CN204256772U - 一种无源双端口uhf rfid标签 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无源双端口UHF RFID标签，包括：两套天线，每套天线都有配套的匹配网络，还包括：射频模拟前端模块以及数字基带与存储模块；其中，射频模拟前端模块包括：比较电路和开关电路；其中，两套天线分别接收阅读器发送的空间电磁波，并分别通过匹配网络送入比较电路；比较电路用于比较两套天线接收到的射频能量的高低，将比较结果送入数字基带与存储模块，数字基带与存储模块对比较结果进行判决，幅值大的天线仅作为供电天线，另一套天线即作为供电天线又参与反向散射通信。本实用新型提出的双端口标签设计方案可有效提高标签芯片接收的射频能量，扩展阅读器与标签芯片之间的工作距离。

Description

一种无源双端口UHF RFID标签

技术领域

本实用新型涉及射频识别领域，尤其涉及一种在无源工作状态下，通过双端口标签天线来提高射频识别系统工作距离的具体实现方法。

背景技术

超高频射频识别(UHF RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。与传统的条码识别技术相比，UHF RFID的读取距离远，非视距，读写速度快，无需人工干预，可同时识别多个高速移动物体，更重要的是，UHF RFID芯片可存储大量信息。基于上述优点，UHF RFID技术已被广泛应用于生产制造、物流仓储、资产管理、交通运输、医疗卫生和公共安全等领域。近年来，随着物联网技术和应用的不断发展，作为其关键技术之一的RFID再次引起人们的极大关注。因此，深入挖掘RFID技术的潜能，并与物联网、无线传感网络等新兴技术相结合，必将对推动社会进步和国家经济建设作出重大贡献。

UHF RFID系统最基本的构成包括阅读器(Reader)和电子标签(Tag)两部分。其中，电子标签可分为无源标签、有源标签和半有源标签三种。由于无源标签从阅读器发出的电磁波中获取能量，无需内置电源，所以具有体积小、重量轻、成本低，使用寿命不受限等优点。然而无源标签所需的全部能量均源于阅读器发射的空间电磁波，因此，工作距离受限，穿透能力差。目前，绝大多数无源标签都采用单端口设计，即每个无源标签装配一套天线。无源标签通过天线接收射频能量的一部分用于芯片供电，另一部分参与反向散射通信。当无源标签与阅读器之间的通信距离较远时，天线接收能量不足以提供无源标签电路所需的最小工作电压，因而限制了RFID系统的识别距离。

为实现无源标签与阅读器之间的远距离通信，目前多采用降低电路功耗的方法。例如，乔舒亚·K·霍伊特等人申请了“睡眠模式”无源标签的专利(申请号200980106434.7)，即在读取RFID标签信息后，存储器进入“睡眠”模式，从而降低无源RFID标签的功耗，然而“睡眠”电路重启时，不可避免地引入时延，造成标签信息的传输延误。茹纪军也申请了无源低功耗超高频电子标签芯片与低功耗控制方法的相关专利(申请号201310113390)，他在传统标签电路的基础上引入了电源关断控制模块和开关矩阵电路，通过实时检测各模块的工作状态来启断相应模块的供电电源，从而有效提升标签芯片的整体性能，然而这种芯片的整体结构复杂，占用面积大，与无源RFID的低成本相矛盾。

实用新型内容

本实用新型提供了一种无源双端口UHF RFID标签，本实用新型提高了无源标签接收的射频能量，改善了RFID系统的整体性能，详见下文描述：

一种无源双端口UHF RFID标签，包括：两套天线，每套天线都有配套的匹配网络，还包括：射频模拟前端模块以及数字基带与存储模块；其中，所述射频模拟前端模块包括：比较电路和开关电路；

其中，两套天线分别接收阅读器发送的空间电磁波，并分别通过匹配网络送入所述比较电路；所述比较电路用于比较两套天线接收到的射频能量的高低，将比较结果送入数字基带与存储模块，所述数字基带与存储模块通过开关电路切换两套天线的工作模式，幅值大的天线仅作为供电天线，另一套天线即作为供电天线又参与反向散射通信。

