基于自然能量的免激活uhf型電子標(biāo)簽及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽及其工作方法，包括UHF調(diào)諧微帶天線、自然能量采集裝置、AC-DC充電電路、儲(chǔ)能器、次級(jí)電池、DC-DC調(diào)壓器和UHF標(biāo)簽芯片，其中的自然能量采集裝置為內(nèi)置有由n通道金氧半場(chǎng)效晶體管MOSFET、外置升壓變壓器和電容器構(gòu)成的共振升壓振蕩采集器或以肖特基二極管分立元件為基礎(chǔ)的采集電路，兩種方法均可以用來(lái)收集自然能量用于UHF標(biāo)簽激活的能量源。本發(fā)明替代了傳統(tǒng)電子標(biāo)簽在進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，需從閱讀器發(fā)射的無(wú)線電波中獲取能量來(lái)激活標(biāo)簽的方法，有效的提升了UHF電子標(biāo)簽的靈敏度和有效讀、寫(xiě)距離，并且有效地降低了外部環(huán)境對(duì)標(biāo)簽整體性能的影響。
【專利說(shuō)明】基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及RFID無(wú)線射頻識(shí)別【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)技術(shù)是國(guó)際上最近幾年開(kāi)始興起并得到迅速推廣應(yīng)用的一門(mén)新技術(shù)。射頻識(shí)別設(shè)備通過(guò)微波天線向裝有電子標(biāo)簽的物體發(fā)出微波查詢信號(hào)，標(biāo)簽在收到讀寫(xiě)器的查詢信號(hào)后，根據(jù)查詢信號(hào)中的命令要求，將標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息反射回讀寫(xiě)器，它是為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化而對(duì)物體的屬性、狀態(tài)、編號(hào)等特征數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集所推出的一種全新手段，可廣泛應(yīng)用于智慧物流、智能交通、食品防偽、溯源等領(lǐng)域。
[0003]能量采集是指通過(guò)“收集”熱、振動(dòng)、光及電磁波等身邊的磁波等微量能源，使其轉(zhuǎn)換成電力的技術(shù)，其理念是有效利用平時(shí)舍棄的微量能源。能量采集技術(shù)的最大特點(diǎn)在于導(dǎo)入這一技術(shù)可省去更換電池、及維護(hù)等麻煩。通過(guò)捕獲環(huán)境中的多余能量(如照明、溫差、振動(dòng)和無(wú)線電波)，完全可以讓低功耗電子器件正常工作。在這些微功率能源中，來(lái)自射頻發(fā)射器的能量具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括隨距離變化可預(yù)測(cè)和一致的功率，從而允許能量采集器遠(yuǎn)離能源的束縛。
[0004]環(huán)境射頻能量如今可以從全球數(shù)十億個(gè)無(wú)線發(fā)射器獲得，包括移動(dòng)電話、手持無(wú)線電設(shè)備、移動(dòng)基站以及電視/無(wú)線廣播臺(tái)等。捕獲這類能量的能力有助于創(chuàng)建新的無(wú)電池設(shè)備，并允許電池供電設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴式充電。
[0005]常見(jiàn)的UHF電子標(biāo)簽在工作時(shí)，需要從閱讀器的發(fā)射信號(hào)(無(wú)線電波)中獲取能量并自激活，靈敏度低、有效讀寫(xiě)距離短、受環(huán)境影響嚴(yán)重。并且，閱讀器需要通過(guò)電池來(lái)供能，廢棄電池易產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供了一種基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽及其工作方法，大大提升了電子標(biāo)簽的性能，并且有利于可持續(xù)發(fā)展。
