CN114595793A - 一种超高频rfid功率系统、补偿方法以及功率补偿器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种超高频RFID功率补偿系统，包括依次连接的接收天线、第一滤波单元、功率放大单元、第二滤波单元以及发射天线；所述接收天线接收超高频RFID读写器发射的电磁波信号，经第一滤波单元滤波后，若属于超高频RFID频段则输入功率放大单元，经功率放大单元进行功率放大，再经第二滤波单元滤波后通过发射天线发射至电子标签。本申请还提供了一种超高频RFID功率补偿方法。超高频RFID读写器读取远处标签时，超高频RFID功率补偿系统可远距离辅助激活标签，有助于扩大读写器的读写范围；在理想情况下，即如果超高频RFID功率补偿系统放置在电子标签和读写器所在直线位置上，最远补偿位置为超高频RFID功率补偿系统发射天线正前方5.8米远处。

Description

一种超高频RFID功率系统、补偿方法以及功率补偿器
技术领域
本发明专利涉及超高频RFID技术领域，主要涉及一种超高频RFID功率系统、补偿方法以及功率补偿器。
背景技术
超高频RFID是一种无线射频识别技术，可通过特定频段电磁波激活电子标签并读写相关数据，无需读写器和电子标签建立机械或者光学接触。当电子标签靠近RFID读写器时，电子标签的天线将接收到的电磁波能量转化成电能，激活电子标签中的芯片，并将电子标签中的数据发送出来。
根据GB/T 29768-2013规定，国内用超高频RFID频段为840MHz~845MHz和920MHz~925MHz，其中大部分场景使用920MHz~925MHz。读写器最大发射功率ERP为33dBm，常用超高频RFID标签最小激活功率约-20dBm，因此FSPL=33 - (-20)=53dB，根据电磁波自由空间衰减公式：FSPL（dB）=32.45+20lg(F)+20lg(D)，F指电磁波频率，单位MHz，D指距离，单位KM，可计算出目前超高频RFID系统最远稳定读取距离约11米，当二者距离超过11米时，受天线极化因素和环境干扰的影响，电子标签性能将变得极不稳定。如果有金属类物体阻挡电磁波传输路径，也会令电磁波产生较大衰减，影响系统最远读取距离。
发明内容
本申请的目的在于提供一种超高频RFID功率补偿系统，可远距离辅助激活电子标签，以解决上述背景技术中的不足。
本申请采用以下技术方案来实现：一种超高频RFID功率补偿系统，包括依次连接的接收天线、第一滤波单元、功率放大单元、第二滤波单元以及发射天线；
所述接收天线接收超高频RFID读写器发射的电磁波信号，经第一滤波单元滤波后，若属于超高频RFID频段则输入功率放大单元，经功率放大单元进行功率放大，再经第二滤波单元滤波后通过发射天线发射至电子标签。
进一步地，所述功率放大单元包括放大单元和主控单元；所述主控单元采样并检波第一滤波单元输出信号的频率和输出功率，判断第一滤波单元输出信号是否属于超高频RFID频段，若是则将第一滤波单元的输出功率与预设的最大功率进行对比，判断是否启动放大单元；若是，则根据第一滤波单元的输出功率与第二滤波单元的输入功率动态调整放大单元的系统增益。
进一步地，所述放大单元包括依次连接的数控衰减器、可变增益放大器、选频网络以及功率放大器；所述数控衰减器与第一滤波单元输出端连接，功率放大器与第二滤波单元输入端连接；所述数控衰减器、可变增益放大器以及功率放大器的控制端均与主控单元连接；所述主控单元根据第一滤波单元的输出功率与第二滤波单元的输入功率调整数控衰减器的衰减量和可变增益放大器的增益值；
所述主控单元采样并检波选频网络的输入功率，根据检波结果监控功率放大器的输入功率，若功率放大器的输入功率超标则调整数控衰减器的衰减量。
进一步地，所述主控单元与状态指示灯连接，状态指示灯用于指示接收天线接收到的电磁波信号的信号强度。
本申请还提供了一种超高频RFID功率补偿方法，接收超高频RFID读写器发射的电磁波信号，对接收到的电磁波信号进行第一次滤波并判断滤波后信号是否需要进行功率放大，若是，则对滤波后信号进行功率放大，再将放大后的信号经第二次滤波后发射至电子标签，用以补偿电子标签的激活功率。
