CN104348529A - 多通道应答机及确定最强地耦合的或较强地耦合的通道的方法 - Google Patents

Abstract

应答机包括多通道前端电路，多通道前端电路中的每一个通道包括：谐振电路及与之关联的天线，用于产生输入电压；整形电路，配置为由输入电压产生经整形的输入电压；以及比较器，配置为将经整形的输入电压与参考电压相比较。前端电路进一步包括：可连接于每个谐振电路的可变负载；以及控制器，配置为在使用时调节可变负载，并检测每个比较器的输出。本发明还提供一种运行应答机以确定最强耦合的一个或多个通道的方法。

Description

多通道应答机及确定最强地耦合的或较强地耦合的通道的方法

技术领域

本发明涉及一种多通道应答机，以及确定最强耦合的通道或较强耦合通道的方法。

背景技术

无线系统通常用来从第一装置向第二装置传送信息，第一装置例如基站，第二装置例如钥匙。此外，这类无线系统典型地还涉及从第二装置向第一装置传送信息，以实现信息的双向流通。第二装置可被定义为应答机。

在这类场合中，第二装置可能自身并不带有电源供应；在此类应用中，常见的是第二装置从外部来源中汲取电能以供作自身运行所需。这种能量汲取的一个特别的例子是：利用从第一装置传送信息时的能量，来为第二装置向第一装置回送信息提供能量。这种系统可称为场供应用。部分地由于场中存在相对较高的功率的可能性，这种场供应用在RFID场合中特别普遍，在其中第二装置可以示例地为被动RFID应答机或其他NFC(近场通信)应用。

为了有效地接收能量，或有效地传送信息，尤其重要的是确保场供应用的前端电路与由基站发出并提供的场之间很好地耦合。已知的是，场与应答机前端电路的天线线圈之间的耦合很大程度上倚重于前端电路的天线线圈的方向相对于场的方向。在矢量定义中，这种耦合取决于两个方向的点积。如果方向之间是直交的，则耦合将很小或不存在，从而装置可能不工作。为防止这种情况发生，已知的是在应答机中包括两个或三个大体上或实质上直交的前端电路，从而确保至少有一个电路与场能够很好地耦合。每个前端电路可以视为一个单独的通道。美国专利申请US2012/0105219中披露了一种防盗装置，其包括三个直交方向的天线，分别配置为从基站产生的场中接收信号。

为了最有效地利用可获得的能量，需要选择两个或三个单独通道中的一个，并只在那一个通道中传送信息，不使用其他通道。一种这类的系统在美国专利申请US2010/0290368中披露，其中的半双工RFID应答机具有集成的三维前端电路，包括了设置成三维方向的三个LC谐振电路。其中使用了一个通道选择器，用于检测与各通道相应的三个存储电容器中哪一个最选被充电到一个阈值电压，并选择与该第一个充到的存储电容相耦合的LC谐振电路相应的接收机通道，且使其他两个接收机通道无效。

有必要提供一种其他的检测最强耦合通道的方法，以及相应的装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种应答机，包括多通道前端电路，多通道前端电路中的每一个通道包括：谐振电路及与之关联的天线，谐振电路用于产生输入电压；整形电路，配置为由输入电压产生经整形的输入电压；以及比较器，配置为将经整形的输入电压与参考电压相比较。前端电路进一步包括：跨接在每个谐振电路两端的可变负载；以及控制器，配置为在使用时调节可变负载，并检测每个比较器的输出。

根据本发明的实施方式，整形电路包括整流器，用于对所述输入电压进行整流。根据本发明的实施方式，整形电路进一步包括并联配置的电容器与电阻器，用于生成电压包络。该电容器可以是滤波电容器。该电阻器可以是耗散电阻器。该电路可被提供用于对输入电压的包络进行整形。这种电路实现起来较为容易，并且不需要太多元件。根据本发明的其他实施方式，可以包括不同的整形电路，特别地但非限制的，整形电路可以包括主动峰值放大器电路。整形电路向比较器提供第一输入。非限制地，比较器可以是取样与保持比较器，或峰值水平比较器，并生成特定的输出。在其第一输入大于第二输入的条件满足的情况下，该输出可以是“高”输出。该输出可以仅在条件满足的时候输出，也可以持续稍长的时间。