其中，所述比较电路包括：第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管及第八PMOS管，

所述第五PMOS管、所述第六PMOS管、所述第七PMOS管及所述第八PMOS管的源极均接电源；所述第七PMOS管的漏极连接第三NMOS管和所述第五PMOS管的漏极，并与所述第六PMOS管和第四NMOS管的栅极相连，作为第一输出端；

所述第八PMOS管的漏极连接第四NMOS管和第六NMOS管的漏极，并与所述第五PMOS管和第三NMOS管的栅极相连，作为第二输出端；所述第七PMOS管和第八PMOS管的栅极均接时钟信号；

所述第三NMOS管的源极与第一NMOS管的漏极相连，所述第四NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极相连；所述第一NMOS管的栅极接第一输入端，所述第二NMOS管的栅极接第二输入端；

所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的源极相连，并连接第九NMOS管的漏极；所述第九NMOS管的栅极接时钟信号，源极接地。

其中，所述开关电路包括：第十NMOS管，

所述第十NMOS管的漏极与第十二NMOS管的漏极相连，并接开关的第一输入信号；所述第十NMOS管的源极与第十一NMOS管的源极相连，作为开关的输出端；所述第十一NMOS管的漏极与第十三NMOS管的漏极相连，并接开关的第二输入信号；所述第十二NMOS管的源极和所述第十三NMOS管的源极接地；所述第十NMOS管的栅极与所述第十三NMOS管的栅极接控制信号；所述第十一NMOS管的栅极与所述第十二NMOS管 的栅极接反相控制信号。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、射频标签采用两套天线：一套天线专门接收射频能量，提供芯片所需工作电压；另一套天线既为芯片供电，又参与反向散射通信，与单端口标签芯片相比，本实用新型提出的双端口标签设计方案可有效提高标签芯片接收的射频能量，扩展阅读器与标签芯片之间的工作距离。

2、通过开关控制电路，实现双天线工作模式的自动切换，即哪套天线参与反向散射通信，哪套天线作为标签芯片电路供电的专用天线，完全由系统自动判决，实现了天线工作模式的智能化。

3、本实用新型所采用比较电路的输入与输出端之间的屏蔽性能好，时间常数小，工作速度快。

4、利用NMOS开关特性实现的开关控制电路具有结构简单、易实现、功耗低、切换速度快等优点。

附图说明

图1是本实用新型所设计的无源双端口UHF RFID芯片的结构框图；

图2是本实用新型所采用比较电路的原理图；

图3是开关控制电路简单实现电路图。

附图中，各部件的列表如下：

1：第一天线；                            2：第二天线；

3：第一匹配网络；                        4：第二匹配网络；

5：射频模拟前端模块；                    6：数字基带与存储模块；

51：整流电路；                           52：比较电路；

53：振荡器；                             54：上电复位电路；

55：稳压电路；                           56：解调电路；

57：调制电路；                           58：开关电路；

M1：第一NMOS管；                         M2：第二NMOS管；

M3：第三NMOS管；                         M4：第四NMOS管；

M5：第五PMOS管；                         M6：第六PMOS管；

M7：第七PMOS管；                         M8：第八PMOS管；

M9：第九NMOS管；                           M10：第十NMOS管；

M11：第十一NMOS管；                        M12：第十二NMOS管；

M13：第十三NMOS管；                        Vdd：电源；

Clk：时钟信号；                            GND：地；

S：控制信号；                              反相控制信号；

In1：比较器的第一输入端；                  In2：比较器的第二输入端；

Out1：比较器第一输出端；                   Out2：比较器的第二输出端；

Rf1：开关的第一输入信号；                  Rf2：开关的第二输入信号；

Rfo：开关的输出端；                        Vpor：复位信号。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，一种无源双端口UHF RFID标签包括：两套天线(第一天线1和第二天线2，每套天线都有配套的匹配网络，即第一匹配网络3和第二匹配网络4)、射频模拟前端模块5以及数字基带与存储模块6三部分。其中，第一天线1和第二天线2分别接收阅读器发送的空间电磁波，并分别通过第一匹配网络3和第二匹配网络4送入射频模拟前端模块5。射频模拟前端模块5包括：整流电路51、比较电路52、振荡器53、上电复位电路54、稳压电路55、解调电路56、调制电路57和开关电路58。

