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浅析国内超高频RFID技术相关专利
作者：顾震宇
来源：上海情报服务平台
日期：2010-11-10 10:28:23
摘要：超高频RFID的核心技术主要包括：防碰撞算法、低功耗芯片设计、UHF电子标签天线设计、测试认证等方面。国内在超高频自动识别技术研发上滞后国际2-3年，虽形成一批专利技术，但数量较少。以下简要介绍这些技术在中国申请，并已经公开或授权的相关专利。
超高频RFID技术具有能一次性读取多个标签、穿透性强、可多次读写、数据的记忆容量大，无源电子标签成本低，体积小，使用方便，可靠性和寿命高等特点，得到了世界各国的重视。
超高频RFID的核心技术主要包括：防碰撞算法、低功耗芯片设计、UHF电子标签天线设计、测试认证等方面。国内在超高频自动识别技术研发上滞后国际2-3年，虽形成一批专利技术，但数量较少。以下简要介绍这些技术在中国申请，并已经公开或授权的相关专利。
1、防碰撞算法（Anti-Collision Algorithm）
1）深圳市当代通信技术有限公司2007年2月申请的中国发明专利（CN101013465）涉及一种超高频远距离自动识别系统中的多标签防碰撞算法，该算法是根据标签返回数据碰撞的情况，动态调整Q值，其包括如下步骤：a、预设Q值为0～15；b、读写器发QUERY(查询)命令并接收标签返回；c、读写器发送2的Q次方个QUERY REP(查询应答)命令；d、经过步骤a、b、c后，碰撞计数为0，则标签读取过程结束；如果碰撞次数不为0，则根据碰撞次数确定下一次QUERY命令的Q值，重复步骤a、b、c。动态Q值通过如下方法确定：a、估算标签的数量值；b、根据标签数量的估算值和计算概率的幂和幂指数运算，求其以2为底的指数，即为新的Q值。该发明可实现超高频远距离自动识别系统中的多标签的无遗漏完全读取，并且具有较高的读取效率。
2）复旦大学2007年12月申请的中国发明专利（CN101183422），公开了一种结合Bit－Slot和ID－Slot的随机型防碰撞算法。首先，标签随机选择一个slot反馈1位确认指令，所有标签的返回信息组成一串长度为L的bit串，读写器在消除空时隙后发送L－c0个QueryRep指令，标签在与时隙计数器相对应的时隙里反馈自己的ID码，读写器根据收到的ID码判断是否产生碰撞；读写器识别标签并统计碰撞时隙个数、成功时隙个数；如果标签没有被识别完毕，读写器再开启下一帧继续识别标签，直到所有标签被识别完毕。该发明采用Bit－slot的方法降低空时隙的时间开销，同时使用较短的QueryRep指令代替Bit－Slot中较长的“独1码”确认指令，可以有效地提高多标签识别速度。
3）上海复旦微电子股份有限公司2003年8月申请的中国发明专利（CN1591041），公开了高频射频识别系统防碰撞的识别方法，该系统包含一个阅读器和至少一个应答器，其特征在于，使用特定形式的无线信号在阅读器和应答器之间建立无线通信，该无线信号由逻辑信号部分和时隙部分组成，逻辑信号部分用于传送阅读器给应答器的各种命令或信息，时隙部分用于应答器进行反向散射调制向阅读器传送一位二进制位的应答信号；以无线通信为基础，阅读器通过向应答器发送相应的命令和/或信息，使应答器在初始状态、一般查询状态、一般搜索状态、等待状态、确认状态间作相应转换并执行阅读器对应答器的搜索和/或查询动作，从而完成阅读器对应答器的识别。该发明解决了以前二进制搜索方法在同步上的问题，并提高抗干扰性能。
4）上海复旦微电子股份有限公司2008年12月申请的中国发明专利（CN101464940），公开了一种多标签防碰撞算法，该算法包括：清零；读写器发送标签查询命令；应答器对接到的查询命令进行判断；读写器接收签标签查询应答，并判断；读写器对应答器进行数据处理；pd值设置为1，Q值设置为Q；读写器发送查询变更命令应答器回发；读写器接收签标签查询应答，并判断；读写器对应答器进行数据处理，该算法能以快速排除的方式循环，对发生冲突的标签有很高实际识别效率，可以快速减少读写器工作范围内的应答器数量，一方面通过快速减少应答器数量提高识别效率，另一方面可以降低读写器工作范围内电磁环境的干扰以进一步提高识别质量。
