CN202795422U - 一种用于有源rfid电子标签的射频唤醒电路 - Google Patents

Abstract

一种用于有源RFID电子标签的射频唤醒电路，涉及射频识别技术的改进，适用于电子标签系统中的射频唤醒电路，尤其适用于智能交通、仓储物流的射频识别系统，包括射频唤醒电路发射端(1)和射频唤醒电路接收端(2)，工作频率为915MHZ公共频段，有效唤醒工作范围为20m。在有源RFID电子标签(4)进入工作范围之后对有源RFID电子标签(4)的处理器进行唤醒，处理器与有源RFID读卡器(3)完成数据处理之后有源RFID电子标签(4)再次进入休眠状态，直到下次被唤醒。本实用新型改善了以往定时唤醒情况下标签电路的功率消耗，大大延长了标签电池使用寿命，具有很强的实用性。

Description

一种用于有源RFID电子标签的射频唤醒电路

技术领域

一种用于有源RFID电子标签的射频唤醒电路，涉及射频识别技术的改进，适用于电子标签系统中的射频唤醒电路，尤其适用于智能交通、仓储物流的射频识别系统。 

背景技术

射频识别技术具有传输数据率高、通信距离长、可靠性高等优点，其性能已超过条形码、IC卡等识别技术。射频识别技术分为有源和无源两大类，其中有源技术较为突出，因而被广泛地应用到公路收费、仓储管理、智能交通诸多领域，具有广阔的应用前景。 

电子标签有射频卡、IC卡与射频卡结合等多种形式，为降低功耗，延长电池工作寿命，电子标签大部分时间处于休眠或断电状态，这样就需通过一定的唤醒机制来使其恢复到工作状态，因此，唤醒技术是电子标签设计及其重要和关键的一个部分。 

现在使用的电子标签唤醒技术主要有两种方式： 

（1）定时唤醒方式：定时唤醒采用间歇工作方式，芯片内部提供时钟脉冲，以一定的时间间隔对处理器进行唤醒，唤醒之后处理器进行事件检测，如果检测到事件则进行处理，如果检测不到事件，则再次进入休眠状态。定时唤醒方式的优点是射频模块简单，无需额外添加电路，成本低；缺点是功耗大，响应时效低。 

（2）硬件唤醒方式：除了处理器电路之外，电子标签上附加额外唤醒电路，当唤醒电路检测到唤醒信号后，唤醒电子标签处理器，使其进入工作状态，处理器完成数据处理任务后再次进入休眠状态。硬件唤醒方式的优点是功耗较低，标签工作寿命较长，响应速度快；缺点是射频模块复杂，需要添加额外电路，成本高。 

发明内容

本实用新型对一种用于智能包装的超低功耗智能无线传感标签（专利申请号：201110128567.3）进行了改进，提供了一种外围唤醒电路，用以对有源RFID电子标签的处理器进行唤醒，使电子标签能迅速从休眠状态进入工作状态。 

本实用新型射频唤醒电路包括射频唤醒电路发射端，射频唤醒电路接收端，有源RFID读卡器，有源RFID电子标签，射频唤醒电路发射端由信号发生电路、功率放大电路和发射天线构成，作为有源RFID读卡器附加电路，设置在有源RFID读卡器端，用于发射唤醒信号， 其中的信号发生电路产生915MHZ的稳定振荡信号，工作频率设定在915MHZ公共频段，有效唤醒范围为20m同时满足功率输出大于-5dbm；功率放大电路对信号发生电路产生的振荡信号进行放大，满足功率放大倍数大于40db；发射天线的三条边进行折线化设置，极化方式为右旋圆极化，发射天线对功率放大器输出的功率信号进行发射，同时满足功率增益大于5db。射频唤醒电路接收端由接收天线、倍压整流电路和判断唤醒电路构成，设置于有源RFID电子标签上，与有源RFID电子标签的处理器电路连接，通过检测外部唤醒信号来唤醒有源RFID电子标签的处理器，使有源RFID电子标签进入工作状态，其中接收天线的尺寸为4cm×3cm，接收发射天线发出的唤醒信号，同时满足功率增益为0db，倍压整流电路对接收天线输出的信号进行电压放大，满足判断唤醒电路的阈值设置要求，唤醒电路对倍压整流电路的输出电压进行判断，判断为唤醒信号时输出唤醒电平。当有源RFID电子标签进入有源RFID读卡器有效唤醒范围20m距离以内时，射频唤醒电路接收端接收到射频唤醒电路发射端发出的唤醒信号后向有源RFID电子标签的处理器发出唤醒信号，有源RFID电子标签的处理器迅速从休眠状态唤醒并进入工作状态，与有源RFID读卡器进行数据通信，在有源RFID电子标签的处理器与有源RFID读卡器完成数据交换与处理后有源RFID电子标再次进入休眠状态。 

