射频调制器，与所述放大器与所述包络检测器相连，由数字处理器控制，用来射频调制放大后的射频信号，产生调制后的射频信号；发射天线，与所述射频调制器相连，用来发射调制后的射频信号，并发回读写器以与读写器交换信息。本专利技术的第三个目的是提供一种前馈和开环的射频泄漏消除电路和一种反馈和闭环的射频泄漏消除电路，用来解决现有发射泄漏消除结构成本高、调谐速度慢、需要复杂的控制算法，且无法使用经典的负反馈控制算法来控制的问题。本专利技术通过以下技术方案实现上述第三个专利技术目的：所述前馈和开环的射频泄漏消除电路，包括：正交下变频器，所述正交下变频器用于将射频接收信号与射频发射信号的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种前馈和开环的射频泄漏消除电路，包括：正交下变频器，所述正交下变频器用于将射频接收信号与射频发射信号的第一副本正交变频，产生同相输出信号与正交输出信号；第一低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波所述同相输出信号并产生同相参考电压；第二低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波所述正交输出信号并产生正交参考电压；线性组合电路，与所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器相连，用于产生第一控制电压和第二控制电压，所述第一控制电压等于所述同相参考电压、所述正交参考电压和第一可为零的常数的线性组合；所述第二控制电压等于所述同相参考电压、所述正交参考电压和第二可为零的常数的线性组合；正交上变频器，与所述线性组合电路相连，用来将所述第一控制电压、第二控制电压与所述射频发射信号的第二副本正交混频，产生一个射频输出信号并将其与待接收的信号叠加，以消除发射泄漏。

【技术特征摘要】
1.一种无线射频识别定位系统，包括射频识别读写器、相控天线阵和至少两个射频识别电子标签，所述射频识别读写器内含有泄漏消除电路，所述射频识别电子标签包括向量衰减器，其特征是：所述泄漏消除电路为前馈和开环的射频泄漏消除电路，包括：正交下变频器，所述正交下变频器用于将射频接收信号与射频发射信号的第一副本正交变频，产生同相输出信号与正交输出信号；第一低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波所述同相输出信号并产生同相参考电压；第二低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波所述正交输出信号并产生正交参考电压；线性组合电路，与所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器相连，用于产生第一控制电压和第二控制电压，所述第一控制电压等于所述同相参考电压、所述正交参考电压和第一可为零的常数的线性组合；所述第二控制电压等于所述同相参考电压、所述正交参考电压和第二可为零的常数的线性组合；正交上变频器，与所述线性组合电路相连，用来将所述第一控制电压、第二控制电压与所述射频发射信号的第二副本正交混频，产生一个射频输出信号并将其与待接收的信号叠加，以消除发射泄漏。2.如权利要求1所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述线性组合电路的作用是将所述同相参考电压EVI和所述正交参考电压EVQ根据如下公式转换成所述第一控制电压CVI和所述第二控制电压CVQ：CVI＝A*EVI+B*EVQ+C，CVQ＝D*EVI+E*EVQ+F，其中A，B，E和D为可为零的系数，其数值与动态发射泄漏相关，而C和F也是可为零的系数，其数值与静止发射泄漏相关。3.如权利要求1或2所述的无线射频识别定位系统，其特征是：还含有射频功率检测器，用来监测泄漏消除电路的效果或校准线性组合电路的参数。4.如权利要求1所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述泄漏消除电路为反馈和闭环的射频泄漏消除电路，包括：正交下变频器，用来将射频接收信号与射频发射信号的第一副本正交变频后，产生同相输出信号与正交输出信号；第一低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波所述同相输出信号并产生同相参考电压；第二低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波所述正交输出信号并产生正交参考电压；至少两个模数转换器，分别用来将所述同相参考电压和所述正交参考电压转换为数字参考电压信号；数字信号处理器单元，与所述模数转换器相连，用来运算与处理所述参考电压信号，并产生数字控制电压信号；至少两个数模转换器，与所述数字信号处理器单元相连，用来将所述数字控制电压信号转换成同相模拟控制电压与正交模拟控制电压；向量衰减器，耦合到所述至少两个数模转换器，用来对发射信号的第二副本进行相位与幅度调整，并将调整后的信号叠加回接收信号以消除与其混杂的发射泄漏；放大器，置于所述发射泄漏叠加处和所述正交下变频器之间，用来降低接收电路的噪声系数；至少两个高通滤波器，与所述正交下变频器相连，用于滤除射频泄漏被所述正交下变频器转换后形成的直流泄漏残留，并用来提供同相基频输出信号与正交基频输出信号。5.如权利要求4所述的无线射频识别定位...

【专利技术属性】
技术研发人员：周立明，
申请(专利权)人：周立明，
类型：发明
国别省市：江苏;32