一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的nfc通信系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信系統(tǒng)及方法。一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一提供交變磁場(chǎng)的NFC讀寫器接口及一接收交變磁場(chǎng)用于自身充電的NFC標(biāo)簽接口。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明可大大提高NFC通信接口的無線能量傳輸效率，為帶有NFC標(biāo)簽接口的裝置提供大量電能。這些額外的電能將允許裝置提供更多的功能，更高的性能，更好的用戶體驗(yàn)。同時(shí)，本發(fā)明允許NFC通信接口使用小型天線而不會(huì)影響到NFC通信性能。小型天線使設(shè)備開發(fā)變得非常靈活，大大降低了NFC系統(tǒng)的開發(fā)難度。本發(fā)明大大擴(kuò)展了NFC通信接口在當(dāng)前及未來數(shù)年內(nèi)的應(yīng)用范圍。
【專利說明】
一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的 NFC通信系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] NFC(近場(chǎng)通信）技術(shù)是近幾年新興的短距離安全通信技術(shù)。其使用了在空間衰減 速度很快的磁場(chǎng)作為傳遞信息的媒介，實(shí)現(xiàn)了只有數(shù)個(gè)厘米的通信距離，具有安全性高、使 用方便等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 如圖1所示，常見的NFC通信接口分為兩種，分別是NFC讀寫器接口（ Reader) 101和 NFC標(biāo)簽接口（Tag) 102。典型的NFC通信發(fā)生于這兩個(gè)接口之間。NFC是半雙工雙向通信，包 含兩個(gè)鏈路，分別為讀寫器至標(biāo)簽鏈路103，和標(biāo)簽至讀寫器鏈路105，兩個(gè)鏈路各負(fù)責(zé)一個(gè) 通信方向。
[0004] 讀寫器至標(biāo)簽鏈路103: NFC讀寫器接口負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)中心頻率在13.56Mhz的交變 磁場(chǎng)104,并在此磁場(chǎng)上調(diào)至需發(fā)送的信息。當(dāng)NFC標(biāo)簽接口位于這個(gè)交變磁場(chǎng)104內(nèi)時(shí)，它 就接收這個(gè)磁場(chǎng)攜帶的能量，并將這個(gè)磁場(chǎng)攜帶的信息進(jìn)行解調(diào)并取得NFC讀寫器接口產(chǎn) 生的信息。
[0005] 標(biāo)簽至讀寫器鏈路105:傳統(tǒng)的NFC標(biāo)簽接口均為被動(dòng)接口，不主動(dòng)發(fā)射能量。它使 用負(fù)載調(diào)制來發(fā)送信息。具體來講，傳統(tǒng)的NFC標(biāo)簽接口通過改變接收天線的負(fù)載以控制接 收自交變磁場(chǎng)的能量大小，來達(dá)到調(diào)制和發(fā)送信息的目的。NFC讀寫器接口 101可以通過測(cè) 量發(fā)送天線上的電流強(qiáng)度變化感知NFC標(biāo)簽接口 102的負(fù)載變化，并解調(diào)該信息。為了滿足 一定的通信帶寬，NFC標(biāo)簽接口接收天線的Q值不能太高(小于50)。
[0006] 由于NFC讀寫器接口需要自身產(chǎn)生能量，一般應(yīng)用于擁有較多能量的設(shè)備，如智能 手機(jī)、平板電腦、P0S終端。而NFC標(biāo)簽接□則被廣泛使用在低功耗低能量設(shè)備上，如智能卡、 智能標(biāo)簽等設(shè)備。
[0007] NFC標(biāo)簽接口 102接收下來的交變磁場(chǎng)104的能量經(jīng)整流穩(wěn)壓后可為自身和其他設(shè) 備提供工作的能量。NFC能量采集在智能卡和智能標(biāo)簽上有著極為廣泛的應(yīng)用。
[0008] 圖2為傳統(tǒng)被動(dòng)NFC標(biāo)簽接口的大致結(jié)構(gòu)圖。天線201 -般由一圈或數(shù)圈線圈組成， 負(fù)責(zé)接收交變磁場(chǎng)的能量與調(diào)制的信息；匹配202將天線201的阻抗調(diào)節(jié)至合適值;解調(diào)器 203將接收到的信號(hào)解調(diào)，恢復(fù)為原始信息；負(fù)載調(diào)制205根據(jù)待發(fā)送的信息，改變天線201 的負(fù)載來實(shí)現(xiàn)對(duì)交變磁場(chǎng)的調(diào)制;數(shù)據(jù)接口 204通過數(shù)據(jù)總線與外圍器件通信，配置該被動(dòng) NFC標(biāo)簽接口，以及交換接收到的和待發(fā)送的NFC原始信息;整流穩(wěn)壓206將接收到的交變磁 場(chǎng)的能量整流和穩(wěn)壓后，通過能量采集接口發(fā)送給外圍器件。
[0009] 圖3為傳統(tǒng)NFC讀寫器接口的大致結(jié)構(gòu)圖。天線301-般由數(shù)圈線圈組成，負(fù)責(zé)產(chǎn)生 交變磁場(chǎng)以及發(fā)送和接收NFC信號(hào)；匹配302將天線301的阻抗調(diào)節(jié)至合適值，以改善能量傳 輸效率和調(diào)節(jié)傳輸功率；調(diào)制器304把待發(fā)送的NFC數(shù)據(jù)根據(jù)NFC協(xié)議調(diào)制為NFC信號(hào)，通過 天線驅(qū)動(dòng)303調(diào)制到天線301上;其中天線驅(qū)動(dòng)303-般為低輸出阻抗射頻放大器，以提高效 率;解調(diào)器309通過天線301的電流強(qiáng)度感知被動(dòng)NFC接口由負(fù)載調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)，并將該信 號(hào)解調(diào);Μ⑶內(nèi)核307控制整個(gè)NFC讀寫器接口的工作，其任務(wù)包括根據(jù)NFC協(xié)議組織NFC數(shù) 據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、與片外設(shè)備的通信、片上組件的管理與控制等等;數(shù)據(jù)接口 305為該NFC讀寫 器與片外設(shè)備通信的接口，一般為通用串行數(shù)據(jù)接口，如SPI，I2C等;FIF0306為數(shù)據(jù)接口 305與MCU內(nèi)核307之間的橋梁，作為雙向通信的數(shù)據(jù)暫存器;時(shí)鐘系統(tǒng)308產(chǎn)生該NFC讀寫器 接口所需的所有時(shí)鐘，包括13.56Mhz載波頻率;片上電源管理產(chǎn)生片上組件所需的所有電 源。
[0010]傳統(tǒng)NFC系統(tǒng)具有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。第一，被動(dòng)NFC接口必須使用尺寸較大的天線來 實(shí)現(xiàn)合理的通信距離和通信角度。這是由于NFC讀寫器需要感知NFC標(biāo)簽接口的負(fù)載調(diào)制來 進(jìn)行標(biāo)簽至讀寫器鏈路的通信。天線較小時(shí)由于與NFC讀寫器天線之間耦合系數(shù)較低，再加 上自身Q值較低導(dǎo)致效率不高，造成負(fù)載調(diào)制的信號(hào)很弱無法被NFC讀寫器可靠地接收。第 二，由于傳統(tǒng)NFC系統(tǒng)中的被動(dòng)NFC標(biāo)簽接口與NFC讀寫器接口的設(shè)計(jì)由于直接繼承自RFID， 其能量傳輸效率很低。被動(dòng)NFC標(biāo)簽接口僅能從NFC讀寫器接口取得很少的能量(大約10mW 至20mW)，因此只能維持無源裝置的簡(jiǎn)單操作，如讀寫內(nèi)部內(nèi)存等。
[0011] 新一代小型化設(shè)備如穿戴式設(shè)備、異型銀行卡、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的 外形小巧，無法安裝尺寸較大的天線。這極大地制約著傳統(tǒng)被動(dòng)NFC標(biāo)簽接口的性能，造成 通信性能不穩(wěn)定、通信距離很近或完全無法通信，用戶使用有著極大的不便。同時(shí)，對(duì)于目 前以及未來幾年內(nèi)針對(duì)NFC的大量應(yīng)用，如銀行雙界面卡、新型可視銀行卡、智能穿戴式設(shè) 備、傳感網(wǎng)絡(luò)等來說，統(tǒng)被動(dòng)NFC標(biāo)簽接口較低的能量接收效率極大地限制了這些新應(yīng)用可 以提供的功能及性能。
