CN108649989B - 具有远程天线的nfc读取器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种近场通信(NFC)读取器。所述NFC读取器包括第一区段。所述第一区段包括NFC控制器和耦合到所述NFC控制器的滤波器。所述滤波器包括滤波电容器。所述第一区段另外包括耦合到所述滤波器的第一调谐电路。所述第一调谐电路包括平行地电耦合到所述滤波电容器的调谐器电容器。所述第一调谐电路被配置且适用于耦合到同轴电缆。所述NFC读取器还包括第二区段。所述第二区段包括第二调谐电路。所述第二调谐电路包括第二调谐器电容器和阻尼电阻器。所述第二调谐电路被配置且适用于耦合到所述同轴电缆。所述第二区段另外包括耦合到所述第二调谐电路的天线。

Description

具有远程天线的NFC读取器
相关申请案的交叉引用
本申请案涉及2017年2月6日申请的标题是“具有自动调谐器的NFC读取器(NFCREADER WITH AUTO TUNER)”的第15/425,105号申请案，该申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本文涉及具有远程天线的NFC读取器。
背景技术
无线通信技术(例如用于NFC或ISO/IEC 14443装置的无线通信技术)经由近距离内或极为接近的磁场感应而与彼此通信。每个装置具有天线。主要装置(“读取器”或“启动器”)产生可用于为类似无源应答器的次要装置供电的磁场。应用于磁场的调制方案用于装置之间的通信目的。
主要装置使用发射器以产生被发出的射频(RF)场。匹配电路用于变换和调整对发出装置的发射器的天线阻抗。低欧姆匹配阻抗通常用于增大的功率发射。
在工作距离方面的一个限制因素是主要装置发出的RF功率。如非接触支付系统等应用需要特定的工作距离。由于主要装置的天线大小常常对产品产生约束，因此需要高输出功率发射器。
主要装置和次要装置形成耦合式无线谐振电路。如果组件之间的耦合增大，那么主要谐振电路将负载且失谐。这样会产生由主要装置的发射器所见的不同负载阻抗，从而有可能引起增大的驱动器电流和增大的RF场发射。监察机构和RF标准限制最大被允许的所发出RF功率。因此，对应用系统的不遵守可能在失谐的状况下发生。此外，增大的电流消耗可能在由电池供电的装置的状况下与装置损坏和用户体验降低有关。
发明内容
提供此发明内容是为了以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。此发明内容并不意图识别所主张标的物的关键特征或基本特征，也不意图用于限制所主张标的物的范围。
在一个实施例中，公开一种近场通信(NFC)读取器。该NFC读取器包括第一区段。该第一区段包括NFC控制器和耦合到该NFC控制器的滤波器。该滤波器包括滤波电容器。该第一区段另外包括耦合到该滤波器的第一调谐电路。该第一调谐电路包括平行地电耦合到该滤波电容器的调谐器电容器。该第一调谐电路被配置且适用于耦合到同轴电缆。该NFC读取器还包括第二区段。该第二区段包括第二调谐电路。该第二调谐电路包括第二调谐器电容器和阻尼电阻器。该第二调谐电路被配置且适用于耦合到该同轴电缆。该第二区段另外包括耦合到该第二调谐电路的天线。应注意，该第一调谐电路包括第一电缆接头且该第二调谐电路包括第二电缆接头。在部署期间，使用电缆(例如同轴电缆)耦合该第一区段与该第二区段。在一些实施例中，该第一区段与该第二区段被配置且适用于仅经由该第一电缆接头和该第二电缆接头而耦合到一起。
