应答器的制造方法
【专利摘要】提供了一种应答器(202)，包括天线(160)、整流器(220)并可选地包括副载波调制器(210)，其中，所述天线(诸如天线线圈)用于通过电磁场将应答器感应耦合至阅读器，将来自阅读器的能量传送至应答器，所述电磁场以载波频率交变；所述整流器具有耦合至天线用于从天线接收交流电流的天线侧以及用于向应答器提供直流电流的应答器侧；所述副载波调制器用于利用数据信号对副载波进行调制，以便获得发射信号。副载波调制器耦合至整流器的应答器侧，使得整流器利用发射信号对电磁场进行调制，以便将发射信号发送至阅读器。通过将整流器用于将交流电流转换为直流电流并用作模拟混频器，实现了应答器的增大范围，而无需载波的产生和同步。
【专利说明】应答器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包括天线、整流器和副载波调制器的应答器(transponder)，其中，所述天线用于接收阅读器产生的电磁场，将来自阅读器的能量传送至应答器，电磁场以载波频率交变；所述整流器具有链接至天线用于从天线接收交流电流的天线侧以及用于给应答器提供直流电流的应答器侧；所述副载波调制器用于利用数据信号对副载波进行调制，以便获得发射信号。
【背景技术】
[0002]应答器如RFID或NFC系统等依赖于电磁波交换，特别是在近场中依赖于与阅读器之间的感应耦合以便进行功率和数据传输。应答器常常包括电子数据承载装置，通常为单个微芯片和天线，例如用作天线的大面积线圈。
[0003]利用负载调制可以将数据从应答器传送至阅读器。如果将应答器放置在阅读器天线的交变磁场内，那么这会从电磁场中抽取(draw)能量。这种附加的功率消耗可以在阅读器处测量。通过切换应答器天线处的负载电阻，可以通过这种效应传送数据。
[0004]然而，随着应答器正变得越来越小，负载调制效应变得不那么有效。较小的应答器天线没有从阅读器场(reader field)中积累足够的能量。因此，用于解调的线圈电压太低，即使是在用于负载调制的晶体管上。此外，到阅读器的反向耦合也较差。
[0005]通过增加电池电源可以改善数据传送。在这种情况下，可以使用主动的载波调制来代替被动的负载调制。这种方法的缺点在于，用于调制的载波频率(fc)需要具有与由应答器接收到的载波频率完全同相。这种同步是难以实现的并且需要附加的同步电路。
【发明内容】
[0006]实现缓解这些和其他问题的改进应答器是有利的。
[0007]提供了一种包括应答器，包括:天线，用于接收阅读器产生的电磁场，将来自阅读器的能量传送至应答器，所述电磁场以载波频率交变；整流器，具有链接至天线用于从天线接收交流电流的天线侧以及用于向应答器提供直流电流的应答器侧；以及数据信号源，用于产生对数字信息进行编码的电子数据信号，其中数据信号源耦合至整流器的应答器侧，整流器利用数据信号对所述电磁场进行调制，以便将数据信号发送至阅读器。
[0008]整流器用于对从阅读器接收到的交变电流进行整流并且向应答器提供直流电流。发明人认识到:整流器还用作模拟混频器(analog mixer) 0通过将数据源耦合至整流器的应答器侧，整流器将利用数据信号对电磁场进行调制，从而将数据信号发送至阅读器。数据信号可以直接调制在载波信号上，或者可以经由副载波调制器来调制在载波信号上，其中副载波调制器首先利用数据信号对副载波进行调制。例如，直接调制可以通过经由幅度调制将数据信号调制到电磁场上来完成。当应答器是UHF-RFID时，直接调制特别有利。对于UHF-RFID,UHF-RFID天线优选地用作天线。数据源可以包括在从整流器接收功率的应答器电路中。例如，数据源可以是数字电路。数据源可以产生数据信号，部分地利用软件，但软件不是必要的。数据源可以使用常规的基带信号，例如利用曼彻斯特编码(ManchesterCoding)对数字数据进行编码。数字数据可以包括标识符(identifier)。数据信号的比特率可以是106kBit/s。
