多模rfid阅读器和rfid阅读器的制作方法

专利名称：多模rfid阅读器和rfid阅读器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，更具体地说，涉及一种RFID系统。
背景技术：
射频识别(RJFID)系统通常包括阅读器和远端标签，前者也可称为询问器， 后者也可称为应答器。每一个标签存储有用于识别某个人、某商品、某箱包或 其它物体的识别信息或其它数据，或者与某个人、某商品、某箱包或其它物体 相关的识别信息或其它数据。RFID系统可使用包含内置电源(诸如电池)的有 源标签，和/或使用不包含内置电源的无源标签而由阅读器远程供电。
阅读器和远端标签之间的通信通过射频(RF)信号来实现。通常，要想 访问存储在RFID标签上的标识数据，RFID阅读器首先生成调制RF询问信号， 激发标签发出调制RF响应。这个来自标签的RF响应包含存储在RFID标签 上的编码标识数据。RFID对该编码标识数据进行解码，以此来识别与此RFID 标签相关联的某个人、某商品、某箱包或其它物体。对无源标签而言，RFID 阅读器还会生成未经调制的连续波(CW)信号，以激活标签并在数据传输过 程中为其供电。
通常，RFID系统既可以使用远场技术也可以使用近场技术。在远场技术 中，RFID阅读器与标签之间的距离比载波信号的波长大。通常，远场技术使 用超高频或微波频率频段的载波信号。在远场应用中，RFID阅读器生成RF 信号，并通过天线将RF信号发往该天线覆盖范围内的所有标签。收到该RF 信号的一个或多个标签使用反向散射技术对阅读器进行响应，对收到的RF信 号进行调制，然后将其反射回去。
在近场技术中，操作距离小于载波信号的波长。这样，根据载波频率，阅 读距离大约被限制在20cm之内。在近场应用中，RFID阅读器和标签通过阅读器与标签线圈天线之间的电磁或互感耦合(inductive coupling)在彼此之间 进行通信。 一般近场技术使用低频载波信号。
国际标准化组织(ISO)已制定出RFID标准，即ISO 18000系列标准。ISO 18000系列标准描述了特别用于供应链中的货物追踪的RFID系统的空中接口 协议。ISO 18000系列具有七部分，覆盖了全球RFID系统使用的主要频率。 这七部分包括
18000-1:全球接收频率空中接口的一般参数；
18000-2:低于135KHz通信的空中接口的参数；
18000-3:13.56 MHz通信的空中接口的参数；
18000-4: 2.45 GHz通信的空中接口的参数；
18000-5: 5.8 GHz通信的空中接口的参数；
18000-6: 860-930 MHz通信的空中接口的参数；
18000-7: 433.92 MHz通信的空中接口的参数。
根据ISO 18000系列的ISO 18000-2和18000-3部分，使用电磁/感应耦合 的近场技术适用低于135 KHz (LF)的低频或13.56 MHz高频(HF)的空中接口 协议。阅读器和标签所使用的通信协议通常是一种负载调制技术。
使用RF耦合的远场技术包括ISO定义的三个空中接口，分别是依据 ISO18000-5的2.45GHz微波频率、依据ISO 18000-6的860MHz-930MHz的 超高频(UHF)频段和依据ISO 18000-7的433.92MHz UHF。对于860-930 MHz 的超高频，ISO 18000-6定义了 A型和B型两种标签类型，其阅读器至标签 的链接规定包括33 kbps或40 kbps的数据率、幅移键控(ASK)调制和数据的 双相空间(FMO)编码。
另外，全球产品电子代码1类2代(EPC global Class 1， Generation 2)标准规 定的标签标准在UHF频段标签与阅读器链接数据率为40至640 kbps、使用 ASK或相移键控(PSK)调制、双相空间(FMO)数据编码或Miller调制子载波。
总体来说，采用近场技术、工作在低频(LF)或高频(HF)的RFID阅读器已 应用在涉及供应链管理的存货控制中的商品级标签阅读，或短距离阅fe，如智 能卡或接近式信用卡(vicinity credit card),应用于进出控制或货币使用、护照、账单鉴定、银行文件等。这些应用不需要远距离阅读标签，但需要近场技术所 提供的更高安全性。此外，近场技术在阅读液体(如液态药剂)附近的标签时具
有较好的性能，而远场RF耦合使用于这种场合会出现液体干扰现象。
采用远场技术在微波或UHF频段进行RF耦合的RFID阅读器已应用于涉 及货运单元的标签阅读如货盘或箱包级追踪，或应用于其它需要远距离阅读的 场合。
