CN1834982A - 天线切换设备 - Google Patents

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Abstract

天线切换设备，用于为读/写器切换天线。电力生成单元从读/写器输出的RF信号中生成电力。切换信号生成单元，其在由电力生成单元生成的电力下运行，以生成用于从多个天线端口中指定要使用的天线端口的切换信号。高频信号切换单元，其在由电力生成单元生成的电力下运行，基于由切换信号生成单元生成的切换信号切换读/写器和多个天线端口之一之间的连接。

Description

天线切换设备
技术领域
本发明涉及一种在RFID(射频识别)系统中在读/写器的天线之间切换的技术。
背景技术
在RFID系统中用作非接触性标签的ID标签内部包括发送/接收元件。ID标签通过使用该发送/接收元件向读/写器发送和从读/写器接收无线电波或电磁波以交换该ID标签存储的一系列信息。至于电源电路，已知的技术包括天线线圈，该读/写器进入其附近时，其与所接收的读/写器的射频共振，通过对该天线线圈的输出进行整流和平滑来提取电力(例如专利文件1)。
读/写器包括向/从ID标签发送/接收无线电波或电磁波的天线。这里，ID标签从读/写器接收的无线电波的强度随着该ID标签相对于该读/写器的位置和/或方向而变化。因此，实际的读/写器包括多个天线来改善ID标签的接收灵敏度而不管读/写器和ID标签之间的位置关系(例如，参照专利文件2和3)。这样的读/写器可以在各个不同的方向(例如在两个或四个方向)上布置天线。这样的组成使得ID标签能够通过任何一个天线与读/写器交换数据，从而与只使用一个天线的情况相比提高了ID标签与读/写器之间的通信质量。
【专利文件1】日本特开专利申请公报No.2004-303175(摘要、图1和0006段)
【专利文件2】日本特开专利申请公报No.2004-227315(摘要、图1和0008段)
【专利文件3】日本特开专利申请公报No.2004-328605(摘要、图1和0008段)
此外，如果如上所述配备多个分集天线，在特定的方向上可能会有射频干扰。所以，即使就距离而言ID标签与读/写器之间的通信在无线通信的范围内，但该通信在干扰发生点也可能中断。在这种情况下，如果安装用于覆盖发生干扰的方向的附加天线，将可以解决这个问题。但是，如果读/写器没有多个天线端口或连接导线，或所有的配备的天线端口或连接导线已经在使用中，则不能安装附加的天线。除此之外，如果改变读/写器自身以增加天线端口的数量，将需要进一步的工作和资金投入。
发明内容
本发明的目的是提供天线切换设备，在读/写器和ID标签之间发送和接收射频信号的系统中，该设备在不改变读/写器的情况下能够简化向读/写器增加天线和天线的使用。
为了解决上述的问题，本发明提供了在RFID系统中切换用于读/写器的天线的切换设备，其包括：多个天线端口；根据从读/写器输出的射频(RF)信号生成电力的电源单元；切换信号生成单元，其在由电源单元生成的电力下运行，以生成用于从多个天线端口中指定要被使用的天线端口的切换信号；和切换单元，其在由电源单元生成的电力下运行，基于由切换信号生成单元生成的切换信号切换在读/写器和多个天线端口之间的连接。
在上述的天线切换设备中，根据读/写器提供的RF信号生成电力。并且切换信号生成单元和切换单元接收电力。切换信号生成单元生成用于从多个天线端口中指定用于与ID标签通信的天线端口的切换信号。基于切换信号，切换单元切换到与用于发送和接收信号的天线连接的天线端口。可以将附加的天线连接到多个天线端口中的空闲的天线端口。
