一种使用环路线圈天线的磁耦合射频识别标签电路

摘要

本发明公开了一种使用环路线圈天线的磁耦合射频识别标签电路，该标签采用了适合大直流分量、交变耦合振荡信号的时钟恢复电路及解调电路，因此既能和耦合环路线圈天线直接构成近距离常规应用的磁耦合射频标签，又可以通过耦合环路线圈天线结合二极管和直流电源，实现远程应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用环路线圈天线的磁耦合射频识别标签电路，具体涉及一种适合大直流分量、交变耦合振荡信号的时钟恢复电路及解调电路的磁耦合射频识别标签电路。

背景技术

射频识别技术包括射频识别阅读器、阅读器天线和射频识别标签。根据采用射频信号的频率来区分，又包括低频（LF，125/134KHz）和高频段（HF，13.56MHz）采用环路线圈天线的磁耦合射频识别技术；特高频段（UHF，860~960MHz）采用电耦极子天线射频识别技术；微波段（2.45GHz）射频识别技术。其中，低频、高频技术和特高频射频识别技术的标签电路，如果不采用电池供电，通过天线获得能量并进行数据交换，被称为无源射频识别技术；如果采用电源（一般是电池）供电但是不用于信号的发送，则被称为半有源技术；使用电源供电并且用于信号的发送，则被称为有源技术。微波段射频识别技术是有源射频识别技术。在无源射频识别技术中，高频射频技术采用环路线圈天线耦合传输能量和信号，线圈天线简单（几匝），应用最为广泛，大约占射频识别技术市场的50%；其次是低频射频识别，采用了和高频射频识别相同的磁耦合原理，但是标签天线复杂，需要上百匝的线圈天线，而且载波频率的限制，通信速率低，大约占据了市场份额的40%，其余10%的射频识别市场主要是特高频射频识别技术。

但是磁耦合的射频识别技术有一个明显的不足：通讯距离近。以低频技术为例，一般是10厘米；高频技术可以实现10厘米到1米的通信距离；而特高频射频识别技术，无源射频识别标签可以实现6~10米的通信距离，却又有信号受介质影响大，标签芯片功能极弱等缺点。因此，寻求扩展高频射频识别标签的通信距离等技术性能的研究就比较活跃。

限制磁耦合射频识别通信距离的基本因素是磁场的近场衰减特性：从阅读器天线表面垂直方向，标签和阅读器天线的距离每增加十倍，场强衰减为1/1000。而采用电磁波实现能量和数据交换的远场能量在距离增加10倍的情况下，衰减为1/100。因此，低频和高频的射频识别通信的极限距离是使用电磁波波长的1/10。比如高频射频识别的频率为13.56MHz（波长大约是22米），极限通信距离应该在2.2米。但是当前高频射频识别的通信距离只有50厘米，远低于2.2米的极限。虽说使用双天线可以实现1米的通信距离，但是对于地下目标等特别的应用场合并不适用。

限制磁耦合射频识别通信距离的还有能量耦合效率和通信数据速率的关系。磁耦合射频识别标签的天线系统本质上是一个电感电容（LC）并联谐振电路，谐振频率越接近阅读器的信号发送频率，品质因素Q越高，能量耦合效率越高；但是该天线系统的品质因素Q越高，意味着带宽越窄，通信的数据数率越低。以高频射频识别的ISO/IEC14443和ISO/IEC15693标准为例，ISO/IEC14443标准主要用于人员管理，标准的通信速率是106Kbps，在1.5~7.5A/m的工作场强下，可以实现0~10厘米距离的通信；ISO/IEC15693用于物品管理，通信的最低数据速率为6.4Kbps，工作场强为0.15~5A/m，但是通信距离可以达50厘米。这就是牺牲带宽获得通信距离增加的方法。但是这个方法获得通信距离有限，而且牺牲了通信的数据速率。

根据理论研究和分析的结果，对于磁耦合的射频识别通信系统，每增加一倍的通信距离，标签天线的面积需要增加16倍；或者提高天线网络品质因素64倍；或者增大阅读器的发射功率64倍。因此，增加磁耦合的射频识别的通信距离，通过增大标签天线的面积、提高标签天线的品质因素和增大阅读器的发射功率都难以获得满意的效果。