现有的RFID阅读器包括在一块CMOS集成电路上实现的控制器或微处 理器，和在另外一块或多块其他CMOS、 BiCMOS或GaAs集成电路上实现的 射频模块，这些集成电路是经过专门设计的，以在特定技术(例如近场或远场) 中达到最佳信号处理效果，但这些集成电路却无法同时在上述两种技术技术中 达到最佳信号处理效果。这些不同类型的技术和不同RFID标准(每种标准都 定义了用于在阅读器与标签之间进行通信的不同协议)限制了 RFID阅读器在 多种应用领域的广泛使用。因此，需要一种高度集成且成本低廉的RFID阅读 器。此外，还需要一种适用于多种标准、多种技术的RFID阅读器。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种多模 射频识别(RFID)阅读器。
根据本发明的一方面，提供一种多模RFID阅读器，包括
基带处理模块，其用于将出站数据转换成出站调制信息及将编码入站信号 转换成入站数据；
发射器，用于将出站调制信息转换成上变频出站信号；
远场天线结构；
近场线圈结构；
发射复用器，用于当多模RPID阅读器工作在近场模式时将上变频出站信 号输出给近场线圈结构，当多模RFID阅读器工作在远场模式时将上变频出站 信号输出给远场天线结构；
接收复用器，用于当多模RFID阅读器工作在近场模式时从近场线圈结禾勾输入入站信号，当多模RFID阅读器工作在远场模式时从远场天线结构输入入 站信号；
接收器，用于将入站信号下变频转换成编码入站信号。
作为优选，所述远场天线结构包括
天线；
与天线相连的平衡-不平衡变压器。 作为优选，所述近场线圈结构包括 多个线圈；
与所述多个线圈相连的多个电容。 作为优选，所述发射器包括 基于出站调制信息得以调制的电流源；及 与所述电流源相连的输入晶体管。 作为优选，所述发射复用器包括
复用晶体管，其在近场模式下将输入晶体管与近场线圈结构相连，在远场 模式下将输入晶体管与远场天线结构相连。 作为优选，所述复用晶体管包括-
与输入晶体管及近场线圈结构相连的第一组晶体管，其中第一组晶体管中 的每一只晶体管包含一个触发输入端；及
与输入晶体管及远场天线结构相连的第二组晶体管，其中第二组晶体管中 的每一只晶体管包含一个触发输入端。
作为优选，所述发射器在近场模式下向发射复用器发送信号，以触发第一
组晶体管发射，及在远场模式下向发射复用器发送信号，以触发第二组晶体管发射。
作为优选，所述发射器包括 发射驱动电路，其包括
功率放大器，其输出端与输入晶体管的输入端相连；
多个电容，其可配置地与功率放大器的输出端及输入晶体管的输入端相多个电感，基与功率放大器的输出端及输入晶体管的输入端相连。 作为优选，所述基带处理模块
在近场模式下使用第一编码协议编码出站数据，在远场模式下使用第二编 码协议编码出站数据。
作为优选，所述上变频出站信号和入站信号是超高频(UHF)频段信号。
作为优选，所述带处理模块能够向发射器发送一个或多个控制信号，其中 响应所述一个或多个控制信号发射器工作在远场模式或近场模式。 作为优选，所述发射器还能够-
当所述一个或多个控制信号指示近场模式工作时，向发射复用器发送信
号，以将上变频出站信号传送给近场线圈结构；及
当所述一个或多个控制信号指示远场模式工作时，向向发射复用器发送信 号，以将上变频出站信号传送给远场天线结构。
作为优选，所述基带处理模块还能够向发射器发送信号，其中该信号指示 发射器在近场模式下工作或在远场模式下工作。
作为优选，所述基带处理模块能够
响应接收到的来自一个或多个标签的信号强度指示，编码数据信号命令以
便发射器以远场模式发射至所述一个或多个标签，使其在近场模式下工作；
当从一个或多个标签接收到有关获悉该命令的回执的解码数据信号时，向 发射器发射一个或多个控制信号，使其在近场模式下向所述一个或多个标签发 射信号。
作为优选，所述基带处理模块能够
响应接收到的来自一个或多个标签的信号强度指示或基带处理模块无法 解码的入站编码信号，编码数据信号命令以便发射器以近场模式发射至所述一
个或多个标签，使其在远场模式下工作；
当从一个或多个标签接收到有关获悉该命令的回执的解码数据信号时，向 发射器发射一个或多个控制信号，使其在远场模式下向所述一个或多个标签发 射信号。 ('
作为优选，所述多模RFID阅读器默认的工作模式为远场模式。根据本发明的一方面，提供一种射频识别(RFID)阅读器，包括 基带处理模块，其用于将出站数据转换成出站编码数据及将出站编码数据
转换成出站调制信息；
发射器，用于将出站调制信息转换成上变频出站信号；
发射复用器，用于
在近场模式下，将上变频出站信号耦合给近场线圈结构，以感应耦合给一
个或多个标签；及
在远场模式下，将上变频出站信号耦合给远场天线结构，以射频(RF)耦合 给一个或多个标签。
作为优选，所述RFID阅读器还包括
接收复用器，用于
当多模RJFID阅读器工作在近场模式时从近场线圈结构接收入站信号； 当多模RFID阅读器工作在远场模式时从远场天线结构接收入站信号； 将接收到的入站信号传送给接收器。
作为优选，所述接收器用于将UHF入站信号转换成编码入站信号。 作为优选，所述基带处理模块用于
在近场模式下使用第一编码协议将编码入站信号转换为入站数据；及 在远场模式下使用第二编码协议将编码入站信号转换为入站数据。 作为优选，所述基带处理模块用于
在近场模式下使用第一编码协议将出站数据转换成出站编码数据；及 在远场模式下使用第二编码协议将出站数据转换成出站编码数据。 作为优选，所述基带处理模块用于