可以将切换信号生成单元配置成以预定的时间间隔顺序地生成指定多个天线端口中的一个的切换信号。另选地，可以将切换信号生成单元配置成包括以预定时间间隔交替地重复开和关状态的自启动多谐振荡器电路。或者，通过包括用于检测与RF信号重叠的ID标签信号的检测单元，将切换信号生成单元配置成当在检测单元已经检测到了ID标签信号后经过了预定的时间时输出切换信号，该切换信号用于切换到要被使用的天线端口。上述的任何一种切换信号生成单元可以一个又一个地生成切换天线端口的切换信号，从而使发送多样化并且有助于提高通信质量。
本发明不限于上述的天线切换设备。而是，例如本发明包括用于包含上述的天线切换设备的RFID读/写器的天线。
根据本发明，因为使用从读/写器向ID标签发送的RF信号来生成电力，所以天线切换设备不需要外部电源。并且根据本发明的天线切换设备生成用于切换天线切换设备中的天线端口的切换信号代替了从读/写器接收切换信号，从而，如果需要在装备了读/写器之后增加另外的天线，则可在不改变读/写器的组成的情况下增加天线。
附图说明
图1是根据本发明的天线切换设备的框图；
图2是读/写器的框图；
图3例示了根据优选实施例的电力生成单元的组成；
图4例示了根据优选实施例的切换信号生成单元的组成；
图5例示了根据另一优选实施例的切换信号生成单元的组成；
图6例示了根据优选实施例的高频切换单元的组成；
图7例示了根据另一优选实施例的高频切换单元的组成；
图8A描述了如何设置天线切换设备(部分1)；
图8B描述了如何设置天线切换设备(部分2)；和
图9是根据优选实施例的天线切换设备操作的流程图。
具体实施方式
下面是参照附图的本发明的优选实施例的详细说明。
图1是根据本发明的天线切换设备的框图。这里，附图中描述了用于装备优选实施例的天线切换设备1的读/写器2和读/写器2所使用的天线3(即，3A和3B)。
天线切换设备1包括电力生成单元11、切换信号生成单元12、高频切换单元13和多个天线端口14。电力生成单元11利用从读/写器2输出到天线切换设备1的RF信号生成提供给该设备本身的DC(直流)电压。切换信号生成单元12在电力生成单元11提供的电力下运行，生成用于从多个天线端口14中指定要被使用的那个天线端口(天线端口14A或14B)的切换信号。高频切换单元13在由电力生成单元11提供的电力下运行，基于从切换信号生成单元12接收的切换信号切换用于通信的天线端口14。天线端口14是用于将天线切换设备1连接到天线3所配备的端子。
在RFID系统100中，读/写器2与非接触性标签(即，ID标签101)通信，以读取写入其中的数据，或在其中写入数据。天线3用于在读/写器2和ID标签101之间进行发送和接收。
图2是读/写器2的框图。在图2中，电源单元31与外部电源相连并生成将提供给读/写器2内的一系列电路的电力。外部接口32与外部设备(例如管理RFID系统100的服务器计算机)交换数据。在本例中，微处理器(MPU)控制单元33使用ROM34和RAM35处理通过外部接口32发送和接收的信号。显示单元36遵照来自MPU控制单元33的指令显示必要的信息。
DSP37提供处理基带信号的功能和协议处理的功能。调制器39通过应用由本地振荡器38生成的载波信号调制要发送到ID标签101的数据。注意该载波信号是RF带信号。发送信号放大单元40放大调制器39的输出。并且通过发送/接收分路滤波器41将经放大的信号传到切换器42。多个I/O(输入/输出)端口43与该切换器42相连接。并且，该切换器42根据来自DSP37的切换信号自由地在发送/接收分路滤波器41和I/O端口43之间连接。
各I/O端口43与用于和ID标签101交换信号的天线连接。在如图2所示的示例中，可以连接4个天线。通过切换器42选出的天线发送寻址到ID标签101的信号。如果需要增加天线，将如图1所示的天线切换设备1自由地连接到I/O端口43，并且将所需数量的天线与该天线切换设备1连接。
