一种无源标签及其设置方法与流程

1.本公开涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种无源标签及其优化方法。


背景技术：

2.rfid技术(radio frequency identification，射频识别技术)作为一种低成本的无源通信技术，已经得到了广泛发展成为标准化技术，用于物流业或是仓库管理中的物体识别或定位。在rfid系统中主要包括电子标签和读写器以及数据管理系统。电子标签主要分为有源标签和无源标签。其中，无源标签将读写器发出信号转换为能量来工作。
3.但是，读写器发出的信号往往会因为环境的干扰导致信号衰减，使得标签无法获得足够的能量，进而无法进行正常工作。且环境中有许多的高频信号，例如fm信号、tv信号、蜂窝网络信号以及wifi信号等，也可以给无源标签提供能量。因此现需要设计一个可以利用环境中的高频信号，进行持续工作的无源标签。
4.公开内容
5.有鉴于此，本公开提供了一种无源标签，包括：pifa天线模块，用于接收环境中的高频信号；匹配网络模块，连接所述pifa天线模块和获能升压模块，用于使所述无源标签的天线阻抗与负载阻抗相匹配；获能升压模块，用于使所述无源标签将所述环境中的高频信号转换成稳定的工作电压并储存。
6.可选地，获能升压模块包括：整流单元，用于将所述高频信号生成的交流电流整流，以输出正向电压；升压单元，用于将所述正向电压上升至工作电压；稳压单元，用于将所述工作电压转换为稳定的工作电压。
7.可选地，升压单元包括：升压芯片，用于使所述正向电压上升，外设电阻，与所述升压芯片相连，用于使所述升压芯片将所述正向电压上升为所述工作电压；外设电容，与所述升压芯片相连，用于当所述高频信号过强时，保存多余的能量。
8.本公开另一方面还提供了一种无源标签的设置方法，所述无源标签包括pifa天线模块和匹配网络模块，包括：优化所述pifa天线模块的参数，使所述pifa天线模块接收环境中的高频信号；优化所述匹配网络模块电容值和电感值，使得所述无源标签的天线阻抗与负载阻抗相匹配；构建获能升压模块，使所述无源标签将环境中的所述高频信号转换成稳定的工作电压并储存。
9.可选地，优化pifa天线模块的参数包括：调整所述pifa天线模块的辐射金属片的长度l、辐射金属片宽度w和辐射金属片的厚度h的值，使得所述pifa天线的响应频率为预设响应频率。
10.可选地，优化pifa天线模块的参数还包括：获取使所述pifa天线的响应频率为预设响应频率的多个馈线宽度fw和天线宽度aw的组合；
11.从所述多个馈线宽度fw和天线宽度aw的组合中选取满足预设条件的一个馈线宽度fw和天线宽度aw组合，其中，所述预设条件为天线增益大于预设天线增益，且pifa天线的驻波比接近于1。
12.可选地，优化匹配网络模块电容值和电感值，包括：基于所述天线阻抗和所述负载阻抗，确定所述匹配网络中的电容值和电感值。
13.可选地，基于所述天线阻抗和所述负载阻抗，确定匹配网络中的电容和电感值，包括：基于所述天线阻抗和所述负载阻抗，利用ads仿真软件确定第一电容值和第一电感值，使得模拟回波损耗s
11
小于-10db；基于所述第一电容值和所述第一电感值，构建匹配网络原型；判断匹配网络原型的实际散射参数s
11
与所述模拟散射参数s
11
是否相同；若相同，则确定所述第一电容值和第一电感值为所述匹配网络中的电容值和电感值；若不相同，则调整所述第一电容值和所述第一电感值，使得所述实际回波损耗s
11
小于-10db，将调整后的第一电容值和所述第一电感值输入ads软件后，重复上述步骤。
14.可选地，构建获能升压模块包括：确定整流单元的电路，所述整流单元将所述高频信号生成的交流电流整流，以输出正向电压；构建升压单元的电路，所述升压单元将所述正向电压上升至工作电压；构建稳压单元的电路，所述稳压单元将所述工作电压转换为稳定的工作电压。
15.可选地，构建升压单元包括：设置升压芯片、外设电阻和外设电容，其中所述外设电阻与所述升压芯片相连，所述外设电容与所述升压芯片相连；通过调节外设电阻使得所述升压芯片的输出电压值为工作电压值。
16.本公开所提供的一种无源标签及其优化方法，至少具有以下优点：
17.(1)设置了获能升压模块，接收来自环境中的高频信号的能量并储存，使无源标签不仅摆脱电池的限制，还在读写器发出的高频信号较弱时，利用储存的能量，维持稳定的工作电压。