[0012] 為解決使用小天線負(fù)載調(diào)制信號(hào)很弱的問題，現(xiàn)有主流解決方案主要使用主動(dòng)調(diào) 制代替被動(dòng)負(fù)載調(diào)制。由于使用主動(dòng)調(diào)制的NFC標(biāo)簽接口主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，不依賴接收的交變 磁場(chǎng)能量，故使用小天線也可以讓NFC讀寫器接口很好的接收到NFC標(biāo)簽接口發(fā)送的信息。 使用這個(gè)方案的產(chǎn)品主要是AMS和ST的NFC boosted frontend產(chǎn)品系列。然而主動(dòng)調(diào)制技 術(shù)的缺點(diǎn)也很突出。首先，由于需要主動(dòng)發(fā)射能量，NFC標(biāo)簽接口發(fā)射的信號(hào)必須和NFC讀寫 器接口發(fā)射的交變磁場(chǎng)頻率和相位鎖定來避免信號(hào)不穩(wěn)定，這種方案需要復(fù)雜的鎖相環(huán)和 相位保持電路。這造成了NFC標(biāo)簽接口設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本上升。第二，主動(dòng)調(diào)制技術(shù)需要為NFC 標(biāo)簽接口提供能量用以發(fā)射，這種技術(shù)無法在無源設(shè)備，如無源智能卡和標(biāo)簽上使用。第 三，由于主動(dòng)調(diào)制技術(shù)對(duì)NFC標(biāo)簽接口增加的復(fù)雜性，采用這個(gè)技術(shù)的NFC標(biāo)簽接口很難實(shí) 現(xiàn)NFC能量采集?，F(xiàn)有采用主動(dòng)調(diào)制技術(shù)的產(chǎn)品無一支持NFC能量采集。
[0013] 為了緩解NFC標(biāo)簽接口能量接收能量少的問題，現(xiàn)有解決方案主要是從降低器件 功耗入手，使得這少量的能量也可以維持裝置的正常工作。這些方案包含使用更新的制造 技術(shù)降低功耗(如從130nm制程升級(jí)到90nm制程）、增加裝置休眠時(shí)間、降低裝置工作頻率等 等。然而，這些手段要么提高了裝置成本，要么限制了裝置的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 為了有效解決上述問題，本發(fā)明提供一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC 通信系統(tǒng)及方法。
[0015] 一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一提供交變 磁場(chǎng)的NFC讀寫器接口及一接收交變磁場(chǎng)用于自身充電的NFC標(biāo)簽接口。
[0016] 進(jìn)一步地，所述NFC讀寫器接口包括兩種工作模式，分別為高Q值模式及低Q值模 式；
[0017] 所述高Q值模式用于產(chǎn)生交變磁場(chǎng)對(duì)附近的NFC標(biāo)簽接口提供能量，以及接收NFC 標(biāo)簽接口發(fā)送的信號(hào)；
[0018] 所述低Q值模式用于發(fā)送調(diào)制好的信號(hào)。
[0019] 進(jìn)一步地，所述NFC標(biāo)簽接口包括兩中工作模式，分別為高Q值模式及低Q值模式；
[0020] 所述高Q值模式用于采集能量和發(fā)送信號(hào)；
[0021] 所述低Q值模式用于接收NFC信號(hào)。
[0022] 一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信方法，所述方法包括NFC讀寫器接 口控制步驟及NFC標(biāo)簽接口控制步驟。
[0023] 進(jìn)一步地，所述NFC讀寫器控制步驟包括：
[0024] A)上電復(fù)位后，設(shè)置為高Q值模式，發(fā)送13.56Mhz載波信號(hào)為附近的NFC標(biāo)簽接口 提供能量；
[0025] B)在發(fā)送載波信號(hào)丨2時(shí)間后，若NFC讀寫器接口有數(shù)據(jù)可以發(fā)送，則切換至低Q值 模式，并在t?時(shí)間后開始調(diào)制載波發(fā)送數(shù)據(jù)，其中t2需大于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的載波開啟與首 次載波調(diào)制之間的最小時(shí)間間隔，t 7為模式切換后載波幅度達(dá)到穩(wěn)定幅度90-110%所需時(shí) 間；
[0026] C)所述NFC讀寫器接口在發(fā)送完成后返回高Q值模式，并等待t3時(shí)間，若檢測(cè)到NFC 標(biāo)簽接口的應(yīng)答信息，則接收該應(yīng)答信息，其中t3需大于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC讀寫器接口 發(fā)送信息與隨后NFC標(biāo)簽接口發(fā)送應(yīng)答信息之間的最大時(shí)間間隔；
[0027] D)若NFC讀寫器接口在發(fā)送信息后的t3時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到有NFC標(biāo)簽接口的應(yīng)答信 息，則NFC讀寫器接口可以嘗試按原調(diào)制方式重新發(fā)送、使用另一種調(diào)制方式重新發(fā)送，或 停止載波發(fā)送；
[0028]若NFC讀寫器接口接收到標(biāo)簽接口的應(yīng)答信息，則在t6時(shí)間后切換至低Q值模式發(fā) 送下一條信息，U需大于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC標(biāo)簽接口發(fā)送應(yīng)答信息與NFC讀寫器接口發(fā) 送下一條信息之間的最大時(shí)間間隔；
[0029]若NFC讀寫器接口未檢測(cè)到有NFC標(biāo)簽接口的應(yīng)答信息，并在嘗試過所有調(diào)制方 式、耗盡所有重試次數(shù)后，認(rèn)為附近沒有NFC標(biāo)簽接口，并停止載波發(fā)送以節(jié)約能量；
[0030] E)NFC讀寫器接口在停止載波發(fā)送后可于t4時(shí)間后再次發(fā)送載波信號(hào)并重新發(fā)送 數(shù)據(jù)，t4需根據(jù)允許的NFC標(biāo)簽接口探測(cè)延時(shí)和NFC讀寫器接口允許的探測(cè)功耗決定，一般 為100毫秒至1秒之間。
[0031 ] 進(jìn)一步地，所述第一種NFC標(biāo)簽接口控制步驟包括：
[0032] A)所述NFC標(biāo)簽接口模擬前端在上電復(fù)位后設(shè)置為高Q值模式，并持續(xù)檢測(cè)NFC讀 寫器接口發(fā)射的13.56Mhz載波信號(hào)是否存在；
[0033] B)若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到13.56Mhz載波信號(hào)并處于高Q模式時(shí)，則測(cè)量該接收 的載波信號(hào)的強(qiáng)度是否大于At2,若大于則閉合穩(wěn)壓整流電路內(nèi)的開關(guān)，使負(fù)載接入電路開 始能量采集，否則則斷開該開關(guān)禁止能量采集，并切換至低Q值模式，所述A t2需大于負(fù)載接 入電路不會(huì)影響通信性能的信號(hào)強(qiáng)度；
[0034] 若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到13.56Mhz載波信號(hào)并處于低Q模式時(shí)，則測(cè)量該接收的 載波信號(hào)的強(qiáng)度是否大于Atl，若大于則閉合穩(wěn)壓整流電路內(nèi)的開關(guān)，使負(fù)載接入電路開始 能量采集并切換至高Q值模式，否則則斷開該開關(guān)禁止能量采集，所述A tl大于負(fù)載接入電路 不會(huì)影響通信性能的信號(hào)強(qiáng)度，并且Atl需大于At2;
[0035] C)所述NFC標(biāo)簽接口在檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度后，檢測(cè)載波上是否存在由NFC讀寫器接口調(diào) 制的信號(hào)，若不存在則保持當(dāng)前模式，并循環(huán)執(zhí)行載波檢測(cè)、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制 和調(diào)制信號(hào)檢測(cè)步驟，并根據(jù)結(jié)果選擇諧振環(huán)路工作模式；
