CN101529439A

CN101529439A - 用于非接触通信的收发电路

Info

Publication number: CN101529439A
Application number: CNA2007800388496A
Authority: CN
Inventors: 埃里希·默林
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: QUOTAINNE ENTERPRISES LLC
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2027-10-01
Also published as: CN101529439B; WO2008047264A2; WO2008047264A3; EP2076868B1; EP2076868A2; US20100321128A1

Abstract

本发明公开了一种用于非接触通信的收发电路(1)，其包括：发射机装置(3)，用于生成电磁载波信号、根据所发射的数据调制载波信号、并用调制后的载波信号驱动天线(5)；以及接收机装置(4)，用于感测在天线(5)处接收到的响应信号并对响应信号进行解调。发射机装置(3)通过至少第一发射路径(TX1)连接至天线(5)，其中第一DC去耦电容器(C1b)接入第一发射路径(TX1)。接收路径(RX)从第一发射路径(TX1)分出连接至接收机装置(4)。第二DC去耦电容器(C1c)与第一DC去耦电容器(C1b)串联地接入第一发射路径(TX1)。接收路径(RX)在位于第一和第二DC去耦电容器(C1b，C1c)之间的分支点(C)处从第一发射路径(TX1)分出连接。

Description

用于非接触通信的收发电路

技术领域

本发明涉及一种用于非接触通信的收发电路，该收发电路包括：

发射机装置，适用于生成电磁载波信号、根据所发射的数据调制载波信号、并用调制后的载波信号驱动天线；接收机装置，适用于感测在天线处接收到的响应信号并对响应信号进行解调，其中发射机装置通过至少第一发射路径连接至天线，其中第一DC去耦电容器接入第一发射路径，其中接收路径从第一发射路径分出连接至接收机装置。

本发明还涉及一种NFC设备或者一种RFID读/写器设备。

背景技术

图1和图2示出了用于非接触通信的收发电路的已知实现方式。这些收发电路采用Philips Semiconductors制造的no.PN511型集成近场通信传输模块2、以及其它的无源电子器件。传输模块2固有地具备发射机装置3和接收机装置4，发射机装置3适用于生成电磁载波信号、根据所发射的数据调制载波信号、并用调制后的载波信号驱动天线5，接收机装置4适用于感测在天线5处接收到的响应信号并对响应信号进行解调。传输模块2具有可连接至第一和第二发射路径TX1、TX2的输出端，其中发射路径TX1、TX2连接至天线5，天线5在图1和图2中以其等效电路组件(即电容Cext和电感Lext)来代表。在传输模块2和天线5之间，下列器件接入发射路径TX1、TX2：电磁兼容(EMC)滤波器，其包括两个电感器L0和两个电容器C0；DC去耦电容器C1a；和阻抗匹配网络，其包括电容器C2a和欧姆电阻器Ra。此外，传输模块2具有连接至接收路径RX的输入端，接收路径RX从第一发射路径TX1分出连接。在图1中，接收路径RX的分支点位于DC去耦电容器C1a和阻抗匹配网络之间。该分支点具有同第一发射路径TX1上的第一测量点A相同的电压。在图2中，接收路径RX的分支点位于EMC滤波器和DC去耦电容器C1a之间。在该第二实施例中，分支点具有同第一发射路径TX1上的第二测量点B相同的电压。这些已知收发电路的缺点在于，接收路径RX与第一发射路径TX1的分支点处的电压不稳定，该电压会随着天线5上的负载而变化。术语“天线上的负载”是指天线5的范围内存在一个或多个RFID设备或其它谐振电路，因此天线5与这些设备或电路耦合，从而会导致天线5的失谐。注意，在收发电路的制造期间已通过阻抗匹配网络对天线5进行“调谐”。但是，精确的调谐仅在天线5的一个负载状态下实现，因此变化的负载必然导致天线5的失谐。天线5的失谐所导致的接收路径处的电压的结果取决于接收路径RX与第一发射路径TX1的分支点的位置，如图4中所示，其中图4描绘了相对天线5和RFID或NFC设备或参考谐振电路之间的归一化距离n的分布在测量点A和B测得的电压V。线A(n)表示在RFID或NFC设备或参考谐振电路10与天线5之间的距离变化时，测量点A处的电压的变化。图6示出了示意性的测量装置。可以想到，测量点A处的电压随着天线5与RFID或NFC设备或参考谐振电路10之间的距离的增大而稳定地增大，换句话说随着天线5上的负载的降低而稳定增大。线B(n)表示在RFID或NFC设备或参考谐振电路10与天线5之间的距离变化时，测量点B处的电压的变化。可以想到，测量点B处的电压随着天线5与RFID或NFC设备或参考谐振电路10之间的距离的增大而稳定地减小。因此，接收机装置4必须应对可能施加到其上的动态范围很大的电压。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种第一段所定义类型的用于非接触通信的收发电路，和NFC设备、RFID读/写器设备或者RFID卡设备，其中避免了前面列出的缺点。

