CN102710300A - Rfid环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器，涉及通信技术，在RFID环形天线中增加了在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容，并在需要时将可变电容调整为合适的值以使得天线工作频率与设定频率相同或最接近，从而根据RFID环形天线的实际环境改变电容参数，获得较佳的谐振频率。

Description

RFID环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种RFID环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器。

背景技术

RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)是一种非接触式的自动识别，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。RFID是一种简单的无线系统，该系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或电子标签)组成。

随着RFID技术的不断提高，RFID应用领域得到了不断扩展，其中，13.56MHz RFID也得到了飞速的发展，并产生了一种新兴的应用领域——移动支付。目前的移动支付形式主要分为以下两种：非现场的非实时支付是目前常用的支付方式，这种方式一般通过短信方式发起交易请求，从支付的速度来看，具有明显的时间延迟，快时需几秒钟，慢时甚至几分钟。目前在国内开展的手机购物、手机银行等均属此类非现场的非实时支付。现场的实时支付交易，即可通过手机快速完成支付交易，可以满足公共汽车票、轨道交通、出租车费等城市一卡通应用领域。

在13.56MHz系统中，由于本身的电磁波很长(波长＞22米，天线长度大约为5.5米长)，无法使用鞭状天线，只能使用环形天线才能达到与发射的射频驱动器的匹配，环形天线是将一根金属导线绕成一定形状，如圆形、方形、三角形等，以导体两端作为输出端的结构。环形天线的一些具体形状可参考图1a-图1d。

手机支付卡是一种多功能的SIM卡，具有接触和非接触两个通讯界面。接触界面可实现电信应用，完成手机卡的正常功能。非接触界面是具有环形天线的，且可以支持非接触移动支付的非电信应用。

考虑到手机电池以及手机内部电路存在的一定影响，为保证装在手机内的手机支付卡的非接触功能能够正常操作(即需要保证手机支付卡的天线的谐振频率在一定的范围内)，目前主要有以下几种方法：

1、通过增加天线的吸波材料的方法来抵消由于电池的影响而带来的弊端。在这种方式下，由于手机的内部空间有限，不能无限的加大、加厚吸波材料的尺寸，所以只能是在一部分程度上改善了电池的影响而已；

2、通过增加贴有适当的吸波材料的天线匝数，增加天线的电感量，但是在这种方式下，为保证非接触功能正常实现的情况下即谐振频率在一定的范围内，不能无限的增加天线匝数，也不能用一种天线应用到所有的手机中；

3、在附加吸波材料有限、天线面积较小、天线匝数只能保持较少的数量的情况下，通过对天线附加固定电容的形式来实现。

但是目前，市场上的手机终端存在很大差异性，电池的大小、SIM卡的位置均可能不同，现有的手机支付卡不能保证在不同的手机终端内都工作在最佳的频率范围内，从而在实际使用过程中存在非接触性能不佳的问题，即交易不能成功或者交易距离过近。

具体的，传统环形天线的谐振频率公式为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L\·C}}---\left(1\right)$

其中，L、C是天线部分的固定电感和固定电容。放到手机内，由于天线外部介质变化(即增加了电池)的影响，会导致L减小，将导致f增加，难以保证f在最佳工作频率范围内。具体技术方案框图如图2所示，天线部分的电路图如图3所示，其中一种天线结构如图4所示。

当天线放在不同的手机终端内时，由于电池面积、SIM卡位置不同等因素的影响，天线电感会发生不同的变化。根据公式(1)，可知在电容不变的情况下，电感发生变化，谐振频率也将随之发生变化。所以，传统的天线形式，放在不同的手机终端内，整体的谐振频率会大小不一，很难保证谐振频率工作在最佳的工作频率范围内，进而造成在实际使用中非接触性能不佳。

发明内容

本发明实施例提供一种RFID环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器，以获得较佳的谐振频率。