根据本发明的实施方式，可变负载是步进可调的。步进可调负载实施起来相对方便。

根据本发明的实施方式，每个谐振电路两端跨接单独的相应可变负载。然而，根据本发明的其他实施方式，各个谐振电路都可连接一个可变负载。通过提供一个单独的可变电阻来通过例如切换的方式连接到每个谐振电路，可以减小所需元件的数量，特别是主动元件的数量。然而考虑到切换本身时，也可能会是以增大电路的复杂程度为代价的。当有需要时，可能不容易保证各个通道之间的整体负载都相同。

根据本发明的实施方式，天线在使用时配置为耦合到电磁场的近场。可选地或附加地，天线在使用时配置为耦合到电磁场的远场。

根据本发明的另一方面，提供一种运行具有多通道前端电路的应答机的方法，应答机位于电磁场中，每个通道包括谐振电路及与之关联的天线，谐振电路用于产生输入电压；该方法包括：调节跨接在谐振电路两端的负载；将经整形的输入电压与预先定义的参考电压相比较，经整形的输入电压由谐振电路上的各个电压生成；以及响应于比较，确定最强地耦合到场的通道。

谐振电路上的电压可以被整流，并通过并联配置的电容器和电阻器连接到地，以生成经整形的输入电压。该电容器可以是滤波电容器。该电阻器可以是耗散电阻器。该电路可被提供用于对输入电压的包络进行整形。

根据本发明的实施方式，调节连接于谐振电路上的负载包括：步进地调节负载。根据本发明的实施方式，每个谐振电路两端跨接单独的相应可变负载。根据本发明的实施方式，天线在使用时配置为耦合到电磁场的近场。

本发明的各方面将结合以下所述的各实施方式进行阐明。

附图说明

以下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述。

图1所示的是场供应答器的输入电压随场强的变化示意；

图2所示的是场矢量与三个直交方向的耦合；

图3a所示的是一种实施方式的应答器的系统概括图，应答器具有多通道前端电路，多通道前端电路包括三个通道；

图3b所示的是一对接地的可变电阻；

图4所示的是增大可变线圈负载对于输入电压与场强之间关系的影响；

图5所示的是对于三个不同耦合的通道而言，输入电压随负载的变化；以及

图6所示的是本发明的实施方式的选择最强耦合通道的方法。

应当理解的是，所述附图仅为说明之用，不是按比例绘制。图中，为清楚和方便说明，有关维度和部件的部分可能被放大或缩小。在不同的或者修改过的实施方式中，相同的参考标号通常用于指向相应的或相似的特征。

具体实施方式

场强的检测可以是基于每个通道的输入电压的，其中的通道可以对应于应答机的前端电路中天线线圈的不同的、大体上直交的方向。然而，应答机通常包括用于收集能量的整流器，电流中最大的部分是来自于最强的场，这可能会降低通道之间的电压差别。另外，通常还需要限压器用作装置保护，从而在具有相对急剧的响应的处理过程中，保持装置处在允许的电压范围内。这两种效应的叠加会使得输入电压信号的幅度通常在大多数的场强范围内都不会显示出足够的差别来。这种情况如图1所示。

在图1中利用图线110所示的是经整形的输入电压随场供应答机所耦合的场强的变化，其中经整形的输入电压Vin为Y轴或纵坐标，横轴或X轴上为耦合的场强。如后续参照图3a进一步详细说明的，经整形的输入电压Vin与输入电压Vant有关，但由整流器324整流过，并经过进一步的适应化，例如典型地通过图3a中的包络整形器325或主动峰值电路进行。在耦合的场强低于特定的值，如图中的111时，场强不足以导致应答机中出现经整形的输入电压。随着场强的增大，经整形的输入电压幅度大致呈线性地增长，直至到达图中112所示的拐点处，在此处，随着耦合场强的增大，电压幅度值几乎保持不变。这可以理解为是两种效应的结果：第一，输入端通常连接整流器，用于从输入的场中汲取能量；第二，这种应答机中通常包括限压电路。限压电路提供了对于装置的保护，且具有相对急剧的响应，从而当场强增大时，输入幅度变得大体平直的。如以上所述，在上述的情况下，直到耦合的场强至少等于一个特定的最小值，即图中所示的111时，才会产生经整形的输入电压。这种偏差是由于在整形电路中包括了整流器所致，从而在Y轴上的相应的电压偏差等于整流器中所使用的二极管(或晶体管)的最小阈值电压)。在其他电路中，若不包括整流器，则可能不会存在这种偏差，其中的曲线120的急剧响应部分可能从一开始就出现。