[0009]具有副载波调制器的一实施例如下。应答器包括:天线，用于接收阅读器产生的电磁场，将来自阅读器的能量传送至应答器，所述电磁场以载波频率交变；整流器，具有链接至天线用于从天线接收交流电流的天线侧以及用于向应答器提供直流电流的应答器侧；以及副载波调制器，用于利用数据信号对副载波进行调制，以便获得发射信号，其中副载波调制器耦合至整流器的应答器侧，整流器利用发射信号对电磁场进行调制，以便将发射信号发送至阅读器。
[0010]整流器用于对从阅读器接收到的交变电流进行整流并且向应答器提供直流电流。发明人认识到:整流器还用作模拟混频器。通过将副载波调制器耦合至整流器的应答器侧，整流器将利用发射信号对电磁场进行调制，从而将发射信号并因此将数据信号发送至阅读器。
[0011]副载波调制器不是必要的，例如对于UHF-RFID，因为用作混频器的整流器能够经由幅度调制将数据信号直接调制在载波信号上。
[0012]在一实施例中，应答器包括耦合至整流器的应答器侧的应答器电路。应答器电路配置为执行应答器的任务。例如，应答器电路可以包括存储标识符的非易失性存储器。应答器电路可以包括发送电路以将标识符发送至阅读器。应答器电路可以产生数据信号，可能利用某些位码(bit code)。
[0013]在一实施例中，应答器包括耦合至整流器的应答器侧和应答器电路的电压源。电压源驱动应答器电路。电压源提供发射功率。与被动的负载调制相比，通过利用电压源增大了应答器的范围。电压源(例如电容器)用作电源；这样不需要获得整流器的混频器功能。可以利用电压源(例如电池)给出增大范围的优势，而没有需要同步电路(例如PLL)的缺点。
[0014]在一实施例中，电压源是电容器，设置用于从整流器充电。利用电容器的优势在于不需要电池，而仍然保留增大范围的优势。通过载波调制的范围扩展先前只可能存在于电池供电的应答器。另一方面，使用电池作为电压源也是可能的。利用电池的优势在于独立于或者更少依赖于阅读器的场，同时仍然不需要同步电路用于与载波频率同步。应答器还可以利用可充电电池，可充电电池可以在阅读器的场中像电容器一样充电。
[0015]电容器需要选择为使载波频率平滑，但是不抑制(平滑)基带发射信号。通过利用针对电容器的一系列值并且观察平滑，可以获得这种电容器。可以选择使用平滑足以使应答器工作而尚未消除(smooth out)基带发射信号的电容器。如果需要较高的功率，那么可以使用与具有电阻器或者线圈的平滑电容器分离的第二电容器。对于非常高的功率需求，可以利用附加的电荷泵将电容器加载至更高等级。
[0016]整流器的天线侧包括两个连接点，用于在两个连接点之间容纳天线，即天线与整流器的天线侧是并联的。整流器的应答器侧包括两个连接点。应答器侧的其中一个连接点被称作负端(_)。整流器的应答器侧的另外一个连接点被称作正端(+)。应答器电路连接至正端和负端(_)。副载波调制器也可以连接至正端和负端(_)。电压源可以连接在正端和负端㈠之间。连接点也可以被称作“管脚”。[0017]存储电容器(reserVoir capacitor)(也被称为平滑电容)减小了来自整流器的已整流交流输出电压波形中的变化。
