CN101160589A - Rfid收发机单元 - Google Patents

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Abstract

用于检测RFID发射机应答器的RFID收发机单元(10)，所述收发机单元包括连接环形发射天线(12)的发射机，用来发送电磁激励场；连接环形接收天线(14)的接收机。当激励场(24)激励RFID发射机应答器(18)，RFID发射机应答器发射电磁响应场，其在接收天线中感应出发射机应答器信号。因而接收天线响应电磁场产生的接收信号包括发射机应答器信号。接收天线的接收信号通常包括由激励场在接收天线中直接感应得到的干扰信号。收发机单元包括减弱接收信号中的干扰信号的装置。

Description

RFID收发机单元
技术领域
本发明涉及一种射频识别(RFID)收发机单元，具体涉及例如用在儿童座椅检测设备中的感应收发机单元。
背景技术
RFID系统是公知系统，当标签位于RFID收发机单元的检测范围内时，该系统将带有RFID标签(或RFID感应器)的物体识别出来。
图1示出这样的公知RFID系统。该系统包括发射(TX)天线12和一个或更多接收(RX)天线14(清楚起见，这里仅示出一个)。天线12、14由磁线圈实现并连接到电子模块16。
当一个或更多RFID设备18位于系统检测范围内时，能将这些设备检测出来，这些设备通常称为标签、发射机应答器或振荡电路。为了实现这一目标，发射机20(由控制单元22控制)驱动基本正弦的电流经过发射天线12，或将基本正弦的电压加载到天线12。流动电流ITX激发电磁场24和磁通，为RFID设备18提供能量。RFID设备自身开始产生磁通26(即响应场)，通过该磁通发送它们的特定信息。通量26的一部分，下文称为φTRANS-RX，流向一个或更多接收天线14并在这些线圈中感应出电压。接收机28解码RFID设备18发射的数据，从而识别出RFID设备18或附有该设备的物体。
RFID系统的一个应用是汽车座椅上儿童座椅存在及方向的检测。如图2和图3所示，用于检测汽车中乘客座椅34上儿童座椅32的传统RFID收发机单元通常设置在乘客座椅34的乘坐部分36中。儿童座椅安装有两个RFID发射机应答器18。一个发射机应答器18a装在儿童座椅的左侧；另一个发射机应答器18b安装在儿童座椅的右侧。乘客座椅34安装有儿童座椅存在和方向检测器31，包括发送天线12、左接收天线14a和右接收天线14b以及电子模块16。为了确保x-和y-方向上的充分检测，发射天线12和接收天线14覆盖座椅34的乘坐区域36的大部分。这使得接收天线14和发射天线12之间距离很小，从而导致接收天线14和发射天线12间的高耦合。关于RFID收发机单元的信号接收，由于它们相对灵敏度很差，因而有进一步改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的RFID收发机单元。其由权利要求1所要求的RFID收发机单元实现。
用于检测RFID发射机应答器的RFID收发机单元包括：连接环形发射天线的发射机，用于发送电磁激励场，和连接环形接收天线的接收机。当激励场激励RFID发射机应答器时，RFID发射机应答器发送电磁响应场，其在接收天线中感应出发射机应答器信号。因而，接收天线响应电磁场而产生的接收信号包括该发射机应答器信号。接收天线的接收信号通常包括由激励场在接收天线中直接感应出的干扰信号。根据本发明的重要方面，收发机单元包括用来减弱接收信号中的干扰信号的装置。
整个接收信号包括发射机应答器信号和干扰信号。通过减弱干扰信号，增加了发射机应答器信号的相对比重，从而得到更好的信噪比并增加了灵敏度。可以更可靠的检测和解码发射机应答器信息。利用普通收发机的尺寸，根据本发明的收发机得到更大的检测范围。相对传统RFID系统，在不损害性能的情况下，本发明能够进一步减小系统尺寸。
在本发明的第一具体实施例中，其中用来减弱接收信号中的干扰信号的装置包括盘绕接收环形天线或发射环形天线之一形成至少一主环和一次环，主环和次环方向相反。天线环可以包括几圈。次环可以位于平面之上、之下或主环平面内，并从主环所包围的区域向外延伸。
发射机应答器信号来自磁通φTRANS-RX，而发射天线在接收天线的环中产生通量φTX-RX，该通量引起干扰信号。通过部分掉转接收天线的盘绕方向，使得接收天线包括主环和次环。由发射天线在次环中产生的磁通引起的信号部分被由发射天线在主环中产生的磁通引起的信号所补偿。因而减弱了最终的干扰信号。
优选的将发射机应答器放置在基本位于主环上方的区域，这定义了检测响应场的敏感区域，而次环从主环向外横向延伸。
