專利名稱：Rfid讀取設備的制作方法
RFID讀取設備本發(fā)明涉及根據(jù)權利要求1所述的RFID讀取設備(reading device )。本發(fā)明還涉及與RFID讀取設備有關的方法。主要由于物流應用的原因，RFID的使用迅速變得普及。特別地， UHF范圍RFID已經(jīng)在迅速地增加。市場上已經(jīng)存在若干讀取設備，但 是它們相對昂貴，并且手持式讀取器仍然不能廣泛地獲得。以傳統(tǒng)方 式制造的RFID讀取設備相對復雜，無法克服由強反射所造成的問題， 并且具有高功耗。傳統(tǒng)的高頻RFID讀取設備基于從50歐姆功率放大器 通過旋轉元件(rotary element)向50歐姆天線饋送(feed)功率并且 通過它向環(huán)境饋送功率。反射的功率通過旋轉元件導向前置放大器。本發(fā)明旨在消除現(xiàn)有技術的缺陷并且建立新類型的系統(tǒng)、方法和 天線。本發(fā)明基于包括變換器(transformer)的發(fā)射器部分，所述變換 器一般為變流器(current transformer),其中存在至少三個線圏，這些 線圏被連接到相同的磁場，從所述線圈中的第一線圏對天線或天線組 進行饋送，利用參考負栽對第二線圈進行饋送以便補償?shù)谝痪€圏中發(fā) 射的功率的效應(effect),變換器的第三線圈被連接到接收器的主放 大器。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的RFID讀取設備以權利要求1的特征部分 所述為特征。根據(jù)本發(fā)明的方法，對于其本身而言，以權利要求8的特征部分 所述為特征。借助于本發(fā)明，可以獲得相當多的優(yōu)點。 可調整的窄帶天線在本發(fā)明的特定實施例中，該解決方案削弱了由發(fā)射引起的失真 并且消除了對獨立發(fā)射濾波的需要。GSM或另一RFID發(fā)射應答器將不 像寬帶天線那么多地干擾前置放大器。如果要將天線制造成覆蓋不同洲(continent)的整個RFID-UHF頻帶，那么該天線也會接收所有洲的 各種GSM頻率。窄帶天線允許前置放大器通過變換器直接連接到該天 線。放置在前置放大器之后的可調整LC濾波器將改進該解決方案。 節(jié)省功率由于電源通過電抗性阻抗連接到天線，因而輸出級的效率原則上 非常高。在本發(fā)明的特定實施例中，由于變換器的原因，補償所需的 功率比去往天線的功率少得多。本發(fā)明的特定實施例以簡單的方式來補償反射。由于天線是可調 整的并且是窄帶的，僅僅補償有功部分(real component)(其傳輸主 功率)到前置放大器的連接就足夠了。通過這種方式，從解調器的輸 出端獲得所有用于補償?shù)男畔?，就讀取代碼而言在任何情況下都需要 所述信息。借助于本發(fā)明的特定實施例，獲得了良好的信噪比。如果例如通 過合成返回信號來補償去往前置放大器的功率，那么所述解決方案通 常將增加噪聲。這是因為饋送給天線的功率與用于進行補償?shù)男盘柌?完全相關。在根據(jù)本發(fā)明的情況下，由于信號是從也將信號饋送給天 線的輸出級的輸出端取得以用于補償?shù)?，所以使用該解決方案不增加 前置放大器中的噪聲。本發(fā)明的特定實施例對于固定基站或者對于便攜式讀取設備而 言適用于所有功率級。能夠使用不同的UHF頻率，但是相同的解決方 案當然也能夠被應用于其他的頻率。借助于根據(jù)本發(fā)明的解決方案，能夠將RFID讀取器有利地集成到 例如移動站中。根據(jù)本發(fā)明的讀取設備能夠被用于固定基站中、用于 工作在固定或可變功率級下的手持(hand)讀取器中或者通過將該方 法結合到GSM電話中而被利用。如果作為GSM電話的一部分而結合了 該方法，那么該方法的優(yōu)點被特別強調，因為由RFID所引起的附加成 本可以忽略不計。所述設備(例如移動電話)的功耗降低并且電池操作的設備的工 作時間顯著增加。也可以通過這種方式提高天線的效率并且降低功 耗。為了避免問題，通常應當將窄帶天線制造成可調諧的。由于天線 是窄帶的，因而在最佳的情況下，能夠排除昂貴的帶通濾波器，這將 降低特別是移動站的制造成本。在最佳的情況下，根據(jù)本發(fā)明的解決方案將允許移動電話的整個射頻部分被集成到天線的緊鄰處并且可 以在它內(nèi)部。本發(fā)明也能夠被用于接收器側的噪聲優(yōu)化。在下文中，將依照附圖借助于應用實例來分析本發(fā)明。圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的一個RFID讀取設備。 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二RFID讀取設備。在與

