專利名稱：基于多天線的具有無源喚醒功能的有源rfid標(biāo)簽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源射頻識(shí)別標(biāo)簽，特別是涉及一種有源射頻識(shí)別標(biāo)簽的多天線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方式不同，RFID可分為兩類有源RFID和無源RFID。無源RFID的電子標(biāo)簽上不帶電池，其工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的閱讀器發(fā)送的電磁波而獲得，但是這個(gè)能量很微弱，從而限制了無源標(biāo)簽的閱讀距離。與之相反，有源RFID的電子標(biāo)簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因而有效閱讀距離大大增加。由于很多場合需要具有很遠(yuǎn)工作距離的RFID系統(tǒng)，所以有源RFID有廣闊的應(yīng)用前景。但是有源RFID較大的功耗影響了標(biāo)簽電池使用時(shí)間，因而標(biāo)簽壽命比較短。如何有效地降低RFID標(biāo)簽功耗，節(jié)省有限的電能，盡可能延長電池的使用壽命成為主要的技術(shù)問題。目前國際上普遍采用有源喚醒方式和延長芯片睡眠時(shí)間來實(shí)現(xiàn)功耗的降低。喚醒功能是指RFID設(shè)備在不工作的情況下處于低功耗的睡眠模式，只有在接收到有效信號(hào)后才會(huì)喚醒后臺(tái)進(jìn)入工作狀態(tài)，這樣可以減少設(shè)備的待機(jī)功耗，延長電池壽命。而有源喚醒是指設(shè)備定時(shí)開啟接收端的檢測窗口，在很短的時(shí)間內(nèi)檢測是否接收到有效信號(hào)，如果接收到有效信號(hào)則產(chǎn)生中斷信號(hào)，喚醒設(shè)備開始工作；否則就再次返回睡眠模式，等待下次檢測脈沖。有源喚醒方式的缺點(diǎn)是有源喚醒的待機(jī)模式下定期自喚醒過程的功耗也相當(dāng)大， 所以有源喚醒仍然沒有徹底解決待機(jī)功耗問題，多數(shù)有源喚醒的標(biāo)簽電池壽命只有1年左右，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。最近有人提出用無源喚醒的方式來延長有源標(biāo)簽電池壽命。標(biāo)簽結(jié)合了無源標(biāo)簽和傳統(tǒng)有源標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)，包含無源喚醒模塊和有源通信模塊。閱讀器定期發(fā)射喚醒信號(hào)，標(biāo)簽的無源喚醒模塊用于對(duì)喚醒信號(hào)進(jìn)行檢測，當(dāng)接收到有效信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部喚醒信號(hào)將有源通信模塊的電源開關(guān)打開，有源通信模塊進(jìn)入工作模式。當(dāng)有源通信模塊通信完畢后，模塊內(nèi)部的微處理器產(chǎn)生一個(gè)關(guān)斷信號(hào)，將電源開關(guān)關(guān)斷，有源通信模塊完全進(jìn)入掉電模式。目前提出的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽一般具有一個(gè)或者兩個(gè)天線。具有兩個(gè)天線的有源標(biāo)簽的使用一個(gè)天線獲取能量，另一個(gè)天線負(fù)責(zé)通信；而具有一個(gè)天線的標(biāo)簽的使用同一個(gè)天線來完成能量獲取和通信。對(duì)于這兩種方式，獲取能量的天線都只有一個(gè)，而且標(biāo)簽天線一般是微帶折疊偶極子天線。微帶折疊偶極子天線的方向性導(dǎo)致標(biāo)簽放置位置不同會(huì)影響標(biāo)簽喚醒的靈敏度，從而制約了標(biāo)簽喚醒距離。而具有無源喚醒方式的有源RFID標(biāo)簽被喚醒后其閱讀距離遠(yuǎn)大于喚醒距離。所以要想提高具有無源喚醒方式的有源RFID標(biāo)簽的工作距離，需要提高其喚醒距離，而喚醒距離又直接受標(biāo)簽天線的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種能夠提高具有無源喚醒功能的有源RFID的工作距離的有源RFID標(biāo)簽。本發(fā)明使用多天線捕獲能量的有源RFID天線結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)有源標(biāo)簽待機(jī)功耗問題，并且改善了無源喚醒方式對(duì)有源標(biāo)簽工作距離的制約，保持了有源標(biāo)簽較遠(yuǎn)的工作距離。