在一些实施例中，该滤波器是具有不对称组件结构的电磁兼容性(EMC)低通滤波器，在该不对称组件结构中两个发射线耦合到一起，且该调谐器电容器的值取决于该同轴电缆的长度。该调谐器电容器的该值被配置成匹配该NFC控制器的发射线和接地之间的阻抗与同轴电缆的阻抗。该NFC控制器包括动态功率控制(DPC单元)以将由该NFC控制器提取的电流限制于预选最大值。该DPC单元采用自动增益控制(AGC)，且该NFC控制器被配置成在增大由该NFC控制器提取的该电流时增大该AGC值，减小由该NFC控制器提取的该电流以及减小发射功率。该EMC滤波器包括滤波器电感且该天线包括天线电感。该滤波器电感大于该天线电感的一半。该第一区段与该第二区段被配置且适用于仅经由该同轴电缆而耦合到一起。
如本文所使用的术语“对称调谐”和“不对称调谐”是指史密斯圆图上的阻抗变化的表示。不同EMC滤波器截止频率可致使在史密斯圆图的电容侧和电感侧上对称地或不对称地表示天线阻抗曲线。
附图说明
为了可以详细地理解本发明的上述特征，可通过参考实施例来作出上文简要地概括的本发明的更加具体的描述，该实施例中的一些实施例在附图中得以示出。然而，应注意，附图仅示出本发明的典型实施例，且因此不应被视为限制本发明的范围，这是因为本发明可准许其它同等有效的实施例。在结合附图阅读本描述之后，本领域的技术人员将清楚所要求保护的标的物的优点，其中，相同的附图标号用于指代相同的元件，其中：
图1描绘根据本发明的一个或多个实施例的近场通信(NFC)读取器的示意性电路图；且
图2示出根据本发明的一个或多个实施例的50Ω天线的AGC(Rx电压)与ITVDD(供电电流)之间的相关性。
应注意，图式未按比例绘制。已经省略图式转变之间的中间步骤以免混淆本发明。那些中间步骤对于本领域的技术人员来说是已知的。
具体实施方式
已经省略或不在描述中详细描述许多熟知的制造步骤、组件和连接件，以免混淆本发明。
通常，近场通信(NFC)驱动器芯片包括两个发射线(每一线上进行反相发射)和两个接收器线以提供平衡电路。典型的NFC读取器包括NFC驱动器芯片、滤波器、调谐电路和同一印刷电路板(PCB)上的天线线圈，或至少包括物理上且不可移动地接近电路的其余部分的天线线圈。然而，当需要远程天线线圈时，天线线圈经由具有某一长度的电缆连接到其余电路。不需要让两个这样的电缆连接到发射线中的每一个。因此，在此类状况下，NFC读取器电路必须被设计成具有仅具有一个发射线和一个接收器线的不平衡电路。
典型的NFC读取器天线设计不能够将天线与NFC芯片远远地分离而不产生较大的性能影响。尤其是对于支付应用(例如，销售点终端设计)，可仅借由(例如)50Ω同轴电缆实现分离式天线，且分离式天线需要展现与在标准“同一PCB上”的天线设计中相同的性能。失谐和负载效应到目前为止已借由高阻抗或极低Q因数得以补偿，且因此在低功率电平下结束。
本文中所描述的一个或多个实施例使用具有动态功率控制(DPC)的NFC芯片。在2015年10月12日申请的第14/881,095号申请案和2015年12月14日申请的第14/968788号申请案中描述DPC，这两个申请案都以全文引用的方式并入本文中。
DPC通过调整功率电平来增大范围，并且还保护NFC芯片免于可能在由于NFC读取器天线与负载(例如，读卡器或具有NFC特征的移动装置)的耦合而发生阻抗改变时发生的过电流。然而，在常规上，DPC限于需要“对称”调谐的平衡天线设计。
图1描绘近场通信(NFC)读取器100的示意性电路图。NFC读取器100包括NFC读取器控制器102和天线调谐电路，天线调谐电路包括电磁兼容性(EMC)低通滤波器110、调谐器(包括调谐电路)106、108和包括线圈L的天线电路104。天线电路104还可包括电阻器Rcoil和电容器Cpa。然而，应注意，电阻器Rcoil和电容器Cpa可以是不独立的组件，这是因为电容器Cpa可表示线圈L的内电阻和内电容。调谐器106经由电缆(例如，同轴电缆)112而耦合到调谐器108。应注意，在安装NFC读取器100以供实地实际使用时，可将电缆112并入于NFC读取器100中。此外，图1中示出的电缆阻抗50Ω仅仅作为例子。本文中所描述的实施例可与具有除50Ω以外的阻抗的电缆一起使用。