进一步地，将经第一次滤波后的信号功率与预设的最大功率进行对比，若二者的差值超过设定的阈值，则对经第一次滤波后的信号进行功率放大。
进一步地，根据经第一次滤波后的信号功率与第二次滤波前的信号功率进行对比，确定所述功率放大的倍数。
本申请还提供了一种超高频RFID功率补偿器，包括主机体、接收天线和发射天线，主机体内安装有第一滤波单元、功率放大单元以及第二滤波单元；接收天线和发射天线分别位于主机体的两侧，与主机体可拆卸连接
作为优选，所述接收天线、发射天线分别与主机体两侧转动连接。
作为优选，所述主机体的两侧分别设有一可旋转云台，接收天线和发射天线安装在对应的可旋转云台上。
本申请的有益效果：超高频RFID读写器读取远处标签时，超高频RFID功率补偿系统可远距离辅助激活标签，有助于扩大读写器的读写范围；在理想情况下，即如果超高频RFID功率补偿系统放置在电子标签和读写器所在直线位置上，最远补偿位置为超高频RFID功率补偿系统发射天线正前方5.8米远处；本申请功率补偿系统可通过状态指示灯指示所在位置处的信号强度，利于发现超高频RFID读写器天线盲区，简化现场设备安装和方案实行。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明：
图1：功率补偿系统结构框图；
图2：功率补偿系统信号处理框图；
图3：窄带功率放大器电路图；
图4：一个典型超高频RFID功率补偿系统应用场景图；
图5：根据图1功率补偿系统所做功率补偿器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明专利实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明专利。
一种超高频RFID功率补偿方法，接收超高频RFID读写器发射的电磁波信号，对接收到的电磁波信号进行第一次滤波并判断滤波后信号是否需要进行功率放大，若是，则对滤波后信号进行功率放大，再将放大后的信号经第二次滤波后发射至电子标签，用以补偿电子标签的激活功率。
将经第一次滤波后的信号功率与预设的最大功率进行对比，若二者的差值超过设定的阈值，则对经第一次滤波后的信号进行功率放大。根据经第一次滤波后的信号功率与第二次滤波前的信号功率进行对比，确定功率放大的倍数。
根据上述功率补偿方法设计了一种超高频RFID功率补偿系统，如图1所示，包括依次连接的接收天线100、第一滤波单元200、功率放大单元300、第二滤波单元400以及发射天线500。其中，接收天线100接收超高频RFID读写器发射的电磁波信号，经第一滤波单元200滤波后，若属于超高频RFID频段则输入到功率放大单元300，经功率放大单元300进行功率放大，再将放大的信号经第二滤波单元400滤波后通过发射天线500发射至电子标签。
功率放大单元300包括放大单元310和主控单元320。其中，主控单元320采样并检波第一滤波单元200的输出信号的频率和输出功率，判断第一滤波单元输出信号是否属于超高频RFID频段，若是则将第一滤波单元200的输出功率与预设的最大功率进行对比，判断是否启动放大单元310。若是，则根据第一滤波单元200的输出功率与第二滤波单元400的输入功率动态调整放大单元310的系统增益。
放大单元310包括依次连接的数控衰减器311、可变增益放大器312、选频网络313以及功率放大器314。数控衰减器311与第一滤波单元200输出端连接，功率放大器314与第二滤波单元400输入端连接。数控衰减器311、可变增益放大器以及功率放大器314的控制端均与主控单元320连接。主控单元320根据第一滤波单元200的输出功率与预设的最大功率调整数控衰减器311的衰减量和可变增益放大器的增益值。主控单元320采样并检波选频网络313的输入功率，并根据检波结果监控功率放大器的输入功率，若功率放大器的输入功率超标则调整数控衰减器的衰减量。由于超高频RFID读写器跳频和环境干扰情况，接收到的电磁波信号强度是一个不断变化的量，因此数控衰减器311、可变增益放大器312需要实时动态调整衰减量和增益，以保持最终输出功率不变。不同温度环境下数控衰减器311、可变增益放大器312、功率放大器314的衰减量和增益会发生偏移，自动调整增益可抵消这部分偏移带来的影响。
