CN101438506A - 在近场传播模式下通过磁感应进行信号传输的、具有链路预算优化的天线调谐的系统 - Google Patents

在近场传播模式下通过磁感应进行信号传输的、具有链路预算优化的天线调谐的系统 Download PDF

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CN101438506A CNA2007800159374A CN200780015937A CN101438506A CN 101438506 A CN101438506 A CN 101438506A CN A2007800159374 A CNA2007800159374 A CN A2007800159374A CN 200780015937 A CN200780015937 A CN 200780015937A CN 101438506 A CN101438506 A CN 101438506A
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Abstract

一种信号传输系统(STS)，其包括：发射机(T)，具有第一LC电路，所述第一LC电路包括第一线圈(C1)，所述第一线圈(C1)被馈送以具有选定载波频率的信号；接收机(R)，具有第LC电路，所述第LC电路包括第二线圈(C2)，并且耦合到电路前端(FE)。所述第一线圈(C1)被布置为：在近场传播模式下，通过磁感应将能量传递到所述第二线圈(C2)。所述第一LC电路(C1)具有增大的品质因数，并且被调谐到第一频率，所述第一频率在第一方向上与所述载波频率偏移第一值，所述第二LC电路(C2)具有增大的品质因数，并且被调谐到第二频率，所述第二频率在与所述第一方向相反的第二方向上与所述载波频率偏移第二值。

Description

在近场传播模式下通过磁感应进行信号传输的、具有链路预算优化的天线调谐的系统
技术领域
本发明涉及用于在近场传播模式下通过磁感应进行信号传输的系统。
这里，“信号传输系统”表示包括发射机和远距离接收机在内的系统，所述发射机具有电路驱动器，所述电路驱动器意欲被馈送以具有选定载波频率的信号，并且馈给第一发送天线线圈，所述远距离接收机具有耦合至电路前端的第二接收天线线圈，所述第一线圈被布置为：在近场传播模式下通过磁感应将能量传递到第二线圈。
背景技术
本领域技术人员已知，磁感应是用于在作为例如无线通信设备的一部分的发射机与接收机之间发送信号的一种技术。
磁感应基于由发射机的第一线圈来生成准静态磁场分量，表示待发送的信息的可变(正弦)电流流过所述发射机的第一线圈。当远距离接收机的第二线圈截取所生成的磁场时，表示已发送的信号的已调电流被感应到其绕组内。
可以将电流环路(或环路天线)所生成的磁场划分为三个基本项：一个辐射项与r-1成比例(其中，r是距电流环路的距离)，表示离开线圈的能流，一个项与r-2成比例，而最后一个准固定项与r-3成比例。
当发射机与接收机之间的距离很小时，即当其小于λ/2π(其中，λ是与信号频率相对应的波长)时，场传播被称为“近场模式”。在这种模式下，准固定项(1/r3)占主导地位，并且是主要影响因素。这个1/r3项与频率无关，这暗指对于给定的线圈和电流，可以在近场模式下以任意频率采用该项，从而以接收机的电平生成指定的磁场。因此，在近场模式下，实质上由第一线圈特性来确定磁场特性，并且电场比磁场弱得多。
在近场模式下，一旦选择了系统操作载波频率和带宽，就可以通过接收机自身的功耗、大小以及其它设计考虑的约束来独立地优化发射机和接收机天线设计。
在现有技术的大多数信号传输系统中，第一(发送)线圈被放置为与电容器谐振，通过该谐振，其形成LC储能电路(也称为“发送(TX)LC电路”)。这减小了驱动天线的电流(驱动器电流)，并且达到了所需的线圈电流。在接收模式下，电路前端是电压检测器，所感应的电压必须被最大化。这可以通过将第二(接收)线圈放置为与电容器谐振来完成，通过该谐振，其形成另一LC储能电路(也称为“接收(RX)LC电路”)。
TX LC电路和RX LC电路两者都被调谐到操作载波频率，并且两者都具有低品质因数(Q)，以使得大部分信号通过它们。
可见，就发射机的功耗而言，这种天线调谐不是最佳的。
发明内容