EMC低通滤波器110通常是包括电感器L0和电容器C0的二阶低通滤波器。可包括阻尼电阻器Rs以调整天线电路104的Q因数。通常，平衡电路用来增大发射功率并减少非想要辐射。平衡电路包括两个发射器线Tx1和Tx2以及两个接收器线RXP和RXN。然而，在此实施例中，NFC读取器控制器102被配置成在Tx1和Tx2上同相发射信号，且Tx1与Tx2耦合到一起以形成仅一个发射线。类似地，RXN与RXP也可耦合到一起以形成包括电容器CRXP和电阻器RRXP的仅一个接收器线。
可在不对称调谐或对称调谐中调谐天线电路104。不对称调谐使用具有通常在17MHz到21MHz的范围内的截止频率的EMC滤波器110。对于标准NFC应用，NFC读取器天线被调谐到17Ω到30Ω的阻抗。因此，TVDD＝5V(TVDD是驱动NFC读取器控制器102或为NFC读取器控制器102供电的电压)下的励磁电流大致地在100mA到200mA的范围内。天线104阻抗在天线104装载有NFC卡或智能电话时增大。具有NFC组件的NFC卡或智能电话与天线104之间的耦合越强，天线阻抗越高且输出功率越低。此装载防止功率消耗超出NFC控制器102的功率消耗限制，且在低工作距离处限制功率转移电平以遵守EMVCo、NFC和ISO/IEC14443规范。
对称调谐包含对具有通常在14.3MHz到14.7MHz的范围内的截止频率的EMC滤波器110的使用。对称调谐还将天线104匹配到通常在17Ω到30Ω的范围内的阻抗，这样产生通常在100mA到200mA的范围内的励磁电流。
具有更低EMC截止频率的对称调谐由于这种类型的调谐具有改善的转移功能而在功率转移方面具有优势。在对称调谐的情况下，可使用更高Q因数，且场强度可在相同输入功率的情况下通常高了高达25％。
在天线失谐的状况下(例如，由于负载耦合)，对称天线调谐以与不对称调谐不同的方式表现。在负载期间，天线电路104的阻抗可减小到甚至小于5Ω。阻抗的此下降增大场强度以及NFC读取器控制器102的功率消耗，且可轻易地超出在EMVCo、NFC和ISO/IEC14443规范中所限定的给定限制。
50Ω(例如)单端NFC天线104连接到具有预选固定长度的电缆112。调谐电路106包括电容器C3和C4。电容器C3和C4可用于调谐天线104以匹配在正常负载条件下的电缆112的阻抗。如先前所指示，NFC读取器控制器102的输出驱动器同相地(且不与典型的平衡网路反相)操作，这样允许直接连接两个输出驱动器以驱动单端EMC滤波器110。可借由L0和C0将EMC滤波器110的截止频率(如下方的等式中所示出)调整为略微地高于操作频率但低于第二谐波。在一些实施例中，需要具有介于14.5Mhz与15Mhz之间的截止频率。
Figure BDA0001284331600000061
为了调谐到50Ω不平衡，仅需要单个串行电容器C1以(直接或经由电缆112)将50Ω天线匹配到不平衡发射器输出的所需阻抗。再次说明，值50Ω仅用作例子。
在调谐器或调谐电路108中，并入有另外一个并行电容器C2。电容器C2结合C0和C1允许出于所需电缆长度而调整阻抗。举例来说，针对电缆112的不同长度，电容器C2的值可不同。使用电容器C2，可对称地调谐在发射器线与接地(GND)之间所测量的阻抗，因此允许DPC单元有效地操作。应注意，电容器C2可以是固定值电容器或可变电容器。在使用可变电容器的实施例中，相同NFC读取器可用于不同长度的电缆112。
组合C0与C1允许组合以下要求：具有(NFC读取器100的操作频率与第二谐波之间的)所要截止频率，以及(经由电缆112)将天线104的50Ω阻抗匹配到TX与GND之间的所需阻抗。
