专利名称：带有动态阻抗匹配的谐振电路调谐系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子调谐系统，更具体地说，涉及带有动态阻抗匹配 的谐振调谐系统。
背景技术：
磁场被用在各种用途的许多电子系统，比如电子商品防盔(EAS) 系统，射频识别(RFID)系统，金属探测器，磁成像系统，遥测系统， 通信系统等等中。在这些各种电子系统中，磁性线圏可被用作把磁场 投射到希望的感测区的发射器。更具体地说，对于发射器来说，生成 磁场的高效方法包括使用在发射频率对发射器呈现低阻抗的串联谐 振LCR电路。为了从发射器的天线实现高的磁场水平，对发射器来 说最理想的是向天线线圏输送高电流。于是，为了获得高性能，最好 是使从发射器输送到线圏的电流达到最大。
使从发射器输送的电流达到最大的一种方法是使用具有高品质 因数(Q)的LCR电路。所述高Q可通过增大天线线圏的电感和通过降 低电路的总串联电阻来实现。增大LCR电路的Q也增大了调谐，更 具体地说，微调LCR电路的谐振频率的要求。由于设计容差和电路 中的谐振电容器，电路被调谐以使LCR电路的固有谐振频率与发射 器的频率相匹配。已知使用具有串联或并联组合排列的多个电容器的 电容器组来控制LCR电路的线圏的调谐。电容器可在需要时被切入 到电路中。
另夕卜，高电感和高QLCR电路的使用导致线圏两端的电压增大。 这种增大的电压通常迫使使用线圏的绝缘来避免或减小局部放电和 电晕放电。此外，调节要求会限制输出电流的振幅，从而为了满足该 要求，这会增大电路的成本。于是，为了降低电压，需要较少的线圏匝数。但是，在高功率应用中，为了降低电流，需要较多的线圏匝数。
这些对立的约束条件导致可从具有这种LCR电路的天线产生的磁场 量的限制。已知提供了一种混合的串联-并联谐振电路来保持高的磁场 强度，同时减小电感和电压的增加。这种电路的局限在于，该电路不 允许补偿例如天线线圈结构容差和/或安装环境变化。
从而，这些已知的调谐电路常常导致功率需要增大和/或成本增 高。此外，由于不能补偿影响电路的变化的差异，这些已知电路的性 能并不令人满意。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种谐振电路调谐系统，所述谐振电路 调谐系统包括谐振电路，所述谐振电路具有串联在发射器和天线线圈 之间的第一电容元件和与发射器和天线线圏并联的第二电容元件。第 一电容元件和第二电容元件中的至少一个被配置成是可变的。谐振电 路调谐系统还可以包括控制器，用于控制第 一和第二电容元件中的至 少一个的可变值。
在另一个实施例中，提供一种发射天线，所述发射天线包括限定 发射部分的多个线圏和谐振调谐部分。谐振调谐部分可以包括至少一 个可变电容元件和至少一个可变电感元件，所述可变电容元件和可变 电感元件一起被配置成控制发射部分的谐振频率和谐振阻抗中的至 少一个。可变电容元件可以与所述发射器和多个线圏串联或并联。电 感元件可以与所述多个线圏串联或磁耦合。
在另一个实施例中，提供了一种谐振调谐方法。所述方法包括感 测天线线圏的电流和电压中的至少 一个，并根据所述感测来调整谐振 电路调谐系统的可变电容元件，以改变线圏的谐振阻抗。可变电容元 件可以与发射器和天线线圏串联或并联。
为了更好地理解本发明的各个实施例以及其它目的、特征和优
5点，应结合附图参考下述详细说明，其中相同的附图标记代表相似的 部件。
图1是按照本发明的实施例构成的具有两个可变电容元件的谐 振电路调谐系统的示意图。
图2是按照本发明的实施例构成的具有一个可变电容元件和一 个可变电感元件的谐振电路调谐系统的示意图。
图3是按照本发明的实施例构成的具有与谐振调谐部分连接的 两个电容元件和与谐振调谐部分磁耦合的 一个可变电感元件的谐振 电路调谐系统的示意图。
图4是图1的谐振电路调谐系统的简化示意图。
图5是按照本发明实施例的谐振调谐方法的流程图。
具体实施例方式
考虑到说明的简明性和容易性，下面将结合本发明的各个实施例 描述本发明。不过，本领域的技术人员会认识到，可用各种配置来实 现本发明的各个实施例的特征和优点。于是，下面描述的实施例显然 只是对本发明的举例说明，而不是对本发明的限制。