圖1和圖2有關的優(yōu)選應用實例的描述中結合附圖標記使用 了下列術語。1 輸出級 4天線開關5 天線9 變?nèi)荻O管(varactor) 10變換器11變換器的第二線圈 12變換器的第一線圈13 變換器的第三線圈(檢測器線圏)14 功率調節(jié)開關15 阻抗開關16 阻抗選擇器開關17 可調整阻抗18 可調整阻抗19 可調整阻抗20 電容器21 電容器22 電容器23 前置放大器24 正交檢測器(quadrature detector)25 控制線26 輸入端27 信號檢測 30 輸出級31 輸出級
32 天線元件
33 差分放大器
34 變流器
35 變流器
36 第三線圏
37 第三線團
38 相位分配器 39參考負載 40參考負載 41 第二線圈 42第一線圈
43 第二線圈
44 第一線圈
45 可調整濾波器
本發(fā)明公開了一種方法，在該方法的一個優(yōu)選實施例中，直接連 接到天線5的非常低阻抗的放大器被用作輸出級1。如此選擇該天線的 阻抗級別，以使得射頻處的外出功率將是合適的。如果希望長的讀取 距離，那么例如在歐洲可以^吏用865-MHz頻率處的最大容許2-W定向 發(fā)射功率。此外，例如使用變?nèi)荻O管來調諧天線，以使得天線的阻 抗總是實數(shù)，以便優(yōu)化效率。這種布置的使用能夠顯著地提高輸出級 的效率。能夠借助于開關4通過從不同的連接點6、 7和8連接天線5 來調整發(fā)射功率。
上述布置本身并不允許使用反射技術來檢測RFID所產(chǎn)生的調制。 由于天線5嚴格連接到輸出級1，因而其上的電勢并不取決于反射。
依照圖1的布置能夠被用來檢測RFID所產(chǎn)生的調制。該圖的變換 器10包括至少三個線圈11、 12和13。去往天線5的電流流經(jīng)第一線 圈12。至參考負載17、 18和19的電流流經(jīng)第二線圈11，以使得它盡 可能精確地補償由去往天線5的電流所感應的磁場。通常如此連接第 二線圏11,以使得其電流以與第一線圏12感應的磁場相反的方向并且 相同的幅度來感應磁場。在實踐中，這是通過以下方式來實現(xiàn)的并 行放置第一線圈12和第二線圏11,以使得線圈11和12的連接或繞組
7相對于彼此處于相反的方向，以便實現(xiàn)上面所描述的狀況。第三線圈
13直接地連接到前置放大器23,或者通過該前置放大器連接到濾波器 45或其他必要的部件。因此，在這種情況下，依照圖1，術語"連接，， 用來表示第三線圈13的信號直接地或者間接地連接到前置放大器23 這一事實。因此，借助于線圈12，根據(jù)前置放大器23的阻抗來測量來 自輸出級1的電流或電壓，從而能夠測量天線5的有效阻抗。該圖示 出了電流測量的替換方案。歸因于其如何工作，在本發(fā)明的典型實施 例中，變換器IO能夠被稱為變流器。由于在該方法中變?nèi)荻O管9被 用來將天線5 —直保持為實而不管反射，因而實的電壓調節(jié)阻抗17、 18和19能夠被從輸出級1簡單地連接到相同的變換器10，從而補償 由輸出級l的電流在前置放大器23中所產(chǎn)生的電壓。如果參考電阻17、 18和19是可調整的，那么也可以補償去往天線5的電流的反射的影響。 如果參考電阻是固定的，或者如果調節(jié)器的時間常數(shù)被選擇為慢(例 如小于10kHz),那么只有由RFID電路所產(chǎn)生的調制會在前置放大器 23中產(chǎn)生信號。該布置旨在防止前置放大器23的飽和。能夠例如使用 PIN二極管或者FET來實現(xiàn)可調整的實阻抗17、 18、 19。