CN104050499A - 一种高频射频识别标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频射频识别标签，该高频射频识别标签包括：标签芯片，用于与线圈天线构成能量接收和信号收发的调谐网络，并实现无线通信中所需要的稳压、过压保护、时钟恢复、解调接收数据、处理数据和调制发送数据功能；以及多个线圈天线，连接于该标签芯片，用于接收和发送数据。利用本发明，由于不触及阅读器端的设备，因此在同等条件下，更容易实现更远距离的数据通信，并且符合国家法规，不影响通信的数据速率和通信质量，能够应用已有的标签芯片将通信距离增大到近程无线耦合通信的距离上限。

Description

一种高频射频识别标签

技术领域

本发明涉及高频射频识别标签技术领域，具体涉及一种能够使标签芯片工作在更低场强下的高频射频识别标签，从而实现更远的通信距离。

背景技术

目前射频识别技术应用广泛，是物联网技术的基础。射频识别技术采用电磁波作载体，使用无线通信技术和现代集成电路实现人员和物品的自动识别，并进行信息的在线交换。和光学等自动识别技术相比，射频识别技术具有无光线遮挡、可以在线改写数据、抗恶劣环境能力强、通信距离远等优点，普及迅速。

根据射频识别技术工作使用的频段，又分为低频段(LF，如125KHz/134KHz)、高频段(HF，如13.56MHz)、超高频段(UHF，如902-928MHz)和微波段(如2.45GHz、5.8GHz)等。低频和高频段的射频识别采用的是线圈天线磁耦合的方式，进行射频识别阅读器和标签之间的能量和信号传递，属于近场通信；超高频段使用电磁场在射频识别阅读器和标签之间进行能量和信号传递，属于远场。低频和高频的射频识别访问距离近，有10厘米、1米等不同的访问距离，而且通常1米和1米以上访问距离需要两个天线来实现；超高频访问距离远，可以达到3米以上。

射频识别的一个重要过程，是射频识别阅读器对工作范围内的射频标签进行清点。射频识别在不同电磁波段实现的方法和原理不同。高频段根据电磁场的作用原理，清点过程可以采用基于位冲突检测的二元树遍历方法，清点所需时间和射频识别标签数量成线性关系，是一个确定性的过程。超高频的射频识别清点是一个概率过程，完全清点的概率越大，所需的时间也越多。目前普遍实现的超高频射频识别清点率约为80％，即80％的标签能够在限定的时间内清点出来。这对于单品管理(Item Level)的应用很不利。从这个角度看，高频射频识别具有很大的优越性，因此，ISO组织在2011年年底将单品管理的射频识别技术从超高频扩展到高频领域，即为ISO18000-3M3，被称为“RFID ILT HF”技术。虽然高频射频识别在标签清点上具有优势，但是高频射频识别访问的距离限制依然困扰着高频射频识别应用。

理论上，高频射频识别单天线的1/10波长的范围内都属于近场的工作范围，比如13.56MHz的应用，对应的波长约为22米，则理论近场的可工作范围约为2.2米。但是高频射频识别的标签和阅读器天线的距离每增加10倍，阅读器天线磁场的能量密度就降低为1/1000。例如，对于当前10厘米工作距离的高频射频识别系统，如果射频识别标签在阅读器天线10厘米处能获得10mW的能量，同样的标签在阅读器天线1米能获得的能量仅为10uW。需要设计出这样的标签天线系统才能发挥高频射频识别技术的优势：既能在阅读器天线近距离处保持现有的工作性能，又要能够在理论极限距离下工作。

图1示出了无线电近场、远场通信距离和波长关系。从电磁场的作用机理来看，对于高频段的射频识别系统，射频阅读器和射频识别标签之间的能量和数据传输机制属于近场感应磁耦合传输。即射频阅读器和射频识别标签之间的距离小于射频信号波长的1/2π。