18.(2)将天线设置为轻量化的pifa天线，使无源标签摆脱了外部天线结构的限制。同时，在天线设计中，通过对不同参数的天线性能进行比较，选择了最优天线参数组合。
19.(3)通过仿真得到匹配网络大致的电容值和电感值，把仿真数据放入真实实验中测试，通过仿真和真实实验的不断反馈优化，逐步消除仿真和实验之间的误差，获得最优的匹配网络，最大程度的减小高频信号进入数字电路的信号损耗。
附图说明
20.图1示意性示出了根据本公开实施例的一种无源标签的使用场景示意图；
21.图2示意性示出了根据本公开实施例的一种无源标签的模块示意图；
22.图3示意性示出了根据本公开实施例的获能升压模块结构示意图；
23.图4示意性示出了根据本公开实施例的一种无源标签的设置方法；
24.图5示意性示出了根据本公开实施例pifa天线的俯视示意图；
25.图6示意性示出了根据本公开实施例的匹配网络类型的示意图；
26.图7示意性示出了根据本公开实施例匹配网络设置的方法；
27.图8示意性示出了根据本公开实施例的匹配网络中电容值为c＝3.3pf和电感值为l＝20nh时，ads仿真smith圆图及射信号增益图；
28.图9示意性示出了根据本公开实施例的bq25570芯片外设电阻的设置。
具体实施方式
29.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
30.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
31.图1示意性示出了根据本公开实施例的一种无源标签的使用场景示意图。
32.如图1所示，根据该实施例的rfid系统100包括无源标签110、读写器120和数据管理系统130。
33.当无源标签110通过天线接收到读写器120传送的高频信号和数据，无源标签110被激活，反向散射无源标签110存储的信息。读写器120接收信息，通过数据管理系统130处理接收的数据，使其应用于不同的应用的场合。
34.根据本公开实施例，环境中还存在许多高频信号，包括但不限于fm信号、tv信号、蜂窝网络信号以及wifi信号等。无源标签110还可以利用上述高频信号作为无源标签的能量来源，以摆脱电池的限制，连续接收和发送信号。
35.图2示意性示出了根据本公开实施例的一种无源标签的模块示意图。
36.如图2所示，无源标签110包括pifa天线模块210、匹配网络模块220、获能升压模块230和工作模块240。
37.pifa天线模块210用于接收环境中的高频信号。pifa天线模块210不仅可以接收到读写器120传送的高频信号和数据，还可以接收到环境中的高频信号。例如fm信号、tv信号、蜂窝网络信号以及wifi信号等。
38.匹配网络模块220的一端连接pifa天线模块210，另一端分别连接获能升压模块230和工作模块240。在无源标签110中，如果天线阻抗和负载阻抗不匹配，那么发送给pifa天线模块210的高频信号会被反射回去，造成信号损耗。因此，在能量传输时，要求负载阻抗和传输线的特性阻抗，也就是获能升压模块230和工作模块240的两个模块的负载阻抗与天线阻抗相匹配。当无源标签的天线阻抗与负载阻抗相匹配时，信号传输不会产生反射，表明信号均被负载吸收，否则在传输中会产生能量损耗。当天线阻抗不等于负载阻抗时，使用匹配网络模块220加以平衡。
39.获能升压模块230包括整流单元231、升压单元232和稳压单元233。其中，整流单元231用于将高频信号生成的交流电流生成直流电，以输出正向电压；升压单元232用于将正向电压上升至工作电压；稳压单元233用于将工作电压转换为稳定的工作电压。
40.获能升压模块230用于使无源标签110将环境中的高频信号转换成稳定的工作电压给无源标签提供工作所需要的能量。同时，当高频信号较强时，获能升压模块230可以储存多余的能量，在高频信号较弱时，获能升压模块230可以利用之前存储的能量为无源标签维持稳定的工作电压。
41.根据本公开实施例，pifa天线为轻量化的板载天线，使无源标签摆脱了外部天线
结构的限制。表现优良的匹配网络可以最大程度的减小高频信号进入数字电路的信号损耗，增大传输距离。设置了获能升压模块230，使无源标签不仅摆脱电池的限制，还在读写器120的高频信号较弱时，利用储存的来自环境中的高频信号的能量，维持稳定的工作电压。
