射频识别设备系统

摘要

被动应答器(10)包括谐振器电路(16)以接收供电信号，从而通过感应耦合将电能提供到应答器(10)。谐振器电路(16)在高Q因子模式和低Q因子模式之间是可切换的，在高Q因子模式中谐振器电路(16)中的感应电压衰减缓慢，在低Q因子模式中谐振器电路(16)中的感应电压衰减较快。应答器(10)包括电力存储装置(24)以存储从供电信号所获得的电能的至少一部分。

权利要求

1.一种被动应答器，其包括谐振器电路以接收供电信号，从而通过感应耦合向应答器提供电能，所述谐振器电路在高Q因子模式和低Q因子模式之间是可切换的，在所述高Q因子模式中所述谐振器电路中的感应电压缓慢减弱，在所述低Q因子模式中所述谐振器电路中的感应电压减弱较快，且所述应答器包括电力存储装置以存储从所述供电信号所获得的电能的至少一部分，所述谐振器电路具有用于感应耦合到询问器天线的应答器天线线圈，从所述询问器天线传送或可传送一系列射频信号，所述一系列射频信号包括前导的供电信号和尾随的调制数据信号，并且所述电力存储装置可操作用于存储在所述前导的供电信号传送期间由所述应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分，所述应答器还包括：解调装置，用于所述尾随的调制数据信号的解调；以及

Q因子控制器，用于在所述高Q因子模式和所述低Q因子模式之间改变所述谐振器电路的Q因子，在所述高Q因子模式中所述应答器天线线圈被配置成接收所述供电信号，在所述低Q因子模式中所述谐振器电路被配置成接收所述调制数据信号。

2.根据权利要求1所述的被动应答器，其中所述电力存储装置包括电压整流器和存储电容器，用于对所述应答器的天线线圈上的感应电压进行整流，所述感应电压被施加以对所述存储电容器充电，从而存储在所述前导的供电信号传送期间由所述应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分。

3.根据权利要求1所述的被动应答器，其包括载波峰值检测器，用于检测或监测所述应答器谐振器电路的天线线圈上的感应电压的电压峰值并用于将代表所述检测的电压峰值的峰值信号中继到所述Q因子控制器。

4.根据权利要求3所述的被动应答器，其包括阻性负载，所述阻性负载可去除地电连接到所述谐振器电路以便在所述高Q因子模式和所述低Q因子模式之间改变所述谐振器电路的Q因子，在所述高Q因子模式中所述应答器天线线圈被配置成接收所述供电信号，在所述低Q因子模式中所述谐振器电路被配置成接收所述调制数据信号。

5.根据权要求3所述的被动应答器，其包括比较器，所述比较器被配置成或可被配置成包括用户确定的电压阈值，所述电压阈值与从所述载波峰值检测器中继的所述检测的电压峰值是可比的。

6.根据权利要求5所述的被动应答器，其中所述比较器可操作用于触发所述Q因子控制器，以当所述检测的电压峰值降低到所述电压阈值以下时将所述谐振器电路变成所述低Q因子模式，在所述低Q因子模式中所述谐振器电路被配置成接收所述调制数据信号。

7.根据权利要求4所述的被动应答器，其中所述阻性负载通过电开关的切换操作而可去除地电连接到所述谐振器电路。

8.根据权利要求2所述的被动应答器，其中所述存储电容器可操作用于将电力提供到所述应答器的部件。

9.一种操作被动应答器的方法，所述方法包括：

应答器的谐振器电路接收供电信号，所述谐振器电路包括天线线圈并具有高Q因子模式，且所述谐振器电路所接收的电能的至少一部分被所述应答器器载地存储，所述应答器的所述谐振器电路接收所述供电信号包括接收来自询问器的前导的供电信号以便向所述应答器供电，在所述前导的供电信号的传送期间由所述应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分被存储；

