CN102214313B - 非接触式通信设备和操作该设备的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种非接触式通信设备，包括：天线，具有天线阻抗，用于接收具有电压和电流的AC信号；主单元，包括功率提取单元和通信单元，并具有主单元阻抗；调谐电路；以及匹配网络，用于将天线阻抗与主单元阻抗匹配；其中，调谐电路包括用于检测电压与电流之间的相位差的相位检测器，并且被配置为依据相位差来调整匹配网络的阻抗。还公开了一种用于调谐非接触式通信设备的方法。

Description

非接触式通信设备和操作该设备的方法

技术领域

本发明涉及非接触式通信设备以及操作非接触式通信设备的方法。

背景技术

非接触式通信设备广泛用于许多应用，例如库存控制和存货管理、物件跟踪、安全等。由于非接触式通信设备的基本功能是设备的标识或者标签，并且使用射频，所以该技术也称为RFID(射频标识设备)。但是应该注意，现在的应用已经远远扩展到简单的标识功能以外。下文中，非接触式通信与RFID作为同义词使用。

RFID一般具有两个主要部件：设备，例如可以是标签的形式，或者内嵌在卡、芯片或其他物件中；以及读取器。下文中，术语标签用来指示该设备的任何配置。在典型布置中，读取器以一定频率发送RF AC信号，该频率典型地可以在125-148.5kHZ(低频LF)范围内、在13.56MHz(高频HF)左右、或者在300MHz与3GHz(超高频UHF)之间。使用的确切的频率范围取决于读取器和标签设计所针对的国家或区域的规章要求。标签典型地对RF信号进行调制，并将其重传或后向散射回读取器。读取器检测返回的调制信号并对其解调，以从标签中提取信息。在更加高级的非接触式通信设备中，读取器可以在RF信号内向标签提供信息，标签可以处理或存储该信息并向读取器提供响应。

标签可以是无源或有源的。有源标签具有其自己的电源，以例如向调整电路供电。然而，提供板上电源相对比较昂贵，并且体积相对较大。因此，无源标签的使用更广泛。无源标签自身没有电源，而是从外部源提供电力，外部源最典型的是RF场。虽然本发明主要涉及无源标签，但是可以应用于有源标签，例如为了在失谐状况下避免或减少比特误差率(BER)损失。

无源标签，特别是无源UHF标签，相比于其他标签一般具有较高的“读取范围”，即标签与读取器之间的距离，在该距离上标签能够进行通信。然而，对于所有标签，特别是无源标签，读取范围会受到环境因素的影响，环境因素可能使标签失谐，从而修改其操作频率并且可能减少接收功率。

假设在RFID标签的集成电路(IC)中功耗恒定，则RFID标签的性能取决于能够由天线捕获并提供给IC的功率量。进而这取决于天线与IC之间的阻抗匹配。例如存在金属、液体或其他材料、或者其他标签距离较近等环境因素可能导致吸收或寄生电容，这可能造成标签失谐。标签失谐也可能是由于制造例如芯片、天线或封装时的工艺参差造成的。

美国专利US7,167,090中提出了提供反馈调谐电路，以缓解失谐问题。该调谐电路改变将天线耦接至设备其余部分的阻抗匹配网络的阻抗，以最大化RF输入信号并从而优化功率提取电路的性能。

然而，这种电路对于调幅(AM)信号上的噪声、发射机功率的变化以及标签周围环境的改变很敏感。

发明内容

本发明的目的是提供能够被调谐的备选的非接触式通信设备。

根据本发明第一方面，提供了一种非接触式通信设备，包括：天线，具有天线阻抗，用于接收具有电压和电流的AC信号；主单元，包括功率提取单元和通信单元，并具有主单元阻抗；调谐电路；以及匹配网络，用于将天线阻抗与主单元阻抗匹配；其中，调谐电路包括用于检测电压与电流之间的相位差的相位检测器，并且被配置为依据相位差来调整匹配网络的阻抗。

