TWI494862B - 諧波雷達射頻標籤與系統 - Google Patents

Description

諧波雷達射頻標籤與系統

本發明是有關於一種諧波雷達射頻標籤與系統，特別是有關於一種適用於二次諧波雷達偵測系統之多物件諧波雷達射頻標籤與系統。

現今無線通訊技術係相當發達，其中雷達之應用係為現今發展相當成熟之技術。雷達之應用範圍相當廣泛，除了一般的物體監測及速度監測外，例如A.Singh,V.M.Lubecke等人之論文“Respiration Monitoring and Clutter Rejection Using a CW Doppler Radar With Passive RF Tags,”IEEE Sensor Journal,vol.12,no.3,pp.558-565,Mar.2012提及雷達可應用於呼吸和心跳訊號偵測方面，其中A.Singh,V.M.Lubecke等人係利用二次諧波雷達標籤來進行呼吸和心跳之偵測。

二次諧波雷達之基本技術係發射利用一倍頻雷達訊號但反射二倍雷達訊號來偵測物體。例如，雷達基地台係發射雷達訊號至一雷達標籤。此雷達標籤之會接收此雷達訊號並相應地輸出二倍頻訊號。當雷達基地台偵測到此二倍頻訊號，即完成物體的偵測。由於二次諧波雷達偵測技術係接收二倍頻訊號來進行物體的偵測，因此相較於一般接收一倍頻訊號的雷達偵測技術，二次諧波雷達偵測技 術具有相當優良的雜波抑制(clutter rejection)效果。

然而，現行雷達標籤的二倍頻訊號強度取決於二極體元件的諧波效應，所以或有反射功率不足之慮，導致偵測距離不足以及偵測效果不佳，而且現行雷達標籤也不支援多物件/多人偵測之功能。因此，需要一種新的諧波雷達射頻標籤與系統來改善現行二次諧波雷達偵測系統的偵測距離和偵測效果，同時提供多物件偵測之功能。

本發明之一方面是在提供於一種諧波雷達射頻標籤與系統，其係結合射頻無線傳能的設計概念及注入鎖定振盪器來將二倍頻放大輸出，以增加二次諧波雷達偵測系統的偵測距離。另外，利用除頻器和鎖相迴路之設計，可使得本發明實施例之諧波雷達射頻標籤與系統提供多物件偵測之功能。

根據本發明之一實施例，此諧波雷達射頻標籤包含輸入天線、變壓器、整流電路、注入鎖定振盪器以及輸出天線。輸入天線係用以接收雷達訊號，其中雷達訊號具有訊號頻率f₀ 。變壓器係電性連接至輸入天線，以接收雷達訊號。整流電路係電性連接至變壓器，以將雷達訊號整流，並輸出整流雷達訊號，其中整流雷達訊號包含直流訊號成份和二倍頻訊號成份。注入鎖定振盪器係電性連接至整流電路，以根據被注入之二倍頻訊號成份來鎖定輸出二倍頻雷達訊號，其中二倍頻雷達訊號之頻率為雷達訊號之頻率 的二倍。除M電路係電性連接至注入鎖定振盪器，以將二倍頻雷達訊號之頻率除以M，而輸出參考訊號。鎖相迴路係電性連接至除M電路，以接收參考訊號，其中鎖相迴路包含除N電路，以使除N電路根據參考訊號來輸出調變訊號，其中調變訊號之頻率為(N/M)×2f₀ 。輸出天線係電性連接至鎖相迴路，以發射調變訊號。

根據本發明之另一實施例，此諧波雷達射頻系統包含雷達訊號收發器以及複數個諧波雷達射頻標籤。雷達訊號收發器係用以發射雷達訊號。每一諧波雷達射頻標籤包含輸入天線、變壓器、整流電路、注入鎖定振盪器以及輸出天線。輸入天線係用以接收雷達訊號，其中雷達訊號具有訊號頻率f₀ 。變壓器係電性連接至輸入天線，以接收雷達訊號。整流電路係電性連接至變壓器，以將雷達訊號整流，並輸出整流雷達訊號，其中整流雷達訊號包含直流訊號成份和二倍頻訊號成份。注入鎖定振盪器係電性連接至整流電路，以根據被注入之二倍頻訊號成份來鎖定輸出二倍頻雷達訊號，其中二倍頻雷達訊號之頻率為雷達訊號之頻率的二倍。除M電路係電性連接至注入鎖定振盪器，以將二倍頻雷達訊號之頻率除以M，而輸出參考訊號。鎖相迴路係電性連接至除M電路，以接收參考訊號，其中鎖相迴路包含除N電路，以使除N電路根據參考訊號來輸出調變訊號，其中調變訊號之頻率為(N/M)×2f₀ 。輸出天線係電性連接至鎖相迴路，以發射調變訊號至雷達收發器。其中，所有諧波雷達射頻標籤之N值彼此不相等。

