CN1248145C - 为应答器生成电磁场的天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个为一个电磁应答器产生一个电磁场的天线，以及一个具有一个这种天线的端口，该端口包括一个第一电感元件(Lp)，它用于连接到加有一个激励电压(Vg)的两个端口(3，4)，以及一个与第一电感元件耦合的并联谐振电路(21)。

Description

为应答器生成电磁场的天线

技术领域

本发明涉及使用电磁应答器的系统，即能够被一个单元(通常是固定的)以无接触或无线方式询问的发射机和/或接收机(通常是移动的)，其中该单元被称为读和/或写端口。通常，应答器从读写端口的一个天线辐射的高频场中获取其所包括的电子电路所需的能量供应。本发明尤其涉及电磁应答器的读和/或写端口及其包括的天线。

背景技术

图1非常示意性地显示了与一个应答器10相连的一个读/写端口1的常规例子。

通常，端口1本质上由一系列振荡电路组成，这种振动电路由一个电感L1与一个电容C1和一个电阻R1串联组成。此振荡电路由设备2控制，设备2中包括一个放大器或天线耦合器以及一个控制电路，该控制电路利用接收的数据，它尤其具有一个调制器/解调器和一个用于处理控制信号和数据的微处理器。振荡电路由端口3和4之间的设备2提供的电压Vg激励。电路2通常与未显示出的不同的输入/输出电路(键盘、屏幕、与服务器交换的装置等)和/或处理电路通信。读/写端口的电路将其操作所必需的能量从所连接的一个电源电路(未显示)汲取到电力供应系统。

一个旨在与端口1合作的应答器10，本质上包括一个并联振荡电路。此电路由一个电感L2与一个电容C2并联组成，电容C2位于控制和处理电路13的输入端口11、12间。端口11、12实际上连接到一个整流装置(未显示)的输入。该整流装置的输出形成应答器10内部电路的D.C.电源端口。这些电路通常本质上包括一个微处理器、一个存储器、一个可能从端口1接收到的信号的解调器，以及一个用于向端口发送信息的调制器。

端口和应答器的振荡电路通常调谐到相同的频率，该频率相应于端口的振荡电路的激励信号Vg的频率。此高频信号(例如，13.56MHz)不仅用作从端口发送到应答器的数据的载波，还作为位于端口的场中的应答器的远端电源载波。当应答器10位于端口1的场中时，一个高频电压生成于应答器的谐振电路的端口11和12间。此电压，在被整流以及可能被钳位后，提供应答器的电子电路13的电源电压。

端口发射的高频载波通常被所述端口根据不同的编码技术进行幅度调制，以将数据和/或控制信号发射到场中的一个或几个应答器。反过来，从应答器发射数据到一个端口通常通过调制负载进行，该负载由一个谐振电路L2、C2组成。负载变动以子载波的频率执行，该子载波的频率(例如，847.5kHz)比载波低。然后此负载变动能够被端口检测为幅度变动或相位变动，检测方法可以是测量电容C1上的电压或振荡电路里的电流Ig。在图1中，测量信号已表示为以虚线表示的连接5，它将电感L1和电容C1的串联的中点连接到电路2。

常规的应答器系统的一个问题是它们通常具有有限的范围。此系统范围相应于某个限制范围，在该限制范围外，由应答器感应到的场太小以至于不能从中提取其操作所必需的能量。此有限范围本质上是由于最大容许磁场引起的，此最大容许磁场由标准设置。通常，为增加此范围，需增加天线的直径，以避免超过此最大允许磁场。现在，增加直径相当于增加由于功耗原因而不希望的那部分激励电流Ig。

发明内容

本发明的一个目的是增加电磁应答器读/写端口的范围。

本发明尤其想提供一种新的远端电磁场生成天线。

本发明还针对不需要修改应答器，因此能够用任何常规应答器操作。

本发明还针对降低或最小化端口的功耗。

为实现这些目的，本发明提供了一个用于为一个电磁应答器生成电磁场的天线，它包括一个第一电感元件，该电感元件用于连接到施加了一个激励电压的两个端口，以及一个与第一电感元件耦合的并联谐振电路。

根据本发明的一个实施方式，所述谐振电路包括一个第二电感元件，其值选择为大于第一电感元件的值，大的比率取决于所需的场增强。

根据本发明的一个实施方式，第一电感元件由连接在一个网络中的几个电感组成。

根据本发明的一个实施方式，电感元件由平面绕组组成。

根据本发明的一个实施方式，两个电感元件在平行的平面中。

根据本发明的一个实施方式，电感元件各自的平面相隔的距离根据天线对应的应答器的功耗和所需的范围选择。

本发明还提供一个端口，该端口用于为至少一个进入此场的应答器生成一个高频电磁场，该端口包括一个谐振电路，它磁耦合到一个激励电路，该激励电路包括一个第一电感元件并且没有电容元件。

