CN218676069U

CN218676069U - 主动式有源相调rfid装置

Info

Publication number: CN218676069U
Application number: CN202222664153.9U
Authority: CN
Inventors: 李广
Original assignee: Guangdong Institute of Science and Technology
Current assignee: Guangdong Institute of Science and Technology
Priority date: 2022-10-09
Filing date: 2022-10-09
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2032-10-09

Abstract

本实用新型提供一种主动式有源相调RFID装置，包括天线以及负载电阻，天线连接在负载电阻的第一端；还包括开关器件，其第一端连接在负载电阻的第二端，开关器件的第二端接地；还包括低频信号发生电路，用于输出低频信号；还包括电感器，连接在低频信号发生电路与开关器件之间，低频信号发生电路输出的低频信号经过电感器后输出至开关器件，开关器件在低频信号的控制下通断。本实用新型能够使反射系数在1和‑1之间变化，提高调制系数，使得雷达系统接收到的反射信号的功率更高。

Description

主动式有源相调RFID装置

技术领域

本实用新型涉及电子标签的技术领域，具体地说，是涉及一种主动式有源相调RFID装置。

背景技术

电子标签广泛应用于物流、检测、通信等领域，随着检测技术的发展，对移动物体进行检测时，越来越多应用RFID装置等电子标签。通常，将电子标签粘贴在移动的物体上，通过获取电子标签返回的信号以对电子标签进行识别，从而确定移动物体的信息。RFID装置分为主动式RFID装置和被动式RFID装置，主动式RFID装置通常设置有信号源，被动式RFID装置一般不设置信号源，依赖于所接收到的信号感应形成的电流工作。

对移动物体进行检测，一种应用场景是在每一个RFID装置内设置芯片，该芯片存储有RFID装置的识别码，通过该识别码来标识每一个物体，当阅读器读取RFID装置的识别码时，能够识别该物体的身份信息，以此确定阅读器当前所获取的物件是哪一个物件。通常，这种应用场景用于对每一个物体的身份进行识别，例如清点物体的数量、在生产线上识别每一个物体的位置等。

另一种应用场景是利用RFID装置对无线信号进行反射，由检测设备对移动物体的位置、移动方向、移动速度等进行检测。常见的应用场景是通过雷达系统对行驶中的汽车、飞机等进行检测。例如，雷达系统发送用于检测的信号，在需要检测的目标物体上设置RFID装置，当检测信号遇到移动物体后，RFID装置可以将检测信号反射，雷达系统通过接收反射回来的信号，根据发射的信号与反射回来的信号计算目标物体与雷达系统之间的距离，并计算目标物体的移动方向。

公开号为CN101436261A的中国发明专利申请公开了一种2.45GHz半主动射频识别标签，该射频识别标签设置有两个偶极子天线，并且设置有负载调制模块和双路选择模块，双路选择模块设置有两个开关，其中一个开关可以控制负载调制模块与一个偶极子天线之间的连接。通过控制开关的通断状态改变，可以改变偶极子天线之间与负载调制模块之间的连通状态，从而使得射频识别标签的反射系数的改变。例如，在开关断开时，负载调制模块与偶极子天线之间处于断开状态，负载调制模块不通电，天线模块接收到的射频信号经天线模块全反射出去，此时的反射系数为-1；在开关闭合时，负载调制模块与偶极子天线之间处于电连通状态，负载调制模块通电，天线模块接收到的射频信号被负载调制模块接收而没有射频信号经天线模块发射出去，此时的反射系数为0。

通常，雷达接收到来自RFID装置所反射的反射信号的接收功率P_r可以通过下面的公式计算：

其中P_t是雷达系统的信号发射功率、G_r是雷达系统的接收增益、G_t是雷达系统的发射增益，X是偏振失配程度，λ是发射信号的波长，r是天线与目标物体之间的距离，M是调制系数，B是路径阻塞损耗，F_a是衰减裕度。因此，为了增大接收功率P_r，应增加发射功率P_t、接收增益G_r、发射增益G_t和调制系数M，降低路径阻塞损耗B和衰减裕度F_a。但是，由于雷达系统的功率限制，发射功率P_t往往是有限的。发射增益G_r和接收增益G_t可以通过在雷达上安装定向天线来增加，但会增加雷达系统的生产成本。实际上，可以通过考虑增加调制系数M以提高接收功率P_r。调制系数M可以由下面的公式计算获得：