[0036] 若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到載波上存在由NFC讀寫器接口調(diào)制的信號(hào)，則立即切換 到低Q值模式進(jìn)行接收；
[0037] D)所述NFC標(biāo)簽接口在接收完NFC讀寫器接口發(fā)送的調(diào)制信號(hào)后，立即切換為高Q 值模式，并在時(shí)間后使用負(fù)載調(diào)制發(fā)送應(yīng)答信息，其中t需小于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC讀寫 器接口發(fā)送信息和NFC標(biāo)簽接口發(fā)送應(yīng)答信息的最大時(shí)間間隔；
[0038] E)所述NFC標(biāo)簽接口在發(fā)送完應(yīng)答信息后，返回載波檢測(cè)步驟，并循環(huán)執(zhí)行載波檢 測(cè)、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制和調(diào)制信號(hào)檢測(cè)步驟，并根據(jù)結(jié)果選擇諧振環(huán)路工作模 式。
[0039] 進(jìn)一步地，所述第二種NFC標(biāo)簽接口控制步驟包括：
[0040] A)所述NF C標(biāo)簽接口模擬前端在上電復(fù)位后持續(xù)檢測(cè)N F C讀寫器接口發(fā)射的 13.56Mhz載波信號(hào)是否存在；
[00411 B)若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到13.56Mhz載波信號(hào)，則測(cè)量該載波信號(hào)的強(qiáng)度是否 大于At，若大于則閉合穩(wěn)壓整流電路內(nèi)的開關(guān)，使負(fù)載接入電路開始能量采集，否則則斷開 該開關(guān)禁止能量采集，所述A t需大于負(fù)載接入電路不會(huì)影響通信性能的信號(hào)強(qiáng)度；
[0042] C)所述NFC標(biāo)簽接口在檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度后，檢測(cè)載波上是否存在由NFC讀寫器接口調(diào) 制的信號(hào)，進(jìn)行接收，否則則循環(huán)執(zhí)行載波檢測(cè)、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制和調(diào)制信號(hào) 檢測(cè)步驟；
[0043] D)所述NFC標(biāo)簽接口在接收完NFC讀寫器接口發(fā)送的調(diào)制信號(hào)后，在t!時(shí)間后使用 負(fù)載調(diào)制發(fā)送應(yīng)答信息，其中需小于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC讀寫器接口發(fā)送信息和NFC標(biāo) 簽接口發(fā)送應(yīng)答信息的最大時(shí)間間隔；
[0044] E)所述NFC標(biāo)簽接口在發(fā)送完應(yīng)答信息后，返回載波檢測(cè)步驟，并循環(huán)執(zhí)行載波檢 測(cè)、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制和調(diào)制信號(hào)檢測(cè)步驟；
[0045] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明可大大提高NFC通信接口的無線能量傳輸效率，為帶有 NFC標(biāo)簽接口的裝置提供大量電能。這些額外的電能將允許裝置提供更多的功能，更高的性 能，更好的用戶體驗(yàn)。同時(shí)，本發(fā)明允許NFC通信接口使用小型天線而不會(huì)影響到NFC通信性 能。小型天線使設(shè)備開發(fā)變得非常靈活，大大降低了 NFC系統(tǒng)的開發(fā)難度。本發(fā)明大大擴(kuò)展 了NFC通信接口在當(dāng)前及未來數(shù)年內(nèi)的應(yīng)用范圍。
【附圖說明】
[0046] 圖1為典型NFC通信示意圖。
[0047] 圖2為典型NFC標(biāo)簽接口結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]圖3為典型NFC讀寫器接口結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049] 圖4為耦合系數(shù)示意圖。
[0050] 圖5為NFC系統(tǒng)等效電路圖。
[0051 ]圖6為一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC讀寫器接口的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0052]圖7為一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化NFC讀寫器接口諧振環(huán)路與附屬電路的 簡(jiǎn)化電路圖。
[0053]圖8為一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC讀寫器接口的模式控制狀態(tài)機(jī)示 意圖。
[0054]圖9為第一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標(biāo)簽接口的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0055]圖10為第一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化NFC標(biāo)簽接口諧振環(huán)路與附屬電路的 簡(jiǎn)化電路圖。
[0056]圖11為第一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標(biāo)簽接口的模式控制狀態(tài)機(jī)示 意圖。
[0057]圖12為第二種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標(biāo)簽接口的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0058]圖13為第二種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化NFC標(biāo)簽接口諧振環(huán)路與附屬電路的 簡(jiǎn)化電路圖。
[0059] 圖14為第二種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標(biāo)簽接口的狀態(tài)機(jī)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0061 ]相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修 改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì) 節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的 描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0062]本發(fā)明著重解決NFC標(biāo)簽接口如何有效地使用小尺寸天線，和NFC系統(tǒng)如何高效地 傳輸能量這兩個(gè)主要問題。下面先分析NFC標(biāo)簽接口天線與NFC讀寫器接口之間的無線能量 傳輸問題。對(duì)于NFC系統(tǒng)的能量傳輸來說，系統(tǒng)能達(dá)到的最高效率rw可以用以下公式來描 述：
[0063]
[0064]
[0065]
[0066] k為NFC標(biāo)簽接口天線與NFC讀寫器接口天線的耦合系數(shù)，QiSNFC讀寫器接口諧振 環(huán)路在13.56Mhz的Q值，Q2為NFC標(biāo)簽接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值。耦合系數(shù)指的是一個(gè) 天線產(chǎn)生的磁感線可以穿過另一個(gè)天線的比例。一般而言，天線間距離越遠(yuǎn)，它們之間的耦 合系數(shù)就越小。如圖4所示，天線402產(chǎn)生了一個(gè)磁場(chǎng)，天線405到天線402的距離較天線404 到天線402的距離近。因此穿過天線405的磁感線較穿過天線404的磁感線多，故天線405與 天線402間的耦合系數(shù)比天線404與天線402間的耦合系數(shù)高。同時(shí)，耦合系數(shù)也與兩個(gè)天線 的相對(duì)大小有關(guān)。天線尺寸差別越大，在相同距離上天線之間的耦合系數(shù)也越小。如圖4所 示，在距離NFC讀寫器接口天線402距離相同時(shí)，穿過小尺寸天線401的磁感線比穿過大尺寸 天線404的磁感線少，故天線401與天線402間的耦合系數(shù)比天線404與天線402間的耦合系 數(shù)低。Q值為表征一個(gè)電路頻率選擇性及在該頻率能量損耗的參數(shù)，可用以下公式計(jì)算：
