通過電感耦合進行射頻發送/接收的終端的製作方法
2023-05-29 12:13:51
專利名稱：通過電感耦合進行射頻發送/接收的終端的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及通過電感耦合來發送數據，更具體地說，涉及一種非 接觸式收發器終端，其能夠以所謂的第一讀取器模式進行操作，其中終端 與遠程電磁發射機-應答器相通信，以及以所謂的第二卡片模式進行操作， 其中終端作為相對於另 一個終端的電磁發射機-應答器而進行操作。
背景技術：
非接觸式卡片讀取器向通常不具有自備電源的卡片的振蕩電路發射 磁場。在讀取器-卡片方向中，數據通常被編碼，然後在用於驅動讀取器的 振蕩電路的載波的調幅中被發送。在卡片(發射機-應答器)-讀取器方向 中，通過例如藉助於開關使天線電路短路，卡片電路利用通常所謂的反調 制(retromodulation)電路在讀取器的磁場上調製由卡片的振蕩電路所形成 負載。
通過電感耦合來發送數據、且能夠在卡片;f莫式下和在讀取器;f莫式下操 作的射頻終端需要能夠根據不同協議來管理數據幀的編碼和解碼。
標準設置了通信協議。舉例來說參考ISO標準14443，其定義了讀取 器的天線電路在大約13.56 MHz的頻率下被驅動。由所產生的磁場的調幅
4利用100% (ISO標準14443-2 / A)或者10% (ISO標準14443-2 / B )的調 制深度來執行在讀取器-卡片方向中的數據發送。在卡片-讀取器方向中，
輸，所述調製根據曼徹斯特型標準14443-2 / A或者根據BPSK型標準 14443-2/B而^皮編碼。
在卡片^t式下，通常由讀取器所產生的磁場來感應電路供電，所述磁 場構成了卡片和讀取器之間的通信信道。因此，用於驅動讀取器的振蕩電 路的交流信號構成了卡片的遠程供電載波。
在讀取器模式下，終端需要被供電(由電池組或者由與電源線配電系 統的連接)以便向卡片發射磁場。
在專用設備中，讀取器天線(或者振蕩電路的電感)常常適合於發射 頻率(例如13.56 MHz)且適合於A.C.信號發生器的阻抗，而卡片的天線 (諧振電路的電感)常常被調諧成系統的工作頻率(例如，13.56MHz)。
如果讀取器天線已經被調諧、但是不匹配，那麼發射也不是最佳的。
相反地，如果卡片天線匹配、但是失調，那麼電力恢復(power recovery)
就不能糹皮優化。
因而，對於在卡片模式下和在讀取器模式下的操作來說，天線電路通 常不能兼容。尤其是，很難採用單個天線來設計出既能在讀取器模式下操 作又能在卡片模式下進行操作的設備。
文獻EP-A-1327222描述了 一種能夠在讀取器;f莫式和卡片模式下進行 操作的非接觸式集成電路讀取器，其接收部分與電感電容低通和帶通濾波 器相連以便允許根據不同協議進行操作。這種操作只能匹配讀取器模式、 而在卡片模式下卻沒有進行最佳調諧，或者卡片模式下調諧、但在讀取器 模式下沒有進行最佳匹配。
US2007/0063041描述了 一種通過電感耦合來發送或接收信息的終端， 其根據發射或者接收操作來提供電容元件的切換。
發明內容
需要一種能夠在讀取器模式和卡片模式下操作的設備，其克服了常用 設備的全部或者部分缺點。
更具體地說，需要一種採用單個天線在卡片模式和讀取器模式下進行 操作的設備，並且其改進了讀取器模式下的匹配和卡片模式下的調諧。
還需要一種適合雙重放大器輸出端拓樸結構的解決方案。
還需要一種在天線和解調電路之間無須另一個電感元件的解決方案。
還需要一種簡單地從一個模式切換到另一個模式的解決方案。
還需要改進設備的功耗，尤其是當它操作於讀取器模式時。
