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CN116582118B - 一种rfid天线虚拟开关电路及多天线复用装置 - Google Patents

一种rfid天线虚拟开关电路及多天线复用装置 Download PDF

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CN116582118B CN202310847212.2A CN202310847212A CN116582118B CN 116582118 B CN116582118 B CN 116582118B CN 202310847212 A CN202310847212 A CN 202310847212A CN 116582118 B CN116582118 B CN 116582118B
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Abstract

本发明公开了一种RFID天线虚拟开关电路及多天线复用装置，所述虚拟开关电路包括三极管、电感和二极管；所述三极管用于，在所述虚拟开关电路闭合时处于导通状态以使RFID阅读器输出的高频射频信号传输到天线或使天线接收的高频信号传输到RFID阅读器，在所述虚拟开关电路断开时处于截止状态以使RFID阅读器输出的高频射频信号无法传输到天线或使天线接收的高频信号无法传输到RFID阅读器。本发明利用叠加于高频射频信号中的控制信号，实现了RFID阅读器与天线的通断控制，且基于该虚拟开关电路的多天线复用装置，实现了多天线的灵活复用，使得实时定位系统能够充分利用各天线的接收信息，以准确定位到RFID标签所标记的物品。

Description

一种RFID天线虚拟开关电路及多天线复用装置
技术领域
本发明属于射频识别技术领域，尤其涉及一种RFID天线虚拟开关电路及多天线复用装置。
背景技术
实时定位系统（Real-Time Location System, RTLS）是一种用于实时确定物品位置的智能系统，这种系统通常通过具有多个天线的超高频RFID阅读器来实现，如图1所示的一种基于射频识别的智能货架，有多种信号特征可以用来推断RFID标签的位置，如信号强度、相位差等，提取的数据可以被移植到云中，或通过各种定位算法进行本地处理，以确定标签的准确位置信息。
图1中虽然只显示了9个架子隔间，但实际应用中可能会有更大的拓扑结构。目前市场上，有许多超高频RFID阅读器具有驱动50~70个外部天线的能力，这种驱动能力大多是通过射频多路复用器实现的。尽管单个超高频RFID阅读器核心的高扇形输出降低了系统扩展的成本，但也使系统变得越来越复杂，越来越难以实现和维护。试想，把几十根射频同轴电缆同时连接到一个中心，如果系统异常需要排查故障或进行维护，这种“意大利面”式的电缆排布将带来许多问题。
图2中显示了一个支持多天线驱动的标准超高频射频识别系统：一个超高频RFID阅读器核心作为单一收发器运行，通过一个低损耗的射频开关或轮询装置与多个外部超高频RFID天线交互。这种架构通常用于跟踪经过某一区域的固定有RFID标签的物品。当图1所示的智能货架通过图2所示的架构实现时，阅读器核心只是按顺序处理每个天线，当物品经过某一区域时，可以通过附近天线获取其运动轨迹，但在定位时它忽略了其他天线的信息，而这些信息实际上对于定位物品来说是非常有用的。
发明内容
本发明提供一种RFID天线虚拟开关电路及多天线复用装置，以解决现有RFID多天线复用系统或轮询装置结构复杂、难以维护以及定位时无法充分利用多天线采集信息的技术问题。本发明提供的技术方案具体如下：
一种RFID天线虚拟开关电路，所述虚拟开关电路串接于RFID阅读器与天线之间，包括三极管TSWITCH、电感LISOLATE和二极管DSWITCH；所述三极管TSWITCH的发射极和集电极分别与RFID阅读器和天线对应连接；所述电感LISOLATE的一端与RFID阅读器连接，另一端通过二极管DSWITCH与三极管TSWITCH的基极连接；所述虚拟开关电路与RFID阅读器以及天线之间均连接有阻抗匹配电路；
