基于自然能量的免激活UHF型电子标签及其工作方法

1.一种基于自然能量的免激活UHF型电子标签，其特征在于:包括依次循环连接的UHF调谐微带天线、自然能量采集装置、AC-DC充电电路、储能器、次级电池、DC-DC调压器和UHF标签芯片，其中的自然能量采集装置为共振升压振荡采集器或采集电路;所述的共振升压振荡采集器内置有η通道金氧半场效晶体管MOSFET、外置升压变压器和电容器;所述的采集电路以肖特基二极管分立元件为基础。
2.根据权利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型电子标签，其特征在于:所述的UHF调谐微带天线为对称弧瓣型调谐微带天线，其增益为10dB，带宽为840Mhz-960Mhz，基片材料选用陶瓷氧化铝，介电常数为9〜10。
3.根据权利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型电子标签，其特征在于:所述的AC-DC充电电路为间歇式涓流充电电路。
4.根据权利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型电子标签，其特征在于:所述的储能器为超薄纸电池。
5.根据权利要求1所述的基于自然能量的免激活UHF型电子标签，其特征在于:所述的UHF标签芯片分为四个存储区，分别为密码区、EPC区、TID区和USER区，支持10S18000-6C/6B协议。
6.一种基于自然能量的免激活UHF型电子标签的工作方法，其特征在于包括以下步骤: 1)自然能量采集装置通过天线收集自然能量并将其转化有效电能，并通过共振升压振荡器将电能升压，传输到AC-DC充电电路； 2)AC-DC充电电路进行调压和整流处理后，将电能传输到次级电池； 3)当UHF型电子标签处于非收、发状态时，次级电池吸收部分电能储存并将其余的电能传输到储能器，储能器储存部分电能，其余电能通过DC-DC调压器调压后激活UHF型电子标签； 4)当UHF型电子标签处于信号收、发状态时，次级电池提高能量的输出功率传输给储能器储存，储能器储存的电能通过DC-DC调压器调压后传输给UHF型电子标签，UHF型电子标签通过天线完成与阅读器之间的信息交换工作。

基于自然能量的免激活UHF型电子标签及其工作方法\n技术领域\n[0001]本发明涉及RFID无线射频识别技术领域，具体是一种基于自然能量的免激活UHF型电子标签及其工作方法。\n背景技术\n[0002]无线射频识别技术(RFID)技术是国际上最近几年开始兴起并得到迅速推广应用的一门新技术。射频识别设备通过微波天线向装有电子标签的物体发出微波查询信号，标签在收到读写器的查询信号后，根据查询信号中的命令要求，将标签中的数据信息反射回读写器，它是为实现数字化、信息化而对物体的属性、状态、编号等特征数据进行自动采集所推出的一种全新手段，可广泛应用于智慧物流、智能交通、食品防伪、溯源等领域。\n[0003]能量采集是指通过“收集”热、振动、光及电磁波等身边的磁波等微量能源，使其转换成电力的技术，其理念是有效利用平时舍弃的微量能源。能量采集技术的最大特点在于导入这一技术可省去更换电池、及维护等麻烦。通过捕获环境中的多余能量(如照明、温差、振动和无线电波)，完全可以让低功耗电子器件正常工作。在这些微功率能源中，来自射频发射器的能量具有独特的优势，包括随距离变化可预测和一致的功率，从而允许能量采集器远离能源的束缚。\n[0004]环境射频能量如今可以从全球数十亿个无线发射器获得，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等。捕获这类能量的能力有助于创建新的无电池设备，并允许电池供电设备通过无线方式实现点滴式充电。\n[0005]常见的UHF电子标签在工作时，需要从阅读器的发射信号(无线电波)中获取能量并自激活，灵敏度低、有效读写距离短、受环境影响严重。并且，阅读器需要通过电池来供能，废弃电池易产生环境问题。\n发明内容\n[0006]本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于自然能量的免激活UHF型电子标签及其工作方法，大大提升了电子标签的性能，并且有利于可持续发展。\n[0007]本发明提供的基于自然能量的免激活UHF型电子标签包括UHF调谐微带天线、自然能量采集装置、AC-DC充电电路、储能器、次级电池、DC-DC调压器和UHF标签芯片，其中的自然能量采集装置为共振升压振荡采集器或采集电路。\n[0008]进一步改进，所述的共振升压振荡采集器内置有η通道金氧半场效晶体管M0SFET、外置升压变压器和电容器。\n[0009]进一步改进，所述的采集电路以肖特基二极管分立元件为基础。\n[0010]进一步改进，所述的UHF调谐微带天线为对称弧瓣型调谐微带天线，其增益为10dB，带宽为840Mhz-960Mhz，基片材料选用陶瓷氧化铝，介电常数为9〜10。\n[0011]进一步改进，所述的AC-DC充电电路为间歇式涓流充电电路。\n[0012]进一步改进，所述的储能器为超薄纸电池。\n[0013] 进一步改进，所述的UHF标签芯片分为四个存储区，分别为密码区、EPC区、TID区和USER区，支持10S18000-6C/6B协议。