通過利用變 換器10的轉換比率，能夠將參考負載17、 18或19的阻抗保持為高， 以使得它將不會顯著地增加系統(tǒng)的功耗。前置級23原則上能夠通過兩 種方式連接到系統(tǒng)。如果第三線圈(檢測器線圏)13強連接到其他兩 個線圈11和12，那么優(yōu)選的將是使前置放大器13為高阻抗。在這種 情況下，第三線圏13中感應的電壓將與由去往天線5和參考電阻17、 18、 19的電流之差產(chǎn)生的磁場的導數(shù)成比例。第二種替換方案是利用 反饋來使前置放大器23的輸入阻抗非常小，在這種情況下，放大器23 的輸出端中的電壓將與磁場成正比。因此，這些方法之間沒有大的區(qū) 別，但是重要的是本發(fā)明在前置放大器23具有高阻抗或低阻抗時是相 當有利的。因此，本發(fā)明對于通常會為前置放大器選擇50歐姆的輸入 阻抗的本領域技術人員將是不可思議的，所述50歐姆的輸入阻抗不在 根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)范圍內(nèi)。通過優(yōu)化變換器IO中的繞組數(shù)，也可以影 響前置放大器23看到的阻抗并且通過它處理噪聲調整。在所討論的實 例中，如果饋送給天線5的功率發(fā)生變化，那么噪聲調整將發(fā)生變化。 如果希望優(yōu)化所有情況下的噪聲調整，那么應當改變感應線圏中的繞 組數(shù)，或者應當將阻抗轉換器置于檢測器線圈13和前置放大器23之間。如果意欲將前置放大器23保持為高阻抗或者可替換地為低阻抗， 那么最好是將前置放大器23集成到非?？拷儞Q器10的位置。 一種 非常有利的解決方案是使用電容來調諧檢測器線圏13的電感，并且直 接靠近檢測器線圏13地連接FET型高阻抗前置放大器。在充當前置放 大器的FET之后，可以放置例如可調整濾波器45 (如果在GSM電話 中也使用了相同的電子設備的話)，例如LC濾波器，并且在它之后放 置第二放大器級23。如果還如此反饋連接了 FET放大器以使得其阻抗 增大，那么將會產(chǎn)生良好的線性前置放大器。這是優(yōu)選的，因為特別 是便攜式FRID讀取器需要大的動態(tài)特性，這不僅由于反射的原因，而 且由于其他讀取器產(chǎn)生的信號的原因。
在前置放大器23之后，使用例如正交檢測器24來檢測信號，其 中將檢測信號的實部25和虛部27。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，檢測器 24的實輸出被用作反饋以控制仿真負栽(artificial load) 17-19以及變 容二極管9，以便實現(xiàn)對天線的頻率控制。
如果前置放大器23的阻抗高，那么測量線圏13上的電壓，并且 檢測器24的虛部被用來控制所述仿真負栽 總是取決于前置放大器23 的阻抗，這些情況之間的中間形式也是可能的。
如果所述方法被用于恒定功率，那么所述系統(tǒng)還能夠通過除去開 關14和4并且將信號直接饋送給天線5而得到進一步簡化，以使得功
率將總是具有最大功率的幅度。
應當指出的是，在圖1的解決方案中，如果所述設備僅僅用作RFID 讀取器，那么當工作于單個功率級時，變換器10之后的第一開關15 和16可能是不必要的。如果相同的電子設備被用作UHF-RFID讀取器 和GSM電話這二者，那么就需要它們。第二種替換方案是，在所討論 的電子設備中，將藍牙(或WLAN)和微波RFID讀取器相結合。第 二開關14和4僅當希望調節(jié)功率級時才是必要的。
通常，還希望將例如GSM電話與便攜式RFID讀取器相結合。在 這種解決方案中，可以在GSM電話中通過簡單地向它添加PIN二極管 17-19以及集成到電路板上的變換器IO來制造UHF-RFID讀取器。與 這些部件相關的額外成本將保持少于€ l，-。