图1中包括了三个通道ch1、ch2、ch3的耦合场强示例，其可以对应于包括了实质上直交的回路天线的前端电路。如图中所示的，通道1上的经整形的输入电压，即图中120所示的，由于处于曲线的急剧变化部分，小于最大经整形的输入电压。然而在通道2和通道3上的经整形的输入电压，即图中130、140分别所示的，由于都处于响应曲线的限压部分，实质上相等。从而，仅通过测量经整形的输入电压，不足以确定通道2还是通道3的耦合更强。

图2所示的是场210的耦合，典型地对于RFID应用来说为“近场”，其三个直交的方向对应于X轴220、Y轴230和Z轴240。所属领域的人员应当知道，耦合应当是场矢量与代表每个轴的矢量的点积。从而，在多通道应答器的情况下，其包括有三个直交回路天线的前端电路，具有矢量轴250，并对齐到图中所示的X轴、Y轴和Z轴。所属领域的人员可以理解的是，场耦合进入天线将依赖于场相对于天线的相对方向。

图3a所示是的一个应答机310的系统整体，其包括多通道前端电路，多通道前端电路具有三个通道320、330和340。每个前端电路具有天线电路，天线电路包括天线321、331和341，天线可以是回路或线圈形式的电感，以及具有相应的电阻322、332、342和相应的电容323、333、343。这些结合起来形成谐振电路328、338、348。在天线电路两端可视作具有输入电压Vant。来自天线电路的输入电压Vant通过包络整形器329、339、349进行整形，然后作为输入env1、env2、env3被输入到比较器326、336、346。包络整形器包括整流器324、334、344，用于将交流天线电压Vant转换为直流信号。如图3a中的325、335、345所示的，包络整形器可以包括电容器，用于将由整流器324、334、344整流过的电压进行平滑；还包括负载，用于允许电荷的缓慢耗散，从而使得直流电压可以缓慢地跟随下降的输入电压，并避免信号一直处于高位。在其他实施方式中，可以利用接地的偏置电流来取代电阻。在图中所示的电路中，该电阻可能唯一用来耗散电荷的部件。在其他的实施方式中，应当理解的是，可以不包括包络整形器，而是使用其他可能的整形电路。特别地，整形电路可以包括主动峰值电路，例如一种可以包括放大器、且可以检测峰值电压并对电压通过例如采样与保持原理进行整形的电路。

经整形的输入信号被作为比较器326、336、346的输入和谐号env1、env2、env3。比较器的另外一个输入则是阈值电压Vref。比较器326、336、346从而确定经整形的输入电压是否超过参考电压Vref，并提供一个输出至公用控制逻辑350。

可变负载327、337、347连接到谐振电路328、338、348，亦即对前端电路中的每一个而言，包括于其中或耦合于其间。如图3a所示，该可变负载可以是阻性负载。可选地或者附加地，其可以包括反应式元件。通过在电路中包括可变负载，场强的变化可以导致整形的输入电压的变化，整形输入电压的变化随负载变化而变化。从而，如以下所述的，可以辨别出与场之间的不同天线的耦合。可变负载可以是如图中327所示的单个的可变电阻，可选但非限制地，可变负载可以包括如图3b所示的分别接地的两个电阻327a、327b。进一步地，可以理解的是，尽管图中示出了连续可调的电阻器，所述电阻器也可以是步进可调的，例如对于所属领域的人员而言，可以由电阻器网络提供。

尽管图3a所示的是各通道中的每一个都配备有单独的可变负载，在其他实施方式中，也可以提供一个或多个可变负载，其可以在各通道之间切换。这种配置可以减少所需要的元件的数量。类似地，还可以使用在各通道间可切换的单个电路来替代各个单个的Vref比较电路。这种电路可能会提升电路的复杂性。

