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射频识别 定位与追踪设备及方式

阅读：284发布：2022-06-21

专利汇可以提供射频识别定位与追踪设备及方式专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及射频识别领域，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。，下面是射频识别定位与追踪设备及方式专利的具体信息内容。

权利要求

1.一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。
2.如权利要求1所述的前馈和开环的射频泄漏消除电路，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所述的前馈与开环射频泄漏消除电路，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。
4.一种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所述的反馈和闭环的射频泄漏消除电路，其特征是：所述高通滤波器为串联电容或并联电感。
6.如权利要求4或5所述的反馈和闭环的射频泄漏消除电路，其特征是：所述向量衰减器的同相模拟控制电压与正交模拟控制电压的数值等于所述同相参考电压和正交参考电压的线性组合。
7.如权利要求4或5所述的反馈和闭环的射频泄漏消除电路，其特征是：所述控制电压的向量组合操作通过数字信号处理器来运算。
8.一种反射式向量衰减器，包括：
一个混合耦合器，有第一3dB端口和第二3dB端口，所述第一3dB端口处连接有第一负载，所述第一负载为第一可调负载；所述第二3dB端口处连接有第二负载，所述第二负载为固定负载或者第二可调负载。
9.如权利要求8所述的反射式向量衰减器，其特征是：所述可调负载包括开关控制的电阻器、开关控制的电容器、开关控制的电感器以及开关控制的接地。
10.如权利要求8所述的反射式向量衰减器，其特征是：所述可调负载包括等效于八分之一波长或更长的传输线，所述传输线末端连接有50欧姆的电阻，并且所述传输线上并联分布了至少一个短路开关。
11.如权利要求8所述的反射式向量衰减器，其特征是：所述可调负载包含电阻器、电容器和电感器，所述电阻器、电容器和电感器中至少有一个可调。
12.如权利要求8所述的反射式向量衰减器，其特征是：所述可调负载包含等效于八分之一波长的传输线，所述传输线的两端各并联有可调电阻器。
13.如权利要求8所述的反射式向量衰减器，其特征是：所述第一可调负载为第一可调电阻器，所述第二可调负载为等效于八分之一波长的传输线，所述传输线的末端并联可调电阻器。
14.如权利要求12或13所述的反射式向量衰减器，其特征是：所述可调电阻器是场效应晶体管。
15.如权利要求8所述的反射式向量衰减器，其特征是：还包括放大器，所述放大器耦合到所述混合耦合器，所述混合耦合器和所述放大器的综合增益为1以上。
16.一种射频识别电子标签，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。
17.如权利要求16所述的射频识别电子标签，其特征是：包括向量衰减器，所述向量衰减器与所述放大器串联或并联，用于调制所述电子标签的相位延迟或时间延迟。
18.如权利要求16所述的射频识别电子标签，其特征是：包括天线极化调节器，所述极化调节器与所述接收天线、发射天线、放大器相连，用来调节所述电子标签的接收极化模式或发射极化模式以降低所述电子标签的天线间的信号泄漏以提高电子标签的稳定性，或改善电子标签与标签读写器的极化匹配度以改善电子标签的性能。
19.如权利要求16～18之一所述的射频识别电子标签，其特征是：所述发射天线和接收天线的极化方式为正交极化，所述正交极化的组合包含但不限于：一个垂直与一个水平极化；一个+45度与一个-45度线性极化；一个左旋与一个右旋圆极化；一个左旋的椭圆与一个右旋的椭圆极化。
20.如权利要求16～18之一所述的射频识别电子标签，其特征是：所述接收天线与发射天线为双极化天线，所述双极化天线的极化模式可调。
21.如权利要求16～18之一所述的射频识别电子标签，其特征是：所述放大器的增益可调。
22.如权利要求16～18之一所述的射频识别电子标签，其特征是：所述放大器的相移可调。
23.一种无线电信号调制器，包括
第一天线；
向量衰减器，与所述第一天线相连；
第二天线，与所述向量衰减器相连，用来二次发送被向量衰减器调制后的信号。
24.如权利要求23所述的无线电信号调制器，其特征是：其调制方式为通过施加至少一个控制信号来改变向量衰减器的插入损耗或相移。
25.一种方向可调的无线电中继器阵列，其特征是：至少包括两个收发器。
26.如权利要求25所述的方向可调的无线电中继器阵列，其特征是：所述收发器用于将接收到的无线电波放大后二次发射，包括：
接收天线，用来接收外部射频信号；
放大器，与所述接收天线相连，用来产生放大过的射频信号；
发射天线，与所述放大器相连，用来发射放大后的射频信号；
所述放大器的增益和相位可调。
27.如权利要求26所述的方向可调的无线电中继器阵列，其特征是：所述收发器还包括用来监控放大器工作状况的电路；与放大器相连的包络检测器，用来监测放大后的射频信号的幅度；与包络检测器相连的数字处理器，用来判断放大器是否饱和或振荡，并执行预先写入的程序并操作与其相连的元件。
28.如权利要求26所述的方向可调的无线电中继器阵列，其特征是：所述接收天线或发射天线的极化模式可调。
29.一种发射方向可调的无线电中继器，包括：
接收天线，用来接收外部射频信号；
信号分配器，与所述接收天线相连，用来分配接收的外部射频信号，产生分配信号；
至少两个向量衰减器，用于调制所述分配信号的相移；
至少两个发射天线，与所述向量衰减器相连，用来发射调制过相移的分配信号。
30.如权利要求29所述的发射方向可调的无线电中继器，其特征是：所述信号分配器为使用传输线的无损功率分配器，或使用电阻的有损功率分配器。
31.一种接收方向可调的无线电中继器，包括：
至少两个接收天线，用来接收外部射频信号；
至少两个向量衰减器；用来调制所接收的外部射频信号的相移；
信号组合器，用来叠加调制过相移的外部射频信号，产生叠加射频信号；
发射天线，与所述信号组合器相连，用来发射所述叠加射频信号。
32.一种无线射频识别定位系统，包括：
射频识别读写器；和
相控天线阵，所述相控天线阵至少含有两个辐射元件，每个辐射元件在所述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整，用来给相控天线阵产生方向可以调节的天线辐射波瓣，用来检索无线电信号的方向；
所述射频识别读写器和所述相控天线阵用来检测至少两个射频识别电子标签的角度并获得储存在两个电子标签内的标签位置坐标，所述读写器能将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。
33.如权利要求32所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述射频识别读写器包括数字处理器和存储器单元。
34.如权利要求32所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述射频识别读写器包括模数转换器和数模转换器。
35.如权利要求32～34之一所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述射频识别读写器内含有泄漏消除电路。
36.如权利要求35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前馈和开环的射频泄漏消除电路和/或反馈和闭环的射频泄漏消除电路。
37.如权利要求32～34之一所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述射频识别读写器的天线至少有两种极化方式。
38.如权利要求37所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述天线的极化方式为正交极化或双极化。
39.如权利要求32所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述电子标签包括向量衰减器，用于调制所述电子标签的相位延迟或时间延迟。
40.如权利要求32所述的无线射频识别定位系统，其特征是：所述电子标签包括天线极化调节器，用来调节所述电子标签的接收极化模式或发射极化模式以降低所述电子标签的天线间的信号泄漏，或改善电子标签与标签读写器的极化匹配度。