降低所述谐振器电路的Q因子包括将所述应答器的所述谐振器电路切换到低Q因子模式；

在所述谐振器电路具有降低的Q因子的时段期间所述应答器的所述谐振器电路从所述询问器接收尾随的调制数据信号；以及对所述尾随的调制数据信号进行解调。

10.根据权利要求9所述的方法，其包括在接收所述前导的供电信号之前将所述谐振器电路切换到所述高Q因子模式。

11.根据权利要求10所述的方法，其中将所述应答器的所述谐振器电路切换到所述高Q因子模式和将所述应答器的所述谐振器电路切换到所述低Q因子模式分别包括从所述谐振器电路断开阻性负载或串联阻抗和将阻性负载或串联阻抗连接到所述谐振器电路。

12.根据权利要求9所述的方法，其中存储在所述前导的供电信号传送期间由所述应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分包括对所述谐振器电路的天线线圈上感应的电压进行整流，并对存储电容器进行充电以便在所述供电信号终止之后对所述应答器供电。

13.根据权利要求9所述的方法，其中将所述应答器的所述谐振器电路切换到所述低Q因子模式包括在所述供电信号终止之后监测所述应答器的天线线圈上的感应电压的减弱。

14.根据权利要求13所述的方法，其中与感应电压的减弱相对应的峰值信号被中继到比较器，所述比较器又将所述峰值信号与预定阈值进行比较。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述比较器响应所述峰值信号降低到预定阈值电压之下而将所述应答器的所述谐振器电路切换到所述低Q因子模式。