由上述說明可知，本發明實施例之諧波雷達射頻標籤係利用整流電路來將接受到的交流電能先濾成直流電能，再提供振盪器以二倍頻訊號振盪。同時，藉由振盪器本身有注入鎖定的特質，我們利用全波整流器輸出端的二倍頻訊號當作是注入鎖定訊號並饋入振盪器中與全波整流器中的二倍頻同步。如此，便能提高諧波雷達射頻標籤二倍頻輸出功率的強度，增加雷達偵測距離。另外，各個雷達射頻標籤之二倍頻訊號可再藉由除M電路和預設不同N值的鎖相迴路來輸出頻率不相同之調變訊號，以使雷達訊號收發器根據調變訊號之頻率來辨識雷達射頻標籤。

100‧‧‧諧波雷達射頻標籤

110‧‧‧輸入天線

120‧‧‧變壓器

130‧‧‧整流電路

140‧‧‧注入鎖定振盪器

150‧‧‧輸出天線

160‧‧‧除M電路

170‧‧‧鎖相迴路

171‧‧‧相位/頻率檢知器

172‧‧‧電荷幫浦

173‧‧‧濾波器

174‧‧‧壓控震盪器

175‧‧‧除N電路

200‧‧‧波雷達射頻系統

210‧‧‧雷達收發器

300‧‧‧諧波雷達射頻標籤

310‧‧‧選擇器

400‧‧‧諧波雷達射頻標籤

410、420‧‧‧天線匹配電路

500‧‧‧諧波雷達射頻標籤

510‧‧‧低通濾波器

600‧‧‧諧波雷達射頻標籤

610‧‧‧倍壓器電路

C₁ 、C₂ 、C_FB 、C_F ‧‧‧電容

D₁ 、D₂ ‧‧‧二極體

f_DC ‧‧‧直流訊號

f_in ‧‧‧雷達訊號

f_out ‧‧‧調變訊號

f_2r ‧‧‧二倍頻雷達訊號

f_ref ‧‧‧參考訊號

Lp‧‧‧主線圈部份

Ls1‧‧‧次線圈部份

Ls2‧‧‧次線圈部份

L₁ 、L₂ ‧‧‧電感

M1‧‧‧電晶體

R_F ‧‧‧電阻

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1圖係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻標籤的電路架構示意圖。

第1a圖係繪示根據本發明實施例之鎖相迴路的電路結構圖。

第2圖係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻系統的架構示意圖。

第3圖係繪示根據本發明另一實施例之諧波雷達射頻標籤的架構示意圖。

第4圖係繪示根據本發明再一實施例之諧波雷達射頻標籤的電路架構示意圖。

第5圖係繪示根據本發明又一實施例之諧波雷達射頻標籤的電路架構示意圖。

第6圖係繪示根據本發明又一實施例之諧波雷達射頻標籤的電路架構示意圖。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻標籤100的電路架構示意圖。諧波雷達射頻標籤100包含輸入天線110、變壓器120、整流電路130、注入鎖定振盪器140、輸出天線150、除M電路160以及鎖相迴路170。

輸入天線110係用以接收雷達基地台所發射之雷達訊號f_in 。變壓器120係電性連接至輸入天線110，以接收雷達訊號f_in 。在本實施例中，變壓器120為中心抽頭式變壓器，但本發明之實施例並不受限於此。中心抽頭式變壓器120包含主線圈部份Lp、次線圈部份Ls1以及次線圈部份Ls2。當雷達訊號f_in 的能量進入中心抽頭式變壓器120後，可藉由主線圈部份Lp轉移至次線圈部份Ls1以及次線圈部份Ls2，以透過次線圈部份Ls1以及次線圈部份Ls2輸出交流訊號。整流電路130係電性連接至變壓器120，以將變壓器120所輸出之交流訊號整流成直流訊號f_DC 。在本實施例中，整流電路130包含兩個背對背(指陰極接陰極，或陽極接陽極)的二極體D₁ 和D₂ ，但本發明之實施例並不受限於此。由於本實施例之整流電路130為全波整流器，因此於直流訊號f_DC 會包含直流成分以及二倍頻之交流成 分。

