CN1224282A

CN1224282A - 带改进的反向散射调制器的高阻抗脉冲收发机

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Publication number: CN1224282A
Application number: CN98117396A
Authority: CN
Inventors: 戴维·埃德温·普罗克特; 克里斯托弗·戈登·杰维斯·特纳; 坎比茨·哈亚特－达乌迪
Original assignee: HUJPU SENSOR HOLDINGS CO Ltd
Current assignee: ZIH Corp
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: EP0899682A3; EP1675042A3; EP1675042A2; EP0899682A2; EP0899682B1; JP2010101909A; JPH11174148A; DE69834226T2; ES2262212T3; DE69834226D1; JP5595743B2; US6054925A; CN1123139C; ATE323913T1

Abstract

公开了一种用于电子识别系统的脉冲收发机20。该脉冲收发机特征在于在其输入端提供了一个高输入阻抗(>400Ω),该输入端以一个匹配的高输入阻抗直接与天线22相连。该脉冲收发机的目的是要提高在电容器C₂上恢复的来自询问信号的电压,从而扩大系统的操作范围。脉冲收发机的调制器30设计为以小于80%调制深度(优选为30%数量级)对询问激励信号进行反向散射调制。这也改善了系统的操作范围。

Description

带改进的反向散射调制器的高阻抗脉冲收发机

本发明涉及一种包括询问机和多个脉冲收发机的电子识别系统。本发明具体涉及形成该系统之一部分的脉冲收发机。

公知的上述种类的电子系统包括一询问机，其包括一用于向脉冲收发机发送询问信号的发送器，和一用于从脉冲收发机接收响应信号的接收器。在询问机中的一个微处理器从响应信号的数据流中识别一个特定的脉冲收发机。每个脉冲收发机包含一天线和一检测电路，用于从询问信号中接收和汇集功率，以在一存储电容上提供一足够高的电压，从而向脉冲收发机的调制器和逻辑电路供电，逻辑电路依次产生上述数据流。数据流用于采用一种公知为反向散射调制的方法以大约100％调制深度对激励信号进行调制和向询问机反向反射激励信号能量的一部分。脉冲收发机的天线通常是具有50Ω至100Ω馈电点阻抗的单元件半波长偶极天线。该天线用合适的阻抗匹配网络与检测器电路的125Ω至200Ω低输入阻抗相匹配。

在公知的系统中，反向散射响应信号的有效距离大大超过脉冲收发机能被激励信号驱动的距离。限制因素是向脉冲收发机的调制器和逻辑电路供电的电容器所需的电压。用公知的低输入阻抗的脉冲收发机(尤其是那些用小的集成存储电容器并在大约100％调制深度调制激励信号的脉冲收发机)恢复的电压和所取得的工作范围是不能令人满意的。

因此，本发明的一个目的是提供一种可替代的脉冲收发机，其能够至少是改善上述缺点。

根据本发明，提供了一种用于电子识别系统的脉冲收发机，包括一与脉冲收发机电路连接的输入端，该脉冲收发机的特征在于其输入端的输入阻抗至少是400Ω。

根据本发明的脉冲收发机目标是提高从询问和激励信号中恢复的电压，这与现有技术脉冲收发机中对所恢复的功率优化相反。

脉冲收发机电路可包括一与输入端相连的调制器，一与调制器连接的信号检测器，和用于产生一识别代码的逻辑电路；所述输入端可以直接连接到一个天线上而不需在天线与调制器之间使用阻抗匹配电路；天线的馈电点阻抗的实数部分基本上等于输入阻抗的实数部分。

脉冲收发机电路可包括一电压倍增器电路，诸如倍压电路。

脉冲收发机电路优选地集成在一块芯片上。可用CMOS技术实施该集成。

天线可包括一多元件半波长偶极子。天线典型地可包括一个三至五个元件的半波长偶极子。天线还可包括一电感性电抗元件，以在优选操作频率抵消在所述输入阻抗中的电容性电抗成分。电感性电抗元件可以是例如包括一在天线馈电点上或附近所设置的环形构造。

在另一实施例中，天线可包括一半波长偶极子，其中馈电点适当地偏心放置，以便馈电点阻抗与所述输入阻抗接近。天线可以适当地比半波长长，以产生一个电感性电抗成分，从而在一个优选操作频率抵消在所述输入阻抗中的电容性电抗成分。