16.根据权利要求9所述的方法，其中所述应答器接收尾随的调制数据信号包括接收射频信号的脉冲串，所述射频信号的脉冲串包括表示数字数据的一系列不同的振幅。

说明书

技术领域

本发明涉及射频识别设备系统。特别地，本发明涉及被动应答器以及在询问器和被动应答器之间进行数据通信的方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，广义上说，提供一种被动应答器，所述被动应答器包括谐振器电路以接收供电信号，从而通过感应耦合将电能提供到应答器，谐振器电路可在高Q因子模式和低Q因子模式之间切换，在高Q因子模式中谐振器电路的感应电压缓慢减弱，在低Q因子模式中谐振器电路中的感应电压衰减较快，并且应答器包括电力存储装置以存储从供电信号所获得的电能的至少一部分。
更具体地，根据本发明的第一方面，提供一种被动应答器，在所述被动应答器中，所述谐振器电路具有应答器天线线圈以便感应耦合到询问器天线，通过所述询问器天线传送或可传送一系列射频信号，该一系列射频信号包括前导的供电信号和尾随的调制数据信号，并且所述电力存储装置可操作用以存储在前导的供电信号传送期间由应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分，该应答器还包括：
解调装置，用于尾随的调制数据信号的解调；以及
Q因子控制器，用于在所述高Q因子模式和所述低Q因子模式之间改变谐振器电路的Q因子，在所述高Q因子模式中应答器天线线圈被配置成接收供电信号，在所述低Q因子模式中谐振器电路被配置成接收调制数据信号。
在使用中，询问器的天线传送射频波以创建近似时变的电磁场。进入所述电磁场的被动应答器感应耦合到询问器，随后在形成应答器的一部分的谐振器电路的天线线圈上感应出电压。相对于对其它频率的响应，谐振器电路在接近其固有频率的频率处的响应或谐振要强烈得多，这样可以期望在应答器的供电期间使天线线圈上的电压感应最大化。
此外，期望即使在传送的射频信号(例如，前导的供电信号)终止之后，也可保持天线线圈上的感应电压，以便向应答器供电以执行相关功能。保持天线线圈上的电压的一种方法是将电负载的阻抗最大化或者将谐振器电路的串联阻抗最小化。
一般而言，在电谐振器电路或系统中，借助于Q因子(品质因子)来表示代表谐振器电路电阻抗效应的因子或者指示系统中用于谐振的阻抗的量的因子。与具有低Q因子的系统相比，具有高Q因子的系统在其谐振频率处以更大的振幅谐振。
另一方面，通过减少谐振器电路的电负载阻抗或增加谐振器电路的串联阻抗来阻尼谐振器电路，具有与上述效果相反的效果，即在谐振频率处以较小的振幅谐振。这将导致在来自询问器的射频信号终止之后，天线线圈上的感应电压迅速减弱。
因此，减少谐振器电路的Q因子(或增加阻尼能力)允许谐振器电路的天线线圈上的感应电压迅速减弱，而增加谐振器电路的Q因子便于谐振器电路的天线线圈上的感应电压在到来的射频信号终止之后缓慢减弱。
注意，谐振器电路的阻尼允许应答器的天线线圈上的感应电压迅速改变，可以认识到Q因子与谐振器电路的可允许带宽相关，并且Q因子可以被定义为谐振器电路的谐振频率(或中心频率)除以谐振器电路的带宽。中心频率(fc)是最大谐振处的频率(峰值频率)，而带宽(Δf)被定义为中心频率(fc)的任一侧(f1，f2)上的3dB的水平改变。在数学上被定义为$Q=\frac{f_c}{f_2-f_1}=\frac{f_c}{\mathrm{\Delta f}}.$因此，换句话说，可以通过增加中心频率(fc)或通过减小带宽(Δf)来提高Q因子。如上所述，阻尼减小Q因子。
电力存储装置可以包括电压整流器和存储模块(例如存储电容器)，用于对应答器的天线线圈上的感应电压进行整流，该感应电压可以被施加以给存储电容器充电，从而存储在前导的供电信号的传送期间由应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分。
