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专利名称 | 一种RFID阅读器智能天线系统 |
申请号 | CN200610123995.6 | 申请日期 | 2006-12-01 |
法律状态 | 权利终止 | 申报国家 | 中国 |
公开/公告日 | 2007-09-19 | 公开/公告号 | CN101038618 |
优先权 | 暂无 | 优先权号 | 暂无 |
主分类号 | G06K7/00 | IPC分类号 | G;0;6;K;7;/;0;0;;;H;0;1;Q;2;1;/;2;8查看分类表>
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申请人 | 华南理工大学 | 申请人地址 | 广东省广州市天河区五山
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权利人 | 华南理工大学 | 当前权利人 | 华南理工大学 |
发明人 | 谢胜利;李波;邓毅华;吴宗泽 |
代理机构 | 广州市华学知识产权代理有限公司 | 代理人 | 李卫东;罗观祥 |
摘要
本发明公开了一种RFID阅读器智能天线系统包括由多个天线阵元组成的天线阵、可调整双向加权单元、合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、A/D下变频单元、D/A上变频单元、环形器、DSP信号处理器,所述DSP信号处理器包括解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元及选择控制单元,本发明一方面,通过合并各阵元发射波束,使指定方向上射频能量增强,抑止其它方向上的辐射能量;另一方面,通过调整合并参数,控制波束方向,以使波束在一个扇形区域扫描,扩大阅读器识读范围。
一种RFID阅读器智能天线系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种超高频/微波(UHF/MF)射频识别(RFID)技术,特别涉及一种RFID阅读器智能天线系统。\n背景技术\n[0002] RFID技术是自动识别技术的一种。 由RFID技术形成的RFID系统主要包括阅读器与标签两部分。 阅读器向标签发送无线信号,标签将存储在其内芯片数据返回给阅读器,由此达到自动识别的目的。 RFID技术按频段划分可以分为:低频(125KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(900MHz)和微波(2.45GHz),按标签工作模式可分为:主动、被动和半主动等三种方式。 主动标签有自己的电源,接收信号和发送信号均由自身电源供电;被动标签不含电源,需要阅读器通过电磁耦合(所述低频和高频RFID)或射频载波(所述超高频和微波RFID)对标签进行供电。 本发明主要针对的是被动式UHF/MF RFID技术,为叙述方便,下面所使用的RFID均指被动式UHF/MF RFID。\n[0003] 由于RFID标签本身没有电源,其电能来自于标签天线上接收的射频载波,这个从空中接收的能量非常微弱,必须要超过RFID标签芯片所需最小能量,才能激发RFID标签,使之工作。 这是使RFID标签的阅读距离受到限制的主要因素。 对于RFID应用而言,阅读距离是一个重要的指标,要提高该指标有两方法:第一种是加大RFID阅读器天线总发射功率;第二种是增加RFID阅读器天线的方向性,在不增加天线总功率的情况下,增加波束范围内的发射功率。 这两种方法目的都是使目标区域的电磁场场强加强,但这两种方法都有缺陷:第一种方法(提高天线发射功率)是受到限制的,各国在制定RFID标准时都对天线辐射功率进行了限制,不能无限地加大阅读器天线的发射功率;第二种方法(增强阅读器天线的方向性)虽然提高了波束方向上的发射功率,但狭窄的波束角牺牲了阅读器的识读范围,这样往往不能满足实际应用的需要。当前RFID阅读器仍采用传统的圆极化或椭圆极化天线,天线的波束较宽,覆盖范围较大,一方面容易造成标签的碰撞,从而使识读标签时间增加;另一方面,在较远位置的标签无法得到足够的激发能量,无法正常工作。\n[0004] 智能天线技术使用一套固定的天线阵元,是无线系统的一种新技术。 使用智能天线技术,发射波束变窄,能量集中,在离天线较远位置的标签仍可以得到激发;另一方面,可以通过调整波束方向,形成较宽的扫描角度,扩大阅读器识读范围。 这些天线阵元的信号通过合并处理,可以形成可控的波束方向图,指向期望的方向。 若改变合并处理的参数,则合并波束可以指向不同的方向。 