CN105262513B - 一种具有高发射功率的nfc有源通信接口 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种具有高发射功率的NFC有源通信接口。由NFC通信天线、通信天线匹配电路、RF模式开关、NFC收发器、RF天线开关、能量发送天线和能量发送天线匹配电路组成；所述NFC收发器的天线接口连接RF模式开关的公共接口，RF模式开关的第一射频接口连接通信天线匹配电路的一端，通信天线匹配电路的另一端连接RF天线开关的一端，RF天线开关的另一端连接NFC通信天线，RF模式开关的第二射频接口通过能量发送天线匹配电路连接能量发送天线，本发明的有益效果：本发明可大大提高NFC有源通信接口的射频发射功率，为与其通信的NFC装置提供大量电能。这些额外的电能将允许该NFC装置提供更多的功能，更高的性能，更好的用户体验。

Description

一种具有高发射功率的NFC有源通信接口

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种具有高发射功率的NFC有源通信接口。

背景技术

NFC(近场通信)由于使用了磁场作为信息载体，实现了比传统无线通信短得多的通信距离（几厘米），具有安全性高、使用方便等优点。NFC通信除了包含对信息的传输外，还包含了对能量的传输。具体来讲，有源NFC接口发送的射频信号不仅作为信息的载体，还作为能量的载体，用来提供无源NFC接口工作时所需的能量。在这点上，NFC具有与无线充电非常相似的原理。随着NFC无源接口被广泛用于无线支付、可穿戴式设备、传感标签等移动低功耗装置中，越来越多的应用依靠NFC无源接口作为供电或充电手段，以代替专用的有线/无线供电方式来降低成本。然而，由于NFC并非为无线能量传输设计，NFC有源接口的能量发射功率很低，无法与现有无线充电手段相比。这决定其只能应用于功耗很低的设备，极大地制约着使用NFC供电或充电的应用范围。

发明内容

为有效解决上述的问题，本发明提供一种具有高发射功率的NFC有源接口设计。

一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,由NFC通信天线、通信天线匹配电路、RF模式开关、NFC收发器、RF天线开关、能量发送天线和能量发送天线匹配电路组成；

进一步地，所述NFC收发器的天线接口连接RF模式开关的公共接口，RF模式开关的第一射频接口连接通信天线匹配电路的一端口，通信天线匹配电路的另一端口连接RF天线开关的一端口，RF天线开关的另一端口连接NFC通信天线，RF模式开关的第二射频接口通过能量发送天线匹配电路连接能量发送天线；

进一步地，所述NFC收发器连接外部装置以发送和接收NFC数据，以及获取工作时所需电能；

进一步地，所述NFC有源接口具有两种工作模式：通信模式与无线能量传输模式，两种模式的切换由RF模式开关和RF天线开关负责切换，RF模式开关和RF天线开关由NFC收发器控制；

进一步地，在通信模式下，所述RF模式开关的公共接口与第一射频接口联通，将NFC收发器连接至通信天线匹配电路，同时RF天线开关闭合，NFC通信天线与通信天线匹配电路连接；

进一步地，在无线能量传输模式下，说书RF模式开关的公共接口与第二射频接口联通，将NFC收发器连接至能量发送天线匹配电路，同时RF天线开关断开，将NFC通信天线与通信天线匹配电路构成的回路断开；

进一步地，所述NFC通信天线具有小于25的Q值，在连接通信天线匹配电路后谐振在13.56Mhz，通信天线匹配电路将其阻抗调节至与NFC收发器输出阻抗一致的程度；

进一步地，所述能量发送天线应具高Q值（大于25），在连接能量发送天线匹配电路后谐振在13.56Mhz，能量发送天线匹配电路将其阻抗调节至与NFC收发器输出阻抗一致的程度；

进一步地，所述NFC有源接口默认工作于通信模式下，何时切换工作模式由与NFC有源接口通信的NFC装置控制；

进一步地，当与NFC有源接口通信的NFC装置控制需要高射频能量时，该装置向所述NFC有源接口发送请求，请求中附带一个该装置指定的时间T（单位为秒），NFC有源接口应带模式切换请求，并立即切换至无线能量传输模式，在切换完成的T秒内，NFC有源接口发送射频能量，并在T秒后，切换回通信模式恢复与NFC装置的通信，该NFC装置可以再次请求模式切换；