根据本发明的收发电路的特征可以定义如下，即：

一种用于非接触通信的收发电路，其包括：

发射机装置，其适用于生成电磁载波信号、根据所发射的数据调制载波信号、并用调制后的载波信号驱动天线；

接收机装置，其适用于感测在天线处接收到的响应信号并对响应信号进行解调，

其中发射机装置通过至少第一发射路径连接至天线，其中第一DC去耦电容器接入第一发射路径，

其中接收路径从第一发射路径分出连接至接收机装置，

其中第二DC去耦电容器与第一DC去耦电容器串联地接入第一发射路径；

并且其中接收路径在位于第一和第二DC去耦电容器之间的分支点处从第一发射路径分出连接。

根据本发明的特征提供如下优点，即，即使在天线上的负载变化的情况下，接收路径RX处的电压也能保持稳定并且基本恒定。因此，接收路径RX上的动态范围显著缩小，于是传输模块的接收部分的放大和译码电路可以被更容易地设计出来并具有更好的性能。此外，还实现了使接收路径RX上的电压始终保持在预定范围内，即使在受到环境(如外部电磁场或者外部谐振电路)的负面影响的情况下也是如此。最后，由于接收路径RX上的电压电平可以设置得比根据现有技术的电路更高(这是因为此电压不受天线失谐的影响)，以及由于接收路径RX上更高的电压可以更好地解调所接收到的信号，所以收发电路的整体性能得到提高。

本发明可应用于不对称天线和对称天线构造。在后一情况下，发射机装置通过第二发射路径连接至天线，其中第三DC去耦电容器接入第二发射路径。为了针对对称天线获得最佳效果，优选使得第一和第二DC去耦电容器的总电容基本等于第三DC去耦电容器的电容。

在本发明的另一实施例中，确定第一和第二DC去耦电容器的电容比率以使得分支点处的电压对于天线上的变化负载保持恒定。

为了保护收发电路免受电磁冲击和其它外部信号的影响，建议将电磁兼容滤波器接入发射机装置和DC去耦电容器之间的(多个)发射路径。

通过将阻抗匹配网络接入DC去耦电容器和天线之间的(多个)发射路径，可以获得很高的发射信号功率对消耗电能的比率。

在本发明的另一实施例中，将相位调节电容器接入接收路径，使其调节发射路径和接收路径之间的信号的相位，从而获得最优的解调。

为了调节出现在接收路径上的电压电平，建议将欧姆电阻串联接入接收路径。

根据本发明的收发电路可以并入NFC设备、RFID读/写器设备或者RFID卡中。

通过下文将要描述的示例性实施例，本发明的上述限定的方面和其它方面将会很明显，并且将参照此示例性实施例进行说明。

附图说明

下面将参照示例性实施例来详细地说明本发明。本发明不限于此示例实施例。

图1示出了根据现有技术的用于非接触通信的收发电路的电路图。

图2示出了根据现有技术的用于非接触通信的收发电路的另一实施例的电路图。

图3示出了根据本发明的用于非接触通信的收发电路的电路图。

图4示出了相对收发电路的天线与RFID或NFC设备或参考谐振电路之间的归一化距离n，在测量点A、B处分布测量得到的电压的曲线图。

图5示出了表示第一发射路径TX1与接收路径RX之间的信号的相角Φ的曲线图。

图6示出了用于收发电路的测量装置的示意框图。

图7示出了已知传输模块的框图。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的收发电路1的电路图。此收发电路包括集成RFID传输模块2，例如Reader IC或者近场通信传输模块。传输模块2包括发射机装置3和接收机装置4。

为了更好地理解RFID传输模块2的功能，在图7中示出了no.PN511型近场通信(NFC)传输模块的框图。NFC传输模块2包括可以大致分为发射机装置3和接收机装置4的模拟电路。尽管未示出，模拟电路包括输出驱动器、集成解调器、位译码器、模式监测器和RF电平检测器。非接触UART通过总线与该模拟电路通信。非接触UART包括数据处理装置、CRC/奇偶生成及校验装置、帧生成及校验装置、和位编码及译码装置。UART还与包括80C51内核、ROM和RAM的微处理器进行通信。主机接口使传输模块与外部设备连接。主机接口可以包括I2C、串行UART、SPI和/或USB接口。传输模块的其它细节可以在可公开获得的各个数据清单中查找。