因此，本发明的目的在于改进现有技术，并且更精确地提供一种具有能够进行链路预算优化的新型天线的信号传输系统。
为此，提供一种信号传输系统，其经典地包括发射机和接收机，所述发射机具有第一(TX)LC电路，其包括第一线圈，所述接收机具有第二(RX)LC电路，其包括第二线圈，并且耦合到电路前端，所述第一线圈被布置为：在近场传播模式下通过磁感应将能量传递到所述第二线圈。
所述信号传输系统的特征在于：其第一LC电路具有增大的品质因数，并且被调谐到第一频率，所述第一频率在第一方向上与所述载波频率偏移第一值，其所述第二LC电路也具有增大的品质因数，并且被调谐到第二频率，所述第二频率在与所述第一方向相反的第二方向上与所述载波频率偏移第二值。
与现有技术通常所使用的较低的值相比，必须考虑品质因数值的增大。
根据本发明的信号传输系统可以包括分离地或组合地考虑的附加特征，具体是：
- 所述第一值可以等于所述第二值；
- 所述第一方向可以要么与载波频率的增大方向相对应，要么与其减小方向相对应；
- 例如，所述第一值和所述第二值可以被包含在10kHz到200kHz之间，并且优选地在140kHz到180kHz之间(事实上，这些值取决于所考虑的Q因数和所使用的信号调制方式)；
- 所述第一LC电路和所述第二LC电路的品质因数可以近似地是两倍；
- 所述第一线圈和/或所述第二线圈可以绕着铁氧体磁芯缠绕；
- 所述发射机可以包括调制器，其被布置为：向所述第一(TX)LC电路馈送已调信号。在这种情况下，所述接收机包括：解调器，其被布置为：对由所述第二(RX)LC电路所捕获的信号进行解调；例如，所述调制器可以被布置为输出以FSK调制或MSK调制的信号；
- 所述发射机可以包括：上混频器，其被布置为：将用于馈送给所述第一(TX)LC电路的信号的频率转变至所述载波频率附近，所述接收机可以包括：下混频器，其被布置为：将源自所述第二(RX)LC电路的信号的载波频率向下转变至更低的频率；
- 所述接收机可以包括：放大装置，其被布置为对由所述第二(RX)LC电路所检测到的信号进行放大。
本发明还提供一种包括信号传输系统(例如上述信号传输系统)的发射机和/或接收机的无线通信设备。
附图说明
通过研究下列详细说明书以及附图时，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
- 图1示意性地示出根据本发明的信号传输系统的示例，
- 图2示意性地示出作为频率的函数(以MHz为单位)的幅度响应(以dB为单位)的示例；S1表示现有技术的发射机和接收机中的天线储能电路(tank)的幅度响应，SC1表示现有技术的系统中的发送和接收的幅度响应S1的组合，ST2表示根据本发明的发射机LC储能电路的幅度响应，SR2表示根据本发明的接收机LC储能电路的幅度响应，SC2表示根据本发明的系统中的ST2与SR2的组合。
附图不仅可以用于使得本发明完整，而且还可以根据需要用于本发明的定义。
具体实施方式
首先参照图1，描述根据本发明的信号传输系统STS的实施例的示例。
信号传输系统STS包括：发射机T，其被布置为发送无线电信号；接收机R，其被布置为接收发射机T所发送的无线电信号。在图1所示的非限定性示例中，发射机T配备第一设备E1，而接收机R配备第二设备E2。
在以下描述中，将认为第一设备E1和第二设备E2是双向无线通信设备，例如无线电话和接听设备。但重要的是，注意，本发明不局限于这种类型的无线通信设备。本发明应用于任意类型的无线通信设备，并且新颖地应用于配备有无线电通信模块的膝上型电脑或个人数字助理(PDA)，并且应用于遥测设备，例如无线人体传感器。
在第一设备E1和第二设备E2是双向无线通信设备的情况下，它们都包括发射机T和接收机R、或充当发射机T和接收机R的收发机。
如图1示意性所示，发射机T包括：至少第一(TX)LC电路(或储能电路)，其包括耦合在一起的电容器(未示出)和第一天线线圈C1；以及耦合至第一LC电路的天线(或电路)驱动器CD。
天线驱动器CD接收具有选定操作载波频率Fc的信号，并且激励第一LC(谐振)电路。根据本发明，第一LC电路具有增大的品质因数Q，并且被调谐到第一频率F1，所述第一频率F1在第一方向上与操作载波频率Fc偏移第一值δ1。因此，F1＝Fc+/-δ1。在前面的关系式中，由符号+或-来表示第一方向。
