Rfid设备、方法和应用
【专利说明】RFID设备、方法和应用
【背景技术】
[0001] 本公开涉及室内实时定位系统（RTLS)、方法和相关应用。
[0002] 短距离，高精确度定位对于诸如室内导航、体域网（BAN)和无障碍运动跟踪等许 多应用来说很重要。另一方面，在高效资产管理上应用的射频识别（RFID)系统的近期发展 使得低成本和低能耗的RFID标签和相关设备得到广泛可用。在RFID定位方法中，接收信 号强度（RSS)应用范围很广，但是受到较差精确度的影响。飞行时间法（TOF)不适用于短 距离，这是因为测量较小往返时间延迟很困难。使用单音载波的基于连续波（CW)相位的方 法是优选的，因为其具有高精确度和简单架构。
[0003] 然而，在室内环境下，通过反向散射RFID标签进行被动CW相位定位是一项挑战。 在物理上，在办公室和其他室内位置，由多径干扰引起的相位误差较为严重。发射和接收端 之间的较差隔离带来较强的自干扰，这也会影响相位检测。如果缺乏有效同步解决方案，邻 近的读取器也可引起较强干扰。另一个限制来自于信号处理。尽管CW是精确的，当距离大 于一个波长时，存在周期模糊性（cycle ambiguity)。为了得到较高精度必须正确地解决周 期整数。对于诸如DFCW(双频连续波）等常规方法，感应带宽受限于：（1)在哪个读取范围 内整数模糊性可得到解决；或（2)具有大相位误差的窄带RFID设备。尽管已经提出了具有 谐波生成功能的RFID标签，但所提出的标签无法解决周期模糊性。
[0004] 对于在室内环境中进行定位，需要精确的，大体上不受多径干扰的影响的，并且解 决周期模糊性的系统和方法。
【发明内容】
[0005] 本文以下公开了一些用于在室内环境进行定位的系统和方法，这些系统和方法是 精确的，大体上不受多径干扰的影响，并且解决了周期模糊性。
[0006] 在一个或多个实施例中，本公开的方法包括使用由收发器产生的电磁辐射照亮传 感器标签；收发器位于远离传感器标签的地方；传感器标签包括用于匹配阻抗和生成宽带 谐波的至少一个非线性传输线（NLTL)，读取器接收天线的三个或更多位置的坐标是已知 的，从第二谐波的相位和幅度输出获得从传感器标签到三个或更多天线位置中的每一个的 距离，并且通过三边测量法确定传感器标签的位置。
[0007] 在一个或多个实施例中，本公开的系统包括传感器标签，收发器和读取器。该传感 器标签具有用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线（NLTL)，该读取器包括三个或更多 天线和至少一个解调器，该三个或更多天线位置的坐标是已知的，该至少一个解调器提供 收发器发射的电磁辐射的主频率的第二谐波的同相和正交输出，以及提供从所述三个或更 多位置中的每一个到传感器标签的距离。在一个实例中，收发器被并入读取器中，并且包括 三个或更多天线中的一个或多个。
[0008] 还公开了其他实施例。
[0009] 为了更好的理解本教导以及其他和进一步的方面，将参考附图和详细描述，其范 围将由附加的权利要求指出。
【附图说明】
[0010] 图la，Ib和Ic示出了非线性传输线（NLTL)的原理；
[0011] 图2a-2d示出了这些教导的RFID标签的测量结果的图形；
[0012] 图3示出了本教导的系统的一个实施例的原理；
[0013] 图3a示出了传统手机原理框图；
[0014] 图3b示出了本教导的系统的一个实施例中的通用读取器的原理框图；
[0015] 图3c示出了本教导的系统的一个实施例的通用结构的原理框图；
[0016] 图4示出了这些教导的系统的一个实施例中的元件的原理；
[0017] 图5a和5b示出了传统RFID标签和本教导的RFID标签的操作的图形；
[0018] 图6示出了本教导的RFID标签的测距操作的图形；
[0019] 图7a示出了这些教导的RFID标签的一个实施例的操作的图形；
[0020] 图7b示出了这些教导的RFID标签的一个实施例中的第二谐波生成的图形。
【具体实施方式】
