CN101978383B - 用于无接触通信的收发电路和包括这种收发电路的nfc设备或rfid读/写设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于无接触通信的收发电路(1，1′)，包括：发射机装置(3)，适于产生电磁载波信号并根据发送数据来调制载波信号；以及天线(5)，与发射机装置(3)相连接并由发射机装置(3)利用调制后的载波信号来驱动。至少一个阻抗匹配电容器(C1a)被布置为与天线(5)串联。

Description

用于无接触通信的收发电路和包括这种收发电路的NFC设备或RFID读/写设备
技术领域
本发明涉及一种用于无线通信的收发电路，包括适于产生电磁载波信号并根据发送数据来调制载波信号的发射机装置，以及与发射机装置相连接并由发射机装置利用调制后的载波信号来驱动的天线。
本发明还涉及NFC设备或RFID读/写设备。
背景技术
图1示出了用于无接触通信的收发电路的现有技术实现。该收发电路利用由NXPSemiconductors制造的集成近场通信传输模块2，例如型号PN5xx(例如型号PN511或PN512)，以及外部无源电子组件。传输模块2集成地配备有：发射机装置3，适于产生电磁载波信号，以根据发送数据来调制载波信号并利用调制后的载波信号来驱动天线5；以及接收机装置4，适于感测在天线5上接收的响应信号并解调响应信号。传输模块2具有可连接至第一和第二发送路径的输出端子TX1、TX2，其中发送路径连接至天线5，天线5在图1中由其等效电路组件电容Cext和电感Lext来表示。在传输模块2的输出端子TX1、TX2与外部天线5之间，以下组件切入至发送路径：电磁兼容性(EMC)滤波器，包括串联切入至发送路径的两个电感器L0和并联至天线的两个电容器C0；串联切入至发送路径的两个DC去耦电容器C10；布置在接收路径分接点A与天线5之间的阻抗匹配网络6，其中阻抗匹配网络6包括并联连接至天线5的两个电容器C2a和串联切入至发送路径的两个欧姆电阻器Ra。应注意的是，通过在制造收发电路期间修整阻抗匹配网络6来“调谐”天线5。
此外，传输模块2的接收机装置4包括连接至接收路径的输入端子RX，接收路径在分接点A处从第一发送路径分支出来。相位调整电容器C3切入至接收路径以使得能够调整第一发送路径和接收路径之间的信号的相位角。通过调整相位角可以实现最优的解调。此外，欧姆电阻器R1串联切入至接收路径。利用该电阻器R1可以调整出现在接收机装置4的输入端子RX处的电压水平。数字VMID描绘了接收机装置4的模拟参考电压输入。电容器C4切入至模拟参考电压输入VMID与接地电势之间。欧姆电阻器R2将输入端子RX和模拟参考电压输入VMID相连。
为更好地理解RFID传输模块2的功能，图2中示出了型号PN511为的近场通信(NFC)传输模块的框图。NFC传输模块2包括可以大致分成发射机装置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、位解码器、模式检测器和RF水平检测器。无接触UART通过总线与模拟电路通信。无接触UART包括数据处理装置、CRC/奇偶校验产生和检验装置、帧产生和检验装置，以及位编码和解码装置。UART还与微处理器通信，微处理器包括80C51芯核、ROM和RAM。主机接口使得能够将传输模块连接至外部设备。主机接口可以包括I2C、串行UART、SPI和/或USB接口。传输模块的其他细节可以在公开可见的相应数据表中查找到。
近场通信(NFC)传输模块的最重要的应用领域之一是移动电话。配备有NFC传输模块的移动电话可以用于购票、访问控制系统、支付服务等等。通常，NFC传输模块由主机移动电话来供电。
