应答机、尤其RFID应答机、和运行应答机、尤其RFID应答机的方法

摘要

本发明涉及一种应答器，其中，形成至少一个由至少一个第一和至少一个第二天线构成的第一列，天线分别按照反向散射的方式设计并运行，并且天线在功能上相互连接，即它们在接收到信号时将信号按照反向散射的方式通过成形的辐射特性反向散射。本发明还涉及一种用于运行应答器的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的应答机、尤其是RFID应答机。本发明还涉及一种根据权利要求10的前序部分所述的用于运行应答机、尤其是运行RFID应答机的方法。

背景技术

在工业4.0的背景下，人和物体的辨识和定位变得越来越重要，其中，一个重要的方面就是无线模态。

通过所谓的射频识别(RFID)系统可以替代从一个标签(应答器)到一个读取器(询问机、阅读器)的信息。

这种系统通常由少数几个读取器和许多个标签构成。也可以设想不对称的复杂性，即从读取器到标签的信息交换、或者多节点场景(例如Zigbee技术)、在所有存在的标签与读取器之间的信息交换。

除了信息交换以外，遥测信息也是重要的组成部分，以便拓展该系统的工作能力。遥测的基础组成部分是定位和取向确定，它们要分开强调。

取向确定在此与姿态确定是相同的意思，并且在不限制普遍性的情况下测量滚转角、俯仰角和偏航角。相反，定位则与位置确定是相同的意思，它是在不限制普遍性的情况下测量高度、宽度和长度或者方位角、仰角和间距。

利用能够汇集和传输所述数量的信息的系统，可以实现广泛的应用组合。例如可以转用于物流中的监控并且可以实现随之引起的应用可行性，例如智能储存等等。或者，能够对起重机上的负载进行定位并且确定姿态，以便对其进行最佳调节。利用这种系统可以实现许多其他的应用，在这里对此不再进一步探讨。

鉴于一些性能参数，例如通信的鲁棒性、标签与读取器之间的作用距离(衰减与作用距离成比例：衰减～r^-4)、标签的功率消耗、设计尺寸、标签的电路复杂度和由此带来的成本，这种系统应(在复杂的环境中)经受住许多的电磁(EM)效应，如多路径反射和阴影效应。多路径扩散是一种严重降低表现的效应。多路径的挑战在于由于多路径扩散而产生的效应。也就是说，一个信号在进行测量的空间内被多次地反射并且多次到达接收器。由来自所有路径的信号的重叠相加得到的总信号重叠成无法解释的总数据流。

作用距离、多路径扩散、姿态确定和系统复杂性作为关键表现指数被辨识，其中，它们与信号通信的鲁棒性直接相关。此外，当标签与读取器之间的间距减少到最小间距时，读取器中出现动态问题。

已知，由至少一个读取器和至少一个应答器构成总系统。应答器可以相对于读取器被定位，并且/或者实现数据交换。为了使得系统能够鉴于作用距离而进行定位，读取器使用雷达。如果还要评估角度信息，那么考虑MIMO方案，即所谓的MIMO读取器。为了检测尽可能大的空间扇区，使用全向的天线配置。还用到定向的天线配置，其例如提高了作用距离并且在改进分辨率的背景下能够扫描所关注的空间领域。因此，在100mW erip(有效全向辐射功率“equivalent isotropically radiated power”)时，功率限制大约为24GHz ISM频段。通过相应的基带处理来确保通信评估。

在此，标签以反向散射(BS)-天线基点调制(Antennenfusspunktmodulation)为基础。常见的反向散射标签的工作方式如下：不是在标签中产生RF载波，而是再次使用在读取器中产生的RF载波，令它进行调制并且受控地被反射。这种辐射尽可能全向地进行，以便与标签的取向无关地在读取器处接收信号。以这种方式能够利用简单的硬件设计实现高效的无线电通信，其中，硬件复杂度转移到读取器上。在标签方面避免了收发机链路。

在这种已知系统中，根据天线系统的和频带的设计只能实现有限的无线电通信作用距离和有限的定位，并且对于许多应用来说有局限性。因此，譬如在物流中要以很大的作用距离为前提，才能由基站利用读取器辨识、定位并追踪带有标签的货柜。此外，利用这种系统也不能确定贴有标签的物体的姿态。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种解决方案，其克服了现有技术的缺点。

该目的通过一种具有权利要求1所述特征的应答器、尤其是RFID应答器以及通过符合权利要求10所述特征的、用于运行应答器、尤其是RFID应答器的方法来实现。

在根据本发明的应答器中，设计有至少一个由至少一个第一天线和至少一个第二天线构成的第一列，第一天线和第二天线分别按照反向散射的方式设计并运行，并且第一天线和第二天线在功能上相互连接，从而它们在接收到信号时将信号按照反向散射的方式通过所成形的辐射特性反向散射。

