CN101086768A - 压电标签 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卡片状压电标签(10，300)，该标签(10，300)含有一个第一偶极子天线(20)，一个第一整流电路(30)，一个压电变压器(40)，一个第二整流电路(50)和一个转发器电路(60)。在运行中，天线(20)接收入射辐射并产生一个传播到第一电路(30)的相应信号S_a，该第一电路将信号S_a解调并滤波，产生信号S_b。将信号S_b施加到变压器(40)，对其进行激励。变压器(40)通过产生一个相对较高电压幅值的信号S_c增加信号S_b的电压幅值，信号S_c用于标签(10，300)中，产生为转发器(60)供电的信号S_d。变压器(40)增加电压幅值，产生适合于标签(10，300)中的有源电子电路运行的电势。该标签可以是员工佩带的，甚至适合于永久性地包含在生物系统中。

Description

压电标签

本申请是申请日为2000年7月31日、申请号为00813630.0并且发明名称为“压电标签”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及的是一种压电标签。

背景技术

标签是能够附于产品或员工佩带的便携设备。例如，可被用于远程识别产品或从那里接收信息。在很多应用中，标签必须是小型的，并能够在长时间不用后，例如标签与产品一起被储藏几年后，还能够起作用。

常规情况下，标签可以是修改和反射由查询源射来的查询辐射的无源设备。因为标签不提供功率增益，通常，它们与查询源之间的工作距离限于几米。

大家知道，有源标签包含一个诸如微型电池的电源。这种电源的使用寿命有限，尤其是当它们需要为其相关的标签连续提供电能时。此外，对某些应用而言，电源可能会使标签的体积大到令人难以接受，例如标签被做成薄膜条放入图书馆的图书中的情况。

尽管由入射到标签上的辐射为其供电是可行的，例如，使用装入标签中的太阳能电池或通过电感将能量从相关的询问源耦合到标签，但出于安全的原因，在有些情况下，由于工作距离受限，或者采用太阳能电池由于阴暗的原因，这样做是不切实际的。

在本领域中，使用所接收的无线电辐射给电子标签供电是众所周知的，例如在已出版的专利申请GB 2 306 081A中所公开的内容。在该专利申请中，描述了一种为电子标签提供电能的无源电源，该电源包括一个用于将所接收的无线电频率辐射转换为最初的电信号的天线，和一台变压器，该变压器包含绕组，将最初的电信号转变成能够改变场效应晶体管(FET)阻抗的第二信号。在运行中，FET在其漏极处提供第二信号的准半波整流形式，通过漏极连接的电容器将其转换为单极信号，该单极信号为标签运行提供一个电源电势。可以操作电源将所接收的辐射转换为单极信号，使得变压器运行于在天线处所接收的辐射的频率。变压器可任选为包括单个绕组的自耦变压器。

在已出版的专利申请GB 2 303 767 A中，还公开了一个用于脉冲转发器的电源。所述的电源为转发器的响应电路供电，该电源由所接收的电磁能产生直流电流(d.c.)。该电源包括一个由整流二极管充电的电容器，该二极管具有一个特征，使得对应于从其n区流向p区的反向电流的反向电阻要低于对应于从其p区流向其n区的反向电流的正向电阻。这样，与常规二极管相比，该二极管是反向连接的，其阳极与电容器的正极板连接。这种配置使得即使所接收的电磁能比较弱时，转发器仍能够保持其功能。可通过雪崩效应或隧道效应实现所需的二极管特性。而且，通过使用多个具有相关电容器的二极管提供一个电压倍增器，以产生较高的电源电势。该电源不使用任何形式的变压器来增加接收电磁能而产生的信号的电势。

例如在编号为US 5 828 160和US 5 389 852的美国专利中所描述的，在本领域中，能够升高电势的压电变压器也是众所周知的。当升高电势时，通常可以操作这些变压器，在几十kHz-300kHz范围内的频率时产生谐振。该频率范围明显小于通常查询电子标签的电磁辐射所用的频率，如10MHz-30GHz。尽管可以制造在300kHz以上的频率，例如600kHz的频率下运行压电变压器，但成本和制造难度使其对于诸如电子标签的产品而言，是不具吸引力的。

例如涉及医疗植入装置的编号为5 749 909的美国专利中所公开的，采用压电设备的非接触能量耦合方案在其它技术领域中是已知的。在该专利中，描述了一种能量传输系统，用于非侵入性地将能量从外部单元传输至植入的医疗装置，以给医疗装置中的电池再充电。由外部单元产生交变磁场同时植入的医疗装置中的压电装置响应磁通量振动产生电压。电压被整流并调节以向医疗装置中的可再充电电池提供充电电流。在这种配置中，通过该装置的谐振频率，即约几十kHz的频率下的磁通来激励压电设备。