该已知的收发电路的严重缺点是，由于所选择的天线调谐的方式，近场通信(NFC)传输模块的电流消耗可以在很大的范围内变化以致于该变化甚至偏离出规范。电流消耗的这种变化基于失谐效应，失谐效应发生在使NFC卡或标签(或者通常来说的谐振电路10)的天线11以不同距离靠近收发电路的天线5时，如图3的图表布置所示。在该布置中收发电路的天线5位于笛卡尔坐标系(x，y，z)的中心，谐振电路10的天线11沿z轴移动。将收发电路的天线5与谐振电路10的天线11之间的距离n归一化。在z轴方向上改变天线5与谐振电路10的天线11之间的距离导致收发电路的天线5的变化的失谐，其结果在图4的图表中可见。图4的图表按照z轴上的距离描绘了收发电路的电流消耗I(z)。水平线表示指定的最大电流消耗Imax。应理解，对于天线5与天线11之间小于值1的距离，收发电路的电流消耗超过指定的最大电流消耗Imax并且因此对于实际实现来说不可接受。应提到的是，当天线5与天线11的相互距离为零时，达到它们之间的最高耦合。该现有技术天线匹配的问题甚至不能通过将匹配阻抗提高到相当高的值(例如从通常所选择的35到60欧姆的值提高到100欧姆的值)来解决。因此仍非常需要一种用于无接触通信的收发电路允许该电路工作在由规范所给出的电流消耗限制内。具体地，这种收发电路应该能够工作在从0到最大读取距离的整个读取距离范围内。
发明内容
本发明的目的是提供一种开始段落所限定的类型的用于无接触通信的收发电路以及一种NFC设备，其中可避免上述缺点。
为达到上述目的，为根据本发明的收发电路提供了特征，以便可以通过以下方式来表征根据本发明的收发电路：
一种用于无接触通信的收发电路，包括：
发射机装置，适于产生电磁载波信号并根据发送数据来调制载波信号；
天线，连接至发射机装置并由发射机装置利用调制后的载波信号来驱动；
其中至少一个阻抗匹配电容器被布置为与天线串联。
根据本发明的特征提供了以下优点：电路可以在该电路的天线与谐振电路(例如NFC卡或标签)的天线之间的整个距离范围上工作，而不消耗比规范所允许的多的电流。具体地，这种收发电路能够满足标准ISO14443的所有规范。具体地，根据本发明的收发电路甚至当与谐振电路天线的读取距离变为零时也保持低于最大可允许电流消耗，尽管在接近零的距离处谐振电路在收发电路的天线上造成强烈的失谐效应。
当至少一个阻抗匹配电容器被布置在天线与从发送路径到接收路径的分接点之间的发送路径中时，和/或当至少一个阻抗匹配电容器被布置在天线与连接至发射机装置输出端子的电磁兼容滤波器之间的发送路径中时，可以获得收发电路的匹配阻抗MZ的非常稳定且恒定的绝对值，而与天线到谐振电路(例如NFC)的变化的距离无关。
在本发明的实施例中，天线包括分离天线部件，阻抗匹配电容器被布置在天线部件之间。该实施例提供了以下优点：由于阻抗匹配电容器位于集成收发电路组件外部，所以阻抗匹配电容器不受制于空间限制。具体地，阻抗匹配电容器被布置在电路的外部天线侧从而为布置电子组件提供了充足的空间。
在本发明的备选实施例中，收发电路包括两个阻抗匹配电容器，这两个匹配阻抗电容器被串联布置在发送路径中天线的两侧。该实施例使得能够在制造过程中轻松地修整收发电路的阻抗匹配网络。
根据本发明的收发电路可以并入NFC设备、RFID读/写设备或RFID卡中。
通过以下描述的示例实施例，本发明的上述方面和其他方面将是显而易见的，参考示例示实施例来说明本发明的上述方面和其他方面。
附图说明
下文将参考示例实施例对本发明进行更详细的描述。然而，本发明不限制于这些示例实施例。
图1示出了根据现有技术的用于无接触通信的收发电路的电路图。
图2示出了并入图1的收发电路中的传输模块的框图。
图3示出了收发电路和NFC卡的布置的示意框图。
图4示出了描绘图1所示收发电路的电流消耗的图，所述电流消耗依赖于与谐振电路(例如NFC卡或标签)的天线的距离。
图5示出了根据本发明第一实施例的用于无接触通信的收发电路的电路图。
图6示出了根据本发明第二实施例的用于无接触通信的收发电路的电路图。
图7示出了描绘图5或图6所示收发电路的的电流消耗I，所述电流消耗I依赖于与谐振电路(例如NFC卡或标签)的天线的距离。