可使用网络向量分析器来确定电容器的适当电容值，例如以获得给定电容器值的所要史密斯圆图。通过选择电容器C2的值，将阻抗调谐到允许驱动高发射器功率电平的值。此功率电平和对应的供电电流ITVDD(NFC读取器控制器102从TVDD电压源提取的电流)接近NFC读取器控制器102可耐受的最大功率限制。通过在设计测试期间变化C2的值直到发现最优值为止来确定电容器C2的值。
可如下计算不平衡阻抗要求。不平衡解决方案并行地驱动阻抗，而不是串行地驱动各自需要yΩ的2个TX输出。因此，如果Zbalanced＝2×yΩ，那么Zunbalanced＝yΩ/2。
在典型的EMVCO销售点(POS)NFC读取器中，Zunbalanced≈5Ω，这在TVDD＝5V的情况下得到ITVDD＝170mA。这些值对应于Zbalanced≈20Ω，这是具有平衡天线的标准NFC读卡器的典型阻抗。
DPC单元被配置成基于发射场强度而调整自动增益控制(AGC)。RXP(例如，接收器输入)处的电压电平表示发射场强度，这是因为RXP耦合到发射线。在一些实施例中，可采用模拟动态功率控制机构，其中TVDD以与RXP处的电压的改变成反比的方式改变，以使ITVDD保持低于预选阈值。在其它实施例中，可使用数字动态功率控制机构。在数字DPC机构中，限定多个操作模式。这些操作模式中的每一者包含最大阈值功率电平(PMax)和后退功率电平(PFall)。PFall的值比PMax的值小。这些功率电平涉及发射场强度。不同功率模式可具有不同的PMax和PFall的值。当发射强度超出功率模式的PMax或低于DPC单元目前正在操作的功率模式的PFall时，DPC单元从一个功率模式切换到另一个功率模式。在功率模式转换的过程中，DPC单元调整AGC和TVDD以将发射功率电平减小到DPC单元正切换到的功率模式的PFall。DPC单元保持在特定功率模式中，直到发射功率电平超出所述功率模式的PMax或低于所述功率模式的PFall为止。此动态功率控制机构确保发射场强度从不超出预选的最大值或从不变得低于预选最小值。应注意，发射场强度或发射功率电平可在天线104耦合到负载时由于天线失谐而变化。
如上文所描述，当发射功率电平超出PMax时，发射功率电平减小到PFall，且当发射功率电平低于PFall时，发射功率电平增大到低于DPC单元将转变到的下一功率模式的PMax的预限定更高值。将发射功率电平减小到PFall或将发射功率电平增大到预限定更高值的时间段可被配置。也就是说，切换到PFall的速度在DPC单元中可配置。
对于上文所描述的数字动态功率控制机构，前提是供电电流ITVDD应随着AGC的改变而以线性方式改变。为了确保恰当的动态功率控制操作，使用“对称”调谐以调谐天线104。电感器L0的值大于天线电感(L)的一半。
由于“对称”调谐(例如，产生对称史密斯圆图的调谐)，任何种类的失谐或负载通过一种使得NFC读取器控制器102的接收器(Rx)处的电压电平与ITVDD相关的方式，使天线阻抗朝向更低阻抗改变。需要被测量为(例如)AGC值或发射信号功率/强度的Rx电压电平与TX供电电流ITVDD之间的此改变线性或相关性来校正并操作DPC单元。在图2中示出此类线性的例子，图2描绘AGC值的改变与NFC读取器控制器102电流(例如，ITVDD)的改变之间的相关性或线性。图2中所示出的两个线性线描绘ITVDD的改变与两个不同类型的负载的AGC值的改变的线性。
这些实施例中的一些或全部可组合，一些可被完全省略，且可添加额外过程步骤，同时仍达成本文中所描述的产品。因此，本文中所描述的标的物可以许多不同变化体现，且所有此类变化涵盖在权利要求书的范围内。
虽然已借助于例子且根据特定实施例而描述一个或多个实施方案，但是应理解，一个或多个实施方案不限于所公开实施例。相反地，希望涵盖对本领域的技术人员来说将显而易见的各种修改和类似布置。因此，所附权利要求书的范围应被赋予最广义的解释，以便涵盖所有此类修改和类似布置。
