CN102177612A - 具有连接两个天线部分的可控制开关元件的天线 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于射频识别读取器模块(140)的天线电路(120)。天线电路(120)包括：第一天线部分(121)，具有用于将第一天线部分(121)连接到射频识别读取器模块(140)的第一接触节点(121a)；第二天线部分(122)，具有用于将第二天线部分(122)连接到射频识别读取器模块(140)的第二接触节点(122a)；以及可控开关元件(130)，将第一天线部分(121)连接到第二天线部分(122)。可控开关元件(130)适于根据施加到所述可控开关元件(130)的控制信号来改变第一天线部分(121)和第二天线部分(122)之间的欧姆电阻。还描述了一种RFID读取器***(100)，包括RFID阅读器模块(140)和上述天线电路(120)。此外，描述了一种调节上述天线电路(120)的品质因子的方法。

Description

具有连接两个天线部分的可控制开关元件的天线

技术领域

本发明涉及天线电路技术领域，所述天线电路具体用于射频识别(RFID)设备。具体来说，本发明涉及一种包括可调节品质因子的自适应天线电路。本发明还涉及一种RFID读取器***，该RFID读取器***包括RFID读取器模块和上述天线电路。此外，本发明涉及一种调整上述天线电路的品质因子的方法。

背景技术

近来，应用射频识别(RFID)技术来定位和跟踪各种类型的物体已经越来越普遍。这种普遍性提高的一个原因是与利用RFID技术制造和实现读取器和标签相关联的成本越来越低。此外，对于更密集封装的应用来说，RFID读取器和标签已被制造得甚至更小。

为了获得RFID标签与RFID读取器之间良好的电磁耦合和可靠的信号传输，必须在天线(具体地，RFID读取器的天线)的品质因子方面对天线进行调节。如果需要在RFID读取器和RFID标签之间高效的能量传送，则需要较高的品质因子。例如当RFID标签和RFID读取器彼此相对远离时，需要这种高效的能量传送。如果需要较大的带宽用于RFID读取器和RFID标签之间的无线传输，则需要较小的品质因子。例如当必须从RFID读取器发送和/或必须由RFID接收的数据量较大时，需要较大的带宽。

WO 2007 030 864 A1描述了RFID天线的品质因子(Q因子)的优化。高效的能量传送需要相对较高的Q因子。当以高带宽需求为目标时，要求相对低的Q因子。通过对自/至RFID天线电路的电容器和/或电感器进行切换，来进行所述的Q因子优化。

EP 1 739 452 A2描述了一种具有天线和谐振电容器的RFID标签。为了允许在两种工作状态下工作，即，在正常电流状态或低电流状态下工作，提供MOSFET以将谐振电容器与天线断开。

US5,815,355描述了对RFID设备的天线的Q因子的调节。通过将另外的负载晶体管并联到RFID天线电路的两个接线端之间的分路晶体管，来实施Q因子调节。所述另外的负载晶体管用于根据从存储器中读取的数据来改变储能电路的Q因子。

例如，从美国专利申请US 2006/0165039A1中还已知，利用有选择地连接到RFID天线电路的分路电阻器，来调节用于RFID读取器的回路天线的品质因子。通过将不同的分路电阻器与天线电路连接和/或断开，可以根据当前给出的需求来适当地调节相应RFID天线电路的品质因子。然而，这个过程是相当麻烦，因为对于每一个品质因子，必须建立RFID天线电路的不同线路。

可以需要在天线品质因子方面提升天线电路的适应性。

发明内容

根据独立权利要求所述的主题可以满足这种需求。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种天线电路，具体地一种用于射频识别读取器模块的环状天线电路。所提供的天线电路包括：(a)第一天线部分，包括将第一天线部分连接到射频识别读取器模块的第一接触节点；(b)第二天线部分，包括将第二天线部分连接到射频识别读取器模块的第二接触节点；以及(c)可控开关元件，将第一天线部分连接到第二天线部分。因此，可控开关元件适于根据施加到所述可控开关元件的控制信号来改变第一天线部分和第二天线部分之间的欧姆电阻。

本发明的第一方面基于以下构思：包括第一和第二天线部分的天线线圈的品质因子，仅仅通过向可控开关元件施加合适的控制信号，就可以容易地调节天线线圈的品质因子，其中所述天线线圈包括第一和第二天线部分。因此，可以选择合适的欧姆电阻以将第一和第二天线部分彼此连接，其中所述合适的欧姆电阻可以被看做天线电路内的阻尼元件。

当操作所述天线电路时，可能需要增大天线电路的带宽，例如以增大由天线电路接收和/发送的最大数据量。在这种情况下，必须减小常被称作Q因子或线圈Q因子的品质因子。这需要增大将第一和第二天线部分相连的可控开关元件的欧姆电阻。