注入鎖定振盪器140係電性連接至整流電路130，以接收直流訊號f_DC 。由於直流訊號f_DC 包含直流成分DC以及二倍頻之交流成分2 fin，因此注入鎖定振盪器140可利用直流訊號f_DC 之直流成分來進行偏壓操作，並使注入鎖定振盪器140所輸出之二倍頻雷達訊號f_2r 的頻率鎖定在二倍頻訊號的頻率。

如第1圖所示，本實施例之注入鎖定振盪器140包含電感L₁ 、電感L₂ 、電容C₁ 、電容C₂ 、電容C_FB 以及電晶體M1，其中二倍頻訊號2f_in 被當作是注入鎖定訊號並經電晶體M1之閘極(當採用雙載子電晶體時，為基極)來饋入注入鎖定振盪器140中，並與二倍頻訊號2f_in 同步。由於注入鎖定振盪器140的工作原理本身就是一個正迴授的放大器電路，因此注入鎖定振盪器140所輸出之二倍頻雷達訊號f_2r 具有較高之強度。

除M電路160係電性連接至注入鎖定振盪器140，以將二倍頻雷達訊號f_2r 之頻率除以M，而訊號f_ref 來作為鎖相迴路170之參考訊號。參考訊號f_ref 之頻率為二倍頻雷達訊號f_2r 之頻率的1/M，其中M為大於0的正整數。

鎖相迴路170係電性連接於除M電路160與輸出天線150之間，以根據參考訊號f_ref 來輸出調變訊號f_out ，並利用輸出天線150來發射調變訊號f_out 。

請參照第1a圖，其係繪示根據本發明實施例之鎖相迴路170的電路結構圖。鎖相迴路170包含相位/頻率檢 知器(Phase/Frequency Detector；PFD)171、電荷幫浦172、濾波器173、壓控震盪器174以及除N電路175。其中，除N電路175係電性連接於壓控震盪器174與除N電路175之間，如此鎖相迴路170所輸出之調變訊號f_out 的頻率為(N/M)×2f₀ ，其中f₀ 為雷達訊號f_in 之訊號頻率，N為大於0之正整數。

由上述說明可知，本發明實施例之諧波雷達射頻標籤係利用注入鎖定振盪器來將直流成份的能量轉換至二倍頻率訊號能量，如此當雷達偵測系統所使用之標籤安裝了本發明實施例之諧波雷達射頻標籤100，此雷達偵測系統的偵測距離即可大幅地提升。另外，諧波雷達射頻標籤100之除N電路175的N值可透過人工或機器設定。藉由適當的設定N值，諧波雷達射頻標籤100所發射的二倍頻訊號可被雷達偵測系統識別，而達到多物件偵測之目的。在以下的實施例中，將會介紹如何應用諧波雷達射頻標籤100來進行多物件偵測。

請參照第2圖，其係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻系統200的架構示意圖。諧波雷達射頻系統200包含雷達收發器210以及複數個諧波雷達射頻標籤100，其中所有諧波雷達射頻標籤100之除N電路的預設N值彼此不同。雷達收發器210係用以發射前述之雷達訊號f_in 。當諧波雷達射頻標籤100收到雷達訊號f_in 後，便會根據各自除N電路的N值來發射出調變訊號f_out 。由於所有諧波雷達射頻標籤100之N值彼此不同，所有標籤100所發射出 之調變訊號f_out 的頻率也會不同。藉此，雷達收發器210便可根據所收到的調變訊號f_out 的N值來辨識出諧波雷達射頻標籤100。例如，雷達收發器210可藉由功率偵測技術(power detection)來確認N值，並據此辨識出諧波雷達射頻標籤100。

以2.4G的雷達射頻標籤系統為例，若取80MHz作為頻寬，並設計500KHz的保護頻帶(guard band)，則可適當地設計諧波雷達射頻標籤100的M值和N值，以將80MHz的頻寬以1MHz為單位切割，如此諧波雷達射頻系統200便可辨識出80個諧波雷達射頻標籤100。