[0007]本發(fā)明提供的基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽包括UHF調(diào)諧微帶天線、自然能量采集裝置、AC-DC充電電路、儲(chǔ)能器、次級(jí)電池、DC-DC調(diào)壓器和UHF標(biāo)簽芯片，其中的自然能量采集裝置為共振升壓振蕩采集器或采集電路。
[0008]進(jìn)一步改進(jìn)，所述的共振升壓振蕩采集器內(nèi)置有η通道金氧半場(chǎng)效晶體管MOSFET、外置升壓變壓器和電容器。
[0009]進(jìn)一步改進(jìn)，所述的采集電路以肖特基二極管分立元件為基礎(chǔ)。
[0010]進(jìn)一步改進(jìn)，所述的UHF調(diào)諧微帶天線為對(duì)稱弧瓣型調(diào)諧微帶天線，其增益為10dB，帶寬為840Mhz-960Mhz，基片材料選用陶瓷氧化鋁，介電常數(shù)為9?10。
[0011 ] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述的AC-DC充電電路為間歇式涓流充電電路。
[0012]進(jìn)一步改進(jìn)，所述的儲(chǔ)能器為超薄紙電池。[0013]進(jìn)一步改進(jìn)，所述的UHF標(biāo)簽芯片分為四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，分別為密碼區(qū)、EPC區(qū)、TID區(qū)和 USER 區(qū)，支持 10S18000-6C/6B 協(xié)議。
[0014]本發(fā)明還提供了一種基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽的工作方法，包括以下步驟:
O自然能量采集裝置通過(guò)天線收集自然能量并將其轉(zhuǎn)化有效電能，并通過(guò)內(nèi)置的共振升壓振蕩器將電能升壓，傳輸?shù)紸C-DC充電電路；
2)AC-DC充電電路進(jìn)行調(diào)壓和整流處理后，將電能傳輸?shù)酱渭?jí)電池；
3)當(dāng)UHF標(biāo)簽處于非收、發(fā)狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電池吸收部分電能儲(chǔ)存并將其余的電能傳輸?shù)絻?chǔ)能器，儲(chǔ)能器儲(chǔ)存部分電能，其余電能通過(guò)DC-DC調(diào)壓器調(diào)壓后激活UHF標(biāo)簽；
4)當(dāng)UHF標(biāo)簽處于信號(hào)收、發(fā)狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電池提高能量的輸出功率傳輸給儲(chǔ)能器儲(chǔ)存，儲(chǔ)能器儲(chǔ)存的電能通過(guò)DC-DC調(diào)壓器調(diào)壓后傳輸給UHF標(biāo)簽，UHF標(biāo)簽通過(guò)天線完成與閱讀器之間的信息交換工作。
[0015]本發(fā)明有益效果在于:
1、收集自然能量來(lái)激活UHF標(biāo)簽，替代了傳統(tǒng)電子標(biāo)簽在進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，需從閱讀器發(fā)射的無(wú)線電波中獲取能量來(lái)激活標(biāo)簽的方法，有效的提升了 UHF電子標(biāo)簽的靈敏度和有效作用(讀、寫(xiě))距離，并且有效地降低了外部環(huán)境(如金屬)對(duì)標(biāo)簽整體性能的影響。
[0016]2、儲(chǔ)能器采用超薄紙電池作為能量?jī)?chǔ)存，降低了電子標(biāo)簽最終的封裝厚度，具有較好的柔韌性，且對(duì)溫度的適應(yīng)能力相當(dāng)強(qiáng)，有利于多種場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)保證最后封裝的成品標(biāo)簽的適用性；同時(shí)，紙電池避免了傳統(tǒng)電池會(huì)產(chǎn)生的金屬、鋰、及堿性化合物泄漏問(wèn)題，避免對(duì)環(huán)境的污染，且避免了傳統(tǒng)方式的人為維護(hù)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明模塊示意圖；
圖2為本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明能量采集構(gòu)成電路。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]本發(fā)明結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括UHF調(diào)諧微帶天線、自然能量采集裝置、AC-DC充電電路、儲(chǔ)能器、次級(jí)電池、DC-DC調(diào)壓器和UHF標(biāo)簽芯片。
