专利名称：通过电感耦合进行射频发送/接收的终端的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及通过电感耦合来发送数据，更具体地说，涉及一种非 接触式收发器终端，其能够以所谓的第一读取器模式进行操作，其中终端 与远程电磁发射机-应答器相通信，以及以所谓的第二卡片模式进行操作， 其中终端作为相对于另 一个终端的电磁发射机-应答器而进行操作。
背景技术：
非接触式卡片读取器向通常不具有自备电源的卡片的振荡电路发射 磁场。在读取器-卡片方向中，数据通常被编码，然后在用于驱动读取器的 振荡电路的载波的调幅中被发送。在卡片(发射机-应答器)-读取器方向 中，通过例如借助于开关使天线电路短路，卡片电路利用通常所谓的反调 制(retromodulation)电路在读取器的磁场上调制由卡片的振荡电路所形成 负载。
通过电感耦合来发送数据、且能够在卡片;f莫式下和在读取器;f莫式下操 作的射频终端需要能够根据不同协议来管理数据帧的编码和解码。
标准设置了通信协议。举例来说参考ISO标准14443，其定义了读取 器的天线电路在大约13.56 MHz的频率下被驱动。由所产生的磁场的调幅
4利用100% (ISO标准14443-2 / A)或者10% (ISO标准14443-2 / B )的调 制深度来执行在读取器-卡片方向中的数据发送。在卡片-读取器方向中，
输，所述调制根据曼彻斯特型标准14443-2 / A或者根据BPSK型标准 14443-2/B而^皮编码。
在卡片^t式下，通常由读取器所产生的磁场来感应电路供电，所述磁 场构成了卡片和读取器之间的通信信道。因此，用于驱动读取器的振荡电 路的交流信号构成了卡片的远程供电载波。
在读取器模式下，终端需要被供电(由电池组或者由与电源线配电系 统的连接)以便向卡片发射磁场。
在专用设备中，读取器天线(或者振荡电路的电感)常常适合于发射 频率(例如13.56 MHz)且适合于A.C.信号发生器的阻抗，而卡片的天线 (谐振电路的电感)常常被调谐成系统的工作频率(例如，13.56MHz)。
如果读取器天线已经被调谐、但是不匹配，那么发射也不是最佳的。
相反地，如果卡片天线匹配、但是失调，那么电力恢复(power recovery)
就不能纟皮优化。
因而，对于在卡片模式下和在读取器模式下的操作来说，天线电路通 常不能兼容。尤其是，很难采用单个天线来设计出既能在读取器模式下操 作又能在卡片模式下进行操作的设备。
文献EP-A-1327222描述了 一种能够在读取器;f莫式和卡片模式下进行 操作的非接触式集成电路读取器，其接收部分与电感电容低通和带通滤波 器相连以便允许根据不同协议进行操作。这种操作只能匹配读取器模式、 而在卡片模式下却没有进行最佳调谐，或者卡片模式下调谐、但在读取器 模式下没有进行最佳匹配。
US2007/0063041描述了 一种通过电感耦合来发送或接收信息的终端， 其根据发射或者接收操作来提供电容元件的切换。
发明内容
需要一种能够在读取器模式和卡片模式下操作的设备，其克服了常用 设备的全部或者部分缺点。
更具体地说，需要一种采用单个天线在卡片模式和读取器模式下进行 操作的设备，并且其改进了读取器模式下的匹配和卡片模式下的调谐。
还需要一种适合双重放大器输出端拓朴结构的解决方案。
还需要一种在天线和解调电路之间无须另一个电感元件的解决方案。
还需要一种简单地从一个模式切换到另一个模式的解决方案。
还需要改进设备的功耗，尤其是当它操作于读取器模式时。
为了实现全部或部分的这些目的及其他目的，本发明的至少一个实施
例提供了一种通过电感耦合来进行发送/接收的设备，包括