2、低功耗芯片设计方面（low power）
1）北京大学深圳研究生院2008年4月申请的中国发明专利（CN101281614）公开了一种用于超高频射频识别芯片的解调电路，包括包络检测电路及包络整形电路，天线接收的射频信号依次经过包络检测电路及包络整形电路并被处理为S信号和Sav信号输出到比较器，包络整形电路包括泄流电阻、二极管、滤波电阻和滤波电容，泄流电阻连接在包络检测电路的信号输出端和地之间，二极管阳极接至包络检测电路的信号输出端，阴极接至由滤波电阻和滤波电容构成的并联支路一端，并联支路另一端接地，其中，包络检测电路的信号输出端为S信号输出端，二极管阴极与滤波电阻和滤波电容构成的并联支路的连接点为Sav信号输出端。该发明实现了超高频射频识别芯片的解调电路低功耗和低成本的并存。
3、UHF电子标签天线设计
1）北京邮电大学2007年7月申请的中国发明专利（CN101090175），涉及设计电容和电感耦合的标签天线，由介电衬底和设置在介电衬底上的天线单元组成，该天线单元包括：a)第一元件，为天线单元主体，包括第一导体和第二导体，由直线或弯折线组成，用于控制工作频率；b)第二元件，为第一元件提供良好的电容性耦合，并实现一定范围内的天线电容值可调；c)第三元件，位于第一元件的第二导体和第二元件组成的闭合空间里，根据其形状和面积以及在闭合空间内的相对位置，为第一元件提供良好的电感性耦合，并实现一定范围内的天线电感值可调。该标签天线能够通过简单调整，与不同标签芯片实现阻抗匹配，同时保证在工作频带范围内具有足够带宽。
2）浙江大学2008年8月申请的中国发明专利（CN101355195）公开了一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线。它包括金属地面、金属辐射面、基板、矩形凹槽、第一馈线、第二馈线、过孔、射频识别芯片和U形隙缝，基板为长方形，金属辐射面位于基板上表面，金属地面位于基板下表面，金属辐射面靠近短边的一侧嵌有矩形凹槽，矩形凹槽中间设有第一馈线、第二馈线，第一馈线一端与第二馈线一端之间设有射频识别芯片，第一馈线另一端与金属辐射面相连接，第二馈线上设有过孔，过孔上端与第二馈线相连接，过孔下端与金属地面相连接，金属辐射面靠近长边的两侧上嵌有一对U形隙缝。该天线制作的射频识别抗金属标签可以同时覆盖中国超高频射频识别的两个频带或北美和欧洲超高频射频识别的两个频带。
3）航天信息股份有限公司2008年11月申请的中国实用新型专利（CN201332142）公开了一种宽频RFID超高频天线，其包括组合在一起的一近场天线及一远场天线。其中，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为偶极子天线。所述天线是蚀刻在覆铝的聚酯PET衬底上。同时该实用新型还提供了一种使用上述天线的射频标签。使用该实用新型的射频天线和标签可以获得如下有益效果：该实用新型的天线工作距离范围包括近场或远场范围，且其工作频率范围就可以覆盖整个RFID UHF频段，因此具有广泛的适应性。同时，在频带范围内，阻抗值很稳定，在工作频段内在xz方向具有良好的全向性。
4）三星TECHWIN株式会社2005年9月申请的中国发明专利（CN 1773531）公开了提供了一种UHF RFID标签及其生产方法。该标签包括衬底、附属到所述衬底上并且具有多个用来连接芯片内形成的电路与外部电路的焊块的芯片，以及至少一个在纵向伸展并且响应从外界传来的超高频率电磁场的UHF天线，其中UHF天线的至少一端与焊块连接并且天线的一部分固定到所述衬底上。因为该UHF RFID标签使用多根短的UHF天线来代替环形天线，所以由于小的体积可以按照需要尽可能多地集成标签，并且可以快速且容易地实施将天线结合到芯片上的过程 。
４、测试认证方面
1）上海聚星仪器有限公司2008年10月申请的中国实用新型专利（CN201259674），涉及一种具有实时应答功能的射频识别综合测试仪器，由控制器、中频、基带处理器、射频上变频器、射频下变频器组成，控制器的输出端接中频、基带处理器的输入端，中频、基带处理器的输出端接射频上变频器输入端，射频上变频器的输出端输出信号，射频下变频器的输入端接被测设备返回信号，射频下变频器的输出端接中频、基带处理器的输入端。该测试仪器主要用于读卡机和标签的协议一致性测试和性能测试，通过软件实现射频识别协议，运用模块化仪器集成专属于射频识别测试的测试系统，同时运用中频、基带处理器板载FPGA实现第二代超高频射频识别标准微秒级实时应答。