通过天线(未示出)、切换器42和发送/接收分路滤波器41，将来自ID标签101的信号引导到接收信号放大单元44。被接收信号放大单元44放大的接收信号由解调器45解调后发送到DSP37。
在根据本发明的天线切换设备1中，通过使用从读/写器2向ID标签101发送的RF信号，电力生成单元11生成提供给该设备自身中的一系列电路的电力。将这样生成的电力提供给切换信号生成单元12和高频切换单元13。切换信号生成单元12生成切换信号，该切换信号用于从多个天线端口14中指定要使用的天线端口。高频切换单元13使用该切换信号使适当的天线端口14与读/写器2连接。该读/写器2通过使用所连接的天线端口14和连接到其上的天线3(即3A或3B)，与ID标签101通信。下面是电力生成单元11、切换信号生成单元12和高频切换单元13的结构的具体细节的描述，其参照图3到7给出。
图3例示了电力生成单元11的组成。图3所示的电力生成单元11一般用作平滑电路(smoothing circuit)，包括二极管D1和D2以及平滑电容器C1。并且，通过由二极管D1和D2对输入的RF信号整流并由电容器C1对经整流的信号进行平滑来生成DC电压。将该DC电压提供给切换信号生成单元12和高频切换单元13。
此外，尽管图3中示出了半波双整流电路，但本发明并不局限于此。例如可以是依据所需电压的全波整流器或n倍电压电路。
图4例示了切换信号生成单元12的组成。由图4示出的切换信号生成单元12是包括可操作放大器、电阻器R1到R3和电容器C2的自启动多谐振荡器。因此，该切换信号生成单元12以由电阻器R1到R3的阻抗和电容器C2的电容确定的时间间隔输出重复交替的H(开状态)信号和L(关状态)信号。
将反相电路I装配在可操作放大器的输出端以反相其输出。这被配置为使用H电平信号作为开信号并且以L电平信号作为关信号，并且如果可操作放大器的输出和反相电路I的输出都是选择各自天线端口的信号，则生成用于交替选择两个天线端口(即两个天线)的切换信号。
图5例示了根据另一优选实施例的切换信号生成单元12的组成。由图5所示的切换信号生成单元12包括用于检测与RF信号重叠的ID标签信号的比较器51和基于所检测出的ID标签信号生成切换信号的CPU 52。注意，ID标签信号被定义为表示将从读/写器2发送到ID标签101的数据的信号。
由读/写器2发送的信号是其上叠加了10KHz的ID标签信号的100MHz的RF信号。该RF信号经阻断RF带的信号分量的低通滤波器过滤后输入到比较器51。这里，例如配置可以是这样的，低通滤波器的功能由电力生成单元11提供。
随着信号的RF带分量被移除，ID标签信号被输入到比较器51，比较器51随即判断ID标签信号的状态(即H或L电平)，从而，再现ID标签信号。将再现的ID标签信号输入到CPU 52。
此外，当顺序地切换多个天线时，分别为与ID标签101交换信号的读/写器2中的每个天线预定发送期间和响应期间，其中发送期间被定义为读/写器2向ID标签101发送ID标签信号的期间，而响应期间被定义为各ID标签101用基于ID标签信号的响应信号响应读/写器2的期间。因此，如果在响应期间的中间发生了天线切换，则RFID系统100的通信效率将降低。
因此，本实施例的天线切换设备1通过识别重叠在RF信号上的ID标签信号检测发送期间的开始时间。这里，例如通过使用CPU 52检测作为ID标签信号的预定数据图案来识别ID标签信号，CPU 52知道了发送期间和响应期间，并且当从检测到ID标签信号起算过去了预定的时间(例如，响应期间结束的定时)时，输出用于指示切换到要使用的天线的信号。
这样的配置使得读/写器2能够与更多ID标签101通信，从而提高了通信效率。
图6例示了高频切换单元13的组成。图6所示的本实施例被配置为交替地切换两个天线端口14(即14A和14B)，包括作为高频切换器的二极管D1和D2、用于切断DC的电容器C0到C2、以及偏置线圈L0到L2。