請參照第3圖，其係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻標籤300的電路架構示意圖。諧波雷達射頻標籤300係類似於諧波雷達射頻標籤100，但不同之處在於諧波雷達射頻標籤300更包含選擇器310。選擇器310係電性連接至鎖相迴路170之除N電路175，以輸出選定值K至除N電路175來設定N之值，其中K=N-M。在本實施例中，由於增加了選擇器310至諧波雷達射頻標籤中，標籤300所發射出之調變訊號f_out 的頻率可視為2fo+△f，其中△f=(K/M)×2fo。在上述2.4G雷達射頻標籤系統的例子中，由於80MHz的頻寬被以1MHz為單位來切割，因此△f為1MHz。例如，第一個標籤所輸出之調變訊號f_out 的頻率為2fo+△f，第二標籤所輸出之調變訊號f_out 的頻率為2fo+2△f，以此類推則第80個標籤所輸出之調變訊號f_out 的頻率為2fo+80△f。

另外，本發明之實施例之△f並不受限於1MHz。在本發明之其他實施例中，△f的值可根據實際的需求來決定。例如，若使用者僅需要辨識40個標籤，使用者也可設定K值來將△f定為2MHz。

由上述說明可知，本發明實施例之諧波雷達射頻標籤300提供選擇器310來讓使用者設定N值，如此可讓雷達射頻系統200的辨識功能更具有彈性。另外，選擇器310亦可使用韌體來設計。如此，當使用者決定好K值(或N值)後，即可將碼值燒錄進韌體中，使△f的值固定。

請參照第4圖，其係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻標籤400的電路架構示意圖。諧波雷達射頻標籤400係類似於諧波雷達射頻標籤100，但不同之處在於諧波雷達射頻標籤400包含天線匹配電路410和420。天線匹配電路410和420係分別電性連接至輸入天線110和輸出天線150，以提高天線傳輸的品質。

請參照第5圖，其係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻標籤500的電路架構示意圖。諧波雷達射頻標籤500係類似於諧波雷達射頻標籤400，但不同之處在於諧波雷達射頻標籤500包含低通濾波器510。低通濾波器510係電性連接於整流電路130與注入鎖定振盪器140之間，以濾除直流訊號f_DC 中的高階諧波成份，且只允許二倍頻以下頻率的成分通過低通濾波器510。在本實施例中，低通濾波器510為RC濾波器，其包含電阻R_F 與電容C_F ，但本發明之實施例並不受限於此。

藉由使用低通濾波器510，諧波雷達射頻標籤500可輸出高次諧波成分較低的二倍頻雷達訊號，如此可提高雷達偵測的效能。

請參照第6圖，其係繪示根據本發明實施例之諧波雷達射頻標籤600的電路架構示意圖。諧波雷達射頻標籤600係類似於諧波雷達射頻標籤500，但不同之處在於諧波雷達射頻標籤600具有倍壓器電路610。倍壓器電路610係具有電壓放大功能與整流功能，以使得倍壓器電路610所提供之直流訊號f_DC 具有較大的電壓值。在本實施例中倍壓器電路610為狄克森(Dickson)倍壓器，但本發明之實施例並不受限於此。

本實施例之諧波雷達射頻標籤600係利用倍壓器電路610來提供電壓較大之直流訊號f_DC ，如此不但可簡化諧波雷達射頻標籤之架構，同時亦可提供足夠的電壓來偏壓注入鎖定振盪器140。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧諧波雷達射頻標籤

110‧‧‧輸入天線

120‧‧‧變壓器

130‧‧‧整流電路

140‧‧‧注入鎖定振盪器

150‧‧‧輸出天線

160‧‧‧除M電路

170‧‧‧鎖相迴路

f_in ‧‧‧雷達訊號

f_out ‧‧‧調變訊號

f_2r ‧‧‧二倍頻雷達訊號

f_ref ‧‧‧參考訊號

Lp‧‧‧主線圈部份

Ls1‧‧‧次線圈部份

Ls2‧‧‧次線圈部份

D₁ 、D₂ ‧‧‧二極體

f_DC ‧‧‧直流訊號

L₁ 、L₂ ‧‧‧電感

C₁ 、C₂ 、C_FB ‧‧‧電容

M1‧‧‧電晶體

Claims (10)