进一步根据本发明，调制器可构成为以小于80％调制深度用识别代码信号对通过天线接收的激励信号进行调制。

识别代码信号可包括一个二进制数据流，调制器连接一个开关装置，其受数据流控制，以将一阻抗电路切换入和切换出脉冲收发机电路，从而在第一值和第二值之间改变输入阻抗，其中第一值基本上与天线的馈电点阻抗匹配，而第二值最多为第一值的80％。

本发明还涉及包括一脉冲收发机电路的脉冲收发机，该脉冲收发机电路包括一调制器，用于以小于80％调制深度用响应信号对通过天线接收的激励信号进行调制。

调制深度优选在20％和40％之间，一般为30％的数量级。

响应信号可包括一二进制数据流，调制器连接一个开关装置，其受该二进制流控制，以将一阻抗电路切换入和切换出脉冲收发机电路，从而在第一值和第二值之间改变在脉冲收发机电路输入端的输入阻抗，其中第一值基本与天线的馈电点阻抗匹配，第二值最多为第一值的80％。

所述开关装置可包括一有源开关装置，诸如一个三极管，而阻抗电路可包括一电阻。

本发明还包括一用于电子识别系统的脉冲收发机，该脉冲收发机包括：

-一与脉冲收发机电路输入端连接的天线；

-该脉冲收发机电路包括：

-一与天线连接的激励信号检测器；

-一与检测器连接的存储电容器，用于存储从激励信号恢复的电压；

-一与天线连接的调制器；和

-用于为调制器产生控制信号的电路；

-所述调制器根据控制信号进行设置以在小于80％的深度对激励信号进行调制。

现在将参考附图以示例性的方式对本发明进行进一步的说明，其中：

图1是现有技术脉冲收发机的基本方框图；

图2是根据本发明的脉冲收发机的方框图；

图3是根据本发明的脉冲收发机的方框图，更详细地显示了包括倍压电路在内的检测器电路；

图4示意性地表示形成根据本发明的脉冲收发机一部分的一个天线；

图5示意性地表示形成根据本发明的脉冲收发机一部分的另一个天线；

图6是更详细地显示调制器电路的脉冲收发机的方框图；和

图7到9是在由图6的方框图所表示的电路中各点的波形。

现有技术的脉冲收发机的方框图示于图1。该脉冲收发机10包括一半波长偶极子天线12，其具有50Ω到100Ω数量级的馈电点阻抗Z_AIN，典型值为73Ω。在天线12与检测器和调制器电路16之间设置了一匹配网络14，以将天线的阻抗与检测器和调制器电路的输入阻抗Z_DIN匹配，Z_DIN一般是在125Ω至200Ω数量级。检测器和调制器电路与逻辑电路18连接。检测器从收到的询问信号中收集功率以在存储电容器上积累电压，从而驱动逻辑电路和调制器电路。询问机(未示出)和脉冲收发机10的操作范围取决于检测器电路所恢复并在电容器储存的电压。

具有上述低阻抗(73Ω)天线和低输入阻抗检测器和调制器电路(125Ω-200Ω)的现有技术系统的操作是不能令人满意的。而且，匹配网络14增加了公知脉冲收发机的成本。再者，如图9所示，在使用100％调制的现有技术的脉冲收发机中，储存电容器的电压周期性地降到电容器所需的最小电压以下。

根据本发明的脉冲收发机20的方框图示于图2。脉冲收发机20包括一与含有检测器和调制器电路24的高输入阻抗脉冲收发机电路直接相连的高阻抗天线22(Z_AIN＞400Ω)。检测器和调制器电路24与逻辑电路26连接。

通过增加检测器和调制器电路24的输入阻抗Z_TIN，所恢复的电压也增加。该关系由下面的公式确定：

V = \sqrt{Px Z_{TIN}}

其中P=信号的功率；

Z_TIN=脉冲收发机的输入阻抗

而且，通过设置一倍压电路28形式的电压倍增电路(示于图3)，电压还将进一步增加。倍压电路28操作如下。

在询问信号S_IN的正半周期S_INP1，电流流经电容器C₁和二极管D₂，以将存储电容器C₂充电至半周期S_INP1的峰值电压。在负半周期S_INN，电流流经二极管D₁，以将电容器C₁反向充电至负半周期S_INN的峰值电压。在下一正半周期S_INP2，电容器C₁上的电压增加至正半周期S_INP2的电压，以将电容器C₂充电至信号S_IN的峰-峰电压。

输入阻抗Z_TIN主要是由杂散电路电阻、电感和电容的阻抗，整流二极管D₁和D₂在不导通时的阻抗，二极管D₁和D₂在导通时的正向电阻，由逻辑电路26形成的阻抗，以及调制器30在高阻状态时的阻抗确定的。