例如，第一值δ1被包含在10kHz到200kHz之间，并且优选地在140kHz到180kHz之间。第一值δ1取决于所考虑的品质因数Q和所使用的信号调制方式。例如，如果使用FSK调制，则可以选择第一值δ1等于150kHz。但也可以选择其为等于175kHz。
这里，“增大的品质因数”表示其值大于现有技术中通常使用的第一LC电路的Q值的品质因数(Q)。优选地，根据本发明的第一LC电路的Q值大约为现有技术的LC电路的Q值的两倍。例如，如果现有技术的Q值等于22.5，则根据本发明的第一LC电路的Q值等于45。
基本上，Q因数增大越大(与标准情况相比)，偏移δ1就越高。Q与δ1之间的关系取决于调制的谱分量的分布。
第一线圈C1被馈送以表示要发送的信号的可变电流或电压。因此，第一线圈C1生成表示信号的准静态磁场分量。因为第一LC电路被调谐到偏移Fc的F1，所以发射机T的第一线圈C1所生成的频谱是不对称的(如图2的曲线ST2所示)。
第一线圈C1可以绕着铁氧体磁芯缠绕，以增大总共生成的磁场，其等于由可变电流创建的磁场与由材料的磁化创建的磁场之和。因此，这种铁氧体磁芯能够增大链接效率。
为了可以按已调形式(即，利用要发送的信息来进行调制)来发送信号，发射机T还可以包括调制器MR，其在天线驱动器CD上游，如图1示意性所示。这种调制器MR可以实现任意类型的信号调制方案，特别是FSK(“频移键控”)调制方案或MSK(“最小频移键控”)调制方案。
此外，当要发送的信号具有比操作载波频率Fc更低的载波频率时，发射机T还可以包括上混频器UM，其被布置为在将这些信号的载波频率转变到操作载波频率Fc附近。如图1示意性所示，这种可以是乘法器的上混频器UM可以位于调制器MR与天线驱动器CD之间。
远距离接收机R包括：至少第二(RX)LC电路(或储能电路)，其包括耦合在一起的电容器(未示出)和第二天线线圈C2；以及耦合至所述第二LC电路的电路前端FE。
当由发射机T的第一线圈C1所生成的(可变)磁场穿过第二线圈C2的环路(或线匝或绕组)时，第二线圈C2通过磁感应生成表示该磁场、并且因此表示具有操作载波频率Fc的已发送的(或可能为已调制的)信号的已调电流。
所述第二线圈C2可以绕着铁氧体磁芯FC2而缠绕，以增大磁感应所引入的电流，并且因此增大链路效率。
电路前端FE接收第二线圈C2所输出的已调电流，并且对其进行放大和滤波，以输出滤波后的已调电流。根据本发明，第二LC电路具有增大的品质因数Q，并且被调谐到第二频率F2，所述第二频率F2在与第一方向相反的第二方向上与操作载波频率Fc偏移第二值δ2。因此，F2＝Fc+/-δ2。在前面的关系式中，由符号-或+来表示第二方向。更精确地，如果F1＝Fc+δ1，则F2＝Fc-δ2，而如果F1＝Fc-δ1，则F2＝Fc+δ2。
例如，第二值δ2也可以被包含在10kHz到200kHz之间，并且更优选地在140kHz到180kHz之间。第二值δ2取决于所考虑的品质因数Q和所使用的信号调制方式。优选地，第二值δ2等于第一值δ1。例如，可以选择等于150kHz或175kHz的第一值δ1和第二值δ2。
这里，“增大的品质因数”也表示其值大于现有技术通常使用的RXLC电路(或储能电路)的Q值的品质因数(Q)。
重要的是，注意，对于实现高Q因数，存在物理限制。换句话说，可以用于根据本发明的Q因数的值是相当有限的。就驱动第一(TX)线圈C1而言，并且就针对所定义的穿过第二(RX)线圈C2的磁场(H)而在第二(RX)LC电路(或储能电路)上引入的电压而言，Q因数越高越好。但为了避免(通过信号衰减和失真)损坏具有高Q因数的已调信号，必须偏移第一(TX)LC电路(或储能电路)的第一调谐频率和第二(RX)LC电路(或储能电路)的第二调谐频率，以使得TX/RX滤波器的总体传递函数适于通用信号。
例如，如果现有技术的Q值等于22.5，则根据本发明的第二LC电路的Q值大约为其两倍，(即，等于45)。
第二LC电路被调谐到偏移Fc的F2，其放大/滤波效果是不对称的(如图2的曲线SR2所示)，并且补偿发射机T所生成的不对称频谱。当δ1等于δ2时，这是准完全不对称的(如图2曲线的SC2所示)。
如图1示意性所示，可以由放大器A来对第二LC电路所输出的滤波后的已调电流(具有操作载波频率Fc)进行放大。这种放大器A优选地是低噪声放大器(LNA)。如图所示，这种放大器A可以位于电路前端FE的下游(其也可以是电路前端FE的一部分)。
