专利名称：有源射频识别标签的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动识别领域，特别涉及一种有源射频识别标签。
背景技术：
自动识别技术是一种包括了条形码、生物特征识别、光信号识别、 智能卡和射频识别等多种识别技术的统称。由于这些技术各自有着不 同的优缺点，它们被推广和应用在了不同的场合中。这其中，射频识 别技术由于具有非接触、体积小、成本低、保密性强等特点，在包括 物流、仓储、交通、门禁和票证等方面得到了越来越多的应用。
如图1所示， 一个典型的射频识别系统由PC机1、读写器2、读 写器天线3、标签天线4和标签5组成。读写器2通过读写器天线3 发射电磁波，寻找到位于其场区内的标签5，进行特定的读和写操作， 标签5在接收到电磁波的感应后，对读写器2发送的数据进行处理， 并将其自身携带的信息交还给读写器2， PC机1收集读写器对标签进 行访问和操作的信息，将其汇总并用于数据管理和人机交互。根据工 作频段的不同，射频识别系统可以分为低频、高频、超高频或微波三 个频段，其中低频频段的典型工作频率有125 kHz和225 kHz，高频 频段的典型工作频率为13.56 MHz，超高频或微波频段的典型工作频 率有433 MHz、 868 MHz、 915 MHz和2.45 GHz。根据工作方式的不 同，射频识别系统又可以分为无源、半有源和有源三种方式。在无源 和半有源射频识别系统中，标签利用电磁反向散射耦合的方式实现标 签到读写器的通信，而有源标签则利用本身携带的电源向读写器主动 发射能量进行通信。由于在有源射频识别系统中，标签具有稳定的电 源供电，从而可以比无源射频识别系统获得更好的稳定性以及更复杂 和多样化的功能。同时，由于有源标签到读写器的通信不依赖于读写 器发射到标签的能量，从而可以满足更远距离的通信要求。有源射频 识别系统的这些优点，为其在不停车收费、港口货运和危险品管理等 领域提供了广阔的应用空间。
在有源射频识别系统中，读写器的灵敏度受到噪声、带宽和频带 内干扰等因素的限制，而标签的则受到其供电的电源(通常是纽扣电 池和薄膜电池)的容量和最大工作电流的限制，输出功率有限，因此， 有源射频识别系统的读写距离往往受限于标签向读写器发射的信号 强度。在有源标签里，功率放大器可以实现功率传输的要求，借助功 率放大器，可以将标签需要发送的数据调制在一个本振信号上发送给 读写器。在现有的电路设计水平下，生成一个频率准确的本振信号通 常需要给标签外接一个晶体振荡器。但是，过多外接的元器件会降低 标签的成品率，并带来封装成本上的提高。
迄今为止，国际上已经有了较为通用的无源射频识别标准，无源 射频识别标签在高频和超高频频段的技术也已经较为成熟。而与之相 比，有源射频识别系统由于结构复杂、功能要求多样化，其研究和应 用的水平都有待进一步地发展。
发明内容
本发明的技术问题是要实现一种可以不借助外接的晶体振荡器， 便在标签内部获得稳定和准确的与载波频率相同的本振信号的有源 射频识别标签。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种有源射频识别标 签，该标签设置有控制环路，其中一锁相环电路，提取和恢复读写器 的载波频率和相位信息，生成与读写器载波频率相同的标签内部的本 振信号，将需要返回给读写器的信息，调制到该本振频率上，通过一 功率放大器发送给读写器，另一电源管理电路，根据通信距离远、近，
控制功率放大器输出功率大、小，电源管理电路还控制双工器，控制 标签处于接收状态或发射状态。
所述控制环路，是标签的天线经双工器连接至接收匹配网络、限 幅电路后，分别与锁相环电路、解调电路和电源管理电路连接，解调 电路和电源管理电路与基带信号处理与数字控制电路连接，基带信号 处理与数字控制电路与存储器和成形滤波器连接，成形滤波器与混频 器连接，混频器通过功率放大器和发送匹配网络连接至双工器。
所述锁相环电路，输入一基准参考信号至分频器，分频器与鉴相 器连接，鉴相器与主分频器连接，鉴相器的另一路经一开关与环路滤 波器连接，环路滤波器与压控振荡器连接，压控振荡器与预分频器连 接，预分频器与主分频器连接。
