专利名称：：具有天线的rfid读取器及其操作方法
技术领域：
：本发明涉及一种RFID读取器，该RFID读取器包括用于产生高频电信号的信号发生器以及该高频电信号可以以对称模式馈入以便在天线处产生交变电磁场的该天线。本发明还涉及一种操作RFID读取器的方法，该RFID读取器包括用于产生高频电信号的信号发生器以及该高频电信号可以以对称模式馈入的天线。
背景技术：
：从文献US5,012,236可以知晓一种电磁传输和探测仪器，其包括用于产生高强度电磁场的发射线圈以及第一和第二接收线圈，其中，发射线圈包括限定空间中大致为多边形的体积的导电绕组，而该第一和第二接收线圈置于该空间的多边形体积的内部，用于接收从外部信源发射的低强度电磁场。接收线圈以差动电路的关系彼此电气性连接，这样，均匀的(uniform)的电磁能量在接收线圈中所感生的电信号基本上是彼此大小相等而符号相反的。该差动电路操作用于减去在接收线圈中感生的电信号并输出差动输出信号，当这两个接收线圈接收的能量大体相等时，差动输出信号处于最小值，而当这两个接收线圈中的一个从外部信源接收的电磁能量比另一个接收线圈大时，差动输出信号处于最大值。然而，已知的电磁传输和探测仪器仅仅适用于检测这两个接收线圈从外部信源接收的磁场的失衡，而没有考虑由于在该接收线圈和地之间存在着由接收线圈和其外界之间的电容耦合所引起的"地电流"，因此，该仪器本身对这两个接收线圈中的感生电压的不完全相消也有贡献。此外，从发射机到地的"地电流"导致在仪器和地之间产生不希望的共模电流环路。一般地，RFID系统包括至少一个读取器和多个应答器，其中，当应答器处于读取器的通信范围之内时，该读取器以非接触的方式与应答器进行通信。读取器和应答器都包括天线，当应答器处于读取器的通信范围之内时，它们的天线彼此感应耦合。读取器经由其天线来传输电磁场，该电磁场由应答器调制。读取器将这些调制视为电磁场的调制衰减，对其进行检测，并根据这个调制衰减导出标识信息。此外，读取器和应答器的天线还不可避免地与它们的外界进行电容耦合。如果天线以非对称方式工作，则在天线和外界之间的电容耦合会导致"地电流"的出现。这降低了天线的性能，并影响读取器和应答器之间的通信。为了说明"地电流"所引起的这个问题的严重性，人们应该注意到RFID读取器的天线所限定的面积可能在数平方米的量级。施加到天线的电压可以达到几千伏特，并且，流入天线的电流总计达几安培。在典型应用中，施加到天线的电信号的频率为1356MHz。因此，虽然天线和地之间的电容耦合的电容总计仅为几个皮可法拉(picofarad),但可以想到"地电流"仍可以达到可观的强度。为了减少天线的非对称操作所带来的负面作用，熟知的方法是使用某些传输线变压器，这些传输线变压器适于执行放大器以非对称方式提供的电信号的对称变换，并且适于以对称方式给天线馈送这些变换的电信号。这样的传输线变压器的一个实施例被称作BALUN(平衡-不平衡变压器)。然而，即使使用这样的BALUN来连接天线，在使用中天线也可能失谐，这或者暂时地由人或东西穿过天线的通信范围而引起，或者永久地例如由在天线通信范围内部放置如钢梁的结构元件而引起。对称操作的天线的这种失谐不能由BALUN来补偿。
发明内容本发明的一个目的是提供在开篇段落中所定义的那种RFID读取器并提供在第二段落中所定义的那种方法，其避免了上述缺点。为了实现上述目的，提供了根据本发明特征的RFID读取器，可以用下述方式来表征根据本发明的RFID读取器，艮P:一种RFID读取器，包括用于产生高频电信号的信号发生器和该高频电信号可以以对称模式馈入的天线，此外，还包括用于将该天线保持在对称操作模式下的调谐装置，其中，可以根据出现在天线和其外界之间的变化的耦合阻抗(例如，耦合电容)而控制该调谐装置。