说明书全文

射频识别 定位与追踪设备及方式

技术领域

[0001] 本发明涉及射频识别领域，具体来说，涉及一种射频识别定位与追踪设备及方式。

背景技术

[0002] 本背景技术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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

发明内容

[0009] 本发明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。

[0010] 本发明通过以下技术方案实现上述第一个发明目的：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。

[0011] 本发明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。

[0012] 本发明通过以下技术方案实现上述第二个发明目的；所述电子标签，包括：

[0013] 接收天线，用来接收从读写器传来的外部射频信号；

[0014] 放大器，与所述接收天线相连，用来放大外部射频信号；

[0015] 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；

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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。

[0019] 本发明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。

[0020] 本发明通过以下技术方案实现上述第三个发明目的：所述前馈和开环的射频泄漏消除电路，包括：

[0021] 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，产生同相输信号与正交输出信号；

[0022] 第一低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波上述同相输出信号并产生同相参考电压；

[0023] 第二低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波上述正交输出信号并产生正交参考电压；

[0024] 线性组合电路，与所述第一低通滤波器和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个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个可为零的常数的线性组合；

[0025] 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。

[0026] 所述反馈和闭环的射频泄漏消除电路包含正交下变频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、至少两个模数转换器、数字信号处理器单元、至少两个数模转换器、向量衰减器、放大器、至少两个高通滤波器，其中，

[0027] 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；

[0028] 第一低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波上述同相输出信号并产生同相参考电压；

[0029] 第二个低通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来低通滤波上述正交输出信号并产生正交参考电压；

[0030] 至少两个模数转换器，分别用来将所述同相参考电压和正交参考电压转换为数字参考电压信号；

[0031] 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；

[0032] 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的电压信号转换成同相模拟控制电压与正交模拟控制电压；

[0033] 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正，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；

[0034] 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；

[0035] 至少两个高通滤波器，与所述正交下变频器相连，用来提供同相基频输出信号与正交基频输出信号，所述高通滤波器用于滤除射频泄漏被正交下变频器转换后形成的直流泄漏残留。

[0036] 本发明的第四个目的是提供一种反射式向量衰减器，用来解决现有向量衰减器调节范围不连续的问题。

[0037] 本发明通过以下技术方案实现上述第四个发明目的，所述反射式矢量衰减器包括混合耦合器，此混合耦合器包含第一3dB端口和第二3dB端口，第一3dB端口连接了第一负载，此第一负载为阻抗可调式负载，所述第二3dB端口连接了第二负载，此第二负载可为固定阻抗，也可为阻抗可调式负载。

[0038] 本发明的第五个目的是提供一种无线电信号调制器，用来提高无线电信号的散射调制效率，保证其稳定性。

[0039] 本发明通过以下技术方案实现上述第五个发明目的：所述无线电信号调制器包括第一天线、向量衰减器和第二天线，向量衰减器与第一天线、第二天线相连，第二天线用来二次发送被向量衰减器调制后的信号。

[0040] 本发明的第六个目的是提供一种无线电中继装置，与射频识别读写器与电子标签配合使用，提高读写距离。

[0041] 本发明通过以下技术方案实现上述第六个发明目的：所述无线电中继收发器，用来将接收到的无线电波放大后二次发射，包括：

[0042] 接收天线，用来接收外部射频信号；

[0043] 放大器，与所述接收天线相连，用来产生放大过的射频信号；

[0044] 发射天线，与所述放大器相连，用来发射放大后的射频信号；

[0045] 用来监控放大器工作状况的电路，包括与放大器相连的包络检测器，用来监测放大后的射频信号的幅度；与包络检测器相连的数字处理器，用来判断放大器是否饱和或振荡，并执行预先写入的程序并操作与其相连的元件。

[0046] 本发明的优点是：本发明是对目前基于射频识别读写器与电子标签的定位与追踪设备的综合性改进，系统地解决了现有基于射频识别读写器与电子标签的定位与追踪系统中存在的读写距离短、追踪能力弱的问题。附图说明

[0047] 图1为基于RFID的射频定位系统的示意图。

[0048] 图2A为含读写器模块泄漏消除电路与天线模块泄漏消除电路的RFID读写器的示意图。

[0049] 图2B为前馈发射泄漏消除电路的示意图。

[0050] 图3A为以切换式电感电容电阻为负载的反射式向量衰减器的示意图。

[0051] 图3B为使用带并联分布式短路负载的反射式向量衰减器的示意图。

[0052] 图3C为带串联和并联可调式电感电容电阻(LRC)为3dB端口负载的反射式向量衰减器的示意图。

[0053] 图3D为带分布式又可变电阻的反射式向量衰减器的示意图。

[0054] 图3E为以带有相差的场效应管为可变负载的反射式向量衰减器的示意图。

[0055] 图3F为以传输线相移器的分立元件等效电路的示意图。

[0056] 图3G为左手传输线相移器的分立元件等效电路的示意图。

[0057] 图4A为极化可调的双重极化天线的示意图。

[0058] 图4B为带阻抗匹配电路的单可调极化天线的示意图。

[0059] 图4C为25或50欧姆的可变负载匹配电路的示意图。

[0060] 图4D为使用选择性分支来匹配25或50欧姆的可变负载的示意图。

[0061] 图5A为内含射频放大器和开关式调制器的收发分置式电子标签的示意图。

[0062] 图5B为以放大器为调制器装置的收发分置式电子标签示意图。

[0063] 图5C为带极化调节的双发双收电子标签的示意图。

[0064] 图5D为可变增益与相移的放大装置。

[0065] 图5E为收发天线方向可调的无线电中继器阵列。

[0066] 图5F为发射天线波束可调的无线电中继器。

[0067] 图5G为接收天线波束可调的无线电中继器。

具体实施方式

[0068] 本说明书中的“一个实施例”、“一个技术方案”等类似表述是指所描述的特定特性、结构或特征至少在本发明的一个实施方案中存在。而且上述类似表述方式中的同一表述不必然指向同一实施方案。