图4所示的是经整形的输入电压随场强变化的曲线在各可变负载值下的情况。图中Y轴或纵轴所示的是由于天线耦合到一个场而产生的经整形的输入电压。场强绘制在X轴或横轴上。图线410至414中的每一个都相当于图1中的图线110。图线410直接与图线110相当，其中可变负载值为0。应当理解的是，电路中应当还包括一个基线负载，其与可变负载327串联。然而，这个基线负载可以会被认为是天线电路的电阻322的一部分。在其他实施方式中，可变负载可以包括电容器，或更特别地，包括可变电容器。可以理解的是，可变电容的效果是为电路去谐，而不是直接增大负载。直接增大负载通常而言实施起来更简单或更直接。图线411、412、413、414对应于可变负载327的值增大(由419标示)。由图中可以得到，当负载增大时，经整形的输入电压随场强增大而变化的变化率逐渐减小。从而，限压器开始限制经整形的输入电压的图线拐点向右移动，亦即，移向更高的耦合场强处。

图4还表示了图1中所述的三个大体直交的天线所对应的通道上耦合的场强ch1、ch2、ch3。可以看到的是，当负载增大时，可以辨别出耦合的相应的水平，不但对于ch1，也对于ch2和ch3。特别地，当负载较大时，对应于图线414，各个经整形的输入电压414(1)、414(2)、414(3)都是可测量的。从而，通过增大负载，可以确定通道中的哪一个具有与场之间最强的耦合。

可以理解的是，如图线414所示的提供高负载是不充分的，因为这将会在负载中浪费相对可观的能量。通过将负载配置为可调的或可切换的，可以在运行过程中的部分时间使用该负载，以免在确定或识别出了最强耦合的通道后的正常运行中浪费能量。

图5所示的是，对于一个特定的或固定的场强而言，当负载增大时可测量的经整形输入电压Vin的图线，其中经整形的输入电压表示在Y轴或纵轴上，负载表示在X轴或横轴上。出于完整性，应当说明的是，该图并不表示相应的比例，通常X轴为线性比例，而Y轴是对数比例。当可变负载为低值时，来自每个通道的经整形的输入电压由限压器限制在图中所示的值Vlim上。当负载增大时，具有最弱耦合的通道ch1不再能够提供足够的能量来使得可变负载处于限制的电压上，从而其整形的输入电压如图中511所示逐渐下降。同样的效果也会发生在其他两个通道上，但出现在更高的可变负载值点上，分别如图中513和512所示。现在考虑较低的电压水平，即图5中所示的Vref，可以明显看出的是，当可变负载增大的时候，各通道的经整形的输入电压降低到小于Vref的顺序与其和场之间的耦合是相对应的，即在可变负载增大时，最低耦合的通道最先降到Vref以下，最强耦合的通道最后降到Vref以下。从而，通过引入阈值电压，其中阈值电压可以是预先定义的或固定的电压Vref，可以确定哪个通道与场之间有最强的耦合。进一步地，当有三个通道时，也可以这样来确定哪个通道是与场之间具有最强的耦合的：两个较强耦合的通道不会是最先掉落到Vref以下的。

应当理解的是，由于相应于笛卡尔坐标系中的X、Y和Z轴而有了三个直交的方向，在欧几里得几何中，出现三个通道也是非常普遍的。然而，以特定的情况下，有可能提供少于或多于三个通道。比如，在涉及到四面体几何等情况时，可能需要保证至少一个通道与第一通道比45°更紧密地对齐。在这种情况下，可能需要确定例如两个或三个更强耦合的通道。其中，负载可以是例如步进地增长，直到剩下所需要的数量的通道具有高于Vref的经整形的输入电压。

上述效应使得可以轻易地实现如图6所示的确定最强地耦合到场的(或较强地耦合到场的)通道的方法。图6中的ch1ok、ch2ok和ch3ok分别表示的是三个通道中的每一个的相应比较器的输出随着负载如610所示的步增的图线。由图中可见，当负载步增时，ch1ok最先变低，随后是ch3ok。如图所示，对于可变负载的所有值来而，信号ch2ok都是高位的。可以理解的是，例如通过对于可变负载的最大值进行合适的选择，或者记录最强耦合通道走低的时刻可变负载的值，示例地实现为图3a所示的本发明的电路可以不但被用来确定最强耦合的通道，而且可以用来确定最强耦合通道的耦合是否足以驱动应答器的可靠运行。

