专利名称：射频标签的制作方法
身寸频标签本发 明涉及射频标签，其包括用于接收无线电波的接收器。已经知道射频标签可在用无线电波质询时用于提供响应信号。响应信号可取决于 要检测的物理参数、例如本地电压，由此启动可以是无源的无线传感器。然而，为了提供精确的测量，希望在标签中产生精确已知的频率。在现有技术中， 已经知道标签可配置用于在与质询波相同的频率处进行响应。然而这从能量角度来看效率 不高。配置用于处理预定频率处的信号的已知标签由于必须被补偿的电子元件的不匹配而 变得复杂。本发明的目的是提供一种上述缺点得以减轻的射频标签。具体而言，本发明旨在 获得一种射频标签，其中响应信号可在精确预定的频率上得以处理而无需采用复杂的设 计。这样，根据本发明，标签的接收器包括用于接收具有包括第一频率分量和第二频率分量 的振幅谱的无线电波的接收器；另外，根据本发明的标签包括与上述接收器关联的转换器， 用于生成频率分量为第一频率和第二频率之间的频率差的信号；用于处理所生成的信号的 信号电路；以及用于向信号电路转发来自接收器的生成信号的耦合器。通过产生差频率分量并向信号电路转发生成信号，就可在标签中得到精确已知的 频率分量而无需采用复杂的设计。有利的是，此时对精确地产生期望频率的要求就可以应 用在对标签进行质询的质询发射器中。因此，标签可以简单、低成本的方式实现。由于转换 器可实现为单个无源元件或多个无源元件，因此可将标签制造为无源标签，从而使标签的 成本甚至更低。有利的是，由于其能量从另一频带转换而来，因此在期望差频率处生成的信号具 有足够的能量，从而使检测操作更加准确。另外，当生成信号采用标签发射时，如果频率选 择适当的话，那么原则上生成信号不会干扰质询信号或其谐波信号。根据本发明的其他有利实施例在所附的权利要求书中有所描述。下面仅通过举例方式结合附图来描述本发明的实施例，附图中
图1显示了根据本发明的射频标签的第一实施例的示意图；图2显示了信号的振幅谱；图3显示了图1中的二极管的电压电流曲线；图4显示了根据本发明的射频标签的第二实施例的示意图；图5显示了根据本发明的射频标签的第三实施例的示意图；图6显示了根据本发明的射频标签的第四实施例的示意图；图7显示了根据本发明的射频标签的第五实施例的示意图；图8显示了根据本发明的射频标签的第六实施例的示意图；和图9显示了根据本发明的射频标签的第七实施例的示意图。需要注意的是，这些图仅显示了根据本发明的优选实施例。在附图中相同的标号 表示相同或相应的部分。图1显示了根据本发明的射频标签1的第一实施例。标签1包括用于接收进入无 线电波3的接收器2。标签1还包括信号电路4和用于向信号电路4转发来自接收器2的信号的耦合器5。此外，标签包括与接收器2关联的转换器6。在标签1的操作期间，接收器2接收 具有包括第一频率fa分量和第二频率fb 分量的振幅谱的进入无线电波3。作为示例，第一频率fa约为2. 400GHz，第二频率fb为 2. 427GHz，这可参见图2，其中显示了作为频率f的函数的信号振幅谱A。与接收器2关联 的转换器6用于产生具有频率分量为频率f\的信号，其中频率等于第一频率fa和第二 频率fb之间的频率差Δ ·。然后，所生成的信号经由耦合器5从接收器2转发给信号电路 4。接收器2包括四棱天线(quad antenna)。因此，接收器2包括大致为矩形的闭合 回路，其边长基本上与第一频率fa的四分之一波长一致，使得形成了被优化用于接收第一 频率分量的谐振回路。回路实现为电介质衬底7上的单层导电结构，其中导电图案的长度 已针对材料结构的发射特性进行了纠正。由于第一频率fa相对较高，因此接收器2可以紧 凑方式实现。作为四棱天线的替代，也可以采用另一种类型的天线来接收进入无线电波，例 如偶极天线或全向天线。与接收器2关联的转换器6包括用于闭合接收器回路的非线性元件。该非线性 元件可实现为二极管如场效应二极管、变阻器如金属氧化物变阻器、陶瓷结构、金属-绝 缘-金属(MIM)结构，和/或金属-绝缘-绝缘-金属(MIIM)结构。在图1所示的实施例 中，非线性元件实现为单个二极管6，但是也可以实现为几种组合，例如多个二极管的组合。通过应用非线性元件，当接收到无线电波时，时间平均电流沿特定方向顺时针地 或逆时针地在回路2中流动，其中电流的幅度取决于所接收的无线电波的幅度。由于所接 收的无线电波包括第一频率fa分量和第二频率fb分量，因此所接收的无线电波可被视为 具有载波频率fa以及作为第一频率fa与第二频率fb之差的调制频率Δ f的单边带调幅信 号。结果，用作复用器的非线性元件产生一串谐波频率分量fn，其中4是11 · Δ ·，η = 0，1， 2,3,…。