CN1534308A - 由电磁场提供电功率的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由一个电磁场提供电功率的电路装置，它包括：一个具有两个连接极(AP1，AP2)的天线(AT)及一个用于限制由天线(AT)从电磁场取得的功率的去谐单元(DE)，该去谐单元被连接在两个连接极(AP1，AP2)之间。根据本发明，去谐单元(DE)包括一个部件(D1，D2)，它的阻抗根据在天线(AT)上存在的电磁场的场强而变化。该电路装置例如应用在应答器或远程传感器中。

Description

由电磁场提供电功率的电路装置
技术领域
本发明涉及一种由基站发射的高频电磁场提供电功率的电路装置，用于基于背散射的、尤其是无源的应答器。
背景技术
这种类型的电路装置例如用于非接触式识别系统(RFID系统)中的应答器(Transponder)及用于远程传感器，以便使识别信息或传感信息从应答器或传感器非接触地传送到一个基站或读取站。当以下说到应答器时，远程传感器也应包括在内。
应答器或其发送及接收装置通常不具有用于向基站传送数据的有源发送器。这种非有源系统，当它不具有本身的能量供给时被称为无源系统；当它具有本身的能量供给，则被称为半无源系统，在这种系统中，对于在基站的远程区域中与UHF(超高频)或微波相联系的数据传输通常使用所谓的背散射或反向散射耦合。为此将从基站发射电磁波，这些电磁波由应答器的发送及接收装置根据待向基站传输的数据用一种调制方法调制及反射。这通常通过发送及接收装置的输入阻抗的改变来产生，它将引起与它连接的天线的反射特性的变化。
对传输范围的要求，尤其对于无源的应答器来说正在不断地提高。为了在无源的应答器上实现高的传输范围，天线或与天线相连接的电路必需适配地定参数，及一个接收由天线收到的交变信号的整流器必需能将即使很小的电压转换成一个足够的工作电压。但这样高的灵敏度会在基站的附近区域中-由于这里存在的高场强-导致整流器或其它电路部分的损坏。例如当在附近区域中整流器产生出一个过高的电压，该电压在其输出端通过电压调节器被限制，将视电压调节器的实施方式而定可能在整流器中引起变大的电流，这可能导致超过其最大功率及由此导致它的损坏。
为了限制在附近区域中由天线接收的功率，进行与天线连接的输入回路的所谓去谐，即失配。该失配将导致反射功率分量的增加及引起吸收功率分量的下降。
在传统的系统中这将借助去谐单元来实现，它使用一种具有振幅键控(ASK)的调制器，该调制器为了失配将改变与天线连接的电路部分或输入部分的输入阻抗的实数部分。为此将ASK调制器设在输入部分中或作为附加负载电阻设在整流器输出端。这种电路装置例如已由EP 1 211 635 A2公开。但它是以输入阻抗的与虚数部分相比高的实数部分为前提的。在此，ASK调制器除ASK调制控制信号外由一个设在去谐单元中的调节器控制，该调节器根据由天线馈入的功率通过ASK调制器的工作点调节引起适当的失配。当为了应答器与基站之间的数据传输使用移相键控(PSK)-调制时，它以输入阻抗的与虚数部分相比小的实数部分为前提。因此，为了通过实数部分的改变调节失配必需借助一个电路装置，例如一个晶体管在输入部分或整流器的输出端上产生一个低欧姆电阻的路径。这种低欧姆电阻的电路装置通常具有更大的寄生参数，在常规工作中它会导致相应的损耗，由此使传输范围减小。因此为了传输数据通常PSK调制不可与基于输入阻抗的实数部分的变化的、即基于ASK调制的去谐单元组合。
由DE 196 29 291 A1公开了：在一个应答器的输入回路中设置两个反向并联的二极管，用于静电放电(ESD)-保护。在此，这些二极管例如当由于ESD干扰使输入电压超过二极管阈值时导通。而这里没有产生与场强相关的功率适配。
发明内容
