低功耗有源UHF-RFID标签芯片射频前端的设计

采用SMIC 0.18μm CMOS工艺,设计了一种低功耗的超高频有源RFID标签芯片射频接收前端电路。其中,低噪声放大器(LNA)采用共源共栅源极电感负反馈差分结构,下变频混频器(Mixer)采用吉尔伯特(Gilbert)有源双平衡结构。通过整体及模块电路优化,该电路在较低功耗下仍然具有较好性能。仿真结果表明,整个接收端功耗仅为14 mW,与传统射频前端芯片相比,功耗降低53%;整体增益为21.6 dB,噪声系数7.1 dB,三阶输入截止点-18.9 dBm,满足有源UHF-RFID标签芯片低功耗高性能的应用需求。

一种基于相控阵列天线的超高频射频识别相对定位方法

针对已有相对定位方法存在环境依赖程度大、定位精度低等问题,提出一种基于相控阵天线的超高频(UHF)射频识别(RFID)相对定位方法,该方法通过调节相控阵天线的激励参数来改变天线的辐射方向,以获取目标标签的收信场强轮廓,有效降低了系统对环境和场地的依赖程度;同时,提出一种基于轮廓陡峭程度的相对位置估计方法,该方法首先利用轮廓最高点的时间戳信息将目标标签分为两组,然后计算每一组标签的整体轮廓陡峭程度进而估计其相对位置。仿真结果表明:相比于传统相对定位方法,所提相对定位方法能够有效提高定位精度,降低排序偏差;在信噪比为20~30 dB时,性能提高了7.7%~21.6%。上述结果证实了本文方法的有效性。

基于方形螺旋谐振器的紧凑型RFID标签天线

设计了一种小型化超高频(UHF,ultra-high frequency)射频识别(RFID,radio frequency identification)标签天线。该天线由内外两个方形螺旋谐振器短接构成,通过改变外圈螺旋谐振器的边长和内外圈螺旋谐振器的间距,可以有效调节标签天线的谐振频率。仿真结果表明,标签天线阻抗匹配良好,频带范围覆盖整个超高频频段(840~960 MHz),总尺寸为7.60 mm×7.60 mm×0.05 mm,比传统螺旋谐振器(SR,spiral resonator)天线小96%。测试结果表明,在4 W有效全向辐射功率条件下,标签天线在910 MHz处读取距离达到最大。所提小型化超高频射频识别标签天线具有尺寸小、频带宽、成本低和易于批量制作的特点,适用于对尺寸要求较小的应用环境。

基于模型参数辨识的空间多局放源分离方法

对多个局放源信号的有效识别与分离是局部放电检测、定位及分析的关键。为此,提出基于模型参数辨识的空间多局放源分离方法。首先利用自回归-滑动平均模型和高阶累积量参数估计方法对特高频信号进行建模;然后依据模型参数重构信号的频谱,并结合Fisher可分离度选择信号特征频率;最后基于所选择的特征频率和径向基神经网络对特高频信号类型进行分类。仿真研究验证了方法对特高频信号的频谱重构和信号分类上的有效性,在信噪比大于10 dB的未知局部放电源信号中的多个局放源分离准确性大于75%,具有较好的应用价值。

基于广义变分模态分解的低频及超低频振荡模态辨识

随着水电渗透率以及电网互联规模不断扩大,在水电高占比电网中出现了低频及超低频振荡现象,表现为强非线性非平稳特征,增加了振荡参数辨识的难度。针对变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)中模态分解数K无法自适应确定以及处理时变振荡易产生模态混叠的问题,提出基于广义变分模态分解(generalized variational mode decompostion,GVMD)算法,结合Teager-Kaiser能量算子(Teager-Kaiser energy operator,TKEO)对低频及超低频振荡进行快速模态参数辨识。首先GVMD根据小波时频分析得到模态分解数K,通过广义傅里叶变换使各个模态在时频面界定清晰,从而使分解精度和可靠性大幅提升。然后对信号进行GVMD分解处理,再利用TKEO法快速完成振荡参数辨识。最后通过自合成信号、EPRI-36系统仿真和实测电网信号仿真验证了所提方法的有效性和可行性。

基于RFID管理实验室设备实施的关键问题研究

随着高校仪器设备数量的不断增加,智能、高效、数字化、网络化的管理实验室和实验设备已经成为现代化高校的发展趋势。主要考虑使用射频识别(RFID)技术来管理实验设备,实现对仪器设备的批量识别,更加智能高效地管理实验室。重点分析了实施过程中的几个关键技术问题:距离和频率的选择、有源/无源标签的选择、天线的选择、仪器为金属材质的问题、标签冲突防碰撞问题和价钱费用问题,以及附加定位问题等,为高校引入RFID技术管理实验室设备提供了关键技术选择、技术分析和应用。

一种用于UHF RFID标签的高稳定度时钟电路

设计了一种用于无源超高频射频识别标签芯片的时钟生成电路.在传统弛豫振荡器的基础上设置相位控制电容和相关校准电路,使输出时钟频率与工作电压和偏置电流不相关,抑制了电源的波动和偏差所引起的时钟抖动,保证了时钟频率的稳定性.同时,利用正负两种温度系数的电阻的温度补偿作用及相应的校准控制,实现了当温度在较大范围变化时时钟的周期稳定性.该电路在TSMC 0.18μm工艺下流片.测试结果显示,该方法可以获得更大的时钟校准范围和更高的输出时钟精度,电路功耗0.86μW,适合无源芯片的使用.