在本发明的另一个具体实施例中，减弱接收信号中的干扰信号的装置包括在发射天线和接收天线间连接的电路。该电路产生和发射天线的激励场相关的补偿信号并将该补偿信号与接收信号结合从而减弱接收信号中的干扰信号。
发射天线中由发射机产生的用来发射激励场的激励信号作为输入信号馈入到电路。电路则包括移相器，其相对激励信号相位移动补偿信号的相位。优选地，电路同时包括调整补偿信号幅度的装置。
可以由带有电容器的电路实现移相器，而调整幅度的装置可以包括例如乘法器、衰减器、放大器或电阻器。所述装置优选地能够基于例如发射机应答器信号、接收信号和/或干扰信号动态调整幅度。
电路可以包括通过加法来合并补偿信号和接收信号的加法器。
应该理解，电路可以包括模拟电路和/或数字电路，其含有数字化接收信号的装置。在后一例子中，可以用软件将补偿信号和经数字化的接收信号合并。
这样的RFID收发机可以用在汽车座椅的儿童座椅检测设备中。在这个例子中，发射天线和接收天线附在汽车座椅上或集成到其中。可以将发射天线或接收天线盘绕起来。优选地，儿童座椅检测器包括两个接收天线，将每个盘绕起来从而得到至少一主环和一次环。可以将次天线环放置在接线端或接收天线的连接结构内。接线端从主环向外延伸用来连接到控制器。
附图说明
现在参考附图介绍本发明的优选实施例，其中：
图1：是现有技术RFID系统的示意图；
图2：是传统儿童座椅检测系统的示意图；
图3：是图2的传统儿童座椅检测系统的电子组件的俯视图；
图4：是具有根据本发明的收发机的第一实施例的RFID系统的示意图；
图5：是图4所示的RFID系统的变化示意图；
图6：是带有翻转接收天线的儿童座椅检测系统的RFID收发机的俯视图；
图7：是具有根据本发明的收发机的第二具体实施例的RFID系统的示意图；
图8：是图7所示RFID系统的变化示意图；
图9：是带有翻转发射天线的儿童座椅检测系统的RFID收发机的俯视图；
图10：是RFID收发机单元的第一电路的框图；
图11：是RFID收发机单元的第二电路的框图；
图12：是RFID收发机单元的第三电路的框图。
具体实施方式
参照图4，RFID收发机单元10包括发射天线12，其产生电磁激励场24。电磁激励场24和RFID发射机应答器18耦合，在后者的谐振电路内感应出电流，提供给它们能量。
发射天线12的样子基本上是平面环，并且RFID发射机应答器18放置在环垂直向上距该环平面某一距离的位置。环形接收天线14(仅示出一个)放置在平面内，基本平行放置在发射天线12的环定义的平面之上、之下或平面内。发射天线12连接到发射机20，提供引起激励场的激励信号，而接收天线经由线端30连接到接收机28。
响应于激励场24，RFID发射机应答器18发射响应场26，其可以包括编码数据，例如伪随机二进制序列。接收天线14获得响应场26以及部分激励场24。可以将在接收天线14中产生的信号理解为由响应场26感应的发射机应答器信号和激励场24感应的干扰信号的叠加。
相对激励场24的方向部分掉转接收天线14的线圈绕向，每个接收天线形成一主环40和次环42，次环42位于主环40的外部，在那里可以忽略次环同发射机应答器的耦合。主环40检测发射机应答器18，次环42补偿部分激励场24在主环40中流动的磁激励通量。因为次环42的方向相对主环是相反的，所以由激励场24在次环42中感应的电流或电压与由激励场24在主环40中感应的电压相比符号相反。由激励场24在次环42中感应的信号因而部分抵消由激励场24在主环40中感应的信号。结果，与不带盘绕接收天线14的相同尺寸的RFID收发机单元相比，减小了总的干扰信号。响应场26主要在主环40中感应电压或电流，因而响应信号减弱程度比干扰信号减弱的少。因而，发射机应答器信号与干扰信号比更大，使系统更敏感并增加了发射机应答器的识别距离。
图5中示出类似的具体实施例。这里，环形接收天线14仅掉转一次，从而次环42延伸到接收机28的线端30。如果天线仅翻转一次，与传统无翻转天线相比，该信号有180度相移。如果收发机单元对这样的180度相移是敏感的，则天线应该具有多对线交叉。如果收发机能够接受180度相移，可以使用图5的结构。
图6示出用于儿童座椅乘坐及方向检测器的RFID收发机单元10。接收天线14a、14b的方向都在连接端44(“尾部”)的区域内掉转一次，该端在电子模块16和汽车座椅的乘坐部分之间。接收天线14a、14b因而形成主环和次环。每个接收天线14a、14b大约分别覆盖汽车座椅的左半部乘坐部分和右半部乘坐部分。当儿童座椅位于该座椅上时，其左边和右边的发射机应答器的响应场在接收天线14a、14b的主环内各自感应出发射机应答器信号，用来判定儿童座椅的方向。发射机应答器到接收天线平面的距离通常是从几厘米到几十厘米。将次环设置在主环外侧，这样距离RFID发射机应答器更远，从而使RFID发射机应答器到次环的耦合可忽略。另一方面，接收天线14a、14b的次环部分补偿接收天线14a、14b和发射天线12间的磁耦合，该耦合围绕在接收天线14a、14b周围。如果没有补偿线圈，长连接结构44将增加磁耦合因数，这将导致灵敏度的损失。通过使用这些补偿线圈，可以使用线缆连接来改善RFID系统的性能，并且可以使用更长的线缆。