用于产生AQ.C.信号的装置，所述AQ.C.信号用于驱动振荡电路；
用于在要发送数据时调制振荡电路阻抗的装置，该振荡电路包括
电感元件，与第一电容元件并联来构成天线；以及
与开关串联且具有相同值的一个第二电容元件和一个第三电容元件， 全部与第一电容元件和天线并联，调制装置连接在天线的端子与用于提供
AQ.C.信号的装置的两个端子之间，所述用于提供AQ.C.信号的装置分别连
才妾在开关两端。
根据实施例，当设备要发射AQ.C.信号且操作于读取器模式时，开关 处于断开位置。
根据实施例，当设备要在负载调制中发射数据且操作于卡片模式时， 开关处于接通位置。
根据实施例，电容元件被调整大小，以便在AQ.C.发射信号的频率下， 振荡电路匹配用于产生AQ.C.信号的装置的输出阻抗。
根据实施例，选择电容元件的值之和，以便将振荡电路调谐到在卡片 模式下从另一个设备所接收的AQ.C.信号的频率
6根据实施例，所述开关由发送放大器的输出开关构成。
根据实施例，设备还包括第二开关，其用于在设备将要操作于读取器 模式时断开调制装置。
本发明还提供了 一种用于在以读取器模式操作与以卡片模式操作之 间通过电感耦合来配置设备进行发送/接收的方法，包括根据操作模式切换 设备的单个振荡电路的电容元件的步骤。
根据实施例，设备空闲状态处于读取器模式，当它检测到从振荡电路 中提取的供电电压时，设备切换到卡片模式。
结合附图在对特定实施例的下述非限制性描迷中，详细地论述了本发 明的上述目的、特征和优点。
图1非常示意性地例示了一种采用读取器-卡片设备的非接触式数据
传输系统；
图2是读取器-卡片设备的实施例的功能框图2A显示了在读取器模式下图2的振荡电路2的等效电气示意图3是读取器-卡片设备的另一个实施例的功能框图4A和4B例示了图3的设备的振荡电路的两种配置；
图5是图2的读取器-卡片设备的更详细的框图6是图5的设备的改进的部分表示；以及
图7是读取器-卡片设备的又一个实施例的电气框图。
具体实施例方式
在不同附图中对相同元件指定相同参考数字。为了清楚的目的，仅显 示和描述了对理解本发明有用的那些元件。具体地说，没有详细描述读取 器模式或者卡片模式下的数据传输协议，所描述的实施例适合于已被广泛地标准化、因而很容易得到的常用协议。此外，没有详细描述读取器-卡片 设备的应用，所描述的实施例在此同样兼容于两种模式下采用不同电流的 设备或者组合设备。例如，这些设备可以是与电子标签进行通信的终端， 所述电子标签能够切换到卡片模式以从一个终端向邻近终端直至服务器 传送数据。还可以是便携式设备，其能够根据在卡片模式(在传送应用中) 和在读取器模式下的的应用来进行操作。
图1是系统的框图，其中设备1能够在读取器模式下与电磁发射机-应答器8 (例如，非接触式芯片卡或者电子标签)进行通信，或者在卡片 模式下与另一个读取器9进行通信，可以组合使用或不组合使用。三个设
备l、 8和9包括构成天线的电感的元件L1、 L8、 L9，其与一个或几个电 容元件(图1中未示出)相关联，以构成有关设备的振荡或者谐振电路。 图1中例示的方框中存在的其它元件包括不同的数据利用及发送电路。
对于卡片或者标签8来说，这些电路包括至少一个用于校正振荡电路 两端所采样的信号的元件以由此提取供电电压。发射机-应答器还包括反调 制元件，其用于改变形成于由读取器所产生的电磁场上的负载，以及可能 包括用于解调由读取器所发送的数据的电路
对于单个读取器9来说，所述读取器至少包括用于产发射机-应答器的 电磁场、能够被调幅以向其发送数据的元件，以及用于对所接收数据进行 解调的元件，其包括用于在磁场中检测由发射机-应答器执行的负载调制的装置。
