專利名稱：可變頻率標簽的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可變頻率標簽。另外，本發明涉及一種詢問根據本發明的一個或多個標簽的方法。此外，本發明也涉及一種包括根據本發明的一個或多個標簽并且根據前述方法操作的標簽系統。
標簽能夠接收詢問輻射并且發出相應的響應輻射的標簽是已經公知的。這種標簽的尺寸常常只有幾毫米到幾厘米且設計成附著于產品上或是便于人們攜帶。另外，這種標簽常常包括有源電子電路，例如一個或多個放大器、微處理器和簡單的邏輯電路。這些電子電路需要一個供電電位差來進行操作。所述供電電位可由結合于標簽中的電源來提供，例如一個或多個鈕扣電池。或者，所述電位可以從標簽處接收的輻射中產生。
從所接收的輻射中產生供電電位導致了標簽距相關標簽詢問設備的工作范圍相對有限，通常約為幾米的距離。尤其是當所述設備在人們可能受到輻射影響的環境中在微波頻率上工作時，經常存在對這種詢問設備發出的輻射電場強度施加的限制。這種環境中的微波輻射被定義為頻率在500MHz到90GHz范圍內的電磁輻射。
發明人明白，使用不依賴于本地電源的標簽可獲得相當大的好處。由此可以延長標簽的操作壽命，簡化并進一步縮小標簽的結構，以及降低標簽的生產成本。這種好處在采用標簽來標注大量低成本產品的情況中很重要，那些產品要長期存儲，例如存儲倒到期，然后在該時期結束時通過遠程詢問所述標簽而分別加以識別。
發明人同樣明白，用于詢問標簽的詢問設備必須能夠在幾個標簽同時響應詢問的情況下解決多標簽沖突。傳統的存儲區可以容納成千上萬個產品，因此如果采用標簽來標注這些產品，那么沖突問題可能較復雜。
因而，發明人明白，傳統的標簽至少存在一個相關問題，即
(a)同時詢問多個標簽時的沖突問題；(b)通過標簽處接收到的輻射為標簽供電時工作范圍有限的問題；以及(c)通過本地電源向標簽供電時標簽壽命有限的問題。
為了解決上述的一個或多個問題，發明人設計了一種根據本發明的新型標簽。
根據本發明的第一方面，提供一種可變頻率標簽，包括(a)接口裝置，用于在標簽處接收詢問輻射且產生相應的接收信號，以及用于接收簽名信號且輻射相應的響應輻射；(b)處理裝置，用于接收所述接收信號且響應其而輸出所述簽名信號，所述簽名信號包括用于識別該標簽的簽名代碼；(c)定時裝置，用于控制簽名代碼輸出的速率；以及(d)供電裝置，用于提供用來激勵標簽的電位差，其特征在于所述定時裝置可操作用于以由接收信號的幅值決定的速率來輸出所述簽名代碼。
所述標簽具備能夠解決一個或多個上述問題的優點，即(a)解決在同時詢問多個標簽時的沖突問題；(b)擴大了當通過標簽處接收到的輻射向標簽供電時的工作范圍；以及(c)延長了由本地電源供電時標簽的壽命。
簽名代碼的輸出速率定義為以下一種或幾種(a)簽名代碼本身重復輸出的頻率；以及(b)每次輸出簽名代碼時輸出包含簽名代碼的數據位的速率。
簽名代碼將被解釋為任一類型的代碼，模擬的或數字的或者二者兼有的，通過該代碼識別所述標簽。
最好是，為了回避讓標簽包括其自己的本地電源的需要或使其在較小程度上使用其本地電源，使供電裝置與接口裝置耦合，所述供電裝置可操作以從所述接收信號獲得電位差。因而，可由該處接收的輻射為標簽供電，或是由該處接收的輻射來決定其操作。
接收信號可能常常不具有足夠的電壓幅值以便整流而操作電子電路。因而，供電裝置最好包括一個變壓器，其用于增高施加于定時裝置和處理裝置的電位差。更可取的是，所述變壓器為壓電變壓器，因為這種變壓器可以制造得小巧且可在其連接端口處提供適當的阻抗以操作標簽。
為了獲得有益的電壓幅值提高以操作標簽中的半導體裝置，所述變壓器最好包括一個安排由接收信號來驅動的多層初級區，以及一個產生所述電位差的單層次級區，所述初級及次級區以機械方式耦合。
發明人明白，當利用該處接收的相對強的輻射來操作時，過大的供電電壓可能會損壞標簽。為了解決這種可能的損壞，供電裝置最好是包括電位差限制裝置，以防止過大的供電電位破壞處理裝置和定時裝置。
實際上，特別希望采用無線電輻射來詢問標簽。因而，較方便的是接口裝置包括一個天線裝置，其可操作以通過調整取決于標簽功耗的天線裝置反射系數而從所接收的輻射中產生響應輻射。例如，所述天線裝置有利地包括一個折疊偶極天線。
為了協助解決沖突以及擴大標簽工作范圍，尤其可取的是定時裝置可操作以便以一種隨電位差升高而提高的速率為處理裝置定時。在許多類型的電子電路中，例如互補型金屬氧化物半導體(CMOS)電路中，功耗隨著定時速率而增大。因而，通過對相對較低的電位差降低定時速率，在較大操作距離處接收信號相對弱的情況下，有利地降低了標簽的功耗。
在某些標簽詢問系統中，最好采用標準化的頻率。為了符合這種標準化的頻率，最好所述定時裝置可操作，以響應所述電位差的升高而逐步提高為處理裝置定時的速率。最好是，所述定時裝置包括數字分頻裝置，用于將主時鐘信號分頻以產生用于為所述處理裝置定時的時鐘信號，所述主時鐘信號源于接收信號；采用所接收的輻射來定義主時鐘信號具有這樣的好處，即在該頻率上工作的標簽可以同步地鏈接到詢問該標簽的詢問設備。
或者，定時裝置最好是包括數字分頻裝置，用于將振蕩裝置產生的主時鐘信號分頻，在操作中所述主時鐘信號基本上恒定。
在本發明的一個實施例中，希望所述定時裝置響應所述電位差的升高，而可操作地基本上按對數方式提高為所述處理裝置定時的速率。或者，尤其在預計標簽操作距離較遠的情況下，希望所述定時裝置響應所述電位差的升高，而可操作地基本上按對數方式提高為處理裝置定時的速率。
低成本是標簽的一個重要屬性。發明人明白，通過將多個串聯的邏輯門與其周圍的反饋連接在一起，可以簡單廉價的方式實現所述定時裝置，以產生為處理裝置定時的時鐘信號，所述邏輯門具有作為所述電位差的函數的信號傳播，由此使時鐘信號頻率依賴于所述電位差。已經發現，最好是讓振蕩器包括一個用于產生時鐘信號的帶反饋的三邏輯門環。
在設計標簽時，發明人發現，最好是讓所述處理裝置占用操作標簽所需功率的大部分；這種功耗由定時速率決定且可用于為標簽提供擴大的范圍。更可取的是，處理裝置包括用于產生簽名代碼的CMOS邏輯電路，該邏輯電路隨其時鐘頻率升高而可操作地在操作中消耗更大的功率。
當多個標簽同時進行響應時會產生沖突。為了給每個標簽一個提供不間斷響應的機會，處理裝置最好是可操作以便重復輸出之間有暫停間隔的簽名代碼，在所述暫停間隔期間不輸出所述代碼。
發明人明白還存在其他解決沖突的辦法。因此，最好處理裝置可以接收所述接收信號中的一個或多個同步脈沖，并且可以切換到一個暫時等待狀態，在該暫時等待狀態中，當標簽輸出其簽名代碼之后一個或多個同步脈沖沒有對準同步時間窗口時，處理裝置不輸出其簽名代碼。利用這種脈沖及相關的時間窗口，可以使正在競爭的標簽暫時停用，以允許從每個標簽分別接收不間斷的響應。
在本發明的第二方面中，提供了一種用于詢問根據本發明第一方面的一個或多個標簽的詢問設備，所述設備的特征在于它包括(a)信號發生裝置，用于產生詢問信號；(b)詢問接口裝置，用于輻射所述詢問信號以作為對一個或多個標簽的詢問輻射，以及用于從所述一個或多個標簽接收響應輻射并產生相應的響應信號；以及(c)信號處理裝置，用于過濾所述響應信號，并由此分離出來自所述一個或多個標簽中的每個標簽的信號譜分量，以及從所述信號譜分量中提取簽名代碼以識別所述一個或多個標簽。
由于根據本發明第一方面的標簽具有可變頻率性質，因此所述設備利用這種性質來解決同時進行響應的多個標簽之間的沖突。
當操作所述一個或多個標簽，使得其時鐘頻率由接收信號的幅值來決定時，輸出簽名代碼的速率由接收信號的幅值決定，并因此由標簽距詢問設備的距離決定。因而，通過使所述多個標簽在空間上相對于所述設備移動，所述設備可接收到對應各標簽的各種時鐘頻率，且這些時鐘頻率可用于解決多個標簽的沖突。因而，最好是所述設備包括標簽傳送裝置，用于在操作中在空間上相對于所述詢問接口裝置傳送所述一個或多個標簽，所述信號處理裝置可操作，以便每隔一段時間重復采樣響應信號以解決多個標簽的沖突。