使用相位检测器使得该设备相比于已知设备而言，对幅度调制噪声不太敏感，这是因为噪声对于输入RF信号的幅度的影响比对相位的影响更大。

在实施例中，匹配网络包括用于提供可选电容的电容器组，并且调谐电路被配置为通过选择匹配网络的电容，来调整匹配网络的阻抗，以最小化正交相位误差。正交相位误差是指相位不正交的量。例如，如果第一相位比第二相位以相位差π/3超前，则不正交相位差是π/6，即，π/3与正交相位π/2之差。正交相位误差也可以称作不正交相位差。

在实施例中，相位检测器是无源相位检测器。无源相位检测器不需要有源相位检测器典型地要求的相对较高的电平。对于有源标签，这种能量可能是可获得的，但是对于无源标签而言是不可能获得的。因此，在无源标签中使用无源相位检测器可以提供显著的优点。

在实施例中，相位检测器通过检测输入电压与匹配线圈(L8)上的线圈电压之间的相位差，来检测输入电压与输入电流之间的相位差，其中所述匹配线圈形成天线(22)的一部分。

在实施例中，功率提取单元包括用于向调谐电路提供功率的第一输出、以及用于向通信单元提供功率的第二输出。因此，可以在较差的失谐状况下，或者在没有足够功率可用于操作整个标签的其他状况下，进行调谐来进行阻抗匹配。

在实施例中，功率提取单元是RF到DC转换器，并且具体可以是电荷泵。

在实施例中，第一功率输出具有如下中的至少一种：比第二功率输出的级多的级，以及比第二功率输出的时间常数小的时间常数。针对第一输出使用更多的级，这有助于在失谐状况下快速建立足够的电压。更小的时间常数有助于加速调谐过程。从而促进更快的响应，这是有利的，因为标签应该能够在给定量的时间内对读取器命令做出响应。

在实施例中，调谐电路还包括：量化器，用于对相位检测器的输出进行量化，并且提供至计数器的输入，所述计数器被配置为选择匹配网络的电容。

根据本发明另一方面，提供了一种操作非接触式通信设备的方法，该方法包括：在天线处接收AC信号；从AC信号中提取功率；使用至少一部分所提取的功率，通过在相位检测器中检测AC信号的电压与电流之间的相位差，并依据相位调整匹配网络，来对所述设备进行调谐。

在实施例中，依据相位调整匹配网络包括：对相位检测器的输出进行量化，响应于量化来调整计数器，并且依据计数器来选择电容器组的电容。

在实施例中，该方法还包括：在对所述设备进行调谐之后，使用所提取的功率的另一部分来对通信单元供电。

本发明的上述和其他方面将通过参考下文中描述的实施例而阐明并显而易见。

附图说明

参照附图，通过示例描述本发明的实施例，附图中：

图1(a)是示出了在周围金属的介电常数εr在1与10之间变化的仿真条件下天线的阻抗的实部的图；

图1(b)是示出了在上述仿真条件下天线的阻抗的虚部的图；

图2示出了根据本发明实施例的非接触式通信设备的简化示意图；

图3示出了根据本发明实施例的非接触式通信设备的更加详细的示意图；

图4(a)示出了附着到非接触式通信IC的天线的示例几何配置；

图4(b)示出了图4(a)配置的等效电路；

图5示出了示例电荷泵的电路图；

图6示出了在本发明实施例中使用的电容器组的电路图；

图7示出了根据本发明实施例的操作非接触式通信设备的方法的流程图；

图8示出了根据本发明实施例在天线电感初始过大并且利用调谐电路重调谐的情况下的仿真结果；

图9示出了根据本发明实施例在天线电感初始过大并且利用调谐电路重调谐的情况下的仿真结果。

应该注意，附图是图示性的，而不是按比例绘制的。为附图清楚和方便的目的，这些图中的部件的相对尺寸和比例是放大或缩小而显示的。同一附图标记一般用于指示修改的不同实施例中对应或相似的特征。