一种RFID环形天线匹配方法，包括：

根据接收到的激励信号，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号频率的匹配；

将可变电容的电容值调整为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值。

一种RFID环形天线，包括：

RFID环形线圈，与RFID环形线圈的两个端子连接的可变电容，与RFID环形线圈和可变电容连接的控制匹配电路，其中：

所述控制匹配电路，用于调整所述可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号的匹配，并将所述可变电容的电容值调整为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值。

一种电子标签，包括本发明实施例提供的RFID环形天线。

一种阅读器，包括本发明实施例提供的RFID环形天线。

本发明实施例提供一种RFID环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器，在RFID环形天线中增加了与固定电感并联的可变电容，并在需要时将可变电容调整到合适的值以使得天线工作频率与激励频率最接近，从而根据RFID环形天线的实际环境改变电容参数，获得较佳的谐振频率。

附图说明

图1a-图1d为现有技术中天线形状示意图；

图2为现有技术中天线结构示意框图；

图3为现有技术中天线电路结构示意图；

图4为现有技术的一种天线结构示意图；

图5为本发明实施例提供的RFID环形天线匹配方法流程图；

图6为本发明实施例提供的RFID环形天线中电容阵参数确定方法流程图；

图7为本发明实施例提供的RFID环形天线结构示意图之一；

图8为本发明实施例提供的工作频率和电压值的关系曲线图；

图9为本发明实施例提供的RFID环形天线结构示意图之二。

具体实施方式

本发明实施例提供一种RFID环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器，在RFID环形天线中增加了在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容，并在需要时将可变电容调整为合适的值以使得天线工作频率与设定频率相同或最接近，其中，设定频率是指天线所需的工作频率，本发明实施例中，激励信号的频率(也称激励频率)与设定频率的数值相同，从而实现根据RFID环形天线的实际环境改变电容参数，获得较佳的谐振频率。

如图5所示，本发明实施例提供的RFID环形天线匹配方法包括：

步骤S501、根据接收到的激励信号，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号频率的匹配；

步骤S502、将可变电容的电容值调整为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值。

由于在天线的两个端子之间增设了可变电容，所以可以在天线应用在具体的环境中之后，通过调节该可变电容使得天线能够获得较佳的工作频率，将可变电容的电容值确定为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值后，天线即能够在该具体环境中获得较佳的工作频率。

在具体实施时，为使得RFID环形天线的天线工作频率与工作环境相匹配，可以进行RFID环形天线匹配。例如：可以在接收到上电信号或者接收到终端发送的预先设定的触发信号时，启动天线匹配；或者，用户可以在需要时，触发RFID环形天线匹配；或者，可以在该天线所在的终端进入射频场时，启动天线匹配。

在确定可变电容的电容值即结束匹配过程后，该天线在该应用环境中可以不再进行重复匹配，也可以根据需要间隔的进行重复匹配。具体实现时，在匹配结束不再进行后，可以使得终端或者卡不再发送激励信号，也不再检测天线的峰值电压。如果是在射频场中进行的天线匹配，可以只在天线所在的终端首次进入射频场时进行该匹配过程。具体形式不限，可以根据实际需要进行匹配。

在步骤S501中，根据接收到的激励信号，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号的匹配具体可以包括：接收激励信号后，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，并检测天线的峰值电压；天线的工作频率越接近激励信号频率，天线的峰值电压就越大，因此，当天线的峰值电压最大时，天线的工作频率最接近或者等于激励频率，非接触性能最佳。需要说明的是，由于可变电容可以实现的电容值是有限的，所以当调节可变电容使得天线的峰值电压最大时，天线的工作频率不一定等于激励频率，但是当前天线的工作频率是在使用该可变电容的方案中最接近激励频率的。

此时，在步骤S502中，将可变电容的电容值确定为天线工作频率与激励频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值，具体为：将可变电容的电容值确定为峰值电压最大时对应的可变电容的电容值。

在本发明实施例中，可变电容可以采用能够调节电容值的可变电容或变容二极管，也可以使用由多组固定电容和开关组成的电容阵，当然，使用电容阵则更容易进行数字控制。

电容阵中每个电容对应的开关可以采用单一mos管，以便于进行控制；其中mos管是金属(metal)-氧化物(oxid)-半导体(semiconductor)场效应晶体管。