本实用新型射频唤醒电路相对于现有技术具有如下的优点及有益效果： 

1.采用了硬件唤醒电路，相对于定时唤醒电路能大幅度降低功耗延长电子标签使用寿命。 

2.硬件唤醒电路本身不需要消耗能量，能够长期工作。 

3.采用的硬件唤醒电路实用915M公共频段，在智能交通、仓储物流以及公路收费等领域具有广泛的实用性。 

4.采用的硬件唤醒电路有效唤醒距离为20m，超过现在已有的设计，通信距离远，实用性强。 

5.采用的硬件唤醒电路设计尺寸小，天线低于常规915M频段天线尺寸，降低了电子标签设计面积。 

附图说明

图1是本实用新型射频唤醒电路示意图； 

图2是本实用新型射频唤醒电路的信号发生电路示意图； 

图3-1是本实用新型射频唤醒电路的功率放大器的驱动电路示意图； 

图3-2是本实用新型射频唤醒电路的功率放大器的功率放大电路示意图； 

图4是本实用新型射频唤醒电路的接收天线示意图； 

图5是本实用新型射频唤醒电路的倍压整流电路示意图。 

其中：射频唤醒电路发射端1，信号发生电路11，功率放大电路12，发射天线13，射频唤醒电路接收端2，接收天线21，倍压整流电路22，判断唤醒电路23，有源RFID读卡器3，有源RFID电子标签4。 

具体实施方式

本实用新型射频唤醒电路包括射频唤醒电路发射端1和射频唤醒电路接收端2，射频唤醒电路发射端1设置在有源RFID读卡器3端，用于发射唤醒信号，射频唤醒电路接收端2设置在有源RFID电子标签4的处理器上，并与有源RFID电子标签4的处理器连接，通过检测外部唤醒信号来唤醒有源RFID电子标签4的处理器，使有源RFID电子标签4进入工作状态：当有源RFID电子标签4进入有源RFID读卡器3有效唤醒范围20m内时，射频唤醒电路接收端2接收到射频唤醒电路发射端1发出的唤醒信号，从而向有源RFID电子标签4的处理器发出唤醒信号，有源RFID电子标签4的处理器从休眠状态唤醒并进入工作状态，在有源RFID电子标签4的处理器与有源RFID读卡器3完成数据交换与处理后电子标签再次进入休眠状态。 

图1，本实用新型射频唤醒电路由射频唤醒电路发射端1和射频唤醒电路接收端2，有源RFID读卡器3，有源RFID电子标签4组成。射频唤醒电路发射端1设置在有源RFID读卡器3端，由信号发生电路11产生915MHZ的信号源，功率放大器12接收信号源部分信号，并对其进行功率放大，放大后的信号送到发送天线13，发送天线13再将唤醒信号进行发射；射频唤醒电路接收端2的接收天线21检测并接收915MHZ的唤醒信号，接收到唤醒信号之后送到倍压整流电路22，倍压整流电路22对接收信号进行倍压处理以达到唤醒电压阈值，经过判断唤醒电路23后唤醒有源RFID电子标签4的处理器，使有源RFID电子标签4进入工作状态。 