图2示出了高频射频识别耦合通信的原理。射频识别阅读器的线圈天线在驱动信号的作用下，产生交变的激励磁场。当射频识别标签被置于这个交变的磁场中时，射频识别标签的线圈天线感生出电信号，当该感生的电信号足够驱动射频识别标签中的芯片工作时，射频识别标签中的芯片根据接收到的指令，通过改变自身负载的方式将数据传输到到射频识别阅读器。

从磁场场强的分布特性可知，当射频识别标签与射频识别阅读器线圈天线的距离小于射频识别阅读器线圈天线等效半径时，射频识别阅读器线圈天线产生的激励磁场的场强与射频识别阅读器线圈天线的半径倒数相关；当射频识别标签与射频识别阅读器线圈天线的距离大于射频识别阅读器线圈天线等效半径时，射频识别阅读器线圈天线产生的激励磁场的场强与该距离的三次方成反比，即，射频识别标签与射频识别阅读器线圈天线的距离增大10倍，射频识别阅读器线圈天线产生的激励磁场的场强衰减1/1000。

根据射频标签线圈天线两端的感生电压公式：

V₀＝2πfNSQB₀cosα

其中f是载波频率；

N是射频标签线圈天线的匝数；

S是射频标签线圈天线的截面积；

Q是射频标签线圈天线网络的品质因数；

B₀是射频标签所处位置的场强；

α是射频标签线圈天线平面和射频识别阅读器线圈天线产生的激励磁场的场强方向的夹角。

为了实现更远的通信距离，一个直接的方法是增大射频识别阅读器发射功率。但是增大射频识别阅读器的发射功率能够增加的通信距离非常有限：一方面，射频识别阅读器线圈天线产生的激励磁场的场强在访问距离每增加10倍时就被衰减1/1000，而射频识别阅读器的发射功率受到器件的物理性能和国家法规等限制，不能增大1000倍；另一方面，若通过增大射频识别阅读器功率提高远距离处激励磁场的场强，那么近距离处激励磁场的场强也会随着射频识别阅读器线圈天线的电流线性增大，超出射频识别标签中芯片可稳定工作的场强范围。

在高频段，国家法规允许的辐射功率是在距天线表面10米处的场强不能大于42dBuA/m。超出这个功率的使用，需要得到无线电管理部门的许可。当前ISO规范确定的射频识别芯片的工作最大和最小的场强比远小于1000，如，ISO14443规范规定的芯片工作场强是1.5～7.5A/m，在12A/m场强下不能被损坏；ISO15693规范规定的芯片工作场强是0.5～5A/m，工作的场强范围最高和最低约为10倍。

另一种提高高频射频识别访问距离的方法为增加射频识别阅读器线圈天线的等效半径。射频识别阅读器线圈天线与最佳的射频识别标签访问距离之间关系为：

$Z=\sqrt{2}R$

其中Z是最佳的射频识别标签访问距离；

R是射频识别阅读器线圈天线的等效半径。

但射频识别阅读器的线圈天线尺寸受多种因素的限制，其中之一就是天线网络的匹配。天线尺寸越大，等效的电路电感越大。需要采用串联谐振方法将射频识别阅读器线圈天线电感匹配到工作频率，即13.56MHz，电感越大，复阻抗越大，越难以使用现有匹配电路进行天线匹配。

此外，还可以通过牺牲数据通信速率方式来获得更远的通信距离。例如不采用子载波的数据发送方式，则可以使用带宽更窄的天线系统实现低速率的数据传输，从而保证射频识别阅读器能量的发送及射频识别标签的能量获取。但是，为确保发送的信号和射频识别标签的负载调制回波能够通过射频识别阅读器线圈天线，射频识别阅读器线圈天线网络的品质因数应为8～10左右。射频识别阅读器线圈天线网络的品质因数太低，信噪比不好；太高，则有效信号不能通过。此方法同样不适用于使用子载波调制回传数据的射频识别系统，此系统中，射频识别阅读器的线圈天线网络品质因数处于固定的范围内。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述在射频识别阅读器端已做了大量的努力，但目前仍存在传输距离、数据速率和通信质量等均不理想的问题，本发明的主要目的在于提供一种高频射频识别标签，以实现更远距离的数据通信，并不影响通信的数据速率和通信质量。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种高频射频识别标签，该高频射频识别标签包括：

