一种基于2.4GHz频段的无源RFID电路

技术领域

本申请涉及无线充电领域，尤其涉及一种基于2.4GHz频段的无源RFID电路。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是当前常用的自动识别技术，通过无线信号在读写器与电子标签之间建立通信，实现无接触式的信息传输。

现有的RFID根据供电方式不同可以分为有源RFID与无源RFID两类，前者通过内置的电池等部件进行供电，具有体积大、成本高的缺陷；后者则通过将获取到的空间中的电磁波转换为电能，但具有通信距离短、识读稳定性差的缺陷。

为了解决上述两种方式的缺陷，现有技术中提出了采用空间能量采集进行供能的技术方案。虽然解决了能量来源问题，但输出的升压范围仅在100mV左右，意味着同等天线下电磁波能量需要比本设计高10dB左右，存在能量利用率偏低的缺陷。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于2.4GHz频段的无源RFID电路，通过使用带有肖基特二极管来降低整流倍压模块的导通阈值，从而提升整流倍压模块的升压幅度，提升了对空间电磁波能量的利用率。

第一方面，本申请提供了一种基于2.4GHz频段的无源RFID电路，所述无源RFID电路包括：

用于接收空间电磁波能量的能量接收天线，所述能量接收天线的输出端与采用肖基特二极管的整流倍压模块电连接；

所述整流倍压模块的输出端与电源管理模块电连接，所述电源管理模块的输出端一方面与2.4GHz RFID天线模块电连接，一方面与储能模块电连接。

在其中一个实施例中，所述能量接收天线布设在所述无源RFID电路的边缘位置

在其中一个实施例中，所述能量接收天线包括平面倒F形天线。

在其中一个实施例中，所述整流倍压模块，包括：

用于接收所述能量接收天线输出信号的信号源、以及整流倍增回路；

所述信号源设有正向端以及负向端，所述整流倍增回路设置在所述正向端以及所述负向端之间；

所述整流倍增回路包括电容以及与所述电容电连接的肖基特二极管。

在其中一个实施例中，所述整流倍增回路，包括：

由电容C1以及肖基特二极管D1串联的一级整流倍增回路；

在所述肖基特二极管D1两端并联有由电容C2以及肖基特二极管D2串联的二级整流倍增回路。

在其中一个实施例中，所述整流倍增回路，包括：

由电容C1以及肖基特二极管D1串联的一级整流倍增回路，在所述肖基特二极管D1两端并联有由电容C2以及肖基特二极管D2串联的二级整流倍增回路；

由电容C3以及肖基特二极管D3、所述电容C2串联的三级整流倍增回路，在所述肖基特二极管D1、所述电容C2串联构成的回路两端并联有由肖基特二极管D4以及电容C4串联的四级整流倍增回路；

由电容C5以及肖基特二极管D6、所述电容C4串联的五级整流倍增回路，在所述肖基特二极管D6、所述电容C4串联构成的回路两端并联有由肖基特二极管D5以及电容C6串联的六级整流倍增回路。

在其中一个实施例中，所述整流倍增回路的升压范围为30mV至1.8V。

在其中一个实施例中，所述2.4GHz RFID天线模块，包括：

与所述电源管理模块输出端电连接的2.4GHz RFID有源模块，以及与所述2.4GHzRFID有源模块输出端电连接的2.4GHz RFID天线。

在其中一个实施例中，所述2.4GHz RFID天线采用PCB微带天线结构。

在其中一个实施例中，在所述能量接收天线与所述整流倍压模块之间，还设有阻抗匹配模块。

上述于2.4GHz频段的无源RFID电路，通过使用带有肖基特二极管来降低整流倍压模块的导通阈值，从而提升整流倍压模块的升压幅度，提升了对空间电磁波能量的利用率。

附图说明

图1为一个实施例中基于2.4GHz频段的无源RFID电路的结构示意图；

图2为一个实施例中PIFA天线的S11仿真值示意图；

图3为另一个实施例中二倍程整流倍增回路的结构示意图；

图4为另一个实施例六倍程整流倍增回路的结构示意图；

图5为一个实施例中2.4GHz RFID天线的模型示意图；

图6为一个实施例中2.4GHz RFID天线的S11仿真值示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

终端102可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、物联网设备和便携式可穿戴设备，物联网设备可为智能音箱、智能电视、智能空调、智能车载设备等。便携式可穿戴设备可为智能手表、智能手环、头戴设备等。服务器104可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

