CN113055328A - 一种基于低功耗反向散射放大标签的bpsk调制电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路及其方法，电路包括天线、低功耗反向散射放大标签、偏置电压切换模块，其中，所述天线，用于接收入射激励信号；所述偏置电压切换模块，用于提供不同偏置电压；所述低功耗反向散射放大标签，分别连接所述天线、所述偏置电压切换模块，用于根据所述不同偏置电压对所述入射激励信号进行放大并输出散射信号；所述天线，还用于发送所述散射信号。本发明偏置电压切换模块通过对低功耗反向散射放大标签进行切换供电，利用不同偏置电压下低功耗反向散射放大标签所呈现的阻抗不同，从而改变低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息以实现BPSK调制，且电路实现简单。

Description

一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路及其方法

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路及其方法。

背景技术

在无源RFID***中，在天线通过输入无线电频率信号感应到电流时，它提供了足够的功率用于驱动标签上的集成电路并发出响应，所使用的技术被称为反向散射调制技术。因此，天线必须被设计为能够从输入信号收集功率且发送出反向散射信号。

目前RFID中，一般来说，无增益反向散射标签和简单的LC电路被用来进行反向散射信号的相位调制无疑是最简单实用的方法，低功耗和低复杂度的要求得到了很好地满足，但是电路的可操作性和相位调制的不稳定性以及传输的距离也是需要面对的一个问题。使用能够进行移相的控制电路实现多级的相位调制，其信号的稳定性和可调制的阶数会有效提高。

但是，现有的移相控制电路功耗增加比较大，电路的复杂度也会进一步提高。在大规模物联网的发展，有增益的反向散射标签和复杂的调相电路的结合，其功耗和复杂度只会影响实际产品的落地，有源或者半有源的具有增益的反向散射标签会导致能耗只升不降。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路。

本发明的一个实施例提供了一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，包括：

包括天线、低功耗反向散射放大标签、偏置电压切换模块，其中，

所述天线，用于接收入射激励信号；

所述偏置电压切换模块，用于提供不同偏置电压；

所述低功耗反向散射放大标签，分别连接所述天线、所述偏置电压切换模块，用于根据所述不同偏置电压对所述入射激励信号进行放大并输出散射信号；

所述天线，还用于发送所述散射信号。

在本发明的一个实施例中，所述低功耗反向散射放大标签包括电容C1、电容C2、电感L、隧道二极管D，其中，

所述电容C1的一端与所述天线连接，所述电容C1的另一端与所述电感L的一端、所述隧道二极管D的正极连接，所述电感L的另一端与所述电容C2的一端、所述偏置电压切换模块连接，所述电容C2的另一端、所述隧道二极管D的负极均接地。

在本发明的一个实施例中，所述隧道二极管D为GI307A隧道二极管。

在本发明的一个实施例中，所述偏置电压切换模块通过包含DAC模块的单片机实现。

在本发明的一个实施例中，偏置电压V_i下低功耗反向散射放大标签的散射系数表示为：

其中，Z_Li表示偏置电压V_i下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，Z_A表示天线阻抗，R_Li表示偏置电压V_i下低功耗反向散射放大标签负载阻抗的实部，R_A表示天线阻抗的实部，

表示天线的共轭阻抗。

本发明的一个实施例提供了一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，包括：

偏置电压切换模块提供若干偏置电压；

测量所述若干偏置电压下低功耗反向散射放大标签对天线接收的入射激励信号进行放大得到若干低功耗反向散射放大标签的散射系数；

根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数确定第一偏置电压和第二偏置电压；

根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压，对所述低功耗反向散射放大标签进行切换供电输出散射信号并由天线发送所述散射信号以实现BPSK调制。

在本发明的一个实施例中，根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数确定第一偏置电压和第二偏置电压包括：

根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第一散射增益和第一散射系数相位值；

根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第二散射增益和第二散射系数相位值；

响应于所述第一散射增益、所述第二散射增益相等且所述第一散射系数相位值、所述第二散射系数相位值的相位差为180°，以确定所述第一偏置电压和所述第二偏置电压。

在本发明的一个实施例中，根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第一散射增益和第一散射系数相位值表示为：

其中，Γ₁表示偏置电压V₁下低功耗反向散射放大标签的散射系数，Z_L1表示偏置电压V₁下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，|Γ₁|表示第一散射增益，θ₁表示第一散射系数相位值。

在本发明的一个实施例中，根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第二散射增益和第二散射系数相位值表示为：

其中，Γ₂表示偏置电压V₂下低功耗反向散射放大标签的散射系数，Z_L2表示偏置电压V₂下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，|Γ₂|表示第二散射增益，θ₂表示第二散射系数相位值。