[0069] 下面结合附图，对本发明作详细说明：

[0070] 图1给出了一个基于RFID的射频定位系统的示意图。在该基于RFID的射频定位系统100中，带测向相控天线阵的RFID读写器105用于读取电子标签135、电子标签140、电子标签145的信息。电子扫描的相控天线阵获得上述三个电子标签信号的相对角度。由于每个电子标签的坐标信息均存储在其内部的存储器中，所以利用每个电子标签的坐标可以推算出RFID读写器105的位置，方法是：RFID读写器105检索每个电子标签以获得它们的坐标与相对角度，然后计算出RFID读写器105自身的坐标和方向。

[0071] 本发明的一个技术方案是：RFID读写器105与定向天线120、定向天线125和定向天线130相耦合。定向天线120可以用来发送和接收RFID读写器105的发射(TX)信号111与接收(RX)信号112。另一个技术方案是：定向天线125可以用来发送与接收RFID读写器105的TX信号113和RX信号114。本发明的再一个技术方案是：定向天线130可以用来发送与接收读写器的TX信号115和RX信号116。

[0072] 本发明的另一个技术方案中，RFID读写器105的相控天线阵包含至少两个辐射元件，并且每个辐射元件都由专用的射频上变频器驱动来传输信号和由射频下变频器驱动来接收信号。相邻的辐射单元之间可以施加可变的相位延迟以调节相控天线阵的波束方位角和仰角来确定电子标签的方向。

[0073] RFID读写器105的位置和角度可以利用三角测量原理来确定。只要RFID读写器105和三个电子标签不在一条直线上，使用者就可以用三个电子标签(如电子标签135、140和145)的位置和角度信息来推算RFID读写器105的三维坐标。这要求RFID读写器105本身具有二维测向能力，即配置了二维相控天线阵。如果RFID读写器105配置了一维相控天线阵，则只需要两个电子标签的位置即可获得RFID读写器105的二维坐标。对RFID读写器105连续定位后即可获得RFID读写器105的移动速度和轨迹。

[0074] 上述电子标签中还可存储其它信息，如车辆行驶限速和道路状况。这个信息被RFID读写器105获取后，可传给导航处理器或主机。电子标签上储存的信息可以用有线编程器150改写，也可以通过无线数据接口将无线编程器160连接至电子标签。电子标签与英特网通过无线数据接口相连后，使用者可以远程实时更新电子标签内部的信息。

[0075] 在一个实施例中，电子标签140、电子标签135、电子标签145、定向天线125与定向天线130的相对位置信息可以通过上述方法计算获得。在一个实施例中，电子标签135和电子标签140之间的距离177可以被确定。在一个实施例中，电子标签135和电子标签145之间的距离178可以被确定。在一个实施例中，电子标签145和电子标签140之间的距离179可以被确定。在一个实施例中，电子标签135和定向天线125之间的距离174可以被确定。在一个实施例中，电子标签140和定向天线125之间的距离175可以被确定。在一个实施例中，电子标签145和定向天线125之间的距离176可以被确定。在一个实施例中，电子标签135和定向天线125之间的角度a1171可被确定。在一个实施例中，电子标签140和定向天线125之间的角度a2172可以被确定。在一个实施例中，电子标签145和定向天线125之间的角度a3173可被确定。

[0076] 图2A为一个含读写器模块泄漏消除电路与天线模块泄漏消除电路的RFID读写器的示意图。在一个技术方案中，RFID读取器200包括数字处理器201和与之相连的存储器202。数字处理器201可与控制主机207相连以交换信息，与键盘208和显示器209相连以输入和显示信息。

[0077] 在一个实施例中，数字处理器201将需要发送的信号传送至数模转换器(DAC)203。DAC203能够输出基频(BB)发射信号205。基频接收信号206可以被传递到模数转换器(ADC)204中。ADC 204输出的数字信号可以在数字处理器201中被解调和解码。基频发射信号205用于调制本地振荡器(LO)的参考信号以产生射频发送信号。在一个实施例中，RFID读写器200含有一个锁相环(PLL)本地振荡器(简称锁相环本振)213以产生本地振荡器信号。在相控天线阵中，本地振荡器信号由所有的辐射单元共享。射频接收信号由低噪声放大器224放大，由正交下变频器212降频，以产生基频接收信号217。在一个实施例中，基频接收信号为信号206。存储器202与数字处理器201相连以存储标签数据、控制程序和配置设置信息。通过与处理器201相连的键盘208和显示器209能对RFID读写器200在不连接计算机的状态下进行人工操作。射频识别读写器与电脑通过有线数据链或无线数据链相连后，即可从控制主机207对RFID读写器进行远程操作。

[0078] 在一个实施例中，RFID读写器200还包括正交上变频器211，此正交上变频器211被用来将基频发射信号216转换为射频发射信号。

[0079] 在一个实施方案中，向量调制器214和射频功率检测器215被用于消除从发射电路耦合至接收电路的发射信号泄漏218。向量调制器214相当于一个能接收直流和正负基频输入信号的正交上变频器。射频功率检测器231通过方向耦合器219来检测被传送至正交下变频器212的发射泄漏，方向耦合器222用来将接收的射频信号与从向量调制器214来的泄漏补偿信号相叠加。方向耦合器219位于方向耦合器222和正交下变频器212之间。射频功率检测器231的输出值可用来对向量调制器214的控制参数做校准。比如在射频识别读写器200刚开机的情况下，发射泄漏系数随机器升温而改变的时候，射频功率检测器
231的输出信号被数字处理器201检测到后，即可对向量调制器214作相应的调整。机器预热以后，模块组内的发射泄漏信号相对稳定，只是容易受模块组温度影响，数字处理器201也可通过存储器202内部的温度校准信息在环境温度改变的情况下对向量调制器214作直接调整，此工作状态下不需要使用射频功率检测器231的功能。

[0080] 在一个实施方案中，RFID读取器使用天线250来发送读写器至标签(T2R)的射频信号，使用天线255来接收标签至读写器(R2T)的射频信号。此工作模式的读写器200即为收发分置式读写器。在收发分置式读写器的天线模块230中，发射信号251的一部分会因为电容与互感效应而被近场耦合至接收天线255，另一部分被远场反射至接收天线255。

