CN104299028A - 超高频射频识别标签芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超高频射频识别标签芯片，至少包括依次连接的具有载波恢复电路和有源发射电路的超高频主动负载调制电路、被动负载调制电路和场强检测电路；所述的超高频主动负载调制电路包括：载波恢复电路和有有源发射电路；所述的场强检测电路，用于判断标签与阅读器之间的相对距离。本发明提高了射频识别系统的通信距离，只需更换标签，最大程度地保留已有的标签天线设计和应用场景设计，节约了电路的功耗，对于有源和半有源超高频射频识别标签，起到有效的提高通信距离的作用。

Description

超高频射频识别标签芯片
技术领域
本发明属于超高频射频识别技术领域，具体为一种超高频射频识别标签芯片。 
背景技术
采用反向散射原理的超高频(UHF：Ultra-High Frequency)射频识别技术(RFID：Radio Frequency Identification)在身份识别、仓储、零售和防伪等领域有着广阔的应用前景。随着射频识别技术中国国家标准和军用标准的陆续问世，射频识别技术的国产化可望成为未来几年中的技术热点。 
通信距离是影响射频识别技术适用范围的一个重要因素。目前，商用的超高频射频识别标签的通信距离大多在1-10m左右。进一步提高通信距离，可以为射频识别技术在不停车收费、物流管理等领域拓展出广阔的应用空间。 
如图1所示，一个典型的超高频射频识别系统包括了阅读器101和标签102两部分。射频识别系统的通信链路包括了由阅读器101向标签102传输信号的前向链路，以及由标签102向阅读器101传输信号的反向链路两部分。决定该系统最大通信距离的两个最基本因素是：1)阅读器发出的信号，经过前向链路的信道衰减后，需要大于标签的接收灵敏度；2)标签返回给阅读器的信号，经过反向链路的信道衰减后，需要大于阅读器的接收灵敏度。即： 
Ptx-Ploss forward≥Stag(l) 
Pback-Plosspack≥Sreader(2) 
式(1)中，Ptx是阅读器的发射功率，Ploss,forward是前向链路的信号衰减，Stag是标签的接收灵敏度。式(2)中，Pback是标签的返回信号功率，Ploss,back是反向链路的信号衰减，Sreader是标签的接收灵敏度。 
考虑到前向和反向链路的对称性，令Ploss＝Ploss,forward＝Ploss,back，并将标签的返回信号功率表示为接收功率和调制系数相乘的关系式，上述(1-2)式可以简化为： 
Ptx-Ploss≥Stag(3) 
(Ptx-Ploss)×m-Ploss≥Sreader(4) 
式(4)中的m为调制系数，在使用反向散射原理的超高频射频识别系统中，m∈[0，1]。 
根据自由空间信号衰减原理，阅读器和标签之间的距离越大，其信号衰减Ploss也就越大。因此，超高频射频识别系统实现正常通信的最远距离，对应了能够使(3-4)两式达到平衡的最大Ploss值。 
图2以更为直观的方式解释了(3-4)式的平衡条件。 
在图2中，横轴表示通信距离，可定义阅读器所在位置的通信距离为0，即图2中的横坐标原点，从原点向右，离原点的距离越远，系统的通信距离也就越远。纵轴表示信号功率的大小，沿纵轴从上到下，信号功率呈由大到小的变化。 
在图2中，A点201代表阅读器的发射功率Ptx，从左上指向右下的实线202代表前向链路的信号传输。从A点201发出的信号经前向链路的衰减后，到达B点203和C点204，它们的纵坐标代表了标签接收到的信号功率大小，横坐标代表了标签距离阅读器的远近程度，即通信距离。简便起见，考虑调制系数为最大值1时的情况，标签将接收到的信号100％返回给阅读器。于是，信号从图中的B点203和C点204经由反向链路的衰减后，沿虚线205和虚线207回到纵轴上的D点207和E点208，它们的纵坐标代表了阅读器接收到的信号功率大小。 
对比图2中A-B-D三点和A-C-E三点组成的折线可知，系统的最大通信距离由三个要素共同决定：1.阅读器的发射功率、2.标签可以正常工作的最低灵敏度、3.阅读器的接收灵敏度。其中，阅读器的发射功率Ptx受到无线电规范的约束，是一个定值。因此，提高射频识别系统的通信距离，意味着需要降低标签的最低灵敏度和阅读器的接收灵敏度。 