因此，在数例中生成了 27MHz信号、54MHz信号、81MHz信号，等等。第一频率fa的分量和第二频率fb处的分量也可以其它方式进行调制，例如频率调 制或相位调制。另外还可应用双边带调幅。通常来说，根据本发明，接收器配置用于接收具 有不一定共同调制的第一频率分量和第二频率分量的无线电波。在根据本发明的优选实施例中，非线性元件6实现为具有不对称电压电流特性的 二极管，其优选具有低的开启电压，也称作阈值电压V。。图3显示了二极管6的电压V/电 流I的曲线C。由于低开启电压V。相对较低，因此曲线C是不对称的，并且非线性特性可应 用在这样的区域，即其中所接收的无线电信号的正部分超出了开启电压V。，而所接收的无 线电信号的负部分保留在曲线C的线性部分中。因此，数例27MHz中，第一谐波的功率 相对较大，从而优化了由于如下所述耦合器5的过滤功能而得到的信号电路4中的可用能 量。结果，转换器生成的信号主要是第一谐波分量。然而，原则上也可采用具有对称电 压电流特性和/或具有共同或较高的开启电压V。的非线性元件。另外，二极管优选实现为 Schottky 二极管，使得非线性特性进一步得到改进，从而得到功率增加的第一谐波分量。 同样，应注意的是也可采用其他类型的二极管。在根据本发明的另一优选实施例中，实现为二极管的非线性元件在OV时具有低 于约IpF的内部电容，使得在较高频率处的导电性能较低，因而在较高频率处也产生所期 望的非线性特性。然而，例如假设进入无线电波的频率分量较低的话，那么也可以应用具有在OV时高于约IpF的内部电容的非线性元件。 耦合器5配置用于将信号电路4电感耦合到和/或电容耦合到接收器2。结果，该 耦合器以电磁方式向信号电路4转发接收器2的信号。优选的是，耦合器5还包括用于从 接收器回路2的信号中过滤掉生成信号、更优选地过滤掉第一谐波分量的过滤器。因此，主 要是将生成信号的第一谐波分量转发给信号电路4。在图1所示的实施例中，耦合器通过 衬底7的几何形状以及接收器2的导电图案和信号电路4的导电图的几何形状而固有地实 现。由于导电图案部分地彼此相邻设置，因此所生成信号可从接收器2向信号电路4转发。 作为备选或附加的是，可采用分立耦合元件如接收器2和信号电路4的导电图案之间的介 质。应注意的是，作为以电感和/或电容方式进行耦合的替代或附加，作为备选耦合器也可 配置用于将信号电路4以电流方式耦合到接收器2，例如通过实施将接收器2和信号电路4 互连的导电结构。信号电路4包括用于将生成信号作为发射无线电波进行发射的发射器。此外，发 射器优选在生成信号的第一谐波频率、如数例中的27MHz上发射无线电波。由于在该例 中第一谐波频率明显低于原始接收的无线电波的第一频率fa，因此发射器包括磁回路天 线4。磁回路天线4包括具有高品质因数Q的LC谐振回路。由于电感回路的大小可选择为 小于波长，因此可实现紧凑的发射器。有利的是，为提高品质因数Q，电感回路的面积应尽可 能地大。另外，由于LC谐振回路的带宽相对较窄，因此LC回路的电容器8优选实现为采用 微调电容器，使得谐振回路可与生成信号的第一谐波频率4匹配。在一个数例中，电容器8 的电容约为150pF，这取决于电容器的寄生电感。图1所示射频标签的实施例已作为单层图案结构来实现，因此标签可采用便宜的 制造工艺实现。接收器2和信号电路4各具有单个回路，因而可以实现单层图案结构。例 如，假如接收器2和/或信号电路4包括多个回路，则本发明的其他实施例可包括多层图案 结构。另外，标签1采用其中导电图案整体式地位于介质板7、如印制电路板(如FR4或聚 合物板)上的波导线技术来实现。在一个实际的实施例中，标签采用微波传输带技术来制 造。然而，标签1也可通过组合分立的波导线元件来制造。生成信号可在信号电路4中进行调制，使得可将信息编码到从标签1发射的无线 电波中。为了编码信息，接收器2和/或信号电路4电连接到检测单元、识别单元和/或电 或磁的储能元件上。检测单元和/或识别单元可实现为连接到接收器2和/或信号电路4 上的单独电路。图4显示了根据本发明的射频标签1的第二实施例的示意图。这里，标签1包括 单独的检测单元，其实现为与LC谐振回路的电容器8并联连接的电容器9。电容器9的特 性取决于一个或多个物理参数，可选地为标签外部的参数如温度、湿度等等。结果，所发射 无线电波的幅度取决于所述物理参数，而且标签1可用作响应于质询信号的无线射频传感 器。显然，检测单元还可包括其他元件，例如电感、阻抗和/或电阻。更具体地说，当电容 器的值、检测单元的电感或电导率变化时，要发射的信号的幅度也变化，因此获得了作为电 容、电感或电导率变化的测量的调幅。