当所述RFID阅读器工作在远场模式时，编码数据信号命令，以远场模式 发射至一个或多个标签，使其工作在近场模式；
当从所述一个或多个标签接收到有关获悉该命令的回执的解码入站数据， 使RFID阅读器工作在近场模式。
作为优选，所述基带处理模块用于当所述RFID阅读器工作在近场模式时，编码数据信号命令，以近场模式 发射至一个或多个标签，使其工作在近场模式；
当从所述一个或多个标签接收到有关获悉该命令的回执的解码入站数据， 使RFID阅读器工作在远场模式。
作为优选，所述发射复用器包括
与输入晶体管及近场线圈结构相连的第一组晶体管，用于在近场模式下将 上变频出站信号耦合给近场线圈结构，以感应耦合给一个或多个标签；
与输入晶体管及远场天线结构相连的第二组晶体管，用于在远场模式下将 上变频出站信号耦合给远场天线结构，以RF耦合给一个或多个标签；及
其中发射器在近场模式下给发射复用器发送触发第一组晶体管的命令，在 远场模式下给发射复用器发送触发第二组晶体管的命令。
作为优选，所述上变频出站信号在近场模式下和远场模式下都是超高频 (UHF)频段信号。
本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细 节，将在以下的描述和附图中进行详细介绍。


下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中
图1是根据本发明的RFID系统实施例的结构示意图2是根据本发明的多模RFID阅读器一实施例的结构示意图3是根据本发明的多模RFID阅读器另一实施例的结构示意图4a是根据本发明的多模RFID阅读器一实施例的近场线圈结构和远场
天线结构的示意图4b是根据本发明的多模RFID阅读器另一实施例的近场线圈结构和远
场天线结构的示意图5是根据本发明的多模RFID阅读器的发射复用器和发射器的实施例的
结构示意图6是根据本发明的多模RFID阅读器的发射器中发射器驱动电路模块的实施例的结构示意图。
具体实施例方式
图1是射频识别(RFID)系统的结构示意图，该RFID系统包括计算机/ 服务器12、多个RFID阅读器14-18和多个RFID标签20-30。 RFID标签20-30 中的每一个都与特定目标物(object)相关联，可用于实现多种目的，例如但不限 于，追踪存货、追踪状态、位置确定、装配进度(assembly progress)等。RFID 标签可以是包含内置电源的有源装置，也可以是由RFID阅读器14-18供电的 无源装置。
每一个RFID阅读器14-18都与其覆盖区域内的一个或多个RFID标签 20-30进行无线通信。例如，RFID标签20和22位于RFID阅读器14的覆盖 区域内，RFID标签24和26位于RFID阅读器16的覆盖区域内，RFID标签 28和30位于RFID阅读器18的覆盖区域内。在远场工作模式中，RFID阅读 器14-18与RPID标签20-30之间的RF通信方法是采用远场技术的反向散射 (backscattering)耦合技术，其中，RFID阅读器14-18通过RF信号向RFID标 签20-30请求数据，RFID标签20-30响应其所请求的数据，对RFID阅读器 14-18发来的RF信号进行调制，然后将其反向散射。在近场工作模式中，RFID 阅读器14-18与RFID标签20-30之间的通信方法采用磁或感应耦合技术，其 中，RPID阅读器14-18通过RF信号以磁或感应耦合方式连接到RFID标签 20-30，以此来访问存储在RFID标签20-30上的数据。因而，在本发明的一个 实施例中，RFID阅读器14-18可以使用远场模式与具有远场模式性能的RFID 标签20-30进行通信，并可使用近场模式与具有近场模式性能的RFID标签 20-30进行通信。
RFID阅读器14-18从其覆盖区域内的每个RFID标签20-30中采集计算机 /服务器12可能请求的数据。采集到的数据随后通过有线或无线连接32，和/ 或通过点对点通信34传送给计算机/服务器12。此外，和/或作为选择，计算 机/服务器12还可通过相关的RFID阅读器14-18将数据发往RFID标签20-30 之中的一个或多个标签。这种下载的信息是与应用有关的，内容上可能是千差万别的。在收到下载的数据后，rfid标签20-30可将这些数据存储在非易失 性存储器中。
如上所述，rfid阅读器14-18还可选择使用点对点方式通信，这样一来， 每个rfid阅读器就不需要使用到计算机/服务器12的单独的有线或无线连接 32 了。例如，rfid阅读器14和rfid阅读器16可使用反向散射技术、无线 LAN技术和/或其它无线通信技术，以点对点方式进行通信。在这种情况下， rfid阅读器16可不具备到计算机/服务器12的有线或无线连接32。而在有些 实施例中，rfid阅读器16和计算机/服务器12之间的通信通过有线或无线连 接32传送，该有线或无线连接32可使用任意有线标准(例如以太网、火线等) 和/或无线通信标准(例如IEEE802.11x、蓝牙等)。