为了实现上述目的，提供了根据本发明特征的方法，可以用下述方式来表征根据本发明的方法，即一种用于操作RFID读取器的方法，该RFID读取器包括用于产生高频电信号的信号发生器和该高频电信号可以以对称模式馈入的天线，其中，根据出现在天线和其外界之间的变化的耦合阻抗而控制对称操作模式下的天线操作。根据本发明的特征提供了如下优点即使在天线和其外界之间的耦合电容变化很大的情况下，也仍能保持天线的全部性能，而且，可以防止那些由于所述耦合电容的变化而对读取器和应答器之间的通信产生的负面作用。与现有技术系统相比，本发明的特征还提供了下面的优点降低了对周围干扰源所引起的干扰的灵敏度。权利要求2、3或4中要求保护的方案各自提供了如下优点在各种技术中的大范围的可调阻抗都是可用的，这样，对每一个RFID应用来说，可以选择与各个RHD电路的设计和生产技术都兼容良好的那些可调阻抗。权利要求5中要求保护的方案提供下面的优点可以通过偏移虚地电势来实现RFID读取器的天线的自适应的对称操作。对高频电信号来说，可以将可控信号驱动器集成到信号发生器中，或者，集成到末级放大器中，以便减少必需的电子器件的数目。权利要求7中要求保护的方案提供下面的优点可以以小的代价和高的可靠性来测量共模电流和共模电压。权利要求8中要求保护的方案提供下面的优点对电压测量而言，在变压器的次级线圈的中心抽头处不需要额外的电子器件。由于该变压器还可用作平衡装置和/或阻抗匹配装置，因此这种解决方案成本低并且可靠。通过下述实施例并参照这些实施例所进行的解释，本发明的上述方面和其它方面将变得明显。下面，将参照实施例更详细地描述本发明。然而，本发明并不仅限于这些实施例。图1示出了根据本发明的RFID读取器的第一实施例的示意电路图。图2示出了根据本发明的RFID读取器的第一实施例的变体的示意电路图。图3示出了根据本发明的RFID读取器的第二实施例的示意电路图。具体实施方式图1示出了根据本发明的RFID读取器1的第一实施例的示意电路图。RFID读取器1包括产生高频电信号ES的信号发生器2，通常，ES在几kHz到几十GHz的范围内。在这种RFTD读取器1的典型应用中，电信号ES的频率达1356MHz。电信号ES经由调制装置10、信号平衡装置7和可选择的阻抗匹配电路8，被馈入环形天线3。应该注意，虽然在本实施例中天线3被设置成环形天线的形式，但本发明并不局限于环形天线，而是包括各种各样的适当的天线，如偶极天线。此外，还应该注意，虽然在本实施例中提供了调制装置10，但也有某些RFID读取器在正向链路中并不具备这样的调制装置，而本发明对这种没有调制装置的RFID读取器也仍然适用。当被提供电信号ES时，天线3产生交变电磁场，该交变电磁场由出现在所述交变电磁场范围内的应答器(未在附图中示出)接收。因此，RFID读取器1的天线和应答器的天线彼此感应耦合。RFID读取器1的调制装置IO利用应被传输到应答器的信息，对作为载波信号的电信号ES进行调制。应该注意，为了在RFID系统中建立与应答器的通信，RFID读取器1还包括多个组件。然而，对本领域的技术人员来说，这些组件是为其所熟知的，由于它们并不是本发明的重点，故在附图中并未示出。可选择的阻抗匹配电路8用天线3的阻抗来提供平衡装置7的输出级的阻抗匹配(就大小和相角两方面而言)。当平衡装置7与天线3的阻抗不相配时，为了将能量损耗最小化并防止信号反射，阻抗匹配是至关重要的。对本领域的技术人员来说，匹配电路本来就是为其所熟知的。平衡装置7执行任务，以实现电信号ES的对称变换，并以对称操作方式将电信号ES馈送给天线3。这种平衡装置7的熟知的例子是平衡-不平衡变压器(BALUN)。RFID读取器1的天线3不仅与应答器的天线感应耦合，而且还与天线3的外界G电容耦合。尽管这个耦合电容Cg实际上是沿着天线3连续分布的，但为了易于理解，在附图中用许多离散的耦合电容Cg来表示这个电容耦合。还应注意，天线3与外界G之间的耦合并非一定是电容耦合，也可以是电感耦合。