组合设备1包括用于调制其产生的电磁场的装置和用于感测等效场并 发回反调制数据的装置。
图2是组合设备1的实施例的框图。该框图的作用在于，用于卡片模 式和读取器模式的不同元件没有被详细描述、而是在单独的方框中显示。 然而实际上，某些电路可由两种功能共用。因此，方框11 (CM)代表了 卡片^f莫式下所采用的不同电路，方框12 (RM)代表了读取器模式下所采 用的不同电路，以及方框13 (CTRL)代表了用于选择;f莫式和同步操作的 不同电路。在图2的例子中，振荡电路2包括，天线U的端子21和22 之间的电容元件C2和可切换电容元件C1。切换例如由开关K来执行，在
8元件C2和L1两端，开关K与电容元件C1串联连接。天线的串联(寄生) 阻抗由电阻元件R1以点线来例示。此外，端子21和22连接到卡片模式 方框11以釆样在读取器磁场中所感测的AQ.C.信号。开关K和电容元件 Cl的连接点23以及端子22连接到读取器模式方框12，以便在设备操作 于读取器模式时利用AQ.C.信号驱动振荡电路2。
当设备要操作于读取器模式时，开关K由控制模块13切换到断开位 置，且当设备要操作于卡片模式时被切换到接通位置。因此，在卡片模式 下，电容元件C1并联于电容元件C2，且它们相应的值彼此相加。在读取 器模式下，开关K断开，电容C1以用于驱动振荡电路的载波的频率(例 如，13.56 MHz)加入到阻抗匹配电路。
假定方框12的输出级(未显示)表示输出阻抗Rs。实际上，读取器 模式的放大器的输出阻抗小于大约10ohms,因此在设备的工作频率下不匹 配天线的阻抗。这就需要一种阻抗匹配方案。
读取才莫式下的匹配包括利用具有两个元件的所谓的"L"拓朴结构。 假定要匹配元件的值，那么两个元件都是电容(C1和C2)。
图2A例示了读取器模式下的图2的电路2的等效电气示意图，电阻 器Rl (标为Rlp)并耳关于电感(标为Llp)。图2A例示了方框12的输出 放大器31 (緩冲器)的存在。这类放大器31具有三态类型，以便在卡片 ^f莫式下在其输出端显示出高阻状态。
为了从并联等效模型(图2A )向串联等效模型(图2 )传递，以及反 之一般采用以下关系式(为了简化表示法，参考L1、 Rl、 Llp和Rlp来 指定所包含的元件的值)
Q = H = %I^,其中Xs表示输出放大器31的串联导纳(series admittance )，以及Q表示串联电路L1-R1的品质因子(quality factor )。
Rlp = (Q2+1) {FLD1} Rl;以及
M ■ .X.l.i..p Rip— P = ^T =",其中XLlp表示电感Ll的导纳。在卡片模式下，电容C1和C2之和必须使得振荡电路将由远距离终端
发射的场的频率作为谐振频率。
在读取器;jt式下，如图2A中所例示的那样，在元件C1和C2的"L" 拓朴结构中获得匹配。因为并联设置的天线的每单位长度的阻抗较高(一 般地大约几千ohms )，选择电容Cl和C2,以便匹配的并联和串联元件Qp 和Qs的品质因子相等，并且可写成
因此，振荡电路2的组件根据调谐和匹配频率来调整尺寸。最好是， 已知天线的电感的值，根据读取器模式下的阻抗匹配需求来确定电容Cl 和C2的值。通常，天线的这个电感值与其几何结构有关系。
考虑到以上所公开的条件，元件Cl和和C2的值可根据下式来确定
给定电容C2的值不必仅仅考虑上述元件(例如，用上述关系式计算 出)，而且还要考虑到设备的输入电容，即连接于振荡电路的电容。例如， 如果连接到振荡电路2的设备的元件提供20 pF电容，则由上述关系式所 得到的电容C2的值减少20pF。电容C1的值不变。