在一个实施例中，如图1所示，本申请实施例提出的一种基于2.4GHz频段的无源RFID电路10，所述无源RFID电路包括：

用于接收空间电磁波能量的能量接收天线11，所述能量接收天线11的输出端与采用肖基特二极管的整流倍压模块13电连接；

所述整流倍压模块13的输出端与电源管理模块15电连接，所述电源管理模块15的输出端一方面与2.4GHz RFID天线模块17电连接，一方面与储能模块19电连接。

在实施中，无源RFID电路的主要结构包括能量接收天线11、整流倍压模块13、电源管理模块15、2.4GHz RFID天线模块17以及储能模块19共五部分。

具体的，能量接收天线11通过接收电磁波信号的方式采集无源RFID电路所处空间中的电磁波能量，接着将接收到的电磁波信号传输至整流倍压模块13用于实现AC向DC的转换、以及电压的倍增放大。倍增放大后的电压则输入至电源管理模块15实现3.3V的稳压输出。稳压输出的电能则一方面向2.4GHz RFID天线模块17，另一方面则传送至储能模块19储存。

在上述处理过程中，在整理倍压模块中使用肖基特二极管代替普通二极管，由于肖基特二极管自身极低的导通阈值，带来较高的能量转换效率，进而提升对电磁波的能量利用率，同时提供了更大的升压范围。

在其中一个实施例中，所述能量接收天线11布设在所述无源RFID电路的边缘位置。所述能量接收天线11包括平面倒F形天线。

在实施中，能量接收天线11主要用于采集空间中的电磁波，因此这里的能量接收天线11往往需要具备宽带，高增益的特点。

这里需要注意的是，只需要扩展前端能量接收天线的带宽就可以收集更多的空间能量的描述，具体原理为：天线的带宽通过S11参数来表示，如图3所示，工程应用上会用-10dB来衡量，当S11＜-10dB时意味着可以转换90％的能量，本设计主要针对2.4GHz附近的能量进行采集，但是现实空间中还有GSM，5G，wifi-5.8GHz等等，如果前端天线设计的带宽在这些频段S11也能做到-10dB以下，这样就能收集更多的空间能量进行储存。

另外为了提升整个能量收集系统在各个辐射区域的接收能量，本实施例在无源RFID电路的电路板的四周边缘位置分别放置一个平面倒F形天线(Planar Inverted F-shaped Antenna，PIFA)。

PIFA天线，天线尺寸为19*10*4mm，对应的S11仿真值如图2所示，10dB带宽2.3～2.6GHz覆盖整个2.4GHz免费频段，可以很好的接收该频段所有的电磁波信号。由于2.4GHz是一个免费使用的频段，在这个频段拥有很多技术比如蓝牙、Zigbee、wifi、无线USB等。天线设计上采用PIFA天线结构，这种天线稳定性好，抗干扰能量强，最大的优势只需要占用很小的电路板空间，可以满足小型化设计。

PIFA天线的基本结构包括四个部分接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线，其典型的结构如下图所示。其中，接地平面可以作为反射面，辐射单元是与接地平面平行的金属片，短路金属片用于连接辐射单元和接地平面，同轴馈线用于信号传输。

一方面，可以将PIFA天线看作是由线性倒F天线(即IFA天线)衍变而来的。对于IFA天线，其辐射单元、接地线都是细导体线，这样等效的射频分布电感较大，而分布电容较小，这就意味着天线具有较高的Q值和较窄的频带。根据电小天线Q值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低Q值，因此将IFA天线的细导线用具有一定宽度的金属片取代，这样可以增大分布电容和减小分布电感，从而增大天线带宽，这样就形成了PIFA天线。另一方面，也可以将PIFA天线视为一个具有短路连接的矩形微带天线，这种具有短路连接的矩形微带天线的实际共振模式与矩形微带天线的共振模式是一样的，它们都是共振在TM10模式。将短路金属片置于矩形辐射金属片和接地平面时，其可将矩形辐射金属片的长度减半，达到缩小天线尺寸的目的，而在短路金属片的位置TM10模式的电场是等于零的。当短路金属片宽度比辐射金属片窄时，天线的有效电感会增加且共振频率会低于传统的短路矩形微带天线，因此缩小短路金属片的宽度，还可以进一步缩小PIFA天线的尺寸。

在其中一个实施例中，所述整流倍压模块13，包括：

用于接收所述能量接收天线11输出信号的信号源、以及整流倍增回路；

所述信号源设有正向端以及负向端，所述整流倍增回路设置在所述正向端以及所述负向端之间；所述整流倍增回路包括电容以及与所述电容电连接的肖基特二极管。

在实施中，用于完成将电磁波转换为电能并进行放大的整流倍压模块13，包括用于接收能量天线输出信号的信号源，以及进行整流升压的整流倍增回路。

整流的作用将AC信号转换成DC信号，因为射频输入能量很小，整流之后无法直接供电，因此在整流之后需要进行倍增放大。在整流倍压模块13中比较成熟的技术采用电容器和二极管，传统的PN结二极管典型导通阈值为0.7V，较高的导通阈值意味着较低的能量转换。考虑到整体转换效率，本实施例采用SMS7621系列的肖特基二极管，它具有极低的导通阈值约0.06V。

