用于RFID应用的可变Q天线线圈电路的制作方法

用于rfid应用的可变q天线线圈电路
技术领域
1.本说明书涉及射频识别(rfid)系统，并且具体地涉及磁耦合的无源rfid系统。


背景技术：

2.如图1中所示，无源rfid系统10通常包括两个主要子组件：读取器11，以及应答器12，应答器12要在距读取器11的某个范围处被读取。读取器11包括驱动其谐振天线线圈电路的ac电压源。以这种方式，读取器11从其天线线圈发射交变磁场，其天线线圈被弱磁耦合(在表1中由虚线双箭头表示)到要被读取的应答器12中的对应天线线圈。这些天线线圈中的每个天线线圈是对应天线线圈电路的一部分，对应天线线圈电路包括一个或多个调谐电容器以使其在期望频率处谐振，其中q因子主要由其天线线圈绕组的dc电阻限制于某个最大值。
3.应答器12从读取器的发射磁场获得其操作功率，并且(例如，使用开关和负载电阻器)以对应于要从应答器12发送到读取器11的任何信息的样式调制其天线线圈电路的q因子和/或谐振频率。该信息通常包括独特地对应于个体应答器的识别编号。


技术实现要素：

4.本说明书描述了一种读取器，该读取器具有动态地调整其谐振天线线圈电路的q因子以便改进(例如，优化)其针对在长范围处读取应答器或用于在短范围处读取和写入应答器两者的性能。
5.为了动态地调整q因子，我们在读取器内的控制器(例如，基于集成电路的控制器)的控制下向读取器的天线线圈电路添加可变电阻元件。读取器的控制器可以将该可变电阻元件调整到其最小值(例如，零欧姆)用于最佳只读性能，或者将该可变电阻元件动态地调整到更大电阻以减小其谐振天线线圈电路的q因子以便执行写入操作。
6.通常，本说明书中描述的主题的一个创新方面能够被体现在一种用于与rfid应答器通信的电路中。该电路包括：天线线圈电路，该天线线圈电路具有确定天线线圈电路的固有谐振频率和q因子的电感、电容和电阻，该天线线圈电路包括可变电阻元件；ac电压源，该ac电压源被配置成在天线线圈电路的固有谐振频率处或附近驱动天线线圈电路；接收子系统，该接收子系统用于从rfid应答器接收信息；以及与天线线圈电路和ac电压源通信的控制器，该控制器被编程成调制ac电压源以向rfid应答器发送信息并控制可变电阻元件。
7.前述和其他实施例能够各自任选地单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。具体地，一个实施例组合地包括所有以下特征。
8.在一些实施方式中，天线线圈电路包括一个或多个电感元件。天线线圈电路能够包括一个或多个电容元件。
9.控制器能够被编程成通过接通和关断ac电压源来调制ac电压源。
10.在电路的操作期间，控制器能够改变可变电阻元件的电阻以改变天线线圈电路的q因子。
11.q因子能够在从1到500的范围内(例如，在从200到300的范围内)的两个或更多个值之间改变。
12.可变电阻元件能够是电子控制的可变电阻元件。
13.可变电阻元件能够是机械控制的可变电阻元件。
14.该电路能够进一步包括用于控制可变电阻元件的用户接口。
15.控制器能够被编程成自动控制可变电阻元件。
16.可变电阻元件能够能在电阻值的范围内连续地改变。
17.可变电阻元件能够能在两个或更多个离散电阻值之间改变。可变电阻元件能够包括具有指定固定电阻的电阻器和被配置成在一种状态下使电阻器短路的开关元件。
18.可变电阻元件能够被电连接在天线电路的两个节点之间，天线电路的两个节点在电路的操作期间经历比天线电路的相对于感兴趣电路节点的其他节点更低的电压摆动。
19.控制器能够被编程成在ac电压源被接通并且驱动天线线圈电路的同时改变可变电阻的电阻。
20.控制器能够被编程成在ac电压源被关断并且不驱动天线线圈电路的同时改变可变电阻的电阻。
21.本说明书中描述的主题能够被实现在特定实施例中以实现以下优点中的一个或多个。所公开的技术能够允许单个rfid读取器动态地重新配置其本身以用于在不同范围内的不同操作，诸如长范围只读操作、更短范围读/写操作、或只读与读/写操作之间的某折中。未合并所公开的技术的rfid读取器能够牺牲最大只读范围以便支持读/写操作。
22.另外，合并所公开的技术的rfid读取器可以动态地调整用于读/写操作的q因子以优化其针对不同外部条件的操作。例如，其可以在仅超短范围读/写操作必要(例如，在几厘米的范围处)的情况下减小该q因子，或者增大该q因子以支持更长读/写范围。能够在读取器和应答器与彼此通信的同时执行动态调整。