作為在空間上移動所述一個或多個標簽的替代方案，可以在空間上使所述設備本身重定位。這種重定位可通過使所述詢問接口裝置包括在空間上相對于所述一個或多個標簽設置的用于輻射詢問輻射的多個天線而方便地實現，所述信號處理裝置可操作，以便順次切換所述天線而從不同距離處詢問所述一個或多個標簽，以及在所述設備處為解決多個標簽的沖突而處理相應的響應信號。
在本發明的第三方面，提供了一種標簽系統，其包括一個或多個根據本發明第一方面的標簽和根據本發明第二方面的用于詢問和識別所述一個或多個標簽的詢問設備。
在本發明的第四方面，提供了一種利用詢問設備詢問可變頻率標簽的方法，所述方法的特征在于它包括以下步驟(a)從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在所述標簽處接收詢問輻射并產生相應的接收信號；(c)在所述標簽的處理裝置處接收該接收信號；
(d)響應在該處接收到該接收信號而從處理裝置輸出簽名信號，該簽名信號包含用于識別所述標簽的簽名代碼，該簽名代碼以取決于激勵所述標簽的供電電位差的速率輸出；(e)從所述標簽輻射所述簽名信號以作為響應輻射；(f)在該設備接收來自所述標簽的響應輻射并在該處產生相應的詢問接收信號；(g)在所述設備中過濾所述詢問接收信號以分離出對應于所述標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取所述標簽的簽名代碼，然后使所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關以識別所述標簽。
在所述方法中，供電電位差最好來源于接收信號，以便回避在標簽中包含本地電源的需要。更可取的是，通過利用壓電升壓變壓器來提高所述供電電位差以使標簽具有更大的工作范圍。
在本發明的第五方面，提供一種解決被詢問設備詢問的多個可變頻率標簽之間的沖突的方法，所述方法的特征在于它包括以下步驟(a)從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在每個標簽處接收該詢問輻射并產生相應的接收信號；(c)在每個標簽的處理裝置處接收該標簽處的所述接收信號；(d)響應于在每個標簽的處理裝置處接收到該接收信號而從每個標簽的處理裝置中輸出簽名信號，該簽名信號包含用于識別該標簽的相關簽名代碼，該簽名代碼以取決于激勵該標簽的供電電位差的速率輸出，所述供電電位差源自于該標簽的接收信號，所述簽名代碼重復輸出，其間有暫停，在暫停期間所述代碼不輸出；(e)從每個標簽輻射該標簽的簽名信號以作為響應輻射；(f)在所述設備處接收來自該標簽的響應輻射并在該處產生相應的詢問接收信號；(g)在所述設備上過濾所述詢問接收信號以分離出相應于所述標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取所述標簽的簽名代碼，然后使所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關聯以識別所述標簽；以及
(b)存在有關一個或多個所述分量的沖突，則重復步驟(a)到(g)直到沖突解決為止。
在本發明的第六方面，提供一種解決被詢問設備詢問的多個可變頻率標簽之間的沖突的方法，所述方法的特征在于它包括以下步驟(a)從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在每個標簽處接收該詢問輻射并產生相應的接收信號；(c)在每個標簽的處理裝置處接收該標簽處的所述接收信號；(d)響應在該處接收到所述接收信號而從每個標簽的處理裝置中輸出簽名信號，該簽名信號包含用于識別該標簽的相關簽名代碼，以取決于激勵標簽的供電電位差的一個速率而輸出該簽名代碼，所述供電電位差源自于標簽的接收信號中，在重復輸出簽名代碼期間具有暫停，在該暫停期間不輸出代碼；(e)從每個標簽輻射該標簽的簽名信號以作為響應輻射；(f)在所述設備處從標簽中接收該響應輻射并在此產生一個相應的詢問接收信號；(g)在所述設備中過濾所述詢問接收信號以分離出相應于該標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取標簽的簽名代碼，然后使所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關聯以識別所述標簽；以及(h)如果對于一個或多個所述分量存在著沖突，重復步驟(a)到(g)直到解決沖突為止。
在本發明的第七方面，提供一種解決詢問設備中所詢問的多個可變頻率標簽之間沖突的方法，所述方法的特征在于它包括以下步驟(a)標簽從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在每個標簽處接收詢問輻射并產生相應的接收信號；(c)在每個標簽的處理裝置處接收該標簽處的所述接收信號；(d)在每個標簽處識別存在于接收信號中的一個或多個脈沖，響應在該處接收到所述接收信號，取決于所述一個或多個脈沖是否與與標簽相關的時間窗口相重合而從該標簽的處理裝置中輸出相關簽名信號，該簽名信號包含用于識別該標簽的相關簽名代碼，該簽名代碼以取決于激勵該標簽的供電電位差的速率輸出，所述供電電位差源自于該標簽的接收信號；(e)從一個或多個所述標簽輻射所述簽名信號以作為響應輻射；(f)在所述設備處接收來自所述一個或多個標簽的響應輻射并在該處產生相應的詢問接收信號；(g)在所述設備上過濾所述詢問接收信號以分離出相應于所述一個或多個標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取所述一個或多個標簽的簽名代碼，然后使所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關聯以識別所述標簽；以及(h)如果存在有關一個或多個所述分量的沖突，則在所述詢問輻射中輸出所述一個或多個脈沖以暫時禁止一個或多個所述標簽響應，并重復步驟(a)到(g)直到解決沖突為止。
最好是，每個標簽的時間窗口在時間上取決于為該標簽的處理裝置定時的定時速率，而該定時速率取決于該標簽的供電電位差。所述方法的優點在于，詢問設備可以分別控制一個或多個標簽。
現在參考以下附圖，通過純示例方式來描述本發明的實施例，附圖中
圖1是根據本發明的可變頻率標簽的基本部件的示意方框圖；圖2是一個說明圖1所示標簽的第一實際實現方案的電路圖，其采用直接供電電位負載；圖3是一個說明圖2所示標簽的第一替換實現方案的電路圖，其采用直接標簽輸入負載；圖4是一個說明圖2所示標簽的第二替換實現方案的電路圖，其采用振蕩器頻率調制負載；圖5是一個說明圖2所示標簽的第三替換實現方案的電路圖，其采用用于提供反射輻射的輔助負載-調制天線；圖6是一個說明圖2所示標簽的第四替換實現方案的電路圖，其采用雙振蕩器；
圖7顯示了根據本發明的詢問設備，其可用于詢問圖2、3、4、5、6中所示類型的多個標簽；圖8是說明圖7所示設備接收的輻射頻譜響應的圖示；圖9是圖7所示詢問設備的修改形式，該修改形式包括多個發射天線，用于解決同時詢問如圖1到6所示多個標簽時的沖突問題；圖10是圖2所示標簽的修改形式的電路圖，其包括一個壓電變壓器，用于在通過該處接收的輻射進行供電時為標簽提供擴大的工作范圍；圖11是圖10所示標簽的修改形式的電路圖，其包括對標簽輸入的直接負載調制；以及圖12是一種替代詢問設備的示意圖，其包括正交設置的雙環形天線，該設備詢問如圖2所示的標簽，該標簽配有適于接收來自所述替換詢問設備的輻射的環形天線。
參考圖1，圖中顯示了根據本發明的可變頻率標簽的基本部件；該標簽一般地用10表示。標簽10包括多個互連的部件，即天線裝置12、阻抗匹配網絡14、二極管檢波裝置16、壓控振蕩器18和邏輯單元20。邏輯單元20可以實現成一個狀態機，例如利用ROM和相關邏輯門；或者，邏輯單元20可采用微控制器裝置來實現。邏輯單元20包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)裝置，其電流消耗隨時鐘頻率升高而增大。