本发明的各个实施例提供了带有动态阻抗匹配的谐振调谐系统 和方法。在谐振电路中设置一个或多个可变或可调电抗元件。所述可 变或可调电抗元件允许调节谐振电路的谐振频率和有效谐振阻抗中 的至少一个。应注意，谐振电路调谐系统和方法可以结合任意类型的 电子系统使用，例如在使用线圈作为发射器的电子系统中使用。谐振 电路调谐系统和方法还可用在不同类型的应用中，比如电子商品防盗 (EAS)、射频识别(RFID)、金属探测器、磁成像系统、遥测、通信等。 不过，可酌情在其它应用中实现各个实施例，供不同的电子装置使用。
图1图解说明了按照本发明的实施例构成的谐振电路调谐系统 30,包括第一可变电容元件32(d),比如可变电容器，也被称为变抗 器，它可与第二可变电容元件34(Q0串联连接。第一可变电容元件32 和第二可变电容元件34可与通信装置36，例如发射器连接。还可设
6置电感元件38(LJ，例如可被配置成发射天线，比如EAS天线座的天 线的绕组。电感元件38可与第二可变电容元件34并联连接。代表电 感元件38中的损耗的电阻元件40(Reffeetive或RO可与第一可变电容元 件32串联连接。第一可变电容元件32、第二可变电容元件34和电感 元件38形成谐振电路。另一方面，第一可变电容元件32和第二可变 电容元件34通常形成谐振调谐部分，以及电感元件38通常形成发射 部分。应注意，可以〗吏用任意两个可变电抗元件，并且各个实施例并 不局限于可变电容器。
控制器42分别与第一可变电容元件32和第二可变电容元件34 连接。控制器42还可在感测点44与电感元件38的一端连接，并被 配置成感测流经电感元件38的电流。还可感测其它操作特性。在本 实施例中，控制器42可被配置成控制第一可变电容元件32和第二可 变电容元件34的每一个的操作以改变其电容。例如，可以包括提供 单独控制信号的单独控制线。
在操作中，控制器42可被配置成控制第一可变电容元件32和笫 二可变电容元件34的每一个的电容，更具体地说，根据例如在感测 点44感测的电流，来改变第一可变电容元件32和第二可变电容元件 34的电容。通过改变第一可变电容元件32和第二可变电容元件34的 电容，控制器42能够可变地调整调谐，更具体地说，可以提供动态 频率调谐和阻抗控制，如下更详细所述的。控制器42可被人工操作， 例如由操作员或用户控制，或者可被自动操作，例如由系统控制器或 程序控制。
应注意，这里当引用电容元件、电感元件、电阻元件或者其它元 件时，可用等效元件来提供、修改或替换这些元件。例如，当实施例 被表示成具有电容元件时，这可包括一个或多个电容器或者提供电容 的元件。类似地，例如，当实施例净皮表示成具有电感元件时，这可包 括一个或多个电感器或者提供电感的元件。另外类似地，例如，当实 施例被表示成具有电阻元件时，这可包括一个或多个电阻器或者提供 电阻的元件。在如图2中所示的另一实施例中，提供类似于谐振电路调谐系统 30(图1中所示)的谐振电路调谐系统50，因此，相同的附图标记标识 相同的组件。不同于谐振电路调谐系统30,第一可变电容元件32被 第一电容元件52替换。另外，可变电感元件54串联连接在第二可变 电容元件34和电感元件38之间。
本实施例中，控制器42可被配置成控制第二可变电容元件34 和可变电感元件54的每一个的操作。例如，可包括提供单独控制信 号的单独控制线，以控制第二可变电容元件34和可变电感元件54的 每一个。在操作中，控制器42可被配置成控制第二可变电容元件34 的电容和可变电感元件54，更具体地说，改变笫二可变电容元件34 的电容和改变可变电感元件54的电感。通过改变第二可变电容元件 34的电容和可变电感元件54的电感，控制器42能够可变地调整调谐， 更具体地说，能够提供动态频率调谐和阻抗控制，如下更详细所述的。
在如图3中所示的另一实施例中，提供一种类似于谐振电路调谐 系统50(图2中所示)的谐振电路调谐系统60，相应地，相同的附图标 记标识相同的组件。不同于谐振电路调谐系统30，串联连接在第二可 变电容元件32和电感元件44之间的可变电感元件54被J兹耦合可变 电感元件62取代。可变电感元件62借助》兹耦合绕组64与电感元件 38》兹耦合，所述磁耦合绕组64可以是例如电感元件或其它巻曲元件。 通常，磁耦合绕组64可以是任意种类的磁耦合元件，例如，任意种 类的磁场耦合元件。
本实施例中，控制器42可被配置成控制第二可变电容元件34 和可变电感元件62的每一个的操作。例如，可包括提供单独控制信 号的单独控制线，以控制第二可变电容元件34和可变电感元件62的 每一个。在操作中，控制器42可被配置成控制第二可变电容元件34 的电容和可变电感元件62，更具体地说，改变第二可变电容元件34 的电容和改变可变电感元件62的电感。通过改变第二可变电容元件 34的电容和可变电感元件62的电感，控制器42能够可变地调整调谐， 更具体地说，能够提供动态频率调谐和阻抗控制，如下更详细所述的。