通过增加阻抗Z_TIN，恢复电压也增加。通过适当地将调制器30、倍压电路28和逻辑电路26在一块芯片上集成，阻抗Z_TIN可以比公知的检测器电路增加大约一个数量级，达到大约1200Ω-1800Ω。

为了增加输入阻抗Z_TIN，需要减少与输入端并联的电容元件和电阻的作用，以减少二极管D₁和D₂的结点电容和增加调制器30的阻抗。制造集成电路晶片时利用最新的CMOS技术，逻辑电路26的阻抗可从15000Ω显著地增至300000Ω。但是，公知脉冲收发机的低输入阻抗(125Ω-200Ω)最大因素是调制器电路，其直接跨接在输入端。第二个因素是上面提及的二极管D₁和D₂。

通过增加芯片32的输入阻抗Z_TIN，调制器30不需要通过象公知的调制器那样大的电流。这就具有允许较小的调制器有源半导体器件(见图6中的T₁)，其也使杂散电容减少而使电阻增加，由此进一步增加Z_TIN。

输入阻抗Z_TIN可以通过增加二极管D₁和D₂的不饱和正向电阻并保证存储电容器C₂和耦合电容器C₁之间理想的平衡而增至几千欧姆。已经发现1200Ω-1800Ω数量级的输入阻抗Z_TIN可以提供好的结果。

为了帮助天线22的匹配，芯片32的输入阻抗Z_TIN可自由地保持为电容性的。

为了实现高脉冲收发机输入阻抗的益处，还需要高阻抗的信号源。本发明不采用图1所示用带有阻抗变换网络14的低阻抗天线来匹配芯片输入阻抗的常规方法，而是使用一高阻抗天线22，其与芯片32上的检测器和调制器电路24直接相连而不需要匹配网络。

天线22可包括一多元件半波长偶极子。这种天线的馈电点阻抗Z_AIN由下式给出：

Z=73×n²

其中n是相等直径元件的数目

这样，一个四元件偶极子天线将具有一个大约1170Ω的馈电点阻抗，而一个五元件偶极子将有大约1825Ω的馈电点阻抗。通过使用多线偶极子天线，馈电点阻抗Z_AIN可与检测器的Z_TIN近乎匹配，而不需要阻抗变换或匹配网络。

典型的五元件偶极子天线22.1示于图4，加上了一个跨接在馈电点36的U型环34，其通过引入与上述脉冲收发机电路的Z_TIN中的电容性输入电抗幅值相等的合适的电感电抗，从而提供在操作频率处的纯电阻匹配。

在图5中，显示了另一个具有较高馈电点阻抗Z_AIN的天线(标为22.2)的实施例。天线22.2是折叠式的偏心馈电的半波长偶极子。阻抗Z_AIN由中央馈电点阻抗乘上在天线中央电流与实际馈电点电流之比率的平方而得出。通过使天线略长于半个波长，阻抗Z_AIN将成为电感性的，以抵消上述在脉冲收发机电路的Z_TIN中的电容性输入电抗。

通过将天线22.2直接与芯片32连接，偏心馈电天线的辐射图问题可以避免。

已经发现采用根据本发明的脉冲收发机20，识别系统的操作范围较之常规系统有显著的增加。由于取消了匹配网络14，脉冲收发机20的成本还可以降低。

在图6中，调制器30显示的更为详细。调制器30由一个由逻辑电路16产生的数据流(示于图7)驱动，数据流体现了脉冲收发机的特性。如前如述，通过检测器和乘法电路积累并储存在存储电容器C₂中的电荷向调制器和逻辑电路提供电能。电容器C₂优选是与其它电子元件集成在芯片32上。

如前面也已提到的，由上述数据流控制的调制器30采用公知的反向散射调制方法对从询问机收到的激励信号进行调制，以将激励信号能量的一部分反射回询问机。调制深度由脉冲收发机的不匹配输入阻抗Z_TINU与匹配输入阻抗Z_TINM之比确定的。

上述调制深度是通过将调制器30关闭时(即当数据流是逻辑高电平时)脉冲收发机的输入阻抗Z_TINM与天线阻抗Z_AIN匹配，以便检测电路可获得最大能量，并通过当数据流为逻辑低电平时提供脉冲收发机的输入阻抗Z_TINM受控的匹配，以便只有激励能量的受控部分反射或散射回询问机而得到的。

本发明人已经发现，在20％和40％之间的调制深度提供了一方面询问机对载有响应信号的反向散射数据流的信号有效恢复和另一方面由脉冲收发机从以电压形式储存在电容器C₂中的激励信号收集足够功率之间可以接受的平衡。

