敏化電路的確定方法、確定系統及敏化RFID傳感標籤與流程
2023-05-30 20:06:11
本申請涉及射頻識別技術領域，更具體地說，涉及一種敏化電路的確定方法、確定系統及敏化RFID傳感標籤。
背景技術：
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象，具有易部署、快捷的優點，已經廣泛應用於倉庫管理、供應鏈管理、智能感知等領域。隨著物聯網的發展，對RFID標籤出現了一些新的、迫切的要求，例如要求在RFID標籤能夠感知其所處環境的信息，例如溫度、溼度、氣體濃度和形變等。目前在RFID標籤中集成環境感知功能的方法大都是結合有源傳感器實現的，有源傳感器具有高傳感敏感度的優點，但由於有源傳感器需要電池進行供電，其工作壽命受到電池電量的限制。並且當所述有源RFID傳感標籤應用於危險區域或不易二次到達的區域時，對其的回收以進行更換電池的工作耗時長且危險度高。因此如何在無源RFID標籤中設置無源傳感器，並實現較高的傳感敏感度是研究人員努力的方向。
現有技術中有研究人員通過選定特定的RFID標籤天線拓撲，並對其進行優化來實現對集成無源傳感器的RFID標籤的傳感敏感度的提高。但是探索能夠使所述RFID傳感標籤的環境感知敏感度達到最高的天線結構極具挑戰性，目前只能通過頻繁實驗來確定天線的優化結構，效率較低且對RFID傳感標籤的敏感度的提升有限。
因此，亟需一種利用除對天線進行優化以外的方法來提高RFID傳感標籤的環境感知敏感度。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提供了一種敏化電路的確定方法、確定系統及敏化RFID傳感標籤，以實現利用敏化電路提升RFID傳感標籤的敏感度的目的。
為實現上述技術目的，本發明實施例提供了如下技術方案：
一種敏化電路的確定方法，所述敏化電路用於提升無源射頻識別RFID傳感標籤的環境感知敏感度，所述RFID傳感標籤包括天線、RFID晶片和傳感器，所述敏化電路的確定方法包括：
在環境變化範圍內選取多個環境狀態，並獲取在每個所述環境狀態下的所述天線的輸入阻抗值；
根據所有所述天線的輸入阻抗值構成負載變化路徑；
根據構成的負載變化路徑選取不同的匹配網絡，並對所有所述匹配網絡的散射參數進行篩選，保留那些使所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數在所述負載變化路徑上單調變化的匹配網絡的散射參數，作為備選散射參數；
選取在所述負載變化路徑中的每個阻抗值下，在備選散射參數中，使匹配網絡的網絡敏感度最大的備選散射參數作為該阻抗值下的備選敏化電路的散射參數，所述網絡敏感度為所述匹配網絡輸入埠處的功率傳輸係數對負載變化的平均變化率；
根據所有所述備選敏化電路對應的最大網絡敏感度和所述負載變化路徑繪製最大敏感度分布曲線；
計算每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑的其他天線阻抗值下的網絡敏感度，並繪製每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線；
根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數；
根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路。
可選的，所述根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數包括：
根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線計算每個備選敏化電路的敏感度差值；
比較所有所述備選敏化電路的敏感度差值，將具有最小的敏感度差值的備選敏化電路的散射參數作為所述敏化電路的散射參數。
可選的，所述在環境變化範圍內選取多個環境狀態包括：
在環境變化範圍內均勻選取多個環境狀態。
可選的，所述根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路包括：
根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路的LC集總電路結構，並根據所述RFID傳感標籤的天線形式確定所述敏化電路的LC集總電路的分布式電路。