为了实现磁耦合射频通信距离的提升，典型的方法有：

1）使用半有源标签。换句话说，标签的工作电源不再是从天线耦合本地稳压后得到的，而是采用电池为标签电路供电。采用电池的标签寿命和使用温度主要取决于供电电池的规格，一般寿命较短，温度范围很窄。

2）使用双频双天线标签。将能量传输和信号传输的天线分开，采用两个不同的频率用于无线电能和数据传输。和常见的无源射频识别系统相比，标签需要额外的一组天线、额外的整流和稳压电源，阅读器也要多一套无线信号发生、功率放大器和天线。

3）在阅读器端使用滤波器和功率放大器。因为阅读器端载频和ASK调制的上、下频带，载频的信号发射大约耗费了50%的能量，上、下频带各消耗25%左右的能量，但是射频识别标签的天线网络调谐特性通常只对应上、下频带的一个频率，比如一般只对应上频带，换句话说，阅读器端有75%的能量是不起作用的。因此，将ASK调制的上、下频带起作用的那个信号通过滤波器分离出来，通过功率放大器放大之后，也能显著提升标签的通信距离。德国的KlausFinkenzeller等人采用这个方法，使用50W的发射功率获得了2.8米的访问距离。

使用电池的半有源标签技术简单但是对射频识别技术的应用领域有很大的限制；增加无线信号的发射功率可以取得不错的通信距离，但是需要的无线发射功率太大；双频标签的方式可以获得满意的通信距离又不需要太高的无线发射功率，但是标签的信号天线不具备能量接收的能力，能量接收的天线和电源电路不具备信号接收的能力，标签芯片的通用性不好。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提出了一种使用环路线圈天线的磁耦合射频识别标签电路，一种适合大直流分量、交变耦合振荡信号的时钟恢复电路及解调电路的磁耦合射频识别标签。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该标签电路包括射频识别阅读器、阅读器天线和射频识别标签系统，所述射频识别标签系统包括片上调谐电容CR、耦合环路线圈天线LR和标签芯片，所述耦合环路线圈天线LR和标签芯片的天线输入端RF1、RF2相连接，所述片上调谐电容CR、耦合环路线圈天线LR和标签芯片等效阻抗构成该使用环路线圈天线的磁耦合射频识别标签电路的天线网络，所述天线网络的品质因数符合射频识别阅读器和射频识别标签系统工作所需要的能量传输效率和信号传输带宽；所述标签芯片包括射频和模拟电路、数字信号处理电路和存储器；所述射频和模拟电路包括时钟电路、解调电路、整流电路、稳压电路、复位电路、调制电路、信号发送电路，时钟电路用于从耦合环路线圈天线LR中提取和振荡频率一致的时钟Fc，解调电路将天线输入端RF1的幅度调制信号包络检测整形产生对应的数字输出ASK。在所述时钟电路、解调电路和天线输入端RF1之间连接有电容Ck，所述天线输入端RF1在标签芯片内部通过电容Ck为时钟电路和解调电路提供输入信号。除去直流分量后的天线输入端RF1信号v1通过A1、A2、A3放大分别得到振荡信号上升沿和下降沿对应的脉冲信号，经过与非门G1和G2构成的R-S触发器恢复出占空比不等的、振荡频率一致的时钟Fc。

将耦合环路线圈天线LR和标签芯片的天线输入端RF1、RF2直接相连，可以构成标签的近距离应用模式。此时时钟电路恢复的是等占空比的、振荡频率一致的时钟Fc。

进一步地，在远距离模式下，本发明还设有二极管D和外部直流电源Bat，直流电源Bat提供了标签芯片工作所需要的电源，所述耦合环路线圈天线LR通过二极管D和标签芯片的天线输入端RF1相连，所述耦合环路线圈天线LR的另一端和外部电源Bat串联，并和标签芯片的天线输入端RF2相连；所述片上调谐电容CR、耦合环路线圈天线LR、二极管D、外部直流电源Bat的内阻和标签芯片等效阻抗构成该使用环路线圈天线的磁耦合射频识别标签电路的天线网络，二极管D的正向导通电阻和外部直流电源Bat的内阻都较小，天线网络的品质因素符合射频识别阅读器和射频识别标签系统工作所需要的能量传输效率和信号传输带宽。