本发明实施例提供的RFID环形天线中，由于增设了可变电容阵，所以其谐振频率为：若在RFID环形天线中包括与电容阵并联的固定电容，则该天线的谐振频率为：

其中，L、C分别是天线部分的固定电感和固定电容，C_电容阵是电容阵电容。当该天线放到手机等具体的应用环境中时，L会发生变化，C不变，此时可以调整C_电容阵，以保证f在最佳工作频率范围内。需要说明的是，在具体实现时，本发明实施例中可以同时包括固定电容和可变电容阵，也可以只包括可变电容阵。若只使用可变电容阵而不使用固定电容，则需要由更多电容组成的可变电容阵，并且为了获得较高的精度，可变电容阵中的电容步进需要较小。以下以RFID环形天线同时包括固定电容和可变电容阵为例进行说明。

在具体设置可变电容阵的物理参数时，可以根据最佳谐振工作频率、天线部分的电感、应用环境对天线的工作频率的影响，来设置可变电容阵的物理参数，具体的确定方法例如可以如图6所示，包括：

步骤S601、确定最佳谐振工作频率点的范围，确定天线部分的固定电感、固定电容；若没有固定电容，则只确定天线部分的固定电感；

步骤S602、评估应用环境对工作谐振频率的影响，例如，手机终端环境对天线工作谐振频率的影响；

步骤S603、根据步骤S601和步骤S602的结果，确定电容阵所需实现的电容值范围以及可接受误差的范围；

步骤S604、根据电容阵所需实现的电容值范围以及可接受误差的范围，确定出具体的电容阵物理实现结构，即电容个数、每个电容的电容值等参数。

具体的，以13.56MHz RFID系统的手机支付卡中的RFID环形天线进行自动匹配的过程为例进行说明：

当手机支付卡天线的谐振频率和接收读写器发送的信号的频率相等时，天线获得的能量是最大的，即有最大的峰值电压。读写器发送13.56MHz的载波、调制信号，放在手机内的手机支付卡中的RFID环形天线接收射频信号，RFID环形天线要想获得最大的能量，需工作在同样的谐振频率下，即13.56MHz。但是，手机支付卡放在手机内，由于外部介质的变化影响(即增加了电池)，RFID环形天线的固定电感会减小，电感减小的数值根据手机结构的不同而不同，且不方便测量；此时为了保证RFID环形天线的谐振频率为13.56MHz，可以调整天线部分的可变电容值，以使可变电容的电容值调整到天线的峰值电压最大时对应的电容值。其中，所述的手机支付卡为用于手机的双界面智能卡。

其中，激励信号可以由智能卡本身输入，也可以由其它装置输入，只要采用能够给天线输入相应频率的激励信号的装置，都可以视作激励源，例如终端、射频场发射源等。

具体电路结构框图如图7所示，包括固定电感701、固定电容705、电容阵702、检测电路704以及控制电路703(其中，电容阵与固定电容并联)。图7中的每一个开关采用单一mos管实现，在mos管导通时，选通开关所在路的电容；mos管截止时，不选通开关所在路的电容。因为mos管本身在漏极和源极存在一个反向的寄生二极管，所以，mos管在导通/截止时加在mos管的电压需要与mos管的标称电压极性一致，并且加在电容阵的输入端的信号需要偏置(可以通过对输入信号进行整流获得)，使得经过电容阵的信号在mos管截止时为不小于零的正弦波，以防mos管在不工作的时候，其寄生二极管导通。

在实现对可变电容阵进行检测控制时，可以将后一状态和前一状态的所采集到的峰值电压进行比较。如图8所示，当天线工作的工作频率和输入的激励频率相等时，天线获得能量最大，即峰值电压V最大，天线的工作频率f₀为最佳工作频率点。所以，检测、控制部分就是要通过改变相应的C_电容阵电容阵中的电容值找出峰值电压最大的点。可变电容阵中的电容值例如可以分别采用2⁰pF、2¹pF、2²pF......2^xpF，其中x的值根据实际情况来确定。这样，电容阵可以实现1至(2^x+1-1)的任一整数值，所以经检测、设定，实际需要的电容值和设定的电容值最大误差(即C_设定-C_实际)为±0.5pF，称为实际电容误差。

