CN101833686B - 一种半有源标签 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线射频识别领域，涉及一种半有源标签，包括两个天线、电池、整流模块、数字处理模块、低噪声放大器、功率放大器、模拟部分、电容等；第一天线接收的阅读器发出的射频信号，一方面作为整流模块的输入，一方面连接到低噪声放大器的输入端；数字处理模块的电源端与接地端之间并联有电容；电池的输出正极，接在低噪声放大器和功率放大器的的电源端，整流模块的输出正极，接在模拟部分的电源端；模拟部分，用于对接收到的射频信号进行解调解码及返回的数据的编码与调制。本发明的标签能在有源与无源状态下自动转换并能远距离、长寿命工作。

Description

一种半有源标签

技术领域

本发明属于无线射频识别领域，涉及一种可以在有源与无源两种状态下工作的半有源RFID标签。

背景技术

射频识别技术(Radio Frequency Identification，简称RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别标签并且能够进行双向的数据传输。与传统的自动识别技术不同，射频识别技术可以进行远距离，非视距的识别，并且识别过程无需人工操作，过程快捷方便。一般而言，射频识别技术识别距离可达到几十米以上，可以识别高速运动中的物体，并且可以同时识别多个标签。同时，与传统的条形码相比，RFID标签具有防水防磁，耐高温，寿命长，识别距离大，数据容量大，读写方便等优点。因此，它被广泛的认为是传统条形码的替代品。

一个完整的RFID系统一般来说由两部分组成，即阅读器(Reader)和电子标签(Tag)。RFID系统的工作原理是阅读器发射特定频率的无线电波能量给标签，标签接收到射频信号后，经过一系列的数据处理与命令执行过程，将自身内部的数据发射回阅读器，然后阅读器便依照一定的次序接收并解读数据，完成对标签的识别。

RFID标签按供电方式可以分为有源、无源、半有源等三类：

1.有源标签：内部装有电池，一般具有较远的阅读距离，其阅读距离最远甚至几十米甚至上百米，不足之处是带有电池而且电池的寿命有限，其成本也相对较高，一旦电池失效标签即丧失功能，而且有源标签的体积也比较大。一般应用在对性能要求较高、读写距离要求较远的场合。

2.无源标签：内部没有电池，主要通过接收阅读器发出的射频电磁波信号，由标签芯片内部的整流模块将射频电磁波能量转化为直流电源提供给芯片工作，而标签通过反向散射的方式与阅读器实现通信。与有源标签相比，无源标签具有较为低廉的成本以及广泛的适应性，标签体积小，重量轻，但是其工作距离受到限制。

3.半有源标签：半有源标签本身也带有电池，但其只为标签内部的数字电路提供能量，它需要阅读器的能量场激活，才能进入工作状态，此时类似于有源标签。标签未进人工作状态前，一直处于休眠状态，对电池能量消耗很少，因而电池可维持几年甚至长达10年有效。与无源标签相比，半有源标签由于对接收到的射频能量的需求更小，故可以实现更远距离的无线通讯；和有源标签相比，半有源标签的电路结构简单，对于电池性能的需求也更小，生产成本更低。

发明内容

为了更好的实现半有源标签的远距离读取与长时间的工作寿命，本发明在现有技术的基础上提出了一种可以在有源与无源状态下自动转换并能远距离、长寿命工作的半有源标签结构，本发明采用的技术方案如下：

一种半有源标签，包括第一天线和第二天线、电池、整流模块、数字处理模块、低噪声放大器、功率放大器、模拟部分、电容、第一和第二肖特基势垒二极管、第一开关和第二开关，其中，

第一天线接收的阅读器发出的射频信号，一方面作为整流模块的输入，一方面连接到低噪声放大器的输入端，在低噪声放大器的输入端与输出端之间接有第一开关，第一开关的控制端与电池输出正极相连，在无源状态下，第一开关导通，第一天线接收的射频信号被直接送入模拟部分的输入端；在有源状态下，第一开关断开，第一天线接收的射频信号经过低噪声放大器处理后被送入模拟部分的输入端；

整流模块的输出正极接在第一肖特基势垒二极管的正极，电池的输出正极接在第二肖特基势垒二极管的正极，两个肖特基势垒二极管的负极相连后，接在数字处理模块的电源端，数字处理模块的电源端与接地端之间并联有电容；

电池的输出正极，接在低噪声放大器和功率放大器的电源端，整流模块的输出正极，接在模拟部分的电源端；

模拟部分，用于对接收到的射频信号进行解调解码，传送给数字处理模块进行相应的命令处理与执行，并且将数字处理模块执行完相关命令后返回的数据等信息进行编码与调制，然后经过第二开关所选通的天线发出，第二开关的控制端与电池的输出正极相连，在无源状态下，选通第一天线；在有源状态下，选通第二天线，调制后的信号经过功率放大器后由第二天线发出。

与现有的半有源标签结构相比，本发明有以下突出优点：

1.通过两个肖特基势垒二极管正向导通，反向截止的特性，可以实现标签在有源状态下电池电量不足时，自动转换到无源状态充当无源标签继续进行工作，使标签的寿命得到大大增加，电路结构简单明了。

2.在半有源标签的接收端增加了低噪放单元，由电池供电，工作在有源状态，对接受到的信号进行放大，使标签在远距离接收的微弱信号依然可以通过放大后进行信号处理，可以有效的增加标签的读取距离。

3.在半有源标签的发送端增加了功放单元，由电池供电，工作在有源状态，对标签要发送的信号进行放大，配合接收端的低噪放单元，可以将半有源标签一般的10m左右的工作距离提高到10-50m。