所述三极管TSWITCH用于，在所述虚拟开关电路闭合时处于导通状态以使RFID阅读器输出的高频射频信号传输到天线或使天线接收的高频信号传输到RFID阅读器，在所述虚拟开关电路断开时处于截止状态以使RFID阅读器输出的高频射频信号无法传输到天线或使天线接收的高频信号无法传输到RFID阅读器；
所述电感LISOLATE用于，在RFID阅读器输出低频或直流控制信号时导通二极管DSWITCH以使三极管TSWITCH截止，在RFID阅读器未输出控制信号时截止二极管DSWITCH以使三极管TSWITCH导通；
所述二极管DSWITCH用于对通过电感LISOLATE的信号进行整流；
所述RFID阅读器用于输出控制信号或射频信号与控制信号的叠加信号，并接收天线传输回来的高频信号；
所述天线为发射天线或/和接收天线。
进一步地，所述二极管DSWITCH与三极管TSWITCH之间设置有延时电路，用于延迟三极管TSWITCH在导通和截止之间的状态切换，并用于平滑经过二极管DSWITCH整流的信号；所述低通滤波电路为并联的电阻RSWITCH和电容CSWITCH。
进一步地，所述三极管TSWITCH和电感LISOLATE之间还串接有电阻RLIMIT。
进一步地，所述阻抗匹配电路为基于电容的匹配桥：在所述虚拟开关电路与RFID阅读器之间，三极管TSWITCH的发射极或集电极通过电容CMI1与RFID阅读器连接，电容CMI1并联有串联在一起的电容CMI0和电容CMI2；在所述虚拟开关电路与天线之间，三极管TSWITCH的集电极或发射极通过电容CMO1与天线连接，电容CMO1并联有串联在一起的电容CMO0和电容CMO2。
一种RFID多天线复用装置，包括RFID阅读器、控制模块、若干天线和与天线数量相同的上述虚拟开关电路，各天线分别通过所述虚拟开关电路与RFID阅读器连接，断开各所述虚拟开关电路中的电感LISOLATE与RFID阅读器的连接，将电感LISOLATE与控制模块连接；
所述控制模块用于根据接收到的控制指令向指定的虚拟开关电路发送控制信号，所述控制信号通过虚拟开关电路中的电感LISOLATE使得该虚拟开关电路中的二极管DSWITCH导通；所述RFID阅读器通过控制模块选择若干天线中的任意天线用于发射射频信号或接收该天线传输回来的信号。
本发明的有益效果：本发明提出的虚拟开关电路，利用叠加于高频射频信号中的低频或直流控制信号，实现了RFID阅读器与天线的通断控制，电路结构简单且易于集成复用；基于该虚拟开关电路，本发明还提出一种RFID多天线复用装置，通过控制模块实现了多天线的灵活复用，使得实时定位系统能够充分利用各天线的接收信息，以准确定位到RFID标签所标记的物品。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是一种基于射频识别的智能货架示意图；
图2是一种支持多天线驱动的标准超高频射频识别系统的架构示意图；
图3是超高频RFID阅读器的内部组件结构示意图；
图4是图3所示超高频RFID阅读器的扩展组件结构示意图；
图5是一种总线式开关架构示意图；
图6是图5所示总线式开关架构的扩展示意图；
图7是本发明一实施例提供的虚拟开关电路的示意图；
图8是本发明一实施例提供的多天线复用装置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图3为超高频RFID阅读器的内部组件结构示意图，载波信号生成模块是其中比较重要的组件之一。载波信号由前向链路基带信号信息进行调制。目前广泛使用的调制方案包括PIE（脉冲间隔编码）和ASK（振幅位移键控），RFID标签的反向散射信号则采用改进的弥勒编码方法，使得反向散射信号能够被多天线系统中的其他天线检测到。关键组件还包括功率放大器，用来将调制后的信号放大到适当的功率水平，以驱动天线。如果需要高功率电平，则通常采用外部专用功率放大器。对驱动信号进行带通滤波和阻抗匹配也是必要的，以确保阅读器不发射目标频带外的无关频率信号。对于既是发射器又是接收器的天线，超高频RFID阅读器的关键部件还包括循环器，以同时处理具有高功率水平的正向链路和来自标签的后向散射的弱接收信号。采集到的信号经过带通滤波去除带外内容后对其进行解调，以从标签产生的反向散射信号中提取数据信息。