与之相反，可能还需要减小天线电路的带宽，例如以在发送情况下增大发射功率和/或在接收情况下提高天线电路的灵敏度。在这种情况下，必须增大品质因子。这需要减小可控开关元件的欧姆电阻。

根据本发明的实施例，可控开关元件适于以连续方式改变该可控开关元件的欧姆电阻。这提供的优点是可以调节欧姆电阻的任何值。

根据该发明的另一个实施例，天线电路包括对称的布局，其中，当以对称方式操作天线电路时，在第一天线部分和第二天线部分之间的交叉点处形成虚电接地点。

与包括非对称布局的天线电路不同，所述对称布局允许以具体不受干扰影响的方式来操作天线电路。因此，在虚电接地点，天线电压具有至少接近于零伏的电压电平。此外，虚电接地点不受天线电路失谐的影响。

例如可以通过将通常的回路天线在中心点分割并在由分割过程产生的两个天线部分之间***可控开关元件，来实现所述的对称天线电路，所述两个天线部分从。

根据本发明的另一个实施例，控制信号是电压信号。这提供的优点是可以以简单且高效的方式来调节可控开关元件的欧姆电阻。

根据本发明的另一个实施例，可控开关元件的欧姆电阻在零欧姆到无穷大欧姆的电阻范围内可调节。

具体地，当欧姆电阻为零时，第一天线部分和第二天线部分直接彼此相连。在这种情况下，天线电路的品质因子将是最大的，从而频率带宽将是最小的。与之相反，当欧姆电阻是无穷大时，第一天线部分和第二天线部分不彼此电连接。在这种情况下，所述的天线电路包括可以相互独立操作的两个独立的天线元件。

根据本发明的另一个实施例，可控开关元件包括半导体器件。具体地，半导体器件可以是晶体管。因此，施加到晶体管基极的控制信号，可以修改响应于晶体管上的电势差而流经晶体管的电流。

在这方面，提到了具体当晶体管位于或至少接近上述虚电接地点时，晶体管源极端子和晶体管漏极端子之间的电压将较小，从而使得晶体管在其欧姆特性方面工作在非饱和状态。因此，晶体管将充当欧姆电阻器，其中电阻值可以以可控的方式调节。

根据本发明的另一个实施例，可控开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。这提供的优点是，当分别控制和/或调节可控开关元件金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)时，MOSFET所汲取的电流可以显著减小到最小电流。因此，可以以简单而有效的方式实现对第一天线部分和第二天线部分天线之间欧姆电阻的几乎理想的电压控制。

MOSFET的使用还提供了以下优点：可以通过沿用已久的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来实现可控开关元件。这可以提供以下优点：可以通过应用公知的CMOS工艺，来实现整个射频识别(RFID)读取器***，如本申请中所描述的，所述RFID读取器***包括RFID读取器模块和RFID天线电路。

根据本发明的另一个实施例，天线电路还包括滤波器电路，所述滤波器电路连接到可控开关元件并且适于向可控开关元件提供控制信号。这可以提供的优点是，可以以简单且有效的方式消除控制信号上的不期望的震荡。

根据本发明的另一方面，提供了一种射频识别(RFID)读取器***。该RFID读取器***包括：(a)射频识别读取器模块和(b)上述天线电路。因此，天线电路电连接到RFID读取器模块。

同样，本发明的此另一方面基于以下构思：仅仅通过向可控开关元件施加合适的控制信号，可以容易地调节包括第一和第二天线部分的天线线圈的品质因子。因此，可以选择合适的欧姆电阻以将第一和第二天线部分彼此连接，所述合适的欧姆电阻可以被看作是天线电路内的阻尼元件。

根据本发明的另一方面，提供了一种调节天线电路的品质因子的方法。所提供的方法包括：(a)向连接在天线电路的第一天线部分和天线电路的第二天线部分之间的可控开关元件施加控制信号，其中可控开关元件适于根据控制信号来改变第一天线部分和第二天线部分之间的欧姆电阻；以及(b)通过为控制信号选择合适的强度，来调节天线电路的品质因子。

同样，本发明的此另一方面还基于以下构思：可以通过向可控开关元件施加合适的控制信号，来调节天线电路的品质因子。因此，可以选择合适的欧姆电阻以将第一和第二天线部分彼此连接，所述合适的欧姆电阻可以被看作是天线电路内的阻尼元件。

应注意，已参考不同主题描述了本发明的实施例。具体地，参考方法权利要求描述了一些实施例，而参***权利要求描述了其他实施例。然而，本领域的技术人员将从上述和下面的描述中推测出，除非另外指出，否则认为除了属于一种类型主题的特征的任意组合之外，本申请还公开了涉及不同主题的特征之间的任意组合，具体地方法权利要求的特征和设备权利要求的特征之间的任意组合。

