专利名称：放大器调制的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线射频系统，更具体的，本发明涉及无线射频系统中的放大器调制。
背景无线射频识别(RFID)技术已被广泛地用于几乎每个行业，包括交通、制造、废物管理、邮件跟踪、航空行李核对系统和高速公路收费管理。RFID技术的一个普通应用是用在防止入店偷窃或非未经授权就移除商品的电子商品监视(EAS)系统中。具体地，EAS系统可用来检测经过激励场的EAS标记(标签)的存在。零售点、图书馆、音像店等利用RFID技术结合EAS系统来协助进行资产管理、组织和存货跟踪。
典型的RFID系统包括RFID标签、RFID阅读器和计算装置。RFID阅读器包括可传送能量或信息给标签的发送器、从标签接收身份和其它信息的接收器。计算装置处理RFID阅读器得到的信息。通常，接收到的来自标签的信息对特定的应用是明确的，但该信息也常常提供标签所附物品的识别标识，它可以是制成品、车辆、动物或个体，或几乎其它任何有形的物品。也可提供该物品的其它数据。在制造过程中，标签可用于，如指示制造过程中汽车底盘的油漆颜色和其它有用的信息。
发送器输出无线射频(RF)信号产生激励场，标签由此得到功率使得之能够返回携带信息的无线射频信号。标签使用预定义的协议进行通信，使得RFID阅读器能并行地或基本上同时地接收来自多标签的信息。计算装置作为信息管理系统而使用，接收来自RFID阅读器的信息并进行一些动作，如更新数据库或发出警报。另外，计算装置也作为用于经由发送器把数据编程进标签的一种装置。
为了传送数据，发送器和标签根据各种调制技术，包括振幅调制(AM)、相位调制(PM)、频率调制(FM)、频移键控(FSK)、脉冲位置调制(PPM)、脉冲宽度调制(PDM)和连续波调制(CW)，来调制载波。具体地，发送器利用放大器，典型为A类或A/B放大器来驱动带有已调制输出信号的天线。放大器需要，例如10瓦特的功率来产生只有一瓦特功率的无线射频信号。换句话说，传统的阅读器消耗超过9瓦特的功率来产生一瓦特的输出，导致只有大约10％的功效。这种放大器的散热要求和功率消耗不太适合很多的应用，包括那些要求低成本的手持RF阅读器。因此，虽然传统的手持阅读器有诸如100毫瓦等更小的功率输出，但它已经限制了通信范围并有着相似的功率无效性。
摘要总体而言，本发明涉及用于无线射频识别(RFID)应用的有效放大器。具体来说，本发明提供高效的放大器，只要很少的功率却有显著的调制带宽从而得到高数据通信速率。该放大器集成E类放大器的许多元件，而克服此种放大器中典型存在的带宽限制和其它限制。
在一个实施例中，本发明旨在提供用于产生调幅RF信号来与RFID标签进行通信的装置。该装置利用包括第一晶体管的E类放大器。第二晶体管用于连接并行于第一晶体管的电流路径。可通过串联电阻或其它方式来限制该路径中的电流。控制器有选择地控制第一和第二晶体管以得到在高调制带宽上的100％的幅度调制。
在另一个实施例中，本发明旨在提供用于产生具有少于100％幅度调制，诸如10％幅度调制的调幅RF信号的装置。该装置包括E类放大器，其具有第一晶体管和通过第一电阻耦合第一晶体管到供电电压的电感器。第二晶体管并行连接至第一电阻。控制器耦连至第一和第二晶体管。通过激活和停用第二晶体管，控制器改变供电电压，对所产生的RF信号进行幅度调制。
在另一个实施例中，本发明旨在提供无线射频识别(RFID)阅读器，其包括产生调幅信号的放大器。该放大器包括耦合第一晶体管一个电感器和通过第一电阻至电源的并联电容。放大器中的第二晶体管用于连接并行于第一晶体管的电流路径。第三晶体管并行连至第一电阻。控制器有选择地控制第一、第二和第三晶体管。RFID阅读器包括接收调幅信号和输出RF通信的天线。
在另一个实施例中，本发明旨在提供产生调幅信号的方法。在第一时间段中，E类放大器的第一晶体管在某一频率处被调制。当调制该第一晶体管时，并行连至第一晶体管的第二晶体管被停用。然后，在第二时间段中，第一和第二晶体管分别被同时停用和激活。
本发明提供有很多的优点。不同于传统的E类放大器被限制为相对狭窄的调制带宽，在此所述的本发明的放大器能取得大大增加的数据传送速率。具体地，传统的E类放大器的大的电感阻碍流经它的电流进行快速的幅度调制，因此也阻碍了由传统的E类放大器产生的RF能量的快速幅度调制。通过使用与第一晶体管并行的第二晶体管，以及有选择地激活和停用该晶体管，本发明放大器的电流在调制中不会如传统的E类放大器那样衰退和重建，而是电流水平保持相对稳定。另外，本发明的放大器比典型用于获得更高带宽的其它放大器需要更少的功率。因此，本发明减少了散热要求，因此降低了对昂贵的散热器和电池的需要。因此，该放大器可用于完全便携式的手持RFID阅读器，能符合需要更高调制频率的RFID标准。