当存储电容器被充电时并且在供电信号终止之后，应答器电路的天线线圈上的感应电压以高Q因子的特性减弱(即相当缓慢)。应答器可以包括载波峰值检测器，用于对应答器谐振器电路的天线线圈上的感应电压的电压电平或峰值进行检测或监测，并用于将表示所述所检测电压峰值的峰值信号中继到Q因子控制器。
Q因子控制器可以包括阻性负载，该阻性负载可去除地电连接到谐振器电路，以便在高Q因子模式和低Q因子模式之间改变谐振器电路的Q因子，在高Q因子模式中，应答器天线线圈被配置成接收供电信号，在低Q因子模式中，谐振器电路被配置成接收调制数据信号。
应答器可以包括比较器，该比较器可以被配置或可被配置成包括用户确定的电压阈值，该电压阈值与从载波峰值检测器中继的所检测的电压峰值是可比的，在这种情况下，比较器触发Q因子控制器以在所检测的电压峰值降低到电压阈值以下时将谐振器电路改变为其低Q因子模式，在低Q因子模式中，谐振器电路被配置成接收调制数据信号。
阻性负载可以通过诸如晶体管的电开关的开关操作而可去除地电连接到谐振器电路。由此，存储电容器可以将电功率提供到应答器的部件，并且谐振器电路可以被切换到其低Q因子模式，在低Q因子模式中，谐振器电路被配置成接收调制数据信号。
在本发明的一个实施例中，应答器还包括用于将数据传送到询问器的附加谐振器电路。在这种情况下，第一谐振器电路可以用于接收来自询问器的供电信号和调制数据信号，而形成应答器发射器电路的一部分的附加谐振器电路或第二谐振器电路可以用于将数据传送到询问器。
应答器还可以包括数字处理装置和数字存储器存储模块，所述数字处理装置包括用于连接到数字外围设备的数字接口。
广义上说，根据本发明的第二方面，提供了一种操作被动应答器的方法，该方法包括：
应答器的谐振器电路接收供电信号，谐振器电路具有高Q因子，并且谐振器电路所接收的电能的至少一部分通过应答器被器载地(onboard)存储；
降低谐振器电路的Q因子；以及
应答器的谐振器电路在当谐振器电路具有降低的Q因子的时段期间接收调制数据信号。
更具体地，根据本发明的第二方面，提供一种操作被动应答器的方法，其中：
应答器的所述谐振器电路接收所述供电信号包括：接收来自询问器的前导的供电信号以便向应答器供电，谐振器电路包括天线线圈并且具有高Q因子模式，在前导的供电信号发送期间由应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分被存储；
降低谐振器电路的Q因子包括将应答器的谐振器电路切换到低Q因子模式；以及
应答器的谐振器电路接收调制数据信号包括接收来自询问器的尾随的调制数据信号；
该方法还包括对尾随的调制数据信号进行解调。
该方法可以包括在接收前导的供电信号之前，将谐振器电路切换到高Q因子模式。
将应答器的谐振器电路切换到高Q因子模式和将应答器的谐振器电路切换到低Q因子模式可以分别包括将阻性负载或串联阻抗与谐振器电路断开和将阻性负载或串联阻抗连接到谐振器电路。
存储在前导的供电信号的传送期间由应答器天线线圈的感应耦合所感应的电能的至少一部分可以包括对谐振器电路的天线线圈上所感应的电压进行整流，以及对存储电容器进行充电以便在供电信号终止之后将向应答器供电。
将应答器的谐振器电路切换到低Q因子模式可以包括在供电信号终止之后监测应答器的天线线圈上的感应电压的减弱。与感应电压的减弱相对应的峰值信号可以被中继到比较器，所述比较器又将峰值信号与预定阈值进行比较。比较器可以响应峰值信号降低到预定阈值电压以下而将应答器的谐振器电路切换到其低Q因子模式。
应答器接收尾随的调制数据信号可以包括接收射频信号的脉冲串(burst)，所述射频信号包括代表数字数据的一系列变化的振幅，例如可以使用振幅调制技术，在这种情况下，传送的信号的高振幅表示数字1，而传送的信号的较低振幅或零振幅表示数字0，反之亦然。
该方法可以包括通过传送应答器的数字地址作为调制数据信号的一部分来唯一地对应答器进行编址。应该认识到在这种情况下，应答器通过将其唯一的地址发送到询问器来以传统的方式通告其本身。在其它应答器存在于询问器的询问范围中时，如果该传送不是针对它们则其它应答器仅丢弃来自调制数据信号的数据。