标签使用锁相环电路生成的本振信号对天线接收的信号进行相 干解调，或用提取的载波信号包络进行非相干解调。
所述标签内部的本振信号，是由锁相环电路生成，其参考基准信 号来自于标签收到的读写器载波信号，或者是该信号的分频、整形后 的信号。
所述电源管理电路根据通信距离远、近，是电源管理电路检测天 线接收信号的强度，信号强则通信距离近，反之则通信距离远。
所述电源管理电路控制双工器切换，常态下标签处于接收模式， 双工器切换到接收链路，锁相环电路进行频率相位锁定并生成相同频
率的本振信号；当处于发射模式时，本振信号维持其前一时刻的振荡 状态，双工器切换到发射链路。
所述电源管理电路控制功率放大器输出功率大、小，是当电源管 理电路检测到接收信号足够强时，接通限幅电路,减少输入信号幅度。
本发明是通过标签内部的锁相环电路，跟踪标签接收到的载波的 频率和相位，得到一个与载波频率相同的本地振荡，然后将需要返回 给读写器的信息调制到这个本振频率上，通过功率放大器发送给读写 器。根据读写距离的需求，可以改变功率放大器的发射功率，当距离 较近时，降低发射功率，减小标签的功耗，而当距离较远时，增大发 射功率，满足读写器对于返回信号强度的需求。 本发明的优越功效在于
1) 本发明不仅可以向下兼容目前的无源射频识别系统，同时也为有 源射频识别系统的向上发展留有空间；
2) 本发明使用接收到的载波的频率和相位信息作为参考基准，从而 不需要借助外接的晶体振荡器，便可以在标签内部生成稳定和准确的 本振信号。由于标签返回给读写器的信号与读写器发送给标签的信号 频率相同，它可以在物理上兼容目前的无源和半有源射频识别系统的 通信协议。同时，由于标签采用主动的功率发射，它可以在一定电源 管理模式下实现完整的有源射频识别系统的通信协议。
图1为一个典型的射频识别系统的示意图2为本发明的电路原理框图3为锁相环电路的原理框图； 图中标号说明 1—PC机； 3—读写器天线； 5—标签； 7—接收匹配网络 9一电源管理电路 ll一锁相环电路；
13—存储器； 15—功率放大器； 17—成形滤波器；
2—读写器； 4一标签天线； 6—双工器； 8—限幅电路；
12—基带信号处理与数字控制电路; 14—发送匹配网络； 16—混频器；
18—分频器；
19一鉴相器；
21—环路滤波器;
23—主分频器；
20—开关； 22—压控振荡器;
24—预分频器。
具体实施例方式
请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。
如图2所示，本发明提供了一种有源射频识别标签，该标签5设 置有控制环路，其中一锁相环电路11，提取和恢复读写器2的载波 频率和相位信息，生成与读写器2载波频率相同的标签内部的本振信 号，将需要返回给读写器2的信息，调制到该本振频率上，通过一功 率放大器15发送给读写器2，另一电源管理电路9，根据通信距离远、 近，控制功率放大器15输出功率大、小，电源管理电路9还控制双 工器6，控制标签5处于接收状态或发射状态。
所述控制环路，是标签5的天线4经双工器6连接至接收匹配网 络7、限幅电路8后，分别与锁相环电路ll、解调电路10和电源管 理电路9连接，解调电路10和电源管理电路9与基带信号处理与数 字控制电路12连接，基带信号处理与数字控制电路12与存储器13 和成形滤波器17连接，成形滤波器17与混频器16连接，混频器16 通过功率放大器15和发送匹配网络14连接至双工器6。
如图3所示，所述锁相环电路11，输入一基准参考信号至分频 器18,分频器18与鉴相器19连接，鉴相器19与主分频器23连接， 鉴相器19的另一路经一开关20与环路滤波器21连接，环路滤波器 21与压控振荡器22连接，压控振荡器22与预分频器24连接，预分 频器24与主分频器23连接。
标签5对天线4接收的信号进行解调，用锁相环电路ll生成的 本振信号进行相干解调，或用提取的载波信号包络进行非相干解调。
所述标签5内部的本振信号，是由锁相环电路ll生成，其参考