2，信号发生电路11采用10MHZ振荡电路产生振荡信号，通过锁相环ADF4360-7来进行信号倍频，将振荡频率提高到915MHZ，并且锁相环ADF4360-7的输出功率是可调的，本电路中运用串口（单片机亦可）对芯片进行编程，使其输出最大功率值。图示为本电路中ADF4360-7的具体连接方式，其中16号管脚REF_IN，用来连接10MHZ振荡电路提供的参考输入信号。L₁和L₂用来控制锁相环的输出频率，本电路中需求锁相环输出915MHZ信号，这两个管脚通过3.93nH的电感和470Ω的电阻并联接地，注意这两个管脚的连接方式需要保持一致。VTUNE为压控振荡器输入控制端，CP₀为电荷泵输出，这两个管脚之间接环路滤波器， 环路滤波器为2R3C形式，R₂为25.7kΩ，连接在这两个管脚之间；C₁为26.1pF，一端接在CP_O和R₂之间，另一端接地；R₁为12.6kΩ，C₂为355pF，R1一端接在CP_O和R₂之间，另一端接C₂，C₂另一端接地；C₃为11.9pF，一端接在R₂和VTUNE之间，另一端接地；RSET管脚通过4.7kΩ电阻接电荷泵地；LE、DATA和CLOCK管脚在必要时通过串口（单片机）对ADF4360-7进行编程控制，本电路中需要用该方式对其写控制字，以控制锁相环输出-5dbm的信号功率；其他电源管脚接相应的电源信号，接地管脚相应接地即可。 

功率放大器由驱动电路和功率放大电路对应串联构成。图3-1所示功率放大器的驱动电路，图3-2所示功率放大器的功率放大电路，驱动电路采用NXP的BGA6589作为驱动芯片，放大电路采用NXP的BLF6G10-135RN作为放大芯片，BGA6589对输入信号进行阻抗匹配，并将其进行20db的功率放大，经过驱动后将其输入到功率放大电路，BLF6G10-135RN对输入驱动信号进行20db的功率放大，输出功率达到15W以上，以送到发射天线进行发射。图3-1所示为驱动电路的连接方式，驱动芯片采用的是NXP的BGA6589，P1为信号输入端，连接信号发生器的输出，并通过100pF的电容C4连接到BGA6589的输入端。P2为信号的输出端，连接功率放大部分的输入，并通过100pF的电容C5连接到BGA6589的输出端。n1和n2为节点，n1和n2之间连33nH的电感L3。SRC为9V的直流偏置电压，其负端接地，正端通过51Ω的电阻R₃接节点n2。C₆为68pF电容，C₇为1nF电容，C₈为1uF电容，这三个电容的一端接节点n2，另一端分别接地。图3-2所示放大电路的连接方式，放大芯片采用的是NXP的LF6G10LS-135RN，其源极接地，栅极为节点n3，漏极为节点n4。P3为信号输入端，连接驱动电路的输出端P2，并通过69pF的电容C9连接到节点n3。P4为信号输出端，连接发射天线的输入端，并通过68pF的电容C25连接到节点n4。C₁₀、C₁₂、C₁₃为8.2pF的电容，一端接到节点n3，另一端分别接地。R5为9.1Ω电阻，其一端接节点n3，另一端为节点n5，节点n5通过68pF的电容C₁₁接地，SRC1为10V直流电源，其负端接地，正端通过9.1Ω电阻R₄接节点n5。C₁₄和C₁₅为10pF电容，C₂₄为3.0pF电容，这三个电容一端接节点n4，另一端分别接地。C₁₆、C₁₇、C₂₀和C₂₁为100nF电容，C₁₈和C₂₂为68pF电容，这六个电容一端接节点n4，另一端分别接地。C₁₉和C₂₃为4.7uF电解电容，C₂₆和C₂₇为220uF电解电容，这四个电容正极接节点n4，负极分别接地。SRC2为28V直流电源，其负端接地，正端为节点n6，C₂₈为220uF电解电容，负极接地，正极接节点n6。节点n4和节点n6通过18nH的电感L₄和9.1Ω电阻R₆并联连接。 

发射天线采用915MHZRFID射频识别天线，极化方式为右旋圆极化，增益为7dbi，阻抗匹配在50Ω，其发射信号输入端连接上述功率放大电路的输出端P4，以达到发射唤醒信号的 目的。 