一種敏化電路的確定系統，所述敏化電路用於提升無源射頻識別RFID傳感標籤的環境感知敏感度，所述RFID傳感標籤包括天線、RFID晶片和傳感器，所述敏化電路的確定系統包括：
阻抗獲取模塊，用於在環境變化範圍內選取多個環境狀態，並獲取在每個所述環境狀態下的所述天線的輸入阻抗值；
路徑獲取模塊，用於根據所有所述天線的輸入阻抗值構成負載變化路徑；
篩選模塊，用於根據構成的負載變化路徑選取不同的匹配網絡，並對所有所述匹配網絡的散射參數進行篩選，保留那些使所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數在所述負載變化路徑上單調變化的匹配網絡的散射參數，作為備選散射參數；
備選電路選取模塊，用於選取在所述負載變化路徑中的每個天線的阻抗值下，在備選散射參數中，使匹配網絡的網絡敏感度最大的備選散射參數作為該阻抗值下的備選敏化電路的散射參數，所述網絡敏感度為所述匹配網絡輸入埠處的功率傳輸係數對負載變化的平均變化率；
第一曲線繪製模塊，用於根據所有所述備選敏化電路對應的最大網絡敏感度和所述負載變化路徑繪製最大敏感度分布曲線；
第二曲線繪製模塊，用於計算每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑的其他天線阻抗值下的網絡敏感度，並繪製每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線；
散射參數確定模塊，用於根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數；
敏化電路確定模塊，用於根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路。
可選的，所述散射參數確定模塊包括：
計算單元，用於根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線計算每個備選敏化電路的敏感度差值；
比較單元，用於比較所有所述備選敏化電路的敏感度差值，將具有最小的敏感度差值的備選敏化電路的散射參數作為所述敏化電路的散射參數。
可選的，所述阻抗獲取模塊具體用於在環境變化範圍內均勻選取多個環境狀態，並獲取在每個所述環境狀態下的所述天線的輸入阻抗值。
可選的，所述敏化電路確定模塊具體用於根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路的LC集總電路結構，並根據所述RFID傳感標籤的天線形式確定所述敏化電路的LC集總電路的分布式電路。
一種敏化RFID傳感標籤，包括天線、傳感器和RFID晶片，還包括：
設置於所述天線與所述RFID晶片之間的敏化電路，所述敏化電路由上述任一項所述的敏化電路的確定方法確定。
從上述技術方案可以看出，本發明實施例提供了一種敏化電路的確定方法、確定系統及敏化RFID傳感標籤，其中，所述敏化電路的確定方法用於確定所述敏化電路，以通過在不降低所述RFID傳感標籤的天線增益敏感度的基礎上，提高所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數的動態範圍，從而提升所述RFID傳感標籤可實現增益的動態範圍，進而提升所述RFID傳感標籤的環境感知敏感度(傳感敏感度)。並且所述敏化電路的確定方法通過確定所述負載變化路徑，並針對所述負載變化路徑中的天線阻抗值選取滿足功率傳輸係數單調變化的匹配網絡散射參數；然後在備選的散射參數中，選取在每個阻抗下使匹配網絡的網絡敏感度最大的散射參數作為所述備選敏化電路的散射參數，最後根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數，並根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路，以實現能夠最大化提升所述RFID傳感標籤的傳感敏感度的敏化電路的確定。
並且，當所述敏化電路應用於天線經過優化的RFID傳感標籤中時，可以進一步提升天線經過優化的RFID傳感標籤的傳感敏感度；所述敏化電路還可以應用於天線未經過優化的RFID傳感標籤中，以實現較單純優化天線的RFID傳感標籤更高的傳感敏感度。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1為本申請的一個實施例提供的一種敏化電路的確定方法的流程示意圖；