在其它一些实施例中，可对图1中的rfid系统进行扩展，使其包括分布
在所需位置(例如建筑物、办公场所等)范围内的众多rfid阅读器14-18，
而rfid标签可与出入卡，智能卡、移动电话、个人数字助理、笔记本电脑、
个人计算机、存货、货盘、箱包、设备、人员等相关联。此外，应注意，计算
机/服务器12还可连接到另一服务器和/或网络连接，以便能够提供广域网覆 兰
图2是根据本发明一实施例的多模rfid阅读器40的结构示意图，其可 以是图1所示rfid阅读器14-18之一。多模rfid阅读器40可以使用远场 模式与具有远场模式性能的rfid标签20-30进行通信和/或使用近场模式与 具有近场模式性能的rfid标签20-30进行通信。多模rfid阅读器40包括 发射器42、接收器44和基带处理模块46。多模rfid阅读器40还包括发射 复用器48和接收复用器50。发射复用器48和接收复用器50都与远场天线 结构52和近场线圈结构54相耦合。
基带处理模块46、发射器42和接收器44可以是单个处理器件或多个处 理器件。这样的处理器件可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微计 算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、状态机、逻辑电 路、模拟电路、数字电路，和/或任何一种基于硬编码和/或操作指令对信号(模 拟和/或数字)进行处理的器件。 一个或多个模块可带有相关的存储组f牛，该存储组件可以是单个存储器件、多个存储器件，和/或嵌入模块中的电路。这样 的存储器件可以是只读存储器、随机访问存储器、易失存储器、非易失存储器、 静态存储器、动态存储器、闪存、缓冲存储器，和/或任意一种能够存储数字 信息的存储器件。需注意的是，当模块通过状态机、模拟电路、数字电路和/ 或逻辑电路来实现其一种或多种功能时，存储对应操作指令的上述存储组件可 内嵌于包含上述状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路的电路之中，或 位于该电路的外部。还应注意的是，该存储组件所存储的、将由模块来执行的
是对应于下面图1至6中至少一部分步骤和/或功能的硬编码和/或操作指令。
在操作中，基带处理模块46将出站数据转换为出站调制信息56，并将出 站调制信息56传送至发射器42。发射器42将出站调制信息56转换成上变频 出站信号58。上变频出站信号58的载波频率在RF频段和/或微波频段。在一 个实施例中，上变频出站信号58的频率在UHF频段，在一个特定的实施例中， 上变频出站信号58在860MHz-930MHzr的UHF频段内。发射器42与发射复 用器48相连。发射复用器48从发射器42接收上变频出站信号58,并当RFID 阅读器40工作在近场模式时将上变频出站信号58耦合给近场线圈结构54， 而当RFID阅读器40工作在远场模式时，将上变频出站信号58输出给远场天 线结构52。
对于信号接收来说，由近场线圈结构54或远场天线结构52检测出入站 UHF信号60。当RFID阅读器40工作在近场模式时接收复用器50将来自近 场线圈结构54的入站信号60传送给接收器44;而当RFID阅读器40工作在 远场模式时接收复用器50将来自远场天线结构52的入站信号60传送给接收 器44。入站信号60的载波频率在RF频段和/或微波频段。在一个实施例中， 入站信号60的频率在UHF频段，在一个特定的实施例中，入站信号60在 860MHz-930MHz的UHF频段内。接收器44将入站信号60下变频转换为编 码入站信号62。基带处理模块46将该编码入站信号62转换成入站数据。
图3更详细地示出了多模RFID阅读器一实施例的结构示意,。如图3所 示，基带处理模块46包括处理模块66、编码模块68、调制模块70和解码模 块72。基带处理模块46还连接到主接口 74。主接口模块74可包括至主设备(如计算机服务器12)的通信接口(USBdongle、 compact flash或PCMCIA)。此外， 多模RFID阅读器40包括上变频模块76(作为发射器42的一部分)和预解码模 块80及数字化模块82(作为接收器44的一部分)。数字化模块82可以是模数 转换器或限幅器(imiter)，而预解码模块80包括一个或多个数字滤波器。
在操作中，处理模块66可以从主接口模块74接收一个或多个命令或请求， 要求向一个或多个RFID标签20-30传送数据。另外，处理模块66可以从RFID 标签20-30接收数据，该数据需要由多模RFID阅读器40作出响应。再有， 处理模块66本身也可以决定是否需要向一个或多个RFID标签20-30发出命 令或进行其它通信。作为响应，处理模块66产生用于与一个或多个RFID标 签20-30进行数据通信的出站数据76，并发射出站数据76至编码模块68。