本发明人已认识到，与由入射到其上的辐射来运行的标签的一个主要问题在于，难于在标签上产生具有足够幅值的电势，来操作装入其中的半导体集成电路。这样的电路经常需要几伏的电源电势才能运行。

发明内容

本发明人已设计出一种标签，该标签解决了这一主要问题，例如可以利用入射其上的约为10μW的中级辐射来运行。这种中级辐射几乎不存在任何健康和安全风险。

按照本发明的第一方面，提供有一种压电标签，该标签包括用于接收输入辐射并产生一相应的接收信号的接收装置，用于增加接收信号的电压幅值以产生电源电势的压电振动装置，和可由电源电势供电的电子电路装置。

本发明提供优点是，振动装置能够提供电压放大，由此使标签能够由入射其上的辐射供电。

为说明本发明，微波频率实际上是指1GHz-30GHz范围内的频率。

有利的是，振动装置包括一个一次侧和二次侧相互振动耦合的压电变压器，该变压器可以通过一次侧接收的信号的激励进入振动状态，并在二次侧产生一个相应的输出信号，来产生电源电势。

压电变压器提供的优点在于，它能够是紧凑的、廉价的，并将信号电压幅度从一次侧到二次侧提供一个显著增量，该增量接近100倍或更高。

或者，振动装置包括一压电的双压电晶体，该双压电晶体可操作可以由接收信号的激励使其振动，并产生一个相应的输出信号，来产生电源电势。

再或者，通常振动装置包括硅微型加工的装置，该装置包括一个具有一个或多个谐振元件的阵列，每个元件含有一个能够根据其相关元件的振动产生一个元件信号的相关压电转换器，这些转换器串联连接，将其元件信号累加起来，提供一个总的输出，由此产生电源电势，可以通过接收的信号驱动驱动装置，将一个或多个元件激励到振动状态，并由此产生电源电势。

硅装置提供的优点在于，它能够大批量生产并且是高度紧凑的，如2mm宽乘2mm长乘0.6mm厚。

有利的是，硅装置中的谐振元件可以通过谐振产生电源电势。谐振操作提供的益处在于装置中的电压放大率大于非谐振时的值。

此外，为获得更大的电压放大率，谐振元件安装在真空环境中。在真空环境中运行增加谐振元件的品质因数，由此增加由硅装置提供的电压放大率。

常规情况下，标签中的接收装置含有解调装置，用于解调所接收的辐射中的调制分量，以产生接收信号。包括解调装置提供了信号频率变换的益处，由此使标签能够在一个与激励振动装置所需的频率不同的载波频率下，接收提供功率的辐射。

有利的是，解调装置含有用于解调所接收的辐射以产生接收信号的零偏置肖特基二极管。零偏置肖特基二极管提供的优势在于，它与p-n硅结型二极管相比具有较小的正向导通压降，由此使标签能够用较低等级的接收辐射功率，例如10μW来工作。

常规情况下，接收装置含有一个或多个导电金属薄膜偶极子天线，用于接收或/和发射辐射。这种偶极子天线为批量生产提供了潜在的紧凑和廉价优势。

有利的是，标签含有两个天线，一个天线用于产生接收信号，而装入响应装置中的另一天线，至少用于发射和接收辐射中的一种。含有两个天线的优点在于，在其相应的辐射频率下，可以优化每个天线的功能。通常为了提高紧凑度和降低生产成本，天线为导电金属薄膜偶极子天线。或者，天线也可以是插接天线或环形天线。

在标签的一些实际应用中，标签以块状例如立方块的形状实现是有利的。该形状为标签提供增强的机械强度，并由此增加其可靠性。

当标签为可员工佩带的或可附于商品上时，标签为平面型卡片的形状是方便的。该形状提供的优点在于，标签可具有与现有的平面型卡片例如借贷卡相似的尺寸，由此在一定程度上，提供了与现有的卡片阅读设备之间的潜在相容性。

当标签以平面型卡形状实现时，它通常含有用于容纳接收装置、振动装置和响应装置的凹槽。这些凹槽为接收装置和响应装置提供了保护，由此使标签更坚固。

在标签中，电路装置可包括用于从标签发射输出辐射的响应装置，响应装置可由电源电势供电。包含响应装置使得在查询可远程识别标签。

通常，响应装置是一种用来接收输入到标签的辐射并在响应中从标签发射输出辐射的转发器。加入转发器使标签能够在为激励振动装置而用泛光照射的情况下，有选择性地响应询问辐射。

有利的是，转发器可以用一个可用来单独识别标签的特征码来调制输出的辐射。该码可使标签被单独识别，对于标签为员工佩带并用于识别其佩带者的情况，这是非常有利的，例如商业组织中雇员佩带的员工身份识别签。