另外，检测单元包括用于执行检测操作的有源元件。 如图1所示，在根据本发明的第一实施例中，检测单元的电容器9已与LC谐振回路的电容 器8集成在一起，由此节省了电子元件。识别单元可包括基本上不依赖外部物理参数但是为识别目的以特定方式对生成信号的幅度进行调制的电子元件。另外，接收器2和/或信号电路4可具有例如与非线性 元件和电容器8并联连接的电或磁的储能元件。电或磁的储能元件可用于给标签的电路、 例如有源检测元件馈电。信号电路4配置用于处理生成信号，例如通过调幅和/或通过把信号转化成DC以 用于储能。在本文中应注意到，信号电路4还可例如通过激活可由标签1的用户观测到的 信令设备如光或声元件来处理生成信号。图5显示了根据本发明的射频标签1的第三实施例的视图。这里，标签1包括第 二信号电路10和用于向第二信号电路10转发来自接收器2的另一生成信号的第二耦合器 11。第二信号电路10包括衬底7之后的第二层中的导电图案，使得该另一生成信号可从接 收器2转发至第二信号电路10。第二信号电路10配置用于处理该另一生成信号。该另一生成信号包括作为由接收器2接收的无线电波的振幅谱中的第一频率分 量fa和第三频率f。分量之间的频率差的频率分量。在一数例中，第一频率fa接近2. 400GHz 而第三频率f。为2. 413GHz。如下参照作为复用器的转换器所述，第一谐波信号在差信号上 生成，在该数例中为13MHz。第二信号电路10匹配第一谐波信号频率，使得第二信号电路 10可发射第二生成的信号。因此，通过选择要发送到接收器的无线电波中的频率分量的特定组合，可触发响 应对应的信号电路4，10，由此激活标签1的各个功能。因此，可以精确且低成本的方式生成 特定的期望频率分量。而且，第二信号电路可具有用于检测物理参数的检测单元，或者可具 有识别单元和/或电或磁的储能元件。应注意到，根据本发明，甚至更多的信号电路可实现为耦合到接收器。另外，标签 可利用具有包括第一频率分量和第二频率分量的振幅谱的无线电波来质询，其中频率差随 时间变化。作为示例，可采用一定数量的不连续测量，各个测量表征为第一和第二频率分量 之间的特定频率差。在一具体示例中，第一频率分量可以是固定的，而第二频率分量的中央 频率变化，即在第一测量中为2427. 0MHz，在第二测量中为2427. 1MHz，而在第三测量中为 2427. 2MHz，使得可以确定信号电路的频谱特性。显然也可采用其他频率。另外，还可进行 另一些数量的不连续测量。此外，第二频率的中央频率随时间、例如当进行调频时连续地变 化。图6和图7显示了根据本发明的射频标签1的第四和第五实施例。在第四实施例 中，第二信号电路10围绕第一信号电路4。在第五实施例中，第一信号电路4和第二信号电 路10分别设在接收器2的右侧和左侧。显然也可以实现为其他的几何形状，例如包括环形 的回路。另外，可实施甚至更多的信号电路，使得可通过各个信号电路来执行多个功能。应注意到，转换器6生成的信号不仅耦合到信号电路4，而且还作为不希望有的无 线电波由接收器2发射。结果是，不希望有的无线电波可能会干扰信号电路4发射的无线 电波。 图8显示了根据本发明的射频标签1的第六实施例的示意图。这里，接收器2实 现为一对电气镜像的接收器天线2a，2b。通过应用一对电气镜像的接收器天线，具有频率分 量等于第一频率和第二频率之间的频率差的信号由于镜像结构而几乎不会作为无线电波 由接收器2发射，由此减少了信号电路4所发射的无线电波的干扰。应注意到，也可应用多 对电气镜像的接收器天线对。还应注意到，耦合器可实现为导电结构。
图9显示了 根据本发明的射频标签的第七实施例的示意图。同样，这里也应用了 一对电气镜像的接收器天线2a，2b。为了抵消接收器2发射的无线电波和信号电路4发射的无线电波之间的干扰，可 考虑将射频标签的几何形状设计成使得接收器2和信号电路4基本上相互重叠，使得接收 器发射的任何无线电波的贡献基本上与就质询设备的位置而言的位置无关。根据本发明的射频标签1可与质询设备组合应用，质询设备例如为包括一个或多 个用于发射具有第一频率fa分量和第二频率fb分量的无线电波的发射元件的移动单元。 通过在准确确定的频率上发射第一频率和第二频率，就可以产生能使标签1以电磁、光和/ 或声方式进行响应的标签1中的生成频率的准确频率。根据本发明的标签1可用于几种应用，如用于无线式地检测物理参数如湿度、导 电率、压力和/或土壤温度。因此，标签1适合于培育花和植物的区域。本发明不限于这里所述的实施例。可以理解，可以有许多种变型。除了使用上述数值的频率分量之外，还可采用其他数值，例如GHz范围或MHz范围 内的频率分量。另外，在所述的频率数值中，第一频率fa和第二频率fb或第三频率f。之间的相对 差处于约的数量级。然而，原则上上述相对频率差可以选择为其它，如处于约1%。的数 量级或处于约10%的数量级。在设计根据本发明射频标签时，相对频率差可以是任意的。可选的是，转换器的寄生电感特性、具体说是二极管6的寄生电感特性可通过修 改接收器回路的电容来补偿。对于本领域的技术人员而言，其他变型是显而易见的，并且这些变型被认为是落 在如所附权利要求中列出的本发明范围内。