编码模块68按照特定的RFID标准协议将出站数据76转换成出站编码数 据78。在一实施例中，基带处理模块46可采用多种RFID标准和/或适当的编 码协议进行编程，以实现多模RFID阅读器40与按照不同标准和/或适当协议 工作的RFID标签20-30之间的通信。例如但不限于，这些编码协议可包括一 种或多种编码方案，如曼彻斯特(Manchester)编码、FM0编码、FM1编码等等。 具体来说，使用哪种编码协议可以根据RFID阅读器40的工作模式来决定。 对于近场模式和远场模式，可以为编码数据定义不同的编码协议。例如，在近 场模式，基带处理模块46可使用第一数据编码协议来对数据进行编码，而在 远场模式，基带处理模块46可使用第二数据编码协议来对数据进行编码。虽 然也使用其它编码协议，但近场模式下典型使用的一种编码协议包括曼彻斯特 编码。在远场模式下，虽然也使用其它编码协议，但典型使用的编码协议包括 以下至少一种Miller调制子载波编码和双相空间编码。另外，近场模式下使 用的用于编码出站数据76的第一数据编码协议可以与远场模式下使用的用于 编码出站数据76的第二数据编码协议相同。
一旦选定了用于与一个或多个RFID标签20-30进行通信所使用的特定编 码协议，处理模块66产生将发送给RFID标签20-30的出站数据76，并将其 传送给编码模块68。处理模块66传送选定的编码协议，编码模终78根据选 定的编码协议对出站数据76进行编码，将出站数据76转换成出站编码数据78。
这样，出站编码数据78被传送给调制模块70，由其将出站编码数据78 转换成出站调制信息56(例如相位、频率和/或幅度调制)。在一个实施例中， 出站调制信息56是二相相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、正交幅度调 制(QAM)、幅移键控(ASK)调制、相移键控(PSK)、负载调制、频移键控(FSK)、 最小频移键控(MSK)信息等中的一种或多种，
出站调制信息56被传送至上变频模块76，上变频模块76利用出站调制 信息56产生一个载波频率在RF频段或微波频段的上变频信号58。在一个实 施例中，载波频率在超高频(UHF)频段，大约为300MHz至3GHz。在实施例 中，多模RFID阅读器40使用的具体载波频率是UHF频段的标准载波频率， 如ISO 18000系列863-930MHz UHF频段、或按照EPC全球标准或其它标准 的载波频率。但是，多模RFID阅读器可以在RF频段或微波频段以及UHF频 段中的任意频率上优化操作。
当RFID阅读器40工作在近场模式下，发射复用器48通过近场线圈结构 54发射上变频出站信号58,而当RFID阅读器40工作在远场模式下，发射复 用器48通过远场天线结构52发射上变频出站信号58。在一个实施例中，RFID 阅读器40在近场和远场模式下都产生UHF频段(例如ISO 18000系列 860-930MHzUHF频段)的上变频出站信号58。在这一实施例中，即便是在近 场模式下使用感应或磁耦合通过近场线圈结构54发射，上变频出站信号58 也在UHF频段。
在接收入站信号60的操作中，当RFID阅读器40工作在近场模式下，接 收复用器50将入站信号60从近场线圈结构54耦合到接收器44;当RFID阅 读器40工作在远场模式下，接收复用器50将入站信号60从远场天线结构52 传送到接收器44。在一个实施例中，在近场和远场两种模式下入站信号60都 在UHF频段，例如ISO 18000系列860-930MHzUHF频段。在这一实施例中， 即便是在近场模式下使用感应或磁耦合通过近场线圈结构54接收入站信号 60，入站信号60也是在UHF频段。
接收器44中的数字化模块82和预编码模块80将模拟入站信号60转换成编码入站信号62。接收器44将编码入站信号62传送给基带处理模块46。基 带处理模块46中的解码模块72对编码入站信号62进行解码。如在以上实施 例中所述，基带处理模块46可按照多个RFID标准协议进行编程，使得解码 模块72能够使用一种或多种编码协议对编码入站信号62进行解码。例如但不 限于，编码协议可包括一种或多种编码方案，如曼彻斯特编码、FM0编码、 FM1编码等。具体来说，使用的编码方案取决于RFID阅读器的工作模式。可 以为近场模式和远场模式下的数据解码定义不同的数据编码协议。当工作在近 场模式下，解码模块72可使用近场工作中的第一协议(如曼彻斯特编码)尝试 解码编码入站信号62。如果解码失败，解码模块72尝试使用下一个协议对编 码入站信号62进行解码，直到编码入站信号62解码成功。同样，当工作在远 场模式下，解码模块72可使用 远场工作中的第二协议(如Miller调制子载波编 码和双相空间编码)尝试解码编码入站信号62。如果解码失败，解码模块72 尝试使用下一个协议对编码入站信号62进行解码，直到编码入站信号62解码 成功。 一旦确定了用于对编码入站信号62进行解码的具体编码协议，解码模 块72就进行解码、产生将发送给处理模块66的入站数据84。