当利用高频辐射工作时，例如在300MHz-1GHz的UHF频率和1GHz-30GHz的微波频率下工作时，标签具有转发器，包含用于放大输入辐射以产生输出辐射的反射放大器。反射放大器提供的优点在于它能够以相对低的电流消耗，例如约几个微安，提供一个高增益，例如+10dB至+30dB。

有利地，尤其当转发器提供显著的增益时，转发器可以工作在伪连续的模式，并含有一个延迟线路，用于相对于输入辐射的输出辐射的延迟，由此抵消因反馈在转发器内引起的上升导致的自发振荡。

标签这样配置，便于使接收装置含有第一和第二天线，用于产生接收信号来激励振动装置，第一天线适于响应微波辐射而第二天线适于响应具有对应于振动装置的谐振频率的载波频率的辐射。含有两个天线来产生接收信号所提供的优点在于，可由具有多个可能的载波频率的辐射为标签供电。

本发明的第二方面是，提供一种引导车辆沿着一个路径达到目的地的方法，该方法包括的步骤有：

(a)沿路分布多个依照第一方面的标签，并为车辆装备适于用标签转发的对方向敏感的查询源；

(b)通过向标签发射辐射并从标签接收辐射，由该查询源查询标签，由此确定标签相对于查询源的方向并由此确定路径；

(c)沿该路径移动车辆；以及

(d)重复步骤(b)和(c)直到车辆到达目的地。

附图说明

现在将参照下列附图，仅借于例子，来描述本发明的实施方案，附图中：

图1为本发明第一实施方案的概要；

图2为图1所示第一实施方案的外观图；

图3为本发明第二实施方案的说明；

图4为含有一个采用环形天线的简化电路的本发明第三实施方案的说明；

图5为适于用曼彻斯特编码信号操作的本发明第四实施方案的说明；以及

图6为含有用于发射和接收辐射的单个天线的本发明第五实施方案的图解说明。

具体实施方式

参看图1，其中显示了一种按照本发明第一实施方案的压电标签用10表示。标签10含有多个部分，即一个第一偶极子天线，用20表示，并包括在虚线22内，一个第一整流电路，用30表示，并包括在虚线32内，一个压电变压器，用40表示，含有一次侧42和二次侧44，一个第二整流电路，用50表示，并包括在虚线52内，一个转发器电路，用60表示，并包括在虚线62内。这些部分被合并到一个外部尺寸为55mm宽，85mm长和1mm厚的塑料卡片中；后面将参考图2对其做进一步的描述。

转发器60含有一个偶极子天线，用64表示，并包括在虚线66内，一个双向表面声波(SAW)延迟线路68和一个反射放大器70。

第一偶极子天线20与第一整流电路30的输入相连接。电路30包括一个输出，连接到变压器40的一次侧42。其二次侧44连接到第二整流电路50的一个输入。第二电路50含有输出，连接到转发器60的电源输入。

现在将概括地说明标签10的运行，而后将更为详细地说明其组成部分。

天线20从一个查询源(未示出)接收入射辐射100。辐射100具有一个1GHz的载波频率，通过一个频率为300kHz的调制信号，将其幅度调制到50％-100％的调制深度。此外，辐射100在天线20处具有5mW/m²的功率密度。辐射100耦合到天线20，并在天线20的输出端T₁，T₂间产生相应的信号S_a；信号S_a具有一个1GHz频率和约为80mV的幅度。信号S_a传播至第一电路30，该电路将其解调并随后将其滤波以充分除去1MHz以上的信号分量，产生一个具有300kHz信号分量的单极性调制信号S_b。变压器40接收其一次侧端子P₁，P₂间的信号S_b。信号S_b激励一次侧和二次侧42，44，产生纵向振动模式的300kHz谐振。谐振时，变压器40放大在其一次侧42接收的信号S_b，在二次侧端子S₁产生一个双极性交流信号S_c，信号S_c具有约3伏的幅值。第二电路50接收信号S_c并将其解调和滤波，以在电路50的一个输出端产生一个充分平滑的单极性信号S_d。转发器60接收信号S_d并将其用作一个电源电势，为所包含有源电路供电。

变压器40提供这样的优点，在谐振时实现了从一次侧42至二次侧44的电压升高变换的功能，由此提供幅值为几伏的信号S_d，足以为转发器60中的有源电子装置，即反射放大器70供电。尽管变压器40不能提供功率增益，但它提供了一个有效的阻抗转换，使第二电路50体现的输入阻抗与第一电路30体现的输出阻抗相匹配；由此，从天线20得到的电压幅值相对较低而不适于给电路供电的信号S_a被转换为适于给电路供电的，具有较高电压，即几伏的信号S_d。