基准信号来自于标签5收到的读写器2载波信号，或者是该信号的分 频、整形后信号。
所述电源管理电路9根据通信距离远、近，是电源管理电路9检 测天线4接收信号的强度,信号强则通信距离近，反之则通信距离远。
所述电源管理电路9控制双工器6切换，常态下标签5处于接收 模式，双工器6切换到接收链路，锁相环电路11进行频率相位锁定 并生成相同频率的本振信号；当处于发射模式时，本振信号维持其前 一时刻的振荡状态，双工器6切换到发射链路。
所述电源管理电路9控制功率放大器15输出功率大、小，是当 电源管理电路9检测到接收信号足够强时，接通限幅电路8，减少输 入信号幅度。
如图2所示，包括了标签天线4、双工器6、接收匹配网络7、 限幅电路8、电源管理电路9、解调电路IO、锁相环电路ll、基带信 号处理与数字控制电路12、存储器13、发送匹配网络14、功率放大 器15、混频器16和成形滤波器17。本发明的核心在于锁相环电路 ll的使用。通过锁相环电路ll，获得一个与标签天线4上接收到的 载波同频同相的本振信号。标签5的基带信号处理与数字控制电路 12根据解调电路10解调出的信号进行相应的协议处理和逻辑控制， 实现对存储器13的读写操作，并将需要发送的数据交由成形滤波器 17后获得调制信号。混频器16将调制信号与本振信号相乘，从而将 需要返回给读写器的数据调制到与输入频率相同的载波上，通过功率 放大器15的放大后最终由标签天线4发送给读写器2。
电源管理电路9的作用分为三部分 一是根据是否需要建立通信 以及能否建立通信的要求，唤醒和关断标签其它部分的电路；二是当 通信建立以后，检测输入能量的强度，从而判断读写距离的远近，当 输入的能量足够强时，减小功率放大器14的发射功率，节省标签5 的功耗，同时打开限幅电路8，减小输入信号的幅度；三是对标签5
的发送和接收链路进行控制，通过双工器6将标签5在接收模式和发 送模式间切换，实现收发的时分双工。当标签5处于接收模式时，锁 相环电路11正常工作，用来锁定本振和载波之间的频率以及相位， 而当标签5处于发送模式时，锁相环电路11将不再跟踪载波，其输 出的本振将维持前一刻的振荡状态而自由振荡，当发送结束之后，再 重新进行环路的锁定，如此往复循环。
电源管理电路9始终工作。当通信开始时，首先由读写器2向标 签5发送一定强度的信号，当电源管理电路9检测到这个信号满足通 信需求时，双工器6被切换到接收链路，同时打开解调电路10和锁 相环电路ll。解调电路10对载波上携带的有用信息进行解调，并将 其交由基带信号处理与数字控制电路12进行操作。基带信号处理与 数字控制电路12根据读写器2发送过来的指令，进行协议处理和读 写存储器的操作。在完成解调、基带协议处理以及读写存储器的过程 中，锁相环电路11完成了锁定，它能够输出一个与载波同频同相的 本振信号。此时电源管理电路9将标签5切换到发送模式，在这个模 式下，解调电路10被关断，包括成形滤波器17、混频器16和功率 放大器15的发送链路被打开，双工器6被切换到发送链路。此时， 锁相环电路11不再对载波进行锁定，而是根据前一个时刻的振荡状 态维持输出的本振信号。在发送链路中，成形滤波器17根据调制方 式以及相应的频率规范的要求，对输入的调制信号进行处理，其输出 的信号经过混频器16与本振信号相乘后，被调制到本振的频率，也 就是输入的载波频率上，功率放大器15对调制后的信号进行功率放 大，由天线发回给读写器，完成一次数据通信。在数据发送完成后， 电源管理电路9关断发送链路，重新将标签切回到接收模式下，锁相 环电路11也再次开始对载波进行锁定。
如图3所示，参考基准^是标签天线4上采到的载波信号，而 输出Kw则用来作为标签5内部的本振信号。参考基准分频器18将载