此外，主控单元320还与状态指示灯324和模式选择开关325连接，状态指示灯324用于指示接收天线100接收到的电磁波信号的信号强度，模式选择开关325用于设置多个最大功率，可根据需要选择不同的最大功率值。超高频RFID读写器天线不是完美圆极化，即使和天线距离相同的几个位置信号强度也有差别，通过状态指示灯324可以显示当前位置接收信号的强度，因此可区别不同位置处的信号强弱。值得注意的是，电磁波信号的信号强度可通过LED屏幕、数码管、语音信号等实现，不限于上述提到的状态指示灯324，最大功率的设置可通过触摸屏、旋钮、按键等实现，不限于上述提到的模式选择开关325。
具体地，如图2所示，接收天线100通过滤波器A（即第一滤波单元）连接数控衰减器311输入端，数控衰减器311输出端连接可变增益放大器312输入端，可变增益放大器312输出端通过选频网络313连接功率放大器314输入端，功率放大器314输出端通过滤波器B（即第二滤波单元）连接发射天线500。数控衰减器311、可变增益放大器312、功率放大器314的控制端均接入MCU主控单元320。检波A模块331输入端通过采样A 3311接入滤波器A输出端，检测B模块 322输入端通过采样B 3221接入可变增益放大器312输出端，检波C模块 323输入端通过采样C接入功率放大器314输出端。检波A模块331、检波B模块、检波C模块 323的检测结果接入MCU主控单元320。数控衰减器311、可变增益放大器312、检波A模块331、检波B模块322和MCU主控单元320320组成自动增益控制模块，选频网络313和功率放大器314共同构成一个窄带功率放大器314。
在本实施例中，接收天线100接收电磁波信号，经滤波器A 200滤波，检波A模块331检测第一次滤波后的电磁波信号的频率和功率，如果是超高频RFID频段信号，就以状态指示灯324形式输出检测到的信号强度。MCU主控单元320320读取模式选择开关325设置的最大功率，如果设置的最大功率和输入信号（即为第一次滤波后的电磁波信号）差值小于设定的阈值，则不启动放大单元310，反之则启动放大单元310，并根据二者差值计算出放大单元310所需整体增益。需要说明的是若设置的最大功率和输入信号差值小于设定的阈值，说明当前的电磁波信号强度可以激活电子标签，无需借助功率补偿系统进行功率补偿。
数控衰减器311和可变增益放大器312根据输入功率值和设置的最大功率自动调整系统增益。检波B模块检测可变增益放大器312输出功率，检波C模块 323检测功率放大器314输出功率。检波B模块的作用在于检测可变增益放大器312的输出是否工作在正常模式，检波B模块和检波A模块检测的功率差值，应与当前数控衰减器311和可变增益放大器312设置的增益保持一致，如果有差异则切换数控衰减器311衰减配置和可变增益放大器312增益配置，总增益保持不变，用于应对某些异常情况产生的增益偏差。检波B模块也用于检测功率放大器314输入功率，如果输入功率超标，立刻调整数控衰减器311衰减值，该调的整优先级最高。检波C模块和检波B模块检测的功率差，应与功率放大器314增益相等，考虑到功率放大器314启动后温度升高产生的增益波动，两者差值需要保持在±0.5dB内,如果超过这个值，表示功率放大器314处在非线性工作状态，需要调整数控衰减器311衰减量。MCU主控单元320通过检波B模块和检波C模块 323检测结果实时动态调整数控衰减器311、可变增益放大器312以及功率放大器314的运行参数，确保输出功率的稳定和线性度。