转发器60从查询源接收入射连续波辐射102。辐射102具有1.5GHz的载波频率。为响应接收辐射102，天线64在其端子处产生相应的信号S_e，该信号传到延迟线路68，在其中传播时得到延迟，在反射放大器70的一个输入端提供一个信号S_f。放大器70在其输入/输出端体现一个调制的负电阻，并由此反射地放大信号S_f，以产生相应的调制放大信号S_g。信号S_g经延迟线路68延迟，回传到天线64，在此被当作返回辐射发射出去。查询源接收该返回辐射并确认它是被调制的，由此检测到标签10的存在。

标签10提供的好处在于，而不需要标签10含有寿命有限的电源例如为其有源电路供电的电池情况下，标签能提供调制的返回辐射。避免了电池要为标签10提供几十年或更长的潜在可用寿命的要求。于是，标签10适合附着于将被长期储存，例如存储几年的产品上。

现在将更为详细地说明标签10的各组成部分。

天线20是由卡片的一个主表面上的导电轨迹形成的薄膜偶极子。它被设计为在1GHz的辐射频率下运行。天线20的端子T₂与卡片上的信号地线连接，而端子T₁与第一电路30连接。

电路30含有两个零偏置肖特基二极管D₁、D₂和一个滤波电容器C₁。二极管D₂通过其阳极与二极管D₁在其阴极连接，以形成输入端；该输入端与天线20的端T₁连接。二极管D₂在其阴极与电容器C₁的第一端子连接。电容器C₁具有与信号地线连接的第二端。二极管D₁也具有一个与信号地线连接的阳极。

二极管D₁，D₂可以在例如1GHz的微波频率下提供信号整流，并且对幅度约为mV的信号做出响应。它们具有进行整流的金属半导体结。使用普通的p-n硅结型二极管替代二极管D₁，D₂是不合乎要求的，因为在正向偏置下运行时其压降相对较大。电容器C₁可将微波频率的信号分量旁路到信号地线。从电容器C₁上，即从电容器C₁的第一端子和信号地线间，取得电路30的输出。

变压器40由其介质损耗系数小于0.02的硬制压电锆钛酸铅(PZT)材料制成，介质损耗系数定义为每周期耗散功率与每周期存储功率之比。其外部尺寸为3mm宽，6mm长和1mm厚，并因此为具有长轴的细长形。在运行中，它被设计为在约300kHz的谐振频率下沿长轴进行纵向模式的周期振动。一次侧42包括一个具有压电元件的多层堆叠，每个元件的外部尺寸为3mm长，3mm宽和0.1mm厚，并沿其厚度方向极化。二次侧44包括一个外部尺寸为3mm宽，3mm长和1mm厚的单一元件；当组装在变压器40中时，二次侧44沿平行于长轴的方向极化。通过烧结或使用硬度可与PZT材料相比的环氧树脂，使一次侧42和二次侧44的元件相互连接。

在运行中，变压器40表现出品质因数约为100的300kHz纵向谐振模式。在谐振时，通过在其二次侧44产生具有相对较高电压幅值，来放大施加到其一次侧42的信号的电压幅值。与一次侧相比较，这种放大是以减小二次侧的电流44为代价的；换句话说，变压器40提供阻抗匹配但不产生功率增益。

电路50采用与电路30相同的配置。电路30中的电容器C₁和二极管D₁，D₂分别对应于电路50中的电容器C₂和二极管D₃，D₄。

转发器60的反射放大器70在其电源接线处与信号地线连接和电容器C₁相连，而电容器C₁并不与信号地线连接。由此在运行时为放大器70提供电能。

反射放大器70含有一个开关振荡器，该振荡器在高增益状态和低增益状态间周期性转换由放大器70提供的反射增益。该振荡器可以以循环方式在以2τ为周期的高增益状态和以2τ为周期的低增益状态之间转换放大器70。在低增益状态，放大器70不能支持转发器60中的自发振荡。周期2τ对应于两倍的信号沿经延迟线路68的方向传播时间。因为当它被转换至其低增益状态时，由放大器70放大的信号从天线64反射并返回至放大器70，由放大器70提供的开关增益抵消了在转发器60中形成的自发振荡。在高增益状态，如果放大器70没有按如上所述被有增益地转换至较低的增益状态，放大器70提供可导致自发振荡的+23dB增益。

现在参看图2，其中提供标签10的外观说明。标签10含有具有第一和第二主表面的非导电塑料衬底层200。第一主表面上粘合一个30μm-100μm厚的铝材料导电接地平面层210。层200，210在x方向的长度为85mm，用箭头212表示，y方向的宽度为55mm，用箭头214表示。层200，210在z方向上的组合厚度为1mm，用箭头216表示。