[0067] Q = |(3)
[0068] 其中X為該電路的感抗或容抗，R為該電路的等效串行電阻值。Q值越高，電路選擇 性越高，損耗越小，反之亦然。具體到天線諧振電路，Q值越高，該電路的等效串行電阻值相 比于該電路的感抗或容抗就越低，震蕩過程中的損耗越小。
[0069] 需要指出的是，給定系統(tǒng)的k和Q值，系統(tǒng)負(fù)載需要與系統(tǒng)能量源的阻抗匹配，才可 以達(dá)到當(dāng)前系統(tǒng)的最高效率。
[0070] 從以上分析可知，有四個(gè)因素決定了最終無線能量傳輸?shù)男?NFC標(biāo)簽接口天線 與NFC讀寫器接口天線的耦合系數(shù)、NFC讀寫器接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值、NFC標(biāo)簽接 口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值、NFC標(biāo)簽接口負(fù)載阻抗匹配程度。
[0071] 耦合系數(shù)：由公式（1)和⑵可知，NFC標(biāo)簽接口天線與NFC讀寫器接口天線的耦合 系數(shù)越高，傳輸效率越高。耦合系數(shù)與兩個(gè)天線間的相對(duì)位置，以及兩個(gè)天線的相對(duì)大小有 關(guān)。天線間距越近、兩個(gè)天線的垂直軸向?qū)R程度越高、兩個(gè)天線大小越接近，耦合系數(shù)越 高。這些需要在天線設(shè)計(jì)階段和最終產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)階段加以考慮。
[0072] NFC讀寫器接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的糾直& :由以上分析可知，Q!越高，能量傳輸 效率越高。需要注意的是，Qi是整個(gè)諧振環(huán)路的Q值，由NFC讀寫器接口天線的Q值、天線驅(qū)動(dòng) 的等效串行內(nèi)阻以及匹配電路的損耗共同決定。為了達(dá)到較高的Q:，需要較高的NFC讀寫器 接口天線Q值，和很低的天線驅(qū)動(dòng)等效串行內(nèi)阻以及匹配電路損耗。
[0073] NFC標(biāo)簽接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值Q2:由以上分析可知，Q2越高，能量傳輸效 率越高。需要注意的是，Q2是NFC標(biāo)簽接口不接負(fù)載時(shí)整個(gè)諧振環(huán)路的Q值，由NFC標(biāo)簽接口 天線的Q值以及匹配電路的損耗共同決定。為了達(dá)到較高的Q 2,需要較高的NFC標(biāo)簽接口天 線Q值，和很低的匹配電路損耗。
[0074] NFC標(biāo)簽接口負(fù)載阻抗匹配程度:k和Q決定了系統(tǒng)所能達(dá)到的最高效率iWx，而負(fù) 載阻抗匹配則決定了系統(tǒng)的實(shí)際效率(永遠(yuǎn)小于最高效率nmax)。精確的負(fù)載阻抗與系統(tǒng)源 阻抗的匹配可以讓系統(tǒng)工作在最高效率附近。
[0075]接下來再分析小尺寸天線問題。對(duì)于絕大多數(shù)NFC標(biāo)簽接口來說，影響通信性能的 瓶頸是標(biāo)簽至讀寫器鏈路的性能。為了便于分析，現(xiàn)介紹標(biāo)簽至讀寫器鏈路的通信原理。圖 5為一個(gè)典型NFC通信系統(tǒng)的示意圖，其左半部份為NFC讀寫器接口，右半部分為NFC標(biāo)簽接 口。為了簡(jiǎn)化分析，兩個(gè)接口的匹配電路均為單一的串行電容，但分析結(jié)論適用于所有形式 的匹配電路。天線驅(qū)動(dòng)511為低輸出阻抗的RF放大器，電阻501為其等效輸出阻抗；電容502 為匹配電容，天線504為NFC讀寫器接口的天線，兩者在13.56Mhz諧振;電阻503為電容502與 天線504在13.56Mhz下的合并等效串行電阻；天線505為NFC標(biāo)簽接口的天線，電容507為其 匹配電容，電阻506為兩者的合并等效串行電阻;開關(guān)508與電阻509構(gòu)成負(fù)載調(diào)制電路。當(dāng) NFC標(biāo)簽接口位于NFC讀寫器接口所發(fā)射的交變磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，NFC標(biāo)簽接口可視為NFC讀寫器接 口的負(fù)載。具體而言，NFC標(biāo)簽接口可等效為串聯(lián)于NFC讀寫器接口天線諧振環(huán)路上的一個(gè) 電阻。該電阻叫做NFC標(biāo)簽接口的反射電阻。電阻510為NFC標(biāo)簽接口的反射電阻。該電阻的 阻值受兩天線間耦合系數(shù)、天線Q值、NFC標(biāo)簽接口的天線負(fù)載共同影響。在NFC通信中，當(dāng)兩 個(gè)特定NFC讀寫器接口與NFC標(biāo)簽接口距離一定時(shí)（即耦合系數(shù)固定），該反射電阻阻值的變 化只能由NFC標(biāo)簽接口的天線負(fù)載變化引起。負(fù)載的變化將引起NFC讀寫器接口天線的電流 的變化。NFC標(biāo)簽接口發(fā)送的信息可通過對(duì)其天線電流變化的測(cè)量來解碼。
[0076]顯然，電阻510在負(fù)載調(diào)制時(shí)變化越大，流過NFC讀寫器接口天線電流的變化也越 大，產(chǎn)生的信號(hào)也就越強(qiáng)。反射電阻501的值，Zr，在電路諧振時(shí)可表示為：
[0077]
[0078] 其中ω為信號(hào)頻率，Μ為兩天線間互感，辦和仇分別是諧振環(huán)路的等效串行電阻和 負(fù)載調(diào)制的電阻。由于ω，M，和辦在即(：通信時(shí)均可視為恒定值，Zr的變化只由Rl控制。顯然， 當(dāng)Rl在0和正無窮變化時(shí)，Z r變化最大。Zr的最大和最小值可表示為：
[0079]
[0080] rv.2 丁
[0081] 標(biāo)簽至讀寫器鏈路的信號(hào)強(qiáng)度Η可表示為表示為NFC讀寫器諧振環(huán)路上阻抗變化 范圍與最大阻抗的比值：
[0082]
(4:)_
[0083] 其中RiSNFC讀寫器接口諧振環(huán)路的等效串行電阻，即電阻503與電阻501之和;Gh 和Q2分別是NFC讀寫器接口諧振環(huán)路和NFC標(biāo)簽諧振環(huán)路的Q值；當(dāng)Η為1時(shí)信號(hào)強(qiáng)度最大，當(dāng) Η為0時(shí)信號(hào)強(qiáng)度最小。
[0084]天線尺寸對(duì)NFC系統(tǒng)的最主要影響是對(duì)NFC標(biāo)簽接口天線與NFC讀寫器接口天線之 間的耦合系數(shù)k。天線尺寸越小，在相同距離上天線之間的耦合系數(shù)也越小。根據(jù)公式(4)， 小型天線與NFC讀寫器接口天線之間的低耦合系數(shù)將直接導(dǎo)致負(fù)載調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度Η 太小，NFC讀寫器接口無法解碼該信息。
[0085]根據(jù)以上分析，當(dāng)使用小天線導(dǎo)致很低的耦合系數(shù)k時(shí)，有以下幾個(gè)方法提高信號(hào) 強(qiáng)度。
[0086] NFC讀寫器接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的糾直& :由以上分析可知，Q!越高，標(biāo)簽至讀 寫器鏈路的信號(hào)強(qiáng)度Η越高。需要注意的是，Qi是整個(gè)諧振環(huán)路的Q值，由NFC讀寫器接口天 線的Q值、天線驅(qū)動(dòng)的等效串行內(nèi)阻以及匹配電路的損耗共同決定。為了達(dá)到較高的Q:，需 要較高的NFC讀寫器接口天線Q值，和很低的天線驅(qū)動(dòng)等效串行內(nèi)阻以及匹配電路損耗。 [0087] NFC標(biāo)簽接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值Q2:由以上分析可知，Q2越高，標(biāo)簽至讀寫 器鏈路的信號(hào)強(qiáng)度Η越高。需要注意的是，〇 2是冊(cè)(：標(biāo)簽接口不接負(fù)載時(shí)整個(gè)諧振環(huán)路的Q 值，由NFC標(biāo)簽接口天線的Q值以及匹配電路的損耗共同決定。為了達(dá)到較高的Q 2,需要較高 的NFC標(biāo)簽接口天線Q值，和很低的匹配電路損耗。