[0020]所述的天線如圖2所示，設(shè)計(jì)目標(biāo)為高增益、840_960Mhz全頻段工作，能夠適應(yīng)多頻帶或?qū)拵ьl率范圍，為自然能量采集裝置和RFID芯片共用。既可以做自然能量采集裝置的收集觸角，又作為UHF芯片工作時(shí)的信號(hào)反射鏈路。其結(jié)構(gòu)為基于矩形微帶貼片天線的基礎(chǔ)上，采用對(duì)稱弧瓣型圖形；基片材料選用尺寸為841mmX55 mmX0.6mm的陶瓷氧化鋁，介電常數(shù)為9?10。
[0021]自然能量采集器或肖特基二極管搭建的能量采集電路(如圖3所示)，均可以理解為一個(gè)微型的發(fā)電設(shè)備。本發(fā)明中的能量采集裝置均無(wú)需額外的耗能電路，即可實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，其中，能量采集器內(nèi)置由η通道MOSFET、外置升壓變壓器和電容器構(gòu)成共振升壓振蕩器。(如變壓比100:1的變壓器，則可將20mV的電力升壓至2.0V。)同時(shí)，其能夠適應(yīng)多頻帶或?qū)拵ьl率范圍(在分立元件構(gòu)成的能量采集電路中，如圖3所示，其由最左邊電阻完成匹配)，并且支持自動(dòng)頻率調(diào)諧的射頻能量采集電路，這樣可以進(jìn)一步提高輸出電能。通過(guò)能量采集器或肖特基二極管等分立元件構(gòu)成的能量采集電路，能將采集到的自然界能量(如無(wú)線電波能量)轉(zhuǎn)化有效電能，并作為電子標(biāo)簽進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí)需要的激活能量的能量源，且在使用壽命內(nèi)，可以無(wú)限的輸出能量，無(wú)需額外提供能量。
[0022]AC-DC/DC-DC為間歇式涓流充電電路和調(diào)壓器傳輸，負(fù)責(zé)調(diào)整采集器的原始輸出電量，并使經(jīng)過(guò)調(diào)整后的能量，通過(guò)儲(chǔ)能器作存儲(chǔ)或可以直接給UHF標(biāo)簽芯片提供需要的能量輸入。同時(shí)，其可以避免采集器和電池的輸出電壓、電流變化，對(duì)UHF標(biāo)簽芯片的影響或損壞。
[0023]儲(chǔ)能器，采用超薄紙電池作為能量?jī)?chǔ)存，其厚度僅0.3_，成分主要是纖維素，因此具有較好的柔韌性，且對(duì)溫度的適應(yīng)能力相當(dāng)強(qiáng)，其適用_70°C至150°C的溫度區(qū)間。同時(shí)，超薄紙電池避免了傳統(tǒng)電池會(huì)產(chǎn)生的金屬、鋰、及堿性化合物泄漏問(wèn)題，避免對(duì)環(huán)境的污染。
[0024]次級(jí)電池，其作用為功率源緩存，主要目的是提升采集器的輸出功率，同時(shí)，次級(jí)電池的相對(duì)輸出功率較高，能更有效保證能量的供給。次級(jí)電池只在UHF芯片需要能量時(shí)才輸出能量，其他時(shí)間則不斷從接無(wú)線射頻能量采集器接受能量。
[0025]UHF標(biāo)簽是一種轉(zhuǎn)發(fā)器，在接到RFID閱讀器發(fā)射的特定的無(wú)線信號(hào)后會(huì)立即應(yīng)答，即將存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息根據(jù)協(xié)議的要求選擇性的反饋給RFID閱讀器，完成與閱讀器之間的信息交換工作。本發(fā)明的UHF標(biāo)簽芯片共有4個(gè)存儲(chǔ)區(qū)分別為:密碼區(qū)、EPC區(qū)、TID區(qū)和USER區(qū)，支持10S18000-6C/6B協(xié)議，其處于正常工作狀態(tài)時(shí)的激活能量大約為2.0 V左右，電流0.1-0.9mA左右，由前文描述可確定，本發(fā)明中使用采集自然能量的方法能為其提供穩(wěn)定、可靠的能量。
[0026]本發(fā)明的工作方法包括以下步驟:
1)自然能量采集器或肖特基二極管等分立元件構(gòu)成的能量采集電路通過(guò)天線收集自然能量并將其轉(zhuǎn)化有效電能，并通過(guò)共振升壓振蕩器將電能升壓，傳輸?shù)紸C-DC充電電路；
2)AC-DC充電電路進(jìn)行調(diào)壓和整流處理后，將電能傳輸?shù)酱渭?jí)電池；