权利要求
1.一种射频标签，包括一接收器，用于接收具有包含第一频率分量和第二频率分量的振幅谱的无线电波；一与所述接收器相关联的转换器，用于产生具有作为所述第一频率与所述第二频率之 间的频率差的频率分量的信号；一信号电路，用于处理所生成的信号；以及一稱合器，用于向所述信号电路转发来自所述接收器的生成信号，其中，所述信号电路包括用于将所述生成信号作为发射的无线电波进行发射的发射 器，并且所述发射器包括具有LC谐振回路的磁回路天线。
2.根据权利要求1所述的射频标签，其特征在于，所述接收器包括四棱天线。
3.根据权利要求1或2所述的射频标签，其特征在于，所述接收器和/或所述信号电路 电连接到检测单元、识别单元和/或电或磁的储能元件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述标签作为单层图案 结构来实施。
5.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述接收器和/或所述 信号电路包括单个回路。
6.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述转换器包括能闭合 所述接收器的回路的非线性元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述非线性元件包括具 有低开启电压的二极管。
8.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述非线性元件包括具 有在OV时低于约IpF的内部电容的二极管。
9.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述非线性元件包括具 有不对称电压电流特性的二极管。
10.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述耦合器配置用于将 信号电路以电感和/或电容方式耦合到所述接收器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述标签采用波导线技 术来实现。
12.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，包括一第二信号电路，用于处理在由所述接收器接收的无线电波的振幅谱中的第一频率分 量和第三频率分量之间的频率差上的另一生成信号，和一第二耦合器，用于向所述第二信号电路转发来自所述接收器的所述另一生成信号。
13.根据前述权利要求中任一项所述的射频标签，其特征在于，所述第一频率分量和第 二频率分量之间的相对频率差大约为的数量级。
14.一种询问根据权利要求1所述的射频标签的方法，包括发射具有包括第一频率分 量和第二频率分量的振幅谱的无线电波，其中，所述第一频率分量和第二频率分量之间的 频率差随时间改变。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括进行一定数量的不连续测量，各所 述测量表征为所述第一和第二频率分量之间的特定频率差。
全文摘要
本发明涉及射频标签。该标签包括用于接收具有包含第一频率分量和第二频率分量的振幅谱的无线电波的接收器。该标签包括与所述接收器相关联、用于产生具有所述第一频率与所述第二频率间的频率差的频率分量的信号的转换器。此外该标签还包括用于处理已生成的信号的信号电路和用于向所述信号电路转发来自所述接收器的已生成的信号的耦合器。所述信号电路包括用于将所述生成的信号作为发射的无线电波进行发射的发射器。此外，所述发射器包括含有LC谐振回路的磁回路天线。
文档编号G01S13/00GK102105891SQ200980125403
公开日2011年6月22日 申请日期2009年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者赫拉尔杜斯·约翰尼斯·尼古拉斯·杜德曼, 马克西穆斯·安德里亚·希尔郝斯特 申请人:荷兰应用自然科学研究组织Tno