根据本发明的一个实施方式，谐振电路由一个第二电感元件和一个电容元件并联组成，并且调谐到第一电感元件的激励信号的频率。

根据本发明的一个实施方式，所述谐振电路包括一个控制开关。

附图说明

本发明的前述目的、特征和优点，将在下面联系附图对具体实施方式进行的无限制说明中详细讨论。

前面已说明过的图1显示了一个本发明适用的类型的应答器系统的常规例子。

图2示意性地显示了一个读和/或写端口的第一实施方式，它具有一个根据本发明的天线，并与一个常规应答器相连。

图3A和3B显示了根据本发明的一个第二实施方式的天线；以及

图4显示了根据本发明的一个端口的替换实施方式。

不同附图中的相同元件用相同的参考符号引用。为了清楚，只有那些对于理解本发明所必要的元件才在附图中画出并将在此后讨论。尤其地，应答器和读和/或写端口的电路的内部结构未详细说明。

具体实施方式

本发明的一个特征是提供一个读和/或写端口的天线，其形式为一个LR电路耦合到一个谐振LC电路。根据本发明，LR电路由端口的高频振荡器激励。激励频率常规上是远端电源载波和可能发射的数据的频率。谐振回路形成一个带阻滤波器电路，它由一个电感和一个电容组成。实际中，一个具有尽可能小电阻的RLC电路相应于电感和电容的串联电阻。

本发明的另一个特征是使带阻滤波器电路的电感值比LR激励电路的大。这样，带阻滤波器电路的电容上生成的电压就比LR电路的激励电压大。根据本发明，带阻滤波器电路的质量因子需要最大化，以利于由它与LR激励电路耦合产生的放大。质量因子与串联电阻之和以及带阻滤波器电路的电容量的平方根成反比，并与其电感量的平方根成正比。因此，需要最大化电感量并且最小化串联电阻和电容量。

图2非常示意性地显示了根据本发明的一个读和/或写端口的一个第一实施方式。

常规上，根据本发明的一个端口20包括电路2，它用于处理、控制并分析要与一个也是常规的应答器10交换的数据。一个用作应答器的远端电源载波和/或调制载波的高频电压Vg在电路2的端口3和4间提供。根据本发明，端口3和4连接到一个串联LR电路，该电路由一个电阻R1与一个电感Lp串联组成。电感Lp用于与一个带阻滤波器电路21的电感Lb耦合，该带阻滤波器电路与LR电路相关。电路21还包括一个电容Cb，其两个电极分别连接到电感Lb的两个端口24和25。根据本发明，连接在电路2的端口3和4间的电感性LR电路不包含电容。这样，激励电路在远端电源载波频率上不调谐。根据本发明，此调谐转移到了带阻滤波器电路21。对于后者，电感Lb和电容Cb各自的值选择为使此电路的谐振频率相应于系统的远端电源载波(例如，13.56MHz)。

根据本发明，电感Lp和Lb宜制成具有一个或几个螺旋的平面电感的形式。这些电感放置在平行的平面中，以最大化其间的磁耦合。此耦合在图2中表示为LR和LC电路间的互感M。应答器10是一个常规的应答器，本发明不要求在实施时修改应答器。当应答器10位于端口的场中时，它处于与带阻滤波器电路的磁耦合(互感M’)中，从中获取其操作所需的能量。

将应答器放置在天线的场中相当于增加带阻滤波器电路21的串联电阻，这样就减小了其质量因子和其中的电流。这引起了激励电路R1-Lp一侧的功耗。但是，端口的电机能够向电流和电压自然较高的带阻滤波器电路提供一个激励电流。

电感Lp选择为尽可能地小，以最优化系统效率和最大化提供电压Vg的电机的加载功率的使用率。带阻滤波器电路21的电感Lb的值选择为尽可能高，以最大化系统范围。确实，Lb/Lp的比率越高，电容Cb上产生的电压对于电压Vg的比例越高。