除非在本文中另外指出或明显与内容相矛盾，否则在描述标的物的上下文中(尤其在以上权利要求书的上下文中)使用术语“一(a/an)”和“该/所述”和类似指示物应被理解为涵盖单数和复数两者。除非在本文中另外指示，否则对本文中值范围的叙述仅意图充当个别提及属于该范围的每一单独值的速记方法，且每一单独值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。此外，上述描述仅出于说明的目的，而不是出于限制的目的，因为寻求保护的范围由如在下文中阐述的权利要求连同其任何等效物来限定。除非另有要求，否则本文中所提供的对任何和所有例子或示例性语言(例如，“例如”)的使用仅仅是意图更好地示出标的物，且并不限制标的物的范围。在权利要求和书面描述两者中使用术语“基于”和指示用于产生结果的条件的其它类似短语并不意图排除产生那个结果的其它条件。本说明书中的语言不应被理解为将任何未要求的元件指示为是实践所要求的本发明所必需的。
本文中描述了优选实施例，包含本发明人已知的用于实现所主张标的物的最佳模式。当然，在阅读前文描述之后，那些优选实施例的变化对于本领域的技术人员将变得显而易见。本发明人期望本领域的技术人员适时采用此类变化，且本发明人意图以不同于本文中特定描述的其它方式来实践所主张标的物。因此，此所主张标的物包含由可适用法律准许的在附属权利要求中所叙述的标的物的所有修改和等效物。此外，除非本文另外指示或明确与内容相矛盾，否则本发明涵盖上文所描述的元件以其所有可能的变化形式的任何组合。

Claims (7)

1.一种近场通信(NFC)读取器，其特征在于，包括：
第一区段；
第二区段；
其中，所述第一区段包括
NFC控制器；
滤波器，所述滤波器耦合到所述NFC控制器，其中，所述滤波器包括滤波电容器；
第一调谐电路，所述第一调谐电路耦合到所述滤波器，其中，所述第一调谐电路包括平行地电耦合到所述滤波电容器的调谐器电容器，其中，所述第一调谐电路包括第一电缆接头；
其中，所述第二区段包括
第二调谐电路，其中，所述第二调谐电路包括第二调谐器电容器和阻尼电阻器，其中，所述第二调谐电路包括第二电缆接头；以及
天线，所述天线耦合到所述第二调谐电路；
其中，所述滤波器是具有不对称组件结构的电磁兼容性(EMC)低通滤波器，在所述不对称组件结构中两个发射线耦合到一起。
2.根据权利要求1所述的近场通信(NFC)读取器，其特征在于，基于将在所述第一电缆接头与所述第二电缆接头之间连接的电缆的预选长度而选择所述调谐器电容器的值。
3.根据权利要求2所述的近场通信(NFC)读取器，其特征在于，所述调谐器电容器的所述值被配置成匹配所述NFC控制器的发射线与接地之间的阻抗与具有将在所述第一电缆接头与所述第二电缆接头之间连接的所述预选长度的同轴电缆的阻抗。
4.根据权利要求3所述的近场通信(NFC)读取器，其特征在于，所述NFC控制器包括动态功率控制(DPC)单元以将由所述NFC控制器提取的电流限制于预选最大值。
5.根据权利要求4所述的近场通信(NFC)读取器，其特征在于，所述动态功率控制(DPC)采用自动增益控制(AGC)，且所述NFC控制器被配置成在增大由所述NFC控制器提取的所述电流时增大所述自动增益控制(AGC)值，减小由所述NFC控制器提取的所述电流以及减小发射功率。
6.根据权利要求1所述的近场通信(NFC)读取器，其特征在于，所述电磁兼容性(EMC)低通滤波器包括滤波器电感且所述天线包括天线电感，其中，所述滤波器电感大于所述天线电感的一半。
7.根据权利要求1所述的近场通信(NFC)读取器，其特征在于，所述第一区段与所述第二区段被配置且适用于仅经由所述第一电缆接头和所述第二电缆接头而耦合到一起。
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