这种整体架构不仅适用于单个收发器核心，它还可以从外部天线接收信号。图4显示了这种架构的扩展，以满足更广泛的超高频RFID天线的数量。图中额外的信道还包含了进行信号抵消的机制，以抑制主载波和提取较弱的后向散射信号。虽然在这些额外的通道中不需要进行数字数据的提取，但为了提取有用的RSSI和相位信息，还保留了一种IQ解调方法。这种信号集成为标签定位提供了一个有用的基础，从中定位算法可以利用丰富的信息来确定待定位标签的准确位置。
传统地，超高频RFID阅读器与天线之间分别通过同轴电缆连接，同轴电缆的特征阻抗与阅读器的输出阻抗和超高频RFID天线的输入阻抗相匹配。或者将阅读器与众多RFID天线间的连接电缆替换为一条统一的总线，并将局部隔离机制应用于总线上，以使得系统能够选用不同天线。图5显示了一个8天线的总线示例，当然，根据应用实际，可以设置更多或更少的天线。图5中单独的控制线与射频电缆捆绑在一起，它的控制机制类似于I2C这种基于地址的控制和传感总线，每个天线均被设置了一个唯一的物理地址，通过该物理地址控制每个天线是否加入信号收发总线，实际应用中通过低损耗射频开关的连接或断开来控制天线的通断，如DIP开关。
图6对图5所示的总线式开关架构进行了扩展，它不仅便于发射天线的切换和选择，还有利于任意接收天线的选择。这种拓扑结构在RFID标签定位场景中是有益的。对于具有预定义几何形状的多天线系统，所获取的信号提供了大量的传播路径距离，从这些距离可以定位与天线位置相关的特定标签。这种方法需要通过所有发射天线进行连续循环，并且对于每个发射实例，通过接收天线组合进行循环，从而获得了大量的传播数据，从中可以确定标签的位置。
不同于图5和图6所示的基于独立控制电缆的总线架构，本发明提出一种RFID天线虚拟开关电路，如图7所示，该虚拟开关电路串接于RFID阅读器与天线之间，包括三极管TSWITCH、电感LISOLATE和二极管DSWITCH。三极管TSWITCH的发射极和集电极分别与RFID阅读器和天线对应连接，电感LISOLATE的一端与RFID阅读器连接，其另一端通过二极管DSWITCH与三极管TSWITCH的基极连接。
在正常运行期间，虚拟开关电路处于闭合模式，允许高频射频信号从读取器传递到发射天线。而当高频射频信号与低频或直流控制信号的叠加信号进入虚拟开关电路时，电感LISOLATE所在支路虽然阻断高频信号的传递，但将允许低频或直流的控制信号通过，控制信号通过一个高速整流二极管DSWITCH到达三极管TSWITCH，使得三极管TSWITCH基极的电位升高，进而使得三极管TSWITCH由导通状态转换为截止状态，此时高频射频信号便无法传递到发射天线，即虚拟开关电路处于断开模式。同理，对于接收天线，若虚拟开关电路处于闭合模式，则允许接收天线接收到的高频信号传递到阅读器，而当存在低频或直流的控制信号时，三极管TSWITCH截止，接收天线接收到的高频信号便无法再传递到阅读器。实际应用中，同一天线往往既是发射天线又是接收天线。
虚拟开关电路与RFID阅读器以及天线之间均连接有阻抗匹配电路，在如图7所示的实施例中，所述阻抗匹配电路为基于电容的匹配桥：在虚拟开关电路与RFID阅读器之间，三极管TSWITCH的发射极通过电容CMI1与RFID阅读器连接，电容CMI1并联有串联在一起的电容CMI0和电容CMI2；在虚拟开关电路与天线之间，三极管TSWITCH的集电极通过电容CMO1与天线连接，电容CMO1并联有串联在一起的电容CMO0和电容CMO2。
在一些实施例中，为了对开关动作提供较慢的响应（延迟三极管TSWITCH在导通和截止之间的状态切换），在二极管DSWITCH与三极管TSWITCH之间还设置有延时电路，如图7所示，为并联的电阻RSWITCH和电容CSWITCH。该延时电路还相当于提供了一个具有一定时间常数的低通频率函数，以平滑经过二极管DSWITCH的半波整流信号，该时间常数取决于电阻RSWITCH和电容CSWITCH的参数值，可根据具体应用场景选择设定。
在一些实施例中，三极管TSWITCH和电感LISOLATE之间还串接有电阻RLIMIT。