42.图4示意性示出了根据本公开实施例的另一方面提供的一种无源标签的设置方法。该方法在传统的无源标签包括接收天线模块210和匹配网络模块220的基础上，设置了一个获能升压模块220，使得无源标签可以将环境中的高频信号转换成稳定的工作电压并储存。
43.本公开以设置一个接收频率为915mhz的无源标签作为实施例，进行了如图4所示的设置，设置步骤包括操作s310～s330。
44.操作s310，优化pifa天线模块210的参数，使pifa天线模块210接收环境中的高频信号。
45.pifa天线是目前应用最广泛的微带天线。它具有体积小、重量轻、外形低、成本低、机械强度好等优点。pifa天线是平面倒f天线，使用辐射金属片作为辐射单元。在pifa天线中，天线的辐射只能依靠辐射金属片面。因此，辐射金属片的长度l、辐射金属片宽度w组成的有效的辐射面积对天线性能很重要。同时，天线辐射效果在边缘时效果更为突出，辐射边缘的场越往外倾斜效果越好，所以要用尽量大的接地平面反射，可见选择合适辐射金属片的厚度h也非常重要。故，为了使得pifa天线的响应频率为预设响应频率，需要调整pifa天线模块的辐射金属片的长度l、辐射金属片宽度w和辐射金属片的厚度h的值。
46.确定辐射金属片的尺寸后，为了达到最优的天线性能，还需要对馈线宽度fw和天线宽度aw进行设置。天线的性能主要包括天线的响应频率、天线增益和天线的驻波比。为了达到最优的天线性能，需要获取使pifa天线的响应频率为预设响应频率的多个馈线宽度fw和天线宽度aw的组合；从多个馈线宽度fw和天线宽度aw的组合中选取满足预设条件的一个馈线宽度fw和天线宽度aw组合，其中，预设条件为天线增益大于预设天线增益且天线的驻波比接近于1。
47.由于真实天线的制作与测试耗时长、费用高，而借助仿真技术可节约设计成本、提高设计精度和效率。工程实践表明，hfss软件的仿真结果与真实天线的实测结果基本吻合，所以设计天线的过程中往往采用hfss软件仿真。
48.根据本公开实施例，采用hfss软件进行设计响应频率为915mhz天线，天线结构模型如图5所示。
49.根据本公开实施例，设置的天线载体为矩形介质，材料为fr-4。天线的馈线连接辐射金属片到地面。利用hfss构建pifa天线设计模型，并利用hfss软件的扫频函数功能，确定响应频率为915mhz的辐射金属片的长度l、辐射金属片宽度w和辐射金属片的厚度h。最后得到辐射金属片长度l为78mm、辐射金属片宽度w为43mm和辐射金属片的厚度h为2mm。
50.确定辐射金属片的尺寸后，还需要对馈线宽度fw和天线宽度aw进行仿真，以达到良好的天线性能。
51.首先，选择响应频率为915mhz的多个馈线宽度fw和天线宽度aw组合。其中，得到三组天线增益优异的馈线宽度fw和天线宽度aw组合，分别是：
[0052][0053]fw1
＝1.2mm，a
w1
＝1.5mm；
[0054]fw2
＝1.5mm，a
w2
＝1mm；
[0055]fw3
＝1.7mm，a
w3
＝0.8mm。
[0056]
在上述三组天线馈线宽度fw和天线宽度aw组合里进一步进行筛选，选出驻波比最接近1的一个最优组合。
[0057]
根据实验中随信号频率变化的驻波比图像，在915mhz响应频率点，驻波比最接近1的参数值为f
w2
＝1.5mm，a
w2
＝1mm，该点的驻波比约为1.2，说明在频率为915mhz时，天线的驻波比表现良好。因此，最终确定天线的馈线宽度为1.5mm、天线的宽度为1mm。
[0058]
根据本公开实施例，优化后的响应频率为915mhz的pifa天线参数组合为：辐射金属片的长度l为78mm、辐射金属片宽度w为43mm和辐射金属片的厚度h为2mm、馈线宽度为1.5mm、天线的宽度为1mm。此时天线增益最大可以达到1.95db，最小回波损耗可以达到-10.57db，天线驻波比为1.2。
[0059]
需要注意的是，上述技术方案仅为本公开实施例接收频段为915mhz的pifa天线设计方案的示例，用于帮助本领域技术人员理解本公开的技术内容，但并不意味着本公开实施例不适用于其它频段的设计。
[0060]
操作s320，优化匹配网络模块210电容值和电感值，使得无源标签的天线阻抗的负载阻抗相匹配。
[0061]