[0081] RFID读写器双工器的射频发射元件和传输线上的发射信号通常会因为电磁效应耦合到接收部件和传输线上。读写器多使用长度远大于1个波长的电缆相连。在此情况下，模块组内置的发射泄漏补偿装置无法与线缆延迟后的天线引入的发射泄漏信号进行时间延迟匹配，而只能保证单频率点的相位延迟匹配，因而无法实现宽频泄漏消除功能，系统因此而变得复杂且高成本。本发明的一个实施方案中，为了在天线处消除从发射到接收的泄漏，发射信号的一个副本从发射天线250通过方向耦合器234、233和向量调制器240直接耦合至接收电路，与接收天线255的接收信号相叠加。向量调制器240的控制参数被设定为通过此信号补偿回路的发射信号与从天线处泄漏的发射信号相抵消。射频功率检测器231通过方向耦合器232检测泄漏补偿后的接收信号以判断残留的发射泄漏。在无接收信号的状态下，该射频功率检测器231的输出即为残留发射泄漏的功率指示器。因此在校准状态下，此功率检测器231可被用来设定向量调制器214的控制系数。

[0082] 在另一个实施方案中，射频放大器224被用来放大在RF频带的接收信号，以降低读取器的噪声系数。因为泄漏的发射信号功率相对较大，射频放大器224要置于读写器模块组内的发射泄漏消除装置后，以防止此放大器饱和。读写器模块组内的发射泄漏消除装置包括两个方向耦合器223和222、一个向量调制器214和一个校准用的射频功率检测器215。放大后的接收信号被传送至正交下变频器212以产生基频接收信号。此接收电路的噪声系数因含有射频放大器，可实现比不含有射频放大器更低的噪声系数，因为正交下变频器是具有较低的三阶交调截取点(IP3)和较高的噪声系数的非线性器件。一般而言，有源正交下变频器比无源器件的噪声系数更高，三阶交调截取点更低。

[0083] 在一个实施方案中，单发单收读写器的天线模块270可同时用于发送射频R2T和接收射频T2R信号。该天线模块270包含一个发射/接收天线263，发射/接收天线263可同时发送与接收信号。天线双工器262与发射/接收天线263相连，此双工器262还有用于接收和发射信号的射频输入端口和用于输出接收信号的射频输出端口。天线双工器262与发射/接收天线263集成在一个模块中，并使用短传输线来连接这两个部件以实现泄漏途径和补偿途径的延时匹配。与前述收发分置式读写器的天线模块组类似，用两个方向耦合器268和269、一个射频功率检测器260以及一个向量调制器261组成一个天线内部的发射泄漏消除装置。耦合器268和269至双工器262的距离不超过四分之一波长。功率检测器260通过方向耦合器271来检测泄漏补偿后的接收信号以判断残留的发射泄漏。读写器的发射端口与天线模块的输入端口264之间用电缆230相连；而读写器的接收端口和天线模块的输出端口265之间用电缆221相连。与单泄漏补偿装置相比，本实施方案中的读写器的发射泄漏补偿装置具有更高的带宽与更稳定的控制结构。该天线模组内至的发射泄漏消除器能够匹配泄漏通道和补偿通道的时间延迟，因而优化了的此补偿器件的带宽和补偿深度。补偿带宽和深度的决定性因素是这个泄漏通道和补偿通道的延时匹配。

[0084] 采用分布式发射泄漏消除系统，即天线模块内和读写器模块内均设有消除器的优点是：能在使用长度大于一个波长的射频电缆来连接收发器和天线的安装模式下达到更低的接收器噪声系数和更高的泄漏补偿带宽与深度。一个单一的发射泄漏消除设计在使用超过一个波长长度的射频线缆时只能匹配相位延迟，因此无法实现宽频泄漏补偿。在高补偿深度的要求下，单补偿电路即使能在单频率实现高补偿深度，也易受到环境的影响，而需要动态调节补偿参数。本实施方案能在保持补偿深度的同时达到更宽的补偿带宽，从而减少调节补偿参数的次数。

[0085] 在使用多天线的射频读写器中，电缆的长度可能达到数十倍波长，而仅10度的相位误差会将补偿深度限制为15分贝。因此，向量调制器的控制与调节方式对于发射泄漏消除电路的补偿深度至为关键，为了补偿天线端引入的动态变化发射泄漏，需要一个能根据环境变化而相应改变的动态泄漏消除器。

[0086] 图2B示出了一个前馈发射泄漏消除电路的示意图。在一个实施例中，前馈发射泄漏消除电路290可以用在天线模块内或读写器模块内，用来动态消除发射泄漏，且此泄漏消除电路有自适应能力。在一个实施方案中，前馈发射泄漏消除电路290包括五个方向耦合器。第一耦合器291和第二耦合器292位于发射通道上，用来提取输入端发射信号296或输出端发射信号297的副本。第三个耦合器293、第四耦合器294和第五耦合器295在接收通道上。耦合器295用于提取接收信号和泄漏信号的副本，耦合器294用于将补偿信号与带发射泄漏的接收信号叠加，而耦合器293则用来提取泄漏补偿后的接收信号，用于射频功率检测。耦合器293为可选部件。

[0087] 在一个实施方案中，发射信号297的副本在正交下变频器中与带发射泄漏的接收信号299的副本作下行混频。此正交下变频器的输出信号的基频分量由低通滤波器283和低通滤波器284滤波，以产生两个含直流分量的基准电压EVI 285和EVQ 286。基准电压的线性组合器电路287用来将基准电压EVI 285和EVQ 286组合，产生两个控制电压CVI 288和CVQ 289，以驱动正交上变频器281。正交上变频器281的本振(LO)即为定向耦合器294引用的发射信号的另一个副本。射频功率检测器272用于监测残留发射的幅度。此射频功率检测器也应用在基频电路上，即在后段的基频接收器内监测发射残留信号的幅度。对于直接转换射频接收器来说，正交下变频器的直流输出信号的有效值，即平方和，即为发射泄漏的功率。

[0088] 在一个实施方案中，线性组合器287的功能是对产品的控制电压CVI 288、CVQ289根据以下方程式进行运算，

[0089] CVI＝A*EVI+B*EVQ+C

[0090] CVQ＝D*EVI+E*EVQ+F。

[0091] 方程式中A，B，E和D为系数，以消除动态发射泄漏，C和F也为系数，以消除静态发射泄漏。线性组合器287的一种结构是包括四个模拟乘法器和两个模拟信号加法器，其中每两个模拟乘法器和一个模拟加法器用来产生一个控制信号。线性组合器287的另一种结构是包括两个模数转换器以转换基准电压、一个数字信号处理器单元以产生数字的控制信号，以及两个数模转换器以产生两个模拟的控制信号。