一种新型无源UHFRFID带隙基准电路

设计了一种适用于无源超高频射频识别芯片的电流模带隙基准电路,其中负温度系数电流利用BJT管的基射极电压的负温度特性产生,正温度系数电流利用偏置在亚阈值区的MOS器件其漏源电流与栅源电压呈指数关系的特性产生.该基准电路采用TSMC 0.18μm工艺库仿真并投片验证,基准电压的绝对值偏差最大不超过1.75%.测试结果表明,该电路功耗仅为0.65μW,最低工作电压为0.829V,温度系数为±63×10-6/℃,芯片有效面积为0.04mm2.该基准电路已成功应用于一款无源超高频射频识别芯片中,其读取灵敏度为-16dBm.

无源超高频射频识别标签中嵌入式温度传感器设计

提出了一种集成在无源超高频射频识别(UHF RFID)标签中的嵌入式温度传感器的设计方法。采用双振荡器结构,利用标准时钟对受温度影响的时钟形成的信号进行采样并计数,根据计数值与温度的线性关系获得温度的测量值。振荡器采用对称结构,消除了由于工艺影响造成的线性度的偏离。提出的温度传感器部分电路面积102.0μm×19.8μm,采用TSMC 0.18μm Mix-signal/RF CMOS工艺进行流片,测试结果显示,在工作电压1.0 V时,电路最大功耗为1.32μW,在?40℃^+55℃温度范围内,测量误差不超过2℃。

基于物联网的智能厂站位置服务系统

根据目前变电站、电厂传统巡检方式存在的弊端,提出了一种可以实时定位人员位置,并根据不同位置提供多种服务的解决方案。比较了国内外多种定位系统,并总结了基于无源超高频电子标签定位的优势。系统根据物联网网络层次划分为感知层、网络层、应用层3层,分别阐述了感知层无源超高频电子标签的安置方案,网络层手持终端预处理感知对象数据,完成本地服务并将人员空间位置信息实时通过无线网络传递到应用层位置服务器,可以与厂站监控系统、智能变电站全景数据平台之间实现数据共享和智能联动。系统已实际应用于500kV智能变电站低压开关柜室和水电站廊道中,显著提高了人身安全性和厂站自动化水平。

基于信号模型参数辨识的变电站局部放电电磁波信号重构

抑制现场噪声干扰、有效提取信号特征是局部放电(PD)信号检测和分析的关键,为此,利用自回归–滑动平均(ARMA)模型对局部放电辐射的特高频(UHF)电磁波信号建模,给出了利用高阶累积量估计模型阶数和参数的理论依据和算法。以混有Gauss白噪声及定频干扰的双指数振荡衰减函数模拟局部放电辐射的UHF信号,利用ARMA模型参数重构信号的Fourier变换幅值,利用双谱估计重构其Fourier变换的相位,最终重构时域信号,以验证该算法重构信号的有效性。利用该方法重构变电站实测的局部放电辐射的UHF信号,验证了该算法在变电站现场干扰情况下,可从现场采集到的含有噪声的信号中重构出只相差常数因子和线性相移的有用信号。且算法辨识得到了信号的ARMA模型参数及重构得到的UHF信号频谱及时域信号,可以给局部放电类型识别等进一步处理提供参数。

矿用UHF RFID阅读器分形天线的设计

传统的阅读器天线存在尺寸大、与标签之间的识别距离近等缺点,为此,采用分形理论和HFSS软件构建了新型的天线模型。具体实现方法是在天线辐射贴片的中心和四个角上开大小相同的方孔、地板上开四个槽,同轴馈电点设置在模型的对角线上。仿真结果表明,天线的各项指标均满足超高频频段的标准,实现了天线的小型化设计;识别距离达7.16 m,适用于煤矿井下人员定位系统。

一种适用于超高频射频识别的温度传感器

设计了一种采用双压控振荡器的适用于超高频射频识别(UHF RFID)应用的温度传感器,可应用于环境温度检测以及物流链中.由于采用了两个结构完全相同的压控振荡器,可以抵消工艺偏差和电源电压变化等因素带来的影响,使输出仅和温度有关.采用了时分工作方式,使电路在检测完温度以后处于关断状态,有效地避免了重复计数的问题,并使该传感器完全不影响整体标签的工作距离.采用SMIC0.18μm 2P4M EEPROM工艺进行流片,测试结果显示,标签读距离达到6m,写距离达到2.5m;在-40℃^+85℃温度范围内,温度测量精度为0.5℃,误差最大不超过±1.5℃.