本发明所基于的技术问题是，提供一种开始部分所述类型的电路装置，它在电磁场的远场区中也能保证足够的供电电压，及在近区中可这样地限制功率输入，以使得部件的损坏或故障可被避免。
上述问题被这样解决，即，本发明提出了一种由基站发射的高频电磁场提供电功率的电路装置，用于基于背散射的、尤其是无源的应答器，该电路装置具有一个具有两个连接极的天线，一个用于限制由所述天线从电磁场取得的功率的去谐单元，它被连接在这些连接极之间，其中，去谐单元包括一个部件，它的阻抗根据在天线上存在的电磁场的场强而变化。
在根据本发明的电路装置中，去谐单元包括一个部件，它的阻抗根据在天线上存在的电磁场的场强而变化。由此可作到例如在中等及小的场强时，这样选择该部件的阻抗，以使得在其天线端子上所产生的应答器的输入阻抗可实现功率适配的工作。在基站的远程区域中的场强变化及由此的阻抗变化相对地小，因此在这里整个区域中大约以功率适配占优势。当在基站附近区域中天线上存在的场强很强地增大时，该部件的阻抗很强地改变，由此使与天线连接的电路部分的所产生的输入阻抗也很强地变化。这使得天线很强地失配及由此使从电磁场取得的功率很强地下降。在连接的电路部分、如整流器中过大的功率输入则可被避免。在远程区域中，天线适配地工作及对连接的电路部分提供由电磁场吸取的最大功率。
由于输入阻抗的实数部分及虚数部分可根据输入功率通过失配实现的强变化，这种失配的实现方案与基于ASK的去谐单元相比在输入功率升高时具有大大有效的功率降低，因为这里与基于ASK的去谐单元相反地，不仅输入阻抗的实数部分而且虚数部分也改变。在ASK调制中使用的调制器或负载电阻可被去除，当将该调制器或负载电阻设置在输入部分时由于其寄生特性对输入部分品质具有副作用，而将该调制器或负载电阻设置在整流器的输出端上时会引起远程区域特性的变差。同样也不需要用于控制ASK调制器的调节器，它是根据馈入功率调节适当失配的。总体地这将导致更简单的设计，芯片面积的节省，成本的降低及工作可靠性的显著提高。
在电路装置的一个进一步构型中，电磁场的频率在300MHz至3000MHz的范围中，尤其在400MHz至2450MHz的范围中。在该频率范围中具有传统的、有与场强相关的足够阻抗变化的部件。
在电路装置的一个进一步构型中，所述部件的阻抗的变化基本上是通过该阻抗的虚数部分的改变引起的。
在电路装置的一个进一步构型中，该部件是可变电抗器，尤其是具有高品质因数的可变电抗器。可变电抗器是可简单实现或集成的元件，它们的电容量与电压相关。通过高品质因数即小的电阻分量可减小由该部件引起的功耗。
在电路装置的一个进一步构型中，去谐单元包括两个变容二极管，尤其是具有高品质因数的变容二极管，它们彼此反向并联地连接。借助这种连接可附加地实现静电放电(ESD)保护。
在电路装置的一个进一步构型中，去谐单元包括可变电抗器控制装置，它们被设置成与场强相关地控制所述一个或多个可变电抗器。根据一个有利构型，去谐单元有利地包括一个第一电容器，一个可变电抗器及一个第二电容器，它们串联地连接在所述天线的连接极之间。这些可变电抗器控制装置被设置成对所述一个或多个可变电抗器提供与场强相关的控制电压。
在电路装置的一个进一步构型中，在一个连接在天线的连接极上的整流器的输出端上连接着一个电压限制电路。该电压限制电路例如是串联二极管形式的，它提供了对过电压的附加保护并导致工作可靠性的提高及抗损坏的保护。
在电路装置的一个进一步构型中，该电路装置被集成在一个应答器中。有利地，该应答器是一个无源的、即无自己能源的应答器。
在电路装置的一个进一步构型中，应答器具有一个用于传递数据的调制装置，该调制装置根据待传送的数据来调制由天线接收的电磁波。有利地，该调制装置可被构造成用于移相键控调制。在移相键控调制中输入阻抗的实数部分比振幅键控中的低得多，即通过如在ASK调制中的ASK调制器的工作点调节的传统去谐很难作到这样。当然，根据本发明的电路装置可与传统的ASK调制相组合。