本发明的有益效果：本发明可大大提高NFC有源通信接口的射频发射功率，为与其通信的NFC装置提供大量电能。这些额外的电能将允许该NFC装置提供更多的功能，更高的性能，更好的用户体验。本发明大大扩展了NFC无线能量传输在当前及未来数年内的应用范围。

附图说明

图1为本发明的电气结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，本发明提供一种具有高发射功率的有源NFC通信接口，所述NFC有源接口6包含NFC通信天线1、通信天线匹配电路2、RF模式开关3、NFC收发器4、RF天线开关9、能量发送天线8和能量发送天线匹配电路7；所述NFC收发器4的天线接口连接RF模式开关3的公共接口，RF模式开关3的第一射频接口通过通信天线匹配电路2、天线开关9连接NFC通信天线1，第二射频接口通过能量发送天线匹配电路7连接能量发送天线8；所述RF模式开关3可在NFC收发器的控制下将公共接口在内部连接至第一射频接口或第二射频接口；所述天线开关9可控制NFC通信天线与通信天线匹配电路2的连接；所述通信天线匹配电路2与能量发送天线匹配电路7分别调节NFC通信天线1与能量发送天线8的谐振频率与阻抗；所述NFC收发器4还与外部装置5相连接，用来与传送和接收NFC数据，以及获取维持NFC有源接口6工作的能量。

所述NFC有源接口6具有两种工作模式：通信模式与无线能量传送模式，两种模式可通过RF模式开关3与RF天线开关9进行实时转换。当RF模式开关3将公共接口连接至第一射频接口时为通信模式，将公共接口连接至第二射频接口时为无线能量传送模式。RF天线开关9在无线能量传送模式下断开，目的是断开NFC通信天线1回路，降低射频能量在改回路上的损耗。

双天线结构：

传统NFC有源接口传送射频能量功率低的最重要原因是通信与无线能量传送共用同一天线。从根本上讲，NFC通信与无线能量传输对天线有着截然不同的要求。对于NFC通信来说，为了达到必要的通信带宽，必须使用Q值（品质因数）较低的天线（例如Q<20）。品质因数越高，天线选择性就越强，带宽也越低。相反，对于无线能量传输来说，为了提升在13.56Mhz的发射功率，必须使用Q值很高的天线（例如Q>50）。对Q值要求的矛盾决定了在保证通信性能的前提下，无法有效提升发送功率。故使用单天线极大地限制了系统可以发送的NFC射频能量。

不同于传统NFC有源接口6使用同一个天线进行通信与能量发送，NFC有源接口6使用两个天线（NFC通信天线1和能量发送天线8）分别负责通信与无线能量传输。由于可以对两个天线分别进行优化，通信性能与能量发送功率可以兼顾。

工作模式与转换控制：

如上所述，NFC有源接口6具有两种工作模式，即通信模式与无线能量传送模式。在通信模式下，NFC通信天线1连接NFC收发器4，NFC有源接口6与传统NFC有源接口有着完全一致的功能与性能。但是由于通信带宽对天线低Q值的要求，NFC通信天线1自身消耗大量能量，无法提供高的无线能量传输功率。在无线能量传输模式下，能量发送天线8连接NFC收发器4。由于能量发送天线8专为无线能量传输优化，自身损耗很小，NFC收发器4可提供比在通信模式下高的多的无线能量传输功率。然而由于天线的高Q值，无线能量传输模式无法支持通信。

NFC有源接口6的工作模式由与其正在通信的NFC无源设备控制。NFC有源接口6默认工作于通信模式下。当NFC无源设备需要NFC有源接口6发射高功率时，该无源设备向NFC有源接口6发送模式转换请求。该请求包含一个时间T，指明NFC有源接口6在无线能量传输模式下的工作时间。NFC有源接口6在应答模式转换请求后转换至无线能量传输模式，并在T时间内发射射频能量。T时间后，NFC有源接口6回到通信模式。指定T的原因是为了使NFC有源接口6可以继续和NFC无源设备通信。若NFC无源设备仍需要高功率射频能量，则其重复以上过程，重新发送模式转换请求。

