CN101939757A - 具有多重无源工作模式的rfid器件 - Google Patents

Abstract

射频识别(RFID)器件(10)能够在多重无源模式下工作，所述无源模式可以是全无源模式或增强无源模式。该器件包含适用于无源RFID器件工作的RFID芯片(12)。天线(14)与该芯片耦合以接收诸如由读取器/检测器器件发出的射频信号。此外，RFID器件具有可以用于增强由该器件接收的信号能量的能量增强器(40)，以便使得能够在降低水平的RF信号下工作。可以选择性地施加能量增强以便将无源RFID器件转换为在增强无源模式下工作。能量增强器可以包含单端口晶体管(42)和用于为晶体管供电的能量源(44)。该能量源可以是可充电的能量源。

Description

具有多重无源工作模式的RFID器件

技术领域

本发明涉及射频识别(RFID)器件领域。

背景技术

射频识别(RFID)标牌和标签(本文通称为“器件”)被广泛地用于将物体与识别码或其它信息相关联。RFID器件一般具有天线以及模拟电路和/或数字电路的组合，其可以包含例如通信电路、数据存储器和控制逻辑。例如，RFID标牌被用于在汽车中和安全锁联合使用、用于建筑物的进入控制以及用于跟踪存货和包裹。

如上所述，RFID器件一般被分为标签(label)或标牌(tag)。RFID标签是被胶着地贴在物体上或具有直接贴在物体上的表面的RFID器件。相反，RFID标牌通过其它手段被固连到物体上，例如通过使用塑料扣件、链条或者其它紧固手段。

RFID器件包括有源标牌和标签(其包括电源以便播送信号)以及无源标牌和标签(其不含电源)。对于无源器件，为了从芯片上取回信息，“基站”或者“读取器(reader)”发送激励信号到RFID标牌或标签。该激励信号为该标牌或标签供给能量，并且将RFID电路存储的信息传输回读取器。RFID读取器接收和解码来自RFID标牌的信息。一般地，RFID标牌可以保留和传输足够的信息来唯一地识别个体、包裹、存货等。RFID标牌和标签也能够被特性化为信息仅被写入一次(尽管该信息可能被重复地读取)，以及被特性化为在使用中信息可能被重复地写入。例如，RFID标牌可能存储环境数据(其可能由相关联的传感器所探测)、后勤历史、状态数据等。

RFID器件还可以被特性化为无源RFID器件、半无源RFID器件和有源RFID器件。无源RFID器件没有内部电源。无源RFID器件工作所需的电力由器件所收到的输入射频信号中的能量提供。大部分无源RFID器件通过反向散射来自RF读取器的载波来发送信号。无源RFID器件具有简单和寿命长的优点，然而它们的性能可能会受限制。

有源RFID器件具有其自身的内置电源，用于为器件中的集成电路或芯片供电，并播送独立的信号。有源RFID器件可能比无源RFID器件更加可靠。在有源标牌与读取器的通信过程中错误会更少。相比无源RFID器件，有源标牌还可以在更高的功率水平上进行传送。但是，有源RFID器件的缺点是需要电源来进行通信。

半无源RFID器件也有电源，但是与有源器件不同，该电源只用于提供器件内部工作所需的能量。换句话说，半无源RFID器件不像有源RFID器件那样播送它们自身的信号。半无源RFID器件通常以一种类似于无源RFID器件的方式进行通信，即反向散射输入的RF载波信号。因而半无源器件具有与有源RFID器件同样的缺点，即需要电源，同时仅仅部分改善了无源RFID器件通信的缺点。

承前所述，RFID器件领域的改进是期望的。

发明内容

根据本发明的一个方面，RFID器件能够选择性地在多重无源工作模式下工作。

根据本发明的另一方面，RFID器件能够选择性地在无源模式或者增强无源模式下工作。

根据本发明的另一方面，RFID器件具有选择性地放大输入信号的能量增强器，以使得器件的无源RFID芯片能够在低能量水平下工作。该器件还可以在全无源模式下工作，此时能量增强器不提供输入信号的放大或增益。

根据本发明的另一方面，一种射频识别(RFID)器件包含：无源RFID芯片，其被配置为通过反向散射调制与读取器进行通信而不发射其自身信号；可操作地与无源RFID芯片耦合的天线；可操作地与芯片和天线耦合的能量增强器，其中该能量增强器被配置为选择性地放大由天线接收并发送到无源RFID芯片的输入能量。当能量增强器没有放大输入能量时，RFID器件在全无源模式下工作，通过反向散射调制进行通信并依赖于来自天线的入射输入能量来充分地提供芯片工作所需的全部电力。当能量增强器放大输入能量时，RFID器件在增强无源模式下工作。