8下面将参考图解说明图1的简化示图的图4，来说明谐振电路调 谐系统的各个实施例的操作和工作特性。相应地，相同的附图标记标 识相同的组件。所述操作和工作特性的描述可类似地适用于这里描述 的谐振电路调谐系统的其它各个实施例。
在图4中所示的谐振电路调谐系统70中，发射器36(图1中所示) 由电压源72(Vtx)表示。电感元件38(L0代表在诸如EAS和/或RFID 的应用中使用的发射天线。天线线圏中的损耗以及由天线附近的导电 材料引起的损耗被組合集中在一起并用电阻元件40(RJ表示。相应地， 由于穿过天线的磁场的运动的导电材料的效果或影响，电阻元件40 的值改变。笫一可变电容元件32(d)和第二可变电容元件34(C2)被用 于调整发射器处的频率和谐振阻抗。
特别地，就各个实施例提供的调谐和阻抗控制来说，下面提供关 于回路74和76的基尔霍夫电压定律方程式的解答(分别为L和12)。 具体地说，回路76中的电流和电压源72处的输入电压之间的关系由 下面的方程式l给出
、G 乂
./，
(1)
通过把谐振频率&,定义成方程式1中的虚数项过零的频率，得
到
此外，总电容被定义为c,。to/=c1 + c2 电容比被定义为 G
C,+C，
(2)
(3)
(4)
求解在谐振频率c^下，^和输入电压Vtx之间的关系，得到
c,
、2
、c1 + c2
丄+ 《《
《
方程式5可被简化为
入;+,Hi"))，
c,
其中，在谐振频率a^，发射器处的电路导纳为
(5)
(6)
9<formula>formula see original document page 10</formula> (7)
当电容比为0.5时，导纳的虚数项最大，以及导纳中的实数项和 虛数项之间的关系定义了输入电流L和线圏电流12之间的相位关系。 该相位角^^皮定义为
<formula>formula see original document page 10</formula> (8)
当Rl较小，或者当Ct。ta^〈I^时，相移较小，以及电路的导纳
可被简化为方程式7中的实数项。电路的输入阻抗为
<formula>formula see original document page 10</formula>(9)
其中，按照方程式4， r被定义为串联电容与总电容之比。在谐 振频率，天线线圏中的电流为
<formula>formula see original document page 10</formula> (10)
而来自发射器的电流为
<formula>formula see original document page 10</formula>(11)
结合方程式IO和11,得到
/1="2 (12) 从而，通过调整各个实施例的电容值，可提供动态调谐。 EAS或RFID系统的天线的谐振调谐方法80示于图5中，并且 包括在82感测系统的电流或其它工作条件(例如，电压)。所述感测可 包括例如按照本领域已知的任何方式感测天线的绕组和/或发射器输 出端的电流和/或电压，并且可利用感测点44(示于图1-3中)来提供所 述感测。例如，这可包括感测(i)发射器输出端的电压和天线线圏中的 电流何时相互同相，或(ii)天线中的电流何时最大。可定期地、在预定 时间间隔、依据事件(例如，系统供电的失去)、依据用户输入等，来 进行所述感测。之后，在84，可比较感测的电流与系统的期望或要求 工作特性的电流。例如，根据应用或系统， 一组工作特性可被保存并 用于评估系统的工作。例如，工作特性可包括(i)工厂编程的工作电压、 电流等，(ii)用户定义的工作特性，(iii)应用专用操作特性，(iv)系统组件额定值，(v)动态工作条件信息(例如，温度)，(vi)手动用户输入，以
及其它。
利用这些工作特性，在86可根据感测的电流或其它感测的条件， 来确定当前工作是否在容差之内。例如，可确定系统的天线是否被调 谐在预定工作范围内。如果在86确定系统在容差之内，那么在82再 次感测电流。如果在86确定系统不在容差之内，那么可在88进行调 整，具体地说,可变电容或电感元件(示于图1-4中)可被改变或调整， 以补偿任何差别，例如，系统超出容差或者失谐的量。之后，可在82 再次感测电流。可反复进行方法80，直到系统的工作在容差之内(例 如，；陂调谐)为止。