这样就能使天线系统把射频资源集中在某个特定方向上,同时尽量减少噪声、干扰和其它效应对信号质量的不利影响。 当前智能天线技术有两种实现方法,一种是采用高速DSP技术动态计算合并参数,可根据实际情况调整波束方向,即自适应天线阵技术;另一种是采用固定波束形成网络,网络的合并参数是固定的,因此波束方向只能有若干个选择,根据需要对波束进行切换,即波束切换技术。 第一种方法可以有较大的灵活性和天线阵处理增益,但结构复杂,成本高;\n第二种方法虽不如第一种灵活,处理增益也不如第一种高,但其结构简单,成本低,易于实现,目前已有广泛应用。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处,提供一种用于RFID阅读器上的智能天线系统。 一方面,通过合并各阵元发射波束,使指定方向上射频能量增强,抑止其它方向上的辐射能量;另一方面,通过调整合并参数,控制波束方向,以使波束在一个扇形区域扫描,扩大阅读器识读读范围。\n[0006] 本发明的目的通过下述技术方案实现:一种RFID阅读器自适应天线系统,包括由多个天线阵元组成的天线阵、可调整双向加权单元、合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、A/D下变频单元、D/A上变频单元、环形器、DSP信号处理器,所述DSP信号处理器包括解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元及选择控制单元,所述天线阵元与可调整双向加权单元相连,所述可调整双向加权单元依次通过合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、环形器、A/D下变频单元与DSP信号处理器相连,所述A/D下变频单元依次与DSP信号处理器的解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元与DSP信号处理器的选择控制单元相连,所述选择控制单元与单刀M掷射频开关相连,所述DSP信号处理器的编码/调制单元通过D/A上变频单元与环形器相连。\n[0007] 本发明的另一个目的是提供一种RFID阅读器自适应天线系统处理信号的方法,其处理信号步骤如下:\n[0008] (1)外部信号经过编码/调制单元、D/A上变频单元和环形器送到单刀M掷射频开关,单刀M掷射频开关选通一个端口;\n[0009] (2)信号进入某个合并/分馈单元,再分馈至一组可调整双向加权单元;\n[0010] (3)信号经由与可调整双向加权单元相连的天线阵元发送到空中,无线信号在空中合并成有一定指向的窄波束;\n[0011] (4)在窄波束范围内被激活的RFID标签将信号反射到天线阵,各阵元的接收信号经可调整双向加权单元和合并/分馈单元后到达单刀M掷射频开关的各端口;\n[0012] (5)RFID标签信号经由选通的单刀M掷射频开关端口、环形器和A/D下变频单元后达到DSP数字信号处理器的解调/译码单元,DSP数字信号处理器的解调/译码单元对信号进行解调和译码;\n[0013] (6)译码的结果进入DSP数字信号处理器的标签检测单元,进行检测,选择控制单元根据检测结果控制单刀M掷射频开关选择合适的端口;\n[0014] (7)DSP数字信号处理器将译码后的RFID信号送往后端处理;\n[0015] 所述步骤(1)中编码/调制单元处理外部信号的步骤如下:\n[0016] (1)对要发射的信号进行编码;\n[0017] (2)然后将编码后得到的信号进行模拟调制,生成模拟波形的数字序列;\n[0018] (3)输出数字序列,该序列将送往D/A上变频单元。\n[0019] 所述步骤(5)中解调/译码单元处理信号的步骤如下:\n[0020] (1)接收来自A/D下变频单元的数字序列;\n[0021] (2)对数字序列进行解调和译码。\n[0022] 所述步骤(6)标签检测单元处理检测信号有效性,检测结果送往选择控制单元,另外的译码信号送往后端处理。\n[0023] 所述步骤(6)选择控制单元工作处理信号的步骤如下:\n[0024] (1)初始化单刀M掷射频开关控制数据,控制单刀M掷射频开关选择其中一个触点;\n[0025] (2)等待一个延时周期,使阅读器能完成在指定方向上的识读工作;\n[0026] (3)根据所述标签检测单元的检测结果决定是否再继续等待,若该方向有有效的标签,则进入继续等待循环,以便阅读器能充分识读该方向标签,若该方向没有有效标签,则选择另外一个波束方向,以识读另外角度的标签,形成扫描区域。\n[0027] 本发明相对于现有技术具有以下优点:结合了智能天线技术和RFID技术,缓解了RFID领域中存在的识读范围和识读距离之间的矛盾,既增加了RFID阅读器识读标签的距离,又提高了识读标签的速度和精确度。