多天线RFID阅读器的多标签识别及其可靠性分析

针对现有单天线射频识别（RFID）阅读器工作在超高频（UHF）频段因盲区和干扰影响较大而难以保证多标签识别的可靠性的问题，提出了增加天线个数的多天线识别模式，即采用与阅读器相连的多个天线，合理地部署在阅读区域的不同位置，以增强覆盖效果，减少阅读盲区，提高RFID阅读器多标签识别的可靠性，而且建立了基于多天线识别模式的多标签识别模型，设计了多天线优化控制方案，并对识别的可靠性进行评估。实验结果表明：多天线模式对提高阅读器多标签识别的可靠性效果显著，这为UHF RFID阅读器多标签识别可靠性的槔高开辟了新徐径。

新颖的物联网RFID传感系统防冲突算法

基于超高频射频识别(RFID)技术构建物联网系统往往需要将多个读写器同时工作于同一区域,这种多读写器环境势必会造成多读写器冲突,严重影响系统的性能。针对常用的反向散射耦合方式,选取信干比作为系统通信质量的度量,提出基于快速功率控制和退避机制的防多读写器冲突算法。读写器依据信干比情况,动态调节自身发射功率,在保证读写器读写距离的同时,减少信号覆盖区域的冗余,实现防冲突。考虑到发射功率调节至最大时,读写器仍可能无法获取目标信干比,引入了退避机制,使读写器主动降低发射功率,其退避时间映射于目标信干比迭代比例。实验结果表明,读写器能够根据功率控制算法,动态调节发射功率并快速收敛,提高了系统的实时性和可靠性。退避算法的设计提高了读写器信道争用的公平性,而且大大降低读写器功耗,这对移动/手持读写器尤为重要。该防冲突算法有效地最小化信号覆盖区域的冗余,实现防多读写器冲突,同时能够保证读写器的目标识别距离,提高了标签识别率。

超高频射频识别标签数据盲分离算法

提出了一种新的基于ICA的超高频(Ultra high frequency,UHF)射频识别(Radio frequency identification,RFID)多标签混合数据盲分离算法。在分析UHF RFID系统链路传输模型、标签数据编码规则以及多天线RFID系统模型的基础上,得出UHF RFID多标签混合数据符合ICA算法要求的结论,并利用FastICA算法对UHFRFID仿真数据进行了盲分离,定量分析了算法的分离效果及抗噪声性能。实验结果表明,利用ICA技术对多标签混合数据进行盲分离可获得良好的效果。这为将盲分离技术应用于UHF RFID系统标签防碰撞算法奠定了良好的理论和实验依据。

改进的LANDMARC在空间定位中的应用

LANDMARC算法是在平面模型的基础上进行的定位分析,将其应用于空间定位时,会出现不同程度的误差。将LANDMARC算法和测距原理相结合,提出了一种基于测距机制的LANDMARC算法,并利用HIK-RFM104型UHF嵌入式读写模块和中电海康提供的圆极化天线,搭建了改进LANDMARC算法的空间模型。通过直线式测距实验,得到具体的测距模型。将LANDMARC空间模型和测距模型相结合,对空间中的采样点进行定位测试,分析数据后确定改进的LANDMARC空间定位算法。该算法具有更高的精度和更稳定的性能。

低压低功耗无源UHF RFID标签芯片模拟前端电路的设计

本文从设计符合EPCTMC1G2协议的超高频无源射频识别标签芯片的角度出发,对RFID标签芯片模拟前端电路进行设计。通过对各个关键电路的功耗与电源进行优化,实现了一个符合协议要求的低电压、低功耗的超高频无源RFID标签芯片的模拟前端。该UHF RFID标签模拟前端设计采用SMIC 0.18μm EEPROM CMOS工艺库。仿真结果表明,标签芯片模拟前端的整体功耗控制在2.5μW以下,工作电源可低至1 V,更好地满足了超高频无源射频识别标签芯片应用需求。

移动机器人定位的自适应功率调节射频识别系统

针对超高频UHF(Ultra High Frequency)射频识别RFID(Radio Frequency Identifica-tion)技术,提出了一种应用于移动机器人自定位的RFID自适应功率调节方法.在粒子滤波算法中,采用马氏距离作为粒子权重的评价函数,避免了粒子分离问题;同时,给出了粒子滤波定位性能的评价指标,并依此动态调节RF(Radio Frequency)功率,来适应当前局部环境中标签的分布特征.实验结果表明,该方法定位精度较高且一致性较好,同时优化了系统能耗.

超高频RFID小型化读写器天线设计

提出了一款应用于超高频段(Ultra High Frequency,UHF)(912~935 MHz)的射频识别(RFID)读写器圆极化单层结构微带天线,基板采用FR4板材达到价格低廉、辐射贴片采用开槽的结构实现小型化、接地板采用开槽结构提高天线的增益,该天线实现了小型化设计,满足了天线的设计要求。利用三维电磁仿真软件对天线模型进行了分析,仿真与测试结果吻合良好。天线测试结果表明:回波损耗小于-10 d B的阻抗带宽为25 MHz(910~935MHz),轴比(AR)小于3 d B的带宽为21 MHz(914~935 MHz);在UHF频段内,读写器天线的最大增益为-1.2 d B,所以本天线能满足我国射频识别读写器的应用要求,具有良好的应用前景。