CN112531322B - 一种多rfid标签识别的高频天线复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，应用于无线通信领域，为解决狭窄空间的能量传输与通信问题，本发明在受限的狭窄空间中制作一个适用于该空间的天线，该空间中所有其他需要通信的设备都挂载到该天线上，即多个设备使用同一个天线来收集电磁波能量，且多个设备使用同一个天线和其他设备通信；每个设备根据接收到的命令选择是独占天线(一个设备连接到天线的全匹配模式)，还是让出天线(使该设备被短接，不接收天线的信号与能量)，每次启动设备功能时只能选择一个设备独占天线，且所有其他设备让出天线，独占天线的设备能够获得足够的、来自天线的能量。

Description

一种多RFID标签识别的高频天线复用方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及一种高频天线复用技术。

背景技术

随着科学技术的进步与发展，无线通信技术已经在人们的各种生产活动中发挥了巨大的作用。无线通信根据通信距离可以分成近场通信和远程通信，其中近场通信使用线圈天线耦合传递能量和数据，远程通信使用电磁辐射进行能量的传递和信息的通信。天线是无线通信中发射和接收电磁波的重要设备，可以说没有天线就没有无线通信技术，为了实现大容量、多功能和超宽带等通信系统的发展，可重构天线被提出并迅速得到广泛发展。

天线设计是设计特定电流分布的辐射体，可重构天线可以通过可变电容或者开关元器件等来选择不同的天线结构，从而改变天线电流分布，达到可实现多种功能天线的设计目的。可重构天线可以改变天线谐振频率、方向图、极化方向等参数，其采用的方法包括：可控槽缝、开关切换和负载变换等。可重构天线因其功能强大且灵活多变已经成为下一代无线通信系统的核心技术之一。可重构天线能够极大的改善天线的灵活性，而提高通信质量和通信速率的技术主要是多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术，在多输入多输出的系统中需要多个接收和发送天线，多个天线相距较近很容易导致相互干扰，恶化系统性能，因此在对体积要求很严苛的应用中，如何布置多个天线并减小天线之间的干扰是一个很有挑战的工作。

目前，可重构天线技术和MIMO技术很少考虑空间受限的无源设备应用场景。

相关现有技术：

现有的天线系统大多采用一个天线配一个设备，或者一个设备带有多个天线，或者多输入多输出(multiple-in multiple-out，MIMO)天线设备。目前，很多研究者在研究天线重构技术，其功能可以实现谐振频率可重构、方向图可重构、极化方向可重构以及混合可重构等，可以实现多功能于一体的天线设计。多输入多输出技术充分利用空间资源，通过多个天线单元可以实现多发多收，从而提高系统信道容量在多输入多输出技术中，由于天线之间距离较近，在设计时要考虑天线之间的耦合系数和相关性系数等指标，其多用于能量充足的设备。多个天线连接一个设备的系统也受到大量的学者关注，其可以用于室内的模糊定位；也有多个天线用在路由器中增加发射信号强度，这种多天线的设备大都用于有源系统中。

现有技术的缺点：现有技术大多采用一个天线配一个设备，如传统的RFID系统中，几乎都是一个标签配备一个天线，因此，要布置多个标签(标签考虑带有感测环境信息的功能)，则需要多个天线。对于天线体积大于标签体积的RFID系统来说(特别是在近场通讯中，其天线体积比标签本身体积大得多，甚至可达100倍以上)，为了布置多个标签，则相应的需要多个天线，这就为在空间受限时的应用带来了很大的困难，特别是针对需要在有限环境中布置多种传感标签的应用来说，其实现的难度呈几何倍增的趋势；并且，如果在空间受限的环境中，将多个天线布置的很近，各天线之间会产生耦合效应，将急剧改变天线的特征参数，从而改变天线的匹配、工作频率等特性，导致天线收发信号困难；再者，由于多个标签天线之间的距离不相等，会出现天线耦合效应的强弱随机分布，从而使得同一批次的天线，其实际使用的效果一致性很差。由于空间受限，能够设计制造的天线将尽可能小，且天线线圈匝数也将尽可能少以便可以布置多个标签，这样就极可能降低线圈天线接收能量与信号的能力。如果接收天线和发射天线距离稍远，可能无源标签所收集的能量很难维持标签正常工作。

发明内容

为解决狭窄空间的能量传输与通信问题，本发明提出一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，实现多设备共用一个天线。