衬底层200含有模压其上的凹槽230，240，250，260，分别容纳电路30，50，变压器40，放大器70和延迟线路68。因为是长形的，标签10有一个x方向的长轴。在标签10的第一和第二延长端，分别形成天线20，64。天线20，64都是蝴蝶结偶极子天线，含有在层200的第二主表面上形成的沉积的金属区。在第二主表面上也形成导电轨迹的连接，以将天线20，64分别与电路30，50和延迟线路68相连。进一步包括将电路30，50与变压器40相连，和将延迟线路68与放大器70相连的轨迹。利用导线联结技术将轨迹与凹槽230，240，250，260连接起来。

在制造时，100μm厚的的保护塑料层(未示出)被添加在第二主表面上以保护天线20和64、轨迹、电路30和50、变压器40，放大器70和延迟线路68。例如可将光可读条形码或摄影图像印制在保护层上。当标签10是可由员工佩带的并可用作可远程查询的身份标签时，摄影图像是特别合适的。

现在参看图3，其中显示了一种由附图标记300表示的按照本发明第二实施方案的压电标签。标签300除了另外包括与电容器C₁并联连接的平面线圈310外，与标签10相同。

在线圈310附近，可以可选择性地不要接地平面层210，以便不会过多地屏蔽线圈310。在图2中示出的层200的第二主表面上形成与电路30，50和变压器40相邻的线圈310。电容器C₁与由变压器40体现的端P₁，P2间的电容以及线圈310并联，可以在变压器40的谐振频率，即300kHz频率下产生并联谐振。包括线圈310可使标签300不仅由在天线20处接收的1GHz辐射供电，还可由与线圈310耦合的300kHz电感耦合磁场供电。由此标签300可以两种不同的方式供电，以便它可用于存在一种或者两种频率，即300kHz和1GHz的辐射的环境中；例如在因安全原因不允许微波辐射的环境中。

另一种选择是，在标签10，300中使用二极管D1-D4，可采用FET作为异步检测器的。以这种模式运行的FET具有微伏级的电压降落。

此外，天线20，64可由单个插接天线或单个环形天线替代，它们可以接收和发射辐射并将信号传输至电路30，以及从延迟线路68接收或向其传输信号。虽然标签10，300被描述为可以在1GHz和1.5GHz的辐射频率下接收和发射，可通过修改天线20，64和延迟线路68的特征尺寸，使其运行在其它微波频率下。在超过10GHz的微波频率时，可用静磁波延迟线路(MWDL)替代延迟线路68，例如由一个在延迟线路中提供信号传播路径的含有钇铁石榴石(YIG)薄膜的延迟线路替代。

此外，可通过替换转发器60来修改标签10，300，例如，用一个简单的振荡器来替代，振荡器经其天线发射对于振荡器来讲是唯一的编码辐射，由此在标签10，300被修改时，使其能够通过发射的辐射被唯一识别。另外，转发器60可以在第一个周期中发射辐射，并在第二周期中不动作，转发器被设置在第一和第二周期间进行开关转换；这样做的优点是，转发器60可在第一周期中通过发射具有相对较高能量辐射的脉冲串做出响应，并在第二周期中保存能量。

现在参看图4，图4为由附图标记400表示的压电标签的说明，该标签包含一个简化的电路，该电路采用了用于接收辐射的第一环形天线410、一个发射器机模块(TX)420和用于发射辐射的第二环形天线430。标签400进一步包括变压器40和第二整流电路50。按照与标签10，300相似的方式，标签400由入射其上的辐射供电。

天线410包括第一和第二接线，第一接线与标签400的信号接地平面连接，而第二接线与变压器40的端子P₁连接。变压器40的端子P₂与信号接地平面连接。变压器40的端S₁与电路50连接，并且电路50的输出与脉冲的发射器420的V_s功率输入连接。发射器420还与信号接地平面相连接。此外，发射器420包括与天线430的第一接线连接的输出Q。天线430的第二接线与信号接地平面连接。

天线410在其接线处提供一个电感，该电感被设置为与变压器40的端子P₁，P₂间体现的电容在一个频率下产生电谐振，该频率对应于标签400的输入辐射，还对应于当变压器40从一次侧到二次侧升高信号电压时变压器的振动模式。发射器420含有一个偏置到C级运行操作模式的晶体管，使其仅当电路50到发射器420的输出超过一个阈值时才起作用，在一个周期的部分时间内导通。当电路50的输出小于该阈值时，晶体管不导通，由此保存能量并使电路50尽最大可能地产生一个电势。