一般地，本发明适用于天线3与外界G之间的变化的耦合阻抗。在天线3的非对称操作模式下，耦合电容Cg将促使"地电流"Ig在天线3与其外界G之间流动。只要耦合电容Cg是沿着天线3所形成的环路均匀散布的，就可以通过以对称模式操作天线3来避免"地电流"。然而，当耦合电容Cg在使用过程中出现变化时(这或者暂时地由人或东西穿过天线3所产生的电磁场而引起的，或者永久地例如由在天线的通信范围内部放置如钢梁的结构元件而引起的)，将会出现天线3失谐，并且，由于电容的非对称散布而会出现"地电流"。因此，在重新调谐天线的情况下，仍将出现"地电流"。虽然，在理论上可以通过非对称BALUN或其它已知的非对称平衡装置来补偿耦合电容的永久改变，但是，实际上，这对在RFID系统安装之后所出现的耦合电容的永久改变来说，并不是可行的。"地电流"Ig严重减低了天线3的性能，并影响RFID系统中RFID读取器与应答器之间的通信。本发明通过提供调谐装置4来解决这个问题，调谐装置4是可以根据改变的耦合电容Cg而控制的。在本实施例中，将调谐装置4接入阻抗匹配电路8与天线3之间的电路。应该注意，本发明并不局限于调谐装置4的这种位置，而是调谐装置4可以与天线3的输入端直接相连，也可以设置在信号发生器2与天线3之间的电路中的任意其它位置。调谐装置4包括可调阻抗Z1和Z2。这些可调阻抗Z1和Z2可以由机械式可调的阻抗组成，如具有电动机控制的可替换抽头的线圈或者可旋转电容器(rotatablecapacitor),和/或这些可调阻抗Zl和Z2可以包含电子式可调的阻抗，如变容二极管、工作在线性电阻范围内的FET或者具有加权电容器(weightedcapacitor)的交换网络。可调阻抗Zl和Z2由控制器5控制。控制器5具有适合接收真实信号的真实信号输入AS，该真实信号代表了在天线3与其外界G之间流动的"地电流"Ig。控制器5在大小和相角方面改变阻抗Zl和Z2，以使"地电流"Ig的总量最小化(最佳为零)。换句话说，控制器5通过改变可调阻抗Zl和Z2来实现天线3的自适应的对称操作。在本发明的本例子中，天线3的共模电流信号Icm被用作代表"地电流"Ig的真实信号。通过测量直接设置在往返于天线3的信号通路中的电阻Rl和R2上的电压Ul和U2并且计算电压Ul和U2间的差别，计算出共模电流信号Icm。在另一个未在附图中示出的例子中，天线的共模电流信号可被用作代表"地电流"Ig的真实信号。通过在环形的铁氧体磁心周围缠绕几次往返于天线3的相互平行而电流方向相反的线，就可以检测共模电流信号。并且，缠绕该环形的铁氧体磁心的是感应线圈。只要在往返于天线3的线中流通的电流互相消除，感应线圈的输出就将为零，否则感应线圈处的输出代表天线3的共模电压。图2示出了RFID读取器l'的示意电路图，这是根据第一实施例的RFID读取器1的变体。RFID读取器l'与RFID读取器1的不同点仅仅在于平衡装置是由变压器6所包含的。变压器6具有初级线圈6a和连接至天线3的次级线圈6b，其中，来自信号发生器2的高频电信号ES被馈入初级线圈6a。经由耦合电容Cg，用于控制调谐装置4的控制器5在其真实信号输入AS处接收代表天线3和外界G之间的"地电流"Ig的真实信号。在本发明的这个实施例中，馈入控制器5的真实信号输入AS的真实信号是电压信号Uc，它是从变压器6的次级线圈6b的中间抽头6c抽取出来的。控制器5适合于根据电压信号Uc来控制可调阻抗Z1和Z2，使得"地电流"Ig的总量最小，甚至完全消失。阻抗Z1和Z2连接至变压器6的次级线圈6b。图3示出了根据本发明的另一个实施例的RFID读取器l"的示意电路图。RFID读取器l"包括用于产生高频电信号ES的信号发生器2和该高频电信号ES可以以对称模式馈入的天线3。为了保持天线3的对称操作，即使在不可避免地出现在天线3与其外界G之间的耦合电容Cg发生变化的情况下，也要在信号ES的信号路径中提供调谐装置4'。