所示出的變流器10的第一線圏12也可以是天線本身的一部分， 在這種情況下能夠實現(xiàn)功率節(jié)省。圖2示出了適用于固定的讀取設備的解決方案，其中兩個輸出級 30和31被用來對天線元件32進行饋送。如圖1所示，變換器34和 35的第三線圈36和37被連接到差分放大器33的輸入端。相位分配器 38被設置在第二輸出級30的輸入端，以便控制天線的方向。由于兩個 輸出級30和31的原因，獲得了向天線32饋送雙功率的可能性。變換 器34、 35和第二線圏41、 43的分支被連接到參考負栽39和40，如圖 l所示。變換器34的第二線圈41、 43被如此連接以使得線圏41中行 進的電流補償由行進通過線圏42的電流所產(chǎn)生的磁場，這樣連接到前 置放大器33的線圏36只看到來自RFID標簽的返回信號。相應地，線 圏43中行進的電流補償了由行進通過線圈44的電流所產(chǎn)生的磁場。
天線5或32或者天線組能夠通過直接電鍍(galvanically)或者可 替換地通過適當?shù)膫鬟f路徑而連接到輸出級以及與其有關的電路，在 這種情況下，電鍍接觸將不是必需的。
變換器10的第一線圈12 (其中輸出級1的電流通過第一線圏12 去往天線5)也可以用天線的一部分來代替，或者它能夠形成天線的一 部分。在這種情況下，當其連接到去往前置放大器23的第三線圈13 時，由天線中行進的電流所產(chǎn)生的磁場將被線圈ll拾取并且補償。
天線頻率的調整和補償通常在頻率級上在這些頻率中不斷進行， 直到調制開始。在實踐中，lkHz-10kHz是最大的補償頻帶寬度。在本 發(fā)明的該實施例中，重要的事實在于，所述補償極為迅速并且反射不 會更快地出現(xiàn)。
UHF頻率的問題在于，在世界的不同部分，這些頻率在從865MHz 到950MHz的范圍變化。制造將很好地覆蓋所有這些頻率并且還具有 良好效率的小天線是很困難的。在根據(jù)本發(fā)明的這種解決方案中，天 線在實質上通常是窄帶的并且是可調整的，這使得工作于寬頻率范圍 的具有良好特性的解決方案成為可能。此外，電容器的位置能夠被附 于天線。通過將電容器連接到適當?shù)奈恢茫梢岳鐬閬喼奘袌鲱A先 選擇所述產(chǎn)品，而不用新的天線。
除了 PIN二極管或FET之外，原則上能夠通過電壓控制的任何電 阻都將適用于天線實部的補償。變換器使得將功率的僅僅一小部分導 向可調整的電阻成為可能，這是一個很大的優(yōu)點，因為如果若干瓦特 的功率流向它的話，制造具有大的動態(tài)特性的可調整電阻是非常困難的。這種功率部件很昂貴并且不能被集成到IC的內(nèi)部。
借助于本發(fā)明的一個實施例，只要在參考電阻的線圏中形成了足 夠大數(shù)量的繞組，那么即使對于低功率而言也能夠很容易地實現(xiàn)可調 整的電阻。然而，利用大量的繞組，可能有必要例如借助于電容器來 對線圏進行調諧。
代替變?nèi)荻O管，可以使用任何可調整電抗變?nèi)荻O管、順電 (paraelectric )控制電容器、開關元件和固定電容器等等中無論哪種。
借助于本發(fā)明，可以從檢測器24的輸出端27和25獲得有關被測 量對象(RFID標簽)的信息，所述信息不僅涉及其標識和信息內(nèi)容， 而且還涉及對象的距離及其運動，例如它接近或離開所述讀取設備。
權利要求
1. RFID讀取設備，其包括-發(fā)射器部分(1，30，31)，-接收部分(23，33)，以及-連接到它們的天線(5，32)或天線組，其特征在于，-發(fā)射器部分(1，30，30)包括變換器(10，34，35)，其中存在至少三個連接到相同磁場的線圈(11，12，13)，第一線圈(12)、第二線圈(11)和第三線圈(13)，其中-通過第一線圈(12)向天線或天線組(5，32)進行饋送，-參考負載(17，18，19)被連接到第二線圈(11)以補償通過第一線圈(12)發(fā)送的功率的效應，并且-接收器的前置放大器(23，33)被連接到第三線圈(13，36，37)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的RFID讀取設備，其特征在于，變換器 (10)形成天線(5， 32)的一部分。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的RFID讀取設備，其特征在于，天 線(5)被設置成從不同的連接點(6， 7， 8)連接到發(fā)射器部分(1， 30, 31 )或接收器部分(23， 33 )。
4. 根據(jù)權利要求l、 2或3所述的RFID讀取設備，其特征在于， 能夠對參考負載(17， 18， 19)進行電調整。