切换信号A在H电平(即，开状态)则切换信号B在L电平(即，关状态)，以及切换信号A在L电平则切换信号B在H电平的情况下，输入的切换信号A和B分别用于选择天线端口14A和14B。
当切换信号A是H电平时，电流流过线圈L1、二极管D1和线圈L0，从而通过二极管D1和电容器C1将输入的RF信号发送到天线端口14A。因为此时切换信号B在L电平，因此输入的RF信号不能通过二极管D2，从而不会被引导到天线端口14B。同样地，当切换信号B是H电平时，电流流过线圈L2、二极管D2和线圈L0，从而通过二极管D2和电容器C2将输入的RF信号发送到天线端口14B。
图7例示了根据另一优选实施例的高频切换单元13的组成，其中显示了具有4个待切换的天线(即，天线端口)的组成。与图6所示的情况一样，在本例中对应于某一天线的切换信号处于开状态，来自读/写器2的RF信号将被引导到与处于开状态的切换信号对应的天线端口。在具有3个、5个或更多个待切换天线的其它情况下，相同的高频切换单元13的组成将使得能够切换到适当的天线。
图8A和图8B说明了如何将根据本实施例的天线切换设备1实际设置在RFID系统100中。图8A说明如何设置根据本实施例的天线切换设备1以在读/写器2和天线3之间使用；图8B说明了如何在天线3内装配根据本实施例的天线切换设备1。
图8A所示的天线切换设备1连接到读/写器2的I/O端口43。并且天线切换设备1包括4个天线端口14A到14D，使得最多能够安装4个天线。在图8A中，天线端口14A到14C分别连接到天线3A到3C。
如参照图3到7所述，根据本实施例的天线切换设备1包括根据RF信号生成电力的内置的电力生成单元11，不需要外部电源。而且，天线切换装置1生成切换天线端口的切换信号，而无需从读/写器2接收切换信号，从而使得能够添加天线而不改变读/写器2的配置。
图8B所示的天线切换设备1被安装在天线3内部。在这个示例中，天线切换设备1被安装在天线3A内部。因而，将天线切换设备1所包括的天线端口14A到14D中的天线端口14A固定地连接到天线3A；并且配置为通过使用其它的天线端口14B到14D与附加的天线连接。
图9是根据优选实施例的天线切换设备1的操作的流程图。这里，假定配置是这样的，天线切换设备1包括两个天线端口14A和14B，每个端口分别与天线3A和3B相连。此外，由图5所示的CPU 52执行此处理。
第一步是为天线切换设备1提供电力(步骤S1)。这个实际是由上述图1所示的电力生成单元11实现，其提供利用来自上述读/写器2的RF信号生成的电力。
当开始提供电力时，天线切换设备1等待读/写器2发送的信号(步骤S2)，接着读取其发送的信号(步骤S3)。然后，判断该发送信号是否包括ID标签信号(步骤S4)，并且如果其中不包括ID标签信号，返回到步骤S2，而如果其中包括ID标签信号，则进行到步骤S5。
然后，初始化定时器并且开始计数(步骤S5)，接着判断天线3A或3B哪一个在使用中(步骤S6)。如果天线3B在使用中，进行到步骤S7并且在上述的定时器期满时生成用于使要使用的天线从3B切换到3A的切换信号并且返回到步骤S2。相对地，如果天线3A在使用中，则进行到步骤S8并且同样地在上述定时器期满时生成用于使要使用的天线从3A切换到3B的切换信号并且返回到步骤S2。从而重复相同的处理。
注意在对图9的说明中已经例示了在两个天线之间切换的情况，但是本实施例不限于此。例如，可以是在如图7所示的4个天线之间切换的情况，在该情况下，规定使用天线端口14A到14D中的天线的循环改变顺序以在定时器期满时切换到要使用的天线端口。