目前，常见的商用阅读器的接收灵敏度在-50dBm左右，而标签的接收灵敏度则可以达到-20dBm的左右(www.impinj.com/products)。参考图2可知，对于上述-50dBm阅读器和-20dBm标签组成的系统，制约通信距离的瓶颈因素是阅读器。由A点传输的信号在到达B点的-10dBm处，即发生折返，回到由D点的-50dBm决定的阅读器接收灵敏度处。信号传输沿着图2的A-B-D三点组成的折线移动，而没有充分使用到标签的接收灵敏度。为了提高通信距离，使得前向传输的信号可以到达-20dBm的标签灵敏度处，阅读器的灵敏度需要配合提高到E点的-70dBm，才能够不成为制约通信距离的瓶颈。尽管近年来，阅读器的设计技术取得了长足的进步，但是对于许多已经完成机具铺设的存量应用，无法随意对阅读器进行更改。此外，在手持式阅读器等功耗受限、天线尺寸受限的特征环境中，-70dBm的接收灵敏度仍然是一个巨大的设计挑战。 
因此，在现有阅读器设计能力的前提下，提高超高频射频识别系统的通信距离，意味着需要增强标签的返回信号功率。突破由反向散射原理决定的(4)式中，调制系数m≤1的限制。 
经文献检索，已知目前有一些方法可以起到增强标签返回信号功率的作用。其中，一种 方法是对标签返回给阅读器的信号进行信源编码，借助编码增益实现等效的信号增强作用。该方法可以参考发明专利200910197203.3：用于提高RFID读写距离的方法和装置。另一种方法是利用标签天线的特定阻抗设计，使得标签返回的信号呈现出类似BPSK的调制特性，相对更为常见的OOK调制方式，等效起到了提高返回信号强度的作用。该方法可以参考学术论文《Differential RCS of RFID tag,Vol.43,No.8,ELECTRONICS LETTERS,2007》。最后一种方法是提高标签天线的辐射增益，同样也可以起到信号增强的作用。 
但是，上述的三种方法都存在一些技术上的弊端。其中，第一种方法需要预先对标签和阅读器之间的编码规则进行定义，不适用于已经铺设完阅读器的应用场合；后两种方法则会对天线的设计提出额外的需求，例如特殊的天线图形或更大的天线尺寸，这两种方法在一定程度上会对标签的大小和形状提出更多的限制型要求，从而限制了标签的应用范围。此外，上述提到的三种方法，对于标签返回信号的增强效果相对来说比较有限，通过编码增益、调制方式和天线增益的变化得到的信号幅度增强，一般只有零点几到几个dB。 
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出一种超高频射频识别标签芯片，提高现有超高频射频识别系统中标签返回给阅读器的信号功率强度，在现有的阅读器设计水平下，提高系统的通信距离。借用主动负载调制的概念，将有源发射电路引入到传统的反向散射射频识别标签中。当标签处于返回信号较弱的远场范围内时，使用主动负载调制电路替代传统的被动负载调制电路，增强标签在远场条件下的发射信号功率，突破传统反向散射射频识别系统中，标签返回调制系数m≤1的限制。 
本发明目的通过以下技术方案实现： 
一种超高频射频识别标签芯片，其特点在于，至少包括依次连接的具有载波恢复电路和有源发射电路的超高频主动负载调制电路、被动负载调制电路和场强检测电路； 
所述的超高频主动负载调制电路包括： 
载波恢复电路，用于恢复出其接收到的载波频率和相位信息； 
有源发射电路，用于将所需返回给阅读器的调制信号调制到被恢复出的载波信号上，再通过功率放大器，将返回信号主动发射到射频输出端口上； 
所述的被动负载调制电路，用于选择反向链路的信号传输； 
所述的场强检测电路，用于判断标签与阅读器之间的相对距离。 
具体包括射频输入端口、接收信号强度检测器、可变增益放大器、锁相环、包络检波器、解调比较器、数字基带与存储器、混频器、功率放大器、被动负载调制器、多路开关和射频 输出端口； 