圖2為包含所述匹配網絡的RFID傳感標籤的等效電路示意圖；
圖3為不同天線負載值沿θ＝π變化時，峰值敏感度隨匹配度τ0變化的曲線；
圖4為圖3的局部放大示意圖；
圖5為本申請的另一個實施例提供的一種敏化電路的確定方法的流程示意圖；
圖6為最大敏感度分布曲線和每個備選敏化電路在負載變化路徑上的網絡敏感度曲線；
圖7為本申請的一個具體實施例中，初級RFID傳感標籤的天線拓撲和結構參數示意圖；
圖8為本申請的一個具體實施例中，初級RFID傳感標籤的天線的輸入阻抗在915MHz隨溫度變化示意圖；
圖9(a)和圖9(b)為在初級RFID傳感標籤中插入敏化電路前後，功率傳輸係數和天線Z方向增益在915MHz隨溫度變化的曲線；
圖10為本申請的一個具體實施例確定的敏化電路的結構示意圖；
圖11為本申請的一個具體實施例提供的加入敏化電路後的RFID傳感標籤的結構示意圖；
圖12為本申請的又一個實施例提供的一種敏化電路的確定方法的流程示意圖；
圖13為本申請的一個實施例提供的一種敏化電路的確定系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本申請實施例提供了一種敏化電路的確定方法，如圖1所示，包括：
S101：在環境變化範圍內選取多個環境狀態，並獲取在每個所述環境狀態下的所述天線的輸入阻抗值。
優選的，所述在環境變化範圍內選取多個環境狀態包括：
在環境變化範圍內均勻選取多個環境狀態。
S102：根據所有所述天線的輸入阻抗值構成負載變化路徑；
S103：根據構成的負載變化路徑選取不同的匹配網絡，並對所有所述匹配網絡的散射參數進行篩選，保留那些使所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數在所述負載變化路徑上單調變化的匹配網絡的散射參數，作為備選散射參數；
S104：選取在所述負載變化路徑中的每個阻抗值下，在備選散射參數中，使匹配網絡的網絡敏感度最大的散射參數作為該阻抗值下的備選敏化電路的散射參數，所述網絡敏感度為所述匹配網絡輸入埠處的功率傳輸係數對負載變化的平均變化率；
S105：根據所有所述備選敏化電路對應的最大網絡敏感度和所述負載變化路徑繪製最大敏感度分布曲線；
S106：計算每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑的其他天線阻抗值下的網絡敏感度，並繪製每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線；
S107：根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數；
S108：根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路。
需要說明的是，對於無源RFID傳感標籤而言，通過在其上設置傳感器可以實現對所述RFID傳感標籤的可實現增益的影響，通過測量所述RFID傳感標籤最大閱讀距離或閱讀器最小所需發射功率或標籤反向散射功率或標籤中心頻率的變化均可得到所述RFID傳感標籤的可實現增益的變化，所述RFID傳感標籤的可實現增益與所述環境狀態一一對應，從而可以通過對所述RFID傳感標籤的可實現增益的探測實現對環境參數的探測。
對於設定的RFID傳感標籤結構，環境變化決定了負載變化路徑，設負載變化路徑為Ψ＝[ZL1,ZL2,…,ZLn]。敏化電路可以針對路徑Ψ上任意負載ZLi(i＝1,2,…,n)設計。對於不同的負載ZLi，設計的備選敏化電路具有不同的網絡敏感度。在這些備選敏化電路中選出的所述敏化電路應在路徑Ψ上提供最大總體網絡敏感度。所述敏化電路設計的負載稱為路徑Ψ上最佳負載ZBL，其散射參數記為S11senb。如此設計的所述敏化電路正是高敏感度無源RFID傳感標籤設計所需要的。在本實施例中，所述備選敏化電路即為針對所述負載變化路徑中各個天線阻抗值下產生最大網絡敏感度，但是由於所述環境連續變化導致了所述天線的輸入阻抗變化路徑，因此需要在所有的所述備選敏化電路中選取一個能夠在負載變化路徑上提供最大總體網絡敏感度的備選敏化電路作為所述敏化電路。