[0092] 静止的环境中需要固定的控制信号，变化的环境需要变化的控制信号。控制信号的频率由天线相对于环境的相对移动速度来确定。不同的信号耦合环境中，误差电压285和286的数值也各有不同。正交上变频器281所需要的控制电压288和289是可以在不改变控制参数A、B、C、D、E、F的情况下由线性组合器自动生成，并根据误差信号的改变进行自校准。动态消除器的优点为：它具有自适应能力，能够随环境的改变而实时地消除发射泄漏，是一个稳定的开环控制系统；环境跟踪速度由低通滤波器283和284的带宽决定，因此可通过增加低通滤波器的带宽来追踪高速运动的物体和读写器本身。相比之下，现有的反馈发射泄漏消除系统是潜在不稳定的，尤其是在高环路增益的情况下。反馈控制系统的带宽也同样受稳定性所限，因此带宽比开环系统稳定性低，无法实现相同的环境追踪速度。

[0093] 缓慢调节的发射泄漏消除器可用于取消在阅读器内或在天线模块内部由于温度变化引起的耦合系数改变而导致的传输泄漏。为了提高泄漏消除深度，需要使用高度精确的和单调可调的向量调制器。本发明描述了多个被动反射式向量调制器，用于开环式与闭环式泄漏消除装置。因为这些向量调制器不依赖放大器，因此也可称为向量衰减器。这些反射式向量衰减器(RVA)的向量设定连续可调，且具有结构简单和可靠性高的特点。每个反射式向量衰减器都包含一个3dB混合耦合器，此混合耦合器共有四个端口，其中两个为3dB混杂端口，而其余两个端口则互为输入端口和隔离端口。由于此混合耦合器在反射模式工作，因此两个3dB端口都被设定为反射端口，而其余两个端口则互为输入与输出端口。

[0094] 图3A即为一个以切换式电感电容电阻为负载的反射式向量衰减器的示意图。此反射式向量衰减器300包括第一输入/输出端口304，第二输入/输出端口301，此两个端口互为输入与输出端口。此反射式向量衰减器300还包含一个3dB混合耦合器317，耦合器317的第一个3dB端口为A，第二个3dB端口为B。3dB端口A的负载至少包含第一个开关控制的电阻311，第一个开关控制的电容309，第一个开关控制的电感310，和第一个短路负载312。3dB端口B的负载至少包含第二个开关控制的电阻315，第二个开关控制的电容313，第二个开关控制的电感314和第二个短路负载终端316。这些开关控制的端口负载用来产生的阻抗至少包含0，J50，-j0.02，50或无穷大欧姆，或等于在史密斯原图均分一个同反射幅度的圆的负载值。此RVA的传输系数T 305和反射系数Γ306被定义如下：

[0095]

[0096] 其中Γa 307和Γb308为3dB端口A和B的本地反射系数，而c是此混合耦合器317的相位差。例如，一个90度混合耦合器的c值为90度。因此，可以通过改变本RVA的两个3dB端口的负载值来对RVA的传输系数T 305和反射系数Γ306的幅度和相位作独立调整。图3A所示的反射式向量衰减器使用开关来选择电容、电感和电阻，即可实现对RVA的传输系数和反射系数的离散调整。

[0097] 图3B为一个使用带并联分布式短路负载的反射式向量衰减器的示意图。反射式向量衰减器319包括一个3dB混合耦合器329，其第一个3dB端口的负载包括：第一段四分之一波长传输线、第一个50欧姆的末端负载322以及多个开关控制的短路负载323、324和325；其第二个3dB端口的负载也包括第二段四分之一波长的传输线、第二个50欧姆的末端负载321以及多个开关控制的短路负载326、327和328。负载322和321的另一端均接地
320。因为传输线的负载转换效益，在不同位置的短路负载所起的作用是：3dB端口处的等效输入阻抗为0、50、J50、无限大，或为等分一个史密斯原图上一个圆的多个等效阻抗。图
3B所示的反射式向量衰减器也可实现对传输系数和反射系数的离散调整。

[0098] 图3C为一个带串联和并联可调式电感电容电阻(LRC)为3dB端口负载的反射式向量衰减器的示意图。此反射式向量衰减器339包括第一可调式LRC负载和第二可调式LRC负载作为混合耦合器330的3dB端口负载。第一可调式LRC负载包含可调电阻器331，可调式电容器333和可调式电感器332，而第二可调式LRC负载包含可调电阻器336，可调式电容器334和可调式电感器335。第一可调试LRC负载为串联连接，第二可调谐LRC为并联连接。第一、第二可调式LRC的另一端分别接地337和338。为实现较大的反射相位调节范围，可以选择让每组电感器和电容器至少有一个谐振点。在谐振点处可调式LRC的阻抗等于电阻的电阻值，而串联调整的负载和并联调整的负载可以在史密斯原图上提供两个正交的负载调整范围。因此，本反射式向量衰减器可实现相位和幅度连续可调的传输系数和反射系数。另外，在调节器件可选性有限的场合，此RVA也可只使用两个可调谐元件，例如只调整两个电阻或只调整两个电容，同样能达到对RVA的传输系数和反射系数的正交连续调整。

[0099] 图3D为带分布式又可变电阻的反射式向量衰减器的示意图。在一个实施例中，此反射式向量衰减器349包括一个固定负载346和一个可调式负载作为混合耦合器340的3dB端口负载。固定负载346的另一端与地347相连。可调式负载包括由一段八分之一波长传输线345分隔的可调式电阻器341和可调式电阻343。此两个可调式电阻与地342和地344相连，因此电阻值的改变会在史密斯原图上对传输系数和反射系数进行正交调节。
使用电调连续可调的电阻或其等效器件作为调整元件时，可对此RVA的传输系数和反射系数进行连续的调整。此RVA适合使用在传输线和可调式电阻较容易实现的场合。