标签芯片，用于与线圈天线构成能量接收和信号收发的调谐网络，并实现无线通信中所需要的稳压、过压保护、时钟恢复、解调接收数据、处理数据和调制发送数据；以及

多个线圈天线，连接于该标签芯片，用于接收和发送数据。

上述方案中，该多个线圈天线并联连接。该多个线圈天线均具有第1端和第2端，该多个线圈天线并联连接是将所有的第1端短接，并将所有的第2端短接。

上述方案中，该多个线圈天线连接于该标签芯片，是将该多个线圈天线并联连接后，将所有的第1端和所有的第2端同时连接于该标签芯片的天线端。

上述方案中，该多个线圈天线使用无骨架的空气线圈。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种高频射频识别标签，能够通过增大标签耦合天线的线圈匝数、线圈面积和线圈介质磁导率，在较低场强下获得标签芯片工作所需能量的前提下，仍保证标签天线等效电路的品质因数和通信品质，从而在同等阅读器和阅读器天线下实现更远的通信距离。

2、本发明提供的这种高频射频识别标签，由于不触及阅读器端的设备，因此在同等条件下，更容易实现更远距离的数据通信，并且符合国家法规，不影响通信的数据速率和通信质量，能够应用已有的标签芯片将通信距离增大到近程无线耦合通信的距离上限。

附图说明

通过对附图中本发明实例实施方式的更详细描述，本发明的上述、以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，相同的参考标号通常代表本发明实例实施方式中的相同部件。

图1示出了无线电近场、远场通信距离和波长关系；

图2示出了高频射频识别耦合通信的原理；

图3示出了依照本发明一个实施例的高频射频识别标签的等效电路图；

图4示出了线圈天线长度、面积、匝数的关系；

图5示出了高频射频识别标签耦合电压与高频射频识别标签等效电路的关系；

图6示出了高频射频识别通信速率和高频射频识别标签等效电路匹配的关系；

图7示出了依照本发明实施例的高频射频识别标签采用两个天线线圈电感并联的原理图；

图8示出了依照本发明实施例的高频射频识别标签的另一个实例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种高频射频识别标签，该高频射频识别标签通过增大标签线圈天线的有效匝数、天线介质的磁导率和线圈面积，但又保持标签天线的电感参数，从而在更低的场强下，能够有效获得标签芯片工作所需能量，同时保持标签天线等效电路匹配参数，实现确定速率通信必须的品质因数，从而实现更远的通信距离。

本发明提供的高频射频识别标签，包括标签芯片和多个线圈天线，多个线圈天线并联连接，多个线圈天线并联连接后再连接于标签芯片。其中，标签芯片，用于与线圈天线构成能量接收与信号收发的调谐网络，并实现无线通信中所需要的稳压、过压保护、时钟恢复、解调接收数据、处理数据和调制发送数据等功能；线圈天线用于完成接收数据和发送数据等功能。

其中，该多个线圈天线均具有第1端和第2端，该多个线圈天线并联是将所有的第1端短接，并将所有的第2端短接。该多个线圈天线并联连接后再连接于标签芯片，是将该多个线圈天线并联后，将所有的第1端和所有的第2端同时连接于该标签芯片的天线端。

如图3所示，图3是依照本发明一个实施例的高频射频识别标签的等效电路图。线圈天线等效为电路模型中的电感L；标签芯片等效为调谐电容C和可变负载R_load。本发明提供的高频射频识别标签等效为由线圈天线电感L、调谐电容C及可变负载R_load构成的并联调谐电路，该并联调谐电路从射频识别阅读器产生的激励磁场中耦合获得能量。