完成pifa天线模块210的设计后需要设计匹配网络220。在射频电路中，如果天线阻抗和负载阻抗不匹配，那么发送给天线的射频信号会被反射回去，造成信号损耗，因此在能量传输时，要求负载阻抗和传输线的特性阻抗，也就是天线阻抗相匹配。当天线阻抗与负载阻抗匹配时，信号传输不会产生反射，信号均被负载吸收，否则在传输中会产生能量损耗。当天线阻抗不等于负载阻抗时，可以使用匹配网络加以平衡。
[0062]
匹配网络由电感和电容组成，数量可以是一个或者多个，如图6所示，匹配网络有多个类型包括(a)基本型、(b)t型、(c)π型、(d)π型变式。不同的匹配网络类型有不同的表现，根据标签的阻抗匹配测试实验可以得出结论：通常改变电容值可以改变匹配网络的响应频率，改变电感值可以在小范围内改变响应频率。
[0063]
s参数被用来描述天线传输线模型的电路特性，对于标签天线而言，天线通常只有一个激励端口。因此标签天线最常用的s参数是回波损耗参数s
11
。回波损耗s
11
值越大，表示天线的辐射效率越低，散射参数s
11
值越小，天线的辐射效率越好。
[0064]
以往的阻抗匹配方式通常是用矢量网络分析仪测试了负载阻抗后，利用ads软件计算出匹配网络中的电感值和电容值。但是，本公开实施例将ads计算出的电感值和电容值网络值放入实际电路中，用分析仪测量匹配网络实际回波损耗s
11
后，再用实际测量出的电感值和电容值重复ads计算，以达到反馈作用，直到模拟回波损耗s
11
和实际回波损耗s
11
值相同为止。优化目标是使回波损耗s
11
尽量小，因为回波损耗s
11
数越小，代表信号损耗越小。
[0065]
具体优化步骤如图7所示，包括操作s710～s750。
[0066]
操作s710，获取天线阻抗和负载阻抗，利用ads仿真软件确定第一电容值和第一电感值，其中，第一电容值和第一电感值组成的匹配网络模拟回波损耗s
11
最小。
[0067]
操作s720，基于第一电容值和第一电感值，构建匹配网络原型。
[0068]
操作s730，判断匹配网络原型的实际回波损耗s
11
与模拟回波损耗s
11
是否相同。
[0069]
操作s740，若相同，则确定第一电容值和第一电感值为匹配网络中的电容值和电
感值。
[0070]
操作s750，若不相同，则调整第一电容值和第一电感值，使得实际回波损耗s
11
小于-10db，将调整后的第一电容值和第一电感值输入ads软件后，重复上述步骤。
[0071]
根据本公开实施例，用矢量网络分析仪获取天线阻抗，并测量获能升压模块230和工作模块240这两个模块的负载阻抗。选择(a)基本型为匹配网络，在ads软件里构建匹配网络电路和组件，并输入测量得到的天线阻抗和负载阻抗。ads可以自动计算匹配网络中的第一电容值和电感值，也可以得到ads中的模拟回波损耗s
11
。如果在响应频率下的回波损耗s
11
小于-10db，那么说明匹配网络是可用的。基于第一电容值和第一电感值，构建匹配网络原型。利用矢量网络分析获取匹配网络原型的实际回波损耗s
11
。判断匹配网络原型的实际回波损耗s
11
与模拟回波损耗s
11
是否相同；若不相同，则调整第一电容值和第一电感值，使得实际回波损耗s
11
小于-10db，将调整后的第一电容值和第一电感值输入ads软件后，重复测量模拟回波损耗s
11
，并进一步优化第一电容值和第一电感值。再第一电容值和第一电感值进行调整匹配网络原型的参数，直至实际回波损耗s
11
足够小的同时，也与模拟回波损耗s
11
相等。通过上述步骤，消除理论值和实际值之间的误差。
[0072]
通过本公开实施例，ads计算得出的第一电容值为c＝3.3pf和第一电感值为l＝20nh。如图9右侧所示，在ads仿真显示的smith圆图中看出，标记点ml在smith图的中心位置，这表示在频率为915mhz时，负载阻抗等于天线阻抗的1.003倍，说明匹配网络在915mhz处归一化入射阻抗基本等于1，这时天线阻抗和负载阻抗已经基本匹配。左侧的反射信号增益图中可以看出在915mhz时的反射信号增益为-43.673db。通常低于-35db时信号表现良好，这说明本公开实施例设计匹配网络是有效的。ads仿真得到适合的网络值后，将3.3pf的电容和20nh的电感组成匹配网络模块220一端连接pifa天线模块210，另一端连接获能升压模块230工作模块240。实验测量中需要用矢量网络分析仪测试匹配网络的smith图，并用示波器观察负载的信号波形。实际测量并基于散射参数s
11