23.在附图和以下描述中阐述本说明书的主题的一个或多个实施例的细节。主题的其他特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求书变得显而易见。
附图说明
24.图1是常规无源rfid系统的示意图。
25.图2a至图2e示出根据所公开的技术的突出改变读取器的谐振天线线圈电路的q因子的影响的信号。
26.图3a至图3d示出突出中等q因子值对应答器解调从读取器写入到其的命令和数据的能力的影响的信号。
27.图4a至图4d示出突出高q因子值对应答器解调从读取器写入到其的命令和数据的能力的影响的信号。
28.图5a至图5d示出突出低q因子值对应答器解调从读取器写入到其的命令和数据的能力的影响的信号。
29.图6是合并具有可变电阻元件的第一示例的可变q天线线圈电路的无源rfid读取器的示意图。
30.图7是合并具有可变电阻元件的第二示例的可变q天线线圈电路的无源rfid读取
器的示意图。
31.在各个附图中相同的附图标号和名称指示相同的元件。
具体实施方式
32.在本说明书中描述了用于改进(例如，优化)rfid读取器针对长范围只读操作、更短范围读/写操作、或这两者之间的折中的性能的技术。
33.rfid读取器用ac电压源驱动其谐振天线线圈电路，其产生诸如正弦波或方波的交变电压波形。这在读取器的天线线圈中产生占主导的正弦电流波形，其在读取器的天线线圈周围的空间体积中创建交变磁场。
34.由于读取器与应答器之间的磁耦合，应答器的调制表现为存在于读取器的天线线圈电路中的电流和电压中的变化。读取器能够然后使用接收子系统(由图1中的rx表示)以检测并解调这些变化以便取出应答器发送的任何信息。该接收子系统通常包括幅度调制检测器和一个或多个滤波和/或增益级。当读取器的天线线圈电路和应答器的天线线圈电路两者被调谐为在读取器的ac电压源的频率处谐振、两个天线线圈被定向为最佳磁耦合、两个天线线圈电路具有最高实际q因子并且应答器在仍然从读取器接收对于其电路操作足够的功率的同时实际尽可能深地调制其q因子时实现最大读取范围。
35.存在于应答器中的信息通常被存储在特定形式的非易失性存储器中。该存储器可以包括工厂编程和/或现场可编程存储器位置的组合。一些应答器还可以生成和/或存储动态信息，诸如温度换能器读数。通常，应答器将在它由从附近读取器发射的磁场激活时自动发送其存储的信息的子集。
36.一些应答器不仅可读而且还可写。兼容读取器能够(例如，通过接通和关断驱动其谐振天线线圈电路的ac电压源)调制其自己的发射交变磁场以便向这些应答器之一发送命令和/或数据。该功能被称为“写入”，如与前述功能“读取”相反。执行读取和写入功能两者的设备仍然被通称为“读取器”。应答器写入可以被用于诸如命令应答器发送与其默认自动发送的不同的信息集合的目的，用于在制造时对应答器的初始编程、用于对现场可编程存储器位置进行编程、或者用于激活特殊应答器功能。
37.当读取器接通或关断驱动其谐振天线线圈电路的ac电压源时，对于线圈中的交变电流的包络(以及因此，发射磁场的幅值)对应地增长或衰减花费时间。增长或衰减的时间常数由电路的q因子确定。最高实际q因子通常对于最佳读取范围是期望的，但是这能够在时间常数相对于要被写入的比特的周期是长的时使对应答器的写入不可能。
38.这被图示在图2a至图2e中。这里，图2b示出ac电压源的示例电压信号，其中，ac电压源通过图2a中的键控信号来接通和关断。该示例具有32个循环的比特周期，但是更一般地，其他比特周期是可能的。图2c至图2e示出具有谐振天线线圈电路的三个不同q因子的对应天线线圈电流(以及因此，发射的交变磁场强度)。这三个q因子以及本说明书中描述的所有其他特定q因子是说明性示例；实际上，在该范围之外的q因子可以被使用。
39.图2c中的低q因子1产生非常良好形成的包络，具有低峰值电流幅值。换言之，发射的交变磁场的调制的包络很干净，具有尖锐边缘，但是它不是很强。这能够产生在超短范围处的可靠写入操作，但是几乎没有在较长范围处读取或写入应答器的能力。
40.图2e中的高得多的q因子100产生高得多的峰值线圈电流幅值，具有缓慢增长和衰
减。在该示例中，增长和衰减的时间常数比比特周期长得多。换言之，这将允许在长范围处读取应答器，但是其通常阻止写入操作。图2e中示出的q因子是说明性示例；在任何给定实际实施方式中，设计者可以基于各种因素来选择使用更低或更高的q因子。