1. 一種諧波雷達射頻標籤，包含：一輸入天線，用以接收一雷達訊號，其中該雷達訊號具有一訊號頻率f₀ ；一變壓器，電性連接至該輸入天線，以接收該雷達訊號；一整流電路，電性連接至該變壓器，以將該雷達訊號整流，並輸出一整流雷達訊號，其中該整流雷達訊號包含一直流訊號成份和一二倍頻訊號成份；一注入鎖定振盪器，電性連接至該整流電路，以根據被注入之該二倍頻訊號成份來鎖定輸出一二倍頻雷達訊號，其中該二倍頻雷達訊號之頻率為該雷達訊號之頻率的二倍；以及一除M電路，電性連接至該注入鎖定振盪器，以將該二倍頻雷達訊號之頻率除以M，而輸出一參考訊號；一鎖相迴路，電性連接至該除M電路，以接收該參考訊號，其中該鎖相迴路包含一除N電路，以使該除N電路根據該參考訊號來輸出一調變訊號，其中該調變訊號之頻率為(N/M)×2f₀ ；一輸出天線，電性連接至該鎖相迴路，用以發射該調變訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之諧波雷達射頻標籤，更包含一選擇器，用以輸出一選定值K至該除N電路，以改變該調變訊號之頻率，其中N=M+K。
3. 如申請專利範圍第1項所述之諧波雷達射頻標籤，其中該整流雷達訊號更包含一其它高頻訊號成份，該其它高頻訊號成份之頻率係大於該二倍頻訊號成份之頻率，該諧波雷達接收器更包含一低通濾波器，該低通濾波器係電性連接於該變壓器和該注入鎖定振盪器之間，以將該其它高頻訊號成份濾除。
4. 如申請專利範圍第1項所述之諧波雷達射頻標籤，其中該整流電路為一倍壓整流器電路，用以將該整流雷達訊號放大。
5. 如申請專利範圍第1項所述之諧波雷達射頻標籤，更包含一輸入阻抗匹配電路以及一輸出阻抗匹配電路，分別電性連接至該輸入天線和該輸出天線，以匹配該輸入天線和該輸出天線之阻抗。
6. 如申請專利範圍第1項所述之諧波雷達射頻標籤，其中該變壓器為中心抽頭式變壓器。
7. 如申請專利範圍第1項所述之諧波雷達射頻標籤，其中該雷達訊號為弦波訊號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之諧波雷達射頻標籤，其中該變壓器包含一主線圈部份和一次線圈部份，該主線圈埠份係電性連接至該輸入天線，以接收該雷達訊號，該次線圈部份係電性連接至該整流電路，以提供被放大之該雷達弦波 訊號至該整流電路來進行整流。
9. 一種諧波雷達射頻系統，包含：一雷達收發器，用以發射一雷達訊號；以及複數個諧波雷達射頻標籤，其中每一該些諧波雷達射頻標籤包含：一輸入天線，用以接收一雷達訊號，其中該雷達訊號具有一訊號頻率f₀ ；一變壓器，電性連接至該輸入天線，以接收該雷達訊號；一整流電路，電性連接至該變壓器，以將該雷達訊號整流，並輸出一整流雷達訊號，其中該整流雷達訊號包含一直流訊號成份和一二倍頻訊號成份；一注入鎖定振盪器，電性連接至該整流電路，以根據被注入之該二倍頻訊號成份來鎖定輸出一二倍頻雷達訊號，其中該二倍頻雷達訊號之頻率為該雷達訊號之頻率的二倍；以及一除M電路，電性連接至該注入鎖定振盪器，以將該二倍頻雷達訊號之頻率除以M，而輸出一參考訊號；一鎖相迴路，電性連接至該除M電路，以接收該參考訊號，其中該鎖相迴路包含一除N電路，以使該除N電路根據該參考訊號來輸出一調變訊號，其中該調變訊號之頻率為(N/M)×2f₀ ；以及一輸出天線，電性連接至該鎖相迴路，用以發射該調變訊號至該雷達收發器； 其中，該些諧波雷達射頻標籤之N值彼此不相等。
10. 如申請專利範圍第9項所述之諧波雷達射頻系統，其中該諧波雷達射頻標籤更包含一選擇器，用以輸出一選定值K至該除N電路，以改變該調變訊號之頻率，其中N=M+K，且，每一該些諧波雷達射頻標籤具有不相等之K值，而使得該些諧波雷達射頻標籤之N值彼此不相等。