专利名称：利用磁场耦合电抗元件的谐振电路调谐系统的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及电子调谐电路，更具体地，涉及利用磁场耦合电 抗元件的调谐系统。
背景技术：
磁场在许多电子系统中用于诸如电子物品监视(EAS)、射频标 识(RFID)、金属检测器、磁成像系统、遥感、通信等的多种用途。 在这些各种电子系统中，磁性线圏可以用作发送器或接收器。作为发 送器，线圏通常用于将磁场投射到希望的感测区中。作为接收器，可 以将线圏放在一个区域中接收信号或检测标签、金属物体等的存在。
更具体地说，对于发送器，产生磁场的高效方法牵涉到在发送频 率上对发送器呈现低阻抗的串联谐振LCR电路的使用。为了从发送 器天线实现高磁场水平，期望发送器将大电流递送到天线线圈。因此， 为了实现高性能，期望使从发送器递送到线圏的电流最大化。使从发 送器递送的电流最大化的一种方法是使用具有高品质因数(Q)的LCR 电路。这可以通过增大天线线圈的电感和减小电路的总串联电阻实现。
对于接收器，通常使用通过电感器、电容器和电阻的并联布置形 成并联谐振LCR电路的 一种不同类型的调谐谐振电路。像例如在EAS 系统的接收器、RFID标签或天线的输入端上，或在磁场感测输入端 中那样，这种类型的电路用在谐振时需要高线圏阻抗的应用中。为了 使使用磁线圏的接收器天线达到.高灵敏度，期望接收器对接收器输入 端呈现高阻抗，从而将高压信号递送到接收器输入端。实现这种高灵 敏度的一种方法是增大天线的Q值，使天线对应用感兴趣的频率更敏 感。与串联LCR电路的情况一样，期望具有高QLCR电路以便利用 较高性能。
5使用高QLCR电路存在实际局限性。在许多应用中，LCR电路 的谐振频率(或调谐)因设计偏差、安装环境(例如，门框、地板等) 的偏差或因工作环境的动态变化而偏离理想值。例如，调谐的设计容 许偏差可能由影响LCR电路的电感和电阻，从而影响调谐和性能的 谐振电容器结构偏差和天线线圏结构偏差引起。另外， 一些类型的天 线线圈使用导磁材料集中或成形来自发送天线的磁场或增大接收器天 线对外部磁场的灵敏度。这些材料中的许多种在磁导率和材料损耗方 面呈现宽的容限。而且，这些材料的特性随工作磁通密度、工作温度、 机械应力等的变化而变化。 一些材料还可能在系统的寿命内随时间变 化。所有这些材料特性的变化都会影响LCR电路的电感和损耗，并 且影响调谐和性能。
并且，在一些应用中，天线线圏可能被安装在可能改变天线周围 磁场的导磁或导电材料附近。磁场的变化可以改变线圈的电感并且影 响LCR电路的有效电阻，从而影响LCR电路的调谐和性能。在其它 应用中，在正常工作期间，天线的磁场可能因导磁或导电材料在天线 附近运动而动态地变化。其结果是，可能引起天线的电感或有效电阻 动态地变化，从而影响LCR电路的调谐和性能。并且，系统可能使 用几个磁耦合天线动态地改变发送天线产生或感测区内的接收器天线 感测的磁场向量的取向。这种动态变化通过改变各种天线线圏中的电 流的相对相位关系实现，并且由于线圈之间的互感(或耦合系数)而 改变各个天线的电感。其结果是，线圏的有效谐振频率随磁耦合线圏 中的电流的相对相位的变化而动态变化。
因此，可能需要或希望使用高Q天线来实现天线LCR电路的高 性能。但是，高Q天线易出现调谐问题。因此，可能需要或希望响应 于例如工作环境的变化而调整LCR电路的调谐或Q值。例如，与LCR 电路连接的系统，或外部系统可能生成某些干扰信号，这可能需要改 变天线调谐或降低LCR电路的Q值。因此，可能需要或希望一种手 段来动态地调整LCR电路的调谐或Q值以响应工作环境的^t些变化。
调谐LCR天线电路的已知系统和方法通常加入控制器和其它部件，这增加了系统的成本，并且未必总是令人满意地提供所需或所希 望的调谐。例如，公知的是可以配备与开关并联或串联排列的一组电 容器，这些开关可以打开或闭合以调节电容器阵列的有效电容。但是，
