CN102694581B - 一种无线传感近距离通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感近距离通信系统，包括读卡终端以及移动终端，所述读卡终端包括扫频信号源及超材料，所述的扫频信号源用于生成电磁波并发送至所述的超材料；所述超材料，用于将接收的所述的电磁波进行调制，以获得与所述移动终端相耦合的电磁波并发送至所述的移动终端。本发明通过利用超材料与移动终端之间的耦合，通过检测其某些特征参数的变化来确定超材料与天线间的相对距离，相比原有的方法，不易受环境影响、距离控制更准确、误差小、距离控制的精度更高。

Description

一种无线传感近距离通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及一种无线传感近距离通信系统。

背景技术

随着科技的进步，生活质量的不断提高，通讯产品不断涌入人们的生活，当今无线通信技术发展非常迅速，如以话音业务为主的移动电信业务，从2G、2.5G、3G，不断向宽带移动数据通信发展，但技术复杂，成本高昂。而以计算机数据通信为主的无线网络，因为不需要高速移动，故多采用免申请牌照的频段，成本就低得多。在无线网络通信中，又以短距离无线通信使用较为广泛，包括蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)、IEEE802.11X、ZigBee等等，其中ZigBee主要用在成本低、体积小、功耗小、传输速率低的场合，其特理层和MAC层协议采用IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层则根据用户自己的需要进行开发。

其中，人们对近场通讯技术的需求越来越高，各种近场通讯设备以及相应的通讯协议，近场通讯应用等等得到了很好的发展。近场通讯技术能够应用在生活的诸多领域，可以实现用一部手机来代替公交卡、银行卡、员工卡、门禁卡、会员卡等非接触式智能卡。

在近场通讯技术中，核心问题之一就是距离的控制问题，通过距离的控制，不仅可以扩展近场通讯的应用领域，还可以在一定的范围内实现安全交易。

目前用于近场通讯的距离控制方法很多，根据利用的感应场不同，可以分为电磁场、超声波场等距离控制的方法。比较简单、常用的方法为利用电磁场进行距离控制，大致思想是通过读卡终端发出磁场，磁场则在空间形成随距离增大而衰减的空间磁场分布，移动支付终端通过感应磁场强度来大致判断与读卡终端的距离，从而实现距离的控制。但是因为磁场衰减程度变化小，以及易受环境影响等因素，带来了距离控制不准确、误差大等问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题在于，针对现有的无线传感通信系统易受环境影响等因素、带来了距离控制不准确、误差大的缺陷，提供一种能不易受环境影响、距离控制更准确以及误差小的无线传感近距离通信系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种无线传感近距离通信系统，包括读卡终端以及移动终端，所述读卡终端包括扫频信号源及超材料，其中：

扫频信号源，用于生成电磁波并发送；

所述超材料，用于将接收的所述的电磁波进行调制，以获得与所述移动终端相耦合的电磁波并发送至所述的移动终端。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述读卡终端还包括第一天线单元，与所述的扫频信号源相对设置，用于将所述生成的电磁波发送到所述的超材料。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述第一天线单元及扫频信号源置于所述的读卡终端内部。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述的超材料置于所述的读卡终端外表面上。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述移动终端包括鉴频/鉴相/鉴幅器以及处理器，其中：

所述的鉴频/鉴相/鉴幅器：用于判断所述超材料发送的电磁波频率/相位/幅度；

所述的处理器：与所述的鉴频/鉴相/鉴幅器相连，用于根据所述的判断进行电磁响应。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述移动终端还包括第二天线单元，与所述的鉴频/鉴相/鉴幅器相连，用于接收所述超材料发送的耦合的电磁波至所述的鉴频/鉴相/鉴幅器。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述超材料空间调制器包括基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述片状基板分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中形成一个单元，所述单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ在片状基板选定的情况下，为了获得与所述移动终端相耦合的响应效果，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得数值。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述基材由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述人造微结构为通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板上的具有特定图案的人造微结构。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述人造微结构为铜线或银线。

在本发明所述的无线传感近距离通信系统中，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

本发明有益效果为：通过利用超材料与移动终端之间的耦合，通过检测其某些特征参数的变化来确定超材料与天线间的相对距离，相比原有的方法，不易受环境影响、距离控制更准确、误差小、距离控制的精度更高。