处理模块66向RFID阅读器40的其它模块(如编码模块68、调制模块 70、发射器42和/或发射复用器48、接收器44和/或接收复用器50)发出信号， 告知RFID阅读器40是工作在近场模式还是远场模式。可使用多种因素来确 定RFID阅读器是工作在近场模式还是远场模式。例如，可以默认RFID阅读 器40为远场模式、可以根据用户对RFID阅读器40的输入确定工作模式、或 可以根据通过接口模块74接收到命令确定工作模式。作为另一选择，RFID阅 读器40可以远场模式通过远场天线结构52使用RF耦合来向一个或多标签 20-30发送询问信号，之后以近场模式通过近场线圈结构使用感应或磁耦合向 一个或多个标签20-30发送询问信号。然后，RFID阅读器40对输入信号强度、 发射功率水平、信噪比、解码入站信号的能力(例如误码率)和/或其它参数进行 比较，以确定与每一个标签20-30之间的通信工作模式。
另外，有些标签20-30(此后称为多模标签)既可工作在近^模式也可工作 在远场模式。参见申请日为_、申请号为_、名称为"Multi-Mode RFID Tag Architecture"的美国专利申请(事务所按巻号为 BP6584)。本申请参考并结合其全部内容。这种可在两种模式下通信的多模标 签具有某些优势。例如，当这种多模标签处于较远位置时，如处于远场范围， RFID阅读器40可在远场模式下与该多模标签通信。当这种标签处于近场范围 时，RFID阅读器40可在近场模式下与该多模标签通信。另一种操作方式中， RFID阅读器40可以在远场模式下发送一般询问信号给多模RFID标签，但是 之后在近场模式下工作，以便与个别多模标签进行安全级别较高的通信，包括 机密、敏感或私人信息。在与多模标签进行通信的过程中，为了从一种模式切 换到另一种模式，基带处理模块46编码数据信号命令，以远场模式发射至一 个或多个多模标签令其工作在近场模式；当从一个或多个接收到该命令的多模 标签接收到解码入站数据84，基带处理模块46向RFID阅读器40中的其它模 块发送信号，以便以近场模式与一个或多个多模标签通信。同样的步骤可用于 从近场模式切换到远场模式。
图4a是近场线圈结构54和远场天线结构52的详细示意图。首先，对于 远场天线结构52， 一般来说，RFID阅读器与标签的距离大于A727i的情况下， 使用RF耦合的远场模式最佳。因此，远场天线结构52可以是用于在远场范 围内发送的任意类型的天线结构。在图4a所示的实施例中，远场天线结构52 包括至少一个天线90和至少一个平衡-不平衡变压器(transformer balun)92。天 线90和平衡-不平衡变压器92经优化以适合于使用RF耦合在远场模式下发送 上变频出站信号58及接收入站信号60。天线90可以是针对期望频率的操作 和应用而优化的一种或多种类型的天线。天线90可以是双极天线、折叠双极 天线、半波双极、单极、差分天线和/或其它类型天线。在一个实施例中，天 线卯可被弯折，或者用电容性顶端负载(tip-loading)或弓形宽带结构来弯曲 (meander)。平衡-不平衡变压器92用于为天线卯提供阻抗匹配。也可以使 用其它类型的转换或阻抗电路来替代平衡-不平衡变压器92为天线90提供所 需的必要阻抗匹配。在图4a中，接收复用器50连接到单端天线90。但是， 天线90可以是差分天线，和/或接收复用器50也可以连接到平衡-不平衡变压 器92的输出端，如同发射复用器48那样。远场天线结构的另一个实施例如图4b所示。远场天线结构52包括第一天 线91a和第二天线91b。天线91a和91b是差分天线。远场天线结构还包括平 衡-不平衡变换器92，其具有与第一天线91a和第二线91b相连的初级绕组93a。 次级绕组93b、 c具有4个差分输入端，其中连接在接收复用器50的输入端之 间的次级绕组93b圈数较多。连接在发射复用器48上的次级绕组93c圈数较 少。由于变压器的初级绕组与次级绕组的圈数比与电压增益成比例，因此接收 输入端具有更大的电压增益。在远场模式下，上变频出站信号58通过RF耦 合方式从远场天线结构52发送至标签20-30上的RF天线结构，而入站信号 60由远场天线结构52接收(通过与标签20-30上的RF天线的RF耦合)。
近场线圈结构54包括至少一个作为线圈天线96工作的电感和至少一个阻 抗耦合电路94。阻抗耦合电路94包括一个或多个电容C1-C3，其与一个或多 个电感L1、 L2相耦合。电感L1、 L2和电容C1-C3构成谐振电路，由线圈天 线96调谐到上变频出站信号58的频率。由于并联谐振电路的工作，上变频出 站信号58通过线圈天线96在线圈天线96周围产生一个强磁场。线圈天线96 产生的磁场在线圈天线96的近场范围内，与标签20-30上的线圈天线发生感 应或磁耦合。如果线圈天线96是带有线圈绕组的圆形或U形铁素体芯，在近 场模式下会与标签发生磁耦合。 一般而言，在磁耦合情况下，标签20-30必须 插入RFID阅读器40中，所以磁耦合对于智能卡应用是理想的。通常，RFID 阅读器到标签的距离小于A/2;r的情况下，使用感应或磁场耦合的近场模式是 最佳的。标签产生响应信号，并以同样的方式，通过感应或磁耦合发送至RFID 阅读器。