本实施例中，滤波器A为工作频率920MHz~925MHz带通滤波器，矩形系数BW30dB/BW3dB小于3；滤波器B为低通滤波器，插入损耗小于0.5dB，频率925MHz，1.8GHz带外抑制30dB。数控衰减器311可以按0.5dB步径调整衰减量，最大衰减量31.5 dB，可变增益放大器312可提供8dB/16dB/23dB/27dB增益选择，功率放大器314提供固定21.5 dB增益。数控衰减器311、可变增益放大器312以及功率放大器314组合可实现-2~48 dB增益动态调整（实际使用10~45dB增益调整）。考虑到功率放大器314输出线性度问题（P1dB为31dBm，增益21.5dB），功率放大器314输入功率不能超过9.5 dBm，检波B模块可实时监控功率放大器314输入功率。检波C检测功率补偿系统输出功率，考虑到半导体器件一致性， 生产需要做误差校准，保证0.5dB平坦度输出。
本实施例中以功率补偿系统最大输出功率30dBm，天线增益3dBi，标签最小激活功率约-20dBm为例。超高频RFID读写器和功率补偿系统同时向标签发射电磁波，此时标签会接收到两组相同频率、相同协议、不同相位的信号，如果这两组信号强度差异不大，则会互相干扰，标签无法响应。标签接收到超高频RFID读写器发射的信号强度较小，接收到功率补偿系统发射的信号强度较大，经过试验测试，功率补偿系统发射到标签的信号强度需达到标签最小激活强度的2倍（按最小激活功率算是4倍），可保证标签不受干扰正常响应。即用功率补偿系统激活标签时，需要保证标签接收到的功率不小于-14dBm（功率变成4倍，即加赠6dB功率，-20 dBm+ 6 dB =-14 dBm）。
此时FSPL（dB）=30 dBm +3 dB -（-14dBm）=47dB，套用电磁波的自由空间衰减公式：FSPL（dB）=32.45+20lg(F)+20lg(D)=32.45+59.3+20*log10（D）=47dB，由此得到D≈0.0058千米=5.8米。即当功率补偿系统位于电子标签和读写器的直线距离中间时，最大可补偿5.8米的激活距离。功率补偿系统的应用如图4所示。
进一步地，窄带功率放大器如图3所示，C4、C6、C11、C16、C19、C32、L7、L13、R2、R4、R5、R6组成选频网络313，选频网络313中心频率922.5MHz，在完成频率选择功能的同时完成阻抗变换。C7、C21、C34、L3、L11组成一个中心频率922.5MHz的LC巴伦。C1、C14、C29、L1、L10组成一个中心频率922.5MHz的LC巴伦。U1为双通道功率管MMIC，双通道组成差分功率放大器314。C2、C9、C10、R1、C27、C28、C30、R8组成负反馈网络，用于调整功率放大器314带宽。C8、L4、C26、L8组成输入匹配网络。C5、L5、R3、C31、L9、R7组成输出匹配网络。C15、C17、C12、C13、C22、C23用于直流保护。L2、L12、L6用于提供直流偏置。射频信号（即可变增益放大器312的输出信号）从C15输入选频网络313，选频网络313抑制输入信号携带的杂波信号，并匹配前级阻抗，此处选频网络313也可以用滤波器加匹配网络实现，滤波器要求带宽920MHz~925MHz且带内平坦度小于0.3dB。射频信号通过选频网络313被分成两路差分信号，经过输入匹配网络输入MMIC射频输入端。负反馈网络连接MMIC射频输入和MMIC射频输出端，MMIC射频输出端接输出匹配网络。保持功率放大器314稳定的情况下，可通过调整负反馈网络参数改变工作带宽，获得理想增益，此处功率放大器314带宽调整在930MHz左右，以此获得目前应用场景最大增益，输出匹配根据负反馈参数调整相应阻抗参数，使功率放大器314处在最佳工作效率状态。两路差分信号经过输出匹配进入LC巴伦，合成一路信号输出。
进一步地，接收天线100和发射天线500通过球形云台结构和设备连接，球形云台结构可实现120°旋转调节，用于扩大功率补偿系统的信号接收范围。
上述超高频RFID功率补偿系统通过外部适配器供电，也可通过内置电池组供电。通过内置电池组供电时，检波A模块331始终保持工作状态，其他有源系统均处于低功耗模式，当检波A模块331检测到超高频RFID频段信号输入，则唤醒MCU主控单元320，开启下一步工作模式，工作结束后回到低功耗模式。