根据本发明的一个首选实施方式，安排在平行平面中的平面电感的距离适应于端口所对应的应答器。根据不同应答器代表的负载水平(尤其，根据它们是否包括一个微处理器)以及根据所需的范围，激励电路和带阻滤波器电路间的耦合可被优化。在低功耗应答器并且需要大范围的情况下，天线电感将被彼此拉开以最大化带阻滤波器电路上产生的过电压。例如，可选择0.5cm至几厘米的距离。相反地，对于具有高功耗的应答器，必须最大化电感间的耦合以便应答器代表的负载不会太大地改变带阻滤波器电路的质量因子。因此天线电感放置得离彼此尽可能近。所述间隔当然取决于电感的直径和带阻滤波器电路的质量系数。

本发明的一个优点是它能够对于给定的电压Vg和激励电流Ig增加读和/或写端口的范围。

本发明的另一个优点是它不需要修改已有的应答器。

检测来自应答器的反向调制可在LR电路或LC电路21中执行。在图2的实施方式中，已表示出一个具有测量带阻滤波器电路21中的电流的功能的电流转换器22。连接23向电路2提供此测量结果。作为替换，测量可在LR电路中执行。但是，在信号水平较高的带阻滤波器电路中测量变动更为容易。但要保证此测量尽可能小地干扰带阻滤波器电路的质量因子。例如，如果在电容Cb上进行电压测量，要确定使用一个具有高输入阻抗的测量元件。

本发明在不增加振荡器提供的电流或电压Vg的情况下增加了发射的磁场，因此也不增加端口的装机功率。对于具有给定装机功率的相同端口，本发明提供了大尺寸天线的简单使用，这对于常规端口来说，在不增加振荡器电压以提供足够电流的情况下是困难的。

本发明的另一优点是它简化了天线与控制电路2的阻抗匹配。确实，提供高频激励电压的电机(电路2)所看到的阻抗Zpeq通常可写成：

Zpeq＝Rp+j·Xp，

其中Rp代表下列实部：

$\mathrm{Rp}=\frac{{\mathrm{\ω}}^{2\·}\·{k_{\mathrm{pb}}}^2\·\mathrm{Lp}\·\mathrm{Lb}}{\mathrm{Rb}}$

而Xp代表下列虚部：

Xp＝ω·Lp

其中K_pb代表激励电路和带阻滤波器电路之间的磁耦合系数，Rb代表电路21的等效电阻(电容Cb和电感Lb的寄生电阻的和)。在实部Rp中，未考虑电阻R1，在实际中它对应于激励振荡器的输出电阻。电感Lp的串联电阻已被进一步忽略。考虑这些电阻元件仅相当于将它们各自的值加到上面指出的电阻Rb上。

为适应天线的阻抗，电感Lb和Lp之比可被修改，或者可在电路21中并联一个电阻。

此外，阻抗Zpeq的虚部Xp是电感Lp的函数，它被最小化。因此，作为第一近似，该阻抗可被考虑为纯阻性的。这样要获取无负载阻抗匹配(例如，在50Ω时)将会非常容易。这样一个优点是读/写端口的天线可容易地从其控制电路中移开。一条50-Ω匹配的阻抗电缆就足够了。当然，当在场中有一个应答器时，它将影响由振荡器所看到的阻抗(实部的分母部分)。

图3A和3B显示了根据本发明的一个首选实施方式的天线的两侧。根据此首选实施方式，电感激励元件Lp由一个网络中的几个电感31、32、33、34、35、36和37组成，它们在电气上是并联的。电感31、32、33、34、35、36和37是共面的。这些电感宜分布成蜂窝状。电感31、32、33、34、35、36和37的每一个均包含一个单个六角螺旋。这些电感的螺旋数可适应于产生的电感元件Lp所需的值。电感31至37的各自的端口的相互连接的端口38和39形成元件Lp的端口。这些电感由例如一个印刷电路板上的导电轨道沉积组成。每个电感的一个第一端连接到端口38。此连接由两板表面的通路41和导电轨道42进行(图3A和3B)。每个电感的第二端由通路43和轨道44连接到端口39。

与电感相关的网络必须连接成使网络中的所有电感均产生场，其场线相加(均在同一方向)。

电感Lb形成在第二板层表面。在此首选实施方式中，此电感是由一个螺旋40组成，该螺旋近似地界定了一个平面，该平面相当于电感元件Lp的所有连接在网络中的螺旋组成的平面。这样它就遵循了蜂窝的外部轮廓。螺旋40的终端定义了电感Lb的端口24和25，它们用来与电容Cb相连接(未显示)。