图3例示了另一个实施例，其中读取器模式的电路包括分别由相同的 电容元件Cl连接到端子21和端子22的两个输出放大器31和32。开关K 连接到放大器31和32的相应输出端23和24。电路的卡片端不变。在卡
-'..(￥l.p - Rs);以及
10片模式下，输出放大器或者缓冲器31和32被切换到其输入为高阻的状态 以免千扰接收。与之前的实施例相比，区别有关于方框12'的双重放大器
输出端拓朴结构，其需要对称匹配结构。
图4A例示了当开关K断开(读取器模式)时图3的振荡电路2'的 等效电气示意图。
图4B例示了当开关K导通(卡片模式)时图3的振荡电路2，的等 效电气示意图。
图5是能够利用如图2所例示的振荡电路2来操作于卡片模式和读取 器模式的设备的更详细的框图。
处理单元41 (PU)用于利用要发送的数据和接收的数据。在读取器 模式下，单元41控制发送电路42，除了其他的以外，所述发送电路42包 括调制器421 (MOD)和能够切换到高阻抗的输出放大器或者緩沖器31。
在卡片模式下，单元41接收经由解调器43 (DEMOD)而从振荡电路 2中提取的数据，并且借助于调制器44 (MOD)来调制形成于振荡电路上 的负载。在这个操作才莫式下，借助于整流元件45 (例如，整流桥)从由远 距离终端所发射的高频场中提取设备供电，所述整流元件45的输入端连 4妄到纟展荡电路的端子21和22以.及其输出端连接到电源电路46 ( AL1M )。 电路46例如是电压调节器，其用于向设备的不同电路41、 42、 43、 44提 供电压。
在读取器模式下，调节器46例如从配电网络的电池组中接收电源电压。
图6例示了一种改进，根据这种改进，开关K是具有卡片模式的输出 放大器31'的开关。这种放大器实际上常常以MOS晶体管的形式构成。 因此，输出放大器的低点部分(low portion)的MOS晶体管( 一般地具有 N沟道)可用作接地端23。
由于放大器31和32的输出晶体管对的相应低频和高频晶体管(low and high transistors),所以可在图3的实施例中预见出这种结构。
图7显示了具有图3的结构的另一个实施例，但是其中当设备要操作
li于读取器模式时附加开关K，断开卡片模式的电路。实际上，电源电路(整
流器45和电路46)最好是保持连接，即开关K'耦合在这些电路与卡片 模式电路的其余部分(至少电路43和44,图5)之间。在简化实施例中， 用于触发开关K导通的控制电路13还触发开关K，的导通。
例如，在空闲状态中，开关K和K，断开，且假定设备操作于读取器 模式下。对于其中在整流器45的电平下检测电源电压的情况而言，即使 具有匹配且不调谐的电路，还原电压也足够电路13导通开关K和K，并 且切换到卡片模式。
才艮据开关K，的替换实施例，开关可被集成在电压调节器46中以形成 被控调节器。
现在有可能对能够操作于读取器模式和卡片模式下的设备共享单个 天线(单个电感线圈)。所提供的系统也非常简单。在这一点上，实施例 所应用的系统的卡片和读取器的振荡电路的并串联结构中可获得优点。尤
其是，与TT型或T型结构相反，振荡电路的电容和电感元件的特定结构允
许在卡片模式下在调谐电路中获得L型匹配。
作为特定实施例，根据具有13.56 MHz频率的14443标准之一进行操 作的设备可利用具有1卞H电感的天线和电容元件Cl和C2来构成，所述 电容元件在图3和7的实施例具有总共138 pF的值。因为电感元件并联的 等效电阻(天线的阻抗)具有几千ohms (例如，大约3kQ)，而读取器模 式的放大器的输出电阻具有几ohms (例如，大约4 ohms )，在这个例子中， 在13.56 MHz下根据读取器模式下的匹配计算来执行的值Cl与C2之间的 分配是C1为107 pF、 C2为31 pF。如果振荡电路2连接到的电路提供了 大约20pF的电容，那么现在给予电容C2的值不超过11 pF (31-20)。