在本发明的一个实施例中，偏置电压V_j下天线发送的散射信号表示为：

S_bj(t)＝S(t)*Γ_j,j＝0,1；

其中，S_bj(t)表示偏置电压V_j下天线发送的散射信号，S(t)表示天线接收的入射激励信号，Γ_j表示偏置电压V_j下低功耗反向散射放大标签的散射系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，偏置电压切换模块通过对低功耗反向散射放大标签进行切换供电，利用不同偏置电压下低功耗反向散射放大标签所呈现的阻抗不同，从而改变低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息以实现BPSK调制，且电路实现简单。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路中低功耗反向散射放大标签的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的低功耗反向散射放大标签中隧道二极管GI307A的伏安特性曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的在偏置电压为90mv下低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息示意图；

图6是本发明实施例提供的在偏置电压为100mv下低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息示意图；

图7是本发明实施例提供的低功耗反向散射放大标签在不同偏置电压下的散射增益变化示意图；

图8是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法最终实测的低功耗反向散射放大标签的散射增益示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路的结构示意图。本实施例提出了一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路包括天线、低功耗反向散射放大标签、偏置电压切换模块。

具体而言，本实施例BPSK调制电路包括低功耗反向散射放大标签、偏置电压切换模块以及天线，具体地：偏置电压切换模块的作用是提供不同偏置电压，以控制不同偏置电压对低功耗反向散射放大标签进行供电；低功耗反向散射放大标签的作用是以较低的功耗将入射激励信号进行放大并散射，具体偏置电压切换模块使低功耗反向散射放大标签在不同偏置电压下呈现不同的阻抗，改变低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息，从而改变入射激励信号的相位信息，然后低功耗反向散射放大标签对入射激励信号进行相位调制并反向放大；天线的作用是接收入射激励信号以及将低功耗反向散射放大标签调制好的散射信号发送出去。

优选地，偏置电压切换模块通过包含DAC模块的单片机实现。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路中低功耗反向散射放大标签的电路结构示意图，本实施例低功耗反向散射放大标签包括电容C1、电容C2、电感L、隧道二极管D，其中，电容C1的一端与天线连接，电容C1的另一端与电感L的一端、隧道二极管D的正极连接，电感L的另一端与电容C2的一端、偏置电压切换模块连接，电容C2的另一端、隧道二极管D的负极均接地。本实施例隧道二极管D具体可以为GI307A隧道二极管。

具体而言，本实施例低功耗反向散射放大标签中电感L用来隔离入射激励信号与直流偏置，以及防止直流偏置引起的电压冲击，电容C2用来稳定直流偏置电压，防止入射激励信号对直流偏置的影响，隧道二极管D用于利用其量子遂穿效应放大和反射入射激励信号，电容C1用于来根据调节电容C1的值，以改变低功耗反向散射放大标签的工作频率范围，即起到选频的作用。

进一步地，本实施例低功耗反向散射放大标签是基于隧道二极管的隧穿效应实现，不同于传统的标签，使用隧道二极管D的低功耗反向散射放大标签能以极低的功耗放大入射激励信号后再散射出去。隧道二极管D的特点是在一定偏置电压下，隧道二极管D会呈现出负阻抗特性，即随着电压的升高，电流出现下降的特性。请参见图3，图3是本发明实施例提供的低功耗反向散射放大标签中隧道二极管GI307A的伏安特性曲线示意图，本实施例通过给隧道二极管GI307A给予一定的偏置电压，使其呈现负阻抗，通过调节电感L和电容C1以及微带线的长度，即阻抗匹配网络改变低功耗反向散射放大标签放大的频率值，其中微带线是传输射频信号的一种媒介，根据实际需要进行设置。由图3所示的隧道二极管GI307A的伏安特性曲线图可知，低功耗反向散射放大标签所需的偏置电压为100mV左右，所需电流小于1mA，因此低功耗反向散射放大标签的功耗可降至μw级别。而且基于隧道二极管D提供的负阻抗，可以使得低功耗反向散射放大标签的反射系数绝对值大于1，从而使低功耗反向散射放大标签的散射增益大于1。具体地，通过配置负载阻抗可以让隧道二极管D阻抗Z_L和天线阻抗Z_A完全匹配，即Z_A＝-Z_L。则，本实施例在偏置电压V_i下低功耗反向散射放大标签的散射系数计算表示为：

其中，Z_Li表示偏置电压V_i下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，Z_A表示天线阻抗，R_Li表示偏置电压V_i下低功耗反向散射放大标签负载阻抗的实部，R_A表示天线阻抗的实部，

表示天线的共轭阻抗。因此，当标签天线阻抗Z_Li呈负阻抗时，本实施例偏置电压V_i下低功耗反向散射放大标签的散射增益表示为：

本实施例通过隧道二极管D阻抗Z_L和天线阻抗Z_A匹配网络选择合适的天线阻抗的实部R_A以获得任何散射增益。而当R_A＝R_Li时，散射增益变为无穷大，并且器件发生振荡。