在LR电路一侧使用一个网络电感元件的一个优点是带阻滤波器电路和激励电路之间的电压和电流比达到了最大。确实，带阻滤波器电路和激励电路之间的电感比增加了。

在激励电路中使用网络电感元件的另一个优点是它进一步简化了阻抗匹配。确实，影响激励电路阻抗的虚部的电感Lp的值达到了最小。

图4显示了根据本发明的一个读和/或写端口45的另一实施方式。此实施方式尤其适用于一个用于下列情况下操作的端口：与应答器的耦合相对远或非常近。确实，在某些应用中，只希望一个应答器和端口之间的信息交换只发生在所述应答器与端口非常接近时。这样避免了窃取设备截取数据交换。在这种情况下，要使用单个端口，为进行单个应答器所允许的非常接近的耦合中的操作，通常数据交换序列必须被改编，并且必须执行软件控制。

图4说明了本发明的实施大大简化了读和/或写端口非常接近时的操作。为实现此目的，在带阻滤波器电路21中提供有开关46。此开关与电感Lb并联，用于短路带阻滤波器电路，因此消除了与激励电路LR的耦合。开关46由电路2通过连接47控制。

例如，当希望端口用于非常接近时的操作时，开关46关闭。在这种情况下，要与端口交换数据的应答器必须几乎放置在端口的天线上，以获取与电感元件Lp的耦合。此电感的值越小，应答器就必须与端口靠得越近。这里的操作将近似于一个变压器的操作。当开关46打开时，带阻滤波器电路执行其功能，读和/或写端口的范围为最大值。

作为替换，开关可与带阻滤波器电路串联。这样操作颠倒，打开开关则关闭了带阻滤波器电路。在此替换方法中，要确定开关的串联阻抗为最小值。

图4的实施方式显示了一个与电感元件Lp串联的电流变压器22’，其测量信号23’送到电路2。此电流变压器提供对激励电路中的电流的测量。这样的安排至少对于非常接近时的操作是必要的，因为不能再由带阻滤波器电路执行检测。但当端口在远程范围内操作时，有可能在带阻滤波器电路一侧保持使用测量系统。

当然，本发明很可能有多种变更、修改以及改进，这些对于那些本领域技术熟练者是很容易发生的。尤其地，对于本领域技术熟练者，当基于上面给出的功能说明时，是有能力实现根据本发明的一个读和/或写端口的不同元件的尺寸定位的。

Claims (9)

1.一个用于为一个电磁应答器产生一个电磁场的天线，其特征是它包括：

一个第一电感元件(Lp)，它用于连接到施加一个激励电压(Vg)的两个端口(3，4)，以形成一个激励电路；以及

一个与第一电感元件耦合的并联谐振电路(21，21’)以形成一个带阻滤波器电路，它包括一个第二电感元件(Lb)，其值选择为比第一电感元件的值大，大的比率取决于所需的场增强，使得在所述带阻滤波器电路的电容上产生的电压大于所述激励电路的所述激励电压。

2.权利要求1的天线，其特征为第一电感元件(Lp)由几个组织成一个网络的电感(31，32，33，34，35，36，37)组成。

3.权利要求1或2的天线，其特征为所述两个电感元件(Lp，Lb)由平面绕组组成。

4.权利要求3的天线，其特征为所述两个电感元件(Lp，Lb)在平行的平面中。

5.权利要求4的天线，其特征为所述两个电感元件(Lp，Lb)各自的平面相隔的距离是根据与天线相应的应答器的功耗以及所需的范围来决定。

6.一个用于为至少一个进入磁场的应答器(10)产生一个高频电磁场的端口(20，45)，其特征为它包括一个谐振电路(21，21’)，该谐振电路与一个激励电路磁耦合，该激励电路包括一个第一电感元件(Lp)并且没有电容元件，所述谐振电路包括一个第二电感元件(Lb)，其值选择为比第一电感元件的值大，大的比率取决于所需的场增强，使得在所述谐振电路的电容上产生一个电压，该电压大于所述激励电路的所述激励电压(Vg)，其中所述谐振电路和所述第二电感元件形成一个带阻滤波器电路。

7.权利要求6的端口，其特征为谐振电路(21，21’)由一个第二电感元件(Lb)和一个电容元件(Cb)并联组成，谐振电路(21，21’)的谐振频率被调谐到第一电感元件(Lp)的激励信号(Vg)的频率。

8.权利要求6或7的端口，其特征为所述两个电感元件(Lp，Lb)形成权利要求1至5的任何一个的天线。

9.权利要求6的端口，其特征为所述谐振电路(21’)包括一个控制开关(46)。

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