根据本发明的另一方面，一种利用射频识别(RFID)器件进行通信的方法包括以下步骤：在RFID器件的天线上接收能量；使用RFID器件的能量增强器增强从天线接收的能量；将被增强的能量转送至RFID器件的RFID芯片；以及随着RFID芯片由增强的能量供电，使用RFID芯片通过反向散射进行通信。

根据本发明的另一方面，一种射频识别(RFID)器件包括：RFID芯片，其被配置为通过反向散射调制与读取器通信而不发射其自身信号；可操作地与RFID芯片耦合的天线；可操作地与天线及芯片耦合的能量增强器，其中该能量增强器被配置为选择性地放大由天线接收被发送到RFID芯片的输入能量。该能量增强器使得RFID器件能够在多重无源通信模式下进行通信。

为了实现前述的和相关的目标，本发明包括下面充分描述的特征和在权利要求中特别地指出的特征。下面的描述和附图详细地阐明本发明的某些说明性实施例。但是这些实施例仅示出可以使用本发明的原理的各种方式中的一些。通过以下对本发明的详细描述并结合附图进行考虑，本发明的其它目标、优点和新颖性特征将变得明显。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的RFID器件的示意图；

图2是图示说明产生用在图1所示的RFID器件中的负电阻器的反馈配置的电路图；

图3是图示说明产生用在图1所示的RFID器件中的负电阻器的另一反馈配置的电路图；

图4是图示说明图1所示RFID器件的充电器的第一实施例的电路图；

图5是图示说明图1所示RFID器件的充电器的第二实施例的电路图；

图6是图示说明图1所示RFID器件的充电器的第三实施例的示意图；

图7是图示说明图1所示RFID器件的充电器的第四实施例的示意图；以及

图8是RF读取器与图1所示RFID器件之间的通信的示意图。

具体实施方式

射频识别(RFID)器件能够在多重无源模式下工作，所述无源模式可以是全无源模式或增强无源模式。该器件包含适用于无源RFID器件工作的RFID芯片。天线与该芯片耦合以接收诸如由读取器/检测器器件发出的射频信号。此外，RFID器件具有可以用于增强由该器件接收的信号能量的能量增强器，以便使得能够在降低水平的RF信号下工作。可以选择性地施加能量增强以便将无源RFID器件转换为在增强无源模式下工作。能量增强器可以包含由晶体管制成的单端口放大器和用于为晶体管供电的能量源。该能量源可以是可充电的能量源，其能够被RFID器件的充电器充电。尽管能量增强器的工作可以使得器件在其增强无源模式下具有更好的性能，但该器件在能量增强器不工作时作为无源RFID器件仍具有全部功能。

该RFID器件比传统的全无源器件具有更好的性能，同时仍然能够作为全无源器件工作。在增强无源工作模式下的增强性能可以被利用直到能量源耗尽，但仍然能够在没有能量增强的情况下在全无源模式下进行后续工作。此外，可以仅在特定情况下选择性地使用增强无源模式，比如当满足特定标准时，以延长能量源的使用寿命。

参见图1，射频识别(RFID)器件10包含了无源RFID芯片12和天线14。天线14包含分别耦合到无源RFID芯片12的相应输入触点(contact)20和22的一对天线单元16和18。本文中无源RFID芯片被定义为配置成通过反向散射调制与读取器进行通信而不传输或播送其自身信号的芯片。无源RFID芯片12具有电阻器26和电容器28。电阻器26和电容器28可用作RFID芯片的输入阻抗的简化模型，并共同表示无源RFID芯片12的复内阻抗30，但是应该认识到实际的输入阻抗会随着芯片设计而变化并且是输入功率的非线性函数。

天线14被显示为偶极子天线，其具有一对独立的天线单元16和18。应该认识到天线14可以具有各种其它替代配置方案，根据器件的预期应用，包括线圈天线、缝隙天线、环形天线或贴片天线。在美国专利7,298,343中描述了其它天线配置，该专利的说明书和附图通过参考合并于此。