整流电路51对第一天线1和第二天线2接收的射频能量进行叠加，并将该射频信号转换成直流电压，经稳压电路55处理后，为射频模拟前端模块5(具体为：振荡器53、上电复位电路54、解调电路56和调制电路57)和数字基带与存储模块6提供稳定的工作电压。振荡器53为比较电路52和数字基带与存储模块6提供所需的2MHz系统时钟Clk。

其中，上电复位电路54的主要作用是当标签芯片进入有效工作区，且稳压电路55提供的电源电压超过芯片工作电压的下限时，产生复位信号Vpor；而当电源电压低至工作电压下限时，上电复位模块54可防止数字基带与存储模块6出现功能逻辑错误。比较电路52采用差分结构，它可对两套天线接收的射频能量幅值进行比较，数字基带与存储模块6对比较结果进行判决，并发送相应的控制信号给开关电路58，自动切换两套天线的工作模式，即控制信号通过切换单刀双掷开关来选择天线1或者天线2，使其参与反向散射通信。因此，两套天线与标签芯片内部电路所构成的射频标签具有高度的智能化，即标签芯片可 根据两套天线接收射频能量的大小，自动地选择场强较大的天线作为芯片专用供电天线，其仅参与能量供给，而另一套天线即用作射频能量接收，又参与反向散射通信，实现了根据两套天线的射频能量的大小，及时对两天线的工作方式进行切换、控制，而在不影响芯片通信过程的同时，大大地增强标签的接收能量，进而提高标签的工作距离。

本实用新型所提供的标签的工作过程如下：标签天线接收阅读器发送的空间电磁波，并通过匹配网络送入射频模拟前端模块5。整流电路51首先对两套天线接收的射频能量进行叠加，并将该射频信号转换成直流电压，经稳压电路55处理后，为无源RFID芯片的射频模拟前端模块5和数字基带与存储模块6提供稳定的工作电压，使标签进入工作状态。然后，比较电路52对两套天线接收的射频能量强度进行比较，并将比较结果送入数字基带与存储模块6进行判决，利用判决结果控制开关电路58，选择出专用供电天线和反向散射天线。此时，参与反向散射天线接收的部分射频信号送入解调电路56进行解调，将解调后的信息送入数字基带与存储模块6进行处理。需要返回的数据信息经数字基带与存储模块6处理后，通过调制电路57将该数据信息加载到射频载波上，最后通过天线将返回数据信息发回阅读器，从而完成UHF RFID系统的工作过程。

图2所示为本实用新型中所采用的比较电路52的原理图。比较电路52包括：第五PMOS管M5、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7及第八PMOS管M8的源极均接电源Vdd；第七PMOS管M7的漏极连接第三NMOS管M3和第五PMOS管M5的漏极，并与第六PMOS管M6和第四NMOS管M4的栅极相连，作为第一输出端Out1；第八PMOS管M8的漏极连接第四NMOS管M4和第六NMOS管M6的漏极，并与第五PMOS管M5和第三NMOS管M3的栅极相连，作为第二输出端Out2；第七PMOS管M7和第八PMOS管M8的栅极均接时钟信号Clk；第三NMOS管M3的源极与第一NMOS管M1的漏极相连，第四NMOS管M4的源极与第二NMOS管M2的漏极相连；第一NMOS管M1的栅极接第一输入端In1，第二NMOS管M2的栅极接第二输入端In2；第一NMOS管M1的源极与第二NMOS管M2的源极相连，并连接第九NMOS管M9的漏极；第九NMOS管M9的栅极接时钟信号Clk，源极接地。

其工作过程为：在复位周期内，Clk＝0，此时作为尾电流源的第九NMOS管M9截止，而第七PMOS管M7和第八PMOS管M8导通，第一输出端Out1和第二输出端Out2端的输出电压均被上拉至Vdd，初始化电平为高；在比较周期内，Clk＝1，此时第七PMOS管M7和第八PMOS管M8截止，而作为尾电流源的第九NMOS管M9导通，进入工作状态。

上拉至Vdd的Out1和Out2端开始通过第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的漏 电流进行放电，放电速度取决于对应的输入信号In1和In2的大小。若输入信号In1>In2，则第一NMOS管M1管的漏电流大于第二NMOS管M2管的漏电流，因此Out1端的放电速度比Out2端的放电速度快。Out1端的电平值比Out2端先到达Vdd-|V_thp|(其中，|V_thp|为PMOS管的阈值电压)，使对应的第五PMOS管M5导通，通过交叉耦合反相器结构(由M3、M5及M4、M6构成)将Out1端电压上拉至Vdd，OUT2端放电至GND，即Out1端表现为高电平1，Out2端表现为低电平0。若输入信号In1<In2时，情况则正好相反，即Out1端表现为低电平0，Out2端表现为高电平1.