还可以理解的是，一旦最强地耦合的或较强地耦合的通道被确定下来，此信息将可以被用于任何可能的目的。示例地并非限制地，可以仅利用该通道进行通信，而将所有可用的通道都用作能量的收集。在其他实施方式中，所有可用的通道都被用作能量收集，而只有最强耦合的一个或多个通道被用作通信。在其他实施方式中，只有最强耦合的通道被使用于通信和能量收集。根据其他可能的实施方式，所有可用的通道可以被用于接收数据，但只有最强耦合的一个或多个通道用于发送数据(可以是直接地发送或通过对所接收信号的调制)。

还应当理解的是，尽管本申请中所提到的实施方式是参考了三个大体或实质上直交的通道而进行描述的，但也可以使用多于或少于三个通道。进一步地，各通道之间可以是直交的、即彼此之间呈90°或直角；也可以是大体上或实质上是直交的、即彼此之间呈90°左右10°或5°。此外，各通道之间也可以不一定是上述的直交的、或不一定是上述的大体上或实质上是直交的。可以理解的是，尽管本发明的以上实施方式是参考RFID应答机或其他运行于近场的应答机，本发明不应当被限制于此，在其他运行于远场的设备系统中也同样适用。

所属技术领域的技术人员在阅读了本发明的描述，可以作出其他可能的变化或修改。这种变化和修改可以涉及应答机领域已知的相同或相似的特征，其可以被用于替换或附加于本发明以上所述的特征。

应当理解的是，尽管本申请的权利要求书指向为技术特征的特定集合，但本发明的揭露范围还应当包括明示、默示或归纳的任何新颖性技术特征或其集合，无论其是否与任一项权利要求所述的发明相关，亦无论其是否解决了与本发明的任一或全部所相同的技术问题。

本申请上下文所述的各实施方式中的技术特征也可以在单一实施方式中组成其集合。反之亦然，为简化说明而在某一实施方式中描述的各个技术方案也可以分开形成为任意合适的单一实施方式或子集组合。申请人谨此说明，在本申请或其他派生的申请的后续过程中，可由上述的技术特征及/或其集合形成为新的权利要求。

出于完整性，申请人同时说明，本申请中所述“包括”并不排除其他元件或步骤；所述“一”或“一个”并不排除多个；可以由一个处理器或其他单元来完成权利要求中记述的多个装置的功能，且权利要求中的参考标记不应当被理解为限制本发明权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种应答机，其特征在于，包括多通道前端电路，所述多通道前端电路中的每一个通道包括：

谐振电路及与之关联的天线，所述谐振电路用于产生输入电压；

整形电路，配置为由所述输入电压产生经整形的输入电压；以及

比较器，配置为将所述经整形的输入电压与参考电压相比较；

其中，所述前端电路进一步包括：

跨接在每个谐振电路两端的可变负载；以及控制器，配置为在使用时调节所述可变负载，并检测每个比较器的输出。

2.根据权利要求1所述的应答机，其特征在于：其中的整形电路包括整流器，用于对所述输入电压进行整流。

3.根据权利要求2所述的应答机，其特征在于：所述整形电路进一步包括并联配置的电容器与电阻器，用于生成电压包络。

4.根据任一在前权利要求所述的应答机，其特征在于：其中的可变负载是步进可调的。

5.根据任一在前权利要求所述的应答机，其特征在于：每个谐振电路两端跨接单独的相应可变负载。

6.根据任一在前权利要求所述的应答机，其特征在于：天线在使用时配置为耦合到电磁场的近场。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的应答机，其特征在于：天线在使用时配置为耦合到电磁场的远场。

8.一种运行具有多通道前端电路的应答机的方法，所述应答机位于电磁场中，其特征在于：每个通道包括谐振电路及与之关联的天线，所述谐振电路用于产生输入电压；所述方法包括：

调节跨接在谐振电路两端的负载；

将经整形的输入电压与预先定义的参考电压相比较，所述经整形的输入电压由所述谐振电路上的各个电压生成；以及

响应于所述比较，确定最强地耦合到场的通道和较强地耦合到场的通道中的至少一个。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：整流所述谐振电路上的电压，并通过并联配置的电容器和电阻器连接到地，以生成所述经整形的输入电压。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：每个谐振电路两端跨接单独的相应可变负载。

11.根据权利要求8到10中任一项所述的方法，其特征在于：调节跨接在谐振电路两端的负载包括：步进地调节负载。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于：天线在使用时配置为耦合到电磁场的近场。