可变电容阵中的电容值还可以为a×2⁰pF、a×2¹pF、a×2²pF......a×2^xpF，此时电容阵可以实现a至a×(2^x+1-1)形成的等差为a的数列中的任一值，则实际电容误差为(即C_设定-C_实际)

其中，a＞0，x为正整数。需要说明的是：本发明并不限定调节电容阵的方法，可以用任意的方法来调节电容阵，只要最终能找到电容阵电容所有可能形成的电容值中，对应的峰值电压最大的一个电容值即可。

具体的，在进行匹配时，由电容阵控制电路预设的电容阵电容调整条件(该预设的电容调整条件，可根据实际需要进行设定)，设置好初始电容阵的参数(即哪路选通、哪路截止)，电容值为C1，输入信号(即激励信号)经过天线前端电路进入到天线，检测电路(例如峰值检波器)检测到天线端的峰值电压为V1，保持电压，并且将该峰值电压V1输入到比较器的一个输入端。由电容阵控制电路根据预设的电容阵电容调整条件，改变电容阵的参数(即哪路选通、哪路截止)，使得电容值为C2，此时检测电路检测到天线端的峰值电压为V2，保持电压，并且将该峰值电压V2输入到比较器的另一个输入端。检测电路中的比较器对两次输入结果进行比较，并输出两个输入端的比较结果，假设V2＞V1。由电容阵控制电路根据检测电路输出的比较结果，结合预设的电容阵电容调整条件，改变电容阵的参数(即哪路选通、哪路截止)，电容值为C3，得到V3，将前次比较时较大的电压与V3进行比较，假设V3＞V2。由电容阵控制电路根据检测电路输出的比较结果，结合预设的电容阵电容调整条件，改变电容阵的参数(即哪路选通、哪路截止)，电容值为C4，得到V4，将V3和V4继续进行电压比较，进行电容参数改变，依次类推，直至找出最大的峰值电压值Vmax。

当找到最大峰值电压Vmax时，完成本次RFID环形天线自动匹配过程，当峰值电压最大时，天线获得能量最大，当前电容阵对应的电容值最大程度的补偿了外部介质的变化对天线的工作频率的影响，使得天线的工作频率更加接近最佳工作频率点。

上述仅以13.56MHz RFID系统的手机支付卡接收读写器发出的数据为例进行说明，本领域技术人员可以获知，在任意频率的RFID系统中，都可利用上述方案进行RFID环形天线的自动匹配。激励信号的频率与要求的天线的工作频率相同，即若要求天线的工作频率为H，则激励源输入频率为H的激励信号。

本发明实施例还提供一种RFID环形天线，参考图9，包括：

RFID环形线圈901，与RFID环形线圈的两个端子连接的可变电容902，与RFID环形线圈和可变电容连接的控制匹配电路903，其中：

控制匹配电路903用于调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号的匹配，并将可变电容的电容值确定为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值。

进一步的，控制匹配电路903包括电容阵控制电路9031和检测电路9032，其中：

检测电路9032，用于在RFID环形线圈接收激励信号后，检测天线的峰值电压，并控制电容阵控制电路调整可变电容阵的电容值，以找到天线的最大峰值电压，并在确定达到最大峰值电压时，停止控制电容阵控制电路调整可变电容阵的电容值；

电容阵控制电路9031，用于调整可变电容的电容值，并将可变电容的电容值确定为天线的最大峰值电压对应的可变电容的电容值。

控制匹配电路903可以在接收到上电信号，或者接收到终端发送的预先设定的触发信号时启动天线工作频率与激励信号的匹配过程。

为便于进行可变电容值的确定，提高天线频率调节精度，该RFID环形天线中还可以包括：固定电容904，与可变电容并联。本发明实施例并不限定固定电容的电容值，该电容值可选择为在空气介质中使得天线的工作频率为设定工作频率的值，或者可以小于该值。