图3所示为单刀双掷开关电路结构。开关电路58包括：第十NMOS管M10的漏极与第十二NMOS管M12的漏极相连，并接开关的第一输入信号Rf1；第十NMOS管M10的源极与第十一NMOS管M11的源极相连，作为开关的输出端Rfo；第十一NMOS管M11的漏极与第十三NMOS管M13的漏极相连，并接开关的第二输入信号RF2；第十二NMOS管M12的源极和第十三NMOS管M13的源极接地；第十NMOS管M10的栅极与第十三NMOS管M13的栅极接控制信号；第十一NMOS管M11的栅极与第十二NMOS管M12的栅极接反相控制信号。

当控制信号S为高电平时，第十NMOS管M10导通，以此选通第一输入信号Rf1到输出端Rfo的通路，此时第一天线1参与反向散射通信，第二天线2为专用供电天线。当控制信号S为低电平时，第十一NMOS管M11导通，第二输入信号Rf2到输出端Rfo之间的通道导通，第二天线2参与反向散射通信，第一天线1为专用供电天线，从而实现双天线工作模式的选择控制。第十二NMOS管M12和第十三NMOS管M13的作用是在各自所属的通道导通时关闭，进而增加通道的隔离度，其状态与对应导通管第十NMOS管M10和第十一NMOS管的状态相反。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无源双端口UHF RFID标签，其特征在于，包括：两套天线，每套天线都有配套的匹配网络，还包括：射频模拟前端模块以及数字基带与存储模块；其中，所述射频模拟前端模块包括：比较电路和开关电路；

其中，两套天线分别接收阅读器发送的空间电磁波，并分别通过匹配网络送入所述比较电路；所述比较电路用于比较两套天线接收到的射频能量的高低，将比较结果送入数字基带与存储模块，所述数字基带与存储模块通过开关电路切换两套天线的工作模式，幅值大的天线仅作为供电天线，另一套天线即作为供电天线又参与反向散射通信。

2.根据权利要求1所述的一种无源双端口UHF RFID标签，其特征在于，所述比较电路包括：第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管及第八PMOS管，

所述第五PMOS管、所述第六PMOS管、所述第七PMOS管及所述第八PMOS管的源极均接电源；所述第七PMOS管的漏极连接第三NMOS管和所述第五PMOS管的漏极，并与所述第六PMOS管和第四NMOS管的栅极相连，作为第一输出端；

所述第八PMOS管的漏极连接第四NMOS管和第六NMOS管的漏极，并与所述第五PMOS管和第三NMOS管的栅极相连，作为第二输出端；所述第七PMOS管和第八PMOS管的栅极均接时钟信号；

所述第三NMOS管的源极与第一NMOS管的漏极相连，所述第四NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极相连；所述第一NMOS管的栅极接第一输入端，所述第二NMOS管的栅极接第二输入端；

所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的源极相连，并连接第九NMOS管的漏极；所述第九NMOS管的栅极接时钟信号，源极接地。

3.根据权利要求1所述的一种无源双端口UHF RFID标签，其特征在于，所述开关电路包括：第十NMOS管，

所述第十NMOS管的漏极与第十二NMOS管的漏极相连，并接开关的第一输入信号；所述第十NMOS管的源极与第十一NMOS管的源极相连，作为开关的输出端；所述第十一NMOS管的漏极与第十三NMOS管的漏极相连，并接开关的第二输入信号；所述第十二NMOS管的源极和所述第十三NMOS管的源极接地；所述第十NMOS管的栅极与所述第十三NMOS管的栅极接控制信号；所述第十一NMOS管的栅极与所述第十二NMOS管的栅极接反相控制信号。