[0088]負(fù)載調(diào)制的電阻Rl的變化范圍：由以上分析可知，電阻Rl的變化越大，標(biāo)簽至讀寫 器鏈路的信號(hào)強(qiáng)度Η越高。在大部分情況下，電阻Rl的最大值與最小值由負(fù)載調(diào)制的RF開關(guān) 決定。這要求該RF開關(guān)有著很小的寄生電容，很高的隔離度，以及很低的插入損耗。
[0089] 可以看出，標(biāo)簽接口如何有效地使用小尺寸天線，和NFC系統(tǒng)如何高效地傳輸能量 這兩個(gè)問題的共同點(diǎn)都在于NFC讀寫器接口和NFC標(biāo)簽接口諧振電路的Q值。然而一個(gè)值得 注意的問題是，使用高Q值諧振環(huán)路將直接降低讀寫器至標(biāo)簽鏈路帶寬。低帶寬將造成NFC 信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度和接收幅度過低，嚴(yán)重影響通信性能。為解決這個(gè)問題，NFC讀寫器接口和NFC 標(biāo)簽接口應(yīng)分別采用兩套諧振環(huán)路分別對(duì)應(yīng)不同Q值需求。
[0090] 在NFC讀寫器接口和NFC標(biāo)簽接口距離較遠(yuǎn)時(shí)，為避免NFC標(biāo)簽接口的負(fù)載對(duì)通信 性能的影響（降低環(huán)路Q值），能量傳輸需要被禁用。這可以通過在NFC標(biāo)簽接口上檢測(cè)磁場(chǎng) 強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。只有當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，負(fù)載才會(huì)被接入電路。
[0091] NFC讀寫器接口設(shè)計(jì)：
[0092] 現(xiàn)介紹NFC讀寫器接口設(shè)計(jì)。圖6為該NFC讀寫器接口一種實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)圖。
[0093]天線601是高Q值線圈（Q>100)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)以及發(fā)送和接收NFC信號(hào)；可調(diào) 匹配電路602將天線601的阻抗調(diào)節(jié)至合適值，以改善能量傳輸效率和調(diào)節(jié)傳輸功率;其具 有兩種模式，高Q模式和低Q模式，可分別將天線諧振環(huán)路調(diào)諧至高Q值(Q>50)和低Q值(Q〈 25)以優(yōu)化性能；調(diào)制器604把待發(fā)送的NFC數(shù)據(jù)根據(jù)NFC協(xié)議調(diào)制為NFC信號(hào)，通過天線驅(qū)動(dòng) 603傳送到天線601上；其中天線驅(qū)動(dòng)603為射頻放大器，具有很低的輸出阻抗，以提高能量 傳輸效率;解調(diào)器609通過天線601的電流強(qiáng)度感知被動(dòng)NFC接口由負(fù)載調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)，并 將該信號(hào)解調(diào);MCU內(nèi)核607控制整個(gè)NFC讀寫器接口的工作，其任務(wù)包括根據(jù)NFC協(xié)議組織 NFC數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、與片外設(shè)備的通信、片上組件的管理與控制等等;數(shù)據(jù)接口 605為該NFC 讀寫器與片外設(shè)備通信的接口，一般為通用串行數(shù)據(jù)接口，如SPI，I2C等;FIF0606為數(shù)據(jù)接 口 605與MCU內(nèi)核607之間的橋梁，作為雙向通信的數(shù)據(jù)暫存器;時(shí)鐘系統(tǒng)608產(chǎn)生該NFC讀寫 器接口所需的所有時(shí)鐘，包括13.56Mhz載波頻率;片上電源管理產(chǎn)生片上組件所需的所有 電源。
[0094]該NFC讀寫器接口設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)NFC讀寫器接口最主要的區(qū)別是天線諧振環(huán)路。 該天線諧振環(huán)路可在兩種模式下工作，即高Q值模式和低Q值模式。在即高Q值模式下，天線 諧振環(huán)路具有高Q值低帶寬，13.56Mhz的無線信號(hào)可以以極低的損耗被天線福射出去。在低 Q值模式下，天線諧振環(huán)路具有低Q值高帶寬，適合NFC信號(hào)的發(fā)射。這兩個(gè)模式可以被實(shí)時(shí) 切換，切換由NFC讀寫器接口的MCU控制。由于該NFC讀寫器接口設(shè)計(jì)沒有變動(dòng)通信協(xié)議，故 其完全兼容現(xiàn)有NFC標(biāo)準(zhǔn)，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)NFC標(biāo)簽通信。
[0095]下面介紹該天線諧振環(huán)路的一種實(shí)現(xiàn)方案。圖7為該方案的簡(jiǎn)化電路圖。天線驅(qū)動(dòng) 701為低輸出阻抗射頻功率放大器，輸出阻抗應(yīng)小于5歐姆;天線匹配電路702變換天線705 的阻抗，以控制輸出功率；由于天線匹配電路702內(nèi)的元件會(huì)帶來能量損耗，該電路應(yīng)采取 盡量簡(jiǎn)單的形式；圖7上所示天線匹配電路702為PI型匹配電路，但實(shí)際上任何形式的變換 電路均可工作，包含L型以及單一電容元件的匹配電路;Q調(diào)節(jié)電阻703配合射頻開關(guān)704控 制該天線諧振環(huán)路的工作模式，開關(guān)斷開時(shí)電路具有高Q值，開關(guān)閉合時(shí)具有低Q值;Q調(diào)節(jié) 電阻的具體值需在具體天線的阻抗匹配電路的參數(shù)下計(jì)算。
[0096]天線705需滿足三個(gè)條件以達(dá)到理想的能量傳輸效率和通信性能。一，天線705連 接匹配702后在13.56Mhz諧振?？紤]到天線705內(nèi)部諧振電容受實(shí)際值的限制、寄生電容的 影響以及與接收天線的互感，天線705的電感值不能太大，否則無法在13.56Mhz諧振。然而， 過低的電感值會(huì)導(dǎo)致低的Q值，故電感值一般在luH到10uH之間比較合適。二，天線705有盡 可能高的Q值。提高Q值的方法包括使用具有較大截面積的天線，降低天線的寄生電容，使用 阻抗較低的天線材料等等。三，天線705需要有合適的面積以提供與發(fā)射天線足夠的耦合。 針對(duì)典型NFC應(yīng)用，天線705的面積須在100mm 2至5000mm2之間。
[0097]該NFC讀寫器接口需要實(shí)時(shí)切換工作模式以配合當(dāng)前工作狀態(tài)。該接口絕大多數(shù) 時(shí)間工作于高Q值模式以實(shí)現(xiàn)高效率能量傳輸。圖8為該NFC讀寫器接口的模式控制狀態(tài)機(jī)。 該接口在上電復(fù)位后的初始模式是高Q值模式。復(fù)位U秒后，射頻接口開啟，未調(diào)制的 13.56Mhz載波被天線功率放大后通過匹配電路經(jīng)天線發(fā)送出去。該信號(hào)在NFC讀寫器接口 附近產(chǎn)生了一個(gè)13.56Mhz的交變磁場(chǎng)。NFC標(biāo)簽接口可接收磁場(chǎng)的能量為自身充電。在開始 發(fā)送載波后，NFC讀寫器接口需等待丨 2秒，待NFC標(biāo)簽接收到足夠能量維持自身操作后，才可 以發(fā)送數(shù)據(jù)包。t3秒后，NFC讀寫器接口切換至低Q值模式，并通過天線發(fā)送調(diào)制好的信號(hào)。 在信號(hào)發(fā)送完畢后，NFC讀寫器切換回高Q值模式并等待至少t 3秒，以便接收NFC標(biāo)簽信號(hào)。 NFC標(biāo)簽必須t3秒內(nèi)回應(yīng)。若有標(biāo)簽回應(yīng)，則NFC讀寫器接口接收信號(hào)，并可在接收完成t 6秒 后發(fā)送下個(gè)數(shù)據(jù)包。若NFC讀寫器在t3秒內(nèi)沒有收到NFC標(biāo)簽信號(hào)，NFC讀寫器需切換到另外 一種調(diào)制方式在〖 5后再次發(fā)送。這樣做的目的是為了支持多種不同協(xié)議的標(biāo)簽。若NFC讀寫 器試過所有的調(diào)制方式仍沒有標(biāo)簽回應(yīng)，則認(rèn)為附近沒有標(biāo)簽。此時(shí)NFC讀寫器停止載波發(fā) 送并關(guān)閉射頻接口以節(jié)省能量。NFC讀寫器在t 4秒后重新開啟射頻接口并發(fā)送載波，重復(fù)以 上所述步驟。以上"至"的設(shè)置應(yīng)參照NFC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。
[0098] NFC標(biāo)簽接口設(shè)計(jì)：