所述的接收信号强度检测器的输入端与所述的射频输入端口相连，该接收信号强度检测器的输出端与所述的可变增益放大器的增益控制输入端相连，该可变增益放大器的射频输入与射频输入端口相连，可变增益放大器的输出端与分别与所述的锁相环的输入端和包络检波器的输入端相连，所述的包络检波器的输出端依次与所述的解调比较器和数字基带与存储器相连，所述的锁相环的输出端与所述的混频器的第一输入端相连，数字基带与存储器的输出端分别与该混频器的第二输入端和被动负载调制器的输入端相连，所述的混频器的输出端与所述的功率放大器的输入端连接，该功率放大器的输出端与所述的多路开关的第一输入端口连接，所述的被动负载调制器的输出端与所述的多路开关的第二输入端口连接，该多路开关的输出端与射频输出端口相连。 
与现有技术相比，本发明的有益效果是： 
(1)超高频主动负载调制电路的引入，突破了采用传统被动负载调制电路中，由反向散射原理决定的调制系数m≤1的限制，增强了标签返回给阅读器的信号功率强度。在保持现有阅读器设计水平的前提下，提高射频识别系统的通信距离。 
(2)在已经铺设好阅读器的成熟应用场景中，只需更换标签，而无需对阅读器进行更新，也无需增加标签天线的尺寸，可以最大程度地保留已有的标签天线设计和应用场景设计。 
(3)使用了两种不同工作机制的调制返回电路。在近场情况下，标签使用传统被动负载调制电路工作，沿用了传统的反向散射工作原理，超高频主动负载调制电路不工作；在远场，当阅读器无法识别到标签时，再开启主动负载调制电路，最大程度地节约了电路的功耗。 
(4)不适用于无源超高频射频识别标签，但是，对于有源和半有源超高频射频识别标签，起到有效的提高通信距离的作用。 
附图说明
图1是一个典型的超高频射频识别通信系统的示意图。 
图2是传统超高频射频识别系统中信号功率与通信距离之间关系的示意图。 
图3是具体实施例中，使用本发明所述提高通信距离的方法的标签芯片的内部结构图。 
图4是传统超高频射频识别标签芯片的结构实例图。 
图5是具体实施例中，信号功率与通信距离之间关系的示意图。 
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 
一种超高频射频识别标签芯片，至少应当包括以下内容： 
包含了超高频主动负载调制电路320。 
所述超高频主动负载调制电路的特征是： 
具有载波恢复电路321，标签可以恢复出其接收到的载波频率和相位信息； 
具有有源发射电路322，标签可以将所需返回给阅读器的调制信号调制到被恢复出的载波信号上，再通过功率放大器，将返回信号主动发射到射频输出端口上。 
保留了传统超高频射频识别标签中的被动负载调制电路310。 
在一个标签芯片中，同时存在主动负载调制电路和被动负载调制电路两种不同工作机制的电路，标签芯片可以选择其中的一个电路用于反向链路的信号传输。 
具有场强检测电路302。 
所述场强检测电路的特征是： 
可以通过标签射频输入端口接收到的信号幅度判断标签与阅读器之间的相对距离。当标签接收到的信号幅度较强时，判定为近场状态；反之，当标签接收到的信号幅度较弱时，判定为远场状态。 
可以根据近场和远场的判定结果，切换标签使用到的反向信号传输电路。当标签处于近场时，使用传统的被动负载调制电路进行反向链路的信号传输；反之，当标签处于远场时，使用所述超高频主动负载调制电路进行反向链路的信号传输。 
图3是一个使用本发明所述提高通信距离的方法的标签芯片的内部结构图。参考图3，一个引入超高频主动负载调制的超高频射频识别标签，至少包括了射频输入端口301，接收信号强度检测器302，可变增益放大器303，锁相环304，包络检波器305，解调比较器306，数字基带与存储器307，混频器308，功率放大器309，被动负载调制器310，多路开关311和射频输出端口312。 
其中，包络检波器305，解调比较器306，数字基带与存储器307，和被动负载调制器310是传统反向散射射频识别标签芯片401已有的模块。参考图4，在传统反向散射射频识别标签芯片401中，包络检波器305的输入直接接到了射频输入端口301，输出接到了解调比较器306的输入。包络检波器305和解调比较器306一起构成了芯片401的信号接收通路。数字基带与存储器307的输入接到了解调比较器306的输出，并将调制信号输出给被动负载调制器310。被动负载调制器310的输出接到了射频输出端口312，是芯片401的信号发送通路。 
相比图4，图3中的电路在信号接收通路上增加了接收信号强度检测器302，可变增益放大器303和锁相环304三个模块。其中，接收信号强度检测器302的输入接到了射频输入端口301，输出接到了可变增益放大器303的增益控制输入端；可变增益放大器的输入接到了射频输入端口301，输出接到锁相环304的输入端和包络检波器305的输入端。 