如图8所示，基于上述虚拟开关电路，本发明还提出一种RFID多天线复用装置，包括RFID阅读器、控制模块、若干天线和与天线数量相同的所述虚拟开关电路，各天线分别通过虚拟开关电路与RFID阅读器连接，断开各虚拟开关电路中的电感LISOLATE与RFID阅读器的连接，将电感LISOLATE与控制模块连接。控制模块用于根据接收到的控制指令向指定的虚拟开关电路发送控制信号，控制信号为直流或低频信号，能够通过电感LISOLATE使得虚拟开关电路中的二极管DSWITCH导通，进而使得三极管TSWITCH截止，此时RFID阅读器输出的高频射频信号便无法传输到天线，同时天线接收的高频信号无法传输到RFID阅读器。当无控制信号发送到虚拟开关电路时，三极管TSWITCH导通，与该虚拟开关电路连接的天线便能进行正常的射频信号收发。由此，RFID阅读器能够通过控制模块选择若干天线中的任意天线用于发射射频信号或接收该天线传输回来的信号。控制模块的控制指令来自于控制模块上设置的选择按钮，或来自于其他电器元件给出的相关控制指令。
如前所述，天线多路复用也能够通过虚拟控制信道来实现，这是通过在输出发射馈线电缆上叠加的不同频率的信号来实现的（高频的射频信号和低频或直流的控制信号）。因此需要对控制信号和要发射/接收的射频信号的频段进行分割。如在一些实施例中，射频发射和接收的频率范围为865~960MHz，控制信号为直流信号或在433 MHz 的ISM频带。在433 MHz控制系统中，切换逻辑选择是通过对叠加的433 MHz控制信号的陷波滤波来实现的。
最后应说明的是：在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种RFID天线虚拟开关电路，所述虚拟开关电路串接于RFID阅读器与天线之间，其特征在于，包括三极管TSWITCH、电感LISOLATE和二极管DSWITCH；所述三极管TSWITCH的发射极和集电极分别与RFID阅读器和天线对应连接；所述电感LISOLATE的一端与RFID阅读器连接，另一端通过二极管DSWITCH与三极管TSWITCH的基极连接；所述虚拟开关电路与RFID阅读器以及天线之间均连接有阻抗匹配电路；
所述三极管TSWITCH用于，在所述虚拟开关电路闭合时处于导通状态以使RFID阅读器输出的高频射频信号传输到天线或使天线接收的高频信号传输到RFID阅读器，在所述虚拟开关电路断开时处于截止状态以使RFID阅读器输出的高频射频信号无法传输到天线或使天线接收的高频信号无法传输到RFID阅读器；
所述电感LISOLATE用于，在RFID阅读器输出低频或直流控制信号时导通二极管DSWITCH以使三极管TSWITCH截止，在RFID阅读器未输出控制信号时截止二极管DSWITCH以使三极管TSWITCH导通；
所述二极管DSWITCH用于对通过电感LISOLATE的信号进行整流；
所述RFID阅读器用于输出控制信号或高频射频信号与控制信号的叠加信号，并接收天线传输回来的高频信号；
所述天线为发射天线或/和接收天线。
2.如权利要求1所述的虚拟开关电路，其特征在于，所述二极管DSWITCH与三极管TSWITCH之间设置有延时电路，用于延迟三极管TSWITCH在导通和截止之间的状态切换，并用于平滑经过二极管DSWITCH整流的信号；所述延时电路为并联的电阻RSWITCH和电容CSWITCH。
3.如权利要求1所述的虚拟开关电路，其特征在于，所述阻抗匹配电路为基于电容的匹配桥：在所述虚拟开关电路与RFID阅读器之间，三极管TSWITCH的发射极或集电极通过电容CMI1与RFID阅读器连接，电容CMI1并联有串联在一起的电容CMI0和电容CMI2；在所述虚拟开关电路与天线之间，三极管TSWITCH的集电极或发射极通过电容CMO1与天线连接，电容CMO1并联有串联在一起的电容CMO0和电容CMO2。
4.如权利要求1所述的虚拟开关电路，其特征在于，所述三极管TSWITCH和电感LISOLATE之间还串接有电阻RLIMIT。
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