可变电容可以采用电容阵，电容阵中每个电容对应的开关可以采用单一mos管。

本发明实施例提供的RFID环形天线进行自动匹配的过程参见上述方法实施例中的描述，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种电子标签，包括本发明实施例提供的RFID环形天线。该电子标签中的RFID环形天线进行自动匹配的过程参见上述方法实施例中的描述，在此不再赘述。

本发明实施例还相应提供一种阅读器，包括本发明实施例提供的RFID环形天线。该阅读器可以在上电后，或者接收到预先设定的触发信号后，或者接收到用户触发后，启动RFID环形天线的自动匹配，该自动匹配的过程参见上述方法实施例中的描述，在此不再赘述。

本发明实施例提供的任一匹配方法和天线，均可以应用于主动电子标签、被动电子标签和阅读器中。

本发明实施例提供一种RFID环形天线匹配方法及天线、电子标签、阅读器，在RFID环形天线中增加了在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容，并在需要时将可变电容调整为合适的值以使得天线工作频率与设定频率相同或最接近，从而根据RFID环形天线的实际环境改变电容参数，获得较佳的谐振频率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种RFID环形天线匹配方法，其特征在于，包括：

根据接收到的激励信号，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号频率的匹配；

将可变电容的电容值调整为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据接收到的激励信号，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，包括：

接收到上电信号或者预先设定的触发信号时，根据接收到的激励信号，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据接收到的激励信号，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值包括：根据接收到的激励信号，检测天线的峰值电压；并根据所述峰值电压调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值；

所述将所述可变电容的电容值确定为天线工作频率与激励信号频率最接近时对应的可变电容的电容值，具体包括：

将所述可变电容的电容值确定为所述峰值电压最大时对应的可变电容的电容值。

4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述可变电容具体为：变容二极管或者电容阵。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电容阵中每个电容对应的开关为单一场效应晶体管。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电容阵中各个电容的电容值分别为a×2⁰pF、a×2¹pF、a×2²pF、......、a×2^xpF；其中，a＞0，x为正整数。

7.一种RFID环形天线，其特征在于，包括：

RFID环形线圈，与RFID环形线圈的两个端子连接的可变电容，与RFID环形线圈和可变电容连接的控制匹配电路，其中：

所述控制匹配电路，用于调整所述可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号的匹配，并将所述可变电容的电容值调整为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值。

8.如权利要求7所述的RFID环形天线，其特征在于，所述控制匹配电路包括电容阵控制电路和检测电路，其中：

检测电路，用于在RFID环形线圈接收激励信号后，检测天线的峰值电压，并控制所述电容阵控制电路调整可变电容的电容值；

电容阵控制电路，用于调整可变电容的电容值，并将可变电容的电容值确定为天线的最大峰值电压对应的可变电容的电容值。

9.如权利要求7所述的RFID环形天线，其特征在于，所述控制匹配电路在接收到上电信号，或者接收到预先设定的触发信号时，调整在天线线圈的两个端子之间连接的可变电容的电容值，进行天线工作频率与激励信号的匹配，并将可变电容的电容值确定为天线工作频率与激励信号频率相同或最接近时对应的可变电容的电容值。

10.如权利要求7-9任一所述的RFID环形天线，其特征在于，还包括：

固定电容，与所述可变电容并联。

11.如权利要求7-9任一所述的RFID环形天线，其特征在于，所述可变电容具体为：变容二极管或者电容阵。

12.如权利要求11所述的RFID环形天线，其特征在于，所述电容阵中每个电容对应的开关为单一场效应晶体管。

13.如权利要求11所述的RFID环形天线，其特征在于，所述电容阵中各个电容的电容值分别为a×2⁰pF、a×2¹pF、a×2²pF、......、a×2^xpF；其中，a＞0，x为正整数。

14.一种电子标签，其特征在于，包括如权利要求7-13任一所述的RFID环形天线。

15.一种阅读器，其特征在于，包括如权利要求7-13任一所述的RFID环形天线。

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