本发明采用的技术方案为：一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，包括多个RFID标签、一个主控设备、一个适用于受限狭窄空间的天线，所述多个RFID标签均与所述天线连接；

同一时间仅一个RFID标签进入激活状态，其他RFID标签休眠；处于休眠状态的RFID标签不接收天线耦合的信号与能量。

所述主控设备通过防碰撞算法识别天线上连接的多个RFID标签，各RFID标签选择一个随机时间处于休眠状态，休眠结束后，RFID标签醒来与主控设备通信；各RFID标签选择的随机时间不相同。

所述主控设备发出选择命令，选择一个特定的RFID标签工作，其他RFID标签休眠。

所述休眠状态的RFID标签通过短接将该RFID标签连接的天线端口，从而使该RFID标签被短路，不接收天线耦合的信号与能量。

初始时各RFID标签都没有能量，每个标签都连接到天线上，通过各自的匹配网络与天线进行共轭匹配。

激活状态的标签与天线完全匹配。

所述RFID标签包括：标签天线上端口、标签天线下端口、匹配网络模块、匹配调节电路、整流及能量管理电路、功能模块电路、传感器及其调理电路、NMOS开关M0、NMOS开关M1、NMOS开关M2；

标签天线上端口、标签天线下端口与匹配网络模块的输入端连接，匹配网络模块的输出端分别与整流及能量管理电路的输入端、功能模块电路的第一输入端连接；整流及能量管理电路的第一输出端与功能模块电路的第二输入端连接，整流及能量管理电路的第二输出端与传感器及其调理电路的第一输入端连接；功能模块电路的第一输出端与传感器及其调理电路的第二输入端连接，功能模块电路的第三输入端与传感器及其调理电路的输出端连接；

NMOS开关M0的源极连接标签天线下端口，NMOS开关M0的漏极接地，NMOS开关M0的栅极连接功能模块电路的第二输出端；

NMOS开关M1的源极连接匹配调节电路，NMOS开关M1的漏极连接标签天线下端口，NMOS开关M1的栅极连接功能模块电路的第三输出端；

NMOS开关M2的源极连接标签天线上端口，NMOS开关M2的漏极连接标签天线下端口，NMOS开关M2的栅极连接功能模块电路的第四输出端。

本发明的有益效果：本发明介绍了天线复用技术的概念，天线复用技术的工作原理和控制机制。该天线复用技术用于各种空间受限的环境中有很大的优势，如智能化轴承系统，当然也可以用于其他任何环境。提出的天线复用技术能够使得多个设备共用一个天线，在设备收集的能量不足时，可以通过关闭其他设备，然后采用可重构匹配技术将单个设备和天线实现共轭匹配，则该设备能够接收天线耦合的几乎全部能量，从而满足该设备的正常运行，且体积紧凑，可实现共型设计，这是在空间受限的环境中，需要多个特殊功能设备无线通信时，单个设备采用单个天线的设计方案所没有的优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的天线复用技术结构图；

图2为本发明实施例提供的复用天线和标签匹配结构；

图3为本发明实施例提供的标签放大的结构图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的天线复用技术，在受限狭窄的空间中制作一个适用于该空间的天线，该空间中所有其他需要通信的设备都挂载到该天线上。这种天线复用技术可以实现多设备共用一个天线，可通过无线能量收集的方式为所有设备同时提供能量，天线上挂载的设备收集到足够的能量开始工作，其有两种工作方式：

(1)主控设备通过防碰撞算法识别天线上挂载的从设备时，从设备选择一个随机的时间，在这个时间内从设备处于休眠状态，休眠结束后，从设备醒来与读写器通信(随机时间可以使得只有一个从设备和主设备通信)；这里的主控设备指读写器，主动设备有自己的天线，主控设备通过自己的天线与各从设备(含复用天线)通信；这里的从设备指RFID标签；

(2)主控设备发出选择命令，选择特定的设备工作，其他设备休眠。

处于休眠状态的设备通过开关将该设备连接的天线端口短接起来，从而使该设备被短路，不接收天线耦合的信号与能量，这时仅有不休眠的一个设备和天线连接，天线能够为其提供足够的能量用于感测信息、处理信息并上传信息。当不休眠设备工作结束后，可以自动短接该设备连接的天线端口，从而关闭和天线的连接。当所有设备的能量耗尽后，将自动和天线连接在一起实现能量的自动收集，主控设备在需要采集数据的时候，可以再次为能量耗尽的设备提供能量，使其能够重新开始工作。