当第二LC电路(或可能跟随电路前端FE的放大器A)所输出的电流表示利用要取回的信息而调制的信号时，接收机R必须包括解调器DR，解调器DR用于对这些电流进行解调，以取回它们所包含的信息。当然，这种解调器DR实现的解调方式与发射机T的调制器MR所实现的调制方式类型相同。
接收机R还可以包括下混频器DM，其被布置为将电流的操作载波频率Fc转变至选定载波频率附近。如图1示意性所示，这种下混频器DM可以位于放大器A(或当接收机R不包括放大器时的第二LC电路)与解调器DR之间。当电路前端FE包括放大器A时，其还可以包括下混频器DM(在所述放大器A下游)。
发射机T的至少一部分，特别是其调制器MR、上混频器UM和电路驱动器CD可以构成利用芯片产业制造中所使用的CMOS技术或任意技术所实现的集成电路。此外，接收机R的至少一部分，特别是其解调器DR、下混频器DM以及最后其电路前端FE可以构成利用芯片产业制造中所使用的CMOS技术或任意技术所实现的集成电路。
图2示出在根据本发明的现有技术的信号传输系统STS的情况下的作为频率(以MHz为单位)的函数的天线响应(以dB为单位)的示例的比较。在非限定性示例中，信号传输系统STS操作于等于13.5MHz的操作载波频率Fc附近，并且使用具有大约600KHz带宽的FSK已调信号、等于1.0的调制指数以及等于300Kbps的调制速率，以发送数据(信息)。
标记为S1的曲线表示现有技术的信号传输系统中的发射机和接收机中的天线储能电路。
标记为SC1的曲线表示现有技术的信号传输系统中的发射机和接收机天线响应S1的组合的传递函数。
标记为ST2的曲线表示根据本发明的信号传输系统STS的发射机T中的天线储能电路的频率响应。
标记为SR2的曲线表示根据本发明的信号传输系统STS的接收机R中的天线储能电路的频率响应。
标记为SC2的曲线表示根据本发明的信号传输系统STS中的发射机频率响应ST2和接收机频率响应SR2的组合的频率响应。
由于LC电路驱动器CD中的频移和增大的Q因数，因此发送储能电路的等效串联阻抗减半，从而导致对于相同第一线圈电流(因此，在远程第二线圈C2上的相同磁场生成和磁感应电势)在功率上的+3dB增益。
此外，由于增大的Q因数，使得在接收机中利用与现有技术经典信号传输系统相同的方式对FSK调制的左频点(或频点0，即Fc-δ1)或右频点(或频点1，即Fc+δ1)进行放大，但与经典信号传输系统相比，右频点被放大+6dB。
此外，因为在发送频谱ST2中，右频点比左频点低近似7dB，穿过第一线圈C1的电流近似被除以2.2(-7dB)，这在统计上是一半。这平均导致近似4dB的功率减小。因此，由于不对称发送频谱而导致功率存在增益(+2.2dB)。
另外，接收机R的噪声带宽近似被除以2，但通过成比例地等效增大热噪声而对其进行补偿。
另外，最终通过发送/接收天线组合来对频谱进行均衡，这导致大约相同的总体传递函数。
因此，可以达到近似+5.2dB的总增益。
优选地，Eb/No比率(噪声谱密度(No)上的每比特的平均能量(Eb))必须增大1dB，以保持与现有技术中的经典信号传输系统相同的性能。例如，为了满足等于10-3的BER(误比特率)，现有技术的经典信号传输系统的Eb/No比率必须等于14.5dB，而在根据本发明的信号传输系统STS中，其必须等于15.5dB。实际上，频点0的Eb(表示为Eb0)高于Eb(101og10(EB0/Eb)＝2.2dB)，比率Eb0/No必须等于17.7dB(15.5+2.2)。
在带宽等于300kHz的情况下，如果链路预算是基于频点0的，则在Q因数等于45以及上述Eb0/No比率的情况下，通过第一线圈C1的所需电流必须近似等于17mA(rms)，以近似得到47μV。
因此，利用这些值，对于频点0，电池B的功率(用于具有不对称发送频谱的本发明的发射机T)，必须近似等于0.93mW，而在具有对称发送频谱的经典发射机中，其等于1.78mW。对于频点1，因为电池功率通常比针对频点0的电池功率小2.2倍，所以平均电池功率近似等于0.56mW。
因此，由于本发明，使得发射机T中的功率的总增益近似等于1.78/0.56≈3.17(5dB)。