RFID阅读器40既可工作在远场模式也可工作在近场模式。在远场模式 下，发射复用器48向远场天线结构52提供上变频出站信号58，接收复用器 50提供入站UHF信号60给接收器44。在远场模式下，近场线圈结构54不工 作。对于近场操作，发射复用器48向近场线圈结构54提供上变频出站信号 58，接收复用器50提供入站信号60给接收器44。在近场模式下，远场天线 结构52不工作。 》
图5是RFID阅读器的发射复用器和发射器实施例的详细结构示意图。发射器42包括电流源100和输入晶体管102、 104。发射复用器48包括复用晶 体管106、 108、 110、 112。复用晶体管106、 108与输入晶体管102、 104及 RFID远场天线结构52相连。复用晶体管110、 112与输入晶体管102、 104及 RFID近场线圈结构54相连。每一个复用晶体管106、 108、 110和112分别包 括触发输入端(例如栅极)A1至A4。
在操作中，基于来自基带处理模块46的出站调制信息56电流源100得以 调制。在实施例中，电流源100的频率在超高频范围。输入晶体管102、 104 与电流源100相连以接收调制后的振荡信号114。电流源100与输入晶体管 102、 104结合产生上变频出站信号58。
在远场模式下，发射器42向复用晶体管106的触发端Al和复用晶体管 108的触发端A2发送触发信号。之后复用晶体管106、 108输出上变频出站信 号58至远场天线结构52。在近场模式下，发射器42向复用晶体管110的触 发端A3和复用晶体管112的触发端A4发送触发信号。之后复用晶体管110、 112输出上变频出站信号58至近场线圈结构54。这样，发射器42向发射复用 器48发送信号，以触发第一组晶体管106和108在远场模式下发射，及触发 第二组晶体管110和112在近场模式下工作。作为另一种实施方式，可由基带 处理模块46或处理模块66向发射复用器48发送信号，来取代由发射器42 发送。
图6是多模RFID阅读器40的发射器42中发射器驱动电路模块120的实 施例的结构示意图。发射器驱动电路模块120包括功率放大器122，其输出端 与输入晶体管102、 104的栅极相连。设置多个电容124a至124h，使其可配 置地与功率放大器122的输出端及输入晶体管102、 104的栅极相连。配置多 个电感126a、 126b、 126c和126d，使其与功率放大器122的输出端及输入晶 体管102、 104的栅极相连。
在操作中，功率放大器122及电容124a至124n和电感126a至126d构成 谐振输出电路，从而可将上变频出站信号58调谐到所需的频率。电容124a至 124n和电感126a至126d连接在功率放大器122输出端及输入晶体，102、 104 的栅极上，使得谐振输出能够调谐到所需的频率。通常集成电路或芯片上的电容由于处理工艺的变化而具有较大的公差，因此可配置的电容124a至124n可 以调谐，以解决这一问题。
多模RFID阅读器40可在近场和远场模式下工作。通过在近场和远场两 种模式下工作，RFID阅读器40可为多种应用提供多标准、多技术选项。这样， RFID阅读器不限于仅应用于近读或远读，而是能够适合于两种类型的应用， 可从近场模式切换到远场模式，或从远场模式切换到近场模式，以适应不同类 型的RFID标签，以及适应多模RFID阅读器与RFID标签之间的不同距离。 在一个实施例中，近场模式和远场模式均使用UHF频段的信号通信。虽然在 近场模式下使用UHF信号比使用较低频率(如HF或LF)通信距离更短(例如 小于5mm)，这种UHF近场RFID通信很适合于近读应用，如存货目录、监控 书鉴定(monitory paper authentication^护照、信用卡等。RFID阅读器40的近 场UHF操作对于近液体(如液体药物的包装瓶)的操作也更有效。
本专业普通技术人员会意识到，术语"基本上"或"大约"，正如这里可能用 到的，对相应的术语提供一种业内可接受的公差。这种业内可接受的公差从小 于1%到50%，并对应于，但不限于，组件值、集成电路工艺波动、温度波动、 上升和下降时间和/或热噪声。本专业普通技术人员还会意识到，术语"可操作 地连接"，正如这里可能用到的，包括通过另一个组件、元件、电路或模块直 接连接和间接连接，其中对于间接连接，中间插入组件、元件、电路或模块并 不改变信号的信息，但可以调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。正如 本专业普通技术人员会意识到的，推断连接(亦即， 一个元件根据推论连接到 另一个元件)包括两个元件之间用相同于"可操作地连接"的方法直接和间接连 接。正如本专业普通技术人员还会意识到的，术语"比较结果有利"，正如这里 可能用的，指两个或多个元件、项目、信号等之间的比较提供一个想要的关系。 例如，当想要的关系是信号1具有大于信号2的振幅时，当信号1的振幅大于 信号2的振幅或信号2的振幅小于信号1振幅时，可以得到有利的比较结果。
