CN104156680A

CN104156680A - 一种基于波束切换型智能天线的uhf rfid阅读器

Info

Publication number: CN104156680A
Application number: CN201410355717.8A
Authority: CN
Inventors: 李建雄; 陈晓宇; 聂海
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2014-11-19

Abstract

本发明公开了一种基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器，属于射频识别技术领域。其特征在于，发送信号时数字模块根据控制器的指令和通信协议控制射频收发模块产生射频信号，同时数字模块根据波束切换控制算法控制波束切换开关切换波束形成器的相应通道，该射频信号通过波束形成器后产生相位差符合某种规律的输出信号，再由功率放大器放大后通过收发双工器馈入天线阵列。各个功率放大器的增益由数字模块控制。各个天线阵元辐射的电磁波在空间中叠加后形成一个高增益的窄波束。接收信号时，与发送信号的过程相反。本发明使得阅读器的最大读写距离、有效识别区域、防碰撞和定位精度等性能得以改善。

Description

一种基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器

技术领域

本发明涉及一种射频识别(RFID)技术，特别涉及一种UHF RFID阅读器

背景技术

随着信息技术的发展，物联网已经发展成为一门新兴产业，作为物联网的基础之一，射频识别(RFID，Radio FrequencyIdentification)技术已成为人们越来越关注的技术。RFID***主要由三部分组成：应答器(射频卡和电子标签)、阅读器(读写器和基站)和上位机主***(中间件与网络应用)。在射频识别***中，按照电子标签供电***的不同结构，RFID电子标签主要分为有源标签、半有源标签和无源标签。有源标签和半有源标签具有外置的电池，通过外置的电池为标签芯片的工作提供能量，其优点是有较远的通信距离，可以增加更多的电路并且功能强；缺点是价格高，体积大，标签的使用寿命受到限制，而且随着标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越小，影响***的正常工作。无源标签依靠阅读器的射频信号提供能量使其工作，有着体积小、成本低、寿命长、免维护、使用便捷等优点，是RFID标签的主流产品。

目前，无源UHF RFID***存在以下问题：

(1)在无源UHF RFID***中，一个阅读器的最大识别距离是10米左右，总的有效识别区域有限，还不能满足大多数用户的需求。

(2)在无源UHF RFID***中，一个关键的问题是很难达到100％识别率，即存在一些标签没有被识别，即丢失标签问题。从硬件方面讲，丢失标签的问题有两个主要原因：首先，因为天线的发射功率限制和固定的辐射方向图，所以无源RFID***的有效识别区域是受限的。第二，多径干扰造成在识别区域内一些标签没有足够的能量被激活。

(3)许多标签收到来自单个阅读器的RF信号。在此阅读器的有效识别区域内，标签共享同一个无线信道，由于多个标签的散射信号之间的互相干扰，从而引起碰撞。碰撞的数量对于识别区域内所有标签的总识别时间有很大的影响。为了减少或避免碰撞，RFID***在软件上采取了防碰撞措施，例如二进制树、ALOHA等。但是，单纯依靠软件实现的防碰撞，很难实现高效的结果，如果有了来自天线方面的支持，可使防碰撞更加有效。

(4)由于常用的RFID阅读器天线具有低增益、宽波束的发射方向图，使得标签定位误差较大。

智能天线就是能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同的信号环境达到性能最优的天线。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。现在，智能天线应用广泛，它在提高***通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低***整体造价和改善***管理等方面，都具有独特的优点。

在无源UHF RFID阅读器中使用智能天线有助于解决目前的问题和提升性能，具体表现在以下几个方面：

(1)利用数字多波束扫描可以增加RFID***的最大识别距离和有效识别区域。在无源UHF RFID***，最大识别距离受限于激活标签芯片的最小接收功率P_th。最大识别距离的计算公式是

R_{\max} = \frac{λ}{4 π} \sqrt{\frac{P_{t} G_{t} G_{r} pτ}{P_{th}}}

其中，λ是工作波长，P_t是阅读器的发射功率，G_t是阅读器天线的增益，P_tG_t是等效全向辐射功率(EIRP)，G_r是标签天线的增益，p是阅读器天线和标签天线的极化匹配因子(极化完全匹配时，p＝1)，τ是标签天线和标签芯片的功率传输因子(共轭阻抗匹配时，τ＝1)。各个国家所规定的阅读器天线辐射EIRP最大值是受限的，例如美国联邦通信委员会(FCC)规定EIRP的最大值是4W。如果使用能够产生多个高增益波束的相控阵天线，EIRP可以在某一个短时间内在某个方向超过4W，在计算平均功率时，它具有与低方向性、固定波束天线相同的平均功率，因为波束在多个方向上被扫描控制，从而减小了平均功率。在正常工作中，波束以预定的时间量在多个方向上扫描，因此最大识别距离随着EIRP(P_tG_t)的增加而增大了。由于波束在多个方向上扫描，所以总的识别区域也扩展了。

(2)利用智能天线的空分多址技术(SDMA)，即空间滤波功能，可以减少或避免碰撞。阅读器通过控制波束方向，来选择有效识别区域的一个子集，从而仅与这个子集区域内的标签通信。因为同时响应RFID命令的标签数目减少了，所以碰撞的概率也就减少，整个识别区域内所有标签的总识别时间能够缩短。另外，智能天线的空间滤波功能可以有效地减少多径干扰，提高标签识别率。