現在描述標簽10各部件的互連。
天線裝置12經由匹配網絡14耦合到二極管檢波裝置16的第一端口。檢波裝置16包括連接到壓控振蕩器18電源輸入端和邏輯單元20電源輸入端的第二端口。振蕩器18的時鐘信號CLK輸出端耦合到邏輯單元20的時鐘輸入端。
現在描述標簽10的操作。
標簽10在天線裝置12處接收詢問輻射22并產生相應的接收信號S1。詢問輻射22可以是例如具有約2.5GHz的載波頻率的微波輻射，即在500MHz到90GHz的范圍內。或者，輻射22可以是具有約13.56MHz的載波頻率的高頻輻射，即在5MHz到100MHz的范圍內。作為進一步的替換，輻射22可以是具有約125kHz的載波頻率的低頻輻射，即在20kHz到500kHz的范圍內，在此范圍中存在明顯的電感耦合效應。
信號S1經網絡14傳遞到二極管裝置16，在該處進行整流以提供基本上單極但卻波動的電位差P，電位差P施加到壓控振蕩器18和邏輯單元20上。振蕩器18產生時鐘信號CLK，其頻率F是電位差P的函數；頻率F隨電位差P升高而提高。最好是，頻率F與電位差P基本上線性相關，例如在20％的線性偏差內。或者，可以使頻率F相對于電位差P的變化以非線性方式變化，例如基本上以對數方式變化。邏輯單元20由時鐘信號CLK提供定時，并且設計成向二極管裝置16提供可變功率負載，例如通過耦合到二極管裝置16第二端口的邏輯單元20的輸入/輸出端，由此調制電位差P。邏輯單元20用于以取決于編程到單元20中的簽名代碼的時變方式調制差異P，所述簽名代碼唯一地將所述標簽與其他類似的標簽區分開。邏輯單元20調制電位差P的速率由時鐘信號CLK的頻率決定。另外，如以上所述，邏輯單元20的功耗隨時鐘信號CLK頻率的升高而增大，該功耗占標簽10內功耗的主要部分。因而，當標簽10在距標簽詢問設備較遠距離處工作時，振蕩器18以較低頻率輸出時鐘信號CLK，于是邏輯單元20消耗較少的電力。反之，當標簽10在距詢問設備較近距離處工作時，振蕩器18以較高頻率輸出時鐘信號CLK，于是邏輯單元20消耗較多電力；標簽10因此能夠較快地回應詢問設備。因而，通過當標簽10在距標簽詢問設備較遠距離處工作時故意降低時鐘信號CLK的頻率，便可使標簽10具有比傳統標簽擴大的工作范圍，傳統標簽的工作時鐘脈沖頻率基本上恒定，與距相關詢問設備的距離無關。詢問設備檢測標簽10處接收到的詢問輻射，該詢問輻射從該標簽處反射而被詢問設備回收；所反射的輻射量的時間變化主要由邏輯單元20消耗的瞬時功率決定。
發明人明白，標簽10的設計非常重要，必須將若干設計方面納入考慮，即(a)二極管裝置16在其第一端口上表現為一個輸入阻抗，該輸入阻抗是二極管裝置16視頻電阻的函數，而該視頻電阻是第二端口上傳遞的輸出電流的函數；(b)由于裝置16表現為一個有限的輸出電阻，因而二極管裝置16第二端口處提供的電位差P是該第二端口上傳遞的輸出電流的函數；以及(c)邏輯單元20通過其CMOS型結構，表現出基本上為電位差P的平方的函數，且在給定電位差P上與信號CLK的頻率以及基本上恒定的標簽10電路電容C線性相關或對數相關。
因此，標簽10的功耗Q可以確定為等式1(Eq.1)的第一階Q=kF(12CP2)]]>等式1其中k＝比例常數；以及F＝f(P)，其中f是函數，例如基本上線性或對數性的函數。
可以理解，如上述函數f所定義，電位差P和信號CLK的頻率之間的幾種關系可能取決于壓控振蕩器18的設計。
以可變時鐘頻率來操作標簽10具有若干優點，即(a)標簽10的空間工作范圍可擴大而同時仍然響應相關詢問設備；以及(b)標簽10提供隨工作距離頻移的響應，這在同時詢問若干設計類似于標簽10的時有助于解決沖突問題。
現在參考圖2進一步詳細描述圖1所示標簽10的各部分。
天線裝置12包括一個折疊偶極天線，用于接收輻射22并在裝置12的第一和第二端子之間產生信號S1。阻抗匹配網絡14由隔直流電容器24來實現。二極管檢波裝置16由雙零偏置肖特基二極管檢波器26實現，其包括一對串聯的肖特基二極管和一個旁路電容器28。另外，邏輯單元20以總部設在美國的Microchip Technology公司生產的型號為PIC12C509ESA的CMOS微控制器的形式實現。
壓控振蕩器18實現為一個“三環”振蕩器，其包括分別連接在所示反饋環結構中的一系列第一、第二和第三反向邏輯門30a、30b、30c。另外，振蕩器18最好采用標準的專用74HC04 CMOS器件來實現。此外，“三環”振蕩器在由其反向邏輯門傳播延遲決定的頻率上振蕩，所述傳播延遲主要取決于由二極管裝置16產生的電位差P。
現在參考圖2來描述標簽10各部分的互連。
天線裝置12的第一端子連接到隔直流電容器24的第一電極。電容器24的第二電極如圖所示耦合到雙肖特基檢波器26的中間陽極-陰極端。檢波器26的陰極連接到旁路電容器28的第一電極、微控制器的輸入/輸出(I/O)端和正極供電VDD端、以及所述74HC04器件的正極供電VDD端。檢波器26的陽極耦合到天線裝置12的第二端、旁路電容器28的第二電極以及微控制器和74HC04裝置的接地VSS端。74HC04器件包括輸出時鐘信號CLK的第三端，第三端子耦合到微控制器的微控制器時鐘輸入端。
現在參考圖2描述標簽10的操作。
詢問設備(圖2中未顯示)發出向標簽10傳播的詢問輻射22，此輻射由標簽10的天線裝置12接收。該裝置12將接收的輻射22轉換成信號S1，信號S1通過隔直流電容器24耦合到雙肖特基檢波器26，雙肖特基檢波器26將信號S1整流以在旁路電容器28上產生單極電位，即電位差P。電位差P為74HC04器件供電，該器件進行振蕩并將時鐘信號CLK輸出到微控制器。電位差P也為微控制器供電而使其工作。
微控制器預先用對標簽10唯一的簽名代碼編程。微控制器以受所述簽名代碼控制的周期性方式切換其輸入/輸出端I/O，以旁路電容器28上表現為一個時變負載。該負載的變化又影響雙肖特基檢波器26通過隔直流電容器24向天線裝置12呈現的阻抗，并由此影響由天線裝置12反射回詢問設備的一部分輻射22。詢問設備可接收返回到該處的輻射，將該反射的輻射轉換成一個信號，該信號隨后經處理以產生暫時性波動并由此得到標簽10預編程的簽名代碼。該詢問設備因此能夠從標簽10的簽名代碼確定標簽10的存在及其特定的身份。
應當理解的是，在不脫離本發明范圍的情況下，可以修改圖2所示的標簽10。例如，最好利用一個專用集成電路(ASIC)來實現雙肖特基檢波器26、74HC04器件和微控制器；這種方法限制了裝配制造標簽10所需的部件數量，由此降低其生產成本。另外，最好是采用蝕刻或印刷金屬薄膜導體廉價地實現天線裝置12。
可以將標簽10封裝以保護它并使其它與周圍環境隔離。這種封裝在例如將標簽10用于干洗行業中標注衣物時很重要。在這些行業中，衣物易受高溫和大量有機溶劑中的一項或多項的影響；為了在清洗之后將衣物歸還給相應客戶，必須將這些衣物加以唯一的標識。微控制器最好包括非易失性存儲器，例如E2PROM，以便可以用唯一的簽名代碼對其編程；這使得可以大量生產標簽10，然后在生產后加以定制。
應當明白的是，可對標簽10加以修改以使其包括本地電源，例如一個鋰鈕扣電池。修改的標簽會保持如下特性其壓控振蕩器18以取決于由上述鈕扣電池提供的供電電位的頻率來輸出時鐘信號CLK。由此可以通過在電池即將用盡時，即其內阻趨向于增大時降低電池的功耗，從而延長該修改標簽的工作壽命。
同樣應當明白的是，該微控制器可以具有一個或多個附加的傳感器，以檢測標簽10的周圍環境。例如，這種傳感器可以是一個或多個溫度傳感器、氣敏傳感器和生物傳感器，以便標簽10可用于遠程監測采用標簽來加以唯一標識的產品的狀態或老化。在這方面，標簽10可有益地用于釀造和食品加工行業。另外，在傳感器指示磨損的情況下，標簽10可用于用信號通知與之相關聯的部分何時已磨損且需要，例如在汽車應用中。