在此，在本发明的意义内，按照反向散射的方式设计并在功能上连接意味着，例如天线和进行反射的部件形成反向散射元件，该反向散射元件实现反向散射功能。根据本发明设置的其他天线在功能上总是如下地运行，即它们也总是实现反向散射功能。

在根据本发明的用于运行应答器、尤其是RFID应答器的方法中，形成至少一个由至少一个第一天线和至少一个第二天线构成的第一列，第一天线和第二天线分别按照反向散射的方式设计并运行，并且第一天线和第二天线在功能上相互连接，从而它们在接收到信号时以最简单的情况下相同的调制频率以相对于彼此的、尤其是可控的相位偏差将该信号按照反向散射的方式反向散射。

通过本发明达到的作用距离提高通过根据本发明的标签设计得以显著放大。此外，还具有低的硬件复杂度，即尤其是雷达方面的硬件复杂度转变成了反向散射方面的较低的硬件复杂度，并且因此是成本高效的，其中，根据本发明聚焦地辐射并且根据本发明的具体设计方案提升了方向性，从而因此随着聚焦的提高而直接成比例地提高了作用距离。

在此，根据本发明的设计方案与所使用的读取器的天线配置无关。结合反向散射式运行，聚焦的应用在接收时和发送时都发挥了这些优势。

本发明的有利改进方案是从属权利要求的对象。

本发明的重要可行性和其改进方案是，通过针对性地调谐反向散射-阵列-相位而实现灯塔信号行为的生成。由系统决定，信号反射最大值围绕着阵列进行旋转。通过找到最大值，可以确定反向散射阵列相对于读取器的角度。这可以通过反向散射相位配置与信号反射最大值的直接关联来实现。

根据本发明的聚焦通过本发明的天线配置及其改进方案来实现，因为它们实现了波束成形(Beamforming)。

在此，根据本发明的标签具有以下灵活性，即，根据对标签的要求，可以构建成被动的、半被动的或者主动的。

根据本发明，波束成形和由其引起的照射至少在二维空间内实现。通过本发明的改进方案可以将其扩展到三维空间。对于二维空间内的解决方案，在第一列上布置至少两个天线，其中，所有天线都加载有相同的调制频率。根据本发明，还通过控制天线元件之间的相位来产生具有方向性的专用辐射角。

因此，根据本发明，在第一和第二天线中分别在最简单的情况下加载相同的调制频率，其中，在第二天线中相对于第一天线产生独有的相位偏差。

这通过增加天线元件得以改进，增加天线元件会导致装置的孔径增大并从而不仅提升方向性还扩大作用距离。

也可以有区别地选择天线之间的调制频率。由此，波束成形可以以数字形式事后在读取器的信号处理部分中实现。对读取器的这种访问在该设备的数字部分中进行，并且因此仅仅需要软件改变。

本发明也由以下得以改进，即至少3个天线布置在一个平面中。由此，能够照射一个三维空间，其中，天线在该改进方案中也在最简单的情况下加载有相同的调制频率，并且分别相对彼此具有相位偏差。

相位偏差可以根据另一种改进方案来调整，从而能够实现匹配。因此，从天线阵列的局部限定的坐标系出发，可以不仅在方位角方面而且在仰角方面单独地生成天线图的主波瓣。

如在二维空间中一样，在这里再次适用：可以借助不同的调制频率实现数字的波束成形。

在这里也实现了一种改进方案，其中，增加了天线数量，使得方向性提升并进而作用距离扩大。

这有利地由以下得以改进，即为该布置增加逻辑和/或存储单元。按照创造性的方法，由此能够存储不同的调制频率组、相位偏差组和反射系数组，它们例如定义了不同的特征，这些特征根据创造性的方法和改进方案按照相应的环境、尤其借助逻辑来匹配地选择出并且施加给在功能上按照反向散射的形式设置的天线，从而确保了对相应情况的匹配(Adaption)，或者与环境无关地以固定的、尤其是非常短的时间间隔施加有不断的变换，从而通过天线实现的应答器的最佳反射在一定程度上说随机地发生，因为它遵守固定的选择顺序。

因此，辨识信息以及携带信息的符号也可以存放在存储器中并且例如通过逻辑单元为了借助天线进行传输而选择出。同样也可以存放模式，其限定了是否以及哪些天线分别被单独地关断。

在反向散射-阵列-信号朝向读取器的情况下，根据本发明的天线布置基于方向性还用于减少因为多路径扩散效应而导致的功率下降。多路径扩散效应使得系统功率变差。通过方向性，到读取器的最短信号路径相比于其他的信号路径起主导作用，并且因此在读取器方面能够以更高的概率明确地进行解释。

根据本发明，基于在方向性中给定的互易性，也可以检测标签的取向，从而可以测量反向散射-应答器-阵列的姿态和或位置。

此外，根据本发明的改进方案，可以自由选择方向性的空间角(波瓣、波束)，在该空间角度下，通过逐一地调节相对于各个天线的相位偏差和/或根据天线布置的维度设计、即在线(二维)或者在面(三维)上、和/或根据天线元件的数量产生空间角度的以及扫描的任意粒度。

