专利名称：Rfid读取设备的制作方法
RFID读取设备本发明涉及根据权利要求1所述的RFID读取设备(reading device )。本发明还涉及与RFID读取设备有关的方法。主要由于物流应用的原因，RFID的使用迅速变得普及。特别地， UHF范围RFID已经在迅速地增加。市场上已经存在若干读取设备，但 是它们相对昂贵，并且手持式读取器仍然不能广泛地获得。以传统方 式制造的RFID读取设备相对复杂，无法克服由强反射所造成的问题， 并且具有高功耗。传统的高频RFID读取设备基于从50欧姆功率放大器 通过旋转元件(rotary element)向50欧姆天线馈送(feed)功率并且 通过它向环境馈送功率。反射的功率通过旋转元件导向前置放大器。本发明旨在消除现有技术的缺陷并且建立新类型的系统、方法和 天线。本发明基于包括变换器(transformer)的发射器部分，所述变换 器一般为变流器(current transformer),其中存在至少三个线圏，这些 线圏被连接到相同的磁场，从所述线圈中的第一线圏对天线或天线组 进行馈送，利用参考负栽对第二线圈进行馈送以便补偿第一线圏中发 射的功率的效应(effect),变换器的第三线圈被连接到接收器的主放 大器。更具体地，根据本发明的RFID读取设备以权利要求1的特征部分 所述为特征。根据本发明的方法，对于其本身而言，以权利要求8的特征部分 所述为特征。借助于本发明，可以获得相当多的优点。 可调整的窄带天线在本发明的特定实施例中，该解决方案削弱了由发射引起的失真 并且消除了对独立发射滤波的需要。GSM或另一RFID发射应答器将不 像宽带天线那么多地干扰前置放大器。如果要将天线制造成覆盖不同洲(continent)的整个RFID-UHF频带，那么该天线也会接收所有洲的 各种GSM频率。窄带天线允许前置放大器通过变换器直接连接到该天 线。放置在前置放大器之后的可调整LC滤波器将改进该解决方案。 节省功率由于电源通过电抗性阻抗连接到天线，因而输出级的效率原则上 非常高。在本发明的特定实施例中，由于变换器的原因，补偿所需的 功率比去往天线的功率少得多。本发明的特定实施例以简单的方式来补偿反射。由于天线是可调 整的并且是窄带的，仅仅补偿有功部分(real component)(其传输主 功率)到前置放大器的连接就足够了。通过这种方式，从解调器的输 出端获得所有用于补偿的信息，就读取代码而言在任何情况下都需要 所述信息。借助于本发明的特定实施例，获得了良好的信噪比。如果例如通 过合成返回信号来补偿去往前置放大器的功率，那么所述解决方案通 常将增加噪声。这是因为馈送给天线的功率与用于进行补偿的信号不 完全相关。在根据本发明的情况下，由于信号是从也将信号馈送给天 线的输出级的输出端取得以用于补偿的，所以使用该解决方案不增加 前置放大器中的噪声。本发明的特定实施例对于固定基站或者对于便携式读取设备而 言适用于所有功率级。能够使用不同的UHF频率，但是相同的解决方 案当然也能够被应用于其他的频率。借助于根据本发明的解决方案，能够将RFID读取器有利地集成到 例如移动站中。根据本发明的读取设备能够被用于固定基站中、用于 工作在固定或可变功率级下的手持(hand)读取器中或者通过将该方 法结合到GSM电话中而被利用。如果作为GSM电话的一部分而结合了 该方法，那么该方法的优点被特别强调，因为由RFID所引起的附加成 本可以忽略不计。所述设备(例如移动电话)的功耗降低并且电池操作的设备的工 作时间显著增加。也可以通过这种方式提高天线的效率并且降低功 耗。为了避免问题，通常应当将窄带天线制造成可调谐的。由于天线 是窄带的，因而在最佳的情况下，能够排除昂贵的带通滤波器，这将 降低特别是移动站的制造成本。在最佳的情况下，根据本发明的解决方案将允许移动电话的整个射频部分被集成到天线的紧邻处并且可 以在它内部。本发明也能够被用于接收器侧的噪声优化。在下文中，将依照附图借助于应用实例来分析本发明。图l示出了根据本发明的一个RFID读取设备。 图2示出了根据本发明的第二RFID读取设备。在与