超高频RFID的核心技术主要包括：防碰撞算法、低功耗芯片设计、UHF电子标签天线设计、测试认证等方面。国内在超高频自动识别技术研发上滞后国际2-3年，虽形成一批专利技术，但数量较少。以下简要介绍这些技术在中国申请，并已经公开或授权的相关专利。
1、防碰撞算法（Anti-Collision Algorithm）
1）深圳市当代通信技术有限公司2007年2月申请的中国发明专利（CN101013465）涉及一种超高频远距离自动识别系统中的多标签防碰撞算法，该算法是根据标签返回数据碰撞的情况，动态调整Q值，其包括如下步骤：a、预设Q值为0～15；b、读写器发QUERY(查询)命令并接收标签返回；c、读写器发送2的Q次方个QUERY REP(查询应答)命令；d、经过步骤a、b、c后，碰撞计数为0，则标签读取过程结束；如果碰撞次数不为0，则根据碰撞次数确定下一次QUERY命令的Q值，重复步骤a、b、c。动态Q值通过如下方法确定：a、估算标签的数量值；b、根据标签数量的估算值和计算概率的幂和幂指数运算，求其以2为底的指数，即为新的Q值。该发明可实现超高频远距离自动识别系统中的多标签的无遗漏完全读取，并且具有较高的读取效率。
2）复旦大学2007年12月申请的中国发明专利（CN101183422），公开了一种结合Bit－Slot和ID－Slot的随机型防碰撞算法。首先，标签随机选择一个slot反馈1位确认指令，所有标签的返回信息组成一串长度为L的bit串，读写器在消除空时隙后发送L－c0个QueryRep指令，标签在与时隙计数器相对应的时隙里反馈自己的ID码，读写器根据收到的ID码判断是否产生碰撞；读写器识别标签并统计碰撞时隙个数、成功时隙个数；如果标签没有被识别完毕，读写器再开启下一帧继续识别标签，直到所有标签被识别完毕。该发明采用Bit－slot的方法降低空时隙的时间开销，同时使用较短的QueryRep指令代替Bit－Slot中较长的“独1码”确认指令，可以有效地提高多标签识别速度。
3）上海复旦微电子股份有限公司2003年8月申请的中国发明专利（CN1591041），公开了高频射频识别系统防碰撞的识别方法，该系统包含一个阅读器和至少一个应答器，其特征在于，使用特定形式的无线信号在阅读器和应答器之间建立无线通信，该无线信号由逻辑信号部分和时隙部分组成，逻辑信号部分用于传送阅读器给应答器的各种命令或信息，时隙部分用于应答器进行反向散射调制向阅读器传送一位二进制位的应答信号；以无线通信为基础，阅读器通过向应答器发送相应的命令和/或信息，使应答器在初始状态、一般查询状态、一般搜索状态、等待状态、确认状态间作相应转换并执行阅读器对应答器的搜索和/或查询动作，从而完成阅读器对应答器的识别。该发明解决了以前二进制搜索方法在同步上的问题，并提高抗干扰性能。
4）上海复旦微电子股份有限公司2008年12月申请的中国发明专利（CN101464940），公开了一种多标签防碰撞算法，该算法包括：清零；读写器发送标签查询命令；应答器对接到的查询命令进行判断；读写器接收签标签查询应答，并判断；读写器对应答器进行数据处理；pd值设置为1，Q值设置为Q；读写器发送查询变更命令应答器回发；读写器接收签标签查询应答，并判断；读写器对应答器进行数据处理，该算法能以快速排除的方式循环，对发生冲突的标签有很高实际识别效率，可以快速减少读写器工作范围内的应答器数量，一方面通过快速减少应答器数量提高识别效率，另一方面可以降低读写器工作范围内电磁环境的干扰以进一步提高识别质量。
2、低功耗芯片设计方面（low power）