相比图4，图3中的电路在信号发送通路上增加了混频器308，功率放大器309和多路开关311三个模块。混频器308的一个输入端口接到了数字基带与存储器307的输出，另一个端口接到了锁相环304的输出；功率放大器309的输入接到了混频器308的输出。多路开关311的一个输入端口接到了功率放大器309的输出，另一个输入端口接到了被动负载调制器310的输出，多路开关311的输出连到了射频输出端口312。 
由图3所示的标签芯片进入到阅读器的场区内时，各模块将按照以下的方式配合工作： 
当标签进入场区后，射频输入端口301接收到来自阅读器发出的信号。接收信号强度检测器302通过判断射频输入端口301上接收到的信号大小，区分标签所处的位置是近场还是远场。 
可变增益放大器303根据接收信号强度检测器302的近场和远场判断结果，选择合适的增益值。当标签处于近场时，可变增益放大器303的增益被设为单位增益1。射频输入端口301的信号不经过放大，直通传输到可变增益放大器303的输出。当标签处于远场时，射频输入端口的信号较弱，可变增益放大器303的增益被设为有限正增益A，射频输入端口301的信号幅度被放大A倍后，传输到可变增益放大器303的输出。可变增益放大器303的存在，使得包络检波器305的输入信号幅度始终保持在一个相对稳定的范围，同传统反向散射射频识别标签芯片401中，包络检波器的接收信号幅度范围一致。 
锁相环304用于恢复来自射频输入端口的载波信息。当标签处于近场时，锁相环不工作，处于节电状态。当标签处于远场时，锁相环304被开启。锁相环304根据接收到的输入信号，输出一个与射频输入端口的载波频率和相位相同的信号。 
混频器308和功率放大器309一起，构成了主动发射电路。当标签处于近场时，标签使用被动负载调制器310进行反向链路的信号传输，混频器308和功率放大器309不工作，处于节电状态。当标签处于远场时，混频器308和功率放大器309被开启。其中，混频器308实现上变频的功能，将数字基带与存储器307输出的信号调制到由锁相环304恢复出的载波信号上，再经由功率放大器309，实现芯片输出级的功率驱动。由于功率放大器309的输出功率是由功率放大器309本身的电路设计参数决定，与标签芯片接收到的输入信号功率无关，因此，当标签处于远场工作时，标签发送给阅读器的信号功率是一个与接收信号幅度无关的定值(例如：0dBm)。 
多路开关311根据近场和远场的检测结果，将合适的输出信号接到芯片的射频输出端口312上。其中，当标签处于近场时，多路开关311选择被动负载调制器310的输出作为芯片的射频输出。当标签处于远场时，多路开关311选择功率放大器309的输出作为芯片的射频输出。 
除上述模块以外，芯片中的包络检波器305、解调比较器306、数字基带与存储器307仍然按照传统反向散射射频识别标签芯片401中的方式工作，实现基带信号的解调和协议处理等功能。 
上述各模块之间的配合工作对射频识别系统前后向链路信号功率传输的影响可以用图5的方式做直观的说明。 
参考图5，前向链路的信号传输仍然以左上到右下的实线202来表征，反向链路的信号传输仍然以右上到左下的虚线205来表征。前向链路的信号，从代表阅读器发射功率的A点201，经由链路衰减后，依次到达B点203和C点204。对于一个接收灵敏度为-50dBm的阅读器，图5中的B点203是近场和远场的分界点，当图3中的接收信号强度检测器302检测到输入信号的幅度≥-10dBm时，判定标签处于近场，当检测到输入信号的幅度<-10dBm时，判定标签处于远场。对应到图5中，当标签处于A-B两点之间的位置时，表示处在近场，当标签处于B-C两点之间时，表示标签处在远场。 
对于处在近场状态下的标签，图3中的芯片电路仍以传统的反向散射原理工作。以B点203为例，标签接收到的信号幅度为＝-10dBm，此时接收信号强度检测器302判定标签处于近场，可变增益放大器303的增益被设为单位增益1，锁相环304、混频器308和功率放大器309均不工作，多路开关311选择被动负载调制电路310的输出接到射频输出端口312。此时的标签芯片不对返回信号的功率进行增强，反向链路的信号将从B点203处折返，沿着B-D之间的连线回到代表阅读器的D点207。 