已经描述了本发明的各个实施例。不同的变化和修改都属于所属领域 技术人员的能力范围之内。尤其是，根据以上给定的功能表示和分别为读 取器模式和卡片模式设计的匹配和调谐频率，根据所采用的天线而要给予 电容元件的值的选择也在所属领域技术人员的能力范围之内。此外，尽管 已经参考应用了标准14443的例子来更具体地描述了本发明，但本发明更 一般地说可应用于任何射频收发器系统，其中设备能够操作在读取器模式和卡片模式下。
这种变更、修改和改进属于本说明书后部分且属于本发明的精神和范 围之内。因此，以上描述仅是以示例的方式，而不是为了限制。本发明仅 被限制于以下权利要求及其等价体所定义的那样。
权利要求
1.一种通过电感耦合进行发送/接收的设备，包括用于产生AQ.C.信号的装置(11)，所述AQ.C.信号用于驱动振荡电路；当要发送数据时，用于调制振荡电路的阻抗的装置(12，12’)，其中振荡电路包括电感元件(L1)，与第一电容元件(C2)并联从而构成天线；以及与开关(K)串联且具有相同值的一个第二电容元件和一个第三电容元件(C1)，全部与第一电容元件和天线并联，调制装置连接在天线的端子(21，22)与用于提供AQ.C.信号的装置的两个端子之间，所述用于提供AQ.C.信号的装置分别连接在开关两端。
2. 如权利要求1所述的设备，其中，当设备必须发射AQ.C.信号且操 作于读取器模式时，开关(K)处于断开位置。
3. 如权利要求1所述的设备，其中，当设备要在负载调制中发送数据 且操作于卡片模式时，开关(K)处于接通位置。
4. 如权利要求1所述的设备，其中，电容元件的大小调整为在AQ.C. 发射信号的频率下，振荡电路匹配用于产生AQ.C.信号的装置的输出阻抗。
5. 如权利要求1所述的设备，其中选择电容元件(CI, C2)的值的总 和，以便将振荡电路调谐到在卡片模式下从另一个设备接收的AQ.C.信号 的频率。
6. 如权利要求1所述的设备，其中所述开关(K)由发送放大器(31, 32)的输出开关构成。
7. 如权利要求1所述的设备，进一步包括第二开关(K')，其用于在 设备将要操作于读取器模式时，断开调制装置。
8. —种用于在以读取器模式操作与以卡片模式操作之间通过电感耦 合来配置设备进行发送/接收的方法，包括根据操作模式切换设备的单个振荡电路的电容元件(Cl， C2)的步骤。
9.如权利要求9所述的方法，其中设备方法处于读取器模式，当它检 测到从振荡电路中提取的供电电压时，设备切换到卡片模式。
全文摘要
一种通过电感耦合进行发送/接收的方法和设备，包括用于产生AQ.C.信号的电路，所述AQ.C.信号用于驱动振荡电路，以及用于在要送数据时调制振荡电路的阻抗的电路，振荡电路包括与第一电容元件并联来构成天线的电感元件；以及与开关串联的至少一第二电容元件，全部元件与第一电容元件和天线并联，调制电路连接在天线的端子与用于产生AQ.C.信号电路之间，所述用于产生AQ.C.信号的电路连接到第二电容元件和开关的连接点。
文档编号G06K7/00GK101576950SQ20091012918
公开日2009年11月11日 申请日期2009年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者亚历山大·查尔斯, 亚历山大·特拉莫尼, 亚历山大·马勒布, 热罗姆·康劳克斯 申请人:意法半导体(胡希)公司