图7和图8示出RFID收发机单元10，其中发射天线12包括主环46和次环48，次环相对主环180度翻转。RFID发射机应答器18位于主环46垂直向上距发射天线12的平面某一距离的地方。环形接收天线14(仅示出一个)放置在发射天线12的环路定义的平面之上、之下或平面内。发射天线12连接到发射机20，提供引起激励场的激励信号，而接收天线经由线端30连接到接收机28。次环48产生的激励场24的一部分基本上与由主环46产生的激励场24的一部分反向。因为发射机应答器18主要由激励场的后一部分激励，它们的响应场26与发射天线不翻转时发射的响应场没有明显不同。相反的，由次环48产生的激励场的一部分在接收天线14中感应的电压抵消了由主环46直接耦合到接收天线而感应的电压。从而减弱了由发射天线12在接收天线中感应的总信号(针对本例)，接收天线没用翻转。
在图7中，次环48延伸到发射天线12的接线端，而图8中，次环48全部在电子模块16的外部。
图9示出用于儿童座椅存在和方向检测器的RFID收发机单元10，该单元带有翻转发射天线12。在位于电子模块16和汽车座椅的乘坐部分之间的接线端44(“尾部”)区域中，发射天线12包括次环，其与汽车座椅的乘坐部分中的发射天线的主环相比方向相反。尾部44中发射和接收天线间的耦合引起接收天线14a、14b中的信号，其减弱了在座椅的乘坐部分中接收天线14a、14b感应的信号。
现在针对图10-12讨论具体实施例，其中干扰信号得到衰减。
图10的框图给出用来修正接收到的信号的电子模块16的电路，该信号在线117和118间以电压差的形式存在。将来自接收天线的线117和118间的电压差通过差分放大器101从差分信号转化为单端信号110。差分放大器101的输出电压U110是线118的电压U118和线117的电压U117之差：U110＝U118-U117。减法器100减去补偿信号116，该补偿信号实质上同接收信号110的干扰信号部分同相，从而得到单端信号111。
差分放大器104转换线112和113之间的差分电压形式的激励信号，并用单端输入信号114U114＝U113-U112驱动发射天线。然后通过移相器103移相输入信号114。选择相移使接收信号110的信号115和干扰信号部分之间的相移基本上为零。然后经乘法器102衰减移相信号115，该信号的电压与发射线间的电压差相等。放大器102的第二输入是具有常数电压或电压可由控制单元22调整的信号119。因此，乘法器102的输出端的补偿信号116是发射线113和112之间电压差的移相值，该信号同时也是减法器100的输入信号。可以减小其幅度，衰减率可以调整或固定。信号116和接收信号110的干扰信号部分之间的相位差几乎为零。
然后减法器100的输出111用于驱动接收机28的输入。如果需要(例如，如果接收机28只接受差分信号)，通过使用反相放大器，可以将单端信号111转换回差分信号。
如图11所示，如果差分接收信号117和118，以及发射信号112和113最初没有转换成单端信号，然后(如果必要)再转换成差分信号，也可以应用该思路。
移相器203和移相器103具有基本相同的相移。乘法器202与乘法器102基本相等，由相同的控制信号119控制。如果信号112和113是反相的，信号116和216也相互反相。减法器200和100也基本相同，使驱动接收机的输入的输出信号111和211除了相互反相外也基本相同。结果，电压112和113用作补偿电路的输入信号，它们移相到几乎相同的程度并且衰减类似。分别从电压118和电压117中减去得到的信号116和216，以补偿至少部分接收天线中激励场的直接感应电压。
接收天线的线117和118间的电压差URX由通量φTRANS-RX引起的电压UTRANS-RX和通量φTX-RX引起的电压UTX-RX组成：URX＝UTX-RX+UTRANS-RX。UTX-RX与φTX-RX成正比，UTRANS-RX与φTRANS-RX成正比，比例因数基本相同。电压URX中，可以根据UTRANS-RX调整UTX-RX，同样根据φTRANS-RX调整φTX-RX可以获得相同的效果。这可以用图10和图11中示出的电路实现，其中将接收天线电压URX中减去正比于UTX-RX的电压。