在圖3中，50表示標簽10的第一替換形式。第一替換標簽50與標簽10相似，不同之處在于輸入/輸出(I/O)端經由負載電阻52連接到電容24的第二電極。操作中，微控制器利用輸入/輸出(I/O)端來調制在負載電阻52上形成的電壓，并由此通過電容24將負載調制施加到天線12上。通過施加這種負載調制，相應地調制了一部分從標簽50反射的輻射22。
第一替換標簽50具有這樣的優點，即其可以比標簽10中的可能頻率更高的頻率對輻射22進行負載調制。允許更高的調制頻率是因為第一替換標簽50中的微控制器不需要改變其由電容28緩沖的電位差P。因而，第一替換標簽50能夠以比標簽10高的數據率來響應詢問輻射22。
在圖4中，60表示標簽10的第二替換形式。第二替換標簽60與標簽10相似，不同之處在于振蕩器18還包括第一電阻62、第二電阻64、隔直流電容器66和變容二極管68。第一、第二和第三邏輯非門30a、30b、30c分別串聯連接，從第一邏輯門30a開始，以第三邏輯門30c結束。第三邏輯門30c的輸出端連接到微控制器的時鐘輸入端，并經由第一電阻62連接到第一邏輯門30a的輸入端，并且還經由電容66連接到變容二極管68的陰極。所述陰極經過第二電阻64耦合到微控制器的輸入/輸出(I/O)端。
操作中，第二替換標簽60在其天線裝置12處接收輻射22并產生相應的接收信號S1。信號S1經過電容24耦合到檢波裝置16，該檢波裝置16對信號S1進行整流以產生電位差P。電位差P激勵振蕩器18以及微控制器。振蕩器18產生為微控制器定時的時鐘信號CLK。微控制器在其輸入/輸出(I/O)端周期性地輸出其簽名代碼，其調制變容二極管68表現出的電容并因此調制振蕩器18的振蕩頻率。主要產生于微控制器內的標簽60的功耗會隨振蕩器振蕩頻率變化，將由簽名代碼調制的不定負載提供給檢波裝置16，其依次調制從標簽60處反射的一部分輻射22。
在圖5中，80表示標簽10的第三替換形式。第三替換標簽80與標簽10相同，除了它還包括一個輔助偶極天線82，該輔助偶極天線82包括經由pin二極管86相互耦合的第一和第二偶極片84a、84b。第二偶極片84b連接到二極管86的陰極，并且還連接到天線裝置12的第二端子。第一偶極片84a耦合到pin二極管86的陽極，并且還經由偏置電阻88耦合到微控制器的輸入/輸出(I/O)端。
第三替換標簽80以與標簽10相同的方式進行操作，除了微控制器可操作以調節流經pin二極管86的電流并由此調節其動態電阻率，從而調節由輔助天線82接收的反射回來的一部分輻射22。
應當明白的是，可以通過將pin二極管86替換為砷化鎵場效應晶體管(GaAs-FET)來進一步修改第三替換標簽80，所述場效應晶體管充當負阻并由此從輔助天線82提供程度增強的反射輻射。另外，可將天線裝置12和輔助天線82分別調諧到不同的輻射頻率，以便在通過包含第一和第二輻射分量的輻射詢問替換標簽80時，第一分量有效地經天線裝置12耦合并激勵標簽80，而第二分量有效地耦合到輔助天線82中并在其中進行負載調制。第三標簽80還具有這樣的優點，即可以比標簽10更快地調制標簽80的反射輻射。
第三標簽80可以通過包括一個聲表面波(SAW)振蕩器來進一步加以修改，所述SAW振蕩器包含一個SAW諧振器以及相關的增益元件如晶體管。在這種進一步修改的標簽中，SAW振蕩器可由電位差P激勵并由微控制器進行選通控制，以一種傳送簽名代碼的方式，以相對低的占空比，例如0.5～5％的時間來振蕩，由此產生一個用于發射的信號作為來自輔助天線82的反射輻射。這種進一步修改的標簽具有這樣的優點，即其以與激勵該進一步修改的標簽的輻射22的頻率不同的頻率進行響應。
還可以進一步修改第三標簽80，使微控制器包含一個E2PROM，例如用于提供非易失性存儲器來存儲標簽的簽名代碼。所述微控制器用于有意地使振蕩器18減速，以允許在執行能耗大的功能，例如以新的簽名代碼對該E2PROM重新編程之前形成更大的電位差P。
在圖6中，100表示標簽10的第四替換形式。第四替換標簽100與標簽10相同，除了它還包含一個耦合到微控制器時鐘輸入端的邏輯振蕩器102。另外，振蕩器18耦合到微控制器的選通輸入端。此外，如上所述，微控制器的輸入/輸出(I/O)端經由負載電阻104耦合到檢波裝置16，以便對其進行負載調制。
操作中，第四標簽100接收輻射22，輻射22經由天線裝置12、電容器24和檢波裝置16耦合以產生電位差P。電位P激勵振蕩器18、102以及微控制器。邏輯振蕩器102設計成不管電位P如何波動，均以基本上恒定的頻率振蕩，并因此以基本上恒定的速率為所述控制器定時。與此相反，振蕩器18以高度依賴于電位P的頻率進行振蕩，例如基本上以線性或對數方式進行振蕩。邏輯振蕩器102確保所述微控制器在穩定的頻率上工作并因此以可預測的速率輸出其簽名代碼。微控制器采用其從振蕩器18接收的時鐘信號來確定以怎樣的頻率重復所述簽名代碼。第四標簽100具有這樣的優點，即簽名代碼以可預測的速率輸出，由此使詢問第四標簽100的設備上的信號處理操作容易。由于標簽代碼重復頻率取決于電位差P以及第四標簽100在輸出其簽名代碼之間花費其例如90％或更多的大部分有效時間空轉，沖突因此得以回避，因為并發操作的多個第四標簽100將異步輸出其簽名代碼；將會出現這樣的時候多個標簽中只有一個輸出其簽名代碼，它因此可被詢問所述多個第四標簽的詢問設備無歧義地識別出。
實際上，在專門改造的生產機械中可以大量地例如成百萬地生產根據標簽10、50、60、80、100的設計的標簽。使用時，許多這種標簽經常會同時處于前述詢問設備的工作范圍之內。詢問設備的一個重要方面在于，其可以在試圖同時詢問多個標簽時解決標簽之間的沖突。解決這種沖突是任何商用標簽系統的一個重要且實用的方面。
接著參考圖7，圖7顯示了根據本發明的一種詢問設備，其可用于詢問設計與圖1和2所示標簽10類似的多個標簽10a、10b；該詢問設備一般地由200表示且顯示為包括在虛線框210中。詢問設備200包括射頻振蕩器220、功率放大器230、發送器天線240、接收器天線250、接收器放大器260、單邊帶混頻器270、以及包含數字信號處理器和數字過濾器的基帶接收器280。
現在描述詢問設備200內的互連。
振蕩器220包括射頻信號SRF輸出，信號SRF與標簽10可響應的射頻范圍相匹配。信號SRF輸出耦合到功率放大器230的信號輸入端和混頻器270的第一輸入端口。功率放大器230的輸出耦合到發送器天線240。同樣，接收器天線250連接到接收器放大器260的輸入端口。接收器260的輸出端耦合到混頻器270的第二輸入端口。混頻器270的輸出端口連接到基帶接收器280的信號輸入端。
現在參考圖7描述詢問標簽10a、10b的設備200的操作。標簽10a、10b空間上分布在與發送器天線240分別相距L1、L2處。
振蕩器220產生信號SRF。信號SRF傳播到放大器230以及混頻器270的第一端口。放大器230將所述信號SRF放大以產生相應的放大信號ASRF，放大信號ASRF傳送到發送器天線240，在該處作為輻射70向標簽10a、10b輻射。該輻射傳播到標簽10a、10b以產生接收信號S1，在標簽10a、10b中對信號S1整流以產生相應的供電電位差P。標簽10a、10b如以上所述那樣運行，標簽10a、10b具有其相關的分別工作在時鐘頻率F1和F2上的壓控振蕩器50。在圖7中，距離L1比距離L2短，這導致頻率F1大于頻率F2。換句話說，以比標簽10b大的速率為標簽10a定時，因為標簽10a比標簽10b更接近發送器天線240。
標簽10a、10b分別調制其相應的輻射反射系數以提供反射輻射300、310。所述輻射300、310分別從標簽10a、10b傳播到接收器天線250，在該處將輻射300、310轉換成相應的接收信號STF。信號STF傳播到接收器放大器260，在其中加以放大以產生相應的放大信號ASTF，放大信號ASTF傳送到混頻器270的第二輸入端口。然后混頻器270將信號ASTF、SRF混頻即將其相乘以產生積分量，即產生基帶信號SBB，基帶信號SBB隨后傳播到基帶接收器280以接受稍后描述的其它信號處理。