优化后出的电感值和电容值需要重复ads计算，以达到反馈作用，直到模拟回波损耗s
11
和实际回波损耗s
11
值相同为止。优化目标是使散射参数s
11
尽量小。
[0073]
操作s330，构建获能升压模块230，使无源标签将环境中的高频信号转换成稳定的工作电压并储存。
[0074]
当pifa天线模块和匹配网络模块都表现良好后，说明无源标签可以正确接收高频信号，并通过采集高频信号能量从而在不安装电池的情况下持续工作。但是，读写器发出的高频信号往往会因为环境的干扰导致信号衰减，使得标签无法采集到足够的能量，进而无法进行正常工作，且环境中有许多的高频信号，例如fm信号、tv信号、蜂窝网络信号以及wifi信号等，也可以给无源标签提供能量。设置一个获能升压模块230，可以将环境中的高频信号转换成稳定的工作电压并储存，当读写器发出信号后，利用储存的能量进行工作。
[0075]
无源标签的获能升压模块230包括：整流单元231、升压单元232和稳压单元233。
[0076]
整流单元231由肖特基二极管和电容组成，它可以接收来自pifa天线模块210的高频信号，并将高频信号形成的交流电整流，以输出微弱的正向电压。此时的正向电压通常只有几十毫伏，远达不到工作芯片的工作电压。因此在整流器后还需要添加升压单元232。
[0077]
升压单元232主要由升压芯片及外设电阻和外设电容组成。根据本公开实施例，选取bq25570芯片为升压芯片，bq25570芯片是ti公司设计的高度集成超低功耗能量升压芯
片，其冷启动电压仅330mv。集成了升压充电器和纳瓦级别功耗的升压转换器，可以将几十毫伏的输入电压升至几伏的数量级，可以达到无源标签工作模块的工作电压，并且输出电压值可以通过外设电阻值进行控制。
[0078]
通过调节外设电阻从而影响芯片输出的电压。本公开实施例的设计其输出电压为1.9v。外设电阻的设置如图8所示，当bq25570芯片的数据表输出电压为1.9v时，如图8所示外设电阻的值分别为：
[0079]rov1
＝5.63mω，r
ov2
＝7.32mω，
[0080]rok1
＝6.55mω，r
ok2
＝3.76mω，r
ok3
＝2.7mω，
[0081]rout1
＝8.28mω，r
out2
＝4.72mω。
[0082]
本公开实施例还设置外设电容用来储能。当高频信号较强时，外设电容可以储存多余的能量，在高频信号较弱时，外设电容可以为工作芯片维持稳定的工作电压。本公开实施例中，设置bq25570芯片外设电容由一个4.7μf，一个0.1μf和一个100μf的电容并联组成。当bq25570芯片的输入电压高于330mv时，bq25570芯片工作使得外设电容的储能电压值提升，并且外设电容连接到芯片输出使能脚，当储能电压足够高时，会将芯片输出使能脚设置为高电平，此时电压输出脚输出电压。
[0083]
构建稳压单元233的电路，可以将工作电压转换为稳定的工作电压。输入信号的不稳定有时会造成升压芯片输出电压的不稳定，不稳定的电压会影响工作模块240的工作状态，因此为了得到稳定的输出电压，电压在经过升压单元232升压之后，还需要通过稳压单元233进行稳压。
[0084]
在本公开实施例中，稳压单元233可以由tps780稳压芯片1μf电容组成。tps780是一款低功耗稳压芯片，可以提供1.5v至4.2v的可调节稳定输出。
[0085]
在本公开实施例中，工作模块的工作电压输出为1.8v，可以将升压单元的输出电压设置为1.8v。当升压单元的输出电压过高时，稳压单元将不稳定的输出电压转换为稳定的1.8v电压输出。
[0086]
根据本公开实施例，pifa天线为轻量化的板载天线，使无源标签摆脱了外部天线结构的限制，在天线设计中，通过对不同参数的天线性能进行比较，选择了最优天线参数组合。表现优良的匹配网络可以最大程度的减小高频信号进入数字电路的信号损耗，增大传输距离。在匹配网络的优化中，通过仿真得到匹配网络大致的电容值和电感值，然后把仿真数据放入真实实验中测试，通过仿真和真实实验的不断反馈优化，逐步消除仿真和实验之间的误差，以获得最优的匹配网络。设置了获能升压模块230，使无源标签不仅摆脱电池的限制，还在读写器发出的高频信号较弱时，利用储存的来自环境中的高频信号的能量，维持稳定的工作电压。
[0087]
以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。