在所述敏化電路的實際設計中，需要保證功率傳輸係數τ在負載變化路徑上的單調性，這是由於需要保證所述RFID傳感標籤的可實現增益與環境狀態的一一對應，如果功率傳輸係數在所述負載變化路徑上不具有單調性，就可能會出現一個可實現增益值對應兩個甚至多個不同的環境狀態的情況出現，這是不符合環境傳感功能的要求的。
參考圖2，圖2為包含所述匹配網絡的RFID傳感標籤的等效電路，在圖2中，Eg表示源，Zg表示源阻抗，ZL表示負載阻抗，Zin表示輸入阻抗，S表示匹配網絡，τ表示RFID傳感標籤的功率傳輸係數，Zg＝Rg+jXg，Zin＝Rin+jXin，ZL＝RL+jXL，其中Rm(m∈(g,in,L))表示阻抗的實部，Xm(m∈(g,in,L))表示負載的虛部。將RFID傳感標籤中的RFID晶片和加載傳感器的天線分別作為所述匹配網絡的源和負載(這裡僅考慮無耗互易對稱的匹配網絡)，天線的阻抗值隨環境狀態的變化會導致所述RFID晶片和天線的失配。對於同一負載阻抗變化，不同的匹配網絡產生的失配響應不同，故需定義網絡敏感度來描繪匹配網絡對RFID傳感標籤傳感敏感度的影響。網絡敏感度定義為所述匹配網絡輸入埠處的功率傳輸係數對負載變化的平均變化率，其定義式為其中，負載變化量△ZL的幅度δ和角度θ分別定義為δ＝[(△RL)2+(△XL)2]1/2和θ＝arctan(△XL/△RL)。對網絡敏感度的定義式進行泰勒展開，可得：
由於泰勒展開後的網絡敏感度定義式中每個導數都是匹配網絡散射參數S11的函數，因此可得網絡敏感度是負載值ZL、匹配網絡散射參數S11(由於匹配網絡的無耗互易對稱特性，匹配網絡中的其他散射參數可用S11表示)、負載變化幅度δ和角度θ的函數。對於一個確定的RFID傳感標籤的天線，負載值ZL和負載變化δ和θ是已知的，因此匹配網絡的散射參數是唯一可以用於調節RFID傳感標籤傳感敏感度的變量。
下面將對步驟S104進行具體說明：
對於給定的負載，我們定義匹配度τ0來描述匹配網絡設計的功率傳輸係數。對於給定的源阻抗Zg和負載阻抗ZL，設計於τ＝τ0的匹配網絡存在一系列散射參數S11的值。對於同一負載變化，不同的匹配網絡的散射參數S11的值展現出不同的網絡敏感度。因此對於給定的負載變化△ZL＝δ∠θ和匹配度τ0，總可以找到一個匹配網絡的散射參數具有極大的網絡敏感度，成為峰值敏感度。當τ0∈[0～1]內變化時，總可以找到峰值敏感度的最大值，稱為最大敏感度，將取得最大敏感度的匹配網絡定義為該負載下的備選敏化電路。
如圖3所示，圖3為不同天線負載值(ZL1＝1+j50Ω,ZL2＝5-j80Ω,ZL3＝11+j143Ω)沿θ＝π變化時，峰值敏感度隨匹配度τ0變化的曲線。在計算和圖3的繪製中，源阻抗設定為Zg＝11-j143Ω。從圖3可得，最大敏感度Senmax在某一匹配度τ0處取得。例如，負載ZL＝1+j50Ω沿θ＝π變化時,最大敏感度Senmax＝0.42可以由設計在τ0＝0.67的敏化電路S11＝0.198∠0.329π取得。同時，具有較小電阻的負載在整個匹配度範圍τ0∈[0～1]內都取得較高的網絡敏感度，其中τ0＝1表示完全匹配網絡，其敏感度(圖3中標號A1所示部分)如圖4所示。
在上述實施例的基礎上，在本申請的一個實施例中，如圖5所示，所述根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數包括：
S1071：根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線計算每個備選敏化電路的敏感度差值；
S1072：比較所有所述備選敏化電路的敏感度差值，將具有最小的敏感度差值的備選敏化電路的散射參數作為所述敏化電路的散射參數。
具體地，參考圖6，圖6為所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線。
根據步驟S104中獲取的所有所述備選敏化電路的散射參數對應的最大網絡敏感度和所述負載變化路徑中的各個天線的阻抗值描點繪製的所述最大敏感度分布曲線y0＝Senmax(ZL)如圖6中的實線所示；每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線yi＝SenS11i(ZL)(i＝1,…,n)(其中，n表示所述備選敏化電路的數量，也即所述負載變化路徑中的天線的阻抗值的數量)如圖6中的虛線曲線所示。