其中，Γ_A和Γ_B分别是RFID装置在两种状态下的反射系数。由于传统的RFID装置的反射系数分别是-1和0，因此，调制系数M的值为1/4。由于调制系数M的值较小，影响雷达系统所接收到的反射信号的功率，影响对移动物体检测的准确性。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能够提高雷达系统接收的反射信号功率的主动式有源相调RFID装置。

为实现上述的目的，本实用新型提供的主动式有源相调RFID装置包括天线以及负载电阻，天线连接在负载电阻的第一端；还包括开关器件，其第一端连接在负载电阻的第二端，开关器件的第二端接地；还包括低频信号发生电路，用于输出低频信号；还包括电感器，连接在低频信号发生电路与开关器件之间，低频信号发生电路输出的低频信号经过电感器后输出至开关器件，开关器件在低频信号的控制下通断。

由上述方案可见，当开关器件处于导通状态时，负载电阻接地，使得天线实际上对地短路，使得有源相调RFID装置的反射系数为1。当开关器件处于截止状态时，天线与负载电阻之间不会形成回路，负载电阻上没有电流流经，使得有源相调RFID装置的反射系数为-1。这样，在开关器件在导通与截止两种状态下，有源相调RFID装置的反射系数分别是1和-1，其调制系数M为1，相比起传统的RFID装置，有源相调RFID装置能够使雷达系统接收到更高功率的反射信号，有利于提高雷达系统对目标物体检测的准确性。

一个优选的方案是，低频信号发生电路包括低频信号源以及波形整形电路，低频信号源生成低频正弦波信号，波形整形电路接收低频正弦波信号并对低频正弦波信号进行整形，输出低频脉冲信号。

由此可见，开关器件在低频脉冲信号的控制下工作，从而在导通与截止状态之间切换，对开关器件的控制更加精确。

进一步的方案是，波形整形电路包括施密特触发器。由于施密特触发器在接收到正弦波信号后，可以输出稳定、规整的脉冲信号，使用施密特触发器作为波形整形电路，可以提高输出的低频脉冲信号的波形规整性。

更进一步的方案是，开关器件为二极管，二极管的阳极端连接负载电阻，二极管的阴极端接地。

由于二极管结构简单，使用二极管作为开关器件可以简化有源相调RFID装置的结构，降低其生产成本。

更进一步的方案是，二极管为PIN二极管，PIN二极管的阳极端连接至电感器。

由于PIN二极管具有超低电容、开关速度高等优点，并且还具有低插入损耗、高回波损耗和高隔离度等优势，选用PIN二极管可以提高有源相调RFID装置的开关性能。

更进一步的方案是，低频信号发生电路与所述电感器之间设置有滤波电路。

可见，通过滤波电路对低频信号发生电路输出的信号进行滤波，避免干扰信号通过电感器输入至开关器件，确保开关器件能够按照低频脉冲信号的高低电平情况进行开关状态的切换，从而使得有源相调RFID装置的反射系数按照预先设定的值变化。

更进一步的方案是，滤波电路包括滤波电容，滤波电容的第一端连接至低频信号发生电路与电感器之间的连接点，滤波电容的第二端接地。

由此可见，滤波电容对瞬间的突变信号具有很好的过滤作用，避免瞬间的高压信号穿过电感器而导致二极管损坏，也避免二极管在瞬间的高压信号下错误导通。

更进一步的方案是，负载电阻的阻抗等于天线的输入阻抗。这样，负载电阻与天线相匹配，使得有源相调RFID装置的反射系数能够非常接近于1和-1。

附图说明

图1是本实用新型主动式有源相调RFID装置实施例与雷达系统的结构框图。

图2是本实用新型主动式有源相调RFID装置实施例的电原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

本实用新型的主动式有源相调RFID装置可以接收雷达系统发射的检测信号，将所接收到的检测信号反射回雷达系统，雷达系统接收到反射回来的反射信号后，应用反射信号对移动的目标物体进行检测，并以此计算出目标物体的移动速度，例如径向移动速度、线速度等。