[0100] 图3E为一个以带有相差的场效应管为可变负载的反射式向量衰减器的示意图。在一个实施方案中，用场效应晶体管(FET)354实现可调式电阻器的功能，即通过改变栅极源极间偏置电压来改变源极漏极间电阻。此反射式向量衰减器319包括有两个3dB端口的可调式负载，第一个可调式负载为一个源极接地355的FET 354，它的调节电压即为其栅极源极间偏置电压，而它的漏极则连接至混合耦合器的3dB端口。另一个可调式负载为通过一段八分之一波长的传输线351连接的另一个FET 352。FET 352接地353。此八分之一波长的传输线351的功能为一个45度的相移电路，因此，即使两个调节器件均为阻性负载，此RVA也可对其传输系数和反射系数进行正交连续调整。在一个实施例中，第一FET354和八分之一波长传输线351被耦合到3dB混合电路350。此电路中的FET可以互换其源极与漏极而不影响其功能。

[0101] 本发明中所述的RVA中的可调式电阻的实现器件包括但不限于FET、PIN 二极管、磁场控制的可变电阻，或通过射频开关控制的电阻器阵列。可调式电容器的选择包括但不限于变容二极管或射频开关控制的电容器阵列。本发明中所述的任何模拟调谐器件都可通过DAC或开关阵列的帮助以进行数字调节，而不影响本发明的功能。

[0102] 图3F为以传输线相移器的分立元件等效电路的示意图。此相位延迟电路可以代替前述1/8波长的传输线。在一个实施方案中，一个相位延迟电路360包括一个串联的电感器361和一个并联的电容器362。电容器362的一端连接至电感器361，而另一端连接到地363。射频信号的输入与输出口即为电感器361的两端。

[0103] 图3G为一个左手传输线相移器的分立元件等效电路的示意图，此相位延迟电路也可代替前述RVA中的1/8波长传输线，从而实现相同的RVA功能。在一个实施方案中，一个相位延迟电路370包括一个串联的电容371和一个并联的电感372。电容372一端被连接到电容器371，而另一端连接到地373。同样的，射频信号的输入与输出端口为电容器371的两端。

[0104] 从图3A至图3G所描述的RVA的优点在于：具有连续的调节范围、简单的结构与更高的可靠性。所述混合耦合器可为90度或180度耦合器，可由传输线实现，也可由电感电容器件来代替传输线。现有的向量衰减器结构包括一个360度的移相器和一个三电阻衰减器。它并不能实现不间断的相位调整，而且所用器件多、成本高、可靠性低。传统的向量放大器则需要直流的电源且结构更复杂、可靠性更低。

[0105] 无线电发射机和接收机之间的射频效率传输在很大程度上取决于它们的天线的极化匹配。通过调整读写器或标签的极化方式可改善它们之间的极化匹配系数，以优化信号标签的接收信号的功率及提高读写器接收到的回波的功率。

[0106] 图4A为一个极化可调的双重极化天线的示意图。极化可调的双重极化天线400包括一个3dB混合耦合器430，第一RVA405，第二RVA410和发射模块401。发射模块401包括第一极化的天线辐射单元402和与之正交极化的第二极化的天线辐射单元403。

[0107] 互为正交极化的双极化单元包括但不限于以下几种方式：两个偶极子对互相垂直的构造、两个极化角为互为90度夹角的单极子天线、一个带正交极化端口的圆形、方形、环形、“+”形或其他任何对称形状的微带谐振元件。图4A中所示第一极化天线的辐射元件402和第二交叉偏振天线辐射元件403中的激发波的极化是正交的。第一辐射单元的极化方式标记为CO-POL，而与之正交极化的第二辐射单元的极化方式标记为X-POL。RVA405与RVA410分别用于对CO-POL和X-POL分量进行幅度与相移调整。3dB混合耦合器430与RVA405、RVA 410共同将天线单元CO-POL 435和X-POL440极化方式转换成两个新的极化方式送至天线端口420和425。天线端口处所显示的等效极化方式根据RVA的调节参数可以不同于CO-POL和X-POL。例如，一个双圆极化天线可以从双线极化天线转换而来。在这种情况下，新的极化方式的极化倾角和轴比则完全由RVA所施加的相移和衰减系数来决定。图中的
3dB混合耦合器430与RVA中的3dB混合耦合器都可为90度混合耦合器，或180度耦合混合器。因为此天线中的元件具有互易性，因此天线的端口420和425可被同时用于发射或接收信号。

[0108] 利用RVA405和RVA 410的衰减系数的比例，可以调节天线端口420和425的有效极化形式的极化相关性。例如，当X-POL RVA设定为全吸收模式和CO-POL RVA设置为相移模式时，端口420和425皆为CO-POL极化，他们的极化相关性是100％。反之，当CO-POL RVA设定为全吸收模式和X-POL RVA设置为相移模式时，端口420和425皆为X-POL极化。当RVA405和RVA 410的衰减系数相等时，端口420和端口425互为正交极化，而它们的偏振相关性为0。射频识别读写器使用了这个可变的极化天线400后，读写器的极化方式可根据信道作调整，或给每个需要读取的电子标签分配一个任意的极化方式。读取单极化的电子标签时，读写器的极化方式可设置极化相关的天线；读取双极化的电子标签时，读写器可设置为不具有极化相关性的双极化天线。本发明中的读写器极化调节器的适用范围广、结构简单、可靠性高，且能单独完全控制每个天线的极化倾角和轴比。

[0109] 图4B为一个带阻抗匹配电路的单可调极化天线的示意图。在一个实施方案中，单可调极化的天线450适用于单发单收的射频识别读写器。此单极化可调天线450包含一个双极化的发射模块461，此发射模块461至少有一组正交的极化方式。此单极化可调天线450还包括第一RVA 453、第二RVA454和功率分配器452。射频电路中的无源功率分配器也可称为功率组合器。在一个实施例中，功率分配器452至少包括一个可切换的匹配电路，以实现至少两种阻抗匹配而将天线信号匹配地与输入信号端口451相连。第一RVA453将CO-POL天线单元459送来的Co-POL信号456作相位与幅度调整后与天线输入口451相耦合；而第二RVA 454将X-POL天线单元460送来的X-POL信号455作相位与幅度调整后与天线输入口451相耦合。如果天线模块461提供一个垂直偏振的CO-POL 459信号和一个水平极化的X-POL 460信号，在RVA 453和RVA 454上施加等量的衰减系数和相移后，即可在天线的输入端451处产生45度的线性极化方式。如要在451处实现水平极化或垂直极化，则RVA 453需设置为全吸收，或RVA 454设置为全吸收。因为全吸收与相移模式的RVA的输入阻抗不同，单可调极化的天线450需要包含一个阻抗匹配电路，以保证此天线在信号端口451处的反射系数。为了优化信号传输的效率，全吸收模式的RVA可设置为反射系数大的输入阻抗，从而让端口451的信号能有效地传送至另一个发射元件中。在另一个实施方案中，圆极化的接收可以通过将从CO-POL459和X-POL460来的信号与RVA453和RVA454正交相移叠加后获得。