本发明在此还包括许多改进方案，利用它们能够实现所谓的波束控制技术(Beamsteering)。

例如，当本发明被如下地改进时，即标签对空间进行寻找并找到与读取器的关联且为此在相应的空间角度时在标签方面或者读取器方面探测到最大的信号功率，作为第一波束控制技术可以实现所谓的“锁定并跟踪(Lock and Track)”技术。在读取器-接收功率探测的情况下，信息被转发到标签处，并且进而以最优连接为目标实现对空间角度的动态追踪。

这就需要读取器到标签的通信基础设施。在标签方面进行接收功率探测的情况下，等效地进行空间角度追踪的优点是，可以取消读取器到标签的通信基础设施。

当本发明被如下地改进时，即进行任意的波束成形，可以实现另一种波束控制技术。为此，所有可能的空间角度都以独有的模式在固定的时间周期内受到操控。由此实现了，至少在一个时间点在读取器处施加有最大的信号功率。标签此时是自给自足的。这种改进方案还发挥了另一个优点，能够有助于提高在读取器附近所使用的标签的数量，因为通过对模式进行迭代能够总是随机地使得不相交的标签最佳地朝向读取器。

在具有多个标签的系统设计方案中，还能如下地改进本发明，即频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)或者由此产生的组合实现标签的区分。

此外，接通和断开各个天线的另一个优点是，根据所使用的读取器的动态范围，阵列增益可以变化、尤其是在近场测量时，即“0”方向上的间距，并且可以促使动态问题的缓解。

如果标签的当前相位、即所配置的天线相位偏差，对于读取器是已知的，那么也可以确定标签在空间内相对于读取器的取向。这通过由读取器根据相位信息估算姿态来实现。该附加信息使得能够实现更多的应用领域，其中例如要调整带有标签的物体的位置和取向。

因此，本发明及其改进方案能够实现一种标签，其根据要求以总体上明显更低的硬件复杂度来实现，并且因此成本低廉地实施。在此节省了雷达方面的硬件复杂度，并且将硬件复杂度转移到应答器上，而在应答器处能够得益于本发明以更低的硬件复杂度实现。

相比简单的定向天线，根据本发明，通过系统产生根据本发明的可控的方向性，从而可以照射一个空间区域。在此，例如通过相位控制连续地照射不同的空间区域。此外，这种多样性技术在反向散射方面也是可行的。因此，相对于现有技术显著提升了这种可行的总系统多样性。结果是，还提高了作用距离、提高了在读取器的接收区域内的最多可读取标签的数量、降低多路径扩散对应答器与读取器之间的通信的影响、以及确定标签的取向。

附图说明

下面借助在附图中示出的本发明实施例更详尽地阐述本发明。在此，唯一的附图示出：

附图是根据本发明的应答器的一个实施例，应答器按照根据本发明的方法的一个实施例利用常见的读取器READER运行。

具体实施方式

以下详尽描述的、部分未示出的实施例或设计方案及其各个元素代表本发明的优选实施方式。然而不局限于此。

附图示出了一种布置，其中示出了根据本发明的应答器(标签)的一个实施例：标签₁...标签_M，这些应答器按照根据本发明的方法的一个实施例利用常见的读取器READER运行。

在所示布置中，一方面可以提供根据现有技术的读取器READER，然而为了实现该实施例，其可以如下地设计和运行，即其能够从标签中读取数据。

其也可以有能力来辨识标签并且借助雷达技术确定与标签：标签₁..标签_M的间距。其可以确定标签：标签₁..标签_M的取向。因为读取器构建成多信道的，即如所示那样提供了数量为R的信道CH₁...CH_R，所以其可以确定其相对于标签：标签₁..标签_M的角度θ^R。

通过三个点表示的数量为M的标签：标签₁..标签_M分别设计成反向散射阵列，它们分别具有数量为N^m的反向散射布置BS₁...BS_N^m，反向散射布置各具有一个天线，天线之间有间距d。

这种标签：标签₁..标签_M如下地设计，即，每个天线可以以独有的频率f_m，n调制。此外，根据本发明还可以对于每个天线使调制的相位θ^BS(m)失调。由此可以产生方向性，从而相对于其他路径，到读取器的最短路径占主导，并且因此借由该最短路径接收的信号相比于其他路径上的其余信号更强，并且能够在读取器READER方面被明确地解释。

此外，总系统可以具有以下的额外特性：读取器的雷达是混合设计的，并且不仅可以确定相对于标签的几何数据(位置和取向)，而且还可以测量图像式背景信息(空间反射)。

本发明不局限于所给出的实施例。确切地说，本发明包括所有可设想的、仅受到权利要求的保护范围限定的变体和/或它的各个元素的组合。