参见图1，雷达系统10包括发射天线11以及接收天线12，发射天线11可以发射高频无线信号，例如，高频无线信号的频率可以是24GHz甚至更高，用于探测移动的目标物体。本实用新型的主动式有源相调RFID装置20设置在待检测的目标物体上，例如，粘贴在目标物体上。当主动式有源相调RFID装置20接收到检测信号后，对检测信号进行反射，形成反射信号，雷达系统10的接收天线12可以接收反射信号，并根据发射信号与反射信号计算目标物体的位置，例如计算目标物体与雷达系统10之间的距离，从而确定目标物体的位置。另外，还可以计算目标物体的移动速度。

参见图2，主动式有源相调RFID装置20包括天线21、负载电阻R1、二极管D1、电感器L1、滤波电容C1，并且设置有低频信号源25以及施密特触发器26，其中，低频信号源25以及施密特触发器26构成本实施例的低频信号发生电路，施密特触发器26作为本实施例的波形整形电路，接收低频信号源25输出的信号。

低频信号源25可以是一个低频的正弦波发生器，例如通过LC振荡电路实现，通过调节LC振荡电路的参数设定低频正弦波信号的频率。优选的，低频信号源25所输出的低频正弦波信号的频率在1kHz以下，以确保低频正弦波信号能够通过电感器L1。施密特触发器26接收低频信号源25所输出的低频正弦波信号，并且对低频正弦波信号进行整形，具体的，将低频正弦波信号整形以形成低频脉冲信号。

天线21用于接收发射天线11所发射的检测信号，并可以将所接收到的检测信号反射回去，形成反射信号。天线21连接到负载电阻R1的第一端，负载电阻R1的第二端连接至二极管D1，二极管D1的阳极端连接至负载电阻R1，阴极端接地。

本实施例中，施密特触发器26与二极管D1的阳极端之间连接有电感器L1，电感器L1的一端连接在二极管D1的阳极与负载电阻R1之间，这样，施密特触发器26输出的低频脉冲信号将通过电感器L1输出至二极管D1的阳极端。优选的，二极管采用PIN二极管，其导通压降通常为0.7伏左右。

由于电感器L1允许较低频率的信号通过，而高频信号无法通过电感器L1，因此，施密特触发器26输出的低频脉冲信号可以通过电感器L1并控制二极管D1的开关状态变化。但天线21所接收到的高频检测信号则无法通过电感器L1，因此高频的检测信号不会对施密特触发器26造成影响。

本实施例中，二极管D1作为开关器件，在工作的时候将根据施密特触发器26所输出的低频脉冲信号电平的变化而改变通断状态，具体的，当低频脉冲信号为高电平时，二极管D1正向偏置，处于导通状态，当低频脉冲信号为低电平时，二极管D1不导通，即处于截止状态。为此，施密特触发器26输出的低频脉冲信号的高电平与低电平应该分别高于、低于二极管D1的导通压降。由于二极管D1的导通压降为0.7伏左右，因此，低频脉冲信号的高电平可以为3伏，而低电平可以为0.2伏。

从图2可以看出，当二极管D1处于导通状态时，天线21、负载电阻R1、二极管D1形成回路，由于负载电阻R1实际上接地，因此，负载电阻R1相当于对地短路。本实施例中，负载电阻R1的阻抗等于天线21的输入阻抗，通常，天线21的输入阻抗为50欧姆左右，因此，负载电阻R1的阻抗也为50欧姆。

由于负载电阻R1的阻抗较小，负载电阻R1的阻抗相对于大地可以忽略不计，因此，当二极管D1处于导通状态时，天线21也是对地短路，可以认为此时与天线21连接的负载电阻是无限大。主动式有源相调RFID装置20的反射系数Γ可以采用下面的公式计算：

其中，Z_L是与天线21连接的电路中的输入阻抗，Z^* _ANT是天线21的输入阻抗。当二极管D1处于导通状态时，由于负载电阻R1接地，因此，与天线21形成回路的电路中，输入阻抗Z_L可以认为是无限大，而天线21的输入阻抗Z^* _ANT相比起大地可以忽略不计，也就是天线21的输入阻抗Z^* _ANT远小于输入阻抗Z_L，因此，根据式3，在二极管D1处于导通状态时，主动式有源相调RFID装置20的反射系数Γ为1。

当二极管D1处于截止状态时，天线21、负载电阻R1、二极管D1之间不能形成回路。并且，由于电感器L1不允许高频信号通过，因此天线21接收到高频的检测信号不能够通过电感器L1，也就无法形成回路。这样，负载电阻R1没有电流流经，可以认为与天线21连接的电路中的输入阻抗Z_L为0。根据式3，在二极管D1处于截止状态时，有源相调RFID装置20的反射系数Γ为-1。

