CN102521639A - 基于多天线的具有无源唤醒功能的有源rfid标签 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频技术领域，涉及一种基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签，包括天线阵、无源唤醒模块和有源通信模块，天线阵包括四个位于同一个平面的微带天线，分别分布在一个正方形的四条边上；无源唤醒模块包括四组阻抗匹配网络和倍压整流电路，每个倍压整流电路通过一个阻抗匹配网络接到一个天线上，四个倍压整流电路的输出端并联后接到储能电容上，由储能电容产生的有源通信唤醒信号被接到有源通信模块的电源开关上。本发明的有源RFID标签改善了无源唤醒方式对有源标签工作距离的制约，保持了有源标签较远的工作距离。

Description

基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签

技术领域

本发明涉及一种有源射频识别标签，特别是涉及一种有源射频识别标签的多天线结构。

背景技术

根据实现的方式不同，RFID可分为两类：有源RFID和无源RFID。无源RFID的电子标签上不带电池，其工作所需要的全部电源都依靠转换接收到的阅读器发送的电磁波而获得，但是这个能量很微弱，从而限制了无源标签的阅读距离。与之相反，有源RFID的电子标签自身具备电池，可提供全部器件工作的电源，因而有效阅读距离大大增加。

由于很多场合需要具有很远工作距离的RFID系统，所以有源RFID有广阔的应用前景。但是有源RFID较大的功耗影响了标签电池使用时间，因而标签寿命比较短。如何有效地降低RFID标签功耗，节省有限的电能，尽可能延长电池的使用寿命成为主要的技术问题。

目前国际上普遍采用有源唤醒方式和延长芯片睡眠时间来实现功耗的降低。唤醒功能是指RFID设备在不工作的情况下处于低功耗的睡眠模式，只有在接收到有效信号后才会唤醒后台进入工作状态，这样可以减少设备的待机功耗，延长电池寿命。而有源唤醒是指设备定时开启接收端的检测窗口，在很短的时间内检测是否接收到有效信号，如果接收到有效信号则产生中断信号，唤醒设备开始工作；否则就再次返回睡眠模式，等待下次检测脉冲。有源唤醒方式的缺点是：有源唤醒的待机模式下定期自唤醒过程的功耗也相当大，所以有源唤醒仍然没有彻底解决待机功耗问题，多数有源唤醒的标签电池寿命只有1年左右，不能满足实际应用的要求。

最近有人提出用无源唤醒的方式来延长有源标签电池寿命。标签结合了无源标签和传统有源标签的优点，包含无源唤醒模块和有源通信模块。阅读器定期发射唤醒信号，标签的无源唤醒模块用于对唤醒信号进行检测，当接收到有效信号后产生一个内部唤醒信号将有源通信模块的电源开关打开，有源通信模块进入工作模式。当有源通信模块通信完毕后，模块内部的微处理器产生一个关断信号，将电源开关关断，有源通信模块完全进入掉电模式。

目前提出的具有无源唤醒功能的有源RFID标签一般具有一个或者两个天线。具有两个天线的有源标签的使用一个天线获取能量，另一个天线负责通信；而具有一个天线的标签的使用同一个天线来完成能量获取和通信。对于这两种方式，获取能量的天线都只有一个，而且标签天线一般是微带折叠偶极子天线。微带折叠偶极子天线的方向性导致标签放置位置不同会影响标签唤醒的灵敏度，从而制约了标签唤醒距离。而具有无源唤醒方式的有源RFID标签被唤醒后其阅读距离远大于唤醒距离。所以要想提高具有无源唤醒方式的有源RFID标签的工作距离，需要提高其唤醒距离，而唤醒距离又直接受标签天线的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种能够提高具有无源唤醒功能的有源RFID的工作距离的有源RFID标签。本发明使用多天线捕获能量的有源RFID天线结构，解决了传统有源标签待机功耗问题，并且改善了无源唤醒方式对有源标签工作距离的制约，保持了有源标签较远的工作距离。为此，本发明采用如下的技术方案：

一种基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签，包括天线阵、无源唤醒模块和有源通信模块，所述的天线阵包括四个位于同一个平面的微带天线，分别分布在一个正方形的四条边上；所述的无源唤醒模块包括四组阻抗匹配网络和倍压整流电路，每个倍压整流电路通过一个阻抗匹配网络接到一个天线上，四个倍压整流电路的输出端并联后接到储能电容上，由储能电容产生的有源通信唤醒信号被接到有源通信模块的电源开关上。

作为优选实施方式，每个倍压整流电路的输出端各串联一个肖特基二极管后再并联；所述的微带天线为微带折叠偶极子天线。

天线负责捕获能量和进行通信，由于标签的微带天线具有方向性，所以如果使用单个天线的话，当标签放置位置不同，所接收到的信号强度相差很大，所以唤醒距离也不同，这将大大限制了标签唤醒和通信的可靠性。本发明中标签使用由四个微带天线组成的天线阵，四个天线分布在上下左右四个方位，这样天线阵列在一个平面上各个方向接收信号的能力将基本一样，实现天线在同一平面上的全向性，大大提高标签唤醒距离。同时，每个天线末端都有一组倍压整流电路，倍压整流电路的输出端接一个肖特基二极管，然后将四组倍压整流电路并联起来，增加了唤醒信号的驱动能力，因此可以减少了唤醒时间并且提高了唤醒信号的稳定性。本发明的突出优点是：