此外，对于远场状态，以C点204为例，标签接收到的信号幅度为＝-20dBm，此时接收信号强度检测器302判定标签标签接收到的信号幅度<-10dBm，判定标签处于远场。图3中的可变增益放大器303的增益被设为有限正增益，射频输入端口301上接收到的信号被放大后传送到包络检波器305和锁相环304。此时，锁相环304、混频器308和功率放大器309均被开启，进入正常工作状态。锁相环304开始进行载波频率和相位的恢复，混频器308将数字基带与存储器307输出的调制信号进行上变频，功率放大器309将输出功率值设为固定值0dBm，多路开关311选择功率放大器309的输出作为芯片射频输出端口312的输出信号。此时，由于功率放大器的输出是一个预先设定好的功率值0dBm，从A点201沿前向信号传输链路202到达C点204的信号功率不会直接折返，而是被提高到0dBm发射功率对应的F点501，再从F点501开始，沿着由F-B-D三点决定的反向信号传输链路返回到代表阅读器接收灵敏度的D点207。 
对比图3可知，在传统的反向散射射频识别系统中，为了让标签的工作距离从B点203延长到C点204，需要阅读器的接收灵敏度从D点207对应的-50dBm提高到E点208对应 的-70dBm。而在图5中，因为使用了本发明所述的提高通信距离的方法，在阅读器的灵敏度仍然保持在-50dBm的条件下，即可实现通信距离从B点203到C点204的提升。 
需要指出的是，虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这一较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。 

Claims (3)

1.一种超高频射频识别标签芯片，其特征在于，至少包括依次连接的具有载波恢复电路和有源发射电路的超高频主动负载调制电路(321)、被动负载调制电路和场强检测电路；
所述的超高频主动负载调制电路包括：
载波恢复电路(321)，用于恢复出其接收到的载波频率和相位信息；
有源发射电路(322)，用于将所需返回给阅读器的调制信号调制到被恢复出的载波信号上，再通过功率放大器，将返回信号主动发射到射频输出端口上；
所述的被动负载调制电路，用于选择反向链路的信号传输；
所述的场强检测电路，用于判断标签与阅读器之间的相对距离。
2.根据权利要求1所述的超高频射频识别标签芯片，其特征在于，所述的被动负载调制电路是被动负载调制器(310)，所述的场强检测电路是接收信号强度检测器(302)。
3.根据权利要求1或2所述的超高频射频识别标签芯片，其特征在于，具体包括射频输入端口(301)、接收信号强度检测器(302)、可变增益放大器(303)、锁相环(304)、包络检波器(305)、解调比较器(306)、数字基带与存储器(307)、混频器(308)、功率放大器(309)、被动负载调制器(310)、多路开关(311)和射频输出端口(312)；
所述的接收信号强度检测器(302)的输入端与所述的射频输入端口(301)相连，该接收信号强度检测器(302)的输出端与所述的可变增益放大器(303)的增益控制输入端相连，该可变增益放大器的射频输入与射频输入端口(301)相连，可变增益放大器的输出端与分别与所述的锁相环(304)的输入端和包络检波器(305)的输入端相连，所述的包络检波器(305)的输出端依次与所述的解调比较器(306)和数字基带与存储器(307)相连，所述的锁相环(304)的输出端与所述的混频器(308)的第一输入端相连，数字基带与存储器(307)的输出端分别与该混频器(308)的第二输入端和被动负载调制器(310)的输入端相连，所述的混频器(308)的输出端与所述的功率放大器(309)的输入端连接，该功率放大器(309)的输出端与所述的多路开关(311)的第一输入端口连接，所述的被动负载调制器(310)的输出端与所述的多路开关(311)的第二输入端口连接，该多路开关(311)的输出端与射频输出端口(312)相连。
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