具体的，在信号源的正向端、负向端之间连接有整流倍增回路，整流倍增回路的基本结构则包含电容以及与电容电连接的肖基特二极管。

为了实现不同倍程的整流增加处理，现提出两种整流倍压电路的详细结构：

如图3所示，二倍程整流倍增回路，包括：

由电容C1以及肖基特二极管D1串联的一级整流倍增回路；

在所述肖基特二极管D1两端并联有由电容C2以及肖基特二极管D2串联的二级整流倍增回路。

在实施中，二倍程整流倍增回路如图4，其原理如下：射频信号负半周，肖基特二极管D1导通，肖基特二极管D2截止，电流经过肖基特二极管D1对电容C1充电，射频信号正半周，肖基特二极管D2导通，D1截止，此时电容C1上的电压和电源电压相加，电流流经肖基特二极管D2对电容C2充电，充电电压为2*(V1-Vf)，Vf为肖基特二极管导通阈值。

如图4所示，六倍程整流倍增回路，包括：

由电容C1以及肖基特二极管D1串联的一级整流倍增回路，在所述肖基特二极管D1两端并联有由电容C2以及肖基特二极管D2串联的二级整流倍增回路；

由电容C3以及肖基特二极管D3、所述电容C2串联的三级整流倍增回路，在所述肖基特二极管D1、所述电容C2串联构成的回路两端并联有由肖基特二极管D4以及电容C4串联的四级整流倍增回路；

由电容C5以及肖基特二极管D6、所述电容C4串联的五级整流倍增回路，在所述肖基特二极管D6、所述电容C4串联构成的回路两端并联有由肖基特二极管D5以及电容C6串联的六级整流倍增回路。

需要注意的是，利用室内2.4GHz电磁波能量，天线口采集功率范围-30～10dBm，采用6倍程倍压，从-30dBm～0dBm对应输出电压为30mV～1.8V。

具体的计算过程为：30mV～1.8V输出通过仿真软件仿真所得。

-30dBm～0dBm在50Ω阻抗下对应的有效电压是7mV～220mV，N倍程输出2N*(V1-Vf)，这里不考虑SMS7621 PIN管寄生参数，Vf导通阈值是60mV，如果V1＞Vf，比如220mV，那么6倍程等于2*6*(220-60)＝1920mV，当V1＜Vf时会在第一级电容进行充电直至达到导通条件，这个过程涉及到电容随时间的积分，借助仿真软件得到。

六倍程整流倍增回路的工作原理与前文提及的二倍程整流倍增回路一致，此处不再赘述。

在其中一个实施例中，在整流倍压模块13的输出端连接有进行稳压输出的电源管理模块15。

典型的，为了尽量满足使用电压要求，本设计运用LTC3108，这是一款超低电压升压转换器和电源管理器，其升压架构可以实现低至20mV的输入电压条件下运作，在倍压之后30mV～1.8V的输入电压下，VOUT始终保持3.3V左右的输出。2.4GHz RFID模块供电电压为3.3V符合负载电压要求。

电源管理模块15在完成稳压处理后，输出端同时连接2.4GHz RFID天线模块17以及储能模块19电连接，便于向前者供电的同时用后者进行储能操作，在外界电磁波能量不足时，可以从储能模块19取电满足无源RFID电路的正常工作。

在其中一个实施例中，所述2.4GHz RFID天线模块17，包括：

与所述电源管理模块15输出端电连接的2.4GHz RFID有源模块，以及与所述2.4GHz RFID有源模块输出端电连接的2.4GHz RFID天线。

在实施中，2.4GHz RFID模块和天线技术非常成熟，这里不做过多介绍。目前2.4GHz RFID模块基本都采用单芯片的实现方案，本设计采用泰凌微TLSR8359实现有源模块设计。2.4GHz RFID天线采用PCB微带结构，仿真模型如图5所示，其中的方格线为仿真软件中的背景线框。有源RFID工作频率为2.4～2.5GHz，从如图6所示的S11参数仿真结果可以看出，天线的谐振频率在2.45Ghz，因此本设计选用2.45GHz作为实际使用频点。

前文中提及的储能模块19，考虑到环境收集到的能量经常是不太稳定并且随着时间变化，因此要为收集系统装备储能模块19。通常能量存储有两种，一种是电池，另一种是超级电容，本设计为了适应更多环境的应用，选择超级电容进行能量存储，选择AVX BestCap脉冲超级电容，温度范围-20℃～70℃。

在其中一个实施例中，在所述能量接收天线11与所述整流倍压模块13之间，还设有阻抗匹配模块。

在实施中，阻抗匹配模块用于实现接收天线和整流二极管之间能量传输最大化，提升整体转换效率。匹配的实现可以通过高频电感和电容实现，技术成熟不做详细阐述。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。