(1)基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签极大地提高了标签的唤醒距离，远大于普通基于单天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签，理论上阅读距离可达基于单天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签的3-4倍，能够满足远距离工作的要求。

(2)和基于单天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签相比，基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签增加的三个天线和三组倍压整流电路都工作在无源状态，即不需要消耗标签电池能量，不会增加标签耗电量，仍然能保持极低的待机功耗。

附图说明

图1是基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签的结构框图。

图2是单个微带折叠偶极子天线示意图。

图3是四个微带折叠偶极子天线组成的天线阵示意图。

图4是单个微带折叠偶极子天线二维方向图。

图5是四个微带折叠偶极子天线组成的天线阵的二维方向图。

具体实施方式

本发明基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签包括能量捕获天线、无源唤醒模块和有源通信模块，而且对能量捕获天线和无源模块的改进是本发明的重点。基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签的结构如图1所示。标签能量捕获天线是由四个微带折叠偶极子天线组成的天线阵。单个微带折叠偶极子天线如图2所示。四个微带折叠偶极子天线组成的天线阵如图3所示。微带折叠偶极子天线的形状按照50欧姆阻抗匹配设计。

本发明RFID标签的工作频率为915MHz，即唤醒信号频率和有源模块工作频率均为915MHz。

本发明的重点在能量捕获及产生唤醒信号的方式上。单个微带折叠偶极子天线具有明显的方向性，这就导致当标签捕获不同方向能量的能力不同，在增益大的方向上，捕获能量效率高，在增益小的方向上，捕获能量效率低。基于保证标签稳定工作的前提，标签的唤醒距离应该以增益最小方向上的唤醒距离为标准。这就大大限制了标签的唤醒距离，进而影响其工作距离。本发明中，将四个同样的微带折叠偶极子天线按照正方形四个边的方位放置，构成天线阵，该天线阵具有很好的对称性，这样该天线阵的二维方向图近似一个圆形，即接近二维全向性。而且在各个方向上的增益接近单个微带折叠偶极子天线的最大增益。这样就大大提高了标签唤醒距离，进而提高其工作距离。单个微带折叠偶极子天线的二维方向图如图4所示。四个微带折叠偶极子天线组成的天线阵的二维方向图如图5所示。

本发明的另一个创新点是，在每个微带折叠偶极子天线后都配备一组倍压整流电路，将接收到的射频能量转换为直流电能。倍压整流电路最前面连接到天线上的是由一个并联电容和串联电阻组成的阻抗匹配网络，通过调整可调电容的电容值来改变无源唤醒模块的输入阻抗，使无源唤醒唤醒模块的输入阻抗和天线阻抗匹配。阻抗匹配网络后面是一个由肖特基二极管和电容构成的倍压整流电路，用于将接收到的射频能量转化为直流电压。倍压整流电路的输出端并联一个稳压二极管，防止输出端电压过高。倍压整流电路的输出电压可由电路的级数调节，级数越高则输出电压越大。每个天线后端都接有倍压整流电路，四个倍压整流电路各自串联一个肖特基二极管后连接起来，然后接到储能电容的正极上。这样就相当于四个倍压整流电路并联起来给储能电容充电，提高了充电速度，而且增大了驱动能力，进而提高了标签的反应灵敏度。因为每个倍压整流电路都串联了一个肖特基二极管，肖特基二极管单向导电，所以可以避免储能电容对倍压整流电路反向放电的情况。这样，唤醒信号电压由输出电压最高的倍压整流电路决定，而不是输出电压最低的倍压整流电路。

Claims (4)

1.一种基于多天线的具有无源唤醒功能的有源RFID标签，包括天线阵、无源唤醒模块和有源通信模块，其特征在于，所述的天线阵包括四个位于同一个平面的微带天线，分别分布在一个正方形的四条边上；所述的无源唤醒模块包括四组阻抗匹配网络和倍压整流电路，每个倍压整流电路通过一个阻抗匹配网络接到一个天线上，四个倍压整流电路的输出端并联后接到储能电容上，由储能电容产生的有源通信唤醒信号被接到有源通信模块的电源开关上。

2.根据权利要求1所述的有源RFID标签，其特征在于，每个倍压整流电路的输出端各串联一个肖特基二极管后再并联。

3.根据权利要求1所述的有源RFID标签，其特征在于，所述的微带天线为微带折叠偶极子天线。

4.根据权利要求1所述的的有源RFID标签，其特征在于，由储能电容产生的有源通信唤醒信号经过稳压后被接到有源通信模块的电源开关上。

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