為了實現全部或部分的這些目的及其他目的，本發明的至少一個實施
例提供了一種通過電感耦合來進行發送/接收的設備，包括
用於產生AQ.C.信號的裝置，所述AQ.C.信號用於驅動振蕩電路；
用於在要發送數據時調製振蕩電路阻抗的裝置，該振蕩電路包括
電感元件，與第一電容元件並聯來構成天線；以及
與開關串聯且具有相同值的一個第二電容元件和一個第三電容元件， 全部與第一電容元件和天線並聯，調製裝置連接在天線的端子與用於提供
AQ.C.信號的裝置的兩個端子之間，所述用於提供AQ.C.信號的裝置分別連
才妾在開關兩端。
根據實施例，當設備要發射AQ.C.信號且操作於讀取器模式時，開關 處於斷開位置。
根據實施例，當設備要在負載調製中發射數據且操作於卡片模式時， 開關處於接通位置。
根據實施例，電容元件被調整大小，以便在AQ.C.發射信號的頻率下， 振蕩電路匹配用於產生AQ.C.信號的裝置的輸出阻抗。
根據實施例，選擇電容元件的值之和，以便將振蕩電路調諧到在卡片 模式下從另一個設備所接收的AQ.C.信號的頻率
6根據實施例，所述開關由發送放大器的輸出開關構成。
根據實施例，設備還包括第二開關，其用於在設備將要操作於讀取器 模式時斷開調製裝置。
本發明還提供了 一種用於在以讀取器模式操作與以卡片模式操作之 間通過電感耦合來配置設備進行發送/接收的方法，包括根據操作模式切換 設備的單個振蕩電路的電容元件的步驟。
根據實施例，設備空閒狀態處於讀取器模式，當它檢測到從振蕩電路 中提取的供電電壓時，設備切換到卡片模式。
結合附圖在對特定實施例的下述非限制性描迷中，詳細地論述了本發 明的上述目的、特徵和優點。
圖1非常示意性地例示了一種採用讀取器-卡片設備的非接觸式數據
傳輸系統；
圖2是讀取器-卡片設備的實施例的功能框圖2A顯示了在讀取器模式下圖2的振蕩電路2的等效電氣示意圖3是讀取器-卡片設備的另一個實施例的功能框圖4A和4B例示了圖3的設備的振蕩電路的兩種配置；
圖5是圖2的讀取器-卡片設備的更詳細的框圖6是圖5的設備的改進的部分表示；以及
圖7是讀取器-卡片設備的又一個實施例的電氣框圖。
具體實施例方式
在不同附圖中對相同元件指定相同參考數字。為了清楚的目的，僅顯 示和描述了對理解本發明有用的那些元件。具體地說，沒有詳細描述讀取 器模式或者卡片模式下的數據傳輸協議，所描述的實施例適合於已被廣泛地標準化、因而很容易得到的常用協議。此外，沒有詳細描述讀取器-卡片 設備的應用，所描述的實施例在此同樣兼容於兩種模式下採用不同電流的 設備或者組合設備。例如，這些設備可以是與電子標籤進行通信的終端， 所述電子標籤能夠切換到卡片模式以從一個終端向鄰近終端直至伺服器 傳送數據。還可以是可攜式設備，其能夠根據在卡片模式(在傳送應用中) 和在讀取器模式下的的應用來進行操作。
圖1是系統的框圖，其中設備1能夠在讀取器模式下與電磁發射機-應答器8 (例如，非接觸式晶片卡或者電子標籤)進行通信，或者在卡片 模式下與另一個讀取器9進行通信，可以組合使用或不組合使用。三個設
備l、 8和9包括構成天線的電感的元件L1、 L8、 L9，其與一個或幾個電 容元件(圖1中未示出)相關聯，以構成有關設備的振蕩或者諧振電路。 圖1中例示的方框中存在的其它元件包括不同的數據利用及發送電路。
對於卡片或者標籤8來說，這些電路包括至少一個用於校正振蕩電路 兩端所採樣的信號的元件以由此提取供電電壓。發射機-應答器還包括反調 制元件，其用於改變形成於由讀取器所產生的電磁場上的負載，以及可能 包括用於解調由讀取器所發送的數據的電路
對於單個讀取器9來說，所述讀取器至少包括用於產發射機-應答器的 電磁場、能夠被調幅以向其發送數據的元件，以及用於對所接收數據進行 解調的元件，其包括用於在磁場中檢測由發射機-應答器執行的負載調製的裝置。