41.图2d中的中等q因子10是提供比图2c更强的发射的交变磁场同时仍然提供足够干净的调制以使写入操作在一定跨度的范围内成功的折中。读取或写入在图2e中支持的最大读取范围处都将不成功，但是读取和写入两者都能够在比图2c中支持的更长的范围处成功。下面更详细地讨论图2a至图2e。
42.尽管图2d中的中等q因子10是折中，但是它不是唯一可能的折中，它也不是针对所有条件的最佳折中。为了理解这一点，考虑应答器将如何在距读取器的不同范围处解调对应于图2d中的电流信号的交变磁场。这被图示在图3a至图3d中。图3a示出与图2a相同的键控信号，并且图3b示出与图2d相同的读取器线圈电流信号。
43.非常靠近读取器的应答器将比如果它离读取器很远的情况强得多地耦合到读取器的天线线圈电路。这对应于读取器的发射的交变磁场在应答器的线圈中引发的电流的幅值中的大的变化。固有地存在在应答器处存在的交变磁场强度的某个最小阈值，在该阈值以下，应答器不再能够检测到存在由读取器发射的交变磁场。这在图3b中由两个水平线表示。点线表示能由非常靠近读取器的应答器检测到的读取器天线线圈电流的最小幅值，而虚线表示能由在距读取器的大得多的范围处的应答器检测到的读取器天线线圈电流的最小幅值。
44.图3c的信号表示非常靠近读取器的应答器可能如何解调对应于图3b的读取器线圈电流信号的发射磁场。通过非常靠近读取器，应答器检测在键控信号是高的同时生成的交变磁场的循环和对应于在键控信号变低之后读取器的谐振天线线圈电路的振铃的附加循环两者。这产生图3a的原始键控信号的失真再现，具有更长的高周期和更短的低周期。
45.图3d的信号表示离读取器很远的应答器可能如何解调对应于图3b的读取器线圈电流信号的发射磁场。由于离读取器很远，应答器不能检测到在键控信号是高的同时生成的交变磁场的首先几个循环，并且不能检测到在键控信号变低之后读取器的谐振天线线圈电路的振铃。这产生图3a的原始键控信号的失真再现，具有更短的高周期和更长的低周期。
46.尽管良好设计的应答器应当能够容忍其从读取器检测到的解调信号的某种程度的失真，但是任何特定q因子可能引起解调信号的足够失真以阻止由太接近读取器或离读取器太远的应答器的正确解调。
47.为了进一步说明如何改变读取器的谐振天线线圈电路的q因子能够影响应答器解调从读取器向其发送的命令和数据的能力，图4a至图4d和图5a至图5d分别将图3a至图3d的分析和阈值应用到图2e的较高q因子和图2c的较低q因子。
48.图4a示出与图2a和图3a相同的键控信号。图4b示出图2e的高q电流波形，其中添加了图3b的阈值。图4c和图4d示出在针对该分析选择的两个范围中的任一个处，应答器不能够恰当地重构原始键控信号。显而易见，可能存在在其处应答器能够正确地重构原始键控信号的某个更长范围，但是将在读取器附近存在其中对应答器的写入将失败的区。
49.图5a示出与图2a和图3a相同的键控信号。图5b示出图2c的低q电流波形，其中添加了图3b的阈值。图5c示出附近的应答器可能以很少的失真重构原始键控信号，而较远的应答器根本不能检测到读取器的交变磁场。
50.因此，如果读取器应当能够在最长实际范围处读取应答器而且也支持在必要更短范围处对应答器的写入，那么读取器应当能够调整其谐振天线线圈电路的q因子以便将其本身配置用于长范围只读操作或更短范围读/写操作。另外，q因子的单个较低值可能不适合于所有条件；读取器可能需要动态地调整其q因子。读取器能够基于诸如用户可更改配置设置的某个用户输入来调整其对于读/写操作使用的q因子值。或者，读取器能够动态地自动调整它，诸如通过快速连续地尝试不同q因子值，直到应答器正确地对由读取器发送的命令做出响应。理想地，读取器应当能够在其谐振天线线圈电路正在被驱动的同时在两个或更多个值之间动态地调整其q因子，使得其能够快速地做出调整而无需首先等待天线线圈电路振荡衰减。
51.图6是合并具有可变电阻元件110的第一示例的可变q天线线圈电路的无源rfid读取器100的示意图。无源rfid读取器100包括ac电压源120，ac电压源120驱动在其固有谐振频率处或附近的谐振天线线圈电路。谐振天线线圈电路包括一个或多个电容器130和天线线圈150，并且它具有主要由天线线圈150的dc电阻确定的固有最大q因子。
52.在使用中，天线线圈150松散地磁耦合到要被读取的无源rfid应答器中的类似谐振天线线圈电路，例如图1中示出的那个。无源rfid应答器包括改变其与读取器的耦合的能力，通常通过改变其天线线圈电路的q因子和/或谐振频率，以便从应答器向读取器发送信息。常见方法包括开关元件和负载电阻器，其允许应答器调制它自己的谐振天线线圈电路的q因子。该调制引起存在于读取器的谐振天线线圈电路中的电压和电流中的变化，这些变化由读取器的接收子系统140检测到。接收子系统140的输出由控制器160(还称为微控制器)解读以用于显示和/或与其他设备交接。