[0018]在一实施例中，整流器是全波整流器。在一实施例中，整流器是二极管电桥。可以使用的二极管电桥具有四个二极管。
[0019]在一实施例中，电容器与应答器的天线并联连接，选择电容器的电容，使得它与天线线圈的线圈电感组合形成并联谐振电路，并联谐振电路具有对应于阅读器的载波频率的谐振频率。通过并联谐振电路中的谐振升压，在阅读器的天线线圈中产生高电流，这可以用来产生远程应答器的操作所需的场强度。
[0020]提供了 一种包括应答器，包括:天线，如天线线圈，用于通过电磁场将应答器感应耦合至阅读器，将来自阅读器的能量传送至应答器，电磁场以载波频率交变；整流器，具有耦合至天线用于从天线接收交流电流的天线侧以及用于向应答器提供直流电流的应答器侧；以及副载波调制器，用于利用数据信号对副载波进行调制，以便获得发射信号。副载波调制器耦合至整流器的应答器侧，使得整流器利用发射信号对电磁场进行调制，以便将发射信号发送至阅读器。通过将整流器用于将交流电流转换为直流电流并用作模拟混频器，实现了应答器的增大范围，而无需载波的产生和同步。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]本发明的这些和其他方面可以从下文描述的实施例中理解并且将参考这些实施例来进行阐述。在附图中，
[0022]图1和2示出了没有使用整流器作为上变频调制器的应答器；
[0023]图3和4示出了使用整流器作为上变频调制器的应答器；
[0024]图5示出了用于图3或4的整流器。
[0025]应当注意的是，在不同的图中具有相同附图标记的项目具有相同的结构特征和相同的功能，或者是相同的信号。只要已经解释了这种项目的功能和/或结构，就没有必要在详细描述中反复解释。
[0026]附图标记列表:
[0027]100应答器
[0028]110副载波调制器
[0029]112载波调制器
[0030]120整流器
[0031]130应答器电路
[0032]140 电容器
[0033]152 开关
[0034]160 天线
[0035]200、202 应答器
[0036]210 与门
[0037]220 二极管电桥
[0038]230应答器电路
[0039]240 电容器[0040]260 线圈
[0041]500整流器
[0042]512-518 开关
[0043]522 正管脚
[0044]524 负管脚
[0045]530天线侧
【具体实施方式】
[0046]尽管本发明可具备许多不同形式的实施例，在附图中示出并在此详细描述一个或多个具体实施例，但是应理解，本公开应被认为是本发明原理的示例，而并非旨在将本发明限制于所示出和所描述的具体实施例。
[0047]图1示出了应答器100。应答器100包括天线160。例如，天线160可以是应答器的天线线圈或者电天线。通过天线160，应答器可以感应耦合至阅读器和/或接收阅读器信号。天线160可以是电天线，例如可以用于UHF-RFID。应答器与阅读器的感应耦合(inductive coupling)在阅读器和应答器之间没有直接电接触。
[0048]阅读器的天线产生强的高频电磁场，电磁场穿透天线160周围区域的横截面。频率被称作载波频率。
[0049]应答器100包括整流器120，用于将周期性反转方向的交流电流(AC)转换为直流电流(DC)。直流电流向应答器电路130供电，并且对电容器140充电。这意味着，微芯片操作所需的全部或者部分能量可以由阅读器提供。应答器电路130可被视为供电汇(powersupply sink)?