在第一个实际的例子中，天线阻抗对于并联的11.7nH的电感在915MHz是463欧姆。电阻R₁和电容器C₃选择为当调制器为“OFF”(关闭)时(即当数据流为逻辑高电平时)使Z_TINM对于并联的2.54pF电容电抗在915MHz时是463欧姆。当数据流为低电平且调制器为“ON”(开)时，三极管T₁将R₂切换至脉冲收发机电路中，以便不匹配的阻抗Z_TINU对于并联的2.27pF电容电抗在915MHz时是148.9欧姆。这就产生一个30％数量级的调制深度。

在第二实际的例子中，使用了一个三元件半波长偶极子天线，其输入阻抗对于并联的19nH的电感在915MHz是680欧姆。电阻R₁和电容C₃选择为当调制器30为“OFF”(关闭)时使Z_TINM对于并联的1.56pF电容电抗在915MHz时是680欧姆。当数据流为低电平且调制器为“ON”(开)时，不匹配的阻抗Z_TINU对于并联的2.65pF电容电抗在915MHz时是475欧姆。这也产生一个30％数量级的调制深度。

图6中点X、Y、Z的波形分别示于图7到9。以虚线显示的波形是在用100％调制的现有技术脉冲收发机电路中相应的点的情况。

应当理解对于根据本发明的脉冲收发机有许多细节可以进行改变，而不会背离所附权利要求的精神和范围。

Claims

1．一种用于电子识别系统的脉冲收发机，包括一个与脉冲收发机电路连接的输入端，所述脉冲收发机的特征在于其输入端的输入阻抗至少为400Ω。

2．如权利要求1所述的脉冲收发机，其特征在于所述脉冲收发机电路包括一与所述输入端相连的调制器，一与调制器连接的信号检测器和逻辑电路，用于产生一识别代码；其中所述输入端可以直接连接到一个天线上而不需在所述天线与所述调制器之间使用阻抗匹配电路；所述天线的馈电点阻抗的实数部分基本上等于输入阻抗的实数部分。

3．如权利要求1或2所述的脉冲收发机，其特征在于所述电路包括一电压倍增电路。

4．如权利要求1到3中之一所述的脉冲收发机，其特征在于所述电路集成在一块芯片上。

5．如权利要求2到4中之一所述的脉冲收发机，其特征在于所述天线是一个多元件偶极子天线。

6．如权利要求2到4中之一所述的脉冲收发机，其特征在于所述天线是一个偏心驱动偶极子天线。

7．如权利要求2到6中之一所述的脉冲收发机，其特征在于所述调制器以小于80％调制深度用识别代码信号对通过所述天线接收的激励信号进行调制。

8．如权利要求7所述的脉冲收发机，其特征在于所述识别代码包括一个二进制数据流，其中所述调制器连接一个开关装置，其受所述数据流控制，以将一阻抗电路切换入和切换出所述脉冲收发机电路，从而在第一值和第二值之间改变输入阻抗，其中所述第一值基本上与所述天线的馈电点阻抗匹配，而所述第二值最多为所述第一值的80％。

9．一种包括一个脉冲收发机电路的脉冲收发机，该电路包括一调制器，用于在小于80％的调制深度用一个响应信号来调制所接收的激励信号。

10．如权利要求9所述的脉冲收发机，其特征在于所述调制深度介于20％和40％之间。

11．如权利要求9或10所述的脉冲收发机，其特征在于所述调制深度是30％数量级。

12．如权利要求9到11中之一所述的脉冲收发机，其特征在于所述响应信号包括一二进制数据流，所述调制器连接一个开关装置，其受所述二进制数据流控制，以将一阻抗电路切换入和切换出所述脉冲收发机电路，从而在第一值和第二值之间改变在所述脉冲收发机电路输入端的输入阻抗，其中所述第一值基本上与天线的馈电点阻抗匹配，而所述第二值最多为所述第一值的80％。

13．如权利要求12所述的脉冲收发机，其特征在于所述开关装置包括一有源开关装置，而所述阻抗电路可包括一电阻。

14．一种用于电子识别系统的脉冲收发机，所述脉冲收发机包括：一与脉冲收发机电路输入端连接的天线；所述脉冲收发机电路包括：

一与天线连接的激励信号检测器；

一与所述检测器连接的存储电容器，用于存储从激励信号恢复的电压；

一与所述天线连接的调制器；和

用于为所述调制器产生控制信号的电路；

所述调制器根据控制信号进行设置以在小于80％的深度对激励信号进行调制。