同时，根据本实施例的天线切换设备1的配置，天线切换设备1本身消耗了一部分由从读/写器2发送到ID标签101的RF信号提供的电力。这导致了来自通过天线3发送的RF信号的电力要减少由天线切换设备1消耗的量。这就是说，与没有连接天线切换设备1的情况相比，将天线切换设备1连接到读/写器2将使得无线电波的范围变短。然而，在RF信号的实际发送中，抑制天线切换设备1的电力消耗以充分地使电压下降最小化是相对容易的。在通过应用当前提出的整个发明而进行的仿真中，在从读/写器2输出的RF信号的电力是1瓦(1W)并且天线切换设备1的电力消耗是100mw的情况下，读/写器2能够检测到信号的ID标签101与读/写器2距离仅从2.02m减少到1.91m。
如上所述，根据本实施例的天线切换设备1通过使用读/写器2为在读/写器2和ID标签之间通信而连续发送的RF信号来生成电力。此外，天线切换设备内生成用于切换天线的切换信号，无需从读/写器2接收切换指令。并且，使用如此生成的切换信号来顺序地切换多个天线端口(即天线)。从而，本实施例的天线切换设备1在读/写器2和天线3之间的连接使得能够添加用于特定方向的天线3而无需改变读/写器2本身，进而可抑制无线电波干扰等等的发生。

Claims (7)

1.一种天线切换设备，用于在被RFID系统中的读/写器所使用的天线之间进行切换，包括：
多个天线端口；
根据从所述读/写器输出的RF信号生成电力的电源单元；
切换信号生成单元，其在由所述电源单元生成的电力下运行，用于生成切换信号，所述切换信号用于从所述多个天线端口中指定要使用的天线端口；和
切换单元，其在由所述电源单元生成的电力下运行，基于由所述切换信号生成单元生成的切换信号切换所述读/写器和所述多个天线端口之间的连接。
2.根据权利要求1所述的天线切换设备，其中，
所述切换信号生成单元以预定的时间间隔顺序地生成用于指定所述多个天线端口中的一个天线端口的切换信号。
3.根据权利要求1所述的天线切换设备，其中，
所述切换信号生成单元包括自启动多谐振荡器电路，所述自启动多谐振荡器电路以预定的时间间隔交替地重复开和关状态。
4.根据权利要求1所述的天线切换设备，其中，
所述切换信号生成单元包括：
以预定的时间间隔交替地重复开和关状态的自启动多谐振荡器电路；和
使来自所述自启动多谐振荡器电路的输出信号反相的反相电路，其中
所述切换单元当所述自启动多谐振荡器电路输出开信号时使用第一天线端口，当所述反相电路输出开信号时使用第二天线端口。
5.根据权利要求1所述的天线切换设备，包括：
检测与RF信号重叠的ID标签信号的检测单元，其中
当从所述检测单元检测出ID标签信号起算过去了特定时间时，所述切换信号生成单元输出用于切换要使用的天线端口的切换信号。
6.一种天线，用于RFID读/写器，其中包括天线切换设备，该天线切换设备用于为RFID系统中的读/写器切换天线，包括：
用于连接附加天线的一个或多个附加天线端口；
电源单元，利用从所述读/写器输出的RF信号生成电力；
切换信号生成单元，其在由所述电源单元生成的电力下运行，用于生成切换信号，该切换信号用于从包括所述附加天线端口的多个天线端口中指定要使用的天线端口；和
切换单元，其在由所述电源单元生成的电力下运行，基于由所述切换信号生成单元生成的切换信号切换所述读/写器和包括所述附加天线端口的多个天线端口之间的连接。
7.一种天线，用于RFID读/写器，其中包括天线切换设备，该天线切换设备为RFID系统中的读/写器切换天线，包括：
多个天线端口；
电源单元，利用读/写器输出的RF信号生成电力；
切换信号生成单元，其在由所述电源单元生成的电力下运行，用于生成用于从所述多个天线端口中指定要使用的天线端口的切换信号；和
切换单元，其在由所述电源单元生成的电力下运行，基于由所述切换信号生成单元生成的切换信号切换所述读/写器和所述多个天线端口之间的连接，其中，
附加天线被连接到所述多个天线端口的至少一个上。
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