现在参照图4说明标签400的运行。天线410接收以300kHz频率入射到标签400上的辐射，并在端子P₁，P₂间提供300kHz的信号，激励变压器40产生谐振。变压器40在其二次端子S₁处提供频率为300kHz的升高的电压信号。该信号传送到电路50，电路50将其整流，在电容器C₂间提供一直流电势。该电势在发射器420的V_S功率输入端为其供电。当相对于信号地线的电势超过2伏特的数值时，发射器420动作并在其输出Q产生一个信号脉冲串形式的输出信号，每个脉冲串包括一个500kHz脉冲序列，每个脉冲串具有50μsec的持续时间，并且这些脉冲串的重复速率为2Hz。输出信号从发射器420耦合到天线430，由此将其作为辐射发送出去。

标签400提供的优势是，它比标签10，300简单并且潜在的造价低廉。当批量制造标签400时，可以定做每个标签的发射器，以产生标签420特有重复率的500kHz的辐射脉冲串，由此将其与具有相同设计的其它标签相区分。C级运行提供的优点在于，直到在标签400处接收到高于阈值幅度的辐射，导致晶体管被驱动进入其特性的活动区域时，晶体管才消耗功率。

在不偏离本发明范围的情况下，可对标签400进行修改。例如变压器40可用压电振动的双压电晶体或能够在其二次侧提供高于一次侧的信号电压的硅微型加工振动结构替代。

现在参看图5，其中显示了一个通过曼彻斯特二相编码信号运行的标签，用500表示。标签500包括天线20，电路30，50和变压器40。它进一步包括逻辑单元510和与环形天线530连接的发射器520。天线20与电路30连接，电路30又与变压器40连接，接着按照与标签10相同的方式与电路50连接。产生在电容器C₂间的电路50的输出与逻辑单元510和发射器520连接。单元510的输入Clk和“数据输入”分别与变压器40的端子S₁和P₁连接。

单元510含有一个与发射器520的输入D_i连接的输出D₀。发射器520包括一个与天线530的一个接线连接的输出U；天线530的另一接线与标签500的信号地线连接。

现在说明曼彻斯特二相编码信号M。数字数据信号D具有对应于逻辑0和逻辑1的两种状态。信号D在这两种状态间切换，来传输包括0和1的数据流。信号D在不小于2τ的时间中处于两种状态中的一种中，其中τ为一时间常数。随后用频率为1/2τ的时钟信号K对信号D进行“异或”运算，产生信号M。曼彻斯特二相信号的优点在于即使信号D处于恒定的0或1状态时，它也持续地变化。

现在将说明标签500解码信号M的运行。在天线20处接收具有1GHz载波频率并由信号M调制的辐射，该天线产生相应的1 GHz的调制信号。电路30解调该1GHz信号，在变压器40的端子P₁产生信号M。时钟信号K被设置为具有对应于变压器40的谐振模式的基本频率分量，在该模式下，将电压从一次侧42升高到二次侧44。由于变压器40体现出相对窄的谐振峰值，在从信号M除去信号D以在端在S₁处重点输出信号K时是有效的。随后，端子S₁处的信号传给电路50，将其整流，在电容器C₂间产生直流电势。该电势传给单元510和发射器520的电源输入V_s，向其施加功率。端子_P1的信号M和端子S₁的信号K也被分别传输给单元510的输入Clk和“数据输入”，单元510执行“异或”运算，以恢复随后在输出D₀输出的信号D。信号D从单元510传播到由在信号D中传输的数据来控制的发射器520。该发射器520通过从天线530发射1MHz的调制辐射对数据作出响应。

标签500提供了变压器40执行双重功能的优点，即产生电源电势为标签500供电，并提供信号滤波。

为降低制造成本并提高紧凑度，本发明人认识到理想情况是，一个标签应仅含有单独一个既用于接收又用于发射辐射的天线。在图6中，显示一个标签，用600表示，含有一个既能从标签接收辐射又能向标签发射辐射的单一天线20。标签600进一步包括电路30，50，变压器40和发射器(TX)610。天线20的端子T₁，T₂分别与电路30的一个输入和一信号地线连接。电路30的输出与变压器40的端P₁连接。变压器40的端P₂与信号地线连接。发射器610的输出B经电阻器R₁连接至变压器40的端子P₁。变压器40的二次端S₁按照与标签10相似的方式与电路50连接。此外，发射器610进一步包括经电容器C₃与天线20的端子T₁耦合的输出V。

现在参照图6说明标签600的运行。最初，发射器610没有通电，这样其输出B处于信号地线的电势。在天线20处接收具有1GHz载波频率并用300kHz的信号调制的辐射，天线20在其端子T₁，T₂间产生相应的信号。该信号被整流，在电容器C₁间产生300kHz的信号，该信号随后传给变压器40的一次侧42，将其激励进入谐振状态。变压器40在其端子S₁产生频率为300kHz的电压增强的输出信号，该信号随后由电路50解调，提供一个发射器610的工作电势。