本发明的上述方面和其他方面，从下文中描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例进行阐述。本发明在下文中参考实施例的示例将更详细的描述，但本发明并不局限于所述实施例。

附图说明

图1描述了包括分离天线电路的RFID读取器***的示意图，所述分离天线电路具有经由可控开关元件彼此连接的两个天线部分。

图2描述了图1中描述的RFID读取器***的仿真，所述仿真是利用电子设计软件程序OrCAD实现的。

具体实施方式

图中的示例是示意性的。应注意到，在不同的图中，相似的或相同的元件具有相同的参考符号或只有第一数字位与相应的参考符号不同的参考符号。

图1描述了射频识别(RFID)读取器***100的示意图。RFID读取器***100包括天线电路120和RFID读取器模块140。RFID读取器模块140是标准模块。因为这种模块在RFID技术领域是广为人知的，为了使本申请简明，下文中不再详细描述RFID读取器模块140的配置。

天线电路120包括两个天线部分，第一天线部分121和第二天线部分122。可控开关元件130将两个天线部分121和122彼此连接。此外，天线电路120包括分配给第一天线部分121的第一接触节点121a和分配给第二天线部分122的第二接触节点122a。

根据这里描述的实施例，可控开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)130。MOSFET 130的栅极连接到控制节点130a。

从图1中可以看出，天线电路120包括对称设计，该对称涉及被可控开关元件130分开。此外，RFID读取器模块140以对称模式操作天线电路120，使得在两个天线部分121和122之间形成虚电接地点125。从图1中还可以看出，可控开关元件130位于紧邻虚电接地点125的位置。

在这方面，必须提到的是，所描述的对称工作模式和因此而导致的虚电接地点125的形成在发送情况下和接收情况下均可实现，其中，在发送情况下，天线电路120具体向一个或多个RFID标签发送无线信号，在接收情况下，天线电路120具体从一个或多个RFID标签拾取无线信号。

当在所描述的对称模式下操作天线电路120时，虚电接地点125具有零伏的电势。此外，虚电接地点125对于天线电路120的失谐不敏感。

由于在虚电接地点125附近的低电压，在对称天线电路120工作在对称模式的情况下，MOSFET 130的源漏电压也将是非常小的。因此，MOSFET 130在其欧姆特性方面将工作在非饱和状态。因此，MOSFET 130充当两个天线部分121和122之间的欧姆电阻器，其中可以通过向控制节点130a施加合适的电压信号，来以可控方式调节电阻值。该电压信号可以是MOSFET 130的栅源电压。

根据这里描述的实施例，欧姆电阻可以连续方式采取宽欧姆范围内的任意值。优选地，欧姆范围介于零欧姆到无穷大欧姆之间。如上已经描述的，MOSFET 130的各个欧姆电阻器的电阻值直接与天线电路120的品质因子(Q因子)有关。因此，所描述的天线电路120代表了自适应的天线电路。

例如，如果天线电路120的频率带宽必须增大，具体以增大天线电路120可以发送和/或接收的最大数据量，则品质因子必须降低。这需要增大MOSFET 130的欧姆电阻。

与之相反，例如如果天线电路120的带宽必须减小，具体以在发送情况下提高发送功率和/或在接收情况下提高天线电路120的灵敏度，则品质因子必须增大，这需要减小MOSFET 130的欧姆电阻。

图2描述了RFID读取器***100的仿真，其现在以参考数字200命名。仿真是利用电子设计软件程序OrCAD来实现的，所述电子设计软件程序OrCAD是主要用于电子设计自动化的专有软件工具集。

图示的仿真涉及发送情况，其中RFID读取器***200向RFID标签发送无线信号。然而，发明者已经核实，RFID读取器***200的上述设计也适用于接收情况，在接收情况下RFID读取器***200接收来自至少一个RFID标签的无线信号。

RFID读取器***200包括天线电路220、RFID读取器模块240和滤波器电路260。

如上述已经提及到的，天线电路220包括：具有第一接触节点221a的第一天线部分221；具有第二接触节点222a的第二天线部分222；以及在虚电接地点230处将第一天线部分221和第二天线部分222彼此连接的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)230。通过控制节点230a，可以将合适的电压施加到MOSFET 230的栅极以调节第一天线部分221和第二天线部分222之间的合适的欧姆电阻。

根据这里描述的实施例，对控制节点230a处提供的电压进行滤波，以抑制天线电路220的不期望的高频振荡。因此，滤波器电路260包括电压产生器262，所述电压产生器262经由电阶梯结构连接到虚电接地点225和控制节点230a，所述电阶梯结构四个电阻器R11、R12、R13和R14和一个电容C11。如从图2中看出，电压产生器262的负输出连接到地GND。

