CN103457040A - 可调天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线，该天线能够被配置成对于相同的操作频率使用选定数量的线圈。这样能够在功率消耗和信号强度之间找到所期望的(并且是可调节的)折衷。

Description

可调天线
技术领域
本发明涉及天线设计，例如用于近场通信(NFC)系统的天线设计。
背景技术
NFC对于近距离的非接触通信是相对新的协议，近距离例如是指NFC设备和卡之间或两个NFC设备之间的最大距离为10cm。该通信以磁耦合为基础。
对于NFC设备和卡之间的通信，NFC设备发挥读取器的作用。对于NFC设备之间的通信，建立点对点通信。发起交换的一个设备被称作发起者，另一个设备被称作接受者。
NFC系统通过ISO 18092被标准化。
天线对于使用磁耦合的RF通信来说是关键元件。基本上，磁性天线包括若干电线环路。环路的几何形状典型地可以是矩形、正方形或圆形。
天线设计本质上是可靠通信所需的磁场强度和低功率消耗要求之间的折衷。然而，这是相互冲突的需求，可取的折衷方案对不同的应用是不同的。
发明内容
根据本发明，提供一种设备以及如独立权利要求所述的一种方法。
在一个方面中，本发明提供一种天线，包括：
天线线圈组，该天线线圈组包括至少两个天线线圈；
电容器组，该电容器组包括至少两个电容器；和
开关布置，
开关布置能够被配置成限定至少两个工作模式。其中，天线线圈和电容器的不同组合被连接到电路中，以便限定工作频率相同但天线线圈的数量不同。
该天线设计能够使不同数量的线圈被接入到天线电路中，同时保持相同的工作频率。不同数量的天线线圈会引起不同的工作电流和功率消耗，以及不同的磁场强度。因此，该天线配置能够适合于进行特殊通信。
例如，在一个工作模式中，至少两个线圈可以被串联连接。当多个线圈被串联连接时，对于给定的驱动电压，会提供较小的电流和较低的功率消耗，但是以减小的磁场为代价。可以用较少数量的线圈来提供较强的磁场，但是有较高的电流消耗。例如，这种配置可以取决于能源供给(电力线或电池)或剩余电池寿命。
天线包括由n个天线线圈构成的天线线圈组，开关布置能够被配置成限定多个工作模式，每个工作模式包括不同数量的串联连接的天线线圈以及与天线线圈并联的不同的电容。因此可以在功率消耗和场强之间建立一组不同的关系。可以有n个工作模式，即，一个工作模式对应一个可能数量(1到n)的串联线圈。可替换的是，模式的数量可以比线圈的数量少。
电容器组可以包括并联的n个电容器，开关布置可以被配置成对于每个工作模式选择不同的电容器或电容器的并联组合。
开关布置可以包括在每个线圈的一端和电容器组之间的各个开关。当选择其中一个开关时，该开关提供了至电容器组的回路，以限定串联有多少个感应线圈。
开关布置可以进一步包括在每个相邻的一对线圈之间的各个开关，以限定所有线圈的串联连接。在组合中，两组开关能够使不在电路中的线圈在两端被隔离。
可以有四个线圈，并且一对控制引脚可以被用于对四个模式设置四个不同的开关设置。
天线可以被用于近场通信设备。
在另一个方面中，本发明提供一种设置天线的工作模式的方法，天线包括天线线圈组、电容器组和开关布置，该天线线圈组包括至少两个天线线圈，该电容器组包括至少两个电容器，
其中，该方法包括配置开关布置以限定至少两个工作模式中被选择的一个工作模式，在不同的工作模式中，天线线圈和电容器的不同组合被连接到电路中，以便限定工作频率相同但天线线圈的数量不同。
附图说明
下面将参考附图详细说明本发明的实例，其中：
图1示出的是本发明的天线的实例；以及
图2示出的是用于近场通信设备的天线。
具体实施方式
本发明提供一种天线，该天线能够被配置成对于相同的工作频率使用选定数量的线圈。这样能够在功率消耗和信号强度之间找到所期望的(并且是可调节的)折衷。