本发明提出的天线复用技术适用于狭窄空间环境中的物联网终端布局，即需要在狭窄环境中布置多种传感器终端的场景，这种场景的终端设备，一般都具有特殊的功能，这种特殊功能需要消耗大量的能量。在开启特殊功能前，一个天线耦合的能量可以提供给多个设备同时进行能量收集，但是特殊功能开启后，一个天线无法满足多设备同时工作，因此这时候将其他设备休眠，仅一个设备工作，该工作方式和系统设计具有巨大的优势。

如图1所示为天线复用技术结构示意图，本实施例中使用一个天线挂载4个设备(这里以4枚无源电子标签为例)，可同时接收能量和数据，也可单独接收能量和收发数据(也可以根据实际情况增减标签数量)。在图1中的天线既可以用来作为发射天线，也可以用来作为接收天线，本实施例这里用来作为接收天线阐述其工作原理。线圈天线大小、形状和匝数根据实际使用场景确定，如在智能化轴承系统中，天线线圈是缠绕在轴承主轴上的共型天线线圈，大小、形状和匝数根据需求决定。其中标签1、标签2、标签3和标签4是能够实现无线传感功能的RFID标签。

本实施例这里采用近场通讯技术的线圈天线来进行系统工作描述，其他任何形式的一个天线接多个设备的天线复用结构都应在本发明的保护范围内。

如图2所示为复用天线和标签匹配结构图，在初始状态，所有标签都没有能量，每个标签中的M2断开，所有标签都连接到天线上。在设计的时候，需要设计4个标签全部连接到天线的匹配电路，并通过匹配网络将标签电路与天线共轭匹配，使得天线工作在需要的频段(NFC常用13.56MHz)。

当读写器通过发射天线发出电磁波能量耦合到接收天线时，4个标签都会收集能量，这时候4个标签单独接收的能量相当于天线耦合能量的1/4(理想情况4个标签平均分配天线耦合的功率)。当标签转换了一定的能量后，可以和读写器进行通信(但不能实现特殊功能，即传感功能，传感功能需要更多的能量)，这时候4个标签可以选择是否进入休眠模式，或者读写发射命令选择某个标签处于激活模式，其他标签进入休眠模式。

进入休眠模式的标签将开关M2导通，这样直接将天线端口短接起来，使得该标签被短路，不接收天线能量；这时被激活的标签是唯一天线端口没有被短接的标签，这时其他标签天线端口都被短接，因此天线仅连接了一个标签，此时的天线参数改变了，标签使用原来的匹配网络不能和天线实现完全匹配，因此将激活标签的M1开关导通，使得激活的标签和天线重新实现完全匹配，这样被激活的标签能够接收天线耦合的所有能量，足够该标签进行传感信息采集并发送数据。以上断开M2和M1，导通M2和M1的操作就实现了多个标签复用一个天线的功能。

M1的导通相当于启动了标签内部电路的匹配调节电路，使得被激活的标签和天线重新实现完全匹配，因为在匹配调节电路启动前，这个被激活的标签和天线因为其他三个标签短接而呈现失配状态。

如图3所示为标签内部结构图，该种特殊结构标签主要包括：标签天线端口(标签天线上端口和标签天线下端口)、三个关键NMOS开关(M0、M1、M2)、匹配调节电路、匹配网络电路、整流及能量管理电路、传感器及其调理电路、功能模块电路；

开关M2的源极和漏极分别连接标签天线上端口和标签天线下端口，开关M2的栅极连接功能模块电路，用于接收功能模块电路的“不接收能量”使能信号控制，当该标签不被允许激活，功能模块电路即发送“不接收能量”高电平使能信号，使得M2导通，该标签天线上端口和天线下端口被短接，从而使得该标签不接受能量而处于静默状态；

开关M1的源极和漏极分别连接匹配调节电路和标签天线下端口，开关M1的栅极连接功能模块电路，用于接收功能模块电路的“接收匹配调节”使能信号控制，当该标签被允许激活，功能模块电路即发送“接收匹配调节”高电平使能信号，使得M1导通，在M2处于断开状态下，启动标签内部电路的匹配调节电路，使得被激活的标签和天线重新实现良好匹配，因为在匹配调节电路启动前，这个被激活的标签和天线因为其他三个标签被短接而呈现失配状态；