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種基于多天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽，包括天線陣、無源喚醒模塊和有源通信模塊，所述的天線陣包括四個(gè)位于同一個(gè)平面的微帶天線，分別分布在一個(gè)正方形的四條邊上；所述的無源喚醒模塊包括四組阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和倍壓整流電路，每個(gè)倍壓整流電路通過一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接到一個(gè)天線上，四個(gè)倍壓整流電路的輸出端并聯(lián)后接到儲(chǔ)能電容上，由儲(chǔ)能電容產(chǎn)生的有源通信喚醒信號(hào)被接到有源通信模塊的電源開關(guān)上。作為優(yōu)選實(shí)施方式，每個(gè)倍壓整流電路的輸出端各串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管后再并聯(lián)；所述的微帶天線為微帶折疊偶極子天線。天線負(fù)責(zé)捕獲能量和進(jìn)行通信，由于標(biāo)簽的微帶天線具有方向性，所以如果使用單個(gè)天線的話，當(dāng)標(biāo)簽放置位置不同，所接收到的信號(hào)強(qiáng)度相差很大，所以喚醒距離也不同，這將大大限制了標(biāo)簽喚醒和通信的可靠性。本發(fā)明中標(biāo)簽使用由四個(gè)微帶天線組成的天線陣，四個(gè)天線分布在上下左右四個(gè)方位，這樣天線陣列在一個(gè)平面上各個(gè)方向接收信號(hào)的能力將基本一樣，實(shí)現(xiàn)天線在同一平面上的全向性，大大提高標(biāo)簽喚醒距離。同時(shí)，每個(gè)天線末端都有一組倍壓整流電路，倍壓整流電路的輸出端接一個(gè)肖特基二極管，然后將四組倍壓整流電路并聯(lián)起來，增加了喚醒信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，因此可以減少了喚醒時(shí)間并且提高了喚醒信號(hào)的穩(wěn)定性。本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是(1)基于多天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽極大地提高了標(biāo)簽的喚醒距離，遠(yuǎn)大于普通基于單天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽，理論上閱讀距離可達(dá)基于單天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽的3-4倍，能夠滿足遠(yuǎn)距離工作的要求。(2)和基于單天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽相比，基于多天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽增加的三個(gè)天線和三組倍壓整流電路都工作在無源狀態(tài)， 即不需要消耗標(biāo)簽電池能量，不會(huì)增加標(biāo)簽耗電量，仍然能保持極低的待機(jī)功耗。


圖1是基于多天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是單個(gè)微帶折疊偶極子天線示意圖。圖3是四個(gè)微帶折疊偶極子天線組成的天線陣示意圖。圖4是單個(gè)微帶折疊偶極子天線二維方向圖。圖5是四個(gè)微帶折疊偶極子天線組成的天線陣的二維方向圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于多天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽包括能量捕獲天線、無源喚醒模塊和有源通信模塊，而且對(duì)能量捕獲天線和無源模塊的改進(jìn)是本發(fā)明的重點(diǎn)?；诙嗵炀€的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖1所示。標(biāo)簽?zāi)芰坎东@天線是由四個(gè)微帶折疊偶極子天線組成的天線陣。單個(gè)微帶折疊偶極子天線如圖2所示。四個(gè)微帶折疊偶極子天線組成的天線陣如圖3所示。微帶折疊偶極子天線的形狀按照50歐姆阻抗匹配設(shè)計(jì)。本發(fā)明RFID標(biāo)簽的工作頻率為915MHz，即喚醒信號(hào)頻率和有源模塊工作頻率均為 915MHz。本發(fā)明的重點(diǎn)在能量捕獲及產(chǎn)生喚醒信號(hào)的方式上。單個(gè)微帶折疊偶極子天線具有明顯的方向性，這就導(dǎo)致當(dāng)標(biāo)簽捕獲不同方向能量的能力不同，在增益大的方向上，捕獲能量效率高，在增益小的方向上，捕獲能量效率低?；诒ＷC標(biāo)簽穩(wěn)定工作的前提，標(biāo)簽的喚醒距離應(yīng)該以增益最小方向上的喚醒距離為標(biāo)準(zhǔn)。這就大大限制了標(biāo)簽的喚醒距離，進(jìn)而影響其工作距離。本發(fā)明中，將四個(gè)同樣的微帶折疊偶極子天線按照正方形四個(gè)邊的方位放置，構(gòu)成天線陣，該天線陣具有很好的對(duì)稱性，這樣該天線陣的二維方向圖近似一個(gè)圓形，即接近二維全向性。而且在各個(gè)方向上的增益接近單個(gè)微帶折疊偶極子天線的最大增益。這樣就大大提高了標(biāo)簽喚醒距離，進(jìn)而提高其工作距離。單個(gè)微帶折疊偶極子天線的二維方向圖如圖4所示。