[0099] 現(xiàn)介紹NFC標(biāo)簽接口的設(shè)計(jì)。圖9為該NFC標(biāo)簽接口的第一種實(shí)現(xiàn)方案。
[0100] 天線901為高Q值線圈天線，負(fù)責(zé)接收交變磁場(chǎng)的能量和NFC讀寫器接口發(fā)來的調(diào) 制的信號(hào)，其最小尺寸為10mmX 10mm;可調(diào)匹配電路902將天線901的阻抗調(diào)節(jié)至合適值;其 具有兩種模式，高Q模式和低Q模式，可分別將天線諧振環(huán)路調(diào)諧至高Q值(Q>50)和低Q值(Q〈 25)以優(yōu)化性能;解調(diào)器903將接收到的信號(hào)解調(diào)，恢復(fù)為原始信息；負(fù)載調(diào)制電路905根據(jù) 待發(fā)送的信息，改變天線901的負(fù)載來實(shí)現(xiàn)對(duì)交變磁場(chǎng)的調(diào)制;數(shù)據(jù)接口 904通過數(shù)據(jù)總線 與外圍器件通信，配置該被動(dòng)NFC標(biāo)簽接口，以及交換接收到的和待發(fā)送的NFC原始信息;整 流穩(wěn)壓電路906將接收到的交變磁場(chǎng)的能量整流和穩(wěn)壓后，通過能量采集接口 907發(fā)送給外 圍器件;整流穩(wěn)壓電路906具有一個(gè)開關(guān)可以控制負(fù)載的接入與斷開。
[0101] 該NFC標(biāo)簽接口設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)NFC標(biāo)簽接口最主要的區(qū)別是天線諧振環(huán)路。該天 線諧振環(huán)路可在兩種模式下工作，即高Q模式和低Q模式。在高Q模式下，天線諧振環(huán)路具有 高Q值低帶寬，13.56Mhz的無線信號(hào)可以以極低的損耗被天線接收。在低Q模式下，天線諧振 環(huán)路具有低Q值高帶寬，適合NFC信號(hào)的接收。這兩個(gè)模式可以根據(jù)NFC標(biāo)簽接口工作狀態(tài)被 實(shí)時(shí)切換。由于該NFC標(biāo)簽接口設(shè)計(jì)沒有變動(dòng)通信協(xié)議，故其完全兼容現(xiàn)有NFC標(biāo)準(zhǔn)，可以與 任何標(biāo)準(zhǔn)NFC讀寫器通信。
[0102] 下面介紹該天線諧振環(huán)路及附屬電路的一種實(shí)現(xiàn)方案。圖10為該方案的簡(jiǎn)化電路 圖。天線1005與匹配電路1004組成天線諧振環(huán)路;為降低匹配電路的損耗，匹配電路1004可 由T型、PI型、L型電路，甚至單一電容構(gòu)成，圖10上所示匹配1004為單一并聯(lián)的電容；電阻 1006與開關(guān)1007構(gòu)成Q值調(diào)節(jié)電路，其中電阻1006為固定阻值電容，開關(guān)1007為RF開關(guān)；電 阻1006的阻值應(yīng)根據(jù)天線1005與匹配電路1004的參數(shù)計(jì)算，使開關(guān)1007閉合后，該諧振環(huán) 路的Q值控制在25以內(nèi)；開關(guān)1007的開啟和閉合分別對(duì)應(yīng)該天線諧振環(huán)路的高Q模式和低Q 模式；電阻1003為調(diào)制負(fù)載，和開關(guān)1002-起構(gòu)成負(fù)載調(diào)制電路;整流電路1001將諧振環(huán)路 的能量整流后通過開關(guān)908送至穩(wěn)壓電路;整流電路1001即可使用二極管橋式整流，也可使 用同步整流電路;開關(guān)1008控制負(fù)載與諧振環(huán)路的連接;整流電路1001的輸入同時(shí)連接到 解碼器輸入電路上。
[0103] 天線1005需滿足三個(gè)條件以達(dá)到理想的能量傳輸效率和通信性能。一，天線1005 連接匹配1004后在13.56Mhz諧振?？紤]到天線905內(nèi)部諧振電容受實(shí)際值的限制、寄生電容 的影響以及與接收天線的互感，天線1005的電感值不能太大，否則無法在13.56Mhz諧振。然 而，過低的電感值會(huì)導(dǎo)致低的接收功率，故電感值一般在luH到1 OuH之間比較合適。二，天線 1005有盡可能高的Q值。提高Q值的方法包括使用具有較大截面積的天線，降低天線的寄生 電容，使用阻抗較低的天線材料等等。三，天線1005需要有合適的面積以提供與發(fā)射天線足 夠的耦合。針對(duì)典型NFC讀寫器接口的天線尺寸，天線1005的面積須在100mm 2至5000mm2之 間。
[0104] 負(fù)載調(diào)制電路需最大化負(fù)載變化范圍來提高使用小天線時(shí)的通信性能。開關(guān)1002 需具有隔離度高、插入損耗小的特點(diǎn)。電阻1003用來限制通過開關(guān)1002的電流，以防止其超 過最大功率而損壞。電阻1003的選擇應(yīng)根據(jù)開關(guān)1002的最大允許功耗與內(nèi)阻、NFC標(biāo)簽接口 的最大接收功率計(jì)算選擇。
[0105] 天線諧振環(huán)路的工作模式需根據(jù)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)選擇。能量采集和負(fù)載調(diào)制需要工 作在天線諧振環(huán)路處于高Q值時(shí)，而NFC信號(hào)接收需要工作在諧振環(huán)路處于低Q值時(shí)。圖11為 該NFC標(biāo)簽接口的模式控制狀態(tài)機(jī)。該接口在上電復(fù)位后的初始模式是低Q模式。復(fù)位后，該 接口反復(fù)探測(cè)NFC載波。若探測(cè)到NFC載波，則檢測(cè)載波強(qiáng)度是否大于A tl。若大于則切換至高 Q模式并將負(fù)載連接入諧振環(huán)路采集能量，否則則繼續(xù)在低Q模式并斷開負(fù)載。這是為了防 止磁場(chǎng)強(qiáng)度過低時(shí)強(qiáng)行接入負(fù)載降低通信性能。然后該接口檢測(cè)是否有NFC讀寫器接口發(fā) 送的調(diào)制信號(hào)。若未檢測(cè)到則保持在當(dāng)前模式下，并返回檢測(cè)載波步驟。若檢測(cè)到，則立即 切換到低Q值模式，并接收該NFC信號(hào)。接收完成后，立即切換到高Q模式下，并在七秒后通過 負(fù)載調(diào)制發(fā)送響應(yīng)信號(hào)。負(fù)載調(diào)制完成后，在高Q模式下檢測(cè)載波是否存在，若不存在則切 換到低Q模式下繼續(xù)檢測(cè)，否則繼續(xù)在高Q模式下工作并重復(fù)以上步驟。
[0106] At^At2需根據(jù)該NFC標(biāo)簽接口與NFC讀寫器接口在對(duì)其且較近距離時(shí)的實(shí)際值設(shè) 定，但A tl需大于At2，以防止NFC標(biāo)簽接口在兩個(gè)模式間震蕩。應(yīng)根據(jù)NFC接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)值 設(shè)定。
[0107] 由于這種方案當(dāng)能量采集進(jìn)行時(shí)檢測(cè)NFC讀寫器接口信號(hào)是在接收性能較差的高 Q模式下，而實(shí)際的信號(hào)接收是在低Q模式下，若信號(hào)調(diào)制速率較高時(shí)模式轉(zhuǎn)換完成后可能 已錯(cuò)過幾個(gè)調(diào)制符號(hào)，故此種方案在能量采集時(shí)只能使用NFC低速率協(xié)議(〈=106Kbps)。
[0108] 圖12為該NFC標(biāo)簽接口的第二種實(shí)現(xiàn)方案。
[0109] 該方案包含兩個(gè)天線，第一天線1201和第二天線1205,及兩個(gè)天線諧振環(huán)路，第一 諧振環(huán)路和第二諧振環(huán)路。第一天線1201與第一匹配電路1202構(gòu)成第一天線諧振環(huán)路，負(fù) 責(zé)讀寫器至標(biāo)簽鏈路的信號(hào)接收;第二天線1205與第二匹配電路1206構(gòu)成第二天線諧振環(huán) 路，負(fù)責(zé)能量接收和負(fù)載調(diào)制。其中第一諧振環(huán)路在13.56Mhz具有低Q值(〈25)，第二諧振環(huán) 路在13.56Mhz具有高Q值(Q>50)。接收器1203將第一諧振環(huán)路接收的信號(hào)解調(diào)，并發(fā)送到數(shù) 據(jù)接口 1204;負(fù)載調(diào)制電路1208按照數(shù)據(jù)接口從外部總線上取得的待發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)第二天線 1205的負(fù)載進(jìn)行調(diào)制;數(shù)據(jù)接口 1204作為接收器1203與負(fù)載調(diào)制電路1208與外圍器件交換 數(shù)據(jù)的通道，通過外部總線與外圍器件連接獲取和傳送數(shù)據(jù)，以及配置該被動(dòng)NFC標(biāo)簽接 口；整流穩(wěn)壓電路1207將接收到的交變磁場(chǎng)的能量整流和穩(wěn)壓后，通過能量采集接口 1209 發(fā)送給外圍器件;整流穩(wěn)壓電路1207具有一個(gè)開關(guān)可以控制負(fù)載的接入與斷開。