天线产生的磁场主要取决于电感和电流强度。天线电感是环路的几何形状的函数，与匝数的平方成正比。可以使用以下三个因素来调整磁场：天线几何形状，电流强度，或匝数。
几何形状通常由外部尺寸来限定，电流强度受放大器限制。
本发明是基于通过提供匝数的可控性来调节磁场。通过调节磁场，能够在信号强度(影响连接的可靠性和距离)和功率消耗之间找到所期望的平衡。
图1示出的是本发明的天线的实例，其中天线的匝数是可以通过选择器来调节的。
天线由四个线圈1、2、3、4和电容器组10组成，电容器组10包括四个并联的电容器C1到C4。
开关布置可配置成限定至少两个工作模式，其中天线线圈和电容器的不同组合被连接到电路中，以便限定工作频率相同但天线线圈的数量不同。在所示的实例中，用串联连接的线圈1、2、3、4会有四个可能的模式。开关布置可以被配置成对于每个工作模式都选择一个电容器。
开关布置包括与每个线圈1到4相联系的各个开关S1到S4，开关S1到S4在第一开关组12内，位于各个线圈的一端和电容器组(节点14)之间。当仅选择开关S1到S4中的一个开关时，该开关在节点14提供了至电容器组的回路，以限定串联有多少个感应线圈。
图1还示出了在每个相邻的一对线圈之间的各个开关，以限定所有线圈的串联。这些开关NotS1、NotS2、NotS3并不是必需的，因为开关S1到S4提供了所需的隔离，但是开关NotS1、NotS2、NotS3能够被用来完全地断开不需要的线圈的两侧与天线电路的连接。在组合中，开关表示串联是由想要的线圈组成的，其他的线圈从两端被隔离。
如图1所示，四个模式中的每一个模式都是通过使在开关S1到S4中被选择的一个(仅一个)闭合来限定的。例如，为了使线圈1和2串联，闭合开关S2。闭合NotS1，打开S1，以形成串联连接。打开NotS2、S3和S4，以使其他线圈都不被连接到电路中。
另外的开关组16是电容器组10的一部分。在所示的实例中，至少有一个电容器总是被连接(在该实例中是C4)，并且在其他电容器中被选择的一个电容器被并联连接以限定随线圈数量变化的电容，从而保持恒定的LC常数。当然也可以设置另外的开关S4，以便只有一个电容器被连接到电路中。
天线具有两个电源引脚A1、A2，以及用于选择模式的开关选择引脚E1、E2。真值表18示出的是在E1和E2的值与开关设置之间的一个可能的映射。
该天线设计能够使不同数量的线圈被接入到天线电路中，同时保持相同的工作频率。不同数量的天线线圈会引起不同的工作电流和功率消耗，以及不同的磁场强度。因此，该天线配置能够适合于进行特殊通信。
例如，对于NFC通信，该天线能够保持调到13.56MHz的信号载波频率。
可以通过对E1、E2引脚提供信号来选择天线的配置。很多应用希望能够改变天线的设置。
例如，NFC通信系统可以是便携式计算机的一部分。如果电源适配器被连接，则功率消耗就不是问题，可以使用具有大电流的少量的线圈来产生强磁场。如果便携式计算机是用电池来支持运行的，则功率消耗就变得更加重要，可以使用更多的线圈。因此，便携式计算机可以基于如何接收功率来设置天线设置。
对于移动电话应用，可以基于剩余的电池寿命或者简单地基于用户命令来选择线圈数量。
不同类型的通信也可能要求不同的信号强度。例如，在通过与加密卡的通信进行的支付应用中，可能需要强RF场，所以可以使用较少的线圈和较大的电流。
在上述实例中，系统可以被配置成具有1到4个线圈。然而，选择的范围可以是不同的，但是不能下降到1个线圈。例如，可以总共是8个线圈，在4个线圈和8个线圈之间是可控的。
用户或在主机设备上运行的应用(例如，便携式计算机或移动电话)根据应用的需要来控制天线设置。
本发明特别适用于NFC天线，但是也可以用于其他无线应用，诸如蓝牙和Wifi。