随着LCR电路的Q值增大，这种方法要求增加电容器阵列中的调谐 电容器和调谐开关的数量以提供细调能力。并且，随着LCR电路的Q
值增大，电容器阵列支持的电压也增大，要求评价调谐电容器和调谐 开关是否适合高压工作。最后，因为电容器阵列与发送器串联，所以 调谐电容器和调谐开关必须支持大电流。因此，随着LCR电路的Q 值增大，电压和电流也增大，这要求评价调谐电容器和调谐开关是否 适合高压和大电流工作。
配备其中电感器的磁场因位于电感器附近的一个或多个单回路 绕组的存在而减小的LCR调谐系统也是公知的。可开关短路线匝用 于改变磁场以细调电感，这样就省去了电容器调谐阵列。但是，闭合 开关使每个单回路绕组短路只能减小电感器的磁场，从而使电感减小。 这使LCR电路的谐振频率只能从原始LCR频率开始往较高方向调 整。并且，在单回路绕组中感生的电流流过具有有限电导率和开关结 电压的导体和开关。在许多应用中，感生电流可以使LCR电路的Q 值显著减小。另外，因为流入短路线匝中的电流沿着主电感器绕组的 相反方向流过，所以使有效磁场减小，并且视应用而定，可能使天线 的性能变差。
因此，这些已知方法常常导致LCR电路Q的Q值减小以及有效 磁场减小。这些减小导致系统的性能变差，例如，系统的天线性能变 差。
发明内容
在一个实施例中，提供了可以包括LCR电路和与LCR电路磁耦 合的电抗元件的谐振电路调谐系统。
在另一个实施例中，提供了可以包括发送器和接收器中的至少一 个和与发送器或接收器连接的至少一个天线的电子物品监视(EAS )系统。EAS系统可以进一步包括配置成调谐所述至少一个天线的调谐 电路。调谐电路可以包括与天线磁耦合的至少一个电抗元件。
在又一个实施例中，提供了调谐LCR电路的方法。该方法可以 包括将电抗元件与LCR电路的电感器磁耦合和利用电抗元件控制 LCR电路的谐振频率。
为了更好地理解本发明，以及其它目的、特征和优点，应该参考 应该结合附图阅读的如下详细描述，在附图中，相同的标号代表相同 的部分。
图1是具有电抗元件的根据本发明的实施例构成的谐振电路调谐 系统的框图2是具有电阻和电容元件的根据本发明的实施例构成的谐振电 路调谐系统的框图3是具有电阻和电感元件的根据本发明的实施例构成的谐振电 路调谐系统的框图4是具有多个电抗元件的根据本发明的实施例构成的谐振电路 调谐系统的框图5是具有电抗元件和多个分接头(tap)的根据本发明的实施 例构成的谐振电路调谐系统的框图6是具有多个电抗元件和多个^ 兹耦合绕组的根据本发明的实施 例构成的谐振电路调谐系统的框图7是具有与LCR电路的绕组》兹耦合的电抗元件的根据本发明 的实施例构成的谐振电路调谐系统的框图8是具有可变电感元件的根据本发明的实施例构成的谐振电路 调谐系统的框图9是具有可变电容元件的根据本发明的实施例构成的谐振电路
调谐系统的框图10是具有可变电容元件和可变电阻元件的根据本发明的实施例构成的谐振电路调谐系统的框图；和
图ll是具有可变电感元件和可变电阻元件的根据本发明的实施 例构成的谐振电路调谐系统的框图。
具体实施例方式
为了简单和易于说明起见，在此结合本发明的各种实施例对本发 明加以描述。但是，本领域的技术人员应该认识到，本发明的各种实 施例的特征和优点可以以多种配置实现。因此，不言而喻，在此所述 的实施例是例示性地而不是限制性地给出的。
本发明的各种实施例提供了利用 一 个或多个磁耦合电抗元件和/
或电阻元件调谐LCR电路的系统和方法。应该注意到，该调i皆系统
和方法可以与任何类型的电子系统结合在一起使用，例如，可'以用在 将线圈用作发送器或接收器的电子系统中。该调谐系统和方法也可以
用在不同类型的应用，例如，电子物品监视(EAS)、射频标识(RFID)、 金属检测器、磁成像系统、遥感、通信等中。但是，为了像所希望或 所需要的那样用在不同电子设备上，在其它应用中可以实现各种实施 例。