組合設備1包括用於調製其產生的電磁場的裝置和用於感測等效場並 發回反調製數據的裝置。
圖2是組合設備1的實施例的框圖。該框圖的作用在於，用於卡片模 式和讀取器模式的不同元件沒有被詳細描述、而是在單獨的方框中顯示。 然而實際上，某些電路可由兩種功能共用。因此，方框11 (CM)代表了 卡片^f莫式下所採用的不同電路，方框12 (RM)代表了讀取器模式下所採 用的不同電路，以及方框13 (CTRL)代表了用於選擇;f莫式和同步操作的 不同電路。在圖2的例子中，振蕩電路2包括，天線U的端子21和22 之間的電容元件C2和可切換電容元件C1。切換例如由開關K來執行，在
8元件C2和L1兩端，開關K與電容元件C1串聯連接。天線的串聯(寄生) 阻抗由電阻元件R1以點線來例示。此外，端子21和22連接到卡片模式 方框11以釆樣在讀取器磁場中所感測的AQ.C.信號。開關K和電容元件 Cl的連接點23以及端子22連接到讀取器模式方框12，以便在設備操作 於讀取器模式時利用AQ.C.信號驅動振蕩電路2。
當設備要操作於讀取器模式時，開關K由控制模塊13切換到斷開位 置，且當設備要操作於卡片模式時被切換到接通位置。因此，在卡片模式 下，電容元件C1並聯於電容元件C2，且它們相應的值彼此相加。在讀取 器模式下，開關K斷開，電容C1以用於驅動振蕩電路的載波的頻率(例 如，13.56 MHz)加入到阻抗匹配電路。
假定方框12的輸出級(未顯示)表示輸出阻抗Rs。實際上，讀取器 模式的放大器的輸出阻抗小於大約10ohms,因此在設備的工作頻率下不匹 配天線的阻抗。這就需要一種阻抗匹配方案。
讀取才莫式下的匹配包括利用具有兩個元件的所謂的"L"拓樸結構。 假定要匹配元件的值，那麼兩個元件都是電容(C1和C2)。
圖2A例示了讀取器模式下的圖2的電路2的等效電氣示意圖，電阻 器Rl (標為Rlp)並耳關於電感(標為Llp)。圖2A例示了方框12的輸出 放大器31 (緩衝器)的存在。這類放大器31具有三態類型，以便在卡片 ^f莫式下在其輸出端顯示出高阻狀態。
為了從並聯等效模型(圖2A )向串聯等效模型(圖2 )傳遞，以及反 之一般採用以下關係式(為了簡化表示法，參考L1、 Rl、 Llp和Rlp來 指定所包含的元件的值)
Q = H = %I^,其中Xs表示輸出放大器31的串聯導納(series admittance )，以及Q表示串聯電路L1-R1的品質因子(quality factor )。
Rlp = (Q2+1) {FLD1} Rl;以及
M ■ .X.l.i..p Rip— P = ^T =",其中XLlp表示電感Ll的導納。在卡片模式下，電容C1和C2之和必須使得振蕩電路將由遠距離終端
發射的場的頻率作為諧振頻率。
在讀取器;jt式下，如圖2A中所例示的那樣，在元件C1和C2的"L" 拓樸結構中獲得匹配。因為並聯設置的天線的每單位長度的阻抗較高(一 般地大約幾千ohms )，選擇電容Cl和C2,以便匹配的並聯和串聯元件Qp 和Qs的品質因子相等，並且可寫成
因此，振蕩電路2的組件根據調諧和匹配頻率來調整尺寸。最好是， 已知天線的電感的值，根據讀取器模式下的阻抗匹配需求來確定電容Cl 和C2的值。通常，天線的這個電感值與其幾何結構有關係。
考慮到以上所公開的條件，元件Cl和和C2的值可根據下式來確定
給定電容C2的值不必僅僅考慮上述元件(例如，用上述關係式計算 出)，而且還要考慮到設備的輸入電容，即連接于振蕩電路的電容。例如， 如果連接到振蕩電路2的設備的元件提供20 pF電容，則由上述關係式所 得到的電容C2的值減少20pF。電容C1的值不變。
