一种支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵

技术领域

本申请涉及无线通信领域，具体的涉及一种支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵。

背景技术

射频识别(RFID)技术是一种基于射频信号检测的自动识别技术。该技术起源可追溯至19世纪中叶法拉第电磁感应的发现，并在20世纪40年代的无线电的雷达技术中得到应用。目前已经广泛用于物流管理、资产管理、结构健康监测(SHM)、安全性验证等领域。近年来随着大数据、互联网+的发展、5G“万物互联”的潮流，射频识别技术在物联网(Internetof Things,IoT)领域将有更大的应用潜力。

传统的射频识别系统采用单发单收的工作模式，受天线波瓣角限制，覆盖区域有限；多天线识别系统在单发单收模式下，单个天线收发时间为10-200ms不等，期间系统内其他天线均处于等待状态，天线利用率低。针对单发单收模式下检测效率低的问题：文献[Chen S,Zhong S,Yang S,et al.A Multi-Antenna RFID Reader with Blind AdaptiveBeamforming[J].IEEE Internet of Things Journal,2016:1-1]提出一种多天线超高频识别系统，研究了阅读器的可识别范围、数据传输性能以及标签数量的估计方法，并且提出BABF算法用于解决多天线系统中标签碰撞的问题，但是这篇文章中只研究了两种天线的情况，天线依旧是单独工作，且作者只探讨了特定布局下的识别效率问题，没有提出普适性的解决方案。针对多天线检测系统：文献[Zhu F,Xiao B,Liu J,et al.Exploring TagDistribution in Multi-Reader RFID Systems[J].IEEE Transactions on MobileComputing,2016,16(5):1-1.]和[A.S.Andrenko and M.Kai,"Novel design of UHF RFIDnear-field antenna for smart shelf applications,"2013 Asia-Pacific MicrowaveConference Proceedings(APMC),Seoul,2013,pp.242-244]探讨了标签在多阅读器RFID系统中的分布问题，提出一种能够快速识别每个阅读器下标签集的协议，这对高效进行产品库存管理提供了可能。但是当多个阅读器的天线信号覆盖区域有重叠时，会导致处于重叠区域的标签被不止一个阅读器天线所识别，造成标签碰撞，RFID系统的可靠性降低。文献[Saadi H,Touhami R,Yagoub MCE.TDMA-SDMA-based RFID algorithm for fastdetection and efficient collision avoidance.Int J Commun Syst.2018；31:e3392.https://doi.org/10.1002/dac.3392]和[Xiuwei Xuan,Kun Li.EfficientAnticollision Algorithm for RFID EPC Generation2 Protocol Based on ContinuousDetection[J].International Journal of Wireless Information Networks(2020)27:133–143]提出了新的算法解决方案，用来提升RFID系统检测效率，避免多标签碰撞，但没有考虑硬件的层面问题。另一方面，许多学者将波束扫描阵列天线应用与RFID检测系统，在射频前端通过波束切换提升有效检测区域覆盖面积，文献[Jeong M G,Kim J H,Bae S H,etal.Miniaturised multi-beam-controlled circular eight-port beamforming networkfor long-range UHF RFID hemispheric coverage[J].Iet Microwaves Antennas&Propagation,2018,12(2):154-159]提出一种UHF频段多波束控制八端口波束赋形网络，在厚度1.2mm的FR4基板上设计12个正交混合耦合器和12个90度移相器，在phi＝0°和90°时分别实现130°和180°的3dBi以上波束覆盖；文献[H.-T.Chou,Z.-C.Tsai,Near-Field FocusRadiation of Multibeam Phased Array of Antennas Realized by Using ModifiedRotman Lens Beamformer[J].IEEE Trans.Antennas Propag,2018,12:6618-6628]通过罗特曼透镜实现对8×8天线阵列波束的无源切换，且在23cm的测试距离下实现了75cm×100cm的可识别覆盖面积。但采用波束赋形技术功耗大、电路复杂，不能满足小型通道检测系统的实际应用需求。

发明内容

为克服上述缺陷点，本申请的目的在于：提出一种支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵。该射频开关矩阵适用于超高频(UHF)RFID通道检测、可实现单天线发射多天线接收检测模式的多路射频开关矩阵模块。

为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：

一种支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵，其特征在于，包括：基板，所述基板上配置有，

第一类接口，其用于与单片机相连，以接收数字控制指令，

第二类接口，具有发射端及接收端，其分别用于与RFID阅读器匹配的端口连接，

第三类接口，用于分别与端阅读器天线的独立天线接口匹配连接相连。

优选的，该射频开关矩阵包括：射频电路单元，

所述射频电路单元包括：

一个单刀四掷射频开关、四个单刀双掷射频开关及一个合路器，

所述合路器，具有输入端及输出端，

所述单刀双掷射频开关，具有：输入端及2个输出端，

所述单刀四掷射频开关具有：输入端及4个输出端，

所述单刀四掷射频开关的输入端与阅读器射频信号发射端相连，4个输出端分别与4个所述单刀双掷射频开关的2个输出端当中的一个相连，4个单刀双掷射频开关中余下输出端分别连接合路器的输入端；