附图说明
在附图中表示出本发明的一个有利实施形式及将在下面描述。附图表示：
图1：一个由电磁场提供电功率的电路装置的概要框图，该电路装置被集成在一个无源的应答器TR中，
图2：图1中电路装置的输入阻抗的实数部分和虚数部分与输入功率关系的曲线图，
图3：一个由电磁场提供电功率的电路装置的概要框图，该电路装置被集成在一个无源的应答器TR中并具有用于与场强相关地进行可变电抗器控制的可变电抗器控制装置。
具体实施方式
图1表示一个由电磁场提供电功率的电路装置的概要框图，该电路装置被集成在一个无源的应答器TR中。
所示的电路装置包括：一个具有两个连接极AP1及AP2的天线AT，一个连接在连接极AP1与AP2之间的、两个反向并联的具有相同特性参数的高品质因数的变容二极管D1及D2形式的去谐单元DE，一个调制装置ME，一个整流器GL及一个电压限制器SB。
为了向无源应答器TR供电，天线AT从一个电磁场取出功率，该电磁场由一个未示出的基站发射。为了在远场区中能由该电磁场提供足够的功率，这样地选择两个连接极AP1与AP2之间的应答器的输入阻抗ZE，以致产生功率匹配。对此的前提是，天线阻抗的虚数部分的值等于应答器的输入阻抗ZE的虚数部分的值及天线阻抗的实数部分等于应答器的输入阻抗ZE的实数部分。在此，这样地确定变容二极管D1及D2的参数，即在远场区中产生相应的输入阻抗ZE。
这两个反向并联的变容二极管D1及D2直接地连接在天线AT的连接极AP1与AP2之间，但它们也可连接在天线输入回路的另一位置上。
当在基站的近区中天线上存在的场强很强地增大时，变容二极管D1及D2的电容量很强地改变及由此很强地改变其阻抗的虚数部分，由此很强地改变尤其是应答器的输入阻抗ZE的虚数部分。这将导致天线的失配，由此使从电磁场取得的功率下降。所述的效应是基于变容二极管D1及D2的高频特性，它们在所使用的频率范围中不再如传统二极管那样地工作，后者从一定的阈值电压开始导通。
变容二极管D1及D2也同时用作导出由ESD(静电放电)引起的干扰电压的ESD保护，因为变容二极管D1及D2在输入回路中无干扰工作时出现的电压情况下不导通。为了优化抗ESD干扰的强度应对于变容二极管D1及D2选择对称的布置。
图2示出图1中电路装置的输入阻抗ZE的实数部分和虚数部分与场强关系的曲线图。如从该曲线图中可看到的，当超过一定的场强时输入阻抗的虚数部分很强地下降，与此相反地，实数部分增大及然后大致保持恒定。输入阻抗ZE的实数部分和虚数部分的这种变化与基于ASK的去谐单元相比，在场强升高时将引起大大有效的功率降低，因为在此与传统去谐单元相反地不仅输入阻抗ZE的实数部分而且虚数部分也改变。然而，虚数部分的改变对于失配起决定性作用，因为虚数部分与实数部分相比其变化强得多。
调制装置ME在去谐单元DE的输出侧上连接在连接极AP1与AP2之间及为了将数据传送给基站由输入信号产生一个相位调制的输出信号，该输出信号由天线AT作为反向散射或背散射信号被发射及由基站接收。
整流器GL在调制装置ME的输出侧上连接在连接极AP1与AP2之间及用于对应答器供给电压。整流器GL的输出电压通过电压限制器SB限压，该电压限制器可由二极管的串联电路来实现。
图3表示由电磁场提供电功率的一个替换电路装置的概要框图，该电路装置被集成在一个无源的应答器TR1中。
所示出的电路装置除在图1中所述的具有相同标号的单元外还包括一个变换地构成的去谐单元DE1。该去谐单元包括一个第一电容器C1，一个可变电抗器CV及一个第二电容器C2，它们串联地连接在连接极AP1与AP2之间。