相應的，所述根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數包括：比較和計算最大敏感度曲線和網絡敏感度曲線的差值：
其中，具有最小的敏感度差值的備選敏化電路，意味著其在所述負載變化路徑上具有最大的總體敏感度，其對應的負載值ZLi和網絡散射參數S11i為所述敏化電路的最佳負載ZBL和散射參數S11senb。
下面以具體的例子進行說明，RFID晶片採用Alien Higgs H-3晶片，在915MHz阻抗為27-j200Ω。溫度感知通過加載在天線上的熱敏電阻實現。熱敏電阻的等效阻抗可以看作電阻和電容的並聯ZS(T)＝RS(T)||CS(T)，其中T表示溫度。當溫度從25℃變為160℃時，電阻RS從2.2KΩ減小至200Ω，電容CS從0.3pF增大至0.7pF。採用未優化的蜿蜒線天線作為初級RFID傳感標籤的天線，天線拓撲和結構參數如圖7所示，圖7中，標號100表示所述RFID晶片，標號200表示熱敏電阻，熱敏電阻加載在天線的一臂上。天線基板介電常數為6.15，厚度為1mm。具體天線尺寸如下：W1＝2.5mm,L1＝26.5mm,W2＝2.5mm,L2＝26mm,W3＝2.5mm,L3＝14.5mm,W4＝2.5mm和L4＝20mm。
初級RFID傳感標籤天線的輸入阻抗在915MHz隨溫度變化如圖8所示，圖8中標號300表示天線輸入電阻，標號400表示天線輸入電抗。初級RFID傳感標籤的功率傳輸係數和天線Z方向(參考圖7中的XYZ坐標系)增益在915MHz隨溫度變化如圖9(a)和9(b)中的虛線所示。
利用所述敏化電路的確定方法，可得敏化電路的S11senb＝0.634∠0.798π，最佳負載ZBL＝18.2-j94.3Ω。最佳負載ZBL在T＝85℃時取得。該敏化電路可以用圖10所示的共面帶狀線電路實現。具體敏化電路尺寸如下：w1＝0.5mm,l1＝4mm,w2＝3mm,l2＝39.2mm和d＝0.4mm。將該敏化電路插入初級RFID傳感標籤的晶片和天線之間，具有溫度探測功能的高敏感度的RFID傳感標籤如圖11所示。插入敏化電路後，所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數和天線增益隨溫度變化如圖9(a)和圖9(b)中的實線所示。比較圖9(a)和圖9(b)中實線和虛線可以看出：加入所述敏化電路後，所述RFID傳感標籤功率傳輸係數和所述RFID傳感標籤天線增益的敏感度和動態範圍都大幅度提高。計算可得：加入敏化電路後，所述RFID傳感標籤的可實現增益動態範圍從0.01增大為0.78。
值得注意的是，對比現有技術中的文獻：「S.Manzari,S.Caizzone,C.Rubini,and G.Marrocco,「Feasibility of wireless temperature sensing by passive UHF-RFID tags in ground satellite test beds,」in Proc.IEEE Int.Conf.WiSEE,Noordwijk,The Netherlands,pp.1–6,Oct.2014.)」，該文獻中採用相同的熱敏電阻，通過優化標籤天線實現了0.21的可實現增益動態範圍。因此敏化電路能夠結合隨意採用且未經優化的初級RFID傳感標籤天線，達到較優化選定天線的RFID傳感標籤高得多的敏感度。因此採用本發明的設計方法，無需特別篩選RFID傳感標籤天線形式，即可方便地實現具有溫度探測功能的高敏感度的RFID傳感標籤的設計。
當所述RFID傳感標籤中嵌入或接入不同的傳感器，如溫度、溼度、氣體、振動等傳感器，本發明的設計可廣泛用於軍事、工業自動化、智能農業、食品安全和生物醫學等眾多應用領域。
在上述實施例的基礎上，在本申請的又一個實施例中，參考圖12，所述根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路包括：
S1081：根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路的LC集總電路結構，並根據所述RFID傳感標籤的天線形式確定所述敏化電路的LC集總電路的分布式電路。
相應的，本申請實施例還提供了一種敏化電路的確定系統，如圖13所示，所述敏化電路用於提升無源RFID傳感標籤的傳感敏感度，所述RFID傳感標籤包括天線和RFID晶片，所述敏化電路的確定系統包括：