[0110] 图4C为一个25或50欧姆的可变负载匹配电路的示意图。在一个实施方案中，阻抗匹配电路470可将两个50欧姆的信号源匹配叠加，或将一个50欧姆阻抗与一个无穷大阻抗的全吸收模式的RVA的信号匹配叠加。该阻抗匹配电路470包括一个无匹配的射频三通473，一个50欧姆的十分之一波长传输线474与三通473相连，一个匹配用的电容476和一个开关475。三通473的其余端口与CO-POL RVA 471和X-POL RVA 472相连。三通的输入阻抗可为50欧姆或25欧姆，开关475将匹配电容器476与50欧姆的十分之一波长传输线474相连，因为能够将25欧姆的阻抗匹配为50欧姆的阻抗，以实现在端口478的低反射系数。匹配电容器476的另一端接地477。

[0111] 与三通473相连的RVA有两种阻抗模式：50欧姆或无穷大阻抗。当CO-POL和X-POL的信号等比例组合时，三通的输入阻抗为25欧姆。当CO-POL或X-POL的其中一个被RVA吸收时，此RVA输入阻抗被设置为无穷大阻抗，而三通的输入阻抗为50欧姆。实际电路中可实现的无穷大阻抗可用500欧姆以上的等效阻抗来近似。

[0112] 图4D为一个使用选择性分支来匹配25或50欧姆的可变负载的示意图。在一个实施方案中，阻抗匹配电路480至少包含一个射频三通483，第一单刀双掷(SPDT)开关484，第二单刀双掷开关487，一个任意长度的50欧姆传输线485，和一段长度为四分之一波长35欧姆阻抗的传输线486。三通473的一端与第一单刀双掷(SPDT)开关484相连，其余端口与CO-POL RVA 481和X-POL RVA482相连。第一单刀双掷(SPDT)开关484的两个掷点分别为50欧姆传输线485和四分之一波长35欧姆阻抗的传输线486的一端。第二单刀双掷开关487的一端与收发器488相连，其两个掷点分别为50欧姆传输线485和四分之一波长35欧姆阻抗的传输线486的另一端。与图4C类似，此三通483的输入阻抗也为25欧姆或
50欧姆。在三通输入阻抗为25欧姆时，开关484和开关487将35欧姆的传输线486切入，以将25欧姆的阻抗匹配到50欧姆。在三通输入阻抗为50欧姆时，则选择另一端50欧姆阻抗的传输线485。因为天线的反射系数对单发单收读写器的发射泄漏系数有很大影响，以上两种匹配电路能提供较低的反射系数，并在调节天线极化方式的同时保持天线与读写器的信号传输效率。

[0113] 放大器能被应用于散射调制RFID系统中，以提高电子标签的信号强度和读写距离。图5A为一个内含射频放大器和开关式调制器的收发分置式电子标签的示意图。半有源电子标签500为一个散射调制效率高于1的远距离电子标签。此标签500包含接收天线501、射频放大器502、包络检波器503、单刀单掷(SPST)开关508、发送天线509、存储器单元511、微型处理器510以及电池512。在一个实施方案中，正在被读写的电子标签500从天线501接收到外部R2T信号并传送至射频放大器502，经放大后的信号由包络检波器503检波。包络检波器503至少包括一个二极管504和一个由并联接地507的电阻506和电容
505组成的低通RC滤波器，此滤波器的输出即为基频R2T信号。检波后的R2T信号由微处理器510处理，以执行下一步程序动作，例如读或写存储器单元511，产生调制控制信号515以操作控制调制器508，给远程主机516通讯，接收键盘517的输入或发送显示信息至显示器518。在散射调制模式中，T2R的调制信号由微处理器510发出，而通过SPST开关508执行。调制过的射频信号被传送至一个发送天线509，以将T2R信号发回读写器。电池512用来给微处理器510和放大器502供电。在电子标签与远程主机516通过线缆相连时，此电子标签也可从远程主机的线缆取电。

[0114] 在一些实施例中，这种有源电子标签的接收和发送天线互为正交极化。此时，接收天线的极化模式被指定为CO-POL，而发射天线的极化模式被指定为X-POL。互为正交极化的两个天线与非正交极化的天线相比，具有较低的耦合率。因电子标签所附着的材料与物体多不可控，使用互为正交极化的天线可以改善发射和接收天线间的电磁隔离。假设信号从发射天线泄漏至接收天线，总环路增益达到1，放大器振荡的情况下，包络检波器503会检测到一个大功率的射频信号并传送至微处理器510。为了抑制此震荡，微处理器510可降低放大器502的增益，直到包络检波器503的输出小于某个设定值。如果因为读写器被近距离放置于电子标签附近而导致包络检波器503输出过高，微处理器510也能够降低放大器的增益，以保持放大器与解调器的正常工作。这种自动增益调整，不仅能抑制因环境带来的电子标签内部振荡，而且还使RFID输出的信号值限定于一个适合读写器读取的功率范围以内。与现有的使用环行器的有源电子标签相比，此收发分置的电子标签具有更强的稳定性，因此能获得更高的散射调制效率。

[0115] 图5B为一个以放大器为调制器装置的收发分置式电子标签示意图。此电子标签内含自发射泄漏补偿装置。在一个实施方案中，半有源电子标签520包括CO-POL极化的接收天线526、RVA 521、射频放大器522、X-POL极化的天线531、单刀单掷开关523、电源装置524与包络检波器529。在一个实施方案中，电子标签520从接收天线526传入的R2T信号的一部分被传送到RVA 521以进行幅度与相位调整，而另一部分R2T则信号经由射频放大器522放大，此两路信号随后被耦合在一起后被传送至发射天线531。一部分的发射信号被包络检波器529解调，以得到基频R2T信号。此电子标签的调制方式是通过开关523来改变放大器522的增益，以产生不同幅度的散射信号至发射天线531。包络检波器529也可被用来检测放大器522的工作状态。在放大器震荡或标签离读写器距离过近时，标签内的处理器可以通过改变RVA的相移和衰减来控制读写器的增益与相移，从而让放大器522在线性模式下工作。控制方式的优点是可以让放大器在满增益与无增益之间切换，以优化电子标签的散射调制效率，并保证其稳定性。