RFID器件10还包括用于增强或放大在天线单元16中的一个上接收到的入射能量的能量增强器40。该能量增强器40包含单端口放大器42和能量源44。单端口放大器42被置于天线单元16和输入触点20之间，并可用于选择性地放大或增强天线单元16上的入射能量。放大器42可以是各种适合的单端口放大器中的任何一种，例如包括被偏置作为负电阻的晶体管或Gunn二极管/体效应二极管。放大器42被用于选择性地放大或增强来自天线单元16的输入能量。这种能量可以是作为询问无源或半无源器件的过程的一部分，或者更一般地作为与RFID器件通信的过程的一部分由RF读取器产生的。

用作放大器42的负电阻器可以这样配置，即采用三端有源器件并在公共端口施加正确的反馈量，从而输入反射系数的量值变得大于1。在低频下，通过简单的双极性晶体管，将集电极钳位于规定电压下，在集电极和基极之间通过电容实现的反馈可以将从基极看进去的阻性元件变换成负电阻器。这种结构通常用于制作振荡器，特别是Colpitts振荡器。在更高频下，通过给器件的一个终端提供正确的负载来实现反馈，此时该反馈经由作为器件本身一部分的固有电容而产生。例如，在砷化镓场效应管(FET)的源极加上负载，经由源/栅电容，导致器件在特定频率下在栅极终端表现出负阻抗。图2和图3图示说明常用于制作振荡器的普通反馈的两种形式，但是它们也适于合成负阻抗。

用于为放大器42供电的能量源44可以是各种适合的紧凑能量源中的任一种。示例包括可充电和不可充电的电池、电容和超级电容。充电器48可以用来为可充电能量源44充电。不同类型的充电器的示例包括由运动驱动的压电式发电机、热电发电机或者光伏元件。此外，应该认识到超额的输入能量可以用来为能量源44充电。

当放大器42增强或放大入射到RF器件10上的输入RF能量时，RFID器件10在增强无源模式下工作。增强无源工作在这里被定义为RFID器件的工作使用的能量来源于由器件接收到的RF信号，并被来自其它源如作为器件一部分的能量源的能量所补充。增强无源工作相对于半无源工作的不同之处在于，增强无源工作涉及对入射到器件上的能量的放大和增强，而半无源工作涉及使用电池来对芯片上的电路维持恒定的电力。半无源器件因而能够执行持续的功能，例如监测环境情况。并且，半无源器件的天线可以被配置为不用考虑能量收集。

除增强无源模式之外，RFID器件10还能够在全无源模式或纯无源模式下工作。这里用到的全无源模式或纯无源模式(有时简称为“无源”)指的是RFID器件的工作依赖于器件接收到的RF信号中的工作能量，而没有任何来自其它能量源的实质补充。全无源器件通过反向散射调制来通信，而不发射或播送它自身的信号。放大器42选择性地受控以允许RFID器件10在无源模式或增强无源模式下工作。放大器42所提供的增强或放大的程度根据情况需要有所不同。对放大器42的控制可由逻辑电路49来完成。逻辑电路49可通过不同途径来实现，比如在电路板上或者作为RFID器件10的一部分的集成电路上实现。尽管图示逻辑电路49是与无源RFID芯片12分离的，但应该认识到，作为替代，逻辑电路49也可以嵌在RFID芯片12之内或者作为其一部分。逻辑电路49可以采取任何不同的物理形式，比如包含各种门和滤波器之类的元件以及各种存储器，以完成这里描述的处理工作。逻辑电路49可以配置成仅当天线单元16上的输入信号为至少一些预定阈值能量时才提供放大。这可以防止没有接收到信号或接收到非常微弱的信号时放大过程中的能量浪费。当超过输入RF能量的阈值水平以后，逻辑电路49可以指令放大器42提供不同水平的增益以将信号强度提高到足以为操作RFID芯片12提供充足能量的水平。因而超过能量阈值的弱信号可以具有由放大器42提供的相对高的增益以向它们提供相对大的增益，而初始较强的信号可以在较低的增益水平上被放大或增强。对于自身提供足够能量以操作RFID芯片12的信号，逻辑电路49可以控制放大器42给出小的增益或无增益。

如在其它处所建议的，在能量源44是可充电的能量源时，强信号确实可用于为能量源44充电。应该认识到，逻辑电路49也可以配置成通过其它途径限制使用来自放大器42的增益。例如，逻辑电路49可以配置成仅在接收到特定类型的RF信号时才开启放大器42的增益，例如具有特定频率或其中具有特定编码的信号。作为另一种选择，逻辑电路49可以配置成当另一个RFID器件在与RFID器件10收到的相同RF信号上通信时保持放大器42关闭。