按照上述功率补偿系统和方法制作出对应的超高频RFID功率补偿器，如图5所示，超高频RFID功率补偿器包括主机体1000、接收天线100和发射天线500，第一滤波单元200、功率放大单元300以及第二滤波单元400安装在主机体1000内。接收天线100和发射天线500分别位于主机体1000的两侧，与主机体1000可拆卸连接。进一步地，为了扩大接收天线和发射天线的辐射范围，接收天线、发射天线分别与主机体1000两侧转动连接。具体地。主机体1000的两侧分别设有一可旋转云台510，接收天线100和发射天线500安装在可旋转云台510上。
以上显示和描述了本发明专利的基本原理、主要特征和本发明专利的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明专利的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下，本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。

Claims (10)

1.一种超高频RFID功率补偿系统，其特征在于，包括依次连接的接收天线、第一滤波单元、功率放大单元、第二滤波单元以及发射天线；
所述接收天线接收超高频RFID读写器发射的电磁波信号，经第一滤波单元滤波后，若属于超高频RFID频段则输入功率放大单元，经功率放大单元进行功率放大，再经第二滤波单元滤波后通过发射天线发射至电子标签。
2.根据权利要求1所述的一种超高频RFID功率补偿系统，其特征在于，所述功率放大单元包括放大单元和主控单元；
所述主控单元采样并检波第一滤波单元输出信号的频率和输出功率，判断第一滤波单元输出信号是否属于超高频RFID频段，若是则将第一滤波单元的输出功率与预设的最大功率进行对比，判断是否启动放大单元；若是，则根据第一滤波单元的输出功率与第二滤波单元的输入功率动态调整放大单元的系统增益。
3.根据权利要求2所述的一种超高频RFID功率补偿系统，其特征在于，所述放大单元包括依次连接的数控衰减器、可变增益放大器、选频网络以及功率放大器；所述数控衰减器与第一滤波单元输出端连接，功率放大器与第二滤波单元输入端连接；
所述数控衰减器、可变增益放大器以及功率放大器的控制端均与主控单元连接；
所述主控单元根据第一滤波单元的输出功率与第二滤波单元的输入功率调整数控衰减器的衰减量和可变增益放大器的增益值；
所述主控单元采样并检波选频网络的输入功率，根据检波结果监控功率放大器的输入功率，若功率放大器的输入功率超标则调整数控衰减器的衰减量。
4.根据权利要求2所述的一种超高频RFID功率补偿系统，其特征在于，所述主控单元与状态指示灯连接，状态指示灯用于指示接收天线接收到的电磁波信号的信号强度。
5.一种超高频RFID功率补偿方法，适用于权利要求1-4任一所述的功率补偿系统，其特征在于，接收超高频RFID读写器发射的电磁波信号，对接收到的电磁波信号进行第一次滤波并判断滤波后信号是否需要进行功率放大，若是，则对滤波后信号进行功率放大，再将放大后的信号经第二次滤波后发射至电子标签，用以补偿电子标签的激活功率。
6.根据权利要求5所述的一种超高频RFID功率补偿方法，其特征在于，将经第一次滤波后的信号功率与预设的最大功率进行对比，若二者的差值超过设定的阈值，则对经第一次滤波后的信号进行功率放大。
7.根据权利要求5或6所述的一种超高频RFID功率补偿方法，其特征在于，根据经第一次滤波后的信号功率与第二次滤波前的信号功率进行对比，确定所述功率放大的倍数。
8.一种超高频RFID功率补偿器，适用于权利要求1-4任一所述的功率补偿系统，其特征在于，包括主机体、接收天线和发射天线，主机体内安装有第一滤波单元、功率放大单元以及第二滤波单元；接收天线和发射天线分别位于主机体的两侧，与主机体可拆卸连接；接收天线、第一滤波单元、功率放大单元、第二滤波单元以及发射天线依次电性连接。
9.根据权利要求8所述的超高频RFID功率补偿器，其特征在于，所述接收天线、发射天线分别与主机体两侧转动连接。
10.根据权利要求8所述的超高频RFID功率补偿器，其特征在于，所述主机体的两侧分别设有一可旋转云台，接收天线和发射天线安装在对应的可旋转云台上。
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