[0021] 以下详细描述是实施这些教导的目前认为的最好的模式。该描述不应被认为具有 限制性，而仅仅是用于示出这些教导的一般原理，因为这些教导的范围已由权利要求最好 地定义。尽管这些教导已经描述了各种实施例，但应当认识到，这些教导还能够适用于在附 加的权利要求的精髓和范围内的许多进一步的和其他实施例。
[0022] 如文中所用，单数形式"一"、"一个"和"该"包括复数的情况，除非上下文另有明 确说明。
[0023] 除另有说明，在说明书和权利要求中使用的表示原料数量、反应条件等的所有数 值应当理解为可由术语"约"进行修改。
[0024] 本文所用的"三边测量法"是通过给定的一个节点到已知坐标的三个或更多个其 他节点的距离而确定该节点坐标的过程（例如，参见Alan Kaminsky，三边测量法可从以下 链接 http: //www. Cs. rit. edu/ ?ark/543/module05/trilateration. pdf获得)〇 本文中 三边测量法也被称为三角测量法。
[0025] 本文所使用的"次谐波"表示中心频率增加或减少频率一个变化量后所得到的频 率，其中该频率变化量被限定在围绕中心频率的一定带宽内，该带宽小于中心频率和最接 近谐波之间的间隔。
[0026] 在一个或多个实施例中，本公开的方法包括使用从至少一个收发器发射的电磁辐 射照亮传感器标签；该收发器位于远离该传感器标签的地方；该传感器标签包括用于生成 宽带谐波的至少一个非线性传输线（NLTL)，在三个或更多位置接收来自该至少一个NLTL 的反向散射电磁辐射；该三个或更多位置的坐标是已知的，利用第二谐波和第二谐波的至 少一个次谐波的相位和幅度输出，获得从传感器标签到三个或更多位置中的每一个的距 离，并且采用三边测量法确定传感器标签的位置。
[0027] 在其他实施例中，本公开的方法包括使用从接收器生成的电磁辐射照亮传感器标 签；该接收器位于远离该传感器标签的地方；该传感器标签包括用于匹配阻抗和生成宽带 谐波的至少一个非线性传输线（NLTL);读取器接收天线的三个或更多位置的坐标是已知 的，利用第二谐波的相位和幅度输出，获得从传感器标签到三个或更多天线位置中的每一 个的距离，并且采用三边测量法确定传感器标签的位置。
[0028] 在一个或多个实施例中，本公开的系统包括传感器标签，至少一个收发器和读取 器。该传感器标签具有用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线（NLTL)，该读取器包括 三个或更多天线，至少一个解调器，和测距元件，该三个或更多天线中的每个天线位于三个 或更多位置中的一个位置，该三个或更多位置的坐标是已知的，该至少一个解调器提供收 发器发射的电磁辐射的主频率的第二谐波和第二谐波的一个或多个次谐波的同相和正交 输出，该测距元件被配置为利用第二谐波和一个或多个次谐波的同相和正交输出，提供从 所述三个或更多位置中的每一个到传感器标签的距离。在一个实例中，收发器被并入到读 取器中，其包括三个或更多天线中的一个或多个天线。
[0029] 在其他实施例中，本公开的系统包括传感器标签，收发器和读取器。该传感器标签 具有用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线（NLTL)，该读取器包括三个或更多天线和 至少一个解调器，该三个或更多位置的坐标是已知的，该至少一个解调器提供收发器发射 的电磁辐射的主频率的第二谐波的同相和正交输出，以及提供从所述三个或更多位置中的 每一个到传感器标签的距离。在一个实例中，收发器被并入到读取器中，其包括三个或更多 天线中的一个或多个天线。
[0030] 在一个非限制性的实施例中，本公开提供一种使用谐波RFID标签在室内环境中 进行定位的系统和方法，其通过测量多个频率的连续波（CW)相位信息因而具有毫米级的 精确度。通过使用非线性传输线（NLTL)，可以在反向散射期间被动地生成第二谐波（SH)， 比其他方案（例如使用分立二极管）具有更高效率。从SH获得相位信息，解决了在传统反 向散射RFID标签中由发射和反射信号引起的多径干扰，这样的多径干扰往往限制了室内 应用。N