具体实施方式

图1(a)是示出了在周围金属的介电常数εr在1与10之间变化的仿真条件下天线的阻抗的实部的图。在针对频率的相对标度上绘制了天线阻抗的虚部1，该天线被调谐至大约960MHz左右的频率，并且由空气或相对介电常数εr等于1的其他介质围绕。此外，图上示出了相同天线分别被相对介电常数εr为2.8、4.6、6.4、8.2和10的介质围绕时的阻抗的曲线2-6。从图中清楚可见，虽然阻抗的峰值幅度没有显著变化，但是出现峰值的频率(即，天线的调谐频率)从相对介电常数εr为1的情况1中的960MHz左右的值，减小到相对介电常数εr为10的情况6中的500MHz左右。因此，相对介电常数的改变对天线的调谐频率具有显著影响。

因此，相对介电常数εr的较小改变会使标签无法接收到来自发射机或读取器的唤醒信号。

为完整起见，图1(b)示出了在上述相同仿真条件下天线的阻抗的虚部的图。注意，可以通过将整流器的传导角度调谐至天线，来调整电荷泵阻抗的实部。这种调谐方法在本申请人的相关(未公开)美国专利申请12/650,698中有所描述，该相关美国专利申请的全部内容结合在本文中作为参考。该图示出了随着相对介电常数εr从1增大到10，阻抗实部的局部最大值出现同样在刚刚低于1GHz到500MHz左右的范围上减小的频率处。

图2示出了根据本发明实施例的非接触式通信设备的简化示意图。如图所示，非接触式通信设备20包括：天线22，具有匹配线圈Lant，并用于接收具有电压和电流的AC信号24；主单元26，包括功率提取单元27和通信单元28，并具有主单元阻抗；调谐电路30；以及匹配网络，用于将天线阻抗与主单元阻抗相匹配。调谐电路包括用于检测电压与电流之间的相位差的相位检测器32，并被配置为依据相位差来调整匹配网络的阻抗。

如图2所示，相位检测器32包括连接在天线22上的无源混频器34、以及第二无源混频器35，至第二无源混频器35的输入均是从一个天线连接提供的。无源混频器34和35向差分放大器36提供相位正交误差信号。从差分放大器36的输出被路由至包括比较器38的量化器；该输入与参考值Vref相比较，并且将比较的输出提供至计数器40，以依据比较结果使计数器递增或递减。计数器由数字控制块(未示出)用来改变电容C的电容值，电容C包括在天线22的匹配网络中。功率提取单元27包含电荷泵，通信单元28典型地包括标签集成电路的至少一部分，用于执行解调和调制功能。在其他设备中，通信单元28可以包括存储功能，并且可以包括处理功能，以执行计算或处理由读取器(未示出)发送的调制数据，以及提供计算或数据处理的结果。

图3示出了根据本发明实施例的非接触式通信设备的更加详细的示意图，除了针对图2的细节之外还示出了部件之间的互连，包括RF连接(图3中以点线示出)、dc电源连接(以实线示出)、数字数据通信线路(以点划线示出)以及模拟数据通信(以虚线示出)。类似的模块分配有与图2类似的附图标记，因此，天线22具有至相位检测器32以及至电容器组42的RF连接线路。电容器组42提供可选电容C以及RF到DC转换器27，所示RF到DC转换器27可以是电荷泵。由于这种天线设计(下文中将参照图4更加详细描述)，天线与相位检测器之间的RF连接提供了与天线上的电压以及通过天线的电流有关的分离的信息(示出为rfs和rfp)。相位检测器32向比较器38提供相位正交误差信号。比较器向数字计数器和状态机40’提供数字信号，模拟信号指示递增或递减。数字计数器和状态机(其形成数字控制块)向电容器组42发送信号，以通过选择电容器的适当组合来调整电容器组42的电容值，即增加或减少电容值，其中，可以将电容器中的一些或全部切换进或切换出电容C。如图所示，至电容器的数字信号是6比特的字，因此可以将电容选择为26个值中的任何一个(即，64个值中的任何一个)。然而，在其他实施例中，可以使用更短或更长的字，以便为阻抗匹配提供更大或更小的分辨率。

利用时钟44来控制计数器40’的定时，时钟44向计数器提供时钟信号(clk)。源调节器(LDO)46向数字电路提供稳定的数字源，而加电复位(power-on-reset，POR)48在电荷泵27的第一输出处的源电压高于1.0V时触发调谐过程。