可见，当二极管D1的通断状态发生变化时，有源相调RFID装置20的反射系数Γ在1和-1之间来回变化，根据式2可以计算得出，主动式有源相调RFID装置20的调制系数M为1，相比起传统的RFID装置，本实施例所使用的主动式有源相调RFID装置20的调制系数M是传统的RFID装置的调制系数M的四倍。因此，雷达系统20的接收天线12所接收到的反射信号的功率将大大增加，对目标物体的检测更加准确。

由于主动式有源相调RFID装置20设置在目标物体上，由于目标物体持续移动，所处环境复杂，容易受到外部环境影响而导致施密特触发器26输出的低频脉冲信号受到干扰，并容易出现瞬间高压的情况。如果二极管D1接收到瞬间高压信号，不但容易损坏，如果瞬间的高压出现在脉冲信号的低电平持续期间，还会导致二极管D1错误的处于导通状态，影响天线21对检测信号的反射。

为此，在施密特触发器26的输出端与电感器L1之间设置一个滤波电路，具体的，该滤波电路包括一个滤波电容C1，滤波电容C1的一端连接至电感器L1，另一端接地。滤波电容C1可以将施密特触发器26输出的低频脉冲信号的干扰信号滤除，使得输入到二极管D1的低频脉冲信号的波形更加规整。优选的，低频脉冲信号为理想的方波，占空比为50％。

本实施例中，主动式有源相调RFID装置20对接收到的检测信号的反射系数分别是1和-1，因此，主动式有源相调RFID装置20相当于对接收到的检测信号进行了二进制相位调制(BPM)，在两种状态下，反射的反射信号之间形成了180°的相位差。假设在第一种状态下反射信号M₁(t)采用下面的公式表示：

M₁(t)＝S(t)*cos(2πft+φ₀) (式4)

其中，S(t)为接收到的反射信号，f为反射信号的频率，φ₀为初始相位角。

则在第二种状态下反射信号M₂(t)采用下面的公式表示：

M₂(t)＝S(t)*cos(2πft+φ₀+π) (式5)

可见，本实施例将开关器件设置在负载电阻与地之间，通过改变二极管的通断状态可以使得主动式有源相调RFID装置20的反射系数在1和-1之间变化，从而提高调制系数，使得雷达系统10接收到的反射信号的功率更高，提升对目标物体检测的准确性。

最后需要强调的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、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

1.主动式有源相调RFID装置，包括：

天线以及负载电阻，所述天线连接在所述负载电阻的第一端；

其特征在于，该主动式有源相调RFID装置还包括：

开关器件，所述开关器件的第一端连接在所述负载电阻的第二端，所述开关器件的第二端接地；

低频信号发生电路，用于输出低频信号；

电感器，连接在所述低频信号发生电路与所述开关器件之间，所述低频信号发生电路输出的低频信号经过所述电感器后输出至所述开关器件，所述开关器件在所述低频信号的控制下通断。

2.根据权利要求1所述的主动式有源相调RFID装置，其特征在于：

所述低频信号发生电路包括低频信号源以及波形整形电路，所述低频信号源生成低频正弦波信号，所述波形整形电路接收所述低频正弦波信号并对所述低频正弦波信号进行整形，输出低频脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的主动式有源相调RFID装置，其特征在于：

所述波形整形电路包括施密特触发器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的主动式有源相调RFID装置，其特征在于：

所述开关器件为二极管，所述二极管的阳极端连接所述负载电阻，所述二极管的阴极端接地。

5.根据权利要求4所述的主动式有源相调RFID装置，其特征在于：

所述二极管为PIN二极管，所述PIN二极管的阳极端连接至所述电感器。

6.根据权利要求1至3任一项所述的主动式有源相调RFID装置，其特征在于：

所述低频信号发生电路与所述电感器之间设置有滤波电路。

7.根据权利要求6所述的主动式有源相调RFID装置，其特征在于：

所述滤波电路包括滤波电容，所述滤波电容的第一端连接至所述低频信号发生电路与所述电感器之间的连接点，所述滤波电容的第二端接地。

8.根据权利要求1至3任一项所述的主动式有源相调RFID装置，其特征在于：

所述负载电阻的阻抗等于所述天线的输入阻抗。