作为优选，本发明的所述数字信号处理电路采用处理器或者有限状态机。

作为优选，本发明的所述存储器包括用于程序存储器的ROM、用于程序和数据存储的EEPROM、SRAM、FeRAM。

作为优选，本发明的所述整流电路的整流桥臂采用二极管或者PN结接法的MOS管。

作为优选，本发明的所述外部直流电源Bat采用电池或者是使用无线远程供电的方式获得的稳压电源。

本发明既能和耦合环路线圈天线直接构成近距离常规应用的磁耦合射频标签，又可以通过耦合环路线圈天线结合二极管和直流电源，实现远程应用。

附图说明

通过对附图中本发明实施例方式的更详细描述，本发明的上述、以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，相同的参考标号通常代表本发明示例实施例方式中的相同部件。

图1示出了磁耦合无源射频识别阅读器、阅读器天线和标签系统。

图2示出了磁耦合射频识别阅读器、阅读器天线和电池供电的半有源标签。

图3示出了双频磁耦合无源射频识别阅读器、阅读器天线和标签系统。

图4示出了本发明的磁耦合射频识别标签电路典型的近程和远程模式。

图5示出了本发明的磁耦合射频识别标签近距离和远距离的电源电路的工况。

图6示出了磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路。

图7示出了本发明的磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路。

图8示出了磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路天线信号波形和载波频率的数字时钟波形。

图9示出了本发明的磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路天线信号波形、去直流的振荡信号波形和载波频率的数字时钟波形。

图10示出了磁耦合射频识别标签的100%ASK解调电路天线信号波形和解调电路输出。

图11示出了本发明的磁耦合射频识别标签的100%ASK解调电路天线信号波形和解调电路输出。

具体实施方式

将参照附图更加详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中显示了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以各种形式实现而不应该理解为被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且，完全将本发明的范围传达给本领域的技术人员。

下面进一步结合图表来说明本发明。

图1示出了磁耦合无源射频识别阅读器、阅读器天线和射频识别标签系统。阅读器天线通过磁耦合方式在射频识别阅读器和射频识别标签系统之间实现能量和数据的传递。能量传输的效率和耦合环路线圈天线LR、片上调谐电容CR和标签芯片等效阻抗构成调谐网络的品质因数有关，在耦合环路线圈天线LR的匝数、截面积确定情况下，该品质因素越高，能量传输的效率越高，射频识别标签系统的工作距离就越远。但是品质因素越高，信号带宽就越窄，数据传输速率就越低。因此，磁耦合无源射频标签通常工作距离比较近。

图2示出了磁耦合射频识别阅读器、阅读器天线和电池供电的半有源标签。通过使用电池给标签芯片的电路供电，标签的线圈天线仅用于耦合信号的接收和负载调制信号的发送，可以增大标签的工作距离。

为了解决电池供电导致的应用温度范围变窄、寿命变短等问题，可以在标签芯片上使用数据通信不同的频率实现无线供电。

图3示出了双频磁耦合无源射频识别阅读器、阅读器天线和标签系统。用于供电的线圈天线Lp、芯片电源电路等效阻抗和调谐电容构成的调谐网络品质因素高，因此能量的传输效率高。阅读器端配置信号天线和能量发送天线。

使用电池供电和采用双频分别进行数据通信和能量传输的标签芯片和仅使用天线获得能量和进行数据传输的磁耦合射频识别标签缺乏通用性。通过改进标签芯片内部的相关电路设计，并改进标签芯片和外部线圈天线、辅助电源的连接形式，就可以使标签芯片工作于常规的近距离模式，也可以工作于远距离模式。