[0116] 放大器522的增益或相位可通过与之相连的RVA521修正，再通过改变修正后的放大器的增益和相移，可以实施多种调制方式。与通断式相比，在相同数据率的情况下，幅度调制和相位调制占用的带宽更小。调制R2T信号的另一方法是控制RVA的相移施加相位调制或频率调制。因此，重新发送的信号可以被相位调制或频率调制。此外，开关523被连接到放大器的偏压，以便在两个增益级之间进行切换来执行深度开/关调制。

[0117] RFID系统中，读写器或电子标签的特性并不是固定的。一般而言，读写器为固定式，而电子标签为移动式；读写器可连接到数据主机，而电子标签并不与任何主机相连。某些情况下，读写器和电子标签的特性可以互换，比如在保安巡逻、或车辆导航时，电子标签可为固定式，而读写器可为移动式。读写器可通过读取一个或多个电子标签的内容，以获得关于路径信息或用来操作门径控制。电子标签可以与数据主机相连，且内容可以被读写器或数据主机读写。

[0118] 本发明的图5A和图5B所示的电子标签都可以用来实现相位和幅度调制，或更复杂的调制。通过调节向量衰减器521也可以改变电子标签的接收天线的反射系数，从而在接收天线处实行调制幅度较小的单发单收模式的反向散射信号。与普通的单发单收射频识别读写器不同的是，RVA 521可以用来控制反射系数的相移，从而在接收天线处实施相位调制或频率调制。通过在RVA 521的两个输入端口施加不同相位的带通信号，也可对此电子标签实施单边带的频率调制。同理，通过放大器放大后的信号可被双边带调相与调频，或被单边带调相与调频。

[0119] 图5C为一个带极化调节的双发双收电子标签的示意图。在一个实施例中，双发双收的电子标签包括双极化调制器540、CO-POL极化的收发天线543和X-POL极化的收发天线544。天线543和天线544均与双极化调制器540相连。放大器542耦合到双极化调制器540以放大接收到的R2T信号。此电子标签还包含包络检测器541、调制控制547和控制它的单刀单掷开关548、电源546。双极化调制器540的一种结构同图4A所示结构。由外部极化控制549馈入双极化调制器540。R2T信号被两个天线共同接收，通过双极化调制器540送至放大器542。放大后的R2T信号再经过调制器548调制后变成T2R信号。此T2R信号的一部分经过双极化调制器540后，被双极化调制器540分配至两个收发天线543和
544，每个天线都要同时接收与发送信号，而他们之间的极化方式则由一个微处理器控制。
另一部分被包络检波器529解调，以得到基频R2T信号545。双极化调制器540的一个实施方案为使用图4A的示意图，即包含两个RVA405和430以及一个3dB混合耦合器425。极化调制有两个用处：一是用来改善标签与读写器的收发信号间的极化匹配，以提高读写距离；二是用来增强标签的稳定性，因为不同极化的收发模式会改变发射泄漏的衰减与相移，而处理器通过射频检波来检测到不稳定的回路设定，从而调节极化调节器以抑制可能表现的震荡。

[0120] 本发明所描述的部件500，520和550的结构图也可被用于制造无线电中继器。这些中继器可以与现有的射频识别读写器与电子标签配合使用以提高读写距离。与半有源电子标签类似，一个中继器的功能是将它接收到的无线电信号放大后再重新发射出去，以调高读写器或标签的读写距离。因功能相同，图5A，图5B与图5C的结构图能被直接用来构造一个或多个中继器。中继器500，520或550能被用来放大R2T信号，也能被用来放大T2R信号。在一个实施方案中，中继器500被用于增强空中的R2T信号，因此该中继器的接收天线501被用来对准读写器的发射天线。而中继器的发射天线509被用来指向电子标签。在另一配置中，中继器500被用来增强空中的T2R信号，因此该中继接收天线501指向电子标签，而中继器的发送天线509指向读写器的接收天线。模拟的中继器不重新调制接收的RF波，所以开/关调制器508，523和548可以从电路中移除。中继器的稳定性也可通过射频包络检波器503，529或571来监控，以控制整个回路的相移或增益，从而保持中继器的放大电路稳定在线性工作状态下。极化调制器540也可用来改变中继器的接收与发送极化方式，从而改善无线传送通道的增益或中继器的稳定性。

[0121] 图5D为一个可变增益与相移的放大装置。此可调放大器570包含RVA 571与普通的放大器572串联。根据功耗的要求，RVA571可以接在放大器572之前或之后。通过改变RVA571的衰减与相移即可调节装置570的总可变增益与可变相位。串联结构的放大装置570与并联结构的RVA 521与放大器522功能相同，但前者的稳定性更高。

[0122] 图5E为收发天线方向可调的无线电中继器阵列的示意图。在一个实施例中，590为一个方向可调的无线电中继器阵列，它包含第一个收发器591与第二个收发器592。收发器591包含一个接收天线601，一个相移与增益可调节的信号放大器602，与一个发射天线603。收发器592包含了一个接收天线611，一个相移与增益可调节的信号放大器612，与一个发射天线613。相移与增益可调节的放大器602与612的一个实施方式即为图5D所示的RVA 571。通过调节第一收发器591与第二收发器592的相移，发射信号可被引导至与入射信号不同的方向。此中继器阵列也可由三个或者更多的收发器组成，以提高此天线阵的方向性。每个收发器的增益可独立调节，以改变天线阵的主瓣波束宽度或降低副瓣增益。

[0123] 图5F为发射天线波束可调的无线电中继器的示意图。在一个实施例中，从接收天线641处接收到的无线电信号，被信号放大器642放大后，通过信号分配器643后，一部分放大后的信号被传输至第一个向量衰减器644，然后从第一个发射天线645处被发射。而另一部分放大后的信号被传输至第二个向量衰减器646，然后从第二个发射天线647处被发射。向量衰减器在此的作用为对信号相移，从而使得两个天线发射后的无线电波在某些方向增强，而另外一些方向互相抵消，等效于发射天线阵的波束方向调节。信号分配器可为使用传输线的无损功率分配器，或使用电阻的有损功率分配器。

[0124] 图5G为接收天线波束可调的无线电中继器的示意图。在一个实施例中，从第一个接收天线661处接收到的第一个接收信号，与从第二个接收天线664处接收到的第二个接收信号，分别被第一个向量衰减器662与第二个向量衰减器665独立相移后，通过信号组合器663叠加。叠加后的信号被放大器666放大后，从发射天线667处被发射。通过调节662与665的相移，此无线电中继器可以改变接收天线阵的波束方向调节。信号组合器的结构可与信号分配器相同，只是输入输出端口定义不同。

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