阻抗獲取模塊A10，用於在環境變化範圍內選取多個環境狀態，並獲取在每個所述環境狀態下的所述天線的輸入阻抗值；
路徑獲取模塊A20，用於根據所有所述天線的輸入阻抗值構成負載變化路徑；
篩選模塊A30，用於根據構成的負載變化路徑選取不同的匹配網絡，並對所有所述匹配網絡的散射參數進行篩選，保留那些使所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數在所述負載變化路徑上單調變化的匹配網絡的散射參數，作為備選散射參數；
備選電路選取模塊A40，用於選取在所述負載變化路徑中的每個天線的阻抗值下，在備選散射參數中，使匹配網絡的網絡敏感度最大的備選散射參數作為該阻抗值下的備選敏化電路的散射參數，所述網絡敏感度為所述匹配網絡輸入埠處的功率傳輸係數對負載變化的平均變化率；
第一曲線繪製模塊A50，用於根據所有所述備選敏化電路對應的最大網絡敏感度和所述負載變化路徑繪製最大敏感度分布曲線；
第二曲線繪製模塊A60，用於計算每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑的其他天線阻抗值下的網絡敏感度，並繪製每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線；
散射參數確定模塊A70，用於根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數；
敏化電路確定模塊A80，用於根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路。
優選的，阻抗獲取模塊具體用於在環境變化範圍內均勻選取多個環境狀態，並獲取在每個所述環境狀態下的所述天線的輸入阻抗值。
需要說明的是，對於無源RFID傳感標籤而言，通過在其上設置傳感器可以實現對所述RFID傳感標籤的可實現增益的影響，通過測量所述RFID傳感標籤最大閱讀距離或閱讀器最小所需發射功率或RFID傳感標籤反向散射功率或標籤中心頻率的變化均可得到所述RFID傳感標籤的可實現增益的變化，所述RFID傳感標籤的可實現增益與所述環境狀態一一對應，從而可以通過對所述RFID傳感標籤的可實現增益的探測實現對環境參數的探測。
對於設定的RFID傳感標籤結構，環境變化決定了負載變化路徑，設負載變化路徑為Ψ＝[ZL1,ZL2,…,ZLn]。敏化電路可以針對路徑Ψ上任意負載ZLi(i＝1,2,…,n)設計。對於不同的負載ZLi，設計的備選敏化電路具有不同的網絡敏感度。在這些備選敏化電路中選出的所述敏化電路應在路徑Ψ上提供最大總體網絡敏感度。所述敏化電路設計的負載稱為路徑Ψ上最佳負載ZBL，其散射參數記為S11senb。如此設計的所述敏化電路正是高傳感敏感度無源RFID傳感標籤設計所需要的。在本實施例中，所述備選敏化電路即為針對所述負載變化路徑中各個天線阻抗值下使所述RFID傳感標籤具有最高的傳感敏感度的敏化電路，但是由於所述環境變化導致了所述天線的輸入阻抗值的變化，因此需要在所有的所述備選敏化電路中選取一個能夠最大化提升所述RFID傳感標籤的傳感敏感度的備選敏化電路作為所述敏化電路。
在所述敏化電路的實際設計中，需要保證功率傳輸係數τ在負載變化路徑上的單調性，這是由於需要保證所述RFID傳感標籤的可實現增益與環境狀態的一一對應，如果功率傳輸係數在所述負載變化路徑上不具有單調性，就可能會出現一個可實現增益值對應兩個甚至多個不同的環境狀態的情況出現，這是不符合環境傳感功能的要求的。
參考圖2，圖2為包含所述匹配網絡的RFID傳感標籤的等效電路，在圖2中，Eg表示源，Zg表示源阻抗，ZL表示負載阻抗，Zin表示輸入阻抗，S表示匹配網絡，τ表示RFID傳感標籤的功率傳輸係數，Zg＝Rg+jXg，Zin＝Rin+jXin，ZL＝RL+jXL，其中Rm(m∈(g,in,L))表示阻抗的實部，Xm(m∈(g,in,L))表示負載的虛部。將RFID傳感標籤中的RFID晶片和天線分別作為所述匹配網絡的源和負載(這裡僅考慮無耗互易對稱的匹配網絡)，天線的阻抗值隨環境狀態的變化會導致所述RFID晶片和天線的失配。對於同一負載阻抗變化，不同的匹配網絡產生的失配響應不同，故需定義網絡敏感度來描繪匹配網絡對RFID傳感標籤傳感敏感度的影響。網絡敏感度定義為所述匹配網絡輸入埠處的功率傳輸係數對負載變化的平均變化率，其定義式為其中，負載變化量△ZL的幅度δ和角度θ分別定義為δ＝[(△RL)2+(△XL)2]1/2和θ＝arctan(△XL/△RL)。對網絡敏感度的定義式進行泰勒展開，可得：