現在參考圖8，其中顯示了說明信號SBB的頻譜響應的圖形。該圖形包括表示從左至右遞增的頻率的橫坐標軸400，以及表示從下到上遞增的信號幅值的縱標軸410。信號SBB包括源于標簽10b的第一邊帶分量420以及源于標簽10a的第二邊帶分量430。由于標簽10b距離發送器天線240比標簽10a更遠，所以在頻譜響應中，第一邊帶分量420位于比分量430相對低的頻率上。
分量420、430分別包括有關標簽10b、10a的簽名代碼的信息；另外，分量420、430可以包括來自標簽10b、10a的附加信息，例如來自連接到標簽10b、10a或結合到其中的傳感器的傳感器測量值。接收器280使用頻率選擇性數字濾波器分離出分量420、430，然后從中提取簽名代碼。這種濾波和提取技術在電子電路設計技術中是已知的。
標簽10a、10b可設計成以曼徹斯特二相編碼數據的形式調制其相應的輻射反射系數；當采用曼徹斯特二相技術對數據編碼時，將數據和時鐘信號異“或”以產生相應的曼徹斯特二相編碼數據。可采用的替代調制形式包括FM0和FM1格式，FM0和FM1是無線電通信系統技術領域中眾所周知的。
當從設備200同時詢問設計上類似于標簽10的許多標簽時，在兩個或兩個以上標簽與發送器天線240等距離的情況下可能產生不確定的沖突。當發生這種沖突時，由接收器280處理的來自標簽的譜分量將會重疊在一起而無法理解。本發明人理解，存在可據以操作設備200和標簽10a、10b以解決所述沖突的多種方法。
在第一種方法中，標簽10a、10b經過設計，使得其相應的微控制器不會連續地調制從其標簽反射的輻射，而是僅在這些標簽被詢問期間的一小段時間內對該輻射進行調制。由于實際上標簽10a、10b的時鐘頻率會稍有不同，它們將異步運行以便在某些時刻交替調制所述反射輻射。接收器280會將這種交替看作頻譜響應中簽名代碼交替的一個分量。可對接收器280中的處理器進行編程以識別簽名代碼的這種交替并將其解釋為表示存在不止一個與發送器天線240等距離的響應標簽。
在第二種方法中，圖7所示的設備200修改成圖9所示的替換詢問設備；該替換設備一般地用500表示。設備500包括三個發送器天線裝置TX1、TX2、TX3，它們分別連接到轉換開關520的開關接線端a、b、c。轉換開關520的滑動端d連接到功率放大器230的輸出端。基帶接收器280也修改為提供天線選擇信號SANT，該天線選擇信號SANT耦合到轉換開關520，在開關520處用于控制滑動端d到前述三個開關接線端a、b、c中首選的一個端子上。
替換設備500另外包括一個可移動的傳送帶510，產品及其相關附加標簽10a、10b在該傳送帶上相對于天線裝置TX1、TX2、TX3傳送。圖9中用Lij表示與天線裝置TX1、TX2、TX3的距離，其中下標i表示天線裝置，下標j表示標簽本身。
操作中，設備500順次使用天線裝置TX1、TX2、TX3來詢問標簽10a、10b。通過控制轉換開關520的SANT信號分別依次選擇裝置TX1、TX2、TX3；例如，當SANT信號將轉換開關520設為將其滑動端d連接到端子a時，選擇裝置TX1。由圖9可見，當天線裝置TX1、TX2、TX3基本上共線排列時，每個標簽10a、10b不可能與這些天線裝置等距離。由于距離不等，因此當基帶接收器280依次選通天線裝置TX1、TX2、TX3時，圖8所示的來自標簽10a、10b的外差反射分量沿橫坐標軸400移動。因而，如果對于天線裝置之一發生了分量420、430頻率重迭，則在采用另一個天線裝置時可解決這些分量頻率重疊的問題。因而，在由于兩個或兩個以上標簽與一個或多個天線裝置等距離而發生沖突的情況下，基帶接收器280能夠為信號處理目的分離外差分量。
如果需要，設備500可以進一步加以修改，以便其利用一個或多個天線裝置TX1、TX2、TX3，在標簽10a、10b沿傳送帶510移動時每隔一段時間監測標簽10a、10b；隨著標簽10a、10b向前移動，它們與一個或多個天線裝置TX1、TX2、TX3的相對距離隨之變化，從而使分量420、430沿橫坐標軸400移動。由于這種運動，某一瞬時標簽10a、10b之間的沖突可在標簽10a、10b沿傳送帶510移動時的另一瞬時解決。
在解決沖突的第三種方法中，對設備200、500以及標簽10a、10b的微控制器進行了修改。設備200、500經過修改，使得每個設備中包括從其相應基帶接收器280到其射頻振蕩器220的連接，以便每隔一段時間將同步脈沖插入信號SRF中。標簽10a、10b中的微控制器也經過修改，以便它們在操作中監視其上施加的電位差P，以檢測上述同步脈沖的存在。如果一個或多個標簽10a、10b在輸出其簽名代碼以調制其電位差P之后，未在檢測時間窗口內重復檢測到同步脈沖，則該一個或多個標簽10a、10b自動切換進入不活動狀態一段時間，在該不活動狀態中，這些標簽停止輸出其簽名代碼。每當設備200、500檢測到信號SBB中存在簽名代碼之后，設備200、500用于按周期性時間間隔輸出同步脈沖，該時間間隔與所關心的特定代碼的時鐘頻率有關。采用這種方法，設備200、500能夠向某個首選的標簽10a、10b發信號以指示其繼續輸出其簽名代碼，并強制另一個標簽10a、10b進入暫時受阻輸出其簽名代碼的等待狀態。這種方法當然也可用于存在兩個以上標簽的情況。
現在參考圖2和7進一步闡明與上述第三種方法相關的詢問方法，此詢問方法利用設備200來詢問標簽10a、10b且優選標簽10a而非標簽10b；步驟1設備200接受與其相連的標簽管理系統(未顯示)的指示，專門識別標簽10a，而使所存在的其它標簽強制進入等待狀態；步驟2設備200以產生信號SRF為開始，接著將信號SRF放大來提供放大信號ASRF，以便在其發送器天線240處作為輻射70輸出。輻射70傳播到標簽10a、10b并被其接收。輻射70在每個標簽10a、10b中轉換成信號S1，并經整流以產生電位差P。每個標簽10a、10b中的微控制器60受該電位差P激勵，并開始以與標簽10a、10b的簽名代碼相關的方式將一個波動負載施加到其電位差P上。所述波動負載導致一個相應的波動阻抗呈現給標簽10a、10b的天線裝置20，從而瞬時修改其反射特性并由此從標簽10a、10b產生輻射70的帶簽名代碼的反射分量300、310。反射分量300、310傳回設備200的接收器天線250并由其接收。
步驟3輻射分量300、310在接收器天線250處轉換為對應信號STF。放大器260將信號STF放大以產生相應的放大信號ASTF。放大信號ASTF與信號STF進行外差以產生基帶信號SBB，基帶信號SBB隨后傳送到基帶接收器280；步驟4接收器280對信號SBB濾波以從中分離出譜分量，然后檢測其瞬時振幅波動以識別存在于信號SBB中的簽名代碼。接收器280選擇所識別出的簽名代碼，其與從前述標簽管理系統傳送到設備200的簽名標簽相關。在識別相關的簽名代碼后的一個響應時間間隔處，接收器向振蕩器220發出一個脈沖命令，于是振蕩器220將脈沖插入信號SRF中，所述時間間隔取決于接收器280測量的相關簽名代碼的定時速率；步驟5由放大器230放大包含了插入脈沖的信號SRF，以產生信號ASRF，信號ASRF從發送器天線240作為輻射70發出；步驟6標簽10a、10b在所接收的輻射70中監測插入的脈沖；如果步驟2中標簽10a、10b已輸出其相應簽名代碼之后的一個時間窗口內出現了所述脈沖，則標簽10a、10b將據此確定它們是保持激活狀態還是暫時轉入等待狀態；在本示例中，脈沖存在于標簽10a的預期時間窗口中，但未出現在標簽10b的預期時間窗口中，因此強制標簽10b進入等待狀態，而標簽10a保持激活。由于標簽10b切換到等待狀態，因此避免了標簽10a、10b之間的沖突；步驟7設備200如上述步驟4和5所述在輻射70中重復輸出同步脈沖，直到標簽管理系統指示設備200搜索備選標簽。因此，標簽10b從等待狀態返回到激活狀態，其中，可以在一段恢復周期之后選擇標簽10b，所述周期例如在幾微秒到一秒的范圍內。