综上所述，本实施例提出的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，偏置电压切换模块通过对低功耗反向散射放大标签进行切换供电，利用不同偏置电压下低功耗反向散射放大标签所呈现的阻抗不同，从而改变低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息以实现BPSK调制，调制速率可达100Kbps，散射增益可达40db左右，可以在保持标签端低功耗的优点下放大散射信号，可以有效地提高反向散射的通信距离，且本实施例提供的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路降低了实现BPSK调制的电路复杂度，为BPSK调制提供了其他可行方案。

实施例二

在上述实施例一的基础上，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法的流程示意图。本实施例提出了一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，基于实施例一所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路来实现，具体包括以下步骤：

步骤1、偏置电压切换模块提供若干偏置电压。

具体而言，本实施例偏置电压切换模块通过单片机的DAC模块输出若干不同的偏置电压，以对低功耗反向散射放大标签进行不同偏置电压下的供电。

步骤2、测量若干偏置电压下低功耗反向散射放大标签对天线接收的入射激励信号进行放大得到若干低功耗反向散射放大标签的散射系数。

具体而言，本实施例通过偏置电压切换模块对低功耗反向散射放大标签提供不同的偏置电压后，低功耗反向散射放大标签由于在不同偏置电压下对入射激励信号进行放大并输出了不同的散射系数，具体通过公式(1)得到若干低功耗反向散射放大标签的散射系数。

步骤3、根据若干低功耗反向散射放大标签的散射系数确定第一偏置电压和第二偏置电压。

具体而言，本实施例通过公式(1)得到若干低功耗反向散射放大标签的散射系数，从这些低功耗反向散射放大标签的散射系数中选择满足预设条件的散射系数，从而实现BPSK调制。本实施例选择满足预设条件的散射系数具体根据若干低功耗反向散射放大标签的散射系数确定第一偏置电压和第二偏置电压包括：

步骤3.1、根据若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第一散射增益和第一散射系数相位值。

具体而言，本实施例根据若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第一散射增益和第一散射系数相位值表示为：

其中，Γ₁表示偏置电压V₁下低功耗反向散射放大标签的散射系数，Z_L1表示偏置电压V₁下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，|Γ₁|表示第一散射增益，θ₁表示第一散射系数相位值。

步骤3.2、根据若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第二散射增益和第二散射系数相位值。

具体而言，本实施例根据若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第二散射增益和第二散射系数相位值表示为：

其中，Γ₂表示偏置电压V₂下低功耗反向散射放大标签的散射系数，Z_L2表示偏置电压V₂下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，|Γ₂|表示第二散射增益，θ₂表示第二散射系数相位值。

步骤3.3、响应于第一散射增益、第二散射增益相等且第一散射系数相位值、第二散射系数相位值的相位差为180°，以确定第一偏置电压和第二偏置电压。

具体而言，本实施例在步骤3.1、步骤3.2分别选择的偏置电压V₁和偏置电压V₂下，需要满足第一散射增益、第二散射增益相等且第一散射系数相位值、第二散射系数相位值的相位差为180°，即第一散射增益|Γ₁|与第二散射增益|Γ₂|满足|Γ₁|＝|Γ₂|(或大致相等)，且第一散射系数相位值θ₁与第二散射系数相位值θ₂满足|θ₁-θ₂|＝180°，从而使散射信号的相位在不同偏置电压下发生180°的转变，实现BPSK调制。

步骤4、根据第一偏置电压和第二偏置电压，对低功耗反向散射放大标签进行切换供电输出散射信号并由天线发送散射信号以实现BPSK调制。

具体而言，本实施例通过测量不同偏置电压下低功耗反向散射放大标签的散射增益和反射系数相位值，确定所需的一组偏置电压，即第一偏置电压和第二偏置电压，然后通过偏置电压切换模块对低功耗反向散射放大标签进行切换供电并输出散射信号，由天线发送散射信号，具体本实施例在偏置电压V_j下天线发送的散射信号表示为：

S_bj(t)＝S(t)*Γ_j,j＝0,1 (5)

其中，S_bj(t)表示偏置电压V_j下天线发送的散射信号，S(t)表示天线接收的入射激励信号，Γ_j表示偏置电压V_j下低功耗反向散射放大标签的散射系数。

需要说明的是，本实施例不只可以通过对低功耗反向散射放大标签切换一组偏置电压进行供电实现BPSK调制，同样可以通过对低功耗反向散射放大标签切换多组偏置电压进行供电实现QPSK调制或16QAM调制。