附图说明

现在参考附图，借助于示例来对本发明进行说明，其中：
图1是根据本发明的包括被动应答器的射频识别系统的示意性框图；
图2是示出询问器所传送的一系列无线电波并示出与图1中的应答器的天线线圈上的感应电压相对应的峰值电压信号的图形；以及
图3是根据本发明的被动应答器的另一实施例的示意性框图。

具体实施方式

在附图的图1中，一般来说，附图标记10表示射频识别系统，所述射频识别系统包括根据本发明的被动应答器12和询问器14。
应答器12包括一般由附图标记16来表示的谐振器电路，所述谐振器电路包括应答器天线线圈18和与天线线圈18以并联关系连接的应答器调谐电容器20，因而形成并联LC谐振电路。
在使用中，应答器天线线圈18用于与询问器天线线圈22感应耦合，且从询问器天线线圈22传送一系列射频信号。
询问器14的询问器天线线圈22传送射频波以创建近似时变的电磁场。进入所述电磁场的被动应答器12感应耦合到询问器14，随后在应答器12的谐振器电路16的天线线圈18上感应出电压。
与电路16对其它频率的响应相比，所调谐的谐振器电路16在接近其固有频率(fc)的频率处的响应或谐振要强烈得多，该固有频率对应于所传送的射频信号的频率，这样可期望使天线线圈18上的电压感应最大化。
期望可以在传送的射频信号终止之后保持天线线圈18上的感应电压，以便向应答器12供电以执行其相关功能。便于保持天线线圈18上的感应电压的一种方法是将负载阻抗最大化或者将谐振器电路16的串联阻抗最小化。
另一方面，期望可以在对应答器12进行无线数据通信时允许天线线圈18上的感应电压迅速减弱，从而增加应答器12的可能的数据通信速率或带宽(例如，频率响应)。
本领域技术人员可以认识到，在电谐振器电路或系统中，借助于Q(品质)因子来表示代表谐振器电路的电阻抗(或能量损失的其它原因)的效果的因子或者指示系统中用于谐振的阻抗的量的因子。Q因子还表示，与非谐振频率处的振幅相比，系统在其谐振频率处被激励时系统振幅增加的程度。
通过减小负载阻抗或增加谐振器电路的串联电阻来阻尼谐振器电路具有与上述效果相反的效果，即，在其谐振频率处以较小的振幅谐振。这将导致在从询问器接收的射频信号终止之后在天线线圈上的感应电压迅速减弱。
因此，减少谐振器电路的Q因子(或增加阻尼能力)允许在谐振器电路的天线线圈上的感应电压迅速减弱，而增加谐振器电路的Q因子便于在传送的射频信号终止之后在谐振器电路的天线线圈上的感应电压缓慢减弱。
参考图2，附图标记40表示从询问器14传送的射频信号脉冲串。该RF信号40的脉冲串包括前导的供电信号42和尾随的调制数据信号44。调制数据信号44为振幅调制信号的形式，其中较高的振幅部分46代表数字1，而较低振幅或零振幅部分48表示数字0。
被动应答器在供电信号42传送期间被上电(power up)，此后，在调制数据信号44传送期间开始数据通信。可以认识到，要求被动应答器12频繁上电以向被动应答器12提供电力，以便实现与被动应答器12的数据通信。被动应答器12的频繁上电减少了在数据可被发送到应答器期间可用的时隙长度。
因此，应答器12包括一般用附图标记24来表示的电力存储装置，以便存储在前导的供电信号42传送期间由应答器天线线圈18的感应耦合所产生的电能的至少一部分，从而在对应答器12的数据通信操作期间提供器载的电力供应。与通过更为频繁地发送上电信号来更频繁地对应答器12进行上电相比，以这种方式存储电力允许从存储设置24向应答器供应更长持续时间的电力，其结果是允许更长的时隙以便传送调制数据信号44，这又便于对应答器12进行更快的数据通信。
电力存储装置24包括用于对谐振器电路16的天线线圈18上的感应电压进行整流的电压整流器30，经整流的电压被施加以对存储电容器26充电，以便存储在前导的供电信号42传送期间由应答器天线线圈18的感应耦合所产生的电能的至少一部分。
在使用中，当存储电容器26被充电时且在供电信号42终止之后，谐振器电路16的天线线圈18上的感应电压以谐振器电路16的Q因子特性减弱。
此外，期望谐振器电路16允许高的数据通信传送速率。根据本发明，这通过以下过程来实现：将谐振器电路16的带宽变为其中谐振器电路16的天线线圈18上的感应电压迅速地改变或响应的模式，允许快速检测调制数据信号44的振幅改变，因此允许用于谐振器电路16并进而用于所传送的调制数据信号44的较高带宽。
因此，应答器12还包括一般由附图标记28表示的品质因子控制器，用于在高Q因子模式和低Q因子模式之间改变谐振器电路16的Q因子，在高Q因子模式中应答器天线线圈18接收供电信号42，在低Q因子模式中谐振器电路16接收调制数据信号44。
注意，谐振器电路的阻尼允许应答器的天线线圈上的感应电压迅速改变，可以认识到Q因子与谐振器电路的可允许带宽相关，并且Q因子可以被定义为谐振器电路的谐振频率(或中心频率)除以谐振器电路的带宽。因此，增加Q因子减少谐振器电路的带宽。