發明人明白可以修改標簽10，以便在由標簽10上接收的輻射為其供電時擴展標簽10的工作范圍。圖10提供了一種這種經過修改的標簽的電路，該經修改的標簽一般地由600表示。與標簽10相比，標簽600另外包括一個由610表示的壓電變壓器和顯示為包括在虛線框660內的由650表示的輸出二極管檢波單元。在標簽600中，變壓器610包括初級區620和次級區630，它們集成在一起以形成一個伸長的機械部件。所述區域是由壓電合成物如鋯鈦酸鉛(PZT)或類似的壓電材料制造的。所述部件在其第一端具有初級區620，而在其第二端具有次級次級區630。在操作中，該部件可經激勵進入諧振的延伸模式。由于初級區620包括一堆電氣上平行連接的壓電板而次級區630包括一個壓電材料片，因此變壓器610能夠升高從二極管檢波單元16輸出并施加到初級區620上的信號的電壓振幅，以便在二極管檢波單元650的輸出端產生增高的電位差P來為邏輯單元20和壓控振蕩器18供電。
最好是，變壓器610設計成在其延伸模式下在10kHz到300kHz的頻率范圍內諧振。所述諧振與約為20到500的品質因數相關。例如，可以這樣制造變壓器610，使得(a)初級區620包括5到20層一堆的極化壓電材料，每層的厚度在50:m到0.2mm之間，且主要表面均是范圍在1mm×1mm到5mm×5mm的區域；所述堆可通過在這些主要表面上將這些層膠粘或焊接在一起而形成；另外，可將這些主要表面金屬化以形成電連接；以及(b)次級區630可包括一個極化壓電材料片，其具有前主要表面和后主要表面，每個主要表面具有范圍在1mm×1mm到5mm×5mm內的區域，且厚度為0.3mm到1mm。
可將所述初級及次級區620、630膠粘或焊接在一起以形成一個整體結構。
如圖10中所示，檢波單元650包括由670表示的肖特基二極管對和以與檢波單元16相似的方式連接在一起的相關旁路電容器680。初級區620的初級、次級端T1、T2分別連接到旁路電容器28的第一和第二電極。如圖10所示，次級區630端子Ts連接到二極管對670的中點。
現在結合圖7所示詢問設備200描述標簽600的操作。
設備200的發生器220產生適合于標簽600的頻率為f1的射頻信號，并在與變壓器610的延伸諧振模式對應的頻率f2上對該射頻信號進行振幅調制，如前所述，在頻率f2上，變壓器610能夠提供從其初級區620到其次級區630的電壓升高。功率放大器230對該振幅調制信號進行放大并將所得的放大信號由天線裝置240輸出，該放大信號在該天線裝置240處作為輻射22輻射出去。在標簽600的天線裝置12處接收所述輻射22，然后在裝置12的第一和第二端子上產生相應的接收信號SR。接收信號SR傳到二極管檢波單元16，二極管檢波單元16將信號SR整流以產生相應的單極信號ST，信號ST包括主要在頻率f2上的信號分量。信號ST將變壓器610激勵進入沿其延伸軸的諧振狀態，以在變壓器650的次級區產生頻率為f2的信號SS，信號SS具有比信號ST更大的電壓幅值。信號SS傳到二極管檢波單元650，由其進行整流，以提供為邏輯單元20和振蕩器18供電的電位差P，如上所述。振蕩器18提供頻率隨P升高而提高的時鐘信號CLK。
變壓器610尤其適用于標簽600中；與變壓器610相比，繞線式鐵心或空心變壓器體積較大且不易提供適當的終端阻抗范圍。另外，開關電容型電壓變壓器也不合適，因為它們需要可察覺的電壓來運行。
發明人明白，壓電變壓器610在諧振時可具有相對高的機械品質因數，例如，數值經常超過幾百，尤其是在在1kHz的測試頻率下利用呈現0.005或更低的介電損耗的硬PZT陶瓷材料的條件下。這種硬PZT材料例如可從如下渠道獲得丹麥公司Ferroperm A/S，Hejreskovvej 18A，DK-3490Kvistgaard，丹麥產品型號(under product reference)PZT26。壓電材料的介電損耗定義為電驅動該材料時所觀測到的電損耗角的正切。所述介電損耗還表示由該材料制成的壓電變壓器的并聯等效電路的電阻與電抗之比。所述介電損耗可以直接利用阻抗電橋來測量，例如在1kHz的激勵頻率下。
因此，變壓器610具有一個用于負載調制的帶寬限制濾波器，所述負載調制是從微控制器經變壓器610傳回天線裝置12的。為了提高標簽600的調制帶寬，發明人設計了如圖11中700所示的標簽600的改進形式。標簽700與標簽600相同，除了輸入/輸出(I/O)端經負載電阻710連接到電容24的第二電極，如圖所示。因而，標簽700能夠直接將負載調制施加到天線裝置12上，并因此可以與標簽600相比更大的數據率進行響應。
發明人明白，雖然包括變壓器610及其相關二極管檢波單元650可以提供擴展的標簽工作范圍，但包括變壓器可能引入其他問題。然而，變壓器610的諧振頻率隨溫度變化。在許多情況中，標簽詢問設備不具有有關試圖與之通信的標簽的溫度信息。因而，詢問設備有可能選擇不適當的頻率f2，該頻率未正好與每個標簽中變壓器610的諧振頻率重合。這種不精確的重合在選擇具有特別高的品質因數的變壓器610來擴大標簽600、700的工作范圍的情況下意義尤其重大。為了解決這種問題，發明人設計了一種解決方案，其包括詢問設備以循環的方式掃描輻射22的頻率f2。在標簽600、700中，電位差P會隨輻射22中的頻率f2掃描經過變壓器的諧振時改變。因而，標簽600、700輸出其相應簽名代碼的速率將隨掃描頻率f2發生變化；在圖8中，這種掃描對應于沿橫坐標軸400掃描分量420、430。詢問設備可經過編程以檢測掃描頻率f2時分量420、430的移動，由此確定一個最適合操作每個標簽600、700的頻率f2。另外，通過精心安排標簽600、700使其具有互不相同的變壓器610諧振頻率，例如通過有意放寬他們的制造公差，這種掃頻方法便可用于協助解決標簽之間的沖突；由于標簽具有互不相同的頻率，因此他們的相應分量將達到最大值，該最大值對應于互不相同的f2頻率上橫坐標軸400右側的位置。
發明人還明白，標簽詢問設備不僅可用于確定特定標簽是否存在，而且可用于確定其相對于詢問設備的角方位(angular bearing)。當標簽及其相關詢問設備在較低頻率上工作時，例如在100kHz到200kHz的范圍內工作時，所述設備和標簽之間的耦合主要通過磁性H-場耦合來產生。此外，在這種低頻范圍上首選環形天線，例如，類似長波無線電接收器中對方向敏感的鐵氧體線圈天線。因而，發明人設計了一種能夠進行標簽定向測量的詢問系統及相關聯的兼容標簽，所述系統由800表示，而標簽由810表示。
系統800包括一個耦合到由820表示的天線裝置的詢問設備830。裝置820包括如圖所示互相正交設置的第一和第二環形天線822a、822b。標簽810與圖1和圖2所示的標簽10類似，除了天線裝置12以環形天線840的形式實現。系統800以類似于設備500的結構設置，其中轉換開關520用于有選擇地在環形天線822a、822b之間切換。
對于標簽810相對于所述系統800的給定角度，標簽810中形成的電位差P的幅值在一級近似上分別與第一和第二環形天線822a、822b的cosN和sinN成比例。如上所述，電位差P決定標簽810輸出其簽名代碼的速率。簽名代碼輸出速率取決于電位差P，并作為信息包含在標簽810反射的輻射中，該信息表示所述反射輻射中簽名代碼分量的頻率。詢問設備830接收該反射輻射并加以處理，以分離出對應于標簽810給兩個天線822a、822b的分量并確定它們的相對頻移，例如沿圖8中橫坐標軸400的相對頻移。相對頻移指示sinN與cosN之比，并由此指示tanN。應用反正切運算，至少可以確定角N的一階幅值，并因此可確定所建立的標簽810相對于系統800的方向。
