用於由非接觸型收發信機系統所發送的電磁信號的調製器的製作方法
2023-04-26 20:03:21 2
專利名稱：用於由非接觸型收發信機系統所發送的電磁信號的調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電磁信號發射天線，該天線位於非接觸型收發信機系統中的讀卡器，並且被設計成向可攜式非接觸型對象發射電磁信號，特別是涉及一種用於由非接觸型收發信機系統所發送的各種電磁信號的調製器。
背景技術：
介於一個非接觸型對象以及一個非接觸型收發信機系統之間的信息交換通常由介於被安裝在該非接觸型對象之中的第一天線以及位於非接觸型收發信機系統之中的第二天線之間的遠距離電磁耦合來完成。而且，在該對象上，安裝了一個電子模塊，其特徵在於第一天線被連接到一個電子晶片，它在其他眾多元件中，含有一個射頻(RF)部分，一個微處理器和/或一個存儲器，其中存儲著準備提供給非接觸型收發信機系統的信息，還有為編輯待發送的信息、以及為處理已接收的信息所需的各項邏輯功能。
非接觸型對象，它可能是一張門票或者具有信用卡格式的卡片，是一種在各個領域中越來越普遍使用的系統。例如，在交通部門，可自由使用的非接觸型車票以及非接觸型智慧卡已經被開發出來，作為供臨時的和長期的用戶使用的一種支付手段。對電子錢包來說，情況也是如此。許多公司也已經開發出針對使用非接觸型智慧卡的全體員工的識別裝置。
目前，介於非接觸型收發信機系統(通常被稱為讀卡器)與各種非接觸型智慧卡之間的數據傳輸均遵循各項ISO標準。在最廣泛的推廣應用中，ISO標準14443涉及介於智慧卡以及讀卡器之間經由無線電的雙向數據傳輸。此項標準覆蓋了兩項傳輸協議，它們被稱為類型「 A」傳輸協議以及類型「B」傳輸協議。這兩項非接觸型數據傳輸協議，A和B，不同之處在於，一方面，介於讀卡器與卡之間，另一方面，介於卡與讀卡器之間的射頻(RF)通信所使用的調製類型。在這裡，只討論從讀卡器向卡發送的信號。
在從讀卡器到卡的數據傳輸方向中，協議B提供了對應於所發送信號或者由所發送數據的電磁載波的10％的調幅度的振幅調製，而在協議A中，由所發送的數據對電磁載波進行100％的調幅度的振幅調製。在兩種情況下，在第一時間間隔t1內，所發送的周期性的電磁載波的振幅都被默認為最大，然後，在第二時間間隔內，對第一種情況來說，它等於在調製過程中的最大振幅的大約82％，而對第二種情況來說，它等於在調製過程中的最大振幅的0％。
目前，越來越多的標準要求非接觸型讀卡器同時兼容於兩種傳輸協議類型，A和B。對這兩種協議來說，標準化的電磁載波頻率是共同的，並且通常等於13.56MHz。
對讀卡器來說，主要的性能標準之一就是電磁輻射場的範圍，它必須儘可能地大。因此，各製造商均致力於採取提高電源電壓以外的方法，來拓展他們的傳輸系統的範圍。然而範圍的拓展不應出現這樣的風險，即，當卡靠近讀卡器時，卡會發生飽和或損壞。
滿足此項性能標準的因素之一就是使用具有高的過電壓比的各種天線。在諧振頻率上，出現在電感(電磁載波的一個來源)兩端的電壓有效值基本上等於在該電路兩端的電壓的Q倍；Q為過電壓因數。這樣一來，天線的過電壓比越高，其輻射場的範圍就越大。
為了得到所發送信號的100％的振幅調製，目前普遍使用的方法包括，在對應於根據協議A的場的截止時間內，在該電路兩端關斷電壓源，以便停止電磁載波的發射。
實際上，雖然顯著地增加了天線的驅動電路的阻抗，但是，關斷髮生器會使電壓降低到零。由於在電路中所積累的負載，這將使天線繼續發射(電磁波)，這又導致在一段比截止時間更長的時間內，發射一段阻尼的電磁載波振蕩。其結果是，在信號截止期間，向卡輻射的(電磁)場的振幅不為零，並且由該天線發射的電磁場不對應於電磁載波的100％的振幅調製；這發生在比理論上的截止時間為短的一段時間內，其振幅小於或等於輻射信號的最大振幅的5％。
因而，使用具有高的過電壓比的天線兼容於B型讀卡器。對這樣的讀卡器來說，由於它的調幅度只有10％，所以電磁載波總是存在的，同時，它勉強地兼容於A型讀卡器。再有，用一個具有高的過電壓比的天線所獲得的小的阻尼效果僅對調幅度為10％的波形產生輕微的影響。
為了使用兼容於兩種讀卡器類型的天線，第一種解決方案包括使用具有降低了的過電壓比同時具有兼容於標準A的要求的阻尼的天線，雖然這樣做在滿足標準B的性能特性方面有所犧牲。