现在回到图3的电路图，继续对收发电路1进行说明。RFID传输模块2的发射机装置3生成电磁载波信号。根据发射数据对载波信号进行调制。用调制后的载波信号来驱动天线5。天线5构造为对称天线，即发射机装置3的输出端连接至第一和第二发射路径TX1、TX2，发射路径TX1、TX2的另一端连接至天线5的连接端。天线5由其等效电路元件表示，即两个电容Cext和两个电感Lext。天线的中央抽头连接至接地电压。但是，由于对称设计，此中央抽头不是必需的。为了保护发射机装置3避免电涌流，将包括两个电感器L0和两个电容器C0的电磁兼容(EMC)滤波器6接入第一和第二发射路径TX1和TX2。此外，包括两个电容器C2a和两个欧姆电阻器Ra的阻抗匹配网络7也接入第一和第二发射路径TX1和TX2。另外，传输模块2具有连接至接收路径RX的输入端，接收路径RX从第一发射路径TX1分出连接。相位调节电容器C3接入接收路径RX以能够对第一发射路径TX1和接收路径RX之间的信号的相角Φ进行调节，见图5的图示。通过调节相角Φ，可以实现最优的解调。此外，欧姆电阻器R1串联接入接收路径RX。通过此电阻R1，可以调节出现在接收器装置4的输入端上的电压电平。符号VMID表示接收器装置4的模拟参考电压输入。

在第一发射路径TX1中，第一DC去耦电容器C1b串联接入在EMC滤波器6和阻抗匹配网络7之间。类似地，在第二发射路径TX2中，第三DC去耦电容器C1a串联接入在EMC滤波器6和阻抗匹配网络7之间。

根据本发明，第二DC去耦电容器C1c与第一DC去耦电容器(C1b)串联地接入第一发射路径(TX1)，并且接收路径RX在位于第一和第二DC去耦电容器C1b、C1c之间的分支点C处从第一发射路径TX1分出连接。第一和第二DC去耦电容器C1b、C1c建立了电容性分压器，其中分支点C充当电容性分压器的抽头。提供电容性分压器来代替使用例如现有技术电路中的单个电容器、以及使接收路径RX从两个电容器C1b、C1c之间的抽头处分出连接的优点在于，接收路径RX上的电压稳定，并且通过为第一和第二DC去耦电容器C1b、C1c选择适当的电容值甚至可以使接收路径RX上的电压保持恒定。下面将参照附图4来说明本发明的这一原则，图4示出了相对于收发电路1的天线5与RFID或NFC设备或参考谐振电路之间的归一化距离，分别在测量点A、B和分支点C处测量得到的电压的曲线图。

图6示意性地示出了用于绘制测量点A、B和分支点C处的电压的测量装置，其中收发电路的天线5位于笛卡尔坐标系(x，y，z)的中心，参考谐振电路10沿着z轴移动。天线5与参考谐振电路10之间的距离n被归一化处理为0和1之间的值。改变天线5与参考谐振电路10之间的距离n导致天线5的变化的失谐，其结果可在图4中看到。在测量点A处，电压随着天线5与参考谐振电路10之间的距离n的增大而以线性函数A(n)增大。在测量点B处，电压随着天线5与参考谐振电路10之间的距离n的增大而以线性函数B(n)减小。但是，通过适当地选取电容器C1b和C1c，分支点C处的电压保持基本恒定，如水平线C(n)所示。可以看到，在图4的曲线中，对于距离n的任何值x，可以分别根据函数A(n)和B(n)计算得到点Ax和Bx，其中点Ax具有电压VAx，点Bx具有电压VBx。此外，可以计算出具有距离值s和电压Vs的截点S作为函数A(n)和B(n)的交点。电容C1c上的电压降VC1c可以通过下面公式计算：

VC1c＝VAx-VS

电容C1b上的电压降VC1b可以通过下面公式计算：

VC1b＝VS-VBx

电压VC1b和VC1c的总和给出了由电容器C1b和C1c建立的电容性分压器上的总电压，其中分压器的总电容C∑可以通过下面公式计算：

C∑＝C1b·C1c/(C1b+C1c)