圖3例示了另一個實施例，其中讀取器模式的電路包括分別由相同的 電容元件Cl連接到端子21和端子22的兩個輸出放大器31和32。開關K 連接到放大器31和32的相應輸出端23和24。電路的卡片端不變。在卡
-'..(￥l.p - Rs);以及
10片模式下，輸出放大器或者緩衝器31和32被切換到其輸入為高阻的狀態 以免千擾接收。與之前的實施例相比，區別有關於方框12'的雙重放大器
輸出端拓樸結構，其需要對稱匹配結構。
圖4A例示了當開關K斷開(讀取器模式)時圖3的振蕩電路2'的 等效電氣示意圖。
圖4B例示了當開關K導通(卡片模式)時圖3的振蕩電路2，的等 效電氣示意圖。
圖5是能夠利用如圖2所例示的振蕩電路2來操作於卡片模式和讀取 器模式的設備的更詳細的框圖。
處理單元41 (PU)用於利用要發送的數據和接收的數據。在讀取器 模式下，單元41控制發送電路42，除了其他的以外，所述發送電路42包 括調製器421 (MOD)和能夠切換到高阻抗的輸出放大器或者緩沖器31。
在卡片模式下，單元41接收經由解調器43 (DEMOD)而從振蕩電路 2中提取的數據，並且藉助於調製器44 (MOD)來調製形成于振蕩電路上 的負載。在這個操作才莫式下，藉助於整流元件45 (例如，整流橋)從由遠 距離終端所發射的高頻場中提取設備供電，所述整流元件45的輸入端連 4妄到糹展蕩電路的端子21和22以.及其輸出端連接到電源電路46 ( AL1M )。 電路46例如是電壓調節器，其用於向設備的不同電路41、 42、 43、 44提 供電壓。
在讀取器模式下，調節器46例如從配電網絡的電池組中接收電源電壓。
圖6例示了一種改進，根據這種改進，開關K是具有卡片模式的輸出 放大器31'的開關。這种放大器實際上常常以MOS電晶體的形式構成。 因此，輸出放大器的低點部分(low portion)的MOS電晶體( 一般地具有 N溝道)可用作接地端23。
由於放大器31和32的輸出電晶體對的相應低頻和高頻電晶體(low and high transistors),所以可在圖3的實施例中預見出這種結構。
圖7顯示了具有圖3的結構的另一個實施例，但是其中當設備要操作
li於讀取器模式時附加開關K，斷開卡片模式的電路。實際上，電源電路(整
流器45和電路46)最好是保持連接，即開關K'耦合在這些電路與卡片 模式電路的其餘部分(至少電路43和44,圖5)之間。在簡化實施例中， 用於觸發開關K導通的控制電路13還觸發開關K，的導通。
例如，在空閒狀態中，開關K和K，斷開，且假定設備操作於讀取器 模式下。對於其中在整流器45的電平下檢測電源電壓的情況而言，即使 具有匹配且不調諧的電路，還原電壓也足夠電路13導通開關K和K，並 且切換到卡片模式。
才艮據開關K，的替換實施例，開關可被集成在電壓調節器46中以形成 被控調節器。
現在有可能對能夠操作於讀取器模式和卡片模式下的設備共享單個 天線(單個電感線圈)。所提供的系統也非常簡單。在這一點上，實施例 所應用的系統的卡片和讀取器的振蕩電路的並串聯結構中可獲得優點。尤
其是，與TT型或T型結構相反，振蕩電路的電容和電感元件的特定結構允
許在卡片模式下在調諧電路中獲得L型匹配。
作為特定實施例，根據具有13.56 MHz頻率的14443標準之一進行操 作的設備可利用具有1卞H電感的天線和電容元件Cl和C2來構成，所述 電容元件在圖3和7的實施例具有總共138 pF的值。因為電感元件並聯的 等效電阻(天線的阻抗)具有幾千ohms (例如，大約3kQ)，而讀取器模 式的放大器的輸出電阻具有幾ohms (例如，大約4 ohms )，在這個例子中， 在13.56 MHz下根據讀取器模式下的匹配計算來執行的值Cl與C2之間的 分配是C1為107 pF、 C2為31 pF。如果振蕩電路2連接到的電路提供了 大約20pF的電容，那麼現在給予電容C2的值不超過11 pF (31-20)。