53.可变电阻110允许控制器160根据需要改变读取器的谐振天线线圈电路的q因子。为了在最大范围处从应答器读取数据，控制器160将可变电阻器110设置到其最小值。然而，当读取器必须向应答器写入数据时，控制器160增大可变电阻元件110的电阻以将读取器的谐振天线线圈电路的q因子从其固有最大值降低，并且然后接通和关断ac电压源120以便调制由线圈150发射的交变磁场。读取器还可以以减小的最大范围从以该配置的应答器读取。
54.在一些实施方式中，可变电阻元件110包括具有电阻范围的连续可变电阻元件。这里，控制器160被配置成设置电阻范围中的任何适当的电阻值。
55.在一些实施方式中，可变电阻元件110包括能被设置到一组离散电阻值中的任何离散电阻值的电阻元件。这里，控制器160被配置成设置该组离散电阻值中的任何适当的离散电阻值。下面描述一个这样的示例，其中，电阻元件能被设置成两个电阻值中的任一个。
56.图7是合并具有可变电阻元件210的第二示例的可变q谐振天线线圈电路的无源rfid读取器200的示意图。除了可变电阻元件210，无源rfid读取器200具有与无源rfid读取器100相同的组件。这里，可变电阻元件210包括固定电阻元件212和并联连接到固定电阻元件212的开关元件214。断开或闭合开关元件214允许可变电阻元件212向读取器200的谐振天线线圈电路呈现两个电阻值中的任一个，从而产生要被选择用于读取器200的谐振天线线圈电路的两个q因子中的任一个。例如，控制器160可以闭合开关元件214，因此使固定电阻元件212与谐振天线线圈电路短路，并且选择高q因子配置。替选地，控制器160可以断开开关元件214，因此允许固定电阻元件212减小谐振天线线圈电路的q因子。
57.在一些实施方式中，开关元件214能够被实现为一个或多个晶体管。在一些实施方
式中，开关元件214能够被实现为光隔离器。
58.在使用串行谐振天线线圈电路的实施方式中，天线线圈中的一个或两个电路节点可以经历相对于诸如系统接地的某个其他参考节点的大的电压摆动。这些电压摆动通常在实际读取器设计中相对于系统接地超过1000伏特。可变电阻元件能够在它被放置在串行谐振电路的任何两个连续节点之间的情况下对谐振天线电路的q因子具有相同的影响。然而，将它放置在各自经历较小电压摆动的两个连续节点之间，诸如在ac电压源与天线电路的电抗元件之一之间，能够是有益的。这能够减小(例如，最小化)可变电阻元件及其控制电路上的电压应力。
59.鉴于上述两个示例电路，再次回顾图2a至图2e是有指导性意义的，图2a至图2e示出根据所公开的技术的突出改变天线线圈电路的q因子的影响的信号。再次，图2a示出接通和关断ac电压源120的数字键控信号121k。图2b示出由ac电压源120产生的电压信号121v的示例。在该示例中，ac电压源120在由键控信号121k接通的同时生成134.2khz正弦信号，并且键控信号121k具有等于ac电压源120的n＝32个循环的高和低比特周期。图2c示出对应于具有等于1的低q因子的读取器100或200的天线线圈电路中的电流的第一信号151l。图2d示出对应于具有等于10的中等q因子的读取器100或200的天线线圈电路中的电流的第二信号151m。图2e示出对应于具有等于100的高q因子的读取器100或200的天线线圈电路中的电流的第三信号151h。注意，信号151l、151m和151h中的每个具有不同的垂直比例尺。现在参考具有q＝1的天线线圈电路的示例，天线线圈电流151l示出干净的开/关键控，但是其幅值(以及因此发射磁场幅值)是小的，这里约1ma，如图2c中所示。现在参考具有q＝100的天线线圈电路的示例，天线线圈电流151h的幅值大得多，这里约60ma，但是其缓慢地建立并且在ac驱动121被移除之后继续振铃很长时间，如图2e中所示。现在参考具有q＝10的天线线圈电路的示例，天线线圈电流151m表示调制的包络的幅值与失真之间的折中，如图2d中所示。这里，天线线圈电流151m的幅值为约10ma。
60.总之，本说明书描述了一种无源rfid读取器，该无源rfid读取器被配置成动态地改变其谐振天线线圈电路的q因子以便优化其针对在更短范围处的应答器读取和应答器写入操作、在更长范围处的仅应答器读取操作、或者这两者之间的某个折中的性能，而不是被设计用于只读与读/写操作之间的单个折中。