\n附图说明\n[0028] 图一本发明的RFID智能天线阵原理图;\n[0029] 图二本发明的4天线RFID智能天线系统结构图;\n[0030] 图三本发明的4×4巴特勒矩阵(Butler Matrix)结构图;\n[0031] 图四本发明的4×4巴特勒矩阵阵元相位、波束方向关系表;\n[0032] 图五本发明的DSP处理程序流程图。\n具体实施方式\n[0033] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。\n[0034] 如图1所示,本发明提供的一种RFID阅读器智能天线系统,包括由多个天线阵元组成的天线阵、可调整双向加权单元、合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、A/D下变频单元、D/A上变频单元、环形器、DSP信号处理器,所述DSP信号处理器包括解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元及选择控制单元,所述天线阵元与可调整双向加权单元相连,所述可调整双向加权单元依次通过合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、环形器、A/D下变频单元与DSP信号处理器相连,所述A/D下变频单元依次通货DSP信号处理器的解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元与DSP信号处理器的选择控制单元相连,所述选择控制单元与单刀M掷射频开关相连,所述DSP信号处理器的编码/调制单元通过D/A上变频单元与环形器相连。\n[0035] 如图2所示,本发明提供的一种基于4天线RFID智能天线系统,包括:天线\n201、202、203和204、巴特勒矩阵模块205、单刀射频4掷开关206、环形器207、模拟乘法器208和209、本地振荡器210、数字模拟转换器(D/A)211、模拟数字转换器(A/D)212、数字信号处理器(DSP)213。 所述天线201、202、203和204分别与巴特勒矩阵模块205相连;所述巴特勒矩阵模块205分别与单刀射频4掷开关206和数字信号处理器(DSP)213相连;所述单刀射频4掷开关206与环形器207相连;所述环形器207分别与模拟乘法器208、209相连;所述模拟乘法器208、209分别与本地振荡器210相连;所述模拟乘法器208与数字模拟转换器(D/A)211相连;所述模拟乘法器209与模拟数字转换器(A/D)212相连;所述数字模拟转换器(D/A)211和模拟数字转换器(A/D)212分别与数字信号处理器(DSP)213相连;所述数字信号处理器(DSP)213与单刀射频4掷开关206相连。\n[0036] 上述数字信号处理器(DSP)213,其完成多个任务,包括:图1中解调/译码单元中的解调功能和译码功能、编码/调制单元中的编码和调制功能、标签检测单元和选择控制单元的功能。上述数字模拟转换器(D/A)211完成图1中DA/上变频单元的数字信号转换成模拟信号的功能。上述模拟数字转换器(A/D)212完成图1中AD/下变频单元的模拟转换数字功能。 上述模拟乘法器208、209和210完成图1中AD/下变频单元和DA/上变频单元中的上、下变频功能。 上述环形器207,完成图1中环形器功能。 上述巴特勒矩阵模块205完成图1中合并/分馈单元和可调整双向加权单元的功能、上述单刀4掷射频开关206完成图1中单刀M掷射频开关单元的功能。\n[0037] 本发明的RFID智能天线阵的发射信号过程如下:\n[0038] (1)在数字信号处理器(DSP)213中将数字基带信号调制成模拟基带信号的数字序列,并通过数字模拟转换器(D/A)211形成模拟基带信号;\n[0039] (2)211将模拟基带信号送入模拟乘法器208,基带信号在模拟乘法器208中和来自本地振荡器210的本振信号相乘,完成上变频任务,形成待发射信号;\n[0040] (3)模拟乘法器208将待发射信号输入至环形器207的输入端(图1的101端口);\n[0041] (4)环形器207将待发射信号送至输出端(图1的103端口),并馈入所连接的单刀射频4掷开关206的单刀四掷开关的共同端口;\n[0042] (5)单刀4掷射频开关206受数字信号处理器(DSP)213控制选通4个端口开关中的一个,待发射信号被馈送至该选通端口(单刀射频4掷开关206的4个开关端口与巴特勒矩阵模块205的四个信号端口相连,在工作时,只有一个端口有效);\n[0043] (6)待发射信号进入巴特勒矩阵模块205,巴特勒矩阵模块205是巴特勒矩阵(Butler