当器件在增强无源模式下工作时，能量增强器40使得RFID器件10能够以较低输入能量工作，改善性能并有效增加RFID器件10的读取范围。除了使RFID器件10能够以较低输入能量工作外，放大器42还可以增强由无源RFID芯片12产生的反向散射反射信号。可以选择负电阻器或其它放大器42的阻抗以增强RFID器件10的反射。通常，在RFID器件中，来自器件的经调制的反射信号不能超过输入RF信号的幅值。在使用负电阻器的情况下，该信号可以被放大，因此在调制开或关状态下，被器件再辐射的信号的幅值大于进入器件的信号。

无论在无源或是增强无源模式下，RFID器件都通过反向散射调制来通信。在这一过程中，RFID标牌10反射从RF读取器接收到的信号，并选择性地避开与天线单元14和16的接触。这改变了组合的读取器信号和反向散射反射的幅值。这种幅值上的改变被RF读取器检测以保护邻近的RFID器件的存在。通过控制反向散射信号的的变化时刻和变化持续时间，可以使用各种已知的编码方法来使得RFID器件与RF读取器交换数据。

图4-7图示说明充电器48的一些可能的配置。在所有这些图示中，都为清晰起见省略了RF匹配组件。在图4中，放大器/充电器50被耦合到RFID芯片12，既作为放大器又作为充电器而工作。放大器/充电器50包含被偏置并被连接用作负电阻器的双极晶体管51。晶体管51连接到偏置电阻器52、53和54以及反馈电容器55上。放大器/充电器50所需的电力由能量源44(比如电容器或电池)提供。在进入天线14的高信号水平下，晶体管51的基极56被施加大的RF电压。在基极56和集电极58之间形成一个晶体管结57，并且在集电极58处产生一个电压，其对能量源44充电。

图5示出耦合到RFID芯片12、天线14和能量源44的放大器/充电器60。放大器/充电器60包含晶体管61、偏置电阻器62、63和64以及反馈电容器65。RF阻滞(block)66和二极管67被耦合到RFID芯片12的输入68。来自天线14的RF信号的校正电压出现在芯片输入68处。RF阻滞66可以是大容量电感器，用于将二极管67与RFID芯片12隔离开。这阻止RFID二极管67对RFID信号自身进行整流，避免敏感度的下降。当直流电压超过预定限值时，额外的电力通过二极管67转移去对能量源44充电。

在一个替代配置中(未显示)，RFID芯片12可以具有用于为外部传感器或需要电力的其它器件提供偏置的额外端口。放大器/充电器60可用于收集和提供额外的电力以便为这种额外器件供电。

在另一种可选替代中，可以省略RF阻滞66，而二极管67具有进行整流的阈值，通过调整其阻抗匹配来改变该阈值，从而二极管67仅在信号输入大时有效。这使得二极管67执行与RF阻滞66相同的功能。

图6示出直接耦合到能量源44的太阳能电池阵列70。由太阳能电池阵列70产生的电力直接用于对能量源44充电。

在图7中，一个压电器件80被耦合到能量源44，以便为能量源44充电。压电器件80可以是双压电晶片结构，压电材料梁82上有重量负载84使得梁82在器件80移动时偏转。在一个可能的实施例中，RFID镶嵌底层包含了聚偏二氟乙烯，这是一种在特定温度下暴露在极化场中时可以发生压电效应的塑料。发电器件80可被制成该镶嵌底层的一部分。

从上述实施例中可以看出充电器48传输能量的途径依据方案而不同。例如，对于从太阳能电池或振动中收集能量的方法，连接很大程度上独立于RFID电路。当该方法涉及RF充电方案时，可采用各种不同的构造/配置，比如带有独立整流器以便充电的独立天线，而充电天线可以被设计成工作在不同的频率(例如，在13.56MHz的低频，其具有良好的产品穿透性)。同一天线上不同的阻抗点处可以制做独立的连接，从而只有在非常高的信号强度下才实现使得整流器工作的RF电压。

图8图示说明使用RFID器件10的通信过程。RF读取器100发出RF信号102。该信号102被RFID器件10接收，RFID器件10反射回信号，如反射信号104所示。

RFID器件10可以被配置成在任何不同的适当频率下工作，例如频率可以是2.45GHz、125kHz和13.56MHz。应该认识到器件10可以被配置成在任何一个宽的频率范围内工作，例如包含标准的UHF波段，比如在800MHz与1000MHz之间。