应答器12还包括载波峰值检测器32，用于检测或监测应答器谐振器电路16的天线线圈18上的感应电压的电压峰值，并用于将与感应电压相应的峰值电压信号中继到品质因子控制器28。
品质因子控制器28包括一般用附图标记38表示的阻性负载电路，其可去除地电连接到谐振器电路16，以便在高Q因子模式和低Q因子模式之间改变谐振器电路16的Q因子，在高Q因子模式中应答器天线线圈18接收供电信号42，在低Q因子模式中谐振器电路18接收调制数据信号44。
应答器12还包括比较器60，所述比较器60被配置成包括用户确定的电压阈值62，该电压阈值62与从载波峰值检测器32中继的所检测的电压峰值信号是可比的。比较器60是双重功能的；首先它触发品质因子控制器28以使谐振器电路在其低Q因子模式和高Q因子模式之间切换，如下面更为详细的描述；并且其次它在谐振器电路18接收调制数据信号44时识别调制数字数据。
在图示的本发明实施例中，阻性负载电路38包括两个电阻器34、36，每个电阻器34、36连接到应答器12的谐振器电路16的相关支路。阻性负载34、36通过开关各自电开关的切换来可去除地电连接到谐振器电路16，所述电开关是以MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管64、66的形式。
在使用中，应答器12包括用于从调制数据信号找回数据的解调器，下面进行更详细的说明。
与上述内容类似，在本发明的另一实施例中(见图3)，根据本发明的应答器100包括第一谐振器电路102、电存储装置106和框108中的品质因子控制器装置。另外，应答器100还包括用于将数据传送到询问器的第二谐振器电路104。在应答器100中，第一谐振器电路102用于接收供电信号和来自询问器的调制数据信号，且形成应答器发射器电路的一部分的第二谐振器电路104用于将数据传送到询问器。因而，应答器100可以是WO 02/091290中所描述的类型，WO 02/091290的全部内容结合于此，应答器100包括在此所述的发明特征。
应答器12包括数字处理装置68。数字处理装置68包括用于存储应答器12的数字地址的数据存储器；以及用于连接到数字外围设备(未示出)的数字接口。
在使用中，如果需要将数据从询问器14传送到应答器12，则从询问器14传送一系列射频信号40，所述一系列射频信号40包括供电信号42和调制数据信号44。
最初，应答器12的谐振器电路16由于晶体管64、66被关断使得电阻器34、36与谐振器电路16断开而处于高Q因子模式中。在谐振器电路16的高Q因子模式中，谐振器电路16的天线线圈18上电压感应被最大化以便对存储电容器26进行充电。
参考图2，图形80示出来两个曲线82、84。曲线82是来自峰值检测器32的峰值输出信号，所述峰值输出信号对应于谐振器电路16的天线线圈18上的感应电压。此后，将曲线82称为峰值电压82。曲线84是可由用户定义的恒定阈值电压，其被保持以作为阈值电路62中的比较器60的参考，此后将其称为阈值电压84。
在传送供电信号42期间，峰值电压在曲线82.1处是最大的。当供电信号42在图形80上的点86处被终止时，峰值电压82在曲线82.2处减弱，并且可以看出曲线82.2相对缓慢地减弱，这主要是由于谐振器电路16的高Q因子。
当峰值电压82在点88处降低到阈值电压84以下时，开关控制器61导通晶体管64、66以将电阻器34、36连接到应答器12的谐振器电路16，其作用是将谐振器电路16切换到低Q因子模式。如上所述，在这个低Q因子模式中，谐振器电路的阻尼能力增加，使得实现峰值电压更迅速的增加和降低，以作为传送的射频信号40的变化的结果。
图2中的调制数据信号44包括射频信号的三个短的脉冲串46。与供电信号42相比，每个脉冲串的持续时间相对较短；然而，由于谐振器电路16的低Q因子，峰值电压的波动更迅速。
一个高振幅脉冲串46的持续时间被选择成允许峰值输出电压的上升90，该上升90足够迅速使得可以在期望的短时段内上升到阈值电压84以上；而低振幅或零振幅48的持续时间被选择成允许到阈值电压84以下的降低92。同时，比较器60对峰值电压上升90和降低92进行比较，在阈值电压84之上的上升代表数字1，而在阈值电压84之下的降低代表数字0。与调制数据信号44相对应的数字1和0(数字数据)被中继到数字处理装置68。
所以，存储电容器26在数据通信期间向应答器12提供电力。
有利地，通过应答器12获得更快的数据通信速率，首先通过对存储电容器26进行充电以便向应答器部件供电，从而可以获得其中数据可以被传送到应答器12的更长持续时间的时隙，且其次通过在数据调制信号接收期间将谐振器电路16切换到低Q因子模式，该较低的Q因子允许峰值电压的迅速波动(即更快的频率响应)，使得信号的短脉冲串可以产生可以被检测和解调的峰值输出电压的足够的上升和降低。