本发明的一个或多个实施例的详情在下面随附的图和描述中阐明。本发明的其它特征、对象和优点从描述、图表和权利要求中将变得显然。
附图的简述
图1是一框图，示出实例无线射频识别(RFID)系统。
图2是一框图，示出实例RFID阅读器。
图3是一示意图，示出RFID阅读器中使用的实例放大器。
图4是图形，示出示例调幅信号。
图5是一示意图，示出RFID阅读器中使用的另一实例放大器。
图6是图形，示出另一调幅信号.
图7是一示意图，示出依照本发明的示例放大器。
详述图1是一框图，示出实例无线射频识别(RFID)系统2。RFID系统2包括通过无线射频信号16与标签14交互动作的RFID站(“station”)4。具体地，站4包括RFID阅读器(“reader”)12，通过天线15产生和接收RF通信16向标签14提供能量以及从标签14接收信息。阅读器12和标签14使用根据定义的诸如ISO/IEC14443和ISO/IEC15693标准等协议调幅的RF通信16进行通信。
站4提供工作站或其它计算环境来处理从标签14接收的信息，提供标签编程信息给阅读器12。站4包括，例如，通过通信链路13与阅读器12通信的处理器8。如图所示，阅读器12可内置、外置于站4，甚至可以是手持的便携式阅读器。因此，链路13可以是RS-232串行通信链路、无线链路或其它合适的连接，来与阅读器12交流信息。
处理器8维护表示各种物品、标签及相关信息的汇编数据11。通过输入装置10和显示器6，操作者与站4互动。处理器8接收操作者的输入，并响应而更新数据11。操作者可提供，例如身份标识或其它描述标签14所附的物品的信息。数据11可包含，例如存储物品条形码信息的条形码数据库。处理器8通过链路13传送信息给阅读器12，阅读器12输出适当的RF信号16对标签14编程。处理器8可存储数据11在任何合适的计算机可读介质上，如随机访问存储器(RAM)、非易失存储器、磁介质等等。
如下面的详述，阅读器12包括了需要很小功率而得到显著数据速率的高效放大器。具体地，放大器结合了E类放大器的许多元件，而克服此种放大器存在的调制带宽的限制。因此，RFID阅读器12能符合需要更宽调制带宽的RFID标准。放大器的效率和降低的功率要求使阅读器12能降低其大小和重量。因此，阅读器12可容易地集成到桌面工作站或诸如个人数据助理(PDA)等的便携式手持计算装置中。
图2是一框图，示出阅读器12的实施实例。通信接口22通过链路13接收站4的编程信息，并将这些信息送到控制器24。在传送过程中，控制器24通过控制线25命令放大器28高效地产生符合诸如100％的幅度调制等调制模式的调幅信号27。放大器28结合了E类放大器的许多元件，而克服此种放大器中存在的调制带宽的限制。
耦合器30接收信号27并将它提供给天线15用作RF通信息的发送。耦合器30也提供带有以通过天线15接收的进入的RF信息所代表的信号29的接收器32。接收器32通常通过调制信号29从其中抽取出数字信息，并将该信息送至控制器24用于通过通信接口22与站4的通信。
图3是一示意图，示出高效产生100％调幅信号用于天线15发送(图2)的实例放大器28。放大器28包括图3中由点线框出的组合为典型E类放大器的许多元件。具体地，电感器40用作放大器28的电流源，并耦连到供电电压34。放大器晶体管50连接电感器40至地，并且可以是金属氧化半导体场效应(MOSFET)晶体管，其漏极连至电感器40和而源极接地。
控制器24连至放大器晶体管50的栅极，其用作响应控制信号的开关。具体地，对放大器晶体管50的栅极施用正偏压使大电流从供电电压34经过电感器40流向地。并联电容52在从开到关的切换过程中保持放大器晶体管50漏极上的电压，从而避免开关损失。电阻53表示放大器28，即天线15(图2)的负载。设计电容器42、电感器48和电阻53使得放大器晶体管50的漏极电压在从关切换到开之前回退到0，同样避免了开关损失。
除了这些元件，放大器28包括耦合到电阻41而且并行连接至放大器晶体管50和并联电容52的的偏置晶体管39。如下面的详述，在放大器的晶体管50开通的时候，偏置晶体管39为来自电感器40的供电电流提供第二路径。具体地，偏置晶体管39漏极经由电阻41耦合至电感器40。偏置晶体管39的源极直接接地。