开关M0的源极和漏极分别连接标签天线下端口和地，开关M0的栅极连接功能模块电路，用于接收功能模块电路的“反向调制”使能信号控制，该开关用于标签信息的发送。“反向调制”使能信号其实为标签要返回给读写器的数据，可以是RFID通用命令返回数据，也可以是传感器感知数据。这些数据使能开关M0，MO在这些数据的控制下导通和断开，从而改变标签天线的匹配程度，达到实现反向散射通信的目的。

匹配调节电路为LC型常规标准阻抗匹配电路，其连接标签天线上端口和开关M1的漏极，在M1处于断开状态时不影响标签电路工作，在M1导通时，与该标签的匹配网络电路一起组成该标签与标签天线的全新匹配电路，实现被激活的标签和天线重新良好的匹配。

匹配网络电路前连接标签天线上端口和标签天线下端口，后连接整流及能量管理电路和功能模块电路，在该标签处于激活状态时，使得标签天线与标签后续电路共轭匹配，实现射频能量最大限度到达标签后续电路，并且匹配网络电路将射频信号一分为二，一部分的射频能量进入整流及能量管理电路，另一部分的射频信号进入功能模块电路用于解调和处理。

整流及能量管理电路连接匹配网络电路输出，用来转换和存储匹配网络输出的能量，用于供给功能模块电路以及传感器及其调理电路的运行和工作。

传感器及其调理电路连接整流及能量管理电路和功能模块电路，接受整流及能量管理电路供电，也接受功能模块电路使能，输出的传感器信号传送至功能模块电路处理。功能模块电路用来处理通信协议、控制开关的状态和采集传感器信息，并将采集的信息发送给读写器。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，其特征在于，包括多个RFID标签、一个主控设备、一个适用于受限狭窄空间的天线，所述多个RFID标签均与所述天线连接；

同一时间仅一个RFID标签进入激活状态，其他RFID标签休眠；处于休眠状态的RFID标签不接收天线耦合的信号与能量；

所述RFID标签包括：标签天线上端口、标签天线下端口、匹配网络模块、匹配调节电路、整流及能量管理电路、功能模块电路、传感器及其调理电路、NMOS开关M0、NMOS开关M1、NMOS开关M2；

标签天线上端口、标签天线下端口与匹配网络模块的输入端连接，匹配网络模块的输出端分别与整流及能量管理电路的输入端、功能模块电路的第一输入端连接；整流及能量管理电路的第一输出端与功能模块电路的第二输入端连接，整流及能量管理电路的第二输出端与传感器及其调理电路的第一输入端连接；功能模块电路的第一输出端与传感器及其调理电路的第二输入端连接，功能模块电路的第三输入端与传感器及其调理电路的输出端连接；

NMOS开关M0的源极连接标签天线下端口，NMOS开关M0的漏极接地，NMOS开关M0的栅极连接功能模块电路的第二输出端；

NMOS开关M1的源极连接匹配调节电路，NMOS开关M1的漏极连接标签天线下端口，NMOS开关M1的栅极连接功能模块电路的第三输出端；

NMOS开关M2的源极连接标签天线上端口，NMOS开关M2的漏极连接标签天线下端口，NMOS开关M2的栅极连接功能模块电路的第四输出端。

2.根据权利要求1所述的一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，其特征在于，所述主控设备通过防碰撞算法识别天线上连接的多个RFID标签，各RFID标签选择一个随机时间处于休眠状态，休眠结束后，RFID标签醒来与主控设备通信；各RFID标签选择的随机时间不相同。

3.根据权利要求2所述的一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，其特征在于，所述主控设备发出选择命令，选择一个特定的RFID标签工作，其他RFID标签休眠。

4.根据权利要求3所述的一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，其特征在于，所述休眠状态的RFID标签通过短接将该RFID标签连接的天线端口，从而使该RFID标签被短路，不接收天线耦合的信号与能量。

5.根据权利要求4所述的一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，其特征在于，初始时各RFID标签都没有能量，每个标签都连接到天线上，通过各自的匹配网络与天线进行共轭匹配。

6.根据权利要求5所述的一种多RFID标签识别的高频天线复用方法，其特征在于，激活状态的标签与天线完全匹配。

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