因此，当例如磁导材料在影响系统的区域内(例如，在影响线圈 电感的天线周围)运动时，各个实施例允许动态调整电路(例如，天线 调谐系统)的谐振频率。谐振频率可被调整，而不改变发射器所体验的 线图输入阻抗。此外，可以通过按照上面的方程式2改变电路的总电 容，同时还按照上面的方程式4和9使电容比保持恒定，来调整电路 的谐振频率。
另外，可在不调整电路的谐振频率的情况下，动态调整发射器处 体验的线圏输入阻抗。控制电路可使用这种调整来匹配谐振电路的阻 抗和发射器输出端阻抗，或者在不改变发射器电压的情况下，调整流 入天线中的总电流。可以通过按照上面的方程式2、 4和9，改变电容 比而不改变总电容，来调整线圏的输入阻抗。
此外，可同时调整发射器所体验的线圏输入阻抗和电路谐振频 率。例如，当响应于在天线周围的区域内移动并且影响线圏的电感和 天线的损耗的导电材料而调整电路时，可同时调整发射器所体验的线 圏输入阻抗和电路谐振频率。可以通过按照上面的方程式2改变电路 的总电容，来调整电路的谐振频率，以及可以通过按照上面的方程式 4和9调整电容比，来重新调整线圏的输入阻抗，以补偿电阻的变化。
因此，可以利用两个电抗元件，例如两个电容器，第一个电容器 例如串联在发射器和天线线圏之间，第二个电容器与天线线圏并联，
ii来提供动态调谐。具体地说，至少一个电容器是可变和可控的(可由系 统控制器或者由其它装置控制)，以提供可调整的电容比。为了独立地
控制谐振频率的调谐，还可增加第二可变电抗元件，使得l)可在不 改变谐振频率的情况下改变电容比，2)可在不改变电容比的情况下改 变谐振频率，或者3)同时改变谐振频率和电容比。第二可变电抗元件 可以是，例如l)第二可变电容器，2)与电感元件(例如，天线)串联布 置的可变电感器，或者3)经由天线的磁场磁耦合到电路中的电抗元 件。
各个实施例或者組件，例如，其中的控制器或组件可被实现成一 个或多个计算机系统的一部分，所述计算机系统可以独立于调谐系统 或者与调谐系统集成。计算机系统可以包括计算机、输入装置、显示
单元和例如用于接入因特网的接口。计算机可以包括微处理器。微处 理器可以与通信总线连接。计算机还可包括存储器。存储器可以包括 随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机系统还可包括存 储装置，所述存储装置可以是硬盘驱动器或者可拆卸存储驱动器，比 如软盘驱动器、光盘驱动器等等。存储装置也可以是把计算机程序或 其它指令加载到计算机系统中的其它类似装置。
这里使用的术语"计算机"可包括任何基于处理器或者基于微处 理器的系统，包括使用微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成 电路(ASIC)、逻辑电路以及能够执行这里描述的功能的任何其它电路 或处理器的系统。上述例子仅仅是例证性的，从而并不意图以任何方 式限制术语"计算机"的定义和/或含义。
计算机系统执行保存在一个或多个存储元件中的一组指令，以处 理输入数据。存储元件还可酌情保存数据或其它信息。存储元件可以 呈处理机内的信息源或物理存储元件的形式。
所述一组指令可包括指令作为处理机的计算机执行具体操作，比 如本发明的各个实施例的方法和过程的各种命令。所述一组指令可以 呈软件程序的形式。软件可以呈各种形式，比如系统软件或应用软件。 此外，软件可以呈一批独立软件、较大程序内的程序模块或者程序模
12块的一部分的形式。软件还可包括呈面向对象程序设计的模块化程序 设计的形式。处理机对输入数据的处理可以是对用户命令的响应，或 者对在先处理的结果的响应，或者对另一处理机发出的请求的响应。 这里使用的术语"软件"和"固件"是可互换的，并包括保存在存储
器中供计算机执行的任何计算机程序，所述存储器包括RAM存储器、 ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性 RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型只是例证性的，从而不是对 可用于存储计算机程序的存储器的类型的限制。