如图3所示，单位为nA的电流值与一些块或单元相关联。对于示例实施例，这些值表示每个单元的电流要求。具体而言，相位检测器可以具有100nA的电流要求，比较器38可以具有15nA的电流要求，时钟发生器44可以具有200nA的电流要求，LDO 46可以具有50nA的电流要求，POR 48可以具有10nA的电流要求。根据本发明实施例可以需要这些块或单元，但是这些块或单元在常规设备中不一定必须存在。因此，根据本发明实施例的利用相位检测器的阻抗匹配调谐会消耗(100+50+200+50+10)，即，410nA。相比于常规设备中已知的功率提取单元，本发明实施例包括对功率提取单元27的改进，以确保在天线与RF场严重失谐而造成显著失配时，可以为调谐电路提供足够功率，以调谐天线。

图4(a)示出了附着到非接触式通信IC的天线的示例几何配置，图4(b)示出了图4(a)配置的等效电路。天线包括偶极子50和匹配网络58的组合。偶极子示出为曲折型结构，但是可以采用其他已知的几何结构，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。在天线左侧示出的偶极子50通过臂52与匹配网络58连接。两个环形部分(或短截线(stub))实现在匹配网络上。第一环形部分是具有第一臂54a、端角54b和返回臂54c的伸长型环。返回臂54c是通过缝隙(slot)56部分地分离的，以实现至IC 54的两个分离的连接。

在图4(a)中，IC 54示出为安装在匹配网络上。IC引脚rfs经由52与天线连接，并且经由53与匹配网络连接。IC引脚rfp在62处与匹配网络连接，rfn引脚在60处连接。图4(b)所示线圈L10是匹配网络的一部分，并且也用于感应流入电荷泵的电流。线圈L8和L10(分别对应于图4a中的56和55)也有助于将前端的电容变换成比天线的电容小得多的值。这允许最大化RLC网络的谐振频率的调谐范围。

图5(a)示出了示例电荷泵的电路图，其细节放大显示在图5(b)中。在本发明实施例中，可以提供电荷泵作为功率提取单元27。电荷泵包括串行链接的级，图5(b)中更加详细地示出了其中的一个级。该级包括串联的二极管对DS1和DS2，该二极管对DS1和DS2连接在级输入Si与级输出So之间。第一级电容器CS1连接在二极管之间的节点与输入电压轨线rfp之间，第二级电容器CS2连接在输出与地(或返回)轨线之间。这种多级电荷泵对于本领域技术人员而言是熟知的。然而，如在本发明实施例中使用的图5(a)的电荷泵配置包括由多级电荷泵构成的功率单元(下文中称为第二功率单元)、以及包括另一多级电荷泵的另一功率单元(下文中称为第一功率单元)。在所示的具体实施例中，第二功率单元具有5个级，而第一功率单元具有三个额外的级。当然，在其他实施例中，每个功率单元可以具有更多或更少的级。在所示实施例中，由于在第二功率单元的输出处连接有较大的存储电容CS3，所以第二功率单元还具有比第一功率单元的时间常数大的时间常数。根据本发明实施例，具有更多级的第一功率单元能够从更弱的接收信号中提取功率，以足以操作调谐单元。一旦已经调谐了匹配电路，就可以使第二功率单元进行操作，以向标签的其余部分提供功率，其余部分包括通信功能，如果需要，还包括数据存储和处理。电荷泵可以如图所示配置，以使第二功率单元不向调谐电路或匹配网络提供功率；在其他实施例中，第二功率单元可以配置为用作针对调谐电路和匹配网络的辅助电源。

图6示出了在本发明实施例中使用的电容器组的电路图。这种类型的电容器组对于本领域技术人员而言是熟知的，并且形成了可选电容：其包括一组电容器，其中一些电容器可以切换进和切换出该电路。在所示实施例中，有6个电容器C0到C5，具有总电容Cmax，其与电容器组能够具有的最大电容相对应。电容器C0到C5具有以二元形式增大的电容，使得