第二種解決方案包括使用具有雙極型晶體三極體的線性放大器，它使得由天線發射的信號受到阻尼，因此，在截止時間內，輻射場(的強度)為零。這種解決方案能獲得預期的阻尼，但是以犧牲輸出為代價。雖然需要大的極化電流，但是該電路具有恆定的輸出阻抗。這種電路的實現比較複雜。
第三種解決方案包括，使用場效應晶體三極體用於切換，以便降低損耗，同時不犧牲B型讀卡器的範圍。使用這樣的晶體三極體使該電路在「打開」和「閉合」兩個位置之間進行切換，並且當電路被持續地打開時，通過增加所呈現的阻抗來獲得最大的輻射場，但在類型A協議的情況下，在波形方面會有所犧牲。
發明內容
這就是為什麼本發明的第一目標是提供一種裝置，它使得在發送類型A協議信號的過程中，在最高性能狀態下，從讀卡器的天線向非接觸型智慧卡發送電磁載波。
本發明的第二目標就是提供一種裝置，它使得在發送類型A和類型B協議信號的過程中，在最高性能狀態下，從讀卡器的天線向非接觸型智慧卡發送電磁載波。
因此，本發明的用途涉及在一個非接觸型收發信機系統中使用通往一個非接觸型對象的電磁波輻射的數據傳輸設備，所發送的各數據比特對應於第一時間間隔與第二截止時間間隔的交替，在上述第一時間間隔內，按照預定的載頻來發射電磁波，而在上述第二截止時間間隔內，在按照預定的載頻來發射電磁波的過程中，將出現一段截止。本設備包括產生裝置，它在第二截止時間間隔內，用於產生其頻率高於基波頻率的電磁波，由此導致天線的輻射場的衰減大於一個預定的數值。
通過下面的結合諸附圖的說明，將使本發明的各種用途、目標和特性變得更為明顯，在諸附圖中圖1表示根據協議A發射的電磁場的包絡，通過使載波頻率(的發射)截止來獲得，圖2表示根據本發明而發射的電磁場的包絡，圖3表示天線的輻射場相對於所接收的信號頻率的幅度曲線，圖4是根據本發明的裝置的各項功能的一份方框圖。
具體實施例方式按照遵循當前標準的兩個數據傳輸協議類型A和B，從讀卡器通過射頻(RF)信號向智慧卡發送數據。A類協議按照100％的調幅度對讀卡器發送的電磁波進行調製。該周期性載頻波的幅度在初始時間間隔內為最大值並且恆定不變，而在第二時間間隔內其值為零。B類協議按照10％的調幅度對讀卡器發送的電磁波進行調製。該周期性載頻波的幅度在初始時間間隔內為最大值並且恆定不變，而在第二時間間隔內其幅度為最大幅度的10％。按照實際標準，電磁載波的頻率通常為13.56MHz，這也是在本文獻中選擇該值作為參考值的原因。但是，電磁載波的頻率也可以取不同的值，這並沒有超出本發明的範圍。
根據A類數據傳輸協議，通過截止13.56MHz的傳輸頻率，使得電磁載波在時間間隔t內被截止。
圖1表示讀卡器的天線所輻射的電磁場的包絡。當載頻的頻率為13.56MHz時，輻射產生的電磁場10是最強的。當該頻率被截止時，輻射產生的電磁場按照曲線12逐漸減小，直至時間間隔t結束時達到最小值，但該最小值不為零。時間間隔t結束後，載波的頻率重新回到13.56MHz，輻射產生的電磁場幅度也按照曲線14逐漸增加，直至達到最大值10。在這種情況下，對載波進行100％的調幅度的調製，將不能達到令人滿意的效果。當獲得輻射電磁場幅度的最小值(現行標準通常要求小於最大幅度的5％)時，就能在時間間隔t的某一時段中得到這種調製。當曲線12所表示的載波頻率被截止時，輻射電磁場的減弱並不明顯，在實現100％的調幅度方面，尚不足以獲得一個令人滿意的波形。
圖2表示由根據本發明的裝置的讀卡器天線所輻射的電磁場的包絡。當載波頻率為13.56MHz時，輻射電磁場20是最強的。為了在時間t得到載波幅度的截止，向天線發送的信號頻率將變為時間t內的諧振頻率的兩倍。因此，天線接收到一個頻率為27.12MHz的信號，由於該頻率處於天線的帶寬以外，所以天線不產生輻射電磁場。事實上，在頻率轉換期間得到的輻射電磁場，沿著一條很快衰減的曲線22迅速減弱，直至在一個重要的時間t』，它達到一個可忽略的數值為止。當電磁載波的頻率為13.56MHz時，天線輻射的電磁場24將增強，直至到達最大值20為止。這時所得到的波形在實現100％的調幅度方面是令人滿意的。只要所發射的信號頻率處於天線的帶寬之外，並且高於被截止的基頻的頻率，就能得到這樣的結果。