在图3所示的高频射频识别标签的等效电路中，储能的电感L、电容C和耗能的负载R_load决定了高频射频识别标签等效电路的品质因数Q。从磁耦合感应的角度来看，射频识别标签的线圈天线是一个多匝的线圈回路，线圈面积为S、匝数为N，线圈的面积越大，匝数越多，从确定的激励交变磁场中耦合获取能量的能力越强。

图4示出了线圈天线长度、面积和匝数的关系。首先，标签的天线电感必须满足一定的量值，如对于13.56MHz的系统，当芯片内部的调谐电容C约为4lpF时，调谐的天线电感约在3.3uH。对于确定长度的标签天线，绕的线圈面积越小，匝数越多；反之线圈面积越大，匝数越少；线圈的匝数越多，互感效应就越大。考虑到天线导线的单位长度电感是一个确定的值，因此，需要适当调配天线线圈的匝数和线圈面积。如果天线线圈的面积不变，匝数加倍，则天线的电感也会加倍或者更大，高频射频识别标签等效电路的调谐频率就会偏移工作频率，比如13.56MHz，同等条件下，标签天线从激励场获得能量的能力反而下降。

图5示出了高频射频识别标签耦合电压与高频射频识别标签等效电路的关系。可见，对于射频识别标签，只有与射频识别载波频率匹配的等效电路才能最大效率的从激励磁场中耦合得到能量。高频射频识别标签等效电路匹配可用电学参数电感L、电容C和电阻R表示，对线圈天线来讲，当标签内的调谐电容C和等效负载R_load确定了，等效电路匹配即取决于天线电感的值。

图6示出了高频射频识别通信速率和高频射频识别标签等效电路匹配的关系。通信速率与高频射频识别标签等效电路的品质因素Q相关。可见，通信速率要求标签天线的匹配等效电路品质因数Q满足一定的要求，Q越大，带宽越小，有效的通信速率越低；Q越小，带宽大，有效地通信速率越高；同时，无论Q大还是小，带宽小还是大，对于一定水平的噪声，需要保证数据传输的信噪比，才能保证信号有效传输。

综上所述，从电磁场能量耦合角度出发，需要很大的标签天线截面积，需要更多匝数的天线。但是天线的截面积和匝数的增加，意味着更长的线圈导线，也就是意味着更大的电感L，这严重破坏了天线等效电路电学方面的调谐、调谐网络的品质因素等，从而制约了能量的获取和信号的传输。

对于原有的设计，如果标签天线的电感L、线圈截面积S、匝数N、标签芯片的匹配电容C和标签芯片的负载阻抗R_load，整个天线等效电路的品质因数Q：

$Q=R_{\mathrm{load}}\sqrt{\frac{C}{L}}$

调谐频率f_osc：

$f_{\mathrm{osc}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

如果保持线圈截面积S，将匝数增大到N1，则标签天线的电感增大为L₁，改变后的标签天线等效电路品质因数Q₁：

$Q_1=R_{\mathrm{load}}\sqrt{\frac{C}{L_1}}$

调谐频率f_losc：

$f_{1\mathrm{osc}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{1}C}}$

如果L₁增大为L的2倍，则品质因数Q降低为原来的0.707，调谐频率降低为原系统的0.707。品质因数Q的降低意味着可以使用更高的通信速率；但是调谐频率降低，意味着标签从阅读器激励磁场中获得的能量降低。

如果能将上述的两个天线并联，则天线调谐回路的电感保持原有的设计不变，但是天线的匝数从N增大到N1，在同样的场强下可以获得更多的能量。

图7示出了依照本发明实施例的高频射频识别标签采用两个天线线圈电感并联的原理图。对应镜像的两个相同的天线线圈，其电感均为L₁，将两个天线线圈的两端交叉相连，以保证同一耦合磁场的感生电流相互叠加而非抵消。相连后的线圈天线接在标签芯片的天线端子，跟据根据电感的并联等效公式，有：