由於泰勒展開後的網絡敏感度定義式中每個導數都是匹配網絡散射參數S11的函數，因此可得網絡敏感度是負載值ZL、匹配網絡散射參數S11(由於匹配網絡的無耗互易對稱特性，匹配網絡中的其他散射參數可用S11表示)、負載變化幅度δ和角度θ的函數。對於一個確定的RFID傳感標籤的天線，負載值ZL和負載變化δ和θ是已知的，因此匹配網絡的散射參數是唯一可以用於調節RFID傳感標籤傳感敏感度的變量。
下面對所述備選電路選取模塊A40的具體工作過程進行說明：對於給定的負載，我們定義匹配度τ0來描述匹配網絡設計的功率傳輸係數。對於給定的源阻抗Zg和負載阻抗ZL，設計於τ＝τ0的匹配網絡存在一系列散射參數S11的值。對於同一負載變化，不同的匹配網絡的散射參數S11的值展現出不同的網絡敏感度。因此對於給定的負載變化△ZL＝δ∠θ和匹配度τ0，總可以找到一個匹配網絡的散射參數具有極大的網絡敏感度，成為峰值敏感度。當τ0∈[0～1]內變化時，總可以找到峰值敏感度的最大值，稱為最大敏感度，將取得最大敏感度的匹配網絡定義為該負載下的備選敏化電路。
如圖3所示，圖3為不同天線負載值(ZL1＝1+j50Ω,ZL2＝5-j80Ω,ZL3＝11+j143Ω)沿θ＝π變化時，峰值敏感度隨匹配度τ0變化的曲線。在計算和圖3的繪製中，源阻抗設定為Zg＝11-j143Ω。從圖3可得，最大敏感度Senmax在某一匹配度τ0處取得。例如，負載ZL＝1+j50Ω沿θ＝π變化時,最大敏感度Senmax＝0.42可以由設計在τ0＝0.67的敏化電路S11＝0.198∠0.329π取得。同時，具有較小電阻的負載在整個匹配度範圍τ0∈[0～1]內都取得較高的網絡敏感度，其中τ0＝1表示完全匹配網絡，其敏感度(圖3中標號A1所示部分)如圖4所示。
在上述實施例的基礎上，在本申請的一個實施例中，所述散射參數確定模塊包括：
計算單元，用於根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線計算每個備選敏化電路的敏感度差值；
比較單元，用於比較所有所述備選敏化電路的敏感度差值，將具有最小的敏感度差值的備選敏化電路的散射參數作為所述敏化電路的散射參數。
具體地，參考圖6，圖6為所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線。
根據所述備選電路選取模塊A40獲取的所有所述備選敏化電路的散射參數對應的最大網絡敏感度和所述負載變化路徑中的各個天線的阻抗值描點繪製的所述最大敏感度分布曲線y0＝Senmax(ZL)如圖6中的實線所示；每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線(其中，n表示所述備選敏化電路的數量，也即所述負載變化路徑中的天線的阻抗值的數量)如圖6中的虛線曲線所示。
相應的，所述根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數包括：比較和計算最大敏感度曲線和網絡敏感度曲線的差值：
其中，具有最小的敏感度差值的備選敏化電路，意味著其在所述負載變化路徑上具有最大的總體敏感度，其對應的負載值ZLi和網絡散射參數S11i為所述敏化電路的最佳負載ZBL和散射參數S11senb。
下面以具體的例子進行說明，RFID晶片採用Alien Higgs H-3晶片，在915MHz阻抗為27-j200Ω。溫度感知通過加載在天線上的熱敏電阻實現。熱敏電阻的等效阻抗可以看作電阻和電容的並聯ZS(T)＝RS(T)||CS(T)，其中T表示溫度。當溫度從25℃變為160℃時，電阻RS從2.2KΩ減小至200Ω，電容CS從0.3pF增大至0.7pF。採用未優化的蜿蜒線天線作為初級RFID傳感標籤的天線，天線拓撲和結構參數如圖7所示，圖7中，標號100表示所述RFID晶片，標號200表示熱敏電阻，熱敏電阻加載在天線的一臂上。天線基板介電常數為6.15，厚度為1mm。具體天線尺寸如下：W1＝2.5mm,L1＝26.5mm,W2＝2.5mm,L2＝26mm,W3＝2.5mm,L3＝14.5mm,W4＝2.5mm和L4＝20mm。