所述单刀双掷射频开关的输入端连接阅读器射频信号发射端，

合路器的输出端与阅读器射频信号接收端相连。

优选的，该支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵，其特征在于，

所述合路器包括第一传输线芯片、第二传输线芯片及第三传输线芯片，

其中，第一传输线芯片作为第一阶合路器并引出两个输入引脚Comb1和Comb2，第二传输线芯片及第三传输线芯片构成第二阶合路器，第二传输线芯片及第三传输线芯片的输出端和第一传输线芯片的两个输入端口相连，各自的两个输入端口作为四合一合路器的信号输入端。

优选的，该支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵，其特征在于，

所述单刀四掷开关及所述单刀双掷射频开关的输出悬空引脚设置50Ω阻抗匹配，且所述单刀四掷开关及所述单刀双掷射频开关皆为吸收式射频开关。

优选的，该单刀双掷开关为吸收式射频开关，其2个输出端分别包含50Ω阻抗匹配回路。

优选的，该单刀双掷开关输入端和两个输出端分别串联容值均为1uF的隔离电容。

优选的，该支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵，其特征在于，基板，所述基板上配置射频电路单元及数字电路单元，且

射频电路单元及数字电路单元间采用非金属沟隔开。

优选的，该支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵，其特征在于，

基于接地共面波导结构绘制射频电路单元的射频信号线。

优选的，该射频电路单元与终端实现50欧姆阻抗匹配。

有益效果

与现有技术相比，本申请提出的射频开关矩阵，具有单发多收检测模式，针对智能门禁检测系统的应用场景，可以实现单个天线发射的同时，剩余所有天线同时接收，提升天线利用率及识别信号覆盖面积。利用多路射频开关矩阵实现UHF RFID检测系统的单路发射、多路接收工作模式，工作时系统在低发射功率下可达到高检测效率、降低了整体功耗；通过传输线芯片设计二阶四合一合路器，实现模块小型化；采用GCPW结构布置射频信号线，实现50欧姆阻抗匹配的同时，减小模块PCB版图面积并降低射频信号线宽度；射频信号线与芯片焊盘之间采取渐变线布局，最大程度上减少射频信号损耗。

附图说明

图1为本申请实施例的检测系统的功能模块示意图；

图2为本申请实施例的射频开关矩阵的功能模块示意图；

图3为本申请实施例的单刀四掷的拓扑示意图。

图4为本申请实施例的单刀双掷的拓扑示意图；。

图5为本申请实施例的合路器的拓扑示意图，

图6为本申请实施例的数字电路的拓扑示意图；

图7为本申请实施例的射频电路布局示意图；

图8为本申请实施例的射频电路布局示意图；

图9为本申请实施例的检测系统的结构示意图；

图10为本申请实施例的测试示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请提供一种射频开关矩阵模块，其实现四天线通道系统的单发多收检测模式。具体的利用多路射频开关矩阵实现UHF RFID检测系统的单路发射、多路接收工作模式(简称单发多收)，此模式下系统在低发射功率下可达到高检测效率、降低了整体功耗。该射频开关矩阵模块中将通过传输线芯片设计成二阶四合一合路器，实现模块小型化；采用GCPW结构布置射频信号线，在840MHz-928MHz的UHF RFID频段内实现50欧姆阻抗匹配；在实现50欧姆阻抗匹配的同时，减小模块PCB版图面积并降低射频信号线宽度；射频信号线与芯片焊盘之间采取渐变线布局，最大程度上减少射频信号损耗。

接下来结合附图来描述本申请提出的支持阅读器的单发多收检测模式的射频开关矩阵(下称射频开关矩阵)。

如图1所示为本申请实施例的射频开关矩阵典型应用时连接示意；

该射频开关矩阵包括：

第一类接口，其与单片机相连，以接收数字控制指令，

第二类接口，具有发射端及接收端，其分别与RFID阅读器匹配的端口连接、

第三类接口(天线端口)，用于与系统前端阅读器天线相连。具体的，天线端口用于与系统前端阅读器天线的四个独立天线接口相连。该射频开关矩阵用于RFID系统中，运行时可以实现单个天线发射的同时，剩余所有天线同时接收，这样提升天线利用率及识别信号覆盖面积。系统在单发多收模式下检测正确率可达到99％，满足实际应用需求。

该射频开关矩阵模块包括：射频电路及数字电路，其中，

该射频部分电路(如图2所示)包括：

一个单刀四掷(SP4T)射频开关、四个单刀双掷(SP2T)射频开关及一个合路器。

该合路器，具有输入端及输出端，

单刀双掷(SP2T)射频开关，具有2个输出端(端口1/端口2)及输入端，

单刀四掷(SP4T)射频开关具有输入端及4个输出端(端口1-4)，输入端与阅读器射频信号发射端相连，4个输出端(端口1-4)分别与4个SP2T开关的2个输出端当中的一个相连；单刀双掷(SP2T)射频开关的输入端连接阅读器射频信号发射端，每个单刀双掷(SP2T)射频开关中剩下的一个输出端(端口2)分别连接合路器的输入端口；