即采用2倍电感的标签线圈天线并联后，并没有破坏标签天线等效电路的电学特性，但是天线的耦合获取能量的能力由于天线的匝数增大或者面积增大得到提升。这里，假定理想的电感并联情形(即不考虑互感和衬底材料的影响)，通过增大标签线圈天线的匝数和/或面积，使用并联的方法降低整体线圈天线的电感参数，能够从低场强中获得更多的能量，但又没有破坏标签天线等效电路的电学特性：调谐频率、品质因数等。

更多的，为了能够在高达1000倍场强变化的范围内有效获得激励场的能量，可以综合标签天线线圈的截面积、匝数及线圈天线中间的介质材料，采用更大磁导率的材料，从而获得局部更高的磁通密度；然后结合多个电感天线线圈并联的方法，抵消由此导致的天线电感量的增加，保持电学特性的变化在可以接受的范围内，比如：品质因数Q值在8～10，从而保证了标签能够正常工作。

图8示出了依照本发明实施例的高频射频识别标签的另一个实例。在该实例中，标签的线圈天线采用8个相同的线圈天线并联(半径为16cm)，单个线圈采用AGW30绕制，单个线圈天线的匝数：10。这些线圈采用同样的方法加工，具有统一的尺寸和电学特性，所有线圈天线两端标记有1和2；在确定第一个天线线圈的位置基础上，其他的线圈天线位置采用原始位置叠加然后沿着中心旋转的方法得到；这样的方式下，将所有的1端短接，将所有的2端短接；最后将端子1、2和标签芯片的天线端相连。这样的标签线圈天线设计，能够在有效增大标签天线线圈面积和匝数的前提下，保证了标签天线等效电路的电学特性，从而在满足更低场强下能量的获取以及数据通信的要求。该标签的设计由于不改变标签天线等效电路的电学参数，因此，也适用于阅读器天线附近高场强下工作，工作的场强范围宽。

一个实施效果的例子如下：对于0.5×0.5米的正方形阅读器天线，4W的功率；在此阅读器、阅读器天线配置下，使用意法半导体的M24LR64射频识别标签芯片，采用标准信用卡尺寸封装的标签天线，可以实现0～40厘米的通信距离，采用本发明的标签天线，可以实现0～1.8米的通信距离。

需要说明的是，本发明的附图和说明书中分别以使用2个天线的线圈、8个天线线圈并联为例进行说明，线圈使用无骨架的空气线圈，但是实际系统的线圈天线数量、形状、骨架材料和天线材料不受此限制，甚至并联的线圈电感并不要求是完全一致的，可以由独立的形状、结构组成等等，但是和标签芯片相连的两端等效后的电感L，应保持和标签芯片调谐电容C并联的调谐频率和阅读器磁场频率(对于高频ISO规范，对应13.56MHz)一致，在标签芯片负载R_load等效的范围内，标签天线网络的品质因素Q满足通信数据速率的带宽要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高频射频识别标签，其特征在于，该高频射频识别标签包括：

标签芯片，用于与线圈天线构成能量接收和信号收发的调谐网络，并实现无线通信中所需要的稳压、过压保护、时钟恢复、解调接收数据、处理数据和调制发送数据；以及

多个线圈天线，连接于该标签芯片，用于接收和发送数据。

2.根据权利要求1所述的高频射频识别标签，其特征在于，该多个线圈天线并联连接。

3.根据权利要求2所述的高频射频识别标签，其特征在于，该多个线圈天线均具有第1端和第2端，该多个线圈天线并联连接是将所有的第1端短接，并将所有的第2端短接。

4.根据权利要求3所述的高频射频识别标签，其特征在于，该多个线圈天线连接于该标签芯片，是将该多个线圈天线并联连接后，将所有的第l端和所有的第2端同时连接于该标签芯片的天线端。

5.根据权利要求1所述的高频射频识别标签，其特征在于，该多个线圈天线使用无骨架的空气线圈。