61.本说明书中描述的主题和功能操作的实施例能够被实现在数字电子电路中、有形地体现的计算机软件或固件中、包括本说明书中公开的结构及其结构等同物的计算机硬件中、或者它们中的一个或多个的组合中。本说明书中描述的主题的实施例能够被实现为一个或多个计算机程序，即，编码于有形非暂时性存储介质上以供数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的计算机程序指令的一个或多个模块。计算机存储介质能够是机器可读存储设备、机器可读存储衬底、随机或串行存取存储器设备、或它们中的一个或多个的组合。替选地或另外，程序指令能够被编码于例如，机器生成的电、光、或电磁信号的人工生成的传播信号上，该信号被生成以编码用于传输到合适的接收器装置的信息以供数据处理装置执行。
62.术语“控制器”是指电子控制和/或数据处理硬件并且包含所有种类的用于处理数据的装置、设备和机器，通过示例的方式包括可编程处理器、计算机、或多个处理器或计算机。控制器还能够是或进一步包括专用逻辑电路，例如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专
用集成电路)。控制器除了包括硬件之外能够任选地包括创建用于计算机程序的执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、或它们中的一个或多个的组合的代码。
63.计算机程序能够以包括汇编或解释语言或者声明性或过程性语言的任何形式的编程语言来编写，计算机程序还可以被称为或描述为程序、软件、软件应用、app、模块、软件模块、脚本或代码；并且它能够以任何形式部署，包括部署为独立程序或部署为模块、组件、子例程、或适合于在计算环境中使用的其他单元。程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序能够被存储在保存其他程序或数据——例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本——的文件的一部分中、专用于讨论中的程序的单个文件中、或多个协同文件——例如，存储一个或多个模块、子程序、或代码部分的文件——中。计算机程序能够被部署为在一个计算机上或在位于一个站点处或跨多个站点分布并且通过数据通信网络相互连接的多个计算机上执行。
64.本说明书中描述的过程和逻辑流程能够由执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行功能的一个或多个处理单元执行。过程和逻辑流程还能够由例如fpga或asic的专用逻辑电路或由专用逻辑电路与一个或多个编程计算机的组合执行。
65.适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，通过示例的方式包括半导体存储器设备，例如eprom、eeprom、以及闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移除盘；磁光盘；以及cd rom和dvd-rom盘。
66.为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施例能够使用具有用于向用户显示信息的显示设备——例如oled(有机发光二极管)显示器或lcd(液晶显示器)显示器——以及用户能够通过其向计算机提供输入的键盘和定点设备——例如，鼠标或触摸面板——的计算机来实现。其他种类的设备也能够被用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈能够是任何形式的感官反馈，例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且来自用户的输入能够以任何形式接收，包括声音、语音或触觉输入。另外，计算机能够通过向由用户使用的设备发送文档和从由用户使用的设备接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从用户设备上的web浏览器接收到的请求而向该web浏览器发送网页。此外，计算机能够通过向个人设备——例如正在运行消息传递应用的智能电话——发送文本消息或其他形式的消息并且反过来从用户接收响应消息来与用户交互。
67.其他实施例在随附权利要求中。