一種使用環路線圈天線的磁耦合射頻識別標簽電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種使用環路線圈天線的磁耦合射頻識別標簽電路，具體涉及一種適合大直流分量、交變耦合振蕩信號的時鐘恢復電路及解調電路的磁耦合射頻識別標簽電路。
【背景技術】
[0002]射頻識別技術包括射頻識別閱讀器、閱讀器天線和射頻識別標簽。根據采用射頻信號的頻率來區分，又包括低頻(LF，125/134KHz)和高頻段(HF，13.56MHz)采用環路線圈天線的磁耦合射頻識別技術；特高頻段(UHF，860~960MHz)采用電耦極子天線射頻識別技術；微波段(2.45GHz)射頻識別技術。其中，低頻、高頻技術和特高頻射頻識別技術的標簽電路，如果不采用電池供電，通過天線獲得能量并進行數據交換，被稱為無源射頻識別技術；如果采用電源(一般是電池)供電但是不用于信號的發送，則被稱為半有源技術；使用電源供電并且用于信號的發送，則被稱為有源技術。微波段射頻識別技術是有源射頻識別技術。在無源射頻識別技術中，高頻射頻技術采用環路線圈天線耦合傳輸能量和信號，線圈天線簡單(幾匝)，應用最為廣泛，大約占射頻識別技術市場的50% ;其次是低頻射頻識別，采用了和高頻射頻識別相同的磁耦合原理，但是標簽天線復雜，需要上百匝的線圈天線，而且載波頻率的限制，通信速率低，大約占據了市場份額的40%，其余10%的射頻識別市場主要是特高頻射頻識別技術。
[0003]但是磁耦合的射頻識別技術有一個明顯的不足:通訊距離近。以低頻技術為例，一般是10厘米；高頻技術可以實現10厘米到I米的通信距離；而特高頻射頻識別技術，無源射頻識別標簽可以實現6~10米的通信距離，卻又有信號受介質影響大，標簽芯片功能極弱等缺點。因此，尋求擴展高頻射頻識別標簽的通信距離等技術性能的研究就比較活躍。
[0004]限制磁耦合射頻識別通信距離的基本因素是磁場的近場衰減特性:從閱讀器天線表面垂直方向，標簽和閱讀器天線的距離每增加十倍，場強衰減為1/1000。而采用電磁波實現能量和數據交換的遠場能量在距離增加10倍的情況下，衰減為1/100。因此，低頻和高頻的射頻識別通信的極限距離是使用電磁波波長的1/10。比如高頻射頻識別的頻率為13.56MHz (波長大約是22米)，極限通信距離應該在2.2米。但是當前高頻射頻識別的通信距離只有50厘米，遠低于2.2米的極限。雖說使用雙天線可以實現I米的通信距離，但是對于地下目標等特別的應用場合并不適用。
[0005]限制磁耦合射頻識別通信距離的還有能量耦合效率和通信數據速率的關系。磁耦合射頻識別標簽的天線系統本質上是一個電感電容(LC)并聯諧振電路，諧振頻率越接近閱讀器的信號發送頻率，品質因素Q越高，能量耦合效率越高；但是該天線系統的品質因素Q越高，意味著帶寬越窄，通信的數據數率越低。以高頻射頻識別的IS0/IEC14443和ISO/IEC15693標準為例，IS0/IEC14443標準主要用于人員管理，標準的通信速率是106Kbps，在
1.5-7.5A/m的工作場強下，可以實現0~10厘米距離的通信；IS0/IEC15693用于物品管理，通信的最低數據速率為6.4Kbps，工作場強為0.15~5A/m，但是通信距離可以達50厘米。這就是犧牲帶寬獲得通信距離增加的方法。但是這個方法獲得通信距離有限，而且犧牲了通信的數據速率。
[0006]根據理論研究和分析的結果，對于磁耦合的射頻識別通信系統，每增加一倍的通信距離，標簽天線的面積需要增加16倍；或者提高天線網絡品質因素64倍；或者增大閱讀器的發射功率64倍。因此，增加磁耦合的射頻識別的通信距離，通過增大標簽天線的面積、提高標簽天線的品質因素和增大閱讀器的發射功率都難以獲得滿意的效果。
[0007]為了實現磁耦合射頻通信距離的提升，典型的方法有:
I)使用半有源標簽。換句話說，標簽的工作電源不再是從天線耦合本地穩壓后得到的，而是采用電池為標簽電路供電。采用電池的標簽壽命和使用溫度主要取決于供電電池的規格，一般壽命較短，溫度范圍很窄。
[0008]2)使用雙頻雙天線標簽。將能量傳輸和信號傳輸的天線分開，采用兩個不同的頻率用于無線電能和數據傳輸。和常見的無源射頻識別系統相比，標簽需要額外的一組天線、額外的整流和穩壓電源，閱讀器也要多一套無線信號發生、功率放大器和天線。
[0009]3)在閱讀器端使用濾波器和功率放大器。因為閱讀器端載頻和ASK調制的上、下頻帶，載頻的信號發射大約耗費了 50%的能量，上、下頻帶各消耗25%左右的能量，但是射頻識別標簽的天線網絡調諧特性通常只對應上、下頻帶的一個頻率，比如一般只對應上頻帶，換句話說，閱讀器端有75%的能量是不起作用的。因此，將ASK調制的上、下頻帶起作用的那個信號通過濾波器分離出來，通過功率放大器放大之后，也能顯著提升標簽的通信距離。德國的Klaus Finkenzeller等人采用這個方法，使用50W的發射功率獲得了 2.8米的訪問距離。