在调制方案比FSK调制方案更紧凑的情况下，特别是在利用在实践中能够实现的最高的Q因数的MSK调制方案的情况下，也可以获得增益。
因此，本发明提供了一些优点，特别是显著的功率减小以及改进的选择性。
应注意，电流消耗(在发射机侧)随所发送的码元的类型而改变，但可以通过引入比特加扰来对其进行管理。
本发明不限于上述信号传输系统的实施例，这些实施例仅仅作为示例，本发明包括本领域技术人员在所附权利要求的范围内可以考虑到的所有替换实施例。

Claims (15)

1.一种信号传输系统(STS)，包括：发射机(T)，具有第一LC电路，所述第一LC电路包括第一线圈(C1)，所述第一线圈(C1)被馈送以具有选定载波频率的信号；接收机(R)，具有第二LC电路，所述第二LC电路包括第二线圈(C2)，并且耦合到电路前端(FE)，所述第一线圈(C1)被布置为在近场传播模式下通过磁感应将能量传递到所述第二线圈(C2)，所述信号传输系统(STS)的特征在于：所述第一LC电路(C1)具有增大的品质因数，并且被调谐到第一频率，所述第一频率在第一方向上与所述载波频率偏移第一值，所述第二LC电路(C2)具有增大的品质因数，并且被调谐到第二频率，所述第二频率在与所述第一方向相反的方向上与所述载波频率偏移第二值。
2.如权利要求1所述的信号传输系统，其特征在于，所述第一值等于所述第二值。
3.如权利要求1和2中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述第一方向与所述载波频率的增大方向相对应。
4.如权利要求1和2中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述第一方向与所述载波频率的减小方向相对应。
5.如权利要求1至4中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述第一值和所述第二值被包含在10kHz到200kHz之间。
6.如权利要求5所述的信号传输系统，其特征在于，所述第一值和所述第二值被包含在140kHz到180kHz之间。
7.如权利要求1至6中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述第一LC电路(C1)和所述第二LC电路(C2)的所述品质因数被加倍。
8.如权利要求1至7中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述第一线圈(C1)绕着铁氧体磁芯(FC1)缠绕。
9.如权利要求1至8中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述第二线圈(C2)绕着铁氧体磁芯(FC2)缠绕。
10.如权利要求1至9中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述发射机(T)包括调制器(MR)，所述调制器(MR)被布置为向所述第一LC电路(C1)馈送已调信号，以及所述接收机(R)包括解调器(DR)，所述解调器(DR)被布置为对所述第二LC电路(C2)所捕获的信号进行解调。
11.如权利要求11所述的信号传输系统，其特征在于，所述调制器(MR)被布置为：输出以FSK调制的信号。
12.如权利要求10所述的信号传输系统，其特征在于，所述调制器(MR)被布置为：输出以MSK调制的信号。
13.如权利要求1至12中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述发射机(T)包括：上混频器，所述上混频器被布置为将用于馈送给所述第一LC电路(C1)的信号的频率转变至所述载波频率附近，所述接收机(R)包括：下混频器，所述下混频器被布置为将源自所述第二LC电路(C2)的信号的载波频率向下转变至更低频率。
14.如权利要求1至13中任一项所述的信号传输系统，其特征在于，所述接收机(R)包括：放大装置(A)，所述放大装置(A)被布置为对所述第二LC电路(C2)所检测到的信号进行放大。
15.一种无线通信设备(E1、E2)，其特征在于包括如前述权利要求中任一项所述的信号传输系统的发射机(T)和/或接收机(R)。
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