图中所示的晶体管是场效应晶体管，如本领域技术人员所,n，这些晶体管
可使用各类结构的晶体管来实现，包括但不限于，双极、金属氧化物半导体场 效应晶体管(MOSFET)， N沟道晶体管、P沟道晶体管、增强式、损耗式及零电压门限(VT)晶体管。
本发明的描述过程还借助方法步骤的方式来描述特定功能的执行过程及 其相互关系。为便于描述，文中对这些功能性模块和方法步骤的边界和顺序进 行了专门的定义。在使这些功能可正常工作的前提下，也可重新定义他们的边 界和顺序。但这些对边界和顺序的重新定义都将落入本发明的主旨和所声明的 保护范围之中。
本发明的描述过程借助功能性模块的方法来描述某些重要功能的执行过 程。为便于描述，文中对这些功能性模块边界进行了专门的定义。在使这些功 能可正常工作的前提下，也可重新定义他们的边界和关系。这种对功能性模块 的边界和相互关系的重新定义也都将落入本发明的主旨和所声明的保护范围 之中。同样，流程步骤也可以专门定义以说明某些重要功能。对于扩展应用， 流程步骤的边界和顺序也可被另外定义，但仍能实现这些重要的功能。这些功 能模块和流程步骤和顺序的重新定义都将落入本发明的主旨和所声明的保护 范围之中。本领域技术人员知悉，这些功能模块以及本文中提及的其它示例性 模块和部件可以按照实施例说明的那样实现或者由离散的元器件、专用集成电 路、执行适当软件的处理器等或者其中的任何组合来实现。
权利要求
1、一种多模RFID阅读器，其特征在于，包括基带处理模块，其用于将出站数据转换成出站调制信息及将编码入站信号转换成入站数据；发射器，用于将出站调制信息转换成上变频出站信号；远场天线结构；近场线圈结构；发射复用器，用于当多模RFID阅读器工作在近场模式时将上变频出站信号输出给近场线圈结构，当多模RFID阅读器工作在远场模式时将上变频出站信号输出给远场天线结构；接收复用器，用于当多模RFID阅读器工作在近场模式时从近场线圈结构输入入站信号，当多模RFID阅读器工作在远场模式时从远场天线结构输入入站信号；接收器，用于将入站信号下变频转换成编码入站信号。
2、 根据要求1所述的多模RFID阅读器，其特征在于，所述远场天线结 构包括天线；与天线相连的平衡-不平衡变压器。
3、 根据要求1所述的多模RFID阅读器，其特征在于，所述近场线圈结 构包括多个线圈；与所述多个线圈相连的多个电容。
4、 根据要求1所述的多模RFID阅读器，其特征在于，所述发射器包括 基于出站调制信息得以调制的电流源；及 与所述电流源相连的输入晶体管。
5、 根据要求4所述的多模RFID阅读器，其特征在于，所述发射复用器 包括复用晶体管，其在近场模式下将输入晶体管与近场线圈结构相连，在远 场模式下将输入晶体管与远场天线结构相连。
6、 根据要求5所述的多模RFID阅读器，其特征在于，所述复用晶体管 包括与输入晶体管及近场线圈结构相连的第一组晶体管，其中第一组晶体管 中的每一只晶体管包含一个触发输入端；及与输入晶体管及远场天线结构相连的第二组晶体管，其中第二组晶体管 中的每一只晶体管包含一个触发输入端。
7、 一种RFID阅读器，其特征在于，包括基带处理模块，其用于将出站数据转换成出站编码数据及将出站编码数 据转换成出站调制信息；发射器，用于将出站调制信息转换成上变频出站信号； 发射复用器，用于在近场模式下，将上变频出站信号耦合给近场线圈结构，以感应耦合给 一个或多个标签；及在远场模式下，将上变频出站信号耦合给远场天线结构，以射频(RF)耦 合给一个或多个标签。
8、 根据权利要求7所述的RFID阅读器，其特征在于，还包括 接收复用器，用于当多模RFID阅读器工作在近场模式时从近场线圈结构接收入站信号； 当多模RFID阅读器工作在远场模式时从远场天线结构接收入站信号； 将接收到的入站信号传送给接收器。
9、 根据权利要求8所述的RFID阅读器，其特征在于，所述接收器用于 将UHF入站信号转换成编码入站信号。
10、 根据权利要求9所述的RFID阅读器，其特征在于，所述基带处理模 块用于在近场模式下使用第一编码协议将编码入站信号转换为入站数据；及 在远场模式下使用第二编码协议将编码入站信号转换为入站数据。
全文摘要
本发明涉及一种多模RFID阅读器，其既可在近场模式下工作，也可在远场模式下工作。所述多模RFID阅读器包括发射器、接收器、发射复用器和接收复用器。发射复用器和接收复用器均与远场天线结构和近场线圈结构相连。对于远场工作模式，发射复用器将上变频出站信号传送给远场天线结构，接收复用器将入站信号传送至接收器。对于近场工作模式，发射复用器将上变频出站信号传送给近场线圈结构，接收复用器将入站信号传送至接收器。
文档编号G06K7/00GK101441702SQ20081011010
公开日2009年5月27日 申请日期2008年5月30日 优先权日2007年5月31日
发明者沙梅莉·阿米, 罗弗戈兰·玛雅姆, 罗弗戈兰·阿玛德雷兹 申请人:美国博通公司