[0010]使用電池的半有源標簽技術簡單但是對射頻識別技術的應用領域有很大的限制；增加無線信號的發射功率可以取得不錯的通信距離，但是需要的無線發射功率太大；雙頻標簽的方式可以獲得滿意的通信距離又不需要太高的無線發射功率，但是標簽的信號天線不具備能量接收的能力，能量接收的天線和電源電路不具備信號接收的能力，標簽芯片的通用性不好。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述不足，而提出了一種使用環路線圈天線的磁耦合射頻識別標簽電路，一種適合大直流分量、交變耦合振蕩信號的時鐘恢復電路及解調電路的磁耦合射頻識別標簽。
[0012]本發明解決上述問題所采用的技術方案是:該標簽電路包括射頻識別閱讀器、閱讀器天線和射頻識別標簽系統，所述射頻識別標簽系統包括片上調諧電容CR、耦合環路線圈天線LR和標簽芯片，所述耦合環路線圈天線LR和標簽芯片的天線輸入端RFl、RF2相連接，所述片上調諧電容CR、耦合環路線圈天線LR和標簽芯片等效阻抗構成該使用環路線圈天線的磁耦合射頻識別標簽電路的天線網絡，所述天線網絡的品質因數符合射頻識別閱讀器和射頻識別標簽系統工作所需要的能量傳輸效率和信號傳輸帶寬；所述標簽芯片包括射頻和模擬電路、數字信號處理電路和存儲器；所述射頻和模擬電路包括時鐘電路、解調電路、整流電路、穩壓電路、復位電路、調制電路、信號發送電路，時鐘電路用于從耦合環路線圈天線LR中提取和振蕩頻率一致的時鐘Fe，解調電路將天線輸入端RFl的幅度調制信號包絡檢測整形產生對應的數字輸出ASK。在所述時鐘電路、解調電路和天線輸入端RFl之間連接有電容Ck，所述天線輸入端RFl在標簽芯片內部通過電容Ck為時鐘電路和解調電路提供輸入信號。除去直流分量后的天線輸入端RFl信號Vl通過A1、A2、A3放大分別得到振蕩信號上升沿和下降沿對應的脈沖信號，經過與非門Gl和G2構成的R-S觸發器恢復出占空比不等的、振蕩頻率一致的時鐘Fe。
[0013]將耦合環路線圈天線LR和標簽芯片的天線輸入端RF1、RF2直接相連，可以構成標簽的近距離應用模式。此時時鐘電路恢復的是等占空比的、振蕩頻率一致的時鐘Fe。
[0014]進一步地，在遠距離模式下，本發明還設有二極管D和外部直流電源Bat，直流電源Bat提供了標簽芯片工作所需要的電源，所述耦合環路線圈天線LR通過二極管D和標簽芯片的天線輸入端RFl相連，所述耦合環路線圈天線LR的另一端和外部電源Bat串聯，并和標簽芯片的天線輸入端RF2相連；所述片上調諧電容CR、耦合環路線圈天線LR、二極管D、外部直流電源Bat的內阻和標簽芯片等效阻抗構成該使用環路線圈天線的磁耦合射頻識別標簽電路的天線網絡，二極管D的正向導通電阻和外部直流電源Bat的內阻都較小，天線網絡的品質因素符合射頻識別閱讀器和射頻識別標簽系統工作所需要的能量傳輸效率和信號傳輸帶寬。
[0015]作為優選，本發明的所述數字信號處理電路采用處理器或者有限狀態機。
[0016]作為優選，本發明的所述存儲器包括用于程序存儲器的R0M、用于程序和數據存儲的 EEPROM、SRAM、FeRAM。
[0017]作為優選，本發明的所述整流電路的整流橋臂采用二極管或者PN結接法的MOS管。
[0018]作為優選，本發明的所述外部直流電源Bat采用電池或者是使用無線遠程供電的方式獲得的穩壓電源。
[0019]本發明既能和耦合環路線圈天線直接構成近距離常規應用的磁耦合射頻標簽，又可以通過耦合環路線圈天線結合二極管和直流電源，實現遠程應用。
【附圖說明】
[0020]通過對附圖中本發明實施例方式的更詳細描述，本發明的上述、以及其它目的、特征和優勢將變得更加明顯，其中，相同的參考標號通常代表本發明示例實施例方式中的相同部件。
[0021]圖1示出了磁耦合無源射頻識別閱讀器、閱讀器天線和標簽系統。
[0022]圖2示出了磁耦合射頻識別閱讀器、閱讀器天線和電池供電的半有源標簽。
[0023]圖3示出了雙頻磁耦合無源射頻識別閱讀器、閱讀器天線和標簽系統。
[0024]圖4示出了本發明的磁耦合射頻識別標簽電路典型的近程和遠程模式。
[0025]圖5示出了本發明的磁耦合射頻識別標簽近距離和遠距離的電源電路的工況。
[0026]圖6示出了磁耦合射頻識別標簽的時鐘恢復電路。
[0027]圖7示出了本發明的磁耦合射頻識別標簽的時鐘恢復電路。
[0028]圖8示出了磁耦合射頻識別標簽的時鐘恢復電路天線信號波形和載波頻率的數字時鐘