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CN113437943A - 一种具有双向放大的无源uhf rfid标签电路 - Google Patents

一种具有双向放大的无源uhf rfid标签电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，包括标签天线、反射放大器、无源环形器和标签电路；标签天线与无源环形器端口1连接、反射放大器与无源环形器端口2连接、标签电路与无源环形器的端口3连接。本发明采用晶体管构成的低功耗、高增益反射放大电路与无源环形器结合，同时对UHF RFID系统前向链路和反射链路进行放大，通过放大前向链路信号增加了UHF RFID标签的灵敏度，通过放大反向链路信号可有效增加UHF RFID标签的通信距离。同时设计的标签电路具有低功耗、低成本和集成度高等特点，为远距离、低功耗无源UHF RFID标签芯片的研发提供了板级验证依据与参考，可以被广泛应用于军事、民用等领域。

Description

一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路
技术领域
本发明书属于射频识别技术领域，特别涉及一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路。
背景技术
射频识别技术(RFID)是一种自动识别技术，通过无线射频/空间耦合(电感或电磁耦合)/雷达反射方式进行非接触双向数据通信。目前RFID技术被广泛应用于物流、零售、制造业、医疗、身份识别、防伪、资产管理、交通、图书馆管理、军事等领域。
RFID系统主要由上位机、读写器和标签(终端)组成，标签与读写器的通信方式主要是反向散射。读写器将射频信号发送给标签，标签接收来自读写器提供的能量，并通过调制其负载阻抗ZL进行响应。该调制方式通过改变标签天线和标签输入接口间的反射系数的振幅或相位来实现。标签从读写器获取射频能量(无源标签)或从电池(半无源标签)获取能量，为了降低标签的功耗，无源和半无源标签都没有放大器对接收和反射信号进行放大。
无源标签/半无源标签只有很少或没有能量存储，因此它们的使用仅限于从读写器收集能量的短距离通信应用。常见的超高频(UHF)RFID系统通信分为读写器到标签的前向链路和标签到读写器的反向链路。前向链路的通信距离主要受限于读写器发射功率和标签的接收灵敏度；后向链路则受限于读写器的灵敏度。目前的结果显示，UHF RFID通信距离最大为21.25m。
为了增加UHF RFID系统的通信距离，可以通过提升读写器的灵敏度或标签的功率要求，或同时提升读写器灵敏度和标签功率要求。在标签方面，采用隧道二极管构成的反射放大器，该反射放大器的特点是具有负的负载阻抗ZL，以一定的偏置功率为代价，可以有效放大反向散射信号。隧道二极管虽然具有较低的功耗和较高的增益，但是其输入功率范围非常小。基于场效应晶体管(FET)和双极结晶体管(BJT)的反射放大器可有效的对反射信号进行放大，同时可以扩展输入功率范围，但FET或BJT构成的反射放大器功耗相对较高。同时，无论是隧道二极管还是FET/BJT构成的反射放大电路均只对反向链路的信号进行放大。
综上所述，读写器灵敏度提升技术、标签灵敏度提升技术和反向散射技术都日趋成熟，难以再通过提升这些方面的性能来大幅度增加UHF RFID系统的通信距离。反射信号放大技术虽能有效的对反射信号进行放大，但是却没有对前向链路的信号进行放大。
UHF RFID系统前向链路是读写器通过天线发送射频信号，激活标签，前向链路架构如附图1所示。前向链路的传输距离受限于标签的灵敏度，为提升UHF RFID系统前向链路的通信距离，有源标签一般在匹配网络和解调电路间引入低噪声放大器，将标签接收到的微弱信号放大后再进行解调，从而有效增加了前向链路的通信距离。
UHF RFID标签被激活后，标签将自身编码等信息通过发射天线发送出去，读写器接收天线收到标签发送来的载波信号，并传送到读写器，读写器对接收信号进行解调和解码，然后经过相关处理，获取标签信息，后向链路架构如图2所示。无源标签使用开关电路，通过失配控制信号控制开关的通/断，从而控制标签匹配电路的失配/匹配进行信号调制。由于无源标签是被动反射，无法对反射信号进行放大，且读写器灵敏有限，因此传统的UHFRFID标签反向链路通信距离通常较近。有源标签为了有效提升反向链路的通信距离，使用主动调制并发射电磁波的方式来完成后向链路的通信，但同时该方案具有高功耗、高成本等缺陷。