去谐单元DE1还包括一个PSK调制装置ME1，它为了将数据传送给基站由输入信号产生一个相位调制的输出信号，该输出信号由天线AT作为反向散射或背散射信号被发射及由基站接收。为了由输入阻抗ZE的变化产生不同的相位，调制装置ME1包括一个可控电压源形式的可变电抗器控制装置VS，它根据待传送的数据对可变电抗器施加一个控制电压US，以改变其电容量。
一个适合实施这种调制方法的装置例如被描述在本申请人的在先德国专利申请10158442.3中，它结合于此作为本申请内容的参考。
除了数据传送外，该可变电抗器控制装置还用于与场强相关地控制可变电抗器CV。由一个未示出的、适合于此检测场强的检测及控制单元检测关于天线AT上场强的场强信息S，并供给到调制装置ME1中，该调制装置根据该信息通过PSK调制器的工作点调节引起一个适当的失配。与图1中所示电路装置不同地，这里可变电抗器的电容量不是根据场强自动调节的，而是根据检测的场强由可变电抗器控制装置VS调节的。
在所示实施例中调制装置ME1被集成在去谐单元DE1中，但它也可与去谐单元分开地实施。
所示的电路装置可实现应答器在由基站发射的电磁波的附近区域及远场区中可靠及防损坏地工作，其中由于在应答器中使用的PSK调制可实现高的传输范围及大的抗干扰能力。
可以理解，本发明也可不集成在应答器中而集成在其它的无线供给功率的部件、例如遥感器中。
此外本发明也可包括半无源的应用，其中仅是部件所需功率的一部分无线地通过天线输入，而其余的功率需要量从其它途径来满足。

Claims (11)

1.一种由基站发射的高频电磁场提供电功率的电路装置，用于基于背散射的、尤其是无源的应答器，具有：
一个具有两个连接极(AP1，AP2)的天线(AT)，
一个用于限制由所述天线(AT)从电磁场取得的功率的去谐单元(DE)，它被连接在这些连接极(AP1，AP2)之间，
其特征在于：
去谐单元(DE)包括一个部件(D1，D2，CV)，它的阻抗根据在天线(AT)上存在的电磁场的场强而变化。
2.根据权利要求1的电路装置，其特征在于：该电磁场的频率在300MHz至3000MHz的范围中，尤其在400MHz至2450MHz的范围中。
3.根据权利要求1或2的电路装置，其特征在于：该部件(D1，D2，CV)的阻抗的变化基本上是通过该阻抗的虚数部分的改变引起的。
4.根据权利要求1至3中一项的电路装置，其特征在于：该部件是一个变容二极管(D1，D2，CV)。
5.根据以上权利要求中一项的电路装置，其特征在于：去谐单元包括两个变容二极管(D1，D2)，它们尤其是具有高品质因数并且彼此反向并联地连接。
6.根据权利要求4或5的电路装置，其特征在于：去谐单元(DE)包括可变电抗器控制装置(VS)，它被设置成与场强相关地控制一个或多个可变电抗器(CV)。
7.根据权利要求6的电路装置，其特征在于：去谐单元(DE)包括一个第一电容器(C1)，一个可变电抗器(CV)及一个第二电容器(C2)，它们串联地连接在连接极(AP1，AP2)之间，及可变电抗器控制装置(VS)被设置成对所述一个或多个可变电抗器(CV)提供与场强相关的控制电压。
8.根据以上权利要求中一项的电路装置，其特征在于：在一个连接在天线(AT)的连接极(AP1，AP2)上的整流器(GL)的输出端上连接着一个电压限制电路(SB)。
9.根据以上权利要求中一项的电路装置，其特征在于：该电路装置被集成在一个应答器(TR，TR1)中，尤其被集成在一个无源应答器中。
10.根据权利要求9的电路装置，其特征在于：应答器(TR，TR1)具有一个用于向基站传递数据的调制装置(ME，ME1)，该调制装置根据待传送的数据来调制由天线接收的电磁波。
11.根据权利要求10的电路装置，其特征在于：该调制装置(ME，ME1)被构造成用于移相键控调制。
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