请参见图5、图6、图7、图8，图5是本发明实施例提供的在偏置电压为90mv下低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息示意图，图6是本发明实施例提供的在偏置电压为100mv下低功耗反向散射放大标签散射系数的相位信息示意图，图7是本发明实施例提供的低功耗反向散射放大标签在不同偏置电压下的散射增益变化示意图，图8是本发明实施例提供的一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法最终实测的低功耗反向散射放大标签的散射增益示意图。由图5、图6可以看出，通过对低功耗反向散射放大标签进行偏置电压切换供电，偏置电压为90mv时低功耗反向散射放大标签的散射系数相位为-152°，偏置电压为100mv时低功耗反向散射放大标签的散射系数相位为26°，两者相差近180°。，偏置电压为90、偏置电压为100mv使低功耗反向散射放大标签的散射系数幅值基本不变，而散射系数相位值差180°；由图7可以看出在不同偏置电压下可以寻找到一组偏置电压值使低功耗反向散射放大标签的增益大致相同；由图8可以看出，在入射激励信号的输入功率为-50dbm时，在频率为440MHz处有46.6dB的增益，从而可以实现调制速率为100Kbps的BPSK调制。

本实施例提出的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，可以执行上述实施例一所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，其特征在于，包括天线、低功耗反向散射放大标签、偏置电压切换模块，其中，

所述天线，用于接收入射激励信号；

所述偏置电压切换模块，用于提供不同偏置电压；

所述低功耗反向散射放大标签，分别连接所述天线、所述偏置电压切换模块，用于根据所述不同偏置电压对所述入射激励信号进行放大并输出散射信号；

所述天线，还用于发送所述散射信号。

2.根据权利要求1所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，其特征在于，所述低功耗反向散射放大标签包括电容C1、电容C2、电感L、隧道二极管D，其中，

所述电容C1的一端与所述天线连接，所述电容C1的另一端与所述电感L的一端、所述隧道二极管D的正极连接，所述电感L的另一端与所述电容C2的一端、所述偏置电压切换模块连接，所述电容C2的另一端、所述隧道二极管D的负极均接地。

3.根据权利要求2所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，其特征在于，所述隧道二极管D为GI307A隧道二极管。

4.根据权利要求1所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，其特征在于，所述偏置电压切换模块通过包含DAC模块的单片机实现。

5.根据权利要求1所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制电路，其特征在于，偏置电压V_i下低功耗反向散射放大标签的散射系数表示为：

其中，Z_Li表示偏置电压V_i下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，Z_A表示天线阻抗，R_Li表示偏置电压V_i下低功耗反向散射放大标签负载阻抗的实部，R_A表示天线阻抗的实部，

表示天线的共轭阻抗。

6.一种基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，其特征在于，包括：

偏置电压切换模块提供若干偏置电压；

测量所述若干偏置电压下低功耗反向散射放大标签对天线接收的入射激励信号进行放大得到若干低功耗反向散射放大标签的散射系数；

根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数确定第一偏置电压和第二偏置电压；

根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压，对所述低功耗反向散射放大标签进行切换供电输出散射信号并由天线发送所述散射信号以实现BPSK调制。

7.根据权利要求6所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，其特征在于，根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数确定第一偏置电压和第二偏置电压包括：

根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第一散射增益和第一散射系数相位值；

根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第二散射增益和第二散射系数相位值；

响应于所述第一散射增益、所述第二散射增益相等且所述第一散射系数相位值、所述第二散射系数相位值的相位差为180°，以确定所述第一偏置电压和所述第二偏置电压。

8.根据权利要求7所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，其特征在于，根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第一散射增益和第一散射系数相位值表示为：

其中，Γ₁表示偏置电压V₁下低功耗反向散射放大标签的散射系数，Z_L1表示偏置电压V₁下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，|Γ₁|表示第一散射增益，θ₁表示第一散射系数相位值。

9.根据权利要求8所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，其特征在于，根据所述若干低功耗反向散射放大标签的散射系数计算第二散射增益和第二散射系数相位值表示为：

其中，Γ₂表示偏置电压V₂下低功耗反向散射放大标签的散射系数，Z_L2表示偏置电压V₂下从天线端口向低功耗反向散射放大标签看过去的负载阻抗，|Γ₂|表示第二散射增益，θ₂表示第二散射系数相位值。

10.根据权利要求9所述的基于低功耗反向散射放大标签的BPSK调制方法，其特征在于，偏置电压V_j下天线发送的散射信号表示为：

S_bj(t)＝S(t)*Γ_j,j＝0,1；

其中，S_bj(t)表示偏置电压V_j下天线发送的散射信号，S(t)表示天线接收的入射激励信号，Γ_j表示偏置电压V_j下低功耗反向散射放大标签的散射系数。

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