调谐装置4'包括可控制的信号驱动器Al和A2，它们被设置在信号发生器2和天线3之间。信号驱动器Al和A2的功能是可控制地偏移虚地电势。如同本发明的第一实施例那样，本实施例中提供了控制器5，用以控制调谐装置4'，即，信号驱动器A1和A2。控制器5具有经由耦合电容Cg而接收真实信号的真实信号输入AS，该真实信号代表天线3和外界G之间的"地电流"Ig。在本发明的本例子中，天线3的共模电流信号Icm被用作代表"地电流"Ig的真实信号。通过测量直接设置在往返于天线3的信号路径中的电阻R1和R2上的电压Ul和U2并且计算电压Ul和U2间的差别，计算出共模电流信号Icm。控制器5适合于控制信号驱动器Al和A2，以使虚地电势偏移一定的程度，使得"地电流"Ig的总量最小，甚至完全消失。权利要求1.一种RFID读取器(1，1′)，包括用于产生高频电信号(ES)的信号发生器(2)以及该高频电信号(ES)可以以对称模式馈入的天线(3)，此外，所述RFID读取器还包括用于将天线(3)保持在对称操作模式下的调谐装置(4，4′)，其中，可根据出现在天线(3)和其外界(G)之间的变化的耦合阻抗，例如根据耦合电容，来控制所述调谐装置(4，4′)。2.如权利要求1所述的RFID读取器，其中，调谐装置(4)包括可调阻抗(Z1，Z2)，可调阻抗(Z1，Z2)被设置在信号发生器(2)与天线(3)之间。3.如权利要求2所述的RFID读取器，其中，可调阻抗(Zl,Z2)包括机械式可调的阻抗，如具有电动机控制的可替换抽头的线圈或者可旋转电容器。4.如权利要求2所述的RFID读取器，其中，可调阻抗(Zl,Z2)包括电子式可调的阻抗，如变容二极管、工作在线性电阻范围内的FET或者具有加权电容器的交换网络。5.如权利要求1所述的RFID读取器，其中，调谐装置(4')包括可控信号驱动器(A1,A2)，该信号驱动器(A1，A2)被设置在信号发生器内部或信号发生器(2)与天线(3)之间。6.如权利要求1所述的RFID读取器，包括用于控制调谐装置(4，4')的控制器(5)，其中，控制器(5)具有真实信号输入(AS)，以经由耦合电容(Cg)来接收代表天线(3)和外界(G)之间的"地电流"(Ig)的真实信号，控制器(5)适合于控制调谐装置(4,4')，使得"地电流"(Ig)之和最小。7.如权利要求6所述的RFID读取器，其中，天线的共模电流信号(Icm)或共模电压信号被馈入控制器(5)的真实信号输入(AS)。8.如权利要求1所述的RFID读取器，包括变压器(6)，变压器(6)具有初级线圈(6a)和连接至天线(3)的次级线圈(6b)，其中，来自信号发生器(2)的高频电信号(ES)被馈入初级线圈(6a)，次级线圈(6b)具有中间抽头(6c)，并且出现在该中间抽头(6c)的电压被馈入控制器(5)的真实信号输入(As)。9.一种用于操作RFID读取器(l，l')的方法，RFID读取器(l，l')包括用于产生高频电信号(ES)的信号发生器(2)以及该高频电信号(ES)可以以对称模式馈入的天线(3)，其中，根据出现在天线(3)和其外界(G)之间的变化的耦合阻抗而控制在对称操作模式下天线(3)的操作。全文摘要一种RFID读取器(1，1′)，包括用于产生高频电信号(ES)的信号发生器(2)，以及该高频电信号(ES)可以以对称模式馈入的天线(3)。REID读取器(1)还包括用于将天线(3)保持在对称操作模式下的调谐装置(4，4′)，其中，可以根据出现在天线(3)和其外界(G)之间的变化的耦合阻抗(CG)而控制调谐装置(4，4′)。文档编号G06K7/00GK101151619SQ200680010059公开日2008年3月26日申请日期2006年4月4日优先权日2005年4月8日发明者休伯特·瓦青格,弗朗茨·阿姆特曼,迈克尔·罗贝尔申请人:Nxp股份有限公司