图4示出了本发明的磁耦合射频识别标签电路典型的应用模式。在近距离的工作模式下（图4a），耦合环路线圈天线LR直接和标签芯片的天线输入端口RF1和RF2相连；在远程模式下（图4b），耦合环路线圈天线LR通过二极管D和标签芯片的天线输入端口RF1相连。RF1在标签芯片内部通过耦合电容Ck为时钟电路和解调电路提供输入信号，线圈天线LR的另一端和外部电源Bat串联，和标签芯片的天线输入端RF2相连。

进一步，在近距离工作模式下，标签芯片的天线输入端口RF1和RF2之间是耦合得到的交变信号，标签芯片内部的整流桥D1、D2、D3、D4分别用于交变信号正负周期的整流，当RF1和RF2之间的交变信号为正半周期的时候，整流桥的D2、D3臂导通，在稳压电路的输入端得到正的输入，稳压电路输出稳定的电压VDD供标签芯片内部电路工作；当RF1和RF2之间的交变信号为负半周期的时候，整流桥的D1、D4臂导通，在稳压电路的输入端还是得到正的输入，稳压电路输出稳定的电压VDD供标签芯片内部电路工作。这是整流桥的一般工作原理，不做详细的描述。整流桥臂可以是二极管，也可以是PN结接法的MOS管。在远程工作模式下，由于外部电源Bat的存在，整流桥D1、D2、D3、D4只有D2和D3整流臂持续导通，为稳压电路提供持续的稳压电路输入，从而为标签芯片内部电路提供稳定的工作电源VDD。图5示出了本发明的磁耦合射频识别标签近距离和远距离的电源电路的工况。

本发明的磁耦合射频识别标签电路在标签芯片的时钟电路和解调电路因为外部电源Bat的存在，必须采用电容耦合的方式为时钟电路和解调电路提供输入。本图6示出了磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路。对于标签芯片的天线输入端RF1信号，通过PN结接法的M1MOS管，进一步由电阻Rk衰减，通过斯密特触发器As整形，得到与振荡频率一致的时钟输出Fc。典型的，图8示出了磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路天线信号波形和载波频率的数字时钟波形。对于本发明的时钟电路，标签芯片的天线输入端RF1的信号经过电容Ck去除直流分量，通过A1、A2、A3放大分别得到振荡信号上升沿和下降沿对应的脉冲信号，经过与非门G1和G2构成的R-S触发器恢复出占空比不等的振荡频率一致的时钟Fc。与非门G1和G2也可以采用或非门的方式实现。占空比不一致的时钟Fc可以采用D触发器降频之后得到占空比50%的适合电路驱动的标签芯片时钟。图7示出了本发明的磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路。图9示出了本发明的磁耦合射频识别标签的时钟恢复电路天线信号波形、去直流的振荡信号波形和载波频率的数字时钟波形。

相应的，电容Ck的输出也用于解调电路。这里以阅读器端100%ASK调制的信号为例。图10示出了磁耦合射频识别标签的100%ASK解调电路天线信号波形和解调电路输出，图11示出了本发明的磁耦合射频识别标签的100%ASK解调电路天线信号波形和解调电路输出。

对于图4本发明的远距离模式，当射频识别标签系统和阅读器天线的距离较近，耦合交流信号的幅度大于外部电源Bat的幅度时，由于二极管D的存在削去了RF2端电压大于RF1端电压，避免了标签芯片整流桥不同方向的桥臂同时开启的情况；反之，当距离较远，耦合交流信号幅度远小于外部电源Bat幅度的时候，电容Ck保障了时钟电路和解调电路正常工作。因此，远程模式下的工作距离也是可以连续变化的，并不仅限于远距离下才可以工作。

当然，本领域技术人员知道相关通用技术，比如ASK调幅信号的检测电路；由于二极管D和外部电源Bat引入导致的负载调制深度变浅，需要通过改变调制的负载电容或者电容，降低负载调制开关器件的导通电阻等来加大负载调制的深度等，这里不再赘述。

通过变更本发明的部分部件或者信号制式，比如采用10%的ASK调制或者采用相位调制PSK，都不影响本发明所提出的适合大直流分量、交变耦合振荡信号的时钟恢复电路及解调电路的磁耦合射频识别标签电路，从而使用于近距离射频识别通信，也可以用于具有外部电源的远距离射频识别应用的发明本质。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。