目前市场上性能最优的Impinj R420读写器，其接收灵敏度可达-84dBm，根据FRISS公式可推算出反向链路的最远通信距离为33m，而无源标签的接收灵敏度最低为-22dBm，则前向链路的最大通信距离为20m，可见无缘标签的通信距离受限于前向链路。为了提升前向链路的通信距离，现有技术在标签中引入低噪声放大器来提升标签的灵敏度，可以将系统的通信距离提升，但因为反向链路的限制，通信距离的提升没有得到明显的改善。为了进一步提升通信距离，现有技术将标签设计为有源标签，在前向链路引入低噪声放大器，后向链路采用主动调制并发射电磁波的方式来提升通信距离，但该方案分开设计前向链路和后向链路，这就导致标签的电路结构更为复杂，系统功耗较高，不符合RFID标签的低功耗、小型化、低成本的特性，难以广泛地应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种即可有效放大前向链路信号，增加UHF RFID标签的灵敏度；也可有效放大反向链路信号，有效增加UHF RFID标签的通信距离的具有双向放大的无源UHF RFID标签电路。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，包括标签天线、反射放大器、无源环形器和标签电路；
标签天线与无源环形器端口1连接、反射放大器与无源环形器端口2连接、标签电路与无源环形器的端口3连接。
进一步地，所述标签电路包括无源匹配网络、信号处理电路、能量收集电路、能量管理电路和调制开关，信号处理电路分别连接无源匹配网络和能量管理电路，能量管理电路与能量收集电路相连；调制开关设置在无源匹配网络和无源环形器的端口3之间，通过信号处理电路进行匹配/失配控制。所述调制开关采用MOS管，MOS管的栅极与信号处理电路相连，漏极与无源环形器的端口3连接，源极接地。
所述调制开关断开时，无源匹配网络处于匹配状态，标签天线接收到射频信号，射频信号从环形器端口1传输到端口2的反射放大器，反射放大器对输入射频信号放大后传输到无源环形器的端口3，无源环形器端口3将射频信号输入标签电路，标签电路对输入信号进行处理。
所述调制开关导通时，环形器与标签电路之间失配，信号经过无源环形器端口3传输到无源环形器的端口2，无源环形器的端口2对反射信号进行放大后传送到无源环形器的端口1，端口1射频信号经过标签天线发射。
进一步地，所述反射放大器采用负阻放大器，负阻放大器包括偏置电路、晶体三极管和反馈回路，偏置电路包括电容C、电阻R、电感L1和L2，反馈回路包括阻抗Z1、Z2和ZS；
电容C、电阻R和电感L2的一端分别与VCC电源相连，电容C的另一端接地；
电阻R的另一端通过电感L1分别连接阻抗Z1和晶体三极管的基极；
电感L2的另一端分别连接阻抗Z2和晶体三极管的集电极；
阻抗Z1和阻抗Z2的另一端分别与阻抗ZS的一端相连，ZS的另一端接地；
晶体三极管的发射极接地；
负阻放大器的反射系数为：
Figure BDA0003205846160000031
Z0代表负阻放大器的源阻抗，ZL代表负阻放大器的负载阻抗；当ZL小于0时，对应的|Γin|＞＞1。
本发明的有益效果是：本发明重点解决现有技术中，有源UHF RFID标签功耗高、成本高，和无源UHF RFID标签能量有限，通信距离近等问题，采用晶体管构成的低功耗、高增益反射放大电路与无源环形器结合，同时对UHF RFID系统前向链路和反射链路进行放大，通过放大前向链路信号增加了UHF RFID标签的灵敏度，通过放大反向链路信号可有效增加UHF RFID标签的通信距离。同时设计的标签电路具有低功耗、低成本和集成度高等特点，为远距离、低功耗无源UHF RFID标签芯片的研发提供了板级验证依据与参考，可以被广泛应用于军事、民用等领域。
附图说明
图1为UHF RFID系统前向链路；
图2为UHF RFID系统后向链路；
图3为本发明的双向放大的UHF RFID标签系统架构图；
图4为单端口晶体管负阻放大器电路原理图；
图5为BFU550A晶体管偏置电流Ib和偏置电压Vbe关系图；
图6为反射放大器增益随频率和输入功率变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图3所示，本发明的一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，包括标签天线、反射放大器、无源环形器和标签电路；
标签天线与无源环形器端口1连接、反射放大器与无源环形器端口2连接、标签电路与无源环形器的端口3连接。
所述标签电路包括无源匹配网络、信号处理电路、能量收集电路、能量管理电路和调制开关，信号处理电路分别连接无源匹配网络和能量管理电路，能量管理电路与能量收集电路相连；调制开关设置在无源匹配网络和无源环形器的端口3之间，通过信号处理电路进行匹配/失配控制。所述调制开关采用MOS管，MOS管的栅极与信号处理电路相连，漏极与无源环形器的端口3连接，源极接地。
本发明提出的对标签前向和反向链路信号进行放大的电路工作流程为：
1)前向链路：调制开关断开时，无源匹配网络处于匹配状态，标签天线接收到射频信号，射频信号从环形器端口1传输到端口2的反射放大器，反射放大器对输入射频信号放大后传输到无源环形器的端口3，无源环形器端口3将射频信号输入标签电路，通过无源匹配网络进行检波，然后传输至信号处理模块对输入信号进行处理。