C0＝2⁰×(Cmax-Cmin)/64，

C1＝2×(Cmax-Cmin)/64，

C2＝4×(Cmax-Cmin)/64，以及如此类推，直到

C5＝32×(Cmax-Cmin)/64。

通过开关MN0-MN5，电容器C0到C5可切换地与Cmin并联，其中开关MN0-MN5可以是如图所示的MOSFET。

图7示出了根据本发明实施例的操作非接触式通信设备的方法的流程图。

在初始状态72，除了LDO以及在vdda超过1V时产生开电复位信号(POR)的POR电路之外，通信单元处于掉电模式，自调谐电路处于掉电模式。在该状态下，电流消耗可以小于50nA。在判决状态74，数字控制块询问是否vdda＞1.0V，如果“否”，则结束询问，而如果“是”，则控制移至下一状态76。因此，在框74处，控制器将等待，直到调谐电路的源电压超过1V为止，然后激活调谐电路。在76，调谐电路处于开电或保持模式。因此，开启振荡器、相位检测器、比较器和数字块，但是不开启标签功能性的其余部分，例如通信单元。该模式下的电流消耗典型地小于400nA。这允许对较大量的功率失配进行补偿。

然后，系统等待预定数目L个时钟周期，以允许模拟电路在开始调谐过程之前稳定下来。一旦经过了由询问78确定的L个时钟周期，控制就移至状态80，其中调谐处于活动模式。然后执行如上所述的对匹配网络的调谐。同时，控制在询问状态82询问用于对标签的通信功能供电的第二功率单元是否已经达到了大于1V的电压(即，是否vdda_tag＞1V)。一旦达到该条件，控制就移至状态84，其中将自调谐置于保持模式，并且通信单元和其他关联的标签功能处于开电模式。这允许减少标签对读取器请求的响应时间。现在，标签通信单元被加电，但是处于保持模式，直到完成了调谐为止，以免干扰调谐过程。但是，在该阶段的电流消耗典型地仍然是小于3μA。在所示示例中，允许经过另外的M个时钟周期，以允许系统稳定。这是通过询问86来检查的，并且一旦经过了这一时段，控制就移至状态88，其中调谐从暂停模式回复到活动模式，以继续自调谐。允许调谐持续进行，直到经过了总共N个时钟周期(这在询问框90处检查)，此时在框92处认为调谐已完成。此时，除了处于开电模式的LDO之外，迫使调谐电路处于掉电模式，并且可以建立标签与功率提供读取器之间的通信链接。

图8示出了根据本发明实施例在天线电感初始过大并且利用调谐电路重调谐的情况下的仿真结果。该图示出了相对于时间(以μS为单元)的多个电压(以V为单位示出)以及电容器组的切换进比例分值，如下：曲线801是调谐电路的源电压(vdda)，曲线802是标签的主源电压(vdda_tag)，用于对例如通信功能供电。曲线803是电容器组的调谐字，曲线804是相位检测器的输出。在805示出了比较器中从高到低(或者相反)的转变，在时刻806和807分别示出了启用调谐电路和主功率单元的时刻。

初始，在加电时，电容器组被设置到50％的电容。在时刻806，对调谐电路的供电足以开启调谐电路。在相对较短的稳定时间之后，相位检测器确定正交误差过大，并且计数器开始命令电容器组以小步长来减小针对电容的调谐字803。在时刻807，电荷泵已经达到了足够功率来开启标签的主电路，并且存在另一短暂的稳定时段，在该稳定时段期间，中断电容器字的递减。电容器组的增大具有减小相位差804的效果。一旦达到了正交，比较器就变为高，导致对电容进行控制的调谐字803的递增。这种对相位的向上和向下的持续调整继续进行，直到在调谐阶段结束时停止调谐为止。然后，标签通信电路进行切换，形成针对监听或接收模式的保持模式。

图9示出了根据本发明实施例在天线电感初始过小并且利用调谐电路重调谐的情况下的仿真结果。曲线总体上对应于图8所示曲线，从而曲线901是调谐电路的源电压(vdda)，曲线902是标签的主源电压(vdda_tag)，曲线903是电容器组的调谐字，曲线904是相位检测器的输出。在时刻906和907分别示出了启用调谐电路和主功率单元的时刻.