图1例示了根据本发明的实施例构成的谐振电路调谐系统30 ，它 可以包括借助于磁耦合绕组36与电抗元件34磁耦合的LCR电路32。 LCR电路32可以配置成例如适合EAS天线架台的天线的发送或接收 天线。并且，磁耦合绕组36可以是任何类型的磁耦合元件，例如，任 何类型的磁场耦合元件。另外，电抗元件34可以是任何类型的电抗提 供元件，例如， 一个或多个电容元件和/或一个或多个电感元件。
LCR电路可以是并联和/或串联电路，并且在一个实施例中，可 以包括与第二电容元件40和电感元件42的并联组合串联的第一电容 元件38。》兹耦合绕组36可以包括与LCR电路32的电感元件42磁耦 合的一个或多个线匝，电抗元件34连接到磁耦合绕組36。
应该注意到，当在此提到电容元件、电感元件、电阻元件或其它 元件时，可以用等效元件提供、修改或替代这些元件。例如，当一个实施例被显示成具有电容元件时，它可以包括一个或多个电容器或电 容提供元件。类似地，例如，当一个实施例被显示成具有电感元件时， 它可以包括一个或多个电感器或电感提供元件。此外，类似地，例如， 当一个实施例^皮显示成具有电阻元件时，它可以包括一个或多个电阻 或电阻提供元件。
谐振电路调谐系统30还可以包括经由开关46与电抗元件34连 接的控制器44。控制器44被配置成控制开关46，更具体地说，在接 通状态(连接状态)和关断状态(未连接状态)之间切换，以便无功 加载LCR电路32。控制器44对开关46的切换可以是手动的，例如， 由操作人员或用户控制，也可以是自动的，例如，由系统控制器或程 序控制。应该注意到，开关46可以是任何类型的开关元件，例如，开 关晶体管。
谐振电路调谐系统30还可以包括并且连接至通信设备48，例如， 发送器或接收器。在工作时，可以称为调谐电抗的电抗元件34无功加 栽LCR电路32的切换会调节LCR电路32的调谐。从而也调节与 LCR电路32连接的通信设备48的调谐。
图2例示了根据本发明的另 一个实施例构成的谐振电路调谐系统 50，它可以包括经由万兹耦合绕组56与电容元件54 (C2)，例如，加 载电容器磁耦合的LCR电路52。 LCR电路52可以配置成具有电容 元件58 (d)、电阻元件60 (Rj和电感元件62 (Lj的串联配置。 电感元件62可以称为初级电感，和电容元件58可以称为谐振电容。 磁耦合绕组56可以包括电感元件64 (L2)和电阻元件66 ( R2)。磁 耦合绕组56的电感元件64以耦合系数k与LCR电路52的电感元件 62耦合(例如，磁耦合)。LCR电路52也可以与电压源68 ( Vs)连接。
现在描述谐振电路调谐系统50的工作和工作特性。这个描述可 以类似地应用于在此所述的谐振电路调谐系统的其它各种实施例。尤 其，在方程l中示出了电压源68上LCR电路52的阻抗从方程1中解出Z，得出方程1的如下约化形式:
2 = +及卿一<|"、1^时他"j
其中
尺
足
、2
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
当方程2的总电抗等于零时，出现耦合电路的谐振频率:
"to/。/ = %附旭+义柳p/" : 0
(7)
在工作时，例如，在一个实施例中是调谐绕组的电感元件64的电感被 选择成具有远低于电感元件62的电感的值。电容元件54可以被选择 成具有与电容元件58近似相同的量值，并且，例如，如为了调谐所需 或所希望的那样，由控制器(未示出)为了调谐的目的而调整成大于 或小于电容元件52。
如果调谐绕组，即电感元件64是开路的，当串联绕组的电抗
X,erie「0时，将出现主绕组，即电感元件62的谐振频率，这发生在
' (8)
"旭—
上,
举例来说，对于典型的天线电路和调谐绕组，如下所示，电容元
件54比电阻元件66的电阻和电感元件62的电感电抗两者起的作用 大
(9)
和
111 》/ 2 (10)
、 必 C， J
将它约化成
%,。卢2-7"^+"2'" (12)
一丄l
因此，当Xt。ta尸0时，发生谐振。求方程的根得出
必， -'
对于;t,4，C^0;A《A (13)
和
歸=.