\n[0014]本发明还提供了一种基于自然能量的免激活UHF型电子标签的工作方法，包括以下步骤:\n[0015] I)自然能量采集装置通过天线收集自然能量并将其转化有效电能，并通过内置的共振升压振荡器将电能升压，传输到AC-DC充电电路；\n[0016] 2)AC_DC充电电路进行调压和整流处理后，将电能传输到次级电池；\n[0017] 3)当UHF型电子标签处于非收、发状态时，次级电池吸收部分电能储存并将其余的电能传输到储能器，储能器储存部分电能，其余电能通过DC-DC调压器调压后激活UHF型电子标签；\n[0018] 4)当UHF型电子标签处于信号收、发状态时，次级电池提高能量的输出功率传输给储能器储存，储能器储存的电能通过DC-DC调压器调压后传输给UHF型电子标签，UHF型电子标签通过天线完成与阅读器之间的信息交换工作。\n[0019]本发明有益效果在于:\n[0020] 1、收集自然能量来激活UHF标签，替代了传统电子标签在进入工作状态时，需从阅读器发射的无线电波中获取能量来激活标签的方法，有效的提升了 UHF电子标签的灵敏度和有效作用(读、写)距离，并且有效地降低了外部环境(如金属)对标签整体性能的影响。\n[0021] 2、储能器采用超薄纸电池作为能量储存，降低了电子标签最终的封装厚度，具有较好的柔韧性，且对温度的适应能力相当强，有利于多种场合应用时保证最后封装的成品标签的适用性；同时，纸电池避免了传统电池会产生的金属、锂、及碱性化合物泄漏问题，避免对环境的污染，且避免了传统方式的人为维护。\n附图说明\n[0022]图1为本发明模块示意图；\n[0023]图2为本发明天线结构示意图；\n[0024]图3为本发明能量采集构成电路。\n具体实施方式\n[0025]下面结合附图对本发明作进一步说明。\n[0026]本发明结构如图1所示，包括UHF调谐微带天线、自然能量采集装置、AC-DC充电电路、储能器、次级电池、DC-DC调压器和UHF标签芯片。\n[0027]所述的天线如图2所示，设计目标为高增益、840_960Mhz全频段工作，能够适应多频带或宽带频率范围，为自然能量采集装置和RFID芯片共用。既可以做自然能量采集装置的收集触角，又作为UHF芯片工作时的信号反射链路。其结构为基于矩形微带贴片天线的基础上，采用对称弧瓣型图形;基片材料选用尺寸为841mm X 55mm X 0.6mm的陶瓷氧化招，介电常数为9〜10。\n[0028]自然能量采集器或肖特基二极管搭建的能量采集电路(如图3所示)，均可以理解为一个微型的发电设备。本发明中的能量采集装置均无需额外的耗能电路，即可实现最大功率点跟踪，其中，能量采集器内置由η通道MOSFET、外置升压变压器和电容器构成共振升压振荡器。(如变压比100:1的变压器，则可将20mV的电力升压至2.0V。)同时，其能够适应多频带或宽带频率范围(在分立元件构成的能量采集电路中，如图3所示，其由最左边电阻完成匹配)，并且支持自动频率调谐的射频能量采集电路，这样可以进一步提高输出电能。通过能量采集器或肖特基二极管等分立元件构成的能量采集电路，能将采集到的自然界能量(如无线电波能量)转化有效电能，并作为电子标签进入正常工作状态时需要的激活能量的能量源，且在使用寿命内，可以无限的输出能量，无需额外提供能量。\n[0029] AC-DC/DC-DC为间歇式涓流充电电路和调压器传输，负责调整采集器的原始输出电量，并使经过调整后的能量，通过储能器作存储或可以直接给UHF标签芯片提供需要的能量输入。同时，其可以避免采集器和电池的输出电压、电流变化，对UHF标签芯片的影响或损坏。\n[0030]储能器，采用超薄纸电池作为能量储存，其厚度仅0.3mm，成分主要是纤维素，因此具有较好的柔韧性，且对温度的适应能力相当强，其适用-70°C至150°C的温度区间。同时，超薄纸电池避免了传统电池会产生的金属、锂、及碱性化合物泄漏问题，避免对环境的污染。\n[0031]次级电池，其作用为功率源缓存，主要目的是提升采集器的输出功率，同时，次级电池的相对输出功率较高，能更有效保证能量的供给。次级电池只在UHF芯片需要能量时才输出能量，其他时间则不断从接无线射频能量采集器接受能量。\n[0032] UHF标签是一种转发器，在接到RFID阅读器发射的特定的无线信号后会立即应答，即将存储在芯片内部的数据信息根据协议的要求选择性的反馈给RFID阅读器，完成与阅读器之间的信息交换工作。本发明的UHF标签芯片共有4个存储区分别为:密码区、EPC区、TID区和USER区，支持10S18000-6C/6B协议，其处于正常工作状态时的激活能量大约为2.0 V左右，电流0.1-0.9mA左右，由前文描述可确定，本发明中使用采集自然能量的方法能为其提供稳定、可靠的能量。\n[0033]本发明的工作方法包括以下步骤:\n[0034] I)自然能量采集器或肖特基二极管等分立元件构成的能量采集电路通过天线收集自然能量并将其转化有效电能，并通过共振升压振荡器将电能升压，传输到AC-DC充电电路；\n[0035] 2)AC_DC充电电路进行调压和整流处理后，将电能传输到次级电池；\n[0036] 3)当UHF型电子标签处于非收、发状态时，次级电池吸收部分电能储存并将其余的电能传输到储能器，储能器储存部分电能，其余电能通过DC-DC调压器调压后激活UHF型电子标签；\n[0037] 4)当UHF型电子标签处于信号收、发状态时，次级电池提高能量的输出功率传输给储能器储存，储能器储存的电能通过DC-DC调压器调压后传输给UHF型电子标签，UHF型电子标签通过天线完成与阅读器之间的信息交换工作。\n[0038]本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。