[0050]要从应答器发送至阅读器的数据按照位码(bit code)进行编码。调制器110用位码对副载波(表示为fs)进行调制。调制例如可以是ASK、PSK或FSK类型。常用的载波和副载波频率分别为13.56MHz和847.5kHz。调制器110的输出被称作基带应答器发射信号。
[0051]在图1中，基带应答器发射信号通过开关152选择性地将电阻器154并联连接至天线160，开关152可以实现为FET。在图2中，基带应答器发射信号利用第二调制器112对载波进行调制。第二调制器112的输出可以直接连接至天线160。
[0052]图1的缺点在于负载的量受限于阅读器刚刚已经发射了什么，这限制了天线160可以小到何种程度并且数据可以在什么距离上传送。图2的缺点在于第二调制器112使用的载波需要与阅读器使用的载波精确同步。
[0053]图3示出了一种应答器，其中整流器具有双重作用。一方面，整流器用于将经由感应场从阅读器获得的能量从交流转换为直流。另一方面，整流器还用作模拟混频器，用于执行基带应答器发射信号和载波之间的模拟相乘。
[0054]应答器200包括应答器电路130，应答器电路130配置为执行应答器所需的任何任务。应答器电路130可以包括存储器，例如非易失性存储器。非易失性存储器可以包括例如存储身份证号码的非易失性存储器。应答器电路130可以包括数字门，例如配置为计算对从阅读器接收到的消息的响应。
[0055]和图1和2的应答器一样，图3的应答器包括天线160，例如天线线圈或电天线，用于通过电磁场将应答器感应耦合至阅读器，将来自阅读器的能量传送至应答器。电磁场以载波频率交变。在阅读器与应答器之间没有直接电接触，通过电磁场无线地传输能量和信肩、O
[0056]应答器200还包括整流器120，优选地为全波整流器。如同在图1和2中，整流器具有耦合至天线用于从天线接收交流电流的天线侧和耦合至应答器电路用于向应答器电路提供直流电流的应答器侧。整流器120例如可以是二极管电桥、晶体管整流器、可控硅整流器(SCR)等。
[0057]在天线侧，整流器120具有耦合至天线160的两个连接点(“管脚”)。在应答器侦牝整流器120具有两个连接点(“管脚”)，一个被称作“负”，另一个被称作“正”。应答器侧的管脚提供直流电流。天线侧的管脚通过阅读器产生的场从天线接收交流电流。电压源140在整流器120的应答器侧的连接点(“管脚”)之间运行。
[0058]在操作期间，如果将应答器带到来自阅读器的电磁场(即感应场或者电磁场)附近，那么在天线160中产生交流电流。整流器120将交流电流转换成直流电流，直流电流可以用于向整个应答器，更具体的是向应答器电路130供电。
[0059]应答器200还包括电容器140。电容器140还耦合至整流器120。电容器140由来自整流器的直流电流充电。如果从感应场获得的功率暂时不足，那么已充电的电容器140可以临时向应答器供电。电容器140使来自整流器120的信号平滑。
[0060]应答器200还包括副载波调制器110，用于利用数据信号对副载波进行调制，以便获得基带应答器发射信号。调制优选地使用幅度或者相位调制。频率调制也是可能的。具有基带应答器发射信号的副载波调制器110的输出连接至整流器120的应答器侧。有时使用的载波频率为13.56MHz，针对该载波频率有时使用的副载波频率为847.5kHz。
[0061]在操作期间，当副载波调制器110产生基带发射信号时，整流器在应答器侧接收来自调制器110的基带信号。整流器用作混频器，并且对由天线160接收到的载波进行调制。这样，将基带信号上变频。注意，没有必要由应答器本身产生载波。更具体地，没有必要与载波同步。注意，同步是应答器上相对复杂的操作，要求例如PLL。
[0062]图4示出了也使用整流器作为上变频调制器的应答器202。
[0063]和图3的应答器一样，应答器202包括副载波调制器210、整流器220、线圈260、电容器240和应答器电路230。
[0064]在图4中，副载波调制器110实现为“与门”210。与门210用于OOK(开关键控)调制。作为替代，可以用异或门实现副载波调制器110以进行BPSK(二进制相移)调制。调制器210具有两个输入门:一个接收例如来自应答器的副载波发生器(未不出)的副载波，另一个接收位码。位码对要发送至阅读器的数字数据信号进行编码。位码典型地由应答器电路产生。例如可以利用曼彻斯特编码对位码进行编码。
[0065]作为示例，在图4中将整流器实现为二极管电桥。整流器220在天线侧具有耦合至天线260的两个连接点(“管脚”)。整流器220在应答器侧具有两个连接点(“管脚”)，一个被称作“负”，另一个被称作“正”。应答器侧的管脚提供直流电流。天线侧的管脚接收交流电流。电容器240在整流器220的应答器侧的连接点(“管脚”)之间运行。