所示的开关配置只是一种可能的实例，很清楚还存在其他配置开关的方式，可以使被选择的一组串联的电感器被连接到天线端子中。因此，该原理可以被总结成匝数为n并且使用适当的开关布置的天线。模式可以包括a到n个串联线圈(“a”从1到n-1)。
在上述实例中，多个天线线圈串联连接。不同的配置同时还可以包括并联连接的天线线圈，或仅包括并联连接的天线线圈。并联连接到固定电压的电源将对每个线圈给予相同的电流，因此将增加功率消耗，但是将给予增大的场强或在更大区域上的场传播。
本发明提供灵活性，可以根据应用的需要调节匝数。可以优化传输量。
图2示出的是本发明的系统的简化形式。该系统具有通过磁感应连接24通信的两个NFC设备20、22。每个设备包括与上述类型的天线26、28连接的通信线路。当然，两个设备中只有一个设备可以具有可重构的天线，这将是发起者而不是接受者。
通信线路对天线的控制位E1、E2输出期望值。
对本领域技术人员来说，其他各种变形是显而易见的。

Claims (12)

1.一种天线，其特征在于，包括：
天线线圈组，所述天线线圈组包括至少两个天线线圈(1、2、3、4)；
电容器组(10)，所述电容器组(10)包括至少两个电容器(C1、C2、C3、C4)；和
开关布置(S1到S4)，
其中，所述开关布置(S1到S4)能够被配置成限定至少两个工作模式，其中天线线圈和电容器的不同组合被连接到电路中，以便限定工作频率相同但天线线圈的数量不同。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，在一个所述工作模式中，至少两个线圈(1、2、3、4)被串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，包括由n个天线线圈构成的天线线圈组，所述开关布置(S1到S4)能够被配置成限定多个工作模式，每个工作模式包括不同数量的串联连接的所述天线线圈以及与所述天线线圈并联的不同的电容。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述开关布置能够被配置成限定n个工作模式。
5.根据权利要求3或4所述的天线，其特征在于，所述电容器组(10)包括并联的n个电容器(C1到C4)，所述开关布置能够被配置成对于每个工作模式选择不同的电容器或电容器的并联组合。
6.根据在前的任一项权利要求所述的天线，其特征在于，所述开关布置包括在每个线圈的一端和所述电容器组之间的各个开关。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述开关布置包括在每个相邻的一对线圈(NotS1到NotS3)之间的各个开关，以限定所有线圈的串联连接。
8.根据在前的任一项权利要求所述的天线，其特征在于，包括四个线圈(1、2、3、4)。
9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，包括一对控制引脚，用于对四个模式设置四个不同的开关设置。
10.一种通信设备，其特征在于，包括在前的任一项权利要求所述的天线，所述通信设备包括控制器，所述控制器用于选择所述天线的工作模式。
11.根据权利要求10所述的通信设备，其特征在于，包括近场通信设备。
12.一种设置天线的工作模式的方法，其特征在于，所述天线包括天线线圈组、电容器组(10)和开关布置(S1到S4)，所述天线线圈组包括至少两个天线线圈(1、2、3、4)，所述电容器组(10)包括至少两个电容器(C1、C2、C3、C4)，
所述方法包括配置所述开关布置(S1到S4)以限定至少两个工作模式中被选择的一个工作模式，在不同的工作模式中，天线线圈和电容器的不同组合被连接到电路中，以便限定工作频率相同但天线线圈的数量不同。
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