3)當(dāng)UHF標(biāo)簽處于非收、發(fā)狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電池吸收部分電能儲(chǔ)存并將其余的電能傳輸?shù)絻?chǔ)能器，儲(chǔ)能器儲(chǔ)存部分電能，其余電能通過(guò)DC-DC調(diào)壓器調(diào)壓后激活UHF標(biāo)簽；
4)當(dāng)UHF標(biāo)簽處于信號(hào)收、發(fā)狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電池提高能量的輸出功率傳輸給儲(chǔ)能器儲(chǔ)存，儲(chǔ)能器儲(chǔ)存的電能通過(guò)DC-DC調(diào)壓器調(diào)壓后傳輸給UHF標(biāo)簽，UHF標(biāo)簽通過(guò)天線完成與閱讀器之間的信息交換工作。
[0027]本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽，其特征在于:包括依次循環(huán)連接的UHF調(diào)諧微帶天線、自然能量采集裝置、AC-DC充電電路、儲(chǔ)能器、次級(jí)電池、DC-DC調(diào)壓器和UHF標(biāo)簽芯片，其中的自然能量采集裝置為共振升壓振蕩采集器或采集電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽，其特征在于:所述的共振升壓振蕩采集器內(nèi)置有η通道金氧半場(chǎng)效晶體管MOSFET、外置升壓變壓器和電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽，其特征在于:所述的采集電路以肖特基二極管分立元件為基礎(chǔ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽，其特征在于:所述的UHF調(diào)諧微帶天線為對(duì)稱弧瓣型調(diào)諧微帶天線，其增益為IOdB,帶寬為840Mhz-960Mhz，基片材料選用陶瓷氧化鋁，介電常數(shù)為9?10。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽，其特征在于:所述的AC-DC充電電路為間歇式涓流充電電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽，其特征在于:所述的儲(chǔ)能器為超薄紙電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽，其特征在于:所述的UHF標(biāo)簽芯片分為四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，分別為密碼區(qū)、EPC區(qū)、TID區(qū)和USER區(qū)，支持10S18000-6C/6B 協(xié)議。
8.一種基于自然能量的免激活UHF型電子標(biāo)簽的工作方法，其特征在于包括以下步驟: O自然能量采集裝置通過(guò)天線收集自然能量并將其轉(zhuǎn)化有效電能，并通過(guò)共振升壓振蕩器將電能升壓，傳輸?shù)紸C-DC充電電路； 2)AC-DC充電電路進(jìn)行調(diào)壓和整流處理后，將電能傳輸?shù)酱渭?jí)電池； 3)當(dāng)UHF標(biāo)簽處于非收、發(fā)狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電池吸收部分電能儲(chǔ)存并將其余的電能傳輸?shù)絻?chǔ)能器，儲(chǔ)能器儲(chǔ)存部分電能，其余電能通過(guò)DC-DC調(diào)壓器調(diào)壓后激活UHF標(biāo)簽； 4)當(dāng)UHF標(biāo)簽處于信號(hào)收、發(fā)狀態(tài)時(shí)，次級(jí)電池提高能量的輸出功率傳輸給儲(chǔ)能器儲(chǔ)存，儲(chǔ)能器儲(chǔ)存的電能通過(guò)DC-DC調(diào)壓器調(diào)壓后傳輸給UHF標(biāo)簽，UHF標(biāo)簽通過(guò)天線完成與閱讀器之間的信息交換工作。
【文檔編號(hào)】G06K19/077GK103617446SQ201310612976
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】夏中權(quán), 李一春, 吳濤, 王效東, 劉川, 王賢根, 高建坡, 齊登厚 申請(qǐng)人:江蘇瑞福智能科技有限公司