Matrix),巴特勒矩阵模块205使输入信号经不同相位加权后送至巴特勒矩阵模块\n205的天线接口;\n[0044] (7)待发射信号被馈入天线,由4个天线分别发出有相位差异的信号;\n[0045] 本发明的RFID智能天线阵接收射频信号过程如下:\n[0046] (1)来自天线201、202、203和204的射频信号被馈送至巴特勒矩阵模块205,巴特勒矩阵模块205对各信号进行加权,并且对所述加权后信号进行合并,合并输出被送至巴特勒矩阵模块205的4个信号端口,即图3的305、306、307、308端口,不同端口代表的是不同加权值合成结果;\n[0047] (2)单刀4掷射频开关206通过单刀四掷开关,选通其中一种加权合成结果,并将结果送至环形器207(图1的103);\n[0048] (3)环形器207将接收信号送至模拟乘法器209(即从图1的102端口输出);\n[0049] (4)接收信号在模拟乘法器209中与来自本地振荡器210的本振信号进行模拟相乘,完成下变频,形成模拟基带信号;\n[0050] (5)模拟基带信号被送入模拟数字转换器(A/D)212,模拟数字转换器(A/D)212将模拟基带信号转换为数字序列,并送入数字信号处理器(DSP)213;\n[0051] (6)数字信号处理器(DSP)213对数字序列进行解调/译码、标签检测和控制加权参数等任务。\n[0052] 如图三所示,本发明提供的4×4巴特勒矩阵结构,301、302、303和304是所述结构连接天线的天线端口,它们分别与天线阵元309、310、311、312连接。304、305、\n306和307是所述结构的信号端口,与图二206的四个开关端口连接。所述结构可以采用集成电路或电路板蚀刻实现,本领域工程技术人员可以参考现有方案。 4×4巴特勒矩阵可以形成4个波束方向,每一个时间里,只能有其中一个方向工作。\n[0053] 如图四是4×4巴特勒矩阵阵元相位、波束方向关系表。第一行表示:信号从信号端口307馈入时,天线阵元309输出信号与307原信号相位相差-45°,天线阵元310输出信号与307原信号相位相差-180°,天线阵元311输出信号与307原信号相位相差\n45°,天线阵元312输出信号与307原信号相位相差-90°。 各阵元发射信号在空中合并,形成合波束,以水平阵列方向为基准,合成波束方向为138.5°,即当所述单刀四掷开关接通所述信号端口307时,发射波束方向为138.5°,接收方向波束也是138.5°。通过波束形成技术使得所选择方向的天线发射功率最大,同时天线接收的灵敏度最高。 若依次接通所述信号端口307->305->308->306,或反方向,则可以形成扇形电磁波扫描区域。\n[0054] 如图五所示,是本发明的数字信号处理器(DSP)处理程序流程图,DSP处理流程分为三个并行子处理流程,它们是:选择控制单元、解调/译码与标签检测/编码调制。\n[0055] 编码调制部分工作流程:(1)对要发射的信号进行编码;(2)然后将编码后得到的信号进行模拟调制,生成模拟波形的数字序列;(3)输出数字序列,该序列将送往D/A上变频单元。\n[0056] 解调/译码工作流程:(1)接收来自A/D下变频单元的数字序列;(2)对数字序列进行解调和译码;\n[0057] 标签检测单元工作流程:检测信号有效性,检测结果送往选择控制单元,另外的译码信号送往后端处理。\n[0058] 选择控制单元工作流程:(1)初始化单刀四掷开关控制数据,控制单刀四掷开关选择其中一个触点;(2)等待一个延时周期,使阅读器能完成在指定方向上的识读工作;\n(3)根据所述标签检测单元的检测结果决定是否再继续等待,若该方向有有效的标签,则进入继续等待循环,以便阅读器能充分识读该方向标签,若该方向没有有效标签,则选择另外一个波束方向,以识读另外角度的标签,形成扫描区域。\n[0059] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
法律信息
- 2018-01-23
未缴年费专利权终止
IPC(主分类): G06K 7/00
专利号: ZL 200610123995.6
申请日: 2006.12.01
授权公告日: 2010.04.07
- 2010-04-07
- 2007-11-14
- 2007-09-19
引用专利(该专利引用了哪些专利)
序号 | 公开(公告)号 | 公开(公告)日 | 申请日 | 专利名称 | 申请人 | 该专利没有引用任何外部专利数据! |
被引用专利(该专利被哪些专利引用)
序号 | 公开(公告)号 | 公开(公告)日 | 申请日 | 专利名称 | 申请人 | 该专利没有被任何外部专利所引用! |