附图说明

图1是本发明第一实施例无线传感近距离通信系统结构方框图；

图2是本发明第二实施例无线传感近距离通信系统结构方框图；

图3是本发明第一实施例中第一超材料的结构示意图；

图中各标号对应的名称为：

1读卡终端，2移动终端，11扫频信号源，12第一天线，15超材料，20第二天线，21鉴频/鉴相/鉴幅器，25处理器，151片状基板，152人造微结构。

具体实施方式

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

请参阅图1，本发明实施例一，一种无线传感通信系统，包括：读卡终端1以及移动终端2，其中，读卡终端1包括：扫频信号源11及超材料15，移动终端2包括：鉴频/鉴相/鉴幅器21，处理器25。

其中，扫频信号源11用于生成电磁波并发送。

超材料15，用于将接收的电磁波进行调制，以获得与移动终端2相耦合的电磁波并发送至移动终端2。

实际做产品时，可将扫频信号源11置于读卡终端1中，加以封装，超材料15置于所述的读卡终端的外表面上。

请参阅图2，本发明第二实施例，一种无线传感通信系统，包括：读卡终端1以及移动终端2，其中，读卡终端1包括：扫频信号源11及第一天线12及超材料15，移动终端2包括：第二天线20、鉴频/鉴相/鉴幅器21、处理器25。

其中，第一天线单元12，与所述的扫频信号源11相对设置，用于将电磁波发送到所述的超材料15。

实际做产品时，第一天线12及扫频信号源11置于读卡终端1内部，

超材料15置于读卡终端1外表面上。

第二天线20，与鉴频/鉴相/鉴幅器21相连，用于接收超材料15定向发送的耦合的电磁波至所述的鉴频/鉴相/鉴幅器21。

第一天线12与超材料15皆安装在读卡终端1的固定位置，它们之间距离一定，在近场范围内，靠近的移动终端2的第二天线20会与第一天线12以及超材料15之间发生耦合，而耦合产生的频率、相位、幅度等的变化与第二天线20和读卡终端1之间的距离密切相关。通过在移动终端2一端对接收到的电磁信号进行分析，提取特征的频率，相位、幅度变化情况等，从而计算出相对距离信息。

在实际的应用中，该距离控制方法实现方式为：首先通过扫频信号源11产生覆盖一定频率范围的扫频信号，通过第一天线12定向发出电磁波，在电磁波经过超材料15的过程中，电磁信号受到调制，然后被移动终端2的第二天线20所接收，接收到的信号输入到鉴频/鉴相/鉴幅器21，分析出其频率/相位/幅度等信息。根据这些信息，处理器25进行响应，就能够得出相应的距离信息。

当然，该发明亦可将第一天线12和扫频信号源11以及超材料15放在移动终端2上，而将第二天线20以及鉴频/鉴相/鉴幅21安装在读卡终端1。其实现距离控制的原理、过程与本实施例二基本相似。

所述超材料15为本发明的核心，其结构原理如下：

如图3所示，根据本发明的超材料15，包括：片状基板151以及若干人造微结构152。图3实际上是多个片状超材料沿与水平面垂直的方向层叠而成，片状基板151分成若干晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中人造微结构152所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于人造微结构152需要响应的电磁波频率，通常人造微结构152的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。

人造微结构152置于晶格形成一个单元，所述单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ在片状基板151选定的情况下，改变人造微结构152的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得数值，人造微结构152图案为“口”字型或“口”字型的衍生型，对人造微结构152的形状没有具体的限制，人造微结构152通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻在片状基板151上形成人造微结构152的。

为了更高效地影响电磁波，超材料一般由多个片状基板10堆叠形成，每个片状基板151上均附有多个人造微结构152，所有的人造微结构152在空间中形成周期阵列。通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻把不同电磁特性的材料组合在一起。

为了更有规律的效果以及更高的效率，人造微结构152在所述的晶格中呈周期性均匀分布，电磁波通过成千上万的均匀性的小孔时，量变引起质变，会发生累加效应，产生很多奇异的现象。

若干人工人造微结构152通过可由人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的人造微结构152进行设计，即：对人造微结构152进行设计，人造微结构152图案可为“口”字型，“O”型等。特定的电磁波的结构会产生吸波效应、涡流效应、等效电容效应等，诸如此类的效应会影响通过其的电磁波的能量，而电磁波能量与频率的关系为：E＝hv，h是普朗克常数，v是频率，E是指电磁波能量。