图8示出了根据图5或图6的收发电路的阻抗的史密斯圆图，所述阻抗的史密斯圆图依赖于由谐振电路(例如NFC卡或标签)引起的失谐效应。
具体实施方式
图5示出了根据本发明第一实施例的收发电路1的电路图。收发电路1包括集成RFID传输模块2，例如由NXPSemiconductors制造的型号为PN5xx的近场通信传输模块，或者也是由NXPSemiconductors制造的Micore系列(MFRC5xx、MFRC632、SLRC400)的近场通信传输模块。传输模块2具有电源端子TVDD用于向传输模块2提供电流I。传输模块2包括发射机装置3和接收机装置4。RFID传输模块2的发射机装置3产生电磁载波信号。根据发送数据来调制载波信号。以调制后的载波信号来驱动天线5。传输模块2具有连接至第一和第二发送路径的输出端子TX1、TX2，其中发送路径连接至天线5，天线5在图5中由其等效电路组件(即，电容器Cext和电感器Lext)来表示。电容器Cext和电感器Lext的总值需要根据相应的应用来确定。由于下述的原因，天线5被设计为分成两个天线部件5′、5′，其中每个天线部件5′、5′由电容器Cext和电感器Lext来表示。
传输模块2的输出端子TX1、TX2连接至电磁兼容滤波器EMC，电磁兼容滤波器EMC形成发送路径的一部分并且包括两个电感器L0和两个电容器C0，两个电感器L0串联切入至发送路径，两个电感器L0各自都接地并且另一方面连接至发送路径，从而并联切入至天线。应注意的是，电磁兼容滤波器EMC被设置为具有与收发电路1的载波信号的频率相近的固有频率。例如，如果载波信号时13,56MHz(根据标准ISO14443)，则电路具有大约是14,1MHZ的第二谐振频率。该第二谐振频率使得电路起到电流源的作用，因此是必要的。然而，由于与载波信号的频率的轻微偏差，该电流源性能不是理想的，但显示了电压源的一些特性。然而，希望得到这样的总体性能，因为理想电流源会在载波信号的上升沿和下降沿引起高过冲。
传输模块2的接收机装置4包括连接至接收路径的输入端子RX，接收路径在分接点A处从第一发送路径分支出来，使得电磁兼容滤波器EMC被布置在输出端子TX1、TX2与分接点A之间。相位调整电容器C3切入至接收路径以使得能够调整第一发送路径与接收路径之间的信号的相位角。通过调整相位角可以实现最优解调。此外，欧姆电阻器R1串联切入至接收路径。利用电阻器R1可以调整在接收机装置4的输入端子RX处出现的电压电平。数字VNID描绘了接收机装置4的模拟参考电压输入。电容器C4切入至模拟参考电压输入VMID与接地电势之间。欧姆电阻器R2将输入端子RX与模拟参考电压输入VMID连接起来。接收机装置4不是本发明的一部分，但是是本领域技术人员公知的，所以不必对其进行更详细的解释。
此外，阻抗匹配网络6′被布置在电磁兼容滤波器EMC与天线5之间。由附图可见，阻抗匹配网络6′被布置在接收路径分接点A与天线5之间。应注意的是，在制造收发电路1期间利用阻抗匹配网络6′来“调谐”天线5。阻抗匹配网络6′包括串联切入至发送路径的两个欧姆电阻器Ra，还包括串联布置在两个电线部件5′、5′之间的阻抗匹配电容器C1a。阻抗匹配电容器C1a提供了以下效果：当使用收发电路1时(例如如根据图6的布置中所示)，匹配阻抗MZ的绝对值不再极大地受天线5与谐振电路10(例如NFC卡)天线11之间的变化的距离所影响，而是保持稳定且足够恒定，以使施加到输出端子TX1和TX2的电负载足够恒定，从而集成RFID传输模块2所消耗的电流I(z)通常保持恒定，而与收发电路1的天线5与谐振电路10的天线11之间在z轴上的实际距离无关，并且电流I(z)比预定的最大电流Imax低很多。图7示出了描绘在z轴方向与谐振电路10的天线11的距离n上收发电路1的电流消耗I(z)的图。图8的史密斯圆图示出了收发电路1的匹配阻抗MZ的变化，所述匹配阻抗MZ的变化依赖于由谐振电路10引起的失谐效应。