在用于OrCAD仿真的等效电路中，电容C0表示包括两个天线部分221和222的天线回路的寄生电容。C0′表示用于使天线电路220与RFID读取器模块240的输出相匹配的电容。此外，分配给第一天线部分221的第一匹配电容器C1和分配给第二天线部分222的第二匹配电容器C2已经用于OrCAD仿真过程。

电感L1表示第一天线部分221的寄生电感。电阻器R1表示第一天线部分221的寄生欧姆电阻。因此，电感L2表示第二天线部分222的寄生电感，并且电阻器R2表示第二天线部分222的寄生欧姆电阻。

如从图2中看出，已利用信号产生器242仿真了RFID读取器模块，其中信号产生器242的一个输出连接到地GND和第二接触节点222a。信号产生器242的另一个输出经由调节电阻器R0连接到第一接触节点221a。根据这里描述的实施例，调节电阻R0具有50欧姆的电阻值。

应指出的是，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且词语“一个”并不排除多个。此外，与不同的实施例相关联描述的元件可以组合。还应注意，在权利要求中的参考符号不应解释为限制权利要求的范围。

参考数字

100RFID读取器***

120天线电路

121第一天线部分

121a第一接触节点

122第二天线部分

122a第二接触节点

125虚电接地点

130可控开关元件/半导体器件/金属氧化物半导体场效应晶体管

130a控制节点

140RFID读取器模块

200RFID读取器***

220天线电路

221第一天线部分

221a第一接触节点

222第二天线部分

222a第二接触节点

225虚电接地点

230金属氧化物半导体场效应晶体管

230a控制节点

240RFID读取器模块(发送情况)

242信号产生器

260滤波器电路

262电压产生器

C0天线回路的寄生电容

C0′匹配电容

C1匹配电容

C2匹配电容

L1第一天线部分的寄生电感

R1第一天线部分的寄生欧姆电阻

L2第二天线部分的寄生电感

R2第二天线部分的寄生欧姆电阻

R11滤波器电路的电阻器

R12滤波器电路的电阻器

R13滤波器电路的电阻器

R14滤波器电路的电阻器

C11滤波器电路的电容器

GND地电势

R0调节电阻器

Claims (10)

1.一种用于射频识别读取器模块(140)的天线电路，具体是回路天线电路(120)，所述天线电路(120)包括：

第一天线部分(121)，包括用于将第一天线部分(121)连接到射频识别读取器模块(140)的第一接触节点(121a)；

第二天线部分(122)，包括用于将第二天线部分(122)连接到射频识别读取器模块(140)的第二接触节点(122a)；以及

可控开关元件(130)，将第一天线部分(121)连接到第二天线部分(122)，其中所述可控开关元件(130)适于根据施加到所述可控开关元件(130)的控制信号来改变第一天线部分(121)和第二天线部分(122)之间的欧姆电阻。

2.如前述权利要求所述的天线电路，其中，

可控开关元件(130)适于以连续方式改变所述可控开关元件(130)的欧姆电阻。

3.如前述权利要求中任一项权利要求所述的天线电路，其中，

天线电路(120)包括对称布局，其中当以对称方式操作所述天线电路(120)时，在第一天线部分(121)和第二天线部分(122)之间的交叉点处形成虚电接地点(125)。

4.如前述权利要求中任一项权利要求所述的天线电路，其中，

控制信号是电压信号。

5.如前述权利要求中任一项权利要求所述的天线电路，其中，

可控开关元件(130)的欧姆电阻在零欧姆到无穷大欧姆的电阻范围内可调节。

6.如前述权利要求中任一项权利要求所述的天线电路，其中，

可控开关元件包括半导体器件(130)。

7.如前述权利要求中任一项权利要求所述的天线电路，其中，

可控开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(130)。

8.如前述权利要求中任一项权利要求所述的天线电路，还包括：

滤波器电路(260)，连接到可控开关元件(130、230)并且适于向可控开关元件(130、230)提供控制信号。

9.一种射频识别读取器***(100)，包括：

射频识别读取器模块(140)；以及

前述权利要求中任一项权利要求所述的天线电路(120)，

其中所述天线电路(120)电连接到所述射频识别读取器模块(140)。

10.一种调节天线电路(120)的品质因子的方法，所述方法包括：

向可控开关元件(130)施加控制信号，其中，所述可控开关元件

(130)连接在天线电路(120)的第一天线部分(121)和天线电路(120)的第二天线部分(122)之间，所述可控开关元件(130)适于根据控制信号来改变第一天线部分(121)和第二天线部分(122)之间的欧姆电阻；以及

通过为控制信号选择合适的强度来调节天线电路(120)的品质因子。

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