標簽設計技術領域的技術人員會理解，可調整標簽10、50、60、80、100、600、700，以使其適于接收其它頻率的輻射。例如，標簽10的天線裝置12可以用壓電超聲波換能器來替換，以便可以使用超聲輻射，例如在20kHz到500kHz頻率范圍內的超聲輻射來詢問所述標簽以及為該標簽供電；包含這種超聲波換能器使標簽10能夠用于海洋應用，例如可用于近海石油工業。或者，標簽10、50、60、80、100、600、700的天線裝置12可以替換為例如用于接收詢問光輻射并從中產生標簽工作功率的光電檢測器；標簽返回輻射可以利用脈沖發光二極管(LED)源或受激微反射鏡來提供。本發明范圍中光輻射的意思是指自由空間波長范圍在10:m到100nm之間的電磁輻射。
應當進一步理解的是，圖2、3、4、5、6、10和11所示的壓控振蕩器18還可以其它方式實現。例如，振蕩器18還可以選擇采用一個在操作中向數字分頻器輸出固定頻率的振蕩器，該數字分頻器在其分頻輸出端提供時鐘信號CLK，分頻因子由電位差P通過一個或多個電壓比較器以及用于控制該分頻器的相關邏輯門來控制。例如，可以修改標簽10、600，將振蕩器18實現為一個符合目前為標簽設立的國際標準頻率的固定頻率13.56MHz振蕩器，例如Philips Icode集成電路中所采用的那種。固定頻率的振蕩器輸出最好根據電位差P的變化進行選擇性分頻，如表1所提供的那樣表1
當輸入輻射22在13.56MHz的頻率上時，信號1可直接用于提供要根據表1進行分頻的固定頻率振蕩器輸出信號，以便為邏輯單元20中的微控制器定時。這種方法導致如此修改的多個標簽10、50、60、80、100、600、700在同時被詢問時可以同步操作；這種同步操作使所采用的詢問設備和所述經過修改的標簽中的信號處理任務容易。
此外，應當明白的是，標簽10、50、60、80、100、600、700可以在非常接近詢問設備200、500處操作，以致于壓控振蕩器18和邏輯單元20可能被過高電位差P損壞。為了回避這種損壞，發明人明白可在標簽10、50、60、80、100、600、700中包含一個或多個限壓元件。在標簽10中包含限壓元件的一種便利方式是將一個齊納二極管與分流電容器28并聯，該齊納二極管的陰極和陽極區分別連接到電容器28的第一和第二電極。同樣地，在標簽600、700中包含限壓元件的一種便利方式是將一個齊納二極管與電容器680并聯，該齊納二極管的陰極和陽極區分別連接到邏輯單元20的微控制器的VDD端和VSS端。
權利要求
1.一種可變頻率標簽，包括(a)接口裝置，用于在所述標簽處接收詢問輻射且產生相應的接收信號，以及用于接收簽名信號且輻射相應的響應輻射；(b)處理裝置，用于接收所述接收信號且進行響應而輸出所述簽名信號，所述簽名信號包括用于識別所述標簽的簽名代碼；(c)定時裝置，用于控制所述簽名代碼輸出的速率；以及(d)供電裝置，用于提供用來激勵所述標簽的電位差，其特征在于所述定時裝置可操作來以由所述接收信號的幅值決定的速率輸出所述簽名代碼。
2.一種如權利要求1的標簽，其特征在于所述定時裝置包含第一和第二振蕩器，所述第一振蕩器用于為所述處理裝置定時，而所述第二振蕩器用于根據所述接收信號的幅值來控制從所述標簽輸出所述簽名代碼的頻率。
3.一種如權利要求2的標簽，其特征在于所述第一振蕩器用于以基本上恒定的頻率振蕩。
4.一種如權利要求1、2或3的標簽，其特征在于所述供電裝置耦合到所述接口裝置，所述供電裝置可操作來從所述接收信號獲得電位差。
5.一種如權利要求4的標簽，其特征在于所述供電裝置包含變壓器，該變壓器用于提高施加到所述定時裝置和所述處理裝置的電位差。
6.一種如權利要求5的標簽，其特征在于所述變壓器是壓電變壓器。
7.一種如權利要求6的標簽，其特征在于所述變壓器包括安排由所述接收信號來驅動的多層初級區，以及在其上產生所述電位差的單層次級區，所述初級及次級區以機械方式耦合。
8.一種如以上任何一項權利要求所述的標簽，其特征在于所述供電裝置包含電位差限制裝置，用于防止過大的供電電位損壞所述處理裝置和所述定時裝置。
9.一種如以上任何一項權利要求所述的標簽，其特征在于接口裝置包括天線裝置，其可操作來根據標簽功耗調制所述天線裝置的反射系數而從所接收的輻射產生響應輻射。
10.一種如權利要求1到8中任何一項所述的標簽，其特征在于接口裝置包括天線裝置，其可操作來通過調制所述天線裝置的反射系數而根據所接收的輻射產生響應輻射，所述處理裝置與天線裝置直接通信連接以用于調制具有簽名代碼的所述天線裝置的反射系數。
11.一種如權利要求1所述的標簽，其特征在于所述定時裝置可操作來以隨所述電位差升高而提高的速率為所述處理裝置定時。
12.一種如權利要求11所述的標簽，其特征在于響應所述電位差的升高，所述定時裝置可操作來逐步提高為所述處理裝置定時的速率。
13.一種如權利要求12所述的標簽，其特征在于所述定時裝置包括數字分頻裝置，用于將主時鐘信號分頻以產生用于為所述處理裝置定時的定時信號，所述主時鐘信號來源于所述接收信號。
14.一種如權利要求12所述的標簽，其特征在于所述定時裝置包括數字分頻裝置，用于將由所述振蕩裝置產生的主時鐘信號分頻，操作中所述主時鐘信號基本上恒定。
15.一種如權利要求11所述的標簽，其特征在于響應所述電位差的升高，所述定時裝置可操作來基本上按線性方式提高為所述處理裝置定時的速率。
16.一種如權利要求11所述的標簽，其特征在于響應所述電位差的增高，所述定時裝置可操作來以基本上按對數方式提高為所述處理裝置定時的速率。
17.一種如權利要求11所述的標簽，其特征在于所述定時裝置包括一個振蕩器，所述振蕩器包括多個帶附近的反饋的串聯的邏輯門，用于產生用于為所述處理裝置定時的時鐘信號，所述邏輯門具有作為所述電位差的函數的信號傳播。
18.一種如權利要求17所述的標簽，其特征在于所述振蕩器包括帶反饋的三邏輯門環，用于產生所述時鐘信號。
19.一種如以上任何一項權利要求所述的標簽，其特征在于所述處理裝置可操作來耗散操作所述標簽所需的大部分電力。
20.一種如以上任何一項權利要求所述的標簽，其特征在于所述處理裝置可操作來重復輸出之間有暫停間隔的簽名代碼，在所述暫停間隔期間不輸出所述代碼。
21.一種如權利要求20所述的標簽，其特征在于所述暫停間隔相當于輸出所述簽名代碼的間隔的至少90％。
22.一種如以上任何一項權利要求所述的標簽，其特征在于所述處理裝置能夠接收所述接收信號中的一個或多個同步脈沖，并且能夠切換到暫時等待狀態，在該暫時等待狀態中，當所述標簽輸出其簽名代碼之后一個或多個同步脈沖沒有對準同步時間窗口時，所述處理裝置不輸出其簽名代碼。
23.一種如以上任何一項權利要求所述的標簽，其特征在于所述處理裝置包含用于產生所述簽名代碼的CMOS邏輯電路，所述邏輯電路在操作中能夠隨其定時速率提高而消耗增加的電力。
24.一種用于詢問如以上任何一項權利要求所述的一個或多個標簽的詢問設備，所述設備的特征在于包括(a)信號發生裝置，用于產生詢問信號；(b)詢問接口裝置，用于向所述一個或多個標簽輻射作為詢問輻射的所述詢問信號，以及用于接收來自所述一個或多個標簽的響應輻射并產生相應的響應信號；以及(c)信號處理裝置，用于過濾所述響應信號，以及由此分離出來自所述一個或多個標簽中的每個標簽的信號譜分量，以及從所述信號譜分量中提取簽名代碼以識別所述一個或多個標簽。
25.如權利要求24的設備，其特征在于所述詢問接口裝置包括定向天線裝置，用于從多個相對角度詢問所述一個或多個標簽，以及，所述信號處理裝置可操作來處理對應于所述多個相對角度在所述設備上產生的響應信號，以確定所述一個或多個標簽相對于所述設備的方位。