此外，出于对称的原因，优选将电容C∑和C1a设置为相等，即：

C∑＝C1a

下面给出了如何正确计算电容器C1a、C1b、C1c的大小以获得水平曲线C(n)的示例。在此示例中，假设当参考谐振电路10直接位于天线5上时，即当距离n＝0时，在测量点A测得15伏的电压V，在测量点B测得18伏的电压V。还假设当参考谐振电路10与天线5之间的归一化距离n＝1时，在测量点A和B处测得的电压V分别是20伏和5伏。因此，在图4所示的笛卡尔坐标系(V，n)中，可以将这些测量值写成4个坐标点：

A0＝(0，15)

A1＝(1，20)

B0＝(0，18)

B1＝(1，5)

通过这些坐标点，线A(n)和B(n)可以由下列等式表示：

A(n)：V＝15+5·n

B(n)：V＝18-13·n

将上述等式中的一个代入另一个，可以计算出截点S：

S＝(1/6，95/6)

记住，对于距离n的任何值x，都可以通过下式计算出电容器C1c上的电压与总电容C∑上的电压之间的不变比率k：

k＝VC1c/(VC1c+VC1b)＝(VAx-VS)/(VAx-VBx)

并且还记住，我们已经定义了C∑＝C1a，于是能够计算阻抗：

ZC1b＝k·ZC1a 并且

ZC1c＝(1-k)·ZC1a

其中

ZC1a＝1/(ω·C1a)

ZC1b＝1/(ω·C1b)

ZC1c＝1/(ω·C1c)

通过上述等式我们能够进一步计算电容器C1a、C1b和C1c的电容值的相互比率：

C1b＝C1a/k 并且

C1c＝C1a/(1-k)

其中，在上述示例值的情况下k＝0.2778，因此

C1b＝C1a/0.2778 并且

C1c＝C1a/(0.7222)

实际应用中可以根据通用的设计原则或者根据经验限定来为电容器C1a适当选择电容值，然后计算电容器C1b和C1c的电容值。

最后应当注意，上述实施例是对本发明的例示而非限定，本领域的技术人员可以在不偏离由权利要求限定的发明范围的前提下设计出很多替代实施例。在权利要求中，任何置于括号内的参考标号都不应理解为是对权利要求的限制。词语“包括”等不排除未列在作为一个整体的任何权利要求或说明书中的元件或步骤的存在。元件的单数引用不排除对此元件的复数引用，反之亦然。在列举了数种装置的产品权利要求中，这些装置中的几个可以由同一个软件或硬件实现。在不同的从属权利要求中提及某些装置不表示这些装置的组合不可以用于获得优点。

Claims

1.一种用于非接触通信的收发电路(1)，包括：

发射机装置(3)，其适用于生成电磁载波信号、根据所发射的数据调制载波信号、并用调制后的载波信号驱动天线(5)，

接收机装置(4)，其适用于感测在天线(5)处接收到的响应信号并对响应信号进行解调，

其中，发射机装置(3)通过至少第一发射路径(TX1)连接至天线(5)，其中第一DC去耦电容器(C1b)接入第一发射路径(TX1)，

其中，接收路径(RX)从第一发射路径(TX1)分出连接至接收机装置(4)，

其中，第二DC去耦电容器(C1c)与第一DC去耦电容器(C1b)串联地接入第一发射路径(TX1)；并且

其中，接收路径(RX)在位于第一DC去耦电容器(C1b)和第二DC去耦电容器(C1c)之间的分支点(C)处从第一发射路径(TX1)分出连接。

2.如权利要求1所述的收发电路，其中发射机装置(3)通过第二发射路径(TX2)连接至天线(5)，其中第三DC去耦电容器(C1a)接入第二发射路径(TX2)。

3.如权利要求2所述的收发电路，其中第一DC去耦电容器(C1b)和第二DC去耦电容器(C1c)的总电容(C∑)基本等于第三DC去耦电容器(C1a)的电容。

4.如权利要求2或3所述的收发电路，其中第一DC去耦电容器(C1b)和第二DC去耦电容器(C1c)的电容的比值被确定为使得分支点(C)处的电压对于天线(5)上的变化负载保持恒定。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的收发电路，其中在发射机装置(3)和DC去耦电容器(C1b，C1c)之间的发射路径(TX1，TX2)中接入电磁兼容(EMC)滤波器(6)。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的收发电路，其中在DC去耦电容器(C1c，C1a)和天线(5)之间的发射路径(TX1，TX2)中接入阻抗匹配网络(7)。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的收发电路，其中在接收路径(RX)中接入相位调节电容器(C3)。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的收发电路，其中在接收路径中接入欧姆电阻(R1)。

9.一种包括如权利要求1至8中任意一项所述的收发电路(1)的NFC设备、RFID读/写器设备或RFID卡设备。