此外，在不脱离各个实施例的范围的情况下，显然可做出本发明 的各个实施例的变化和修改。另外，本发明的各个实施例的范围显然 不应被理解成局限于这里公开的具体实施例，相反，本发明的各个实 施例的范围仅仅由在考虑到前述公开内容的情况下理解的附加权利 要求限定。
1权利要求
1、一种谐振电路调谐系统，包括谐振电路，具有串联在发射器和天线线圈之间的第一电容元件，和与发射器和天线线圈并联的第二电容元件，第一电容元件和第二电容元件中的至少一个被配置成是可变的；和控制器，用于控制第一和第二电容元件中的至少一个的可变值。
2、 按照权利要求1所述的谐振电路调谐系统，进一步包括(i)与 天线串联连接或(ii)与天线磁耦合的可变电感元件。
3、 按照权利要求2所述的谐振电路调谐系统，其中，所述控制 器被配置成控制所述可变电容元件和可变电感元件中的至少一个，以 调整谐振电路的谐振频率和谐振阻抗中的至少 一 个。
4、 按照权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中，按照串联 排列和并联排列之一 来配置所述谐振电路。
5、 按照权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中，所述控制 器被配置成根据感测的电流，动态调整所述第一电容元件和第二电容 元件中的至少一个。
6、 按照权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中，所述第一 电容元件和第二电容元件中的至少一个包含可变电容器，以及所述控 制器被配置成调整电容比。
7、 按照权利要求1所述的谐振电路调谐系统，其中，所述谐振电路被配置成与电子商品防盔(EAS)系统和射频识别(RFID)系统中的 至少一个结合工作。
8、 一种发射天线，包括 定义发射部分的多个线圏；和谐振调谐部分，所述谐振调谐部分具有至少 一 个可变电容元件和 至少一个可变电感元件，所述可变电容元件和可变电感元件一起;f皮配置成控制发射部分的谐振频率和谐振阻抗中的至少一个，可变电容元 件与发射器和多个线圏串联或并联，以及所述电感元件与多个线圏串联或磁耦合。
9、 按照权利要求8所述的发射天线，进一步包括被配置成动态 控制所述谐振调谐部分的控制器。
10、 按照权利要求8所述的发射天线，其中，所述谐振调谐部分 包含感测多个线圏的电流和电压中的至少 一 个的感测点。
11、 按照权利要求8所述的发射天线，其中，第一可变电容元件 串联在发射器和多个线圈之间，第二可变电容元件与多个线圈并联。
12、 按照权利要求8所述的发射天线，进一步包括串联在发射器 和多个线圏之间的固定值电容元件，以及所述至少一个可变电容元件 与多个线圈并联。
13、 按照权利要求8所述的发射天线，进一步包括被配置成独立 控制所述谐振调谐部分的频移和阻抗偏移之一 的控制器。
14、 按照权利要求8所述的发射天线，进一步包括被配置成控制 所述谐振调谐部分的频移和阻抗偏移两者的控制器。
15、 按照权利要求8所述的发射天线，其中，所述谐振调谐部分 -陂配置成与电子商品防盔(EAS)系统和射频识别(RFID)系统中的至少 一个结合工作。
16、 一种谐振调谐方法，所述方法包括 感测天线线圏的电流和电压中的至少一个；和根据感测结果来调整谐振电路调谐系统的可变电容元件，以改变线 圏的谐振阻抗，所述可变电容元件与发射器和天线线圏串联或并联。
17、 按照权利要求16所述的方法，其中，动态地进行调整。
18、 按照权利要求16所述的方法，进一步包括调整谐振电路调 谐系统的可变电感元件以改变线圏的谐振频率，所述可变电感元件与 天线线圏串联或磁耦合。
19、 按照权利要求16所述的方法，进一步包括根据感测来确定 天线线圏是否在容差之内。
20、 按照权利要求16所述的方法，其中，根据环境影响来进行 所述调整。
全文摘要
提供了谐振电路调谐系统和方法。谐振电路调谐系统可包括谐振电路，所述谐振电路具有串联在发射器和天线线圈之间的第一电容元件，和与发射器和天线线圈并联的第二电容元件。第一电容元件和第二电容元件中的至少一个被配置成是可变的。谐振电路调谐系统还包括控制器，用于控制第一和第二电容元件的至少一个的可变值。
文档编号H03J3/20GK101501991SQ200680055541
公开日2009年8月5日 申请日期2006年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者R·赫林, S·E·霍尔 申请人:传感电子公司