[0110] 該NFC標(biāo)簽接口設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)NFC標(biāo)簽接口以及第一種實(shí)現(xiàn)方案的最主要區(qū)別 是包含第一諧振環(huán)路和第二諧振環(huán)路兩個(gè)分別具有低Q值和高Q值的天線諧振環(huán)路。第一諧 振環(huán)路的低Q值可以提供很寬的接收帶寬，而第二諧振環(huán)路的高Q值可以提供很高的能量傳 輸效率。這兩個(gè)諧振環(huán)路可以同時(shí)工作，故可省去第一種實(shí)現(xiàn)方案中復(fù)雜的切換電路與控 制邏輯。由于無需切換，第二種實(shí)現(xiàn)方案可以支持現(xiàn)有NFC的全部傳輸速率。由于該NFC標(biāo)簽 接口設(shè)計(jì)沒有變動(dòng)通信協(xié)議，故其完全兼容現(xiàn)有NFC標(biāo)準(zhǔn)，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)NFC讀寫器通信。
[0111] 下面介紹該天線諧振環(huán)路及附屬電路的一種實(shí)現(xiàn)方案。圖13為該方案的簡(jiǎn)化電路 圖。天線1310與電容1311以及電阻1309組成第一諧振環(huán)路；電阻1309的作用是當(dāng)天線1310Q 值太高時(shí)用來降低第一諧振環(huán)路的Q值;第一諧振環(huán)路的Q值應(yīng)控制在25以下；第一諧振環(huán) 路的輸出接NFC接收器;天線1306與匹配電路1304組成第二諧振環(huán)路;為降低匹配電路的損 耗，匹配電路1304可由T型、PI型、L型電路，甚至單一電容構(gòu)成，圖13上所示匹配電路1304為 單一并聯(lián)的電容;第二諧振環(huán)路的Q值應(yīng)控制在50以上；電阻1303為調(diào)制負(fù)載，和開關(guān)1302 一起構(gòu)成負(fù)載調(diào)制電路;整流電路1301將諧振環(huán)路的能量整流后通過開關(guān)1308送至穩(wěn)壓電 路;整流電路1301即可使用二極管橋式整流，也可使用同步整流電路;開關(guān)1308控制負(fù)載與 諧振環(huán)路的連接;整流電路1301的輸入同時(shí)連接到解碼器輸入電路上。
[0112] 在該NFC標(biāo)簽接口設(shè)計(jì)方案中，由于只有第二諧振環(huán)路接收的能量才可以被收集 和利用（第一諧振環(huán)路接收的能量最終將轉(zhuǎn)化為熱能而損耗），為了提高能量接收功率，第 一諧振環(huán)路需盡可能的減少接收的能量（只需滿足接收器靈敏度即可）。具體來講，需要盡 可能降低第一諧振環(huán)路在接受13.56Mhz信號(hào)時(shí)的電壓。第一諧振環(huán)路必須至少具有以下性 質(zhì)之一以降低接收的能量。第一，在13.56Mhz具有低Q值(〈25)。這可通過調(diào)節(jié)電阻1309實(shí) 現(xiàn)，或調(diào)節(jié)電容1311的值使第一諧振電路的諧振頻率脫離13.56Mhz。第二，低天線電感值(〈 4uH)。低天線電感值可降低與NFC讀寫器接口天線的互感值，從而降低第一諧振環(huán)路的震蕩 電壓值。這可通過使用圈數(shù)很少的天線，減小天線面積等實(shí)現(xiàn)。第三，與NFC讀寫器接口天線 低耦合。低耦合也可降低與NFC讀寫器接口天線的互感值，從而降低第一諧振環(huán)路的震蕩電 壓值。這可通過減小天線面積，調(diào)節(jié)天線位置，增大與發(fā)射天線的距離實(shí)現(xiàn)。
[0113] 負(fù)載調(diào)制電路需最大化負(fù)載變化范圍來提高使用小天線時(shí)的通信性能。開關(guān)1302 需具有隔離度高、插入損耗小的特點(diǎn)。電阻1303用來限制通過開關(guān)1302的電流，以防止其超 過最大功率而損壞。電阻1303的選擇應(yīng)根據(jù)開關(guān)1302的最大允許功耗與內(nèi)阻、NFC標(biāo)簽接口 的最大接收功率計(jì)算選擇。
[0114] 對(duì)于第二諧振電路，為了使其可以盡可能多的接收能量，天線1306與匹配1304需 滿足四個(gè)條件。一，天線1306連接匹配1304后在13.56Mhz諧振?？紤]到匹配1304內(nèi)部諧振電 容和電感受實(shí)際值的限制、寄生電容的影響以及與NFC讀寫器接口天線的互感，天線1306的 電感值不能太大，否則無法在13.56Mhz諧振。然而，過低的電感值會(huì)導(dǎo)致低的接收電壓，降 低總體效率。故電感值一般在luH到10uH之間比較合適。二，第二諧振電路有盡可能高的Q 值。這既要求天線1306有盡可能高的Q值，又要求匹配1304有盡可能低的損耗。提高天線Q值 的方法包括使用具有較大截面積的天線，降低天線的寄生電容，使用阻抗較低的天線材料 等等。降低匹配1304損耗的方法主要是使用盡可能簡(jiǎn)單的匹配電路，因?yàn)槠ヅ湓綇?fù)雜，產(chǎn)生 損耗的途徑越多。三，天線1306連接匹配1304后的輸出阻抗需與負(fù)載阻抗匹配，保證最大功 率傳輸。這可以通過調(diào)節(jié)匹配1304的參數(shù)實(shí)現(xiàn)。四，天線1306需要有合適的面積以提供與 NFC讀寫器接口天線足夠的耦合。針對(duì)典型NFC讀寫器接口的天線尺寸，天線1306的面積須 在 100mm2 至 5000mm2 之間。
[0115]圖14為該NFC標(biāo)簽接口的控制狀態(tài)機(jī)。該接口在上電復(fù)位后處于低功耗狀態(tài)等待 NFC載波。若探測(cè)到NFC載波，則檢測(cè)載波強(qiáng)度是否大于At。若大于則將負(fù)載連接入諧振環(huán)路 采集能量，否則則斷開負(fù)載。這是為了防止磁場(chǎng)強(qiáng)度過低時(shí)強(qiáng)行接入負(fù)載降低通信性能。然 后該接口檢測(cè)是否有NFC讀寫器接口發(fā)送的調(diào)制信號(hào)。若未檢測(cè)到則返回檢測(cè)載波步驟。若 檢測(cè)到，則接收該NFC信號(hào)。接收完成后，在t秒后通過負(fù)載調(diào)制發(fā)送響應(yīng)信號(hào)。負(fù)載調(diào)制完 成后，返回檢測(cè)載波步驟并重復(fù)以上步驟。At需根據(jù)該NFC標(biāo)簽接口與NFC讀寫器接口在對(duì) 其且較近距離時(shí)的實(shí)際值設(shè)定，保證負(fù)載接入后不會(huì)影響到通信穩(wěn)定性。"應(yīng)根據(jù)NFC接口 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括一 提供交變磁場(chǎng)的NFC讀寫器接口及一接收交變磁場(chǎng)用于自身充電的NFC標(biāo)簽接口。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信系統(tǒng)，其特征 在于，所述NFC讀寫器接口包括可實(shí)時(shí)切換的兩種工作模式，分別為讀寫器接口高Q值模式 及讀寫器接口低Q值模式； 所述讀寫器接口高Q值模式用于產(chǎn)生交變磁場(chǎng)對(duì)附近的NFC標(biāo)簽接口提供能量，以及接 收NFC標(biāo)簽接口發(fā)送的信號(hào)； 所述讀寫器接口低Q值模式用于發(fā)送調(diào)制好的信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信系統(tǒng)，其特征 在于，所述NFC標(biāo)簽接口包括可實(shí)時(shí)切換的兩種工作模式，分別為標(biāo)簽接口高Q值模式及標(biāo) 簽接口低Q值模式； 所述標(biāo)簽接口高Q值模式用于采集能量和發(fā)送NFC信號(hào)； 所述標(biāo)簽接口低Q值模式用于接收NFC讀寫器接口發(fā)送的信號(hào)。4. 一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信方法，其特征在于，所述方法包括 NFC讀寫器接口控制步驟及NFC標(biāo)簽接口控制步驟。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信方法，其特征 在于，所述NFC讀寫器接口控制步驟通過實(shí)時(shí)控制切換讀寫器接口高/低Q值模式，實(shí)現(xiàn)高效 能量發(fā)送及通信。