控制器24有选择地激活晶体管39和50使放大器28产生输出信号，其中该信号的包络被100％地幅度调制。具体地，控制器24在保持开通偏置晶体管39时，在诸如13.56MHZ的高频率切换放大器的晶体管50。切换放大器的晶体管50使能量被存储在电感器40内，并使电流周期性地通过放大器的晶体管50流动。结果是，放大器28产生有100％幅度包络的输出信号。
在切换放大器晶体管50一段时间后，控制器24于是在第二个时间段停用放大器晶体管50，并同时激活偏置晶体管39。在这过程中，电流经由电阻41和偏置晶体管39从电感器40流向地，将输出信号的包络基本降到0％。在这种方式下，控制器24维持经过电感器40的电流，并防止电感器40内存储的能量衰减。
当在随后的调制周期中控制器24启动了晶体管50的切换，经过电感器40的电流不需要再次对电感器40赋能，因为电感器40中存储的能量被维持着，因而使得从0％幅度上升到100％幅度需要更短的时间。因此，放大器28能达到增加的数据传递速度。在一个实施例中，供电电压34为5伏特，电阻53和41的电阻分别为12和24欧姆。电容器52、54分别有150和50皮法的电容，而电感器40和48分别有25和3微亨的电感。另外，偏置晶体管39和幅度晶体管50可以是金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET’s)。
图4是一图形，示出由放大器28产生的输出信号72，具有100％幅度调制的包络。具体地，输出信号72表示电阻53(图3)两端的电压。在第一时间T1中，信号72的包络在最大电压(VMAX)和最小电压(VMIN)间转换。在第二时间T2中，输出信号72有大约0伏特的电压。
图4中所示的模拟假定放大器晶体管50、偏置晶体管39和供电电压34初始时为关的状态。在0.1μs(微秒)时，控制器24在诸如13.56MHZ的一个高频上，通过开关放大器晶体管50开始幅度调制输出信号72的第一周期，例如占50％的工作周期。另外，控制器24维持偏置晶体管39在关状态。在大约4.2μs时，在开关放大器晶体管50一段时间T1后，控制器24激活偏置晶体管39并同时停用放大器晶体管50。在这期间，经由电阻41和晶体管39通过电感器40的电流流向地面，使输出信号72的幅度基本上为0伏特。
在大约6.2μs时，在延迟T2时间后，控制器24开始幅度调制的第二周期76。具体地，控制器24停用偏置晶体管39并开始开关放大器晶体管50。在这种方式下，流经电感器40的电流在所有时刻都被维持着，防止了传统E类放大器经常出现的电流衰减。
结果是，输出信号72的包络在第二周期76中比第一周期74更快地到达100％幅度，并在以后的周期持续。因此，放大器28能够得到比传统的E类放大器更高的数据速度。另外，幅度调制过程中更短的上升时间在与多标签同时通信时，特别是避免来自各种标签信息间的冲突时，是有利的。而偏置经过电感器40的电流的另一优点是输出信号中的振铃衰减，由于RLC元件该振铃存在于E类放大器中。
图5是示意图，示出阅读器12中使用的另一实例放大器80。具体地，放大器80产生带有诸如10％等少于100％幅度调制的输出信号。类似于如上所述的放大器28，放大器80包括由点线75框出的组合为典型E类放大器的许多元件62、64、66、68、70。
除了这些元件，放大器80包括并行连接至电阻58的调制晶体管60，该电阻连接电感器62至供电电压54。具体地，调制晶体管60可以是使源极和漏极连接于电阻58两端的MOSFET晶体管。通过激活和停用调制晶体管60，控制器24改变电感器62接收的供电电压，对由放大器80产生的输出信号进行幅度调制。
图6是一图形，示出放大器80产生的输出信号包络的一部分，图中包络得到10％的幅度调制。具体地，信号82的包络在第一最大电压(VMAX1)和第二最大电压(VMAX2)的峰值电压幅度之间进行调制。例如，VMAX2可以大约为VMAX1的90％。
图6所示的模拟假定在0.0μs(未示出)时，控制器24通过在诸如在13.56MHZ的某一高频开关放大器晶体管64开始第一调制周期，占50％的工作周期。另外，控制器停用调制晶体管60，使电流流经电阻58，并使供电电压54在其两端下降。因此，在3.8μs时，信号82的包络有VMAX2的峰点电压。
在大约4.8μs时，在开关放大器晶体管64一段时间后，控制器24激活调制晶体管60，使电流旁路通过电阻58，增加从VMAX1到VMAX2的信号82的包络。在这种方式下，控制器24幅度调制输出信号82。在一个实施例中，通过选择电阻大小为2欧姆的供电电阻58得到10％幅度调制。但是，可选择放大器28的各种元件以得到其它想要的调制模式。
图7是支持多调制模式的示例放大器90的示意图。该具体的实施例结合图3和图5所示的放大器元件来支持100％和10％的调制。类似的元件给以类似的标号。