发射器610用于在其输出V产生重复率为2Hz，持续时间为100μsec的1GHz信号脉冲串。当发射器610将从天线20发射1GHz的辐射脉冲串时，它首先将其输出B切换到一个接近由电路50提供的电势，该电势将二极管D₁，D₂反向偏置，由此使电路30失效。发射器随后经电容器C₃输出一个彩色同步信号到天线20，由此将其作为辐射发送出去。在彩色同步信号的末端，发射器将其输出B切换回信号地线的电势，使电路30可继续工作，在要发射下一个辐射脉冲串之前，持续对电容器C₂充电。

标签600提供的另一优点在于，因为只需要一个天线20，如果需要，天线20可被扩大，占据标签600的大部分主表面区域。当一个标签中含有两个或更多天线时，每个天线均需要大于标签600主表面面积的50％，这种扩大是不可能实现的。

本领域的技术人员应该认识到，在不偏离本发明范围的情况下可对标签10，300，400，500，600进行修改。

例如，标签10，300，400，500，600可被定型为塑料块体而不是制成如图2所示的卡片状的形状。与卡片相比，块体是一种更坚固的形状，由此使块状标签10，300，400，500，600能够应用于恶劣的环境中，例如在充满烟雾的燃烧建筑物中指引路径。块体与卡片的区别在于块体的长度，宽度与厚度尺寸的比例小于1∶3。块体形状还包括立方形，棱锥形和接近球形或球形。

另一种情况中，在标签10，300，400，500，600中使用二极管D1-D4，可用FET作为异步检测器。这种方式中运行的FET呈现出微秒级的电压降落，它小于与二极管相关的正向偏置电压降。

标签10，300，400，500，600可用作员工佩带的身份标签。它们可被附于产品上，并与相关的查询源结合使用，提供一种商品防盗系统。

标签10，300，400，500，600可以按照与“电眼”反射器相似的方式用于在公路上规划车道；可用许多个标签10，300，400，500，600所谓可查询标志，来规划线路。这种用途具有潜在的价值，例如，为生产和储存地点周围的自动导向无人驾驶车辆确定路线。被导向的车辆可装备对标签10，300，400，500，600所发射的辐射方向敏感的查询源，由此确定标签10，300，400，500，600相对于车辆的方向。可为每个标签10，300，400，500，600提供唯一的特征码，由此使车辆根据特征码确定其沿路的位置。在与分布标签相比当安装导向线会导致较高的安装成本的情况下，这种车辆导向的方法比有线导向的车辆系统更有利。

在标签10，300，400，500，600中，可用另外的可增加电压的压电装置替代变压器40。另外的压电装置的一个实例是一种一端支撑而其另一端自由振动形式的加长形陶瓷双压电晶体；这种双压电晶体可以有比变压器40更高的品质因数，由此提供增强的电压升高。可选择的压电装置的另一实例是微型加工的硅装置，包括具有一个或多个悬挂的硅悬臂的阵列，每个悬臂含有一个沉积膜压电转换器，可根据悬臂的振动产生一个信号。转换器串联连接，累加它们的信号电压，提供电路50的总输出。还含有一个可由来自电路30的驱动信号驱动的激励换能器，用于机械地激励一个或多个悬臂使其振动，最好是达到悬臂的共振。当在小型真空箱中运行时，硅悬臂能够显示接近几百万的高谐振品质因数，与驱动信号相比，在总输出中显著提高了信号电压幅值。硅微型加工为一种众所周知的批量生产工艺并涉及使用批量光刻、沉积和刻蚀技术的硅材料机械结构的制造。

可以修改标签10，300，400，500，600，以包括其它类型的电子电路，例如存储器电路和环境传感器，例如辐射和化学传感器。这些电子电路使标签能够用作员工可佩带的和在工作环境中，例如在处理有害化学药品的化学实验室中，监测员工安全的小型个人数据记录器。

标签10，300，400，500，600可进一步小型化，并适于包括在生物系统中，例如用作远程控制的胰岛素分配器，用作心脏激发起博器或用作人工视网膜。使用由所接收的调制辐射供电的压电变压器避免了对标签中电池的需要，并由此使标签能够永久性地植入生物系统中而无需定期取出。

Claims (21)