4.利用NMOS与PMOS晶体管的开关特性，电路结构中的两个开关单元均使用了MOS管来完成，结构简单，易于在芯片上实现。

附图说明

图1是半有源标签的结构图。

图2是MOS管搭建的开关。

具体实施方式

本发明的半有源标签结构采用了标签的模拟部分由整流模块来供电，数字处理模块由电池来供应电量的方式，由于电池只用来给消耗电量较少的低噪放、功放模块与数字模块供电，且数字处理模块只有在阅读器对标签进行读取时，即标签接收到阅读器发出的相关命令时才进入工作状态，其余大部分时间时均处在耗电很小的休眠模式，这种供电方式可以最大程度的节省电池的电量，使标签在有源状态下的工作寿命大大增加，理想状态可达10年左右。

本发明的半有源标签结构按电池电压值与整流模块整流出的电压值大小关系，工作在两种状态，下面参照图1的半有源标签的结构图与图2的MOS管搭建的开关的结构图详细叙述下这两种状态的具体工作过程：

(1)当电池电压大于整流模块整流出的电压时

当标签进入阅读器的有效作用区域时，如果此时阅读器发出读取标签的命令，则天线1接收阅读器发送的包含该命令的射频信号，然后将信号的一部分送入整流模块进行整流，另一部分信号送入标签的模拟部分进行解调、解码和命令解析等一系列响应过程。VCC为电池电压值，本发明中使用到得纽扣电池电压一般为3V，现有的半有源标签在10m或以上的读取距离上，一般其整流模块对该距离上的射频信号能量所能整流出的电压为几百毫伏数量级或更小，此时由于电池端得电压要远大于整流模块端能提供的电压，由图1的结构图可知，二极管2导通，二极管1右端电压高于左端故而截止，整流模块部分对数字处理模块供电的通路被屏蔽，此时标签工作在有源状态，即电池来完成对数字模块的供电。由于VCC电压值高，此时由图2可知，开关1的PMOS管不能导通，此时信号将经过低噪声放大器模块进入模拟部分，而单刀双掷开关2的NMOS管将导通，此时模拟部分发出的调制信号将通过功放经天线2发出，低噪放与功率放大器均由电池供电。即在有源状态下，半有源标签接收的信号将通过接收端的低噪声放大器与发送端的功率放大器的两级放大，一般半有源标签的读取距离在10m左右，加上这两级信号放大模块之后，本发明结构的半有源标签的读取距离可以达到10-50m，使标签的读取距离得到了很大的提高，同时数字处理模块在没有接收到模拟部分发送过来的有效指令之前，处于休眠状态，只有在阅读器发出读取指令时才进入工作状态，这种工作方式对电池电量的消耗很小，使电池的寿命得到提高。

(2)当电池电压小于整流模块整流出的电压时

虽然数字模块对电量的消耗较小，但电池在给标签数字模块供电的过程中，电量还是会缓慢减少，若干年后(理想状态能达到10年左右)当电池电量不足时，即VCC的电压值下降到几百毫伏甚至更低的时候，其值可能会接近直至小于整流模块能产生的电压值，此时与过程(1)正好相反，图1中的二极管1导通，二极管2截止，电池给数字模块的供电端口将被屏蔽，此时电池将不再参与标签的供电工作，同时整流模块将替代电池对数字模块进行供电，此时由于标签中的模拟与数字模块都由整流模块来供电，故电路工作在无源状态。同时由于电池电量较低导致开关1的PMOS管导通，即低噪声放大器模块被短接，而图2中开关2的左侧的PMOS管道通，右侧的NMOS管截止，此时功率放大器模块同样被短接，天线1将接收到得信号直接发送给模拟部分，其中一部分经整流模块进行整流，模拟部分最终发送出的信号经闭合后的开关2直接由天线1反向散射回去，此时的标签工作状态为标准的无源状态。有源状态工作结束后，自动转换到无源状态继续工作，使标签的寿命得到了大大增加。

Claims (1)

1.一种半有源标签，包括第一天线和第二天线、电池、整流模块、数字处理模块、低噪声放大器、功率放大器、模拟部分、电容、第一和第二肖特基势垒二极管、第一开关和第二开关，其中，

第一天线接收的阅读器发出的射频信号，一方面作为整流模块的输入，一方面连接到低噪声放大器的输入端，在低噪声放大器的输入端与输出端之间接有第一开关，第一开关的控制端与电池输出正极相连，在电池电压小于整流模块整流出的电压时，处于无源状态，第一开关导通，第一天线接收的射频信号被直接送入模拟部分的输入端；在电池电压大于整流模块整流出的电压时，处于有源状态，第一开关断开，第一天线接收的射频信号经过低噪声放大器处理后被送入模拟部分的输入端；

整流模块的输出正极接在第一肖特基势垒二极管的正极，电池的输出正极接在第二肖特基势垒二极管的正极，两个肖特基势垒二极管的负极相连后，接在数字处理模块的电源端，数字处理模块的电源端与接地端之间并联有电容；

电池的输出正极，接在低噪声放大器和功率放大器的电源端；

整流模块的输出正极，接在模拟部分的电源端；

模拟部分，用于对接收到的射频信号进行解调解码，传送给数字处理模块进行相应的命令处理与执行，并且将数字处理模块执行完相关命令后返回的数据信息进行编码与调制，然后经过第二开关所选通的天线发出，第二开关的控制端与电池的输出正极相连，在无源状态下，选通第一天线；在有源状态下，选通第二天线，调制后的信号经过功率放大器后由第二天线发出。

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