放大器90包括第一晶体管64；经由第一电阻58耦合第一晶体管到供电电压54的电感器62；并行连至第一晶体管的并联电容68；由第二电阻41连至电感器的第二晶体管39，其中第二晶体管控制到第一晶体管和该电容的并行电流路径；并行连至第一电阻的第三晶体管60；以及耦合至第一、第二和第三晶体管的控制器24。
已经描述了本发明的各种实施例，包括用于产生调幅RF信号以与RFID标签进行通信的实施例。该装置利用传统E类放大器的许多元件。明显地，通过将上述实施例加入到单个RFID阅读器中可获得许多好处。如图7所示，例如，阅读器通过加入上述的实施例可容易地支持多调制模式，如100％和10％的幅度调制。因此，阅读器能够很容易地选择使用本实施例来支持各种标签类型。另外，阅读器在用调制晶体管得到幅度调制时也可使用偏置晶体管。这有利于在少于100％幅度调制的调制模式中减少上升时间。这些和其它的实施例都在下面权利要求的范畴中。
权利要求
1.一种装置，其特征在于，包括带有第一晶体管(50)的E类放大器(55)；控制并行于第一晶体管的电流路径的第二晶体管(39)；以及控制第一和第二晶体管的控制器(24)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一和第二晶体管包括金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET’s)，并且其中，第二晶体管有接地的源极和由电阻连接至第一晶体管漏极的漏极。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置产生响应该控制器的幅度调制信号，通过在第一时间段，在某一频率上开关第一晶体管并同时停用第二晶体管；以及在第二时间段，停用第一晶体管并同时激活第二晶体管。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该频率至少是13.56MHZ。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，E类放大器包括向第一晶体管供应电流的电感器(40)和并行于第一晶体管连接的并联电容(52)。
6.放大器(90)包括第一晶体管(64)；经由第一电阻耦合第一晶体管至供电电压(54)的电感器(62)；与第一晶体管并行连接的并联电容(68)；由第二电阻(41)连接至电感器的第二晶体管(39)，其中，第二晶体管控制并行于第一晶体管和电容的一条电流路径；并行连至第一电阻的第三晶体管(60)；以及耦连至第一、第二和第三晶体管的控制器(24)。
7.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，控制器有选择地激活第一和第二晶体管。
8.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，控制器以某一频率激活和停用第一晶体管，以及激活和停用第二晶体管。
9.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，所述频率至少是13.56MHZ。
10.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，控制器以某一频率激活和停用第一晶体管，以及激活和停用第三晶体管。
11.如权利要求10所述的放大器，其特征在于，所述频率至少是13.56MHZ。
12.一种装置，其特征在于，它包括带有第一晶体管(64)和经由第一电阻(58)耦合第一晶体管至供电电压(54)的电感器(62)的E类放大器(75)；并行连至第一电阻的第二晶体管(39)；以及耦合至第一和第二晶体管的控制器(24)。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述控制器以某一频率激活和停用第一晶体管，以及激活和停用第二晶体管。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述频率至少是13.56MHZ。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该放大器进一步包括并行连至第一晶体管的并联电容(68)；以及控制并行于第一晶体管和电容的电流路径的第三晶体管。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述控制器有选择地激活第一和第三晶体管。