1.一种无线通信设备，包括：

配置成接收电磁辐射并产生对应输入信号的天线装置；

可用于提高所述输入信号的电压幅度以产生电源电势的压电装置；以及

包括转发器的电子电路，所述转发器可由所述电源电势供电以产生输出信号并通过所述天线装置发送该输出信号。

2.如权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述转发器包括振荡器，该振荡器配置成产生并发送标识所述无线通信设备的编码辐射形式的输出信号，其中所述编码辐射是所述振荡器独有的。

3.如权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述转发器包括配置成与所述天线装置通信的脉冲发射器，所述脉冲发射器可用于产生作为所述天线装置的辐射发出的信号突发形式的输出信号。

4.如权利要求3所述的无线通信设备，其中，所述信号突发按所述无线通信设备独有的速率重复。

5.如权利要求1所述的无线通信设备，将中，所述转发器包括晶体管，该晶体管配置成当所述电源电势超过一个阈值时仅在信号周期的一部分内传导电信号。

6.如权利要求1所述的无线通信设备，包括硅微型加工的装置，该装置配置成接收所述输入信号以及产生所述电源电势，该装置包括一个具有一个或多个谐振元件的阵列，每个元件含有一个能够根据其相关元件的振动产生一个元件信号的相关压电转换器，这些转换器串联连接，以将其元件信号累加起来而提供一个输出信号，以及一个驱动装置，该驱动装置可由所述输入信号驱动，用以将一个或多个元件激励到振动，从而产生电源电势。

7.如权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述天线装置包括耦合到所述压电装置的环路天线，所述环路天线具有一个电感，该电感与所述压电装置表现出来的电容相结合在对应于该压电装置的振荡模式的输入辐射频率上电谐振。

8.如权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述天线装置包括一个单独的天线，所述无线通信设备还包括耦合到所述天线并可用于产生所述输入信号的整流器电路，所述转发器具有一个发射器，该发射器具有耦合到所述整流器电路的输出的第一发射器输出和耦合到所述天线的第二发射器输出，其中，在所述输出信号的发射期间，所述发射器配置成通过所述第一发射器输出提供信号以对所述整流器电路进行反向偏置，以及通过所述第二发射器输出将所述输出信号提供给所述天线。

9.如权利要求8所述的无线通信设备，其中，所述无线通信设备具有主表面，而所述天线的大小定为占据该无线通信设备的所述主表面的大部分。

10.如权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述压电装置包括一端得到支撑而另一端自由振动的加长构件形式的陶瓷双压电晶体。

11.如权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述天线装置包括可用于对所述接收的电磁辐射进行解调的解调器，所述解调提供使所述无线通信设备能够在与激励所述压电装置所需振荡频率不同的频率上接收输入信号的信号频率转换。

12.如权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述压电装置包括一个具有一个或多个悬挂的硅悬臂的阵列，每个悬臂含有一个沉积膜压电转换器，其可根据所述悬臂的振动产生一个信号，其中，所述转换器串联连接，以累加它们的信号电压来提供所述电源电势。

13.如权利要求12所述的无线通信设备，还包括激励转换器，该激励转换器可由所述天线装置接收的电磁辐射导出的驱动信号驱动，以便以机械方式将所述一个或多个悬臂激励到振动。

14.如权利要求13所述的无线通信设备，其中，所述振动在所述一个或多个悬臂的一个谐振频率上进行。

15.一种含有如权利要求1-14中任一项所述无线通信设备的商品防窃装置。

16.一种含有如权利要求1-14中任一项所述无线通信设备的个人可佩带标识装置。

17.一种含有如权利要求1-14中任一项所述无线通信设备的个人可佩带标识装置，其中，所述无线通信设备还包括传感器和与该传感器耦合、用以记录该传感器感测到的数据的存储器。

18.如权利要求17所述的个人可佩带标识装置，其中，所述传感器包括环境传感器，并且数据记录器可用于监视佩带所述数据记录器的人的环境的安全。

19.一种无线通信系统，包括如权利要求1-14中任一项所述的无线通信设备和配置成发射由所述无线通信设备的所述天线装置接收的电磁辐射并接收由所述无线通信设备的所述天线装置发射的输出信号的查询器。

20.一种无线通信方法，包括：

产生电磁辐射形式的查询信号；

将所述查询信号发送给如权利要求1-14中任一项所述的无线通信设备；

接收由所述无线通信设备发射的输出信号；以及

处理所述接收到的输出信号。

21.一种用于接收输入信号并由此产生相应的电压幅度升高的输出信号的硅微型加工装置，该装置包括一个具有一个或多个谐振元件的阵列，每个元件含有一个能够根据其相关元件的振动产生一个元件信号的相关压电转转换器，这些转换器串联连接，以将其元件信号累加起来而提供一个输出信号，以及一个驱动装置，该驱动装置可由所述输入信号驱动，用以将一个或多个元件激励到振动，从而产生输出信号。

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