将阻抗匹配电容器C1a布置在天线部件5′、5′之间的具体优点是：通过这种布置，阻抗匹配电容器C1a位于集成收发电路组件的外部，从而不受空间限制，这是由于通常电路的外部天线侧为布置电子组件提供充分的空间。
根据本发明的收发电路与如图1所公开的现有技术收发电路相比，它们之间最主要的区别在于本发明应用了并联-串联方法，其中阻抗匹配电容器C1a被布置为与天线5串联。相比之下，图1的现有技术收发电路基于串联-并联方法，因为一方面DC耦合电容器C10、C10被布置为与天线5串联，另一方面阻抗匹配网络6的电容器C2a、C2a被布置为与天线5并联。本发明使得能够满足ISO14443的所有定时要求。
然而，收发电路1的实施例不是实现本发明的唯一途径。为启发本发明的可能变体，现在将参考图6的电路图来说明根据本发明的收发电路1′的另一实施例。用于无接触通信的收发电路1′的第二实施例与第一实施例的不同之处仅在于，不是将阻抗匹配电容器布置在天线部件之间，而是提供了与天线5串联的两个阻抗匹配电容器C1a、C1a。此外，没有提供分离天线，而是提供了一个集成天线5，集成天线5由其等效电路组件电容Cext、Cext和电感2xLext来表示。严格地说，阻抗匹配电容器C1a、C1a被布置在接收路径分接点A与天线5之间，因此也被布置在电磁兼容滤波器EMC与天线5之间。阻抗匹配电容器C1a、C1a形成阻抗匹配网络6″的一部分，阻抗匹配网络6″还包括欧姆电阻器Ra、Ra。收发电路1′的第二实施例的行为与第一实施例的行为相同。具体地，图7和图8的图也可以应用于第二实施例。还应提到的是，收发电路1′对于对称和非对称天线5都是有用的。
优选地，根据本发明的收发电路1、1′适于用在NFC设备中，具体适于用在NFC移动电话。
应注意的是，上述实施例说明而非限制本发明，在不脱离所附权利要求的范围的前提下，本领域技术人员将能够设计出许多备选实施例。在权利要求中，括号中的任何参考标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括”并不排除存在除了在权利要求中所列元件或步骤以外的其他元件或步骤。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件来实现。在互不相同的从属权利要求中阐述特定措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (6)

1.一种用于无接触通信的收发电路，包括：
发射机装置(3)，适于产生电磁载波信号并根据发送数据来调制载波信号；
天线(5)，连接至发射机装置(3)并由发射机装置(3)利用调制后的载波信号来驱动；
其中至少一个阻抗匹配电容器(C1a)被布置为与天线(5)串联并且没有阻抗匹配电容器与天线(5)并联；天线(5)包括分离天线部件(5′)，阻抗匹配电容器(C1a)被布置在分离天线部件(5′)之间。
2.如权利要求1所述的收发电路，其中，至少一个阻抗匹配电容器(C1a)被布置在天线(5)与从发送路径到接收路径的分接点(A)之间的发送路径中。
3.如权利要求1或权利要求2所述的收发电路，其中，至少一个阻抗匹配电容器(C1a)被布置在天线(5)与电磁兼容滤波器之间的发送路径中，电磁兼容滤波器连接至发射机装置(3)的输出端子(TX1、TX2)。
4.一种NFC设备，包括根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的收发电路。
5.一种RFID读/写设备，包括根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的收发电路。
6.一种RFID卡，包括根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的收发电路。
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