图4，接收天线21采用的是PCB贴片天线，天线的整体尺寸控制在4cm×3cm，以达到缩减电子标签尺寸的目的，天线的反射系数S(1,1)在915MHZ±10MHZ区间上控制在-7db以下，以达到较好的接收效果，在915MHZ上，天线的增益达到0db，以实现功率传输的目的。对于天线的设计方式，采用的是矩形方框，并对其三条边进行了折线化处理，这样就在更小的面积范围内达到915MHZ的波长需求，尺寸如图所示，折线长度A-B以及B-C均为2.5mm（毫米），折线的宽度d为0.25mm，天线所占总面积长度E-F为39mm，宽度B-D为33mm，天线厚度为35micron（微米），G点设置为天线的输出端P5，用来连接倍压整流电路的输入端。天线的结构一共分为五层，最外面两层是空气层；靠近空气的两层是微带平面层，所设计的PCB贴片天线即位于该层之上，PCB贴片天线所采用的材料为Cu（铜），厚度为35micron；最中间的是介质层，所用的材料为FR4，厚度为2.5mm，在介质层中通过铜孔连接两侧的微带层。 

图5，倍压整流电路使用电容和二极管HSMS2852组成三级倍压整流电路，对于-15dbm的输入信号，最终的倍压值达到1.2V以上，对于-20dbm的输入信号，最终倍压值达到700mV以上，进一步通过门限值进行唤醒判断并输出唤醒信号。如图所示，C29为871fF电容，L₅为16nH电感，两者组成高频阻抗匹配网络，匹配后信号在节点n7的峰值为Vin。C₃₀、C₃₁、C₃₂、C₃₃和C₃₄为100pF电容，C₃₅为1nF电容，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅和D₆为二极管HSMS2852。其中D₁、C₃₂、D₂和C₃₃组成第一级倍压整流电路，C₃₂一端接节点n7，另一端接节点n8；D₁负极接节点n8，正极接地；D₂正极接节点n8，负极接节点n9；C₃₃一端接节点n9，另一端接地，节点n9的输出为一次倍压输出，也就是节点n9的电压值Vout1为两倍的Vin。C₃₁、D₃、D₄和C₃₄组成二级倍压电路，C₃₁一端接节点n7，另一端接节点n10；D3正极接节点n9，负极接节点n10,；D₄正极接节点n10，负极接节点n11；C₃₄一端接节点n11，另一端接地，节点n11的输出为二次倍压输出，也就是节点n11的电压值Vout2为三倍的Vin。C₃₀、D₅、D₆和C₃₅组成三级倍压电路，C₃₀一端接节点n7，另一端接节点n12；D₅正极接节点n11，负极接节点n12；D₆正极接节点n12，负极接节点n13；C₃₅一端接节点n13，另一端接地，节点n13的输出为三次倍压输出，也就是节点n13的电压值为Vout四倍的Vin。而P7为输出端，连接节点n13，也就是节点n13的电压值即为倍压电路输出电压，所以该倍压整流电路在理论情况下输出电压为输入电压峰值的四倍。P7连接到判断唤醒电路的输入端，用以提供判断电压与门限参考电压进行比较。 

Claims (5)

1.一种用于有源RFID电子标签的射频唤醒电路，由射频唤醒电路发射端（1）和射频唤醒电路接收端（2）组成，其特征在于：射频唤醒电路发射端（1）设在有源RFID电子标签读卡器（3）上，由信号发生电路（11）、功率放大器（12）和发射天线（13）构成，射频唤醒电路接收端（2）在有源RFID电子标签（4）上，由接收天线（21）、倍压整流电路（22）和判断唤醒电路（23）构成。 

2.根据权利要求1所述射频唤醒电路，其特征在于，信号发生电路（11）产生915MHZ的稳定振荡信号，有效唤醒范围为20m，同时满足功率输出大于-5dbm。 

3.根据权利要求1所述射频唤醒电路，其特征在于：功率放大器（12）由驱动电路和功率放大电路对应串联构成，对信号发生电路（11）产生的振荡信号进行放大，满足功率放大倍数大于40db。 

4.根据权利要求1所述射频唤醒电路，其特征在于：发射天线（13）对功率放大器（12）输出的功率信号进行发射，其极化方式为圆极化，同时满足功率增益大于5db。 

5.根据权利要求1所述射频唤醒电路，其特征在于：接收天线(21）的尺寸为4cm×3cm，接收发射天线（13）发出的唤醒信号，同时满足功率增益为0db。 

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