[0066]具有基带发射信号的调制器210的输出经由电容器240耦合至“负”，并耦合至整流器220的应答器侧的正管脚。[0067]在图4中，将整流器220实现为二极管电桥。二极管电桥是整流器的一种【具体实施方式】。二极管电桥220包括四个二极管。整流器220具有天线侧和应答器侧，天线侧具有两个输入并联耦合至天线线圈260的，应答器侧具有两个输出管脚。输出之一被称作“地”。对于从线圈接收到的交流电流，二极管电桥用作整流器。令人惊讶地，对于在应答器侧接收到的基带发射信号，二极管电桥也用作二极管混频器。
[0068]分别在图3和4中示出的电容器140和240可以更一般地用电压源(例如电池)替换，以便提高应答器可以被接收的范围。即使在这种情况下，也不需要与载波进行同步。
[0069]图5示出了可以用于整流器120或者取代整流器220的整流器500。该整流器是包括了四个“开关”的电桥。图5的整流器包括设置成电桥的四个开关512、514、516和518。可以用MOSFET实现开关512-518。正端用522表示。负端用524表示。交流电流连接在530。
[0070]可以将整流器500用在图3中来实现整流器120。线圈160或者天线会连接在530。电容器140和应答器电路130连接在正522与负524之间。整流器500也可以用在图4中来替代二极管电桥220。
[0071]应当注意的是，上述实施例阐释而非限制本发明，并且本领域普通技术人员将能够设计出许多替代的实施例。
[0072]在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被理解为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除除了在权利要求中列举的元件或者步骤之外的其他元件或者步骤的存在。在元件前面的不定冠词“一”或者“一个”不排除多个这种元件的存在。可以利用包括若干离散元件的硬件或者利用适当编程的计算机来实现本发明。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件实现。在相互不同的从属权利要求中分别记载具体措施的事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。
【权利要求】
1.一种应答器(200、202)，包括: -天线(160)，用于接收阅读器产生的电磁场，将来自阅读器的能量传送至应答器，所述电磁场以载波频率交变， -整流器(120、220)，具有链接至天线用于从天线接收交流电流的天线侧以及用于向应答器提供直流电流的应答器侧，以及 -数据信号源，用于产生对数字信息进行编码的电子数据信号，其中 -数据信号源耦合至整流器的应答器侧，整流器利用数据信号对所述电磁场进行调制，以便将数据信号发送至阅读器。
2.根据权利要求1所述的应答器，其中，整流器配置为经由幅度调制来在电磁场上调制数据信号。
3.根据权利要求1所述的应答器，其中，应答器是UHF-RFID。
4.根据前述权利要求中任一项所述的应答器(200、202)，包括: -副载波调制器(110、210)，用于利用数据信号对副载波进行调制，以便获得发射信号，其中 -副载波调制器耦合至整流器的应答器侧，整流器利用发射信号对所述电磁场进行调制，以便将发射信号发送至阅读器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的应答器，其中，天线包括线圈，所述线圈用于通过电磁场将应答器感应耦合至阅读器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的应答器，包括耦合至整流器的应答器侧的应答器电路(130,230)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的应答器，包括耦合至整流器的应答器侧和应答器电路的电压源，所述电压源驱动应答器电路。
8.根据权利要求7所述的应答器，其中，电压源是电容器，所述电容器设置为从整流器充电。
9.根据权利要求7所述的应答器，其中，电压源是电池。
10.根据前述权利要求中任一项所述的应答器，其中，整流器是全波整流器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的应答器，其中，整流器是二极管电桥。
12.根据前述权利要求中任一项所述的应答器，其中，整流器是晶体管整流器或者可控硅整流器SCR。
【文档编号】G06K7/00GK103514421SQ201310261530
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】拉尔夫·克利斯汀·约瑟夫·奥斯卡·普雷斯特罗斯 申请人:Nxp股份有限公司