四個(gè)微帶折疊偶極子天線組成的天線陣的二維方向圖如圖5所示。本發(fā)明的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是，在每個(gè)微帶折疊偶極子天線后都配備一組倍壓整流電路，將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電能。倍壓整流電路最前面連接到天線上的是由一個(gè)并聯(lián)電容和串聯(lián)電阻組成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整可調(diào)電容的電容值來改變無源喚醒模塊的輸入阻抗，使無源喚醒喚醒模塊的輸入阻抗和天線阻抗匹配。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后面是一個(gè)由肖特基二極管和電容構(gòu)成的倍壓整流電路，用于將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電壓。倍壓整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，防止輸出端電壓過高。倍壓整流電路的輸出電壓可由電路的級(jí)數(shù)調(diào)節(jié)，級(jí)數(shù)越高則輸出電壓越大。每個(gè)天線后端都接有倍壓整流電路，四個(gè)倍壓整流電路各自串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管后連接起來，然后接到儲(chǔ)能電容的正極上。這樣就相當(dāng)于四個(gè)倍壓整流電路并聯(lián)起來給儲(chǔ)能電容充電，提高了充電速度，而且增大了驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而提高了標(biāo)簽的反應(yīng)靈敏度。因?yàn)槊總€(gè)倍壓整流電路都串聯(lián)了一個(gè)肖特基二極管，肖特基二極管單向?qū)щ姡钥梢员苊鈨?chǔ)能電容對(duì)倍壓整流電路反向放電的情況。這樣，喚醒信號(hào)電壓由輸出電壓最高的倍壓整流電路決定，而不是輸出電壓最低的倍壓整流電路。
權(quán)利要求
1.一種基于多天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽，包括天線陣、無源喚醒模塊和有源通信模塊，其特征在于，所述的天線陣包括四個(gè)位于同一個(gè)平面的微帶天線，分別分布在一個(gè)正方形的四條邊上；所述的無源喚醒模塊包括四組阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和倍壓整流電路，每個(gè)倍壓整流電路通過一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接到一個(gè)天線上，四個(gè)倍壓整流電路的輸出端并聯(lián)后接到儲(chǔ)能電容上，由儲(chǔ)能電容產(chǎn)生的有源通信喚醒信號(hào)被接到有源通信模塊的電源開關(guān)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源RFID標(biāo)簽，其特征在于，每個(gè)倍壓整流電路的輸出端各串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管后再并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源RFID標(biāo)簽，其特征在于，所述的微帶天線為微帶折疊偶極子天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的有源RFID標(biāo)簽，其特征在于，由儲(chǔ)能電容產(chǎn)生的有源通信喚醒信號(hào)經(jīng)過穩(wěn)壓后被接到有源通信模塊的電源開關(guān)上。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于多天線的具有無源喚醒功能的有源RFID標(biāo)簽，包括天線陣、無源喚醒模塊和有源通信模塊，天線陣包括四個(gè)位于同一個(gè)平面的微帶天線，分別分布在一個(gè)正方形的四條邊上；無源喚醒模塊包括四組阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和倍壓整流電路，每個(gè)倍壓整流電路通過一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接到一個(gè)天線上，四個(gè)倍壓整流電路的輸出端并聯(lián)后接到儲(chǔ)能電容上，由儲(chǔ)能電容產(chǎn)生的有源通信喚醒信號(hào)被接到有源通信模塊的電源開關(guān)上。本發(fā)明的有源RFID標(biāo)簽改善了無源喚醒方式對(duì)有源標(biāo)簽工作距離的制約，保持了有源標(biāo)簽較遠(yuǎn)的工作距離。
文檔編號(hào)G06K19/077GK102521639SQ201110366390
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者呂辰剛, 姬中凱, 張瑞峰, 馬建國 申請(qǐng)人:天津大學(xué)