RFID器件10相对现有器件提供了很多优点。它允许增强无源工作被选择作为其他无源RFID器件进入的一个选择项。如上所述，这种增强无源工作可以改善RFID器件的范围和其它性能特征。但是，器件仍然具有在其全无源模式下起作用的能力。甚至在器件不再能够进入增强无源模式时(诸如电池或其它能量源耗尽时)也是如此。这种全无源模式允许RFID器件10即使在增强的操作性能不再可用时也仍具有一定的操作性能。

尽管针对特定的优选实施例或多个实施例已经示出和描述了本发明，但通过对该说明书和附图的阅读和理解，很明显本领域技术人员容易想到等价的变化和修改。特别是对于由上述元件(部件、配件、器件、合成物等)执行的各种功能，除非另外指出，用来描述这些元件的术语(含“手段”)，意在对应于执行所述元件的特定功能的任何元件(即功能等价)，即使结构上并不等价于本发明的示例性实施例或多个实施例中所公开的执行该功能的结构。此外，虽然已通过几个示例性实施例中的一个或多于一个描述了本发明的具体特征，但这种特性可与其它实施例的一个或多于一个其它特性相结合，这对于任何给定的或特定的应用可能是需要和有利的。

Claims (17)

1.一种射频识别即RFID器件，其包括：

无源RFID芯片，其被配置成通过反向散射调制与读取器进行通信而不发射其自身信号；

可操作地与所述无源RFID芯片耦合的天线；以及

可操作地与所述天线和所述芯片耦合的能量增强器，其中所述能量增强器被配置成选择性地放大被所述天线接收并被发送到所述无源RFID芯片的输入能量；

其中当所述能量增强器不放大所述输入能量时，所述RFID器件在全无源模式下工作，通过反向散射调制进行通信并依赖于来自所述天线的入射输入能量以充分提供所述芯片工作的所有电力；并且

其中当所述能量增强器增强所述输入能量时，所述RFID器件在增强无源模式下工作。

2.根据权利要求1所述的RFID器件，其中所述能量增强器包括单端口放大器。

3.根据权利要求2所述的RFID器件，其中所述能量增强器还包括与所述放大器耦合的能量源，以便为所述放大器供电。

4.根据权利要求3所述的RFID器件，其中所述能量源包括电池。

5.根据权利要求4所述的RFID器件，其中所述电池是可充电电池。

6.根据权利要求3所述的RFID器件，其中所述能量源包括电容器。

7.根据权利要求3所述的RFID器件，其中所述能量源包括超级电容器。

8.根据权利要求3所述的RFID器件，其中所述能量源是可充电能量源；并且其中所述增强器包括用于对所述可充电能量源进行再充电的充电器。

9.根据权利要求1所述的RFID器件，其还包括用于控制所述能量增强器的逻辑电路。

10.根据权利要求9所述的RFID器件，其中所述逻辑电路包括仅当所述输入能量超过增强阈值时才放大所述输入能量的逻辑电路。

11.根据权利要求9所述的RFID器件，其中所述逻辑电路包括选择作为所述输入能量的能量水平的函数的增益程度的逻辑电路。

12.根据权利要求1所述的RFID器件，其中所述能量增强器包括被偏置作为负电阻器的晶体管。

13.根据权利要求1所述的RFID器件，其中所述能量增强器包括Gunn二极管。

14.一种使用射频识别即RFID器件进行通信的方法，所述方法包括：

在所述RFID器件的天线上接收能量；

使用所述RFID器件的能量增强器增强从所述天线接收的能量；

将被增强的能量转送到所述RFID器件的RFID芯片上；以及

随着所述RFID芯片由所述增强的能量供电，使用所述RFID芯片通过反向散射进行通信。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述增强是可变的增强，且所述RFID器件的逻辑电路控制所述增强的增益。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述逻辑电路仅当所接收到的能量的能量水平超过阈值时才执行所述增强。

17.一种射频识别即RFID器件，其包括：

RFID芯片，其被配置成通过反向散射调制与读取器进行通信而不发射其自身信号；

可操作地与所述RFID芯片耦合的天线；以及

可操作地与所述天线和所述芯片耦合的能量增强器，其中所述能量增强器被配置成选择性地放大被所述天线接收并被发送到所述RFID芯片的输入能量；

其中所述能量增强器使得所述RFID器件能够在多重无源通信模式下进行通信。

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