17.一种射频(RF)阅读器(12)，其特征在于包括输出经幅度调制信号的放大器(28)，其中放大器包括(i)带有耦合第一晶体管(50)和并联电容(52)至供电电源(34)的电感器(40)的E类放大器(55)，以及(ii)控制并行于E类放大器第一晶体管的电流路径的第二晶体管(39)；控制第一和第二晶体管的控制器(24)；以及接收调幅信号并输出RF通信的天线(15)。
18.如权利要求17所述的RF阅读器，其特征在于，该RF阅读器进一步包括，耦合至天线的接收器(32)以接收来自RFID标签的RF通信。
19.如权利要求17所述的RF阅读器，其特征在于所述控制器在第一时间段，以某一频率开关第一晶体管并同时停用第二晶体管；以及在第二时间段，停用第一晶体管并同时激活第二晶体管。
20.如权利要求19所述的RF阅读器，其特征在于，所述频率至少是13.56MHZ。
21.如权利要求17所述的RF阅读器，其特征在于，该RF阅读器进一步包括，并行连至限定到电感器电流的电阻的第三晶体管。
22.如权利要求21所述的RF阅读器，其特征在于，控制器以某一频率激活和停用第一晶体管，以及激活和停用第三晶体管。
23.如权利要求17所述的RF阅读器，其特征在于，该RF阅读器进一步包括用于和计算装置通信的通信接口。
24.一种系统，其特征在于包括包括天线(15)和放大器(28)的无线射频(RF)阅读器(12)，其中，天线接收来自放大器的调幅信号并输出RF信息，以及其中，该放大器包括耦合至供电电源(34)的第一晶体管(50)和控制并行于第一晶体管的电流通路的第二晶体管(39)。通过RF阅读器接收来自RFID标签数据的处理器(8)；以及耦合至处理器用来向用户显示数据的显示器(6)。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括，接收用户输入的输入装置。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，RF阅读器、处理器和显示器被集成为一便携式装置。
27.如权利要求24所述的系统，其特征在于，RF阅读器进一步包括控制第一和第二晶体管的控制器(24)。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，控制器在第一时间段，以某一频率开关第一晶体管并同时停用第二晶体管；以及在第二时间段，停用第一晶体管并同时激活第二晶体管。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，该控制器以至少为13.56MHZ的频率开关第一晶体管。
30.如权利要求24所述的系统，其特征在于，RF阅读器进一步包括并行连至第一电阻并由控制器控制的第三晶体管(60)。
31.如权利要求30所述的RF阅读器，其特征在于，控制器以某一频率激活和停用第一晶体管，以及激活和停用第三晶体管。
32.一种产生调幅信号的方法，其特征在于，该方法包括用E类放大器产生幅度调制信号；以及在产生该信号时完全维持E类放大器的工作偏置。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，维持工作偏置包括维持基本恒定的电流经过E类放大器。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，产生幅度调制信号包括在第一时间段，以某一频率开关E类放大器的第一晶体管；以及在开关第一晶体管时，停用并行连至第一晶体管的第二晶体管。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，维持工作偏置包括在第二时间段停用第一晶体管，激活第二晶体管。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述频率至少是13.56MHZ。
全文摘要
总体而言，本发明旨在提供高效的放大器用于无线射频识别(RFID)的应用。具体来说，本发明提供高效放大器，其需要很小的功率而具有显著的调制带宽达到高数据通信速率。该放大器利用E类放大器很多元件，包括第一晶体管、连接第一晶体管至电源的电感器，以及并行连接至电源晶体管的并联电容。第二晶体管并行连接至第一晶体管。控制器有选择地控制第一和第二晶体管以得到在高调制带宽上的幅度调制。
文档编号G06K19/07GK1568478SQ02820318
公开日2005年1月19日 申请日期2002年10月8日 优先权日2001年10月15日
发明者R·D·吉斯米 申请人:3M创新有限公司