图9示出了与图8所示顺序大体类似的顺序，区别在于在图9情况下，初始的正交相位误差904是负的，这造成控制电容器组中电容的字903逐渐增大，直到达到正交为止。在开启第一和第二功率单元之后，可以看到系统的稳定时段，在稳定时段期间，字903的递增出现暂停。

当阅读本专利申请公开时，其他变体和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这些变体和修改可以涉及到现有技术的非接触式通信和RFID中已知的等同或其他特征，并且可以取代本文描述的特征或者作为对本文描述的特征的附加特征。

虽然所附权利要求针对特征的具体组合，但是应该理解本发明公开的范围还包括本文明确或隐含公开的任何新颖特征或特征的新颖组合、或者任何概括，而不管其是否涉及权利要求中当前要求保护的相同发明，且不管其是否像本发明一样缓解相同的技术问题中的任何问题或全部问题。

在分离的实施例的情况下描述的特征也可以组合在单个实施例中。相反，在单个实施例中简要描述的多个特征也可以分离地或以任何适合的子组合的方式来提供。

这里，申请人要指出，在本申请的审查期间或在对从本申请获得的其他申请的审查期间，可以针对这些特征和/或这些特征的组合，形成新的权利要求。

为了完整起见，还要指出术语“包括”不排除其他元素或步骤，术语“一”不排除多个，单个处理器或其他单元可以完成权利要求中多个装置的功能，并且权利要求中的附图标记不应当视为对权利要求的范围有所限制。

Claims (10)

1.一种非接触式通信设备（20），包括：

天线（22），具有天线阻抗，用于接收具有输入电压和输入电流的AC信号；

主单元（26），包括功率提取单元（27）和通信单元（28），并具有主单元阻抗；

调谐电路（30）；以及

匹配网络，用于将天线阻抗与主单元阻抗匹配；

其中，调谐电路（30）包括用于检测输入电压与输入电流之间的相位差的相位检测器，并且被配置为依据相位差来调整匹配网络的阻抗；

功率提取单元（27）包括用于向调谐电路提供功率的第一功率输出（vdda）、以及用于向通信单元提供功率的第二功率输出（vdda_tag）；

在进行调谐的过程中，一旦向通信单元提供功率的第二功率输出（vdda_tag）已经达到了大于预定值的电压，则通信单元被加电，但是处于保持模式，直到完成了调谐为止。

2.根据权利要求1所述的非接触式通信设备，其中，匹配网络包括用于提供可选电容的电容器组（42），调谐电路（30）被配置为通过选择匹配网络的电容，来调整匹配网络的阻抗，以最小化正交相位误差。

3.根据权利要求1所述的非接触式通信设备，其中，相位检测器是无源相位检测器。

4.根据权利要求2所述的非接触式通信设备，其中，相位检测器是无源相位检测器。

5.根据前述权利要求之一所述的非接触式通信设备，其中，相位检测器通过检测输入电压与匹配线圈（L8）上的线圈电压之间的相位差，来检测输入电压与输入电流之间的相位差，其中所述匹配线圈形成天线（22）的一部分。

6.根据权利要求1-4之一所述的非接触式通信设备，其中，功率提取单元（27）是电荷泵。

7.根据权利要求6所述的非接触式通信设备，其中，第一功率输出（vdda）相比于第二功率输出（vdda_tag）具有如下中的至少一种：更多的级、以及更小的时间常数。

8.根据权利要求1-4、7之一所述的非接触式通信设备，其中，调谐电路（30）还包括：量化器，用于对相位检测器的输出进行量化，并且提供至计数器（40）的输入，其中所述计数器被配置为选择匹配网络的电容。

9.一种操作非接触式通信设备的方法，该方法包括：

在天线处接收AC信号；

从AC信号中提取功率；

使用至少一部分所提取的功率，并通过在相位检测器中检测AC信号的电压与电流之间的相位差，并依据相位调整匹配网络，来对所述设备进行调谐；

在进行调谐的过程中，一旦向通信单元提供功率的第二功率输出（vdda_tag）已经达到了大于预定值的电压，则通信单元被加电，但是处于保持模式，直到完成了调谐为止。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，依据相位调整匹配网络包括：

对相位检测器的输出进行量化，

响应于量化来调整计数器，以及

依据计数器来选择电容器组的电容。

Images