5. 根據(jù)權利要求1、 2、 3或4所迷的RFID讀取設備，其特征在 于，可電調整的電容器(9)與天線(5)并聯(lián)連接，以便將天線(5) 調諧到不同的頻率。
6. 依照以上權利要求中任何一項所述的RFID讀取設備，其特征 在于，所述系統(tǒng)包括被設置成與天線(5)連接的電控開關(4)，其 中能夠借助于所述開關來調整天線的連接點。
7. 依照以上權利要求中任何一項所述的RFID讀取設備，其特征 在于，將連接到參考電阻(17, 18， 19)的第二線圈(11)的繞組數(shù) 選擇為大，以使得能夠將去往參考電阻(17， 18， 19)的功率保持為 小。
8. RFID讀取設備中的方法，在所述方法中-發(fā)射器部分U, 30， 31 )被用于發(fā)射電磁輻射， -接收部分(23， 33)被用于接收信號，所述信號是借助于天線 或天線組(5, 32)而從RF標簽接收的， 其特征在于，-在發(fā)射器部分(1 ， 30， 30)中，通過變換器(10， 34， 35 )對 天線或天線組(5, 32)進行饋送，在所述變換器中，存在至少三個連 接到相同磁場的線圈(11， 12， 13)，第一線圈(12)、第二線圏(11 ) 和第三線圏(13),其中-通過第一線圏(12)對天線或天線組(5， 32)進行饋送，-參考負載(17， 18， 19)被連接到第二線圏(11)以補償通過 第一線圈(12)發(fā)送的功率的效應，并且-接收器的前置放大器(23， 33)被連接到第三線圈(13, 36， 37)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，變換器(10)被用 于形成天線(5， 32)的一部分。
10. 根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，天線(5)被 設置成從不同的連接點(6, 7, 8)連接到發(fā)射器部分(1， 30， 31) 或接收器部分(23， 33)。
11. 根據(jù)權利要求8、 9或IO所述的方法，其特征在于，能夠對 參考負載(17， 18， 19)進行電調整。
12. 根椐權利要求8、 9、 10或11所述的方法，其特征在于，可 電調整的電容器(9)與天線(5)并聯(lián)連接，以便將天線(5)調諧 到不同的頻率。
13. 依照以上權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，所 述系統(tǒng)包括被設置成與天線(5)連接的電控開關(4)，其中能夠借 助于所述開關來調整天線的連接點。
14. 依照以上權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，將 連接到參考電阻(17， 18， 19)的第二線圈(11)的繞組數(shù)選擇為大， 以使得能夠將去往參考電阻(17， 18, 19)的功率保持為小。
全文摘要
本發(fā)明涉及RFID讀取設備以及用于該設備的方法。所述讀取設備包括發(fā)射器部分(1，30，31)、接收部分(23，33)以及連接到它們的天線(5，32)或天線組。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射器部分(1，30，30)包括變換器(10，34，35)，其中存在至少三個連接到相同磁場的線圈(11，12，13)，第一線圈(12)、第二線圈(11)和第三線圈(13)，其中通過第一線圈(12)對天線或天線組(5，32)進行饋送，參考負載(17，18，19)被連接到第二線圈(11)以便補償通過第一線圈(12)發(fā)送的功率的效應，并且接收器的前置放大器(23，33)被連接到變換器(10，34，35)的第三線圈(13，36，37)。
文檔編號G06K7/08GK101506824SQ200780031098
公開日2009年8月12日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權日2006年6月21日
發(fā)明者H·塞帕 申請人:芬蘭技術研究中心