对于A-0 (14)
另外，可以证明，在新谐振频率上，谐振阻抗是
Z,。,。化)-及,+ 先2 . V V C2"' & (15)
或用互感和调谐电容的电抗表达成
z,她,(必鹏)-《
+
其中."wu(必)-"'VvA
(16)
(17)
(18)
和 必《
从这些方程中可以看出，当Xc^〉X犯2时，电阻元件66造成电路的实 阻抗的增加非常小。
在如图3所示的另 一个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统50 (如图2所示)相似的谐振电路调谐系统70，因此，类似的标号标识 类似的部件。与谐振电路调谐系统50不同，可以用电感元件72 (L3) 替代电容元件54。使用与上面针对谐振电路调谐系统50所述相似的 解析技术，电压源68上的阻抗是
其中
12尺
尺
&加
义—=- ^+必2.("^J
同样，对于许多应用，作出如下假设: 和
如上所述，求解谐振频率得出
队
i
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)
并且当
时，谐振频率上的阻抗近似等于
Z , s尺+
(28)
(27)
应该注意到，并联LCR电路的谐振频率的解可以利用，例如，像SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (着重集成电 路的仿真程序))(一种可从许多地方购买到的产品)那样的电路仿 真软件，或通过图形求解阻抗来估计。
在如图4所示的另 一 个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统3 0 (如图l所示)相似的谐振电路调谐系统80，因此，类似的标号标识 类似的部件。与谐振电路调谐系统30不同，可以用多个电抗元件84 替代电抗元件34。控制器44被配置成控制多个开关82, —个开关82 对应于一个电抗元件82,更具体地说，目的是在接通状态(连接状态) 和关断状态(未连接状态)之间切换，以便无功加栽LCR电路32。 控制器44对开关82的切换可以是手动的，例如，由操作人员或用户 控制，也可以是自动的，例如，由系统程序控制。在如图5所示的另 一 个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统3 0 (如图l所示)相似的谐振电路调谐系统卯，因此，类似的标号标识 类似的部件。与谐振电路调谐系统30不同，电抗元件34可以与多个 分接头连接。更具体地说，电抗元件34可以与提供电抗元件34到磁 耦合绕组36的分接的多个分接头82连接。这种分接使得例如选择磁 耦合绕组36的不同数量线匝或绕组包括在磁耦合绕组36的有效部分 中成为可能。应该注意到，可以向单个绕组提供带有相应开关元件的 多于一个分接头82。
在工作时，控制器44将电抗元件34与磁耦合绕组36的一个或 多个分接头82连接。每个分接头82提供电抗元件34与LCR电路32 的不同耦合。控制器44可以通过将电抗元件34与磁耦合绕组36中的 不同分接头82连接来调节LCR电路32的调谐。
在如图6所示的另 一 个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统3 0 (如图1所示)相似的谐振电路调谐系统100，因此，类似的标号标 识类似的部件。与谐振电路调谐系统30不同，配备了另一个电抗元件 102, LCR电路32借助于》兹耦合绕组104与电抗元件102石兹耦合。控 制器44经由开关106与电抗元件104连接。在这个实施例中，控制器 44被配置成控制开关44和开关106，以调节LCR电路32的调谐。 更具体地说，电抗元件34和102分别借助于磁耦合绕组36和磁耦合 绕組104与LCR电路32》兹耦合。应该注意到，可以以类似方式将附 加电抗元件加入谐振电路调谐系统100中。
在如图7所示的另 一个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统30 (如图1所示)相似的谐振电路调谐系统110，因此，类似的标号标 识类似的部件。与谐振电路调谐系统30不同，谐振电路调谐系统IIO 在LCR电路32的电感元件42的绕组114上包括多个分接头112，但 不包括/P兹耦合绕组36。电抗元件34可以与提供电抗元件34到电感元 件42的绕组114的分接的多个分接头112连接。这种分接使得例如选 择电感元件42的不同数量线匝或绕组114包抟在傳振电路调谐系统 110的有效部分中成为可能。在工作时，控制器44将电抗元件34与电感元件42的一个或多个分接头112连接。每个分接头112提供电抗元件34与LCR电路32的不同耦合。控制器44可以通过将电抗元件34与电感元件42中的不同分接头112连接来调节LCR电路32的调谐。举例来说，在这个实施例中可以将，例如，天线的绕组用于对电抗元件34进行磁耦合。