26.一種用于詢問如權利要求5、6或7中任何一項所述的一個或多個標簽的詢問設備，該設備的特征在于包括(a)信號發生裝置，用于產生詢問信號，該詢問信號包括用于將所述標簽的一個或多個變壓器激勵到諧振的激勵分量；(b)詢問接口裝置，用于向所述一個或多個標簽輻射作為詢問輻射的所述詢問信號，用于將所述一個或多個變壓器激勵到諧振以在所述一個或多個標簽內產生增高的電位信號，以及用于接收來自所述一個或多個標簽的響應輻射并產生相應的響應信號；以及(c)信號處理裝置，用于過濾所述響應信號并由此分離出來自所述一個或多個標簽中的每個標簽的信號譜分量以及從所述信號分量中提取簽名代碼以識別所述一個或多個標簽。
27.一種如權利要求26的設備，其特征在于包括用于對頻率中的激勵分量進行掃頻以便執行如下操作中的一項或多項(a)使所述標簽工作在其一個或多個變壓器的諧振點上；以及(b)解決同時響應的標簽之間的沖突。
28.一種如權利要求24、25、26或27所述的設備，包括標簽傳送裝置，用于在操作中在空間上相對于所述詢問接口裝置傳送所述一個或多個標簽，所述信號處理裝置可操作以便每隔一段時間重復采樣所述響應信號以解決多個標簽的沖突。
29.一種如權利要求24到29中任何一項所述的設備，其特征在于所述詢問接口裝置包括在空間上相對于所述一個或多個標簽設置的用于輻射所述詢問輻射的多個天線，所述信號處理裝置可操作以便順次切換所述天線，從而從不同的距離詢問所述一個或多個標簽，以及在所述設備上處理相應的響應信號以解決多個標簽的沖突。
30.一種標簽系統，包括如權利要求1到23中任何一項所述的一個或多個標簽以及如權利要求24到29中任何一項所述的用于詢問和識別所述一個或多個標簽的設備。
31.一種利用詢問設備詢問可變頻率標簽的方法，所述方法的特征在于包含以下步驟(a)從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在所述標簽處接收所述詢問輻射并產生相應的接收信號；(c)在所述標簽的處理裝置處接收該接收信號；(d)響應接收到所述接收信號而從所述處理裝置輸出簽名信號，該簽名信號包含用于識別所述標簽的簽名代碼，該簽名代碼以取決于激勵所述標簽的供電電位差的速率輸出；(e)從所述標簽輻射所述簽名信號以作為響應輻射；(f)在所述設備處接收來自所述標簽的響應輻射并在該處產生相應的詢問接收信號；(g)在所述設備中過濾所述詢問接收信號以分離出對應于所述標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取所述標簽的所述簽名代碼，然后將所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關來識別所述標簽。
32.一種如權利要求31所述的方法，其特征在于所述供電電位差來源于所述接收信號。
33.一種如權利要求32所述的方法，其特征在于利用壓電升壓變壓器來增高所述供電電位差。
34.一種如權利要求33所述的方法，其特征在于所述詢問輻射包含用于將所述變壓器激勵到振動的分量，所述方法包括對該分量進行掃頻，以確定所述標簽何時工作在其變壓器的諧振點上。
35.一種解決被詢問設備詢問的多個可變頻率標簽之間的沖突的方法，所述方法的特征在于它包括以下步驟(a)從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在每個標簽處接收所述詢問輻射并產生相應的接收信號；(c)在每個標簽的處理裝置處接收該標簽處的所述接收信號；(d)響應在該處收到所述接收信號而從每個標簽的處理裝置輸出簽名信號，該簽名信號包含用于識別該標簽的相關簽名代碼，該簽名代碼以取決于激勵該標簽的供電電位差的速率輸出，所述供電電位差源自于該標簽的所述接收信號；(e)從每個標簽輻射該標簽的簽名信號以作為響應輻射；(f)在所述設備處從所述標簽接收所述響應輻射并在該處產生相應的詢問接收信號；(g)在所述設備上過濾所述詢問接收信號以分離出對應于所述標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取所述標簽的簽名代碼，然后將所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關來識別所述標簽；以及(h)如果存在有關一個或多個所述分量的沖突，則重復修改所述設備和所述標簽之間的空間關系，并且重復步驟(a)到(g)，直到解決沖突為止。
36.一種解決被詢問設備詢問的多個可變頻率標簽之間沖突的方法，所述方法的特征在于它包括以下步驟(a)從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在每個標簽處接收所述詢問輻射并在該處產生相應的接收信號；(c)在每個標簽的處理裝置處接收該標簽處的所述接收信號；(d)響應在該處接收的所述接收信號而從每個標簽的處理裝置輸出簽名信號，該簽名信號包含用于識別該標簽的相關簽名代碼，該簽名代碼以取決于激勵該標簽的供電電位差的速率輸出，所述供電電位差源自于該標簽的所述接收信號，所述簽名代碼以之間以有暫停的方式重復輸出，在該暫停期間不輸出所述代碼；(e)從每個標簽輻射該標簽的簽名信號以作為響應輻射；(f)在所述設備處接收來自所述標簽的所述響應輻射并在該處產生相應的詢問接收信號；(g)在所述設備上過濾所述詢問接收信號以分離出對應于所述標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取所述標簽的簽名代碼，然后將所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關以識別所述標簽；以及(h)如果存在有關一個或多個所述分量的沖突，則重復步驟(a)到(g)，直到解決沖突為止。
37.一種解決被詢問設備詢問的多個可變頻率標簽之間沖突的方法，所述方法的特征在于它包括以下步驟(a)從所述設備向所述標簽發出詢問輻射；(b)在每個標簽處接收所述詢問輻射并在該處產生相應的接收信號；(c)在每個標簽的處理裝置處接收該標簽處的所述接收信號；(d)在每個標簽處識別所述接收信號中存在的一個或多個脈沖，響應在該標簽的處理裝置處接收到所述接收信號，取決于所述一個或多個脈沖是否與和該標簽相關的時間窗口重合，從標簽的處理裝置處輸出相關的簽名信號，該簽名信號包含用于識別該標簽的相關簽名代碼，該簽名代碼以取決于激勵該標簽的供電電位差的速率輸出，所述供電電位差源自于該標簽的所述接收信號；(e)從所述標簽中的一個或多個標簽輻射簽名信號以作為響應輻射；(f)在所述設備處接收來自所述一個或多個標簽的響應輻射并在該處產生相應的詢問接收信號；(g)在所述設備中過濾所述詢問接收信號以分離出對應于所述一個或多個標簽的一個或多個譜分量，從所述一個或多個譜分量中提取所述一個或多個標簽的簽名代碼，然后將所述簽名代碼與一個或多個簽名模板相關以識別所述標簽；以及(h)如果存在有關一個或多個所述分量的沖突，則在所述詢問輻射中輸出所述一個或多個脈沖以暫時禁止一個或多個標簽響應，并重復步驟(a)到(g)，直到解決沖突為止。
38.一種如權利要求37所述的方法，其特征在于每個標簽的時間窗口在時間上取決于為該標簽的處理裝置定時的定時速率，而該定時速率取決于該標簽的供電電位差。
全文摘要
本發明涉及一種可變頻率標簽(10，600)。天線裝置(20)用于在標簽(10，600)處接收詢問輻射(70)并產生一個相應的接收信號(S1)，以及用于接收一個簽名信號并輻射相應的響應輻射(300，310)；(b)邏輯單元(60)，用于接收該接收信號(S1)并根據響應而輸出該簽名信號，所述簽名信號包括用于識別標簽(10，600)的簽名代碼；(c)壓控振蕩器(50)，用于控制輸出簽名代碼的速率；以及(d)電源(30，40；610，650)，用于提供激勵標簽的電位差，其特征在于該壓控振蕩器(50)可操作地以取決于接收信號(S1)幅值的速率來輸出該簽名代碼。
文檔編號G06K7/00GK1685355SQ03820778
公開日2005年10月19日 申請日期2003年7月2日 優先權日2002年7月3日
發明者I·J·福爾斯特 申請人:拉森礦物有限責任公司