2)反向链路：调制开关导通时，环形器与标签电路之间失配，信号经过无源环形器端口3传输到无源环形器的端口2，无源环形器的端口2对反射信号进行放大后传送到无源环形器的端口1，端口1射频信号经过标签天线发射。
在前向链路和反射链路，接收和反射信号均经过反射放大电路，反射放大电路可有效对信号进行放大，即增加了前向链路信号功率，也增加了反射信号的功率。相比于传统的标签，该系统对前向链路和后向链路通信的信号均能有效放大，假设反射放大电路的增益为G，无源环形器单端口传输的损耗为IL，则前向链路的增益为G-2×IL，反向链路的增益为G-3×IL。
如图4所示，反射放大器采用负阻放大器，负阻放大器包括偏置电路、晶体三极管(BJT)和反馈回路，偏置电路包括电容C、电阻R、电感L1和L2，反馈回路包括阻抗Z1、Z2和ZS；
电容C、电阻R和电感L2的一端分别与VCC电源相连，电容C的另一端接地；
电阻R的另一端通过电感L1分别连接阻抗Z1和晶体三极管的基极；
电感L2的另一端分别连接阻抗Z2和晶体三极管的集电极；
阻抗Z1和阻抗Z2的另一端分别与阻抗ZS的一端相连，ZS的另一端接地；
晶体三极管的发射极接地；
负阻放大器的反射系数为：
Figure BDA0003205846160000051
Z0代表负阻放大器的源阻抗，ZL代表负阻放大器的负载阻抗；当ZL小于0时，对应的|Γin|＞＞1。晶体管在一定偏置电压下存在负电阻，因此可用于设计反射放大电路。以BFU550A型晶体管为例，其偏置电流与偏置电压关系如图5所示，由图5可知，在适当的偏置电压Vbe下，其对应的电流Ib与电压Vbe存在负相关性，即ZL＜＜0。
基于此原理设计的反射放大电路具有功耗低、增益高、版图尺寸小等特点。本发明利用BFU550A设计的反射放大电路在输入信号频率为900MHz、输入信号功率为-30dBm时，静态功耗仅1.6mW，增益为22.5dB，该反射放大电路在不同频率(Frequency)和输入功率(Pin)下的增益(Gain)如图6所示，由图6可知，反射放大电路增益随输入信号功率降低而增加，在输入信号为-40dBm时，增益为26dB。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，其特征在于，包括标签天线、反射放大器、无源环形器和标签电路；
标签天线与无源环形器端口1连接、反射放大器与无源环形器端口2连接、标签电路与无源环形器的端口3连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，其特征在于，所述标签电路包括无源匹配网络、信号处理电路、能量收集电路、能量管理电路和调制开关，信号处理电路分别连接无源匹配网络和能量管理电路，能量管理电路与能量收集电路相连；调制开关设置在无源匹配网络和无源环形器的端口3之间，通过信号处理电路进行匹配/失配控制。
3.根据权利要求2所述的一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，其特征在于，所述调制开关采用MOS管，MOS管的栅极与信号处理电路相连，漏极与无源环形器的端口3连接，源极接地。
4.根据权利要求2或3所述的一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，其特征在于，所述调制开关断开时，无源匹配网络处于匹配状态，标签天线接收到射频信号，射频信号从环形器端口1传输到端口2的反射放大器，反射放大器对输入射频信号放大后传输到无源环形器的端口3，无源环形器端口3将射频信号输入标签电路，标签电路对输入信号进行处理。
5.根据权利要求2或3所述的一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，其特征在于，所述调制开关导通时，环形器与标签电路之间失配，信号经过无源环形器端口3传输到无源环形器的端口2，无源环形器的端口2对反射信号进行放大后传送到无源环形器的端口1，端口1射频信号经过标签天线发射。
6.根据权利要求1所述的一种具有双向放大的无源UHF RFID标签电路，其特征在于，所述反射放大器采用负阻放大器，负阻放大器包括偏置电路、晶体三极管和反馈回路，偏置电路包括电容C、电阻R、电感L1和L2，反馈回路包括阻抗Z1、Z2和ZS；
电容C、电阻R和电感L2的一端分别与VCC电源相连，电容C的另一端接地；
电阻R的另一端通过电感L1分别连接阻抗Z1和晶体三极管的基极；
电感L2的另一端分别连接阻抗Z2和晶体三极管的集电极；
阻抗Z1和阻抗Z2的另一端分别与阻抗ZS的一端相连，ZS的另一端接地；
晶体三极管的发射极接地；
负阻放大器的反射系数为：
Figure FDA0003205846150000021
Z0代表负阻放大器的源阻抗，ZL代表负阻放大器的负载阻抗；当ZL小于0时，对应的|Γin|＞＞1。
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