减去量可以是变化的和适应的，使电压URX的UTX-RX部分优化衰减。为了实现这一目的，控制单元22通过设置不同值寻找乘法器102的最优化控制电压119。在设置每个值之后，测量接收机28的输出幅度。将每个输出幅度存储在控制单元22，在步进完不同控制电压值后，控制单元22选择值，该值使接收机28的输出处产生最高幅度值。将控制电压119设置为这个值。可以在收发机单元的输出末端实现控制电压119的最优化值的寻找，或在RFID系统的周期中在线实现。
为了优化操作，可以使用整流器105测量接收机输入信号111的幅度。该整流器优选为同步整流器，由来自发射机输出112或113的信号控制。也可以使用不同的整流器，例如峰值或平均值检测器，然后控制单元22测量整流器105的输出并设置控制电压119，使整流器105的输出会在最小门限值之下，同时接收输入信号111的输出幅度最大。
图12的等效电路示意图示出补偿激励场到接收天线的直接耦合的简单示例电路。线圈304代表发射天线的电感量，电阻303代表发射天线的电阻量，而线圈305代表接收天线的电感量。线圈304、305间存在一定的磁耦合。线圈304、305旁边的点指示线圈的相对方向。电阻300、301、306、307，以及电容308、309构成移相衰减网络，降低发射线圈电压112、113间的差分信号的幅度，同时对所述差分信号移相。衰减网络将得到的衰减后的移相信号同接收线圈117、118间的差分信号相加。相加后的信号111、211送到接收机的输入端。这个例子中，电阻300和301的电阻值基本相同，电阻306和307的电阻值基本相同，电容308和309的电容值基本相同。衰减因数主要取决于电阻301的电阻值和并联电阻306和电容309的阻抗间的关系，也取决于电阻300的电阻值和并联电阻307和电容308的阻抗间的关系。移相主要由电容309和电阻306和301间的关系决定，也由电容308和电阻307和300间的关系决定。所需的移相主要由发射线圈电阻303和电感304之间的关系决定。
本领域技术人员可以理解，除了分别并联排列电阻306和电容309、电阻307和电容308外，移相、衰减网络也可以分别包括串联排列的电阻306和电容309以及电阻307和电容308。

Claims (12)

1.用于检测RFID发射机应答器的RFID收发机单元，所述收发机单元包括：
连接环形发射天线的发射机，用来发射电磁激励场；
连接环形接收天线的接收机，所述接收天线用来生成包括发射机应答器信号的接收信号，所述发射机应答器信号由所述RFID发射机应答器响应所述激励场而发射的电磁响应场感应得到；
其特征在于：
所述收发机单元包括用来减弱所述接收信号中包括的干扰信号的装置，所述干扰信号直接由所述激励场在所述接收天线中感应得到。
2.根据权利要求1的RFID收发机单元，其中所述装置包括盘绕所述接收环形天线或发射环形天线之一以形成至少一主环和一次环，所述主环和次环方向相反。
3.根据权利要求1的RFID收发机单元，其中所述装置包括盘绕所述接收环形天线以形成至少一主环和一次环，所述主环和次环方向相反。
4.根据权利要求2或3的RFID收发机单元，其中所述主环定义检测所述响应场的灵敏区。
5.根据权利要求1到4的任意一项的RFID收发机单元，其中所述装置包括连接在所述发射天线和所述接收天线间的电路，用来产生与所述发射天线的所述激励场相关的补偿信号，并将所述补偿信号与所述接收信号结合，从而减弱所述接收信号中的所述干扰信号。
6.根据权利要求5所述的RFID收发机单元，其中所述发射机在所述发射天线中产生激励信号用来发射所述激励场，所述激励信号作为输入信号馈入到所述电路，并且其中所述电路包括移相器，使所述补偿信号的相位相对所述激励信号的相位得到偏移。
7.根据权利要求5或6的RFID收发机单元，其中所述电路包括用来调整所述补偿信号幅度的装置。
8.根据权利要求7的RFID收发机单元，其中用于调整所述补偿信号幅度的所述装置能够动态调整所述幅度。
9.根据权利要求5到8中任意一项的RFID收发机单元，其中所述电路包括用来将所述补偿信号和所述接收信号相加的加法器。
10.用于汽车座椅的儿童座椅检测设备，包括根据权利要求1到9的任意一项的RFID收发机单元，其中所述发射和接收天线和所述汽车座椅关联。
11.根据权利要求10的儿童座椅检测设备，有两个接收天线，盘绕所述两个接收天线的每一个形成至少一主环和一次环。
12.根据权利要求11的儿童座椅检测设备，其中接收天线有连接到控制器的接线端，所述接线端从所述主环向外延伸并且其中所述次天线环放置在所述接线端内。
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