圖3示出了天線輻射產生的電磁場相對於該天線所接收的信號的頻率之間的關係。該電磁場在諧振頻率fR處為最強。對低於或等於頻率f1的頻率來說，其輻射電磁場的幅度將小於在諧振頻率fR處的電磁場幅度的5％。同樣，f2代表的也是這樣一個頻率，高於這個頻率，輻射電磁場的幅度將小於在諧振頻率上電磁場幅度的5％。在截止期間所產生的頻率上，能滿意地得到符合協議A的可變的電磁場截止，天線的輻射場的幅度必須小於輻射場的最大幅度的5％。在截止期間所產生的頻率必須能導致輻射電磁場的衰減等於一個預定的數值，該數值最好是等於30dB。在截止期間所產生的頻率要麼小於f1並且不等於0，要麼大於f2。在一個優選實施例中，它大於或等於fR的兩倍。根據本發明的優選實施例，在截止期間所產生的頻率等於諧振頻率的兩倍，也就是27.120MHz。
圖4以方框圖形式表示的電子裝置代表本發明的一個優選實施例，其中，數據信號42控制雙投開關48。(開關的)第一位置對應於頻率為27.120MHz的信號，它是在截止期間由時鐘44提供的。(開關的)第二位置對應於頻率為13.56MHz的標準頻率的信號，它是由分頻器46產生的。上述裝置被納入到可編程邏輯電路40之中，該邏輯電路40的輸出信號50通過兩個輸入端被施加到功率開關級，輸入端52對應於可編程邏輯電路40的輸出信號，而另一個輸入端54所對應的信號則是被轉換開關53倒相後的同一輸出信號。功率開關級56含有兩個場效應晶體三極體，分別與輸入端52和54相連接，並且打算切換到從兩個輸入端其中之一所接收的頻率，當一個晶體三極體被「打開」時，另一個晶體三極體則被「閉合」。來自功率開關級的兩路輸出信號先通過兩個電阻58和60，然後經過只允許基頻信號通過的低通濾波器62進行濾波。在濾波器62的輸出端，這兩路信號被天線64發送到非接觸型卡。
權利要求
1.在一個通往非接觸型對象的非接觸型收發信機系統中使用電磁波輻射的一個傳輸裝置，所發送的各數據比特對應於一個第一時間間隔以及一個第二截止時間間隔的交替，在上述第一時間間隔內，按照一個預定的載頻來發送電磁波，在第二截止時間間隔內，在按照一個預定的載頻來發送電磁波的過程中，出現一段截止，其特徵在於，它包括產生裝置，用於在第二截止時間間隔內，產生電磁波，其頻率高於被截止的基頻，由此導致天線的輻射場的衰減大於一個預定的數值。
2.根據權利要求1所述的數據傳輸裝置，其中，在截止期間產生的所述頻率上的輻射場的衰減小於或等於30dB。
3.根據權利要求2所述的數據傳輸裝置，其中，在截止期間產生的所述頻率處於頻率範圍f1-f2以外，所對應的天線輻射場的幅度大於或等於在所述預定的載頻上的輻射場的幅度的5％。
4.根據權利要求3所述的數據傳輸裝置，其中，在截止期間產生的所述頻率等於所述預定的載頻的兩倍。
5.根據權利要求4所述的數據傳輸裝置包括可編程邏輯電路(40)，它在一個初始的時間間隔以內，提供處於所述預定的載頻上的第一信號，並且在一個第二時間間隔以內，提供一個第二信號，其頻率為所述預定的載頻的兩倍，由數據信號(42)來控制所述第一信號與所述第二信號之間的切換。
6.根據權利要求5所述的數據傳輸裝置，其中，所述預定的載頻等於13.56MHz。
7.根據權利要求6所述的數據傳輸裝置，其中，所述可編程邏輯電路(40)包括一個工作於27.12MHz的時鐘(44)，以及一個分頻器(46)，後者提供所述預定的載頻(13.56MHz)，由所述時鐘提供所述倍頻(27.12MHz)。
8.根據權利要求7所述的數據傳輸裝置，包括一個功率開關級(56)，其特徵在於，由所述可編程邏輯電路(40)的兩路輸出對兩個場效應晶體三極體進行控制，使得當所述晶體三極體其中之一被「打開」時，另一個晶體三極體被「閉合」。
9.根據前述各項權利要求中任何一項所述的數據傳輸裝置，其中，所發送的數據符合根據類型A協議的數據傳輸標準ISO 14443，其中，通過所發射的電磁場的截止來產生各數據比特。
全文摘要
本發明涉及一種裝置，它在一個非接觸型發送/接收系統中藉助於電磁波輻射，用於向一個非接觸型對象發送數據。所發送的各數據比特對應於一個第一時間間隔以及一個第二截止時間間隔的交替，在上述第一時間間隔內，按照一個預定的載頻來發送電磁波，而在第二截止時間間隔內，按照一個預定的載頻來發送的電磁波則被截止。根據本發明，在所述第二截止時間間隔內，產生裝置(40，42，44，46，48)被用來產生頻率為預定載頻的兩倍的電磁波，由此，使天線所輻射的(電磁)場發生衰減，所述衰減大於一個預定數值，例如30dB。
文檔編號H04B5/02GK1483182SQ02803128
公開日2004年3月17日 申請日期2002年9月13日 優先權日2001年9月14日
發明者奧利弗·帕拉奧爾特, 奧利弗 帕拉奧爾特 申請人:Ask股份有限公司