初級RFID傳感標籤天線的輸入阻抗在915MHz隨溫度變化如圖8所示，圖8中標號300表示天線輸入電阻，標號400表示天線輸入電抗。初級RFID傳感標籤的功率傳輸係數和天線Z方向(參考圖7中的XYZ坐標系)增益在915MHz隨溫度變化如圖9(a)和9(b)中的虛線所示。
利用所述敏化電路的確定方法，可得敏化電路的S11senb＝0.634∠0.798π，最佳負載ZBL＝18.2-j94.3Ω。最佳負載ZBL在T＝85℃時取得。該敏化電路可以用圖10所示的共面帶狀線電路實現。具體敏化電路尺寸如下：w1＝0.5mm,l1＝4mm,w2＝3mm,l2＝39.2mm和d＝0.4mm。將該敏化電路插入初級RFID傳感標籤的晶片和天線之間，具有溫度探測功能的高敏感度的RFID傳感標籤如圖11所示。插入敏化電路後，所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數和天線增益隨溫度變化如圖9(a)和圖9(b)中的實線所示。比較圖9(a)和圖9(b)中實線和虛線可以看出：加入所述敏化電路後，所述RFID傳感標籤功率傳輸係數和所述RFID傳感標籤天線增益的敏感度和動態範圍都大幅度提高。計算可得：加入敏化電路後，所述RFID傳感標籤的可實現增益動態範圍從0.01增大為0.78。
值得注意的是，對比現有技術中的文獻：「S.Manzari,S.Caizzone,C.Rubini,and G.Marrocco,「Feasibility of wireless temperature sensing by passive UHF-RFID tags in ground satellite test beds,」in Proc.IEEE Int.Conf.WiSEE,Noordwijk,The Netherlands,pp.1–6,Oct.2014.)」，該文獻中採用相同的熱敏電阻，通過優化標籤天線實現了0.21的可實現增益動態範圍。因此敏化電路能夠結合隨意採用且未經優化的初級RFID傳感標籤天線，達到較優化選定天線的RFID傳感標籤高得多的敏感度。因此採用本發明的設計方法，無需特別篩選RFID傳感標籤天線形式，即可方便地實現具有溫度探測功能的高敏感度的RFID傳感標籤的設計。
當所述RFID傳感標籤中嵌入或接入不同的傳感器，如溫度、溼度、氣體、振動等傳感器，本發明的設計可廣泛用於軍事、工業自動化、智能農業、食品安全和生物醫學等眾多應用領域。
在上述實施例的基礎上，在本申請的又一個實施例中，所述敏化電路確定模塊A80具體用於根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路的LC集總電路結構，並根據所述RFID傳感標籤的天線形式確定所述敏化電路的LC集總電路的分布式電路。
相應的，本申請實施例還提供了一種敏化RFID傳感標籤，包括天線、傳感器和RFID晶片，還包括：
設置於所述天線與所述RFID晶片之間的敏化電路，所述敏化電路由上述任一實施例所述的敏化電路的確定方法確定。
綜上所述，本申請實施例提供了一種敏化電路的確定方法、確定系統及敏化RFID傳感標籤，其中，所述敏化電路的確定方法用於確定所述敏化電路，以通過在不降低所述RFID傳感標籤的天線增益的基礎上，提高所述RFID傳感標籤的功率傳輸係數的動態範圍，從而提升所述RFID傳感標籤的可實現增益，進而提升所述RFID傳感標籤的傳感敏感度。並且所述敏化電路的確定方法通過確定所述負載變化路徑，並針對所述負載變化路徑中的每個天線的阻抗值選取每個匹配網絡的備選散射參數；然後選取在每個匹配網絡的備選散射參數中選取在每個阻抗下使該匹配網絡的網絡敏感度最大的備選散射參數作為所述備選敏化電路的散射參數，最後根據所述最大敏感度分布曲線和每個所述備選敏化電路在所述負載變化路徑上的網絡敏感度曲線，確定敏化電路的散射參數，並根據所述敏化電路的散射參數確定所述敏化電路，以實現能夠最大化提升所述RFID傳感標籤的傳感敏感度的敏化電路的確定。
並且，當所述敏化電路應用於天線經過優化的RFID傳感標籤中時，可以進一步提升天線經過優化的RFID傳感標籤的傳感敏感度；所述敏化電路還可以應用於天線未經過優化的RFID傳感標籤中，以實現較單純優化天線的RFID傳感標籤更高的傳感敏感度。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。