1）北京大学深圳研究生院2008年4月申请的中国发明专利（CN101281614）公开了一种用于超高频射频识别芯片的解调电路，包括包络检测电路及包络整形电路，天线接收的射频信号依次经过包络检测电路及包络整形电路并被处理为S信号和Sav信号输出到比较器，包络整形电路包括泄流电阻、二极管、滤波电阻和滤波电容，泄流电阻连接在包络检测电路的信号输出端和地之间，二极管阳极接至包络检测电路的信号输出端，阴极接至由滤波电阻和滤波电容构成的并联支路一端，并联支路另一端接地，其中，包络检测电路的信号输出端为S信号输出端，二极管阴极与滤波电阻和滤波电容构成的并联支路的连接点为Sav信号输出端。该发明实现了超高频射频识别芯片的解调电路低功耗和低成本的并存。
3、UHF电子标签天线设计
1）北京邮电大学2007年7月申请的中国发明专利（CN101090175），涉及设计电容和电感耦合的标签天线，由介电衬底和设置在介电衬底上的天线单元组成，该天线单元包括：a)第一元件，为天线单元主体，包括第一导体和第二导体，由直线或弯折线组成，用于控制工作频率；b)第二元件，为第一元件提供良好的电容性耦合，并实现一定范围内的天线电容值可调；c)第三元件，位于第一元件的第二导体和第二元件组成的闭合空间里，根据其形状和面积以及在闭合空间内的相对位置，为第一元件提供良好的电感性耦合，并实现一定范围内的天线电感值可调。该标签天线能够通过简单调整，与不同标签芯片实现阻抗匹配，同时保证在工作频带范围内具有足够带宽。
2）浙江大学2008年8月申请的中国发明专利（CN101355195）公开了一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线。它包括金属地面、金属辐射面、基板、矩形凹槽、第一馈线、第二馈线、过孔、射频识别芯片和U形隙缝，基板为长方形，金属辐射面位于基板上表面，金属地面位于基板下表面，金属辐射面靠近短边的一侧嵌有矩形凹槽，矩形凹槽中间设有第一馈线、第二馈线，第一馈线一端与第二馈线一端之间设有射频识别芯片，第一馈线另一端与金属辐射面相连接，第二馈线上设有过孔，过孔上端与第二馈线相连接，过孔下端与金属地面相连接，金属辐射面靠近长边的两侧上嵌有一对U形隙缝。该天线制作的射频识别抗金属标签可以同时覆盖中国超高频射频识别的两个频带或北美和欧洲超高频射频识别的两个频带。
3）航天信息股份有限公司2008年11月申请的中国实用新型专利（CN201332142）公开了一种宽频RFID超高频天线，其包括组合在一起的一近场天线及一远场天线。其中，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为偶极子天线。所述天线是蚀刻在覆铝的聚酯PET衬底上。同时该实用新型还提供了一种使用上述天线的射频标签。使用该实用新型的射频天线和标签可以获得如下有益效果：该实用新型的天线工作距离范围包括近场或远场范围，且其工作频率范围就可以覆盖整个RFID UHF频段，因此具有广泛的适应性。同时，在频带范围内，阻抗值很稳定，在工作频段内在xz方向具有良好的全向性。
4）三星TECHWIN株式会社2005年9月申请的中国发明专利（CN 1773531）公开了提供了一种UHF RFID标签及其生产方法。该标签包括衬底、附属到所述衬底上并且具有多个用来连接芯片内形成的电路与外部电路的焊块的芯片，以及至少一个在纵向伸展并且响应从外界传来的超高频率电磁场的UHF天线，其中UHF天线的至少一端与焊块连接并且天线的一部分固定到所述衬底上。因为该UHF RFID标签使用多根短的UHF天线来代替环形天线，所以由于小的体积可以按照需要尽可能多地集成标签，并且可以快速且容易地实施将天线结合到芯片上的过程 。
４、测试认证方面
1）上海聚星仪器有限公司2008年10月申请的中国实用新型专利（CN201259674），涉及一种具有实时应答功能的射频识别综合测试仪器，由控制器、中频、基带处理器、射频上变频器、射频下变频器组成，控制器的输出端接中频、基带处理器的输入端，中频、基带处理器的输出端接射频上变频器输入端，射频上变频器的输出端输出信号，射频下变频器的输入端接被测设备返回信号，射频下变频器的输出端接中频、基带处理器的输入端。该测试仪器主要用于读卡机和标签的协议一致性测试和性能测试，通过软件实现射频识别协议，运用模块化仪器集成专属于射频识别测试的测试系统，同时运用中频、基带处理器板载FPGA实现第二代超高频射频识别标准微秒级实时应答。
表1 国内已申请公开的相关专利