已經描述了本發明的各個實施例。不同的變化和修改都屬於所屬領域 技術人員的能力範圍之內。尤其是，根據以上給定的功能表示和分別為讀 取器模式和卡片模式設計的匹配和調諧頻率，根據所採用的天線而要給予 電容元件的值的選擇也在所屬領域技術人員的能力範圍之內。此外，儘管 已經參考應用了標準14443的例子來更具體地描述了本發明，但本發明更 一般地說可應用於任何射頻收發器系統，其中設備能夠操作在讀取器模式和卡片模式下。
這種變更、修改和改進屬於本說明書後部分且屬於本發明的精神和範 圍之內。因此，以上描述僅是以示例的方式，而不是為了限制。本發明僅 被限制於以下權利要求及其等價體所定義的那樣。
權利要求
1.一種通過電感耦合進行發送/接收的設備，包括用於產生AQ.C.信號的裝置(11)，所述AQ.C.信號用於驅動振蕩電路；當要發送數據時，用於調製振蕩電路的阻抗的裝置(12，12』)，其中振蕩電路包括電感元件(L1)，與第一電容元件(C2)並聯從而構成天線；以及與開關(K)串聯且具有相同值的一個第二電容元件和一個第三電容元件(C1)，全部與第一電容元件和天線並聯，調製裝置連接在天線的端子(21，22)與用於提供AQ.C.信號的裝置的兩個端子之間，所述用於提供AQ.C.信號的裝置分別連接在開關兩端。
2. 如權利要求1所述的設備，其中，當設備必須發射AQ.C.信號且操 作於讀取器模式時，開關(K)處於斷開位置。
3. 如權利要求1所述的設備，其中，當設備要在負載調製中發送數據 且操作於卡片模式時，開關(K)處於接通位置。
4. 如權利要求1所述的設備，其中，電容元件的大小調整為在AQ.C. 發射信號的頻率下，振蕩電路匹配用於產生AQ.C.信號的裝置的輸出阻抗。
5. 如權利要求1所述的設備，其中選擇電容元件(CI, C2)的值的總 和，以便將振蕩電路調諧到在卡片模式下從另一個設備接收的AQ.C.信號 的頻率。
6. 如權利要求1所述的設備，其中所述開關(K)由發送放大器(31, 32)的輸出開關構成。
7. 如權利要求1所述的設備，進一步包括第二開關(K')，其用於在 設備將要操作於讀取器模式時，斷開調製裝置。
8. —種用於在以讀取器模式操作與以卡片模式操作之間通過電感耦 合來配置設備進行發送/接收的方法，包括根據操作模式切換設備的單個振蕩電路的電容元件(Cl， C2)的步驟。
9.如權利要求9所述的方法，其中設備方法處於讀取器模式，當它檢 測到從振蕩電路中提取的供電電壓時，設備切換到卡片模式。
全文摘要
一種通過電感耦合進行發送/接收的方法和設備，包括用於產生AQ.C.信號的電路，所述AQ.C.信號用於驅動振蕩電路，以及用於在要送數據時調製振蕩電路的阻抗的電路，振蕩電路包括與第一電容元件並聯來構成天線的電感元件；以及與開關串聯的至少一第二電容元件，全部元件與第一電容元件和天線並聯，調製電路連接在天線的端子與用於產生AQ.C.信號電路之間，所述用於產生AQ.C.信號的電路連接到第二電容元件和開關的連接點。
文檔編號G06K7/00GK101576950SQ20091012918
公開日2009年11月11日 申請日期2009年3月31日 優先權日2008年3月31日
發明者亞歷山大·查爾斯, 亞歷山大·特拉莫尼, 亞歷山大·馬勒布, 熱羅姆·康勞克斯 申請人:意法半導體(胡希)公司