合路器的输出端与阅读器射频信号接收端相连。

本实施方式中，合路器为四合一合路器，其具有4个输入端。四合一合路器采用三个传输线芯片组合而成，传输线芯片型号为ETC1-1-13，芯片内部是由两端相临的耦合线组成的定向耦合器，将芯片的引脚1接地，则构成以引脚2为输出(这里指芯片的引脚，在原理图中方框代表芯片，方框里的数字就是引脚号，例如，芯片引脚3对应第一个输入端口Comb1、引脚5对应第二个输入端口Comb2)、引脚3、5为输入的合路器，此时传输损耗符合S

单刀四掷开关(SP4T)，采用型号为HSWA4-63DR+，属于支持两路数字信号控制的吸收式(Absorptive)射频开关，通过该开关在输出悬空引脚(开关输入端和其某个输出端导通，剩余其他输出引脚为悬空状态)设置了50Ω阻抗匹配，这样的设计避免了来自阅读器的射频输入信号向悬空引脚泄露的问题。提高识别精度。该SP4T开关使用时需要5V电压供电。在一较佳的实施方式中，供电电路部分采用串联型号为BLM18PG221,220Ω的磁珠L1、并联两个电容C1、C2封装0603容值分别为100pF、1uF，用来滤除电源中掺杂的低频信号和噪声干扰，其供电原理图如图3所示。V

单刀双掷开关(SP2T)，采用型号为SKY13348的吸收式射频开关，此开关的2个输出端包含50Ω阻抗匹配回路，这样可以避免合路器的悬空端发生射频信号泄露。该SP2T开关无需额外供电，仅需要两路相反电平的数字控制信号选择输出引脚，为滤除射频信号的低频噪声，在开关的输入端和两个输出端分别串联隔离电容，如图4所示，C

该数字电路部分为包括：控制信号的分配电路。本申请的实施方式中由于每个射频开关芯片需要两组数字电平控制，占用了过多的单片机端口资源，而SP2T开关的控制信号为两路始终相反的电平，故设计图6所示的非门驱动电路，为四个SP2T开关提供八路数字控制电平。图6中反相器芯片采用安森美的MM74HC14M，其在3.3V的工作电压下，有6组非门将输入信号取非(例如输入高电平。则输出低电平)，本实施方式中使用其中的4组非门。数字信号V

该射频开关矩阵模块的PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)基板采用FR4板材，其相对介电常数ε

该射频开关矩阵模块的工作原理如下：

单片机通过预留的排针端口接入六路数字控制信号，用于选择阅读器射频识别信号的发射通道与接收通道。在实际的智能门禁检测系统中，将收发分离的UHF RFID阅读器的发射端和接收端，分别与模块的对应接口相连，将四副UHF(840MHz-928MHz)频段、阻抗为50欧姆的阅读器天线，通过射频馈线与模块的四个天线端口相连。

该射频开关矩阵模块配置于检测系统，如针对智能门禁的检测系统，适用于超高频射频识别系统的多路开关矩阵。装配此模块的RFID系统可以实现单个天线发射的同时，剩余所有天线同时接收，提升天线利用率及识别信号覆盖面积。接下来结合图9来描述用于门禁的检测系统的示意。

四副天线的安装位置示意图如图9所示，在门禁通道的两侧以“左右对称、上下分离”的方式安装四副天线，通过单片机合理发送数字控制信号，系统可保证在四天线轮询工作的情况下，单天线发射同时其余三副天线同时接收，从而大大提高天线利用率以及有效覆盖面积。

图10为测试场景示意图，使用此模块进行警用装备的智能门禁测试，测试样品包含普通印刷标签(图10中右半部分所示，(警帽、执法仪、肩灯)和抗金属特种标签(手电筒、手铐、警棍))，测试人员携带这些装备以正常速度步行通过检测关卡(图10中左半部分所示)，关卡上配置有天线。测试结果显示，在阅读器26dBm发射功率下，系统可以在3ms内将所有标签识别完毕，且未发生漏读、误读标签现象，重复测量结果显示，系统在单发多收模式下检测正确率可达到99％，满足实际应用需求。

测试步骤:采用一款工作在超高频段的收发RFID阅读器以及四副同频段、增益8dBi以上的阅读器微带天线，按照图9所示将天线安装固定，以测试人员或者自动测试仪器按照正常步行速度通过检测通道，单次测试的起点和终点与测试系统距离大于3米以保证测试过程独立、完整，记录每次测量系统工作时间和测量结果，反复测试并统计检测正确率。支持通道检测RFID系统正确检测覆盖区域内的标签。

在电路设计中，需要满足天线阻抗、芯片阻抗与模块射频电路阻抗共轭匹配，因此模块射频电路部分采用GCPW结构布线，并对线宽、铺铜间距、弯折方式有严格要求。模块采用双层PCB板，尺寸小、模块化且逻辑控制指令简单。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。