电磁波为一个矢量，其包括频率、幅度和相位，频率的变化会相应引起幅度和相位的变化，因此每个人造微结构152自身特定的结构实际上改变了通过的电磁波的频率，即：对输入的电磁波进行了调频、调幅与调相，另外，结构不同则引起的调频、调幅与调相不相同，因此，可以对电磁波的频率、幅度和相位实现任意调制。图1所示，超材料空间调制器左边的曲线组表示入射的载波(未调制前)，右边带箭头的的曲线组表示调制后的电磁波。所述超材料15发出的电磁波最终被所述移动终端2接收，并被上述鉴频/鉴相/鉴幅器21判断后送至处理器25进行响应。

本实施例中，所述人造微结构152为通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板151上的具有特定图案的金属线。所述金属线优选为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

本实施例中，所述基材151由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列，如图3所示，为堆叠后的一个超材料15的示意图，单个片状基板图3中并没有表现。

本发明的所述片状基板可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为人造微结构附着的基材是很好的选择。

在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的调节和控制效果，这是因为，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，即可改变超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ，可以设计出空间中每一点的等效电磁参数，相应地得到其等效电容，进而获得每个人造微结构自身的响应频率，从而可以精确控制超材料所在空间中每一点的调节和控制，进而得到我们想要的调制(整体调制)。至于怎么得到人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，先我们需要的调节和控制效果，根据此数效果去设计超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一点的电磁参数分布，根据这每一点的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的人造微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了人造微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的人造微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的人造微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

本发明中，对人造微结构的具体图案没有要求，因为只要其符合我们最终的调制效果，即可行。也可以说，人造微结构在超材料空间调制器上的组合是无限的。图2中超材料空间调制器上的框框并不是人造微结构的图案，只是表示此处设有人造微结构20，至于框框的不同大小则是表示不同的人造微结构。此处不同的人造微结构有多种情况，例如可以是人造微结构的图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。这个根据具体需要会有所不同，无规律可言，都是计算机仿真后的结果，也就是说整个超材料空间调制器中人造微结构的图案、设计尺寸及空间排布都是通过计算机逆向得到的，因为整个超材料空间调制器中人造微结构的数量庞大，因此如果正向设计，是根本无法实现的。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种无线传感近距离通信系统，其特征在于，包括读卡终端以及移动终端，所述读卡终端包括扫频信号源及超材料，其中：

所述扫频信号源，用于生成电磁波并发送；

所述超材料，用于将接收的所述的电磁波进行调制，以获得与所述移动终端相耦合的电磁波并发送至所述的移动终端,所述的移动终端对接收到的电磁信号进行分析，提取特征的频率，相位、幅度变化情况，从而计算出相对距离信息；

所述超材料包括基材，所述基材由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着多个人造微结构，所述片状基板分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中形成一个单元，所述单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ在片状基板选定的情况下，为了获得与所述移动终端相耦合的响应效果，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得数值。

2.根据权利要求1所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述读卡终端还包括第一天线单元，与所述的扫频信号源相对设置，用于将所述生成的电磁波定向发送到所述的超材料。

3.根据权利要求2所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述第一天线单元及扫频信号源置于所述的读卡终端内部。

4.根据权利要求2所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述的超材料置于所述的读卡终端外表面上。

5.根据权利要求1所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述移动终端包括鉴频/鉴相/鉴幅器以及处理器，其中：

所述的鉴频/鉴相/鉴幅器：用于判断所述超材料发送的电磁波频率/相位/幅度；

所述的处理器：与所述的鉴频/鉴相/鉴幅器相连，用于根据所述的判断进行电磁响应。

6.根据权利要求5所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述移动终端还包括第二天线单元，与所述的鉴频/鉴相/鉴幅器相连，用于接收所述超材料发送的耦合的电磁波定向发送至所述的鉴频/鉴相/鉴幅器。

7.根据权利要求1所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

8.根据权利要求1所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述人造微结构为通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板上的具有特定图案的人造微结构。

9.根据权利要求7所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述人造微结构为铜线或银线。

10.根据权利要求9所述的无线传感近距离通信系统，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。