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信方法，其特征 在于，所述NFC讀寫器控制步驟包括： A) 上電復(fù)位后，設(shè)置為讀寫器接口高Q值模式，發(fā)送13.56Mhz載波信號(hào)為附近的NFC標(biāo) 簽接口提供能量； B) 在發(fā)送載波信號(hào)丨2時(shí)間后，若NFC讀寫器接口有數(shù)據(jù)可以發(fā)送，則切換至讀寫器接口 低Q值模式，并在t7時(shí)間后開始調(diào)制載波發(fā)送數(shù)據(jù)，其中t 2大于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的載波開啟與 首次載波調(diào)制之間的最小時(shí)間間隔，t7為模式切換后載波幅度達(dá)到穩(wěn)定幅度90-110%所需 時(shí)間； C) 所述NFC讀寫器接口在發(fā)送完成后返回讀寫器接口高Q值模式，并等待t3時(shí)間，若檢測(cè) 到NFC標(biāo)簽接口的應(yīng)答信息，則接收該應(yīng)答信息，其中t 3大于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC讀寫器接 口發(fā)送信息與隨后NFC標(biāo)簽接口發(fā)送應(yīng)答信息之間的最大時(shí)間間隔； D) 若NFC讀寫器接口在發(fā)送信息后的t3時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到有NFC標(biāo)簽接口的應(yīng)答信息，則 NFC讀寫器接口嘗試按原調(diào)制方式重新發(fā)送、使用另一種調(diào)制方式重新發(fā)送，或停止載波發(fā) 送； 若NFC讀寫器接口接收到標(biāo)簽接口的應(yīng)答信息，則在t6時(shí)間后切換至讀寫器接口低Q值 模式發(fā)送下一條信息，t6大于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC標(biāo)簽接口發(fā)送應(yīng)答信息與NFC讀寫器接 口發(fā)送下一條信息之間的最大時(shí)間間隔； 若NFC讀寫器接口未檢測(cè)到有NFC標(biāo)簽接口的應(yīng)答信息，并在嘗試過所有調(diào)制方式、耗 盡所有重試次數(shù)后，認(rèn)為附近沒有NFC標(biāo)簽接口，并停止載波發(fā)送以節(jié)約能量； E) NFC讀寫器接口在停止載波發(fā)送后可于t4時(shí)間后再次發(fā)送載波信號(hào)并重新發(fā)送數(shù)據(jù)， t4根據(jù)允許的NFC標(biāo)簽接口探測(cè)延時(shí)和NFC讀寫器接口允許的探測(cè)功耗決定，一般為100毫 秒至1秒之間。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信方法，其特征 在于，所述NFC標(biāo)簽接口控制步驟包括： A) 所述NFC標(biāo)簽接口模擬前端在上電復(fù)位后設(shè)置為標(biāo)簽接口高Q值模式，并持續(xù)檢測(cè) NFC讀寫器接口發(fā)射的13.56Mhz載波信號(hào)是否存在； B) 若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到13.56Mhz載波信號(hào)并處于標(biāo)簽接口高Q模式時(shí)，則測(cè)量該 接收的載波信號(hào)的強(qiáng)度是否大于A t2,若大于則閉合穩(wěn)壓整流電路內(nèi)的開關(guān)，使負(fù)載接入電 路開始能量采集，否則則斷開該開關(guān)禁止能量采集，并切換至標(biāo)簽接口低Q值模式，所述A t2 大于負(fù)載接入電路不會(huì)影響通信性能的信號(hào)強(qiáng)度； 若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到13.56Mhz載波信號(hào)并處于標(biāo)簽接口低Q模式時(shí)，則測(cè)量該接 收的載波信號(hào)的強(qiáng)度是否大于Atl，若大于則閉合穩(wěn)壓整流電路內(nèi)的開關(guān)，使負(fù)載接入電路 開始能量采集并切換至標(biāo)簽接口高Q值模式，否則則斷開該開關(guān)禁止能量采集，所述A tl大于 負(fù)載接入電路不會(huì)影響通信性能的信號(hào)強(qiáng)度，并且Atl大于At2; C) 所述NFC標(biāo)簽接口在檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度后，檢測(cè)載波上是否存在由NFC讀寫器接口調(diào)制的 信號(hào)，若不存在則保持當(dāng)前模式，并循環(huán)執(zhí)行載波檢測(cè)、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制和調(diào) 制信號(hào)檢測(cè)步驟，并根據(jù)結(jié)果選擇諧振環(huán)路工作模式； 若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到載波上存在由NFC讀寫器接口調(diào)制的信號(hào)，則立即切換到標(biāo) 簽接口低Q值模式進(jìn)行接收； D) 所述NFC標(biāo)簽接口在接收完NFC讀寫器接口發(fā)送的調(diào)制信號(hào)后，立即切換為標(biāo)簽接口 高Q值模式，并在ti時(shí)間內(nèi)使用負(fù)載調(diào)制發(fā)送應(yīng)答信息，其中ti小于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC讀 寫器接口發(fā)送信息和NFC標(biāo)簽接口發(fā)送應(yīng)答信息的最大時(shí)間間隔； E) 所述NFC標(biāo)簽接口在發(fā)送完應(yīng)答信息后，返回載波檢測(cè)步驟，并循環(huán)執(zhí)行載波檢測(cè)、 信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制和調(diào)制信號(hào)檢測(cè)步驟，并根據(jù)結(jié)果選擇諧振環(huán)路工作模式。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的另一種優(yōu)化能量采集及實(shí)現(xiàn)小尺寸天線的NFC通信方法，其特 征在于，所述NFC標(biāo)簽接口控制步驟包括： A) 所述NFC標(biāo)簽接口模擬前端在上電復(fù)位后持續(xù)檢測(cè)NFC讀寫器接口發(fā)射的13.56Mhz 載波信號(hào)是否存在； B) 若所述NFC標(biāo)簽接口檢測(cè)到13.56Mhz載波信號(hào)，則測(cè)量該載波信號(hào)的強(qiáng)度是否大于 At，若大于則閉合穩(wěn)壓整流電路內(nèi)的開關(guān)，使負(fù)載接入電路開始能量采集，否則則斷開該開 關(guān)禁止能量采集，所述At大于負(fù)載接入電路不會(huì)影響通信性能的信號(hào)強(qiáng)度； C) 所述NFC標(biāo)簽接口在檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度后，檢測(cè)載波上是否存在由NFC讀寫器接口調(diào)制 的信號(hào)，進(jìn)行接收，否則則循環(huán)執(zhí)行載波檢測(cè)、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制和調(diào)制信號(hào)檢 測(cè)步驟； D) 所述NFC標(biāo)簽接口在接收完NFC讀寫器接口發(fā)送的調(diào)制信號(hào)后，在七時(shí)間后使用負(fù)載 調(diào)制發(fā)送應(yīng)答信息，其中ti小于NFC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的NFC讀寫器接口發(fā)送信息和NFC標(biāo)簽接口 發(fā)送應(yīng)答信息的最大時(shí)間間隔； E) 所述NFC標(biāo)簽接口在發(fā)送完應(yīng)答信息后，返回載波檢測(cè)步驟，并循環(huán)執(zhí)行載波檢測(cè)、 信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、負(fù)載接入控制和調(diào)制信號(hào)檢測(cè)步驟。
【文檔編號(hào)】H04B5/00GK105897313SQ201610203930
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月1日
【發(fā)明人】王清斌
【申請(qǐng)人】王清斌