天线系统优化：

NFC通信天线1可使用现有NFC天线，Q值应在25以下以提供足够的NFC通信带宽，通信天线匹配电路2将NFC通信天线1的谐振频率调节至13.56Mhz，并将阻抗调节至与NFC收发器4的输出阻抗一致。

对于能量发送天线8，为了使其可以尽可能多的发送能量，能量发送天线8与能量发送天线匹配电路7需满足三个条件。一，能量发送天线8连接能量发送天线匹配电路7后在13.56Mhz谐振。考虑到能量发送天线匹配电路7内部谐振电容受实际值的限制、寄生电容的影响以及与接收天线的互感，能量发送天线8的电感值不能太大，否则无法在13.56Mhz谐振。然而，过低的电感值会导致低的发送功率，故电感值一般在3uH到10uH之间比较合适。二，能量发送天线8有尽可能高的Q值。提高Q值的方法包括使用具有较大截面积的天线，降低天线的寄生电容，使用阻抗较低的天线材料等等。三，能量发送天线8连接能量发送天线匹配电路7后的输入阻抗需与NFC收发器4的输出阻抗（一般为50 Ohm）匹配，保证最大功率传输。这可以通过调节能量发送天线匹配电路7的参数实现。

Claims (7)

1.一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,其特征在于，所述NFC有源通信接口包括两种工作模式，两种工作模式分别为通信模式及无线传输模，两种工作模式不产生射频影响；

所述NFC有源通信接口包括NFC通信天线、通信天线匹配电路、RF模式开关、NFC收发器、RF天线开关、能量发送天线和能量发送天线匹配电路；其中，NFC通信天线的Q值小于20，能量发送天线的Q值大于50；

所述RF模式开关包括公共接口、第一射频接口及第二射频接口；

所述NFC收发器的天线接口连接RF模式开关的公共接口，所述RF模式开关的第一射频接口连接通信天线匹配电路的一端，通信天线匹配电路的另一端连接RF天线开关的一端，RF天线开关的另一端连接NFC通信天线，RF模式开关的第二射频接口通过能量发送天线匹配电路连接能量发送天线；

所述NFC有源接口默认工作于通信模式下，切换工作模式由与NFC有源接口通信的NFC装置控制；

当与NFC有源接口通信的NFC装置控制需要高射频能量时，该装置向所述NFC有源接口发送请求，请求中附带一个该装置指定的时间T，所述T单位为秒，NFC有源接口应带模式切换请求，并立即切换至无线能量传输模式，在切换完成的T秒内，NFC有源接口发送射频能量，并在T秒后，切换回通信模式恢复与NFC装置的通信，该NFC装置可以再次请求模式切换。

2.根据权利要求1所述的一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,其特征在于，所述NFC收发器连接外部装置以发送和接收NFC数据，以及获取工作时所需电能。

3.根据权利要求1所述的一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,其特征在于，所述两种模式的切换由RF模式开关和RF天线开关控制切换，RF模式开关和RF天线开关由NFC收发器控制。

4.根据权利要求3所述的一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,其特征在于，在通信模式下，所述RF模式开关的公共接口与第一射频接口联通，将NFC收发器连接至通信天线匹配电路，同时RF天线开关闭合，NFC通信天线与通信天线匹配电路连接。

5.根据权利要求3所述的一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,其特征在于，在无线能量传输模式下，所述RF模式开关的公共接口与第二射频接口联通，将NFC收发器连接至能量发送天线匹配电路，同时RF天线开关断开，将NFC通信天线与通信天线匹配电路构成的回路断开。

6.根据权利要求4所述的一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,其特征在于，所述NFC通信天线具有小于25的Q值，在连接通信天线匹配电路后谐振在13.56Mhz，通信天线匹配电路将NFC通信天线阻抗调节至与NFC收发器输出阻抗一致的程度。

7.根据权利要求5所述的一种具有高发射功率的NFC有源通信接口,其特征在于，所述能量发送天线应具有大于25的Q值，在连接能量发送天线匹配电路后谐振在13.56Mhz，能量发送天线匹配电路将其阻抗调节至与NFC收发器输出阻抗一致的程度。