波信号分频至一个较低的频率进行锁相处理，鉴相器19在环路中起 到误差放大器的作用，用来最小化其输入之间的相位误差，这个误差 信号经过环路滤波器21后被转换成一个电压信号用来控制压控振荡 器22的振荡频率，压控振荡器22的输出经过预分频器24和主分频 器23分频后被送回鉴相器19进行相位比较。当标签处于接收模式时， 开关20闭合，锁相环电路11正常工作，用来锁定本振的频率和相位， 而当标签处于发送模式时，开关20打开，压控振荡器22将维持前一 刻的振荡状态自由振荡。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而 非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普 通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替 换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的 权利要求范围当中。
权利要求
1.一种有源射频识别标签，其特征在于该标签设置有控制环路，其中一锁相环电路，提取和恢复读写器的载波频率和相位信息，生成与读写器载波频率相同的标签内部的本振信号，将需要返回给读写器的信息，调制到该本振频率上，通过一功率放大器发送给读写器，另一电源管理电路，根据通信距离远、近，控制功率放大器输出功率大、小，电源管理电路还控制双工器，控制标签处于接收状态或发射状态。
2、 按权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于 所述控制环路，是标签的天线经双工器连接至接收匹配网络、限幅电路后，分别与锁相环电路、解调电路和电源管理电路连接，解调 电路和电源管理电路与基带信号处理与数字控制电路连接，基带信号 处理与数字控制电路与存储器和成形滤波器连接，成形滤波器与混频 器连接，混频器通过功率放大器和发送匹配网络连接至双工器。
3、 按权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于 标签对天线接收的信号进行解调，用锁相环电路生成的本振信号进行相干解调，或用提取的载波信号包络进行非相干解调。
4、 按权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于 所述标签内部的本振信号，是由锁相环电路生成，其参考基准信号来自于标签收到的读写器载波信号，或者是该信号的分频、整形后 的信号。
5、 按权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于 所述电源管理电路根据通信距离远、近，是电源管理电路检测天线接收信号的强度，信号强则通信距离近，反之则通信距离远。
6、 按权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于 所述电源管理电路控制双工器切换，常态下标签处于接收模式，双工器切换到接收链路，锁相环电路进行频率相位锁定并生成相同频率的本振信号；当处于发射模式时，本振信号维持其前一时刻的振荡状态，双工器切换到发射链路。
7、按权利要求1所述的有源射频识别标签，其特征在于 所述电源管理电路控制功率放大器输出功率大、小，是当电源管理电路检测到接收信号足够强时，接通限幅电路，减少输入信号幅度。
全文摘要
一种有源射频识别标签，该标签设置有控制环路，其中一锁相环电路，提取和恢复读写器的载波频率和相位信息，生成与读写器载波频率相同的标签内部的本振信号，将需要返回给读写器的信息，调制到该本振频率上，通过一功率放大器发送给读写器，另一电源管理电路，根据通信距离远、近，控制功率放大器输出功率大、小，电源管理电路还控制双工器，控制标签处于接收状态或发射状态。本发明的优点是使用接收到的载波的频率和相位信息作为参考基准，从而不需要借助外接的晶体振荡器，便可以在标签内部生成稳定和准确的本振信号。由于标签返回给读写器的信号与读写器发送给标签的信号频率相同，在物理上兼容目前的无源和半有源射频识别系统的通信协议。
文档编号G06K19/077GK101369319SQ20081020117
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者杰 谭, 车文毅, 昊 闵 申请人:复旦大学