(3)智能天线的高定向性、较小的波束跃度(天线波束指向角变化时的变化量)和较高的角度分辨率可以提高RFID定位的精度。

发明内容

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，提出一种基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器。在发射状态下，采用模拟多波束形成方法：在同一时刻形成一个高增益的窄波束，然后在时间上按顺序在多个波束之间切换，即按“时间分割”原理产生多波束，从而扫描所要覆盖区域。波束切换控制算法可以根据各个方向的标签数目、通信时间等情况切换波束的扫描顺序、驻留时间和扫描间隔时间等。

为实现上述目的，现设计一种基于波束切换型智能天线的UHFRFID阅读器，包括控制器MCU、数字模块、射频收发模块、波束切换开关、波束形成器、增益可程控功率放大器PA、低噪声放大器LNA、收发双工器DUP和天线阵列。其特征在于，发送信号时数字模块根据控制器的指令和通信协议控制射频收发模块产生射频信号，同时数字模块根据波束切换控制算法控制波束切换开关切换波束形成器的相应通道，该射频信号通过波束形成器后产生相位差符合某种规律的输出信号，再由功率放大器放大后通过收发双工器馈入天线阵列。各个功率放大器的增益由数字模块控制。各个天线阵元辐射的电磁波在空间中叠加后形成一个高增益的窄波束。接收信号时，与发送信号的过程相反，天线阵列接收到的信号经过收发双工器进入接收通道，由低噪声放大器放大后经过波束形成器、波束切换开关、射频收发模块到数字模块进行处理。

所述波束切换开关为单端-多端射频开关，是一种输入输出可逆开关。所述波束切换开关的多端口与波束形成器相连，单端口在发射通道和接收通道分别与射频收发模块的射频发射端口和接收端口相连。

所述波束形成器为多输入、多输出网络，是互易器件。

所述功率放大器为增益可程控高功率放大器。

本发明相对于现有技术具有以下优点：这种读写***可使天线辐射方向在多个波束间切换，根据各个方向的标签数目、通信时间等情况控制波束的扫描顺序、驻留时间和扫描间隔时间，使得阅读器的最大读写距离、有效识别区域、防碰撞和定位精度等能力得以改善。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，以形成4个固定波束为例说明基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器。本发明包括控制器MCU、数字模块、射频收发模块、波束切换开关、波束形成器、增益可程控功率放大器PA、低噪声放大器LNA、收发双工器DUP和天线阵列。

发射信号时，数字模块根据控制器的指令和通信协议控制射频收发模块产生射频信号，同时数字模块根据波束切换控制算法通过波束切换开关选通A、B、C、D中的一路，射频收发模块发出的信号由一个通道进入波束形成器后，形成四路不同相位的新的信号，这四路新的信号经过功率放大器和收发双工器后分别连接到四个天线阵元，通过这四个天线阵元发射电磁信号，并在空间形成对应的一个高增益窄波束。比如A路对应波束A1，发射信号只到达A1波束覆盖的空间。B路对应波束B1，发射信号只到达B1波束覆盖的空间。C路对应波束C1，发射信号只到达C1波束覆盖的空间。D路对应波束D1，发射信号只到达D1波束覆盖的空间。

接收信号时，与发射信号相反，某个波束所接收到的电磁信号被分解到4个天线阵元，形成4路信号，通过低噪声放大器放大后，在波束形成器中按照相位差合成一路信号，由波束切换开关选择这路信号输出到射频收发模块的接收端，最终依然是空间的一个波束对应一路信号，比如波束A1对应A2路，波束B1对应B2路，波束C1对应C2路，波束D1对应D2路。最后通过波束切换开关选择发射时波束覆盖区域所对应的信号，例如，发射时波束切换开关选择A路并对应波束A1，则接收时波束切换开关选择波束A1对应的A2路信号。然后，该信号送到数字模块进行下一步处理。

进一步地，为了获得更高的波束分辨力，需要更多数量的固定波束和通道，具体实现时，本发明实施例对此不作限制。

进一步地，波束切换开关有多种实现方式，具体实现时，本发明实施例对此不作限制。

进一步地，波束形成器有多种实现方式，具体实现时，本发明实施例对此不作限制。

进一步地，天线阵列有线阵、面阵等多种实现方式，具体实现时，本发明实施例对此不作限制。

具体实现时，本发明实施例对实现相似功能所选用芯片种类不做限制。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优先实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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。

Claims

1.一种基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器，包括控制器MCU、数字模块、射频收发模块、波束切换开关、波束形成器、增益可程控功率放大器PA、低噪声放大器LNA、收发双工器DUP和天线阵列；其特征是：发送信号时数字模块根据控制器的指令和通信协议控制射频收发模块产生射频信号，同时数字模块根据波束切换控制算法控制波束切换开关切换波束形成器的相应通道，该射频信号通过波束形成器后产生相位差符合某种规律的输出信号，再由功率放大器放大后通过收发双工器馈入天线阵列。各个功率放大器的增益由数字模块控制。各个天线阵元辐射的电磁波在空间中叠加后形成一个高增益的窄波束。接收信号时，与发送信号的过程相反，天线阵列接收到的信号经过收发双工器进入接收通道，由低噪声放大器放大后经过波束形成器、波束切换开关、射频收发模块到数字模块进行处理。

2.如权利要求1所述的一种基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器，其特征是：所述波束切换开关为单端-多端射频开关，是一种输入输出可逆开关。所述波束切换开关的多端口与波束形成器相连，单端口在发射通道和接收通道分别与射频收发模块的发射端口和接收端口相连。

3.如权利要求1所述的一种基于波束切换型智能天线的UHF RFID阅读器，其特征是：所述波束形成器为多输入、多输出网络，是互易器件。