在如图8所示的另 一个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统30(如图1所示)相似的谐振电路调谐系统120，因此，类似的标号标识类似的部件。在这个实施例中，电抗元件是像可变电感器122那样的可变电感元件，并且控制器44可以配置成控制开关46的操作和改变可变电感器122的电感。例如，可以包括提供分立控制信号的分立控制线。在工作时，控制器44可以配置成在可变电感器122的接通状态(连接状态)和关断状态(未连接状态)之间切换，以及调节可变电感器122的电感值，以便对LCR电路32的调谐提供可变调节。
在如图9所示的另 一个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统30(如图1所示)相似的谐振电路调谐系统130，因此，类似的标号标识类似的部件。在这个实施例中，电抗元件是像也称为变容二极管的可变电容器132那样的可变电容元件。在这个实施例中，控制器44可以配置成控制开关46的操作和改变可变电容器132的电容。例如，可以包括提供分立控制信号的分立控制线。在工作时，控制器44可以配置成在可变电容器的接通状态(连接状态)和关断状态(未连接状态)之间切换，以及调节可变电容器132的电容值，以便对LCR电路32的调谐提供可变调节。
在如图10所示的另一个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统130 (如图9所示)相似的谐振电路调谐系统140，因此，类似的标号标识类似的部件。在这个实施例中，还提供了像可变电阻器142那样的可变电阻元件。在这个实施例中，控制器44可以配置成控制开关46的操作和改变可变电容器132的电容以及可变电阻器142的电阻。例如，可以包括提供分立控制信号的分立控制线。在工作时，控制器44可以配置成在可以按并联连接方式提供的可变电容器132和可变电阻器142的接通状态(连接状态)和关断状态(未连接状态)之间切换。控制器44还可以配置成调节可变电容器132的电容值和可变电阻器142的电阻值，以便对LCR电路32的调谐提供可变调节。具体地说，可以调节LCR电路32的Q值、谐振频率、或这两者。
在如图11所示的另一个实施例中，提供了与谐振电路调谐系统120 (如图8所示)相似的谐振电路调谐系统150，因此，类似的标号标识类似的部件。在这个实施例中，还提供了像可变电阻器152那样的可变电阻元件。在这个实施例中，控制器44可以配置成控制开关46的操作和改变可变电感器122的电感和可变电阻元件152的电阻。例如，可以包括提供分立控制信号的分立控制线。在工作时，控制器44可以配置成在可以按并联连接方式提供的可变电感器122和可变电阻器152的接通状态(连接状态)和关断状态(未连接状态)之间切换。控制器44还可以配置成调节可变电感器122的电感值和可变电阻器152的电阻值，以便对LCR电路32的调谐提供可变调节。具体地说，可以调节LCR电阻32的Q值、谐振频率、或这两者。
因此，本发明的各种实施例提供了电抗元件、电感元件和电阻元件中的一个或多个与LCR电路磁耦合以便对其进行调谐的谐振电路调谐系统。耦合元件是可变的，以便提供LCR电阻的Q值、谐振频率、或这两者的可变调节。
应该明白，可以不偏离本发明的范围地作出本发明的改变和修改。当根据前面的公开阅读时，还应该明白，本发明的范围不应该解释为局限于在此公开的特定实施例，而是只依照所附权利要求书。
权利要求
1. 一种谐振电路调谐系统，包含LCR电路；和与LCR电路磁耦合的电抗元件。
2. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中电抗元件包 含电感元件和电容元件中的至少一个。
3. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中电抗元件包 含可变电感元件和可变电容元件中的至少一个。
4. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，进一步包含与LCR 电路》兹耦合的电阻元件。
5. 根据权利要求4所述的谐振电路调谐系统，其中电阻元件包 含可变电阻元件。
6. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中以串联布置 和并联布置中的至少一种配置LCR电路。
7. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，进一步包含将电 抗元件与LCR电路耦合的至少一个》兹耦合绕组。
8. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，进一步包含与 LCR电路连接的发送器和接收器中的至少一个。
9. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中LCR电路包 含配置成提供发送和接收中的至少一种的天线。
10. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，进一步包含与电 抗元件连接并且被配置成控制电抗元件的操作的控制器。
11. 4艮据权利要求8所述的谐振电路调谐系统，进一步包含与控 制器连接以控制电抗元件的切换的开关。
12. 根据权利要求10所述的谐振电路调谐系统，进一步包含多 个电抗元件。
13. 根据权利要求10所述的谐振电路调谐系统，进一步包含多 个电阻元件。
14. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，进一步包含将电 抗元件与LCR电路的至少一个线圏连接的多个分接头。
15. 根据权利要求l所述的谐振电路调谐系统，进一步包含将电 抗元件与LCR电路的至少一个线圏连接的多个分接头，该多个分接 头与LCR电路的电感器绕组连接。
16. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中电抗元件与 LCR电路的电感绕组磁耦合。
17. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，进一步包含与 LCR电路》兹耦合的电阻元件，和配置成利用电抗元件和电阻元件控制 LCR电路的谐振频率和Q值中的至少一个的控制器。
18. 根据权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中LCR电路 被配置成与电子物品监视(EAS)系统结合在一起工作。
19. 一种电子物品监视(EAS)系统，包含 发送器和接收器中的至少一个；与所述至少一个发送器和接收器连接的至少一个天线；和 配置成调谐所述至少一个天线的调谐电路，该调谐电路包含与天 线》兹耦合的至少一个电抗元件。
20. 根据权利要求19所述的EAS系统，进一步包含配置成控制 (0切换电抗元件和(ii)改变电抗元件的电平中的至少一个的控制器。
21. 根据权利要求19所述的EAS系统，其中调谐电路进一步包 含与天线^f兹耦合的至少 一个电阻元件。
22. 根据权利要求21所述的EAS系统，进一步包含配置成控制 (i)切换电阻元件和(ii)改变电阻元件的电平中的至少一个的控制器。
23. —种调谐LCR电路的方法，该方法包含 将电抗元件与LCR电路的电感器磁耦合；和 利用电抗元件控制LCR电路的谐捧,棘率。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述磁耦合步骤包含将电抗元件与LCR电路的电感器的线圏分接。
25. 根据权利要求23所述的方法，其中LCR电路进一步包含天线。
26. 根据权利要求23所述的方法，进一步包含将电阻元件与LCR 电路的电感器磁耦合和利用电阻元件控制LCR电路的Q值。
全文摘要
本发明涉及利用磁场耦合电抗元件的谐振电路调谐系统。本发明提供了谐振电路调谐系统和它的调谐方法。谐振电路调谐系统可以包括LCR电路和与LCR电路磁耦合的电抗元件。
文档编号H03J3/00GK101473536SQ200680055124
公开日2009年7月1日 申请日期2006年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者H·帕特尔森, R·赫林, S·E·霍尔 申请人:传感电子公司