图1和图2有关的优选应用实例的描述中结合附图标记使用 了下列术语。1 输出级 4天线开关5 天线9 变容二极管(varactor) 10变换器11变换器的第二线圈 12变换器的第一线圈13 变换器的第三线圈(检测器线圏)14 功率调节开关15 阻抗开关16 阻抗选择器开关17 可调整阻抗18 可调整阻抗19 可调整阻抗20 电容器21 电容器22 电容器23 前置放大器24 正交检测器(quadrature detector)25 控制线26 输入端27 信号检测 30 输出级31 输出级
32 天线元件
33 差分放大器
34 变流器
35 变流器
36 第三线圏
37 第三线團
38 相位分配器 39参考负载 40参考负载 41 第二线圈 42第一线圈
43 第二线圈
44 第一线圈
45 可调整滤波器
本发明公开了一种方法，在该方法的一个优选实施例中，直接连 接到天线5的非常低阻抗的放大器被用作输出级1。如此选择该天线的 阻抗级别，以使得射频处的外出功率将是合适的。如果希望长的读取 距离，那么例如在欧洲可以^吏用865-MHz频率处的最大容许2-W定向 发射功率。此外，例如使用变容二极管来调谐天线，以使得天线的阻 抗总是实数，以便优化效率。这种布置的使用能够显著地提高输出级 的效率。能够借助于开关4通过从不同的连接点6、 7和8连接天线5 来调整发射功率。
上述布置本身并不允许使用反射技术来检测RFID所产生的调制。 由于天线5严格连接到输出级1，因而其上的电势并不取决于反射。
依照图1的布置能够被用来检测RFID所产生的调制。该图的变换 器10包括至少三个线圈11、 12和13。去往天线5的电流流经第一线 圈12。至参考负载17、 18和19的电流流经第二线圈11，以使得它尽 可能精确地补偿由去往天线5的电流所感应的磁场。通常如此连接第 二线圏11,以使得其电流以与第一线圏12感应的磁场相反的方向并且 相同的幅度来感应磁场。在实践中，这是通过以下方式来实现的并 行放置第一线圈12和第二线圏11,以使得线圈11和12的连接或绕组
7相对于彼此处于相反的方向，以便实现上面所描述的状况。第三线圈
13直接地连接到前置放大器23,或者通过该前置放大器连接到滤波器 45或其他必要的部件。因此，在这种情况下，依照图1，术语"连接，， 用来表示第三线圈13的信号直接地或者间接地连接到前置放大器23 这一事实。因此，借助于线圈12，根据前置放大器23的阻抗来测量来 自输出级1的电流或电压，从而能够测量天线5的有效阻抗。该图示 出了电流测量的替换方案。归因于其如何工作，在本发明的典型实施 例中，变换器IO能够被称为变流器。由于在该方法中变容二极管9被 用来将天线5 —直保持为实而不管反射，因而实的电压调节阻抗17、 18和19能够被从输出级1简单地连接到相同的变换器10，从而补偿 由输出级l的电流在前置放大器23中所产生的电压。如果参考电阻17、 18和19是可调整的，那么也可以补偿去往天线5的电流的反射的影响。 如果参考电阻是固定的，或者如果调节器的时间常数被选择为慢(例 如小于10kHz),那么只有由RFID电路所产生的调制会在前置放大器 23中产生信号。该布置旨在防止前置放大器23的饱和。能够例如使用 PIN二极管或者FET来实现可调整的实阻抗17、 18、 19。通过利用变 换器10的转换比率，能够将参考负载17、 18或19的阻抗保持为高， 以使得它将不会显著地增加系统的功耗。前置级23原则上能够通过两 种方式连接到系统。如果第三线圈(检测器线圏)13强连接到其他两 个线圈11和12，那么优选的将是使前置放大器13为高阻抗。在这种 情况下，第三线圏13中感应的电压将与由去往天线5和参考电阻17、 18、 19的电流之差产生的磁场的导数成比例。第二种替换方案是利用 反馈来使前置放大器23的输入阻抗非常小，在这种情况下，放大器23 的输出端中的电压将与磁场成正比。因此，这些方法之间没有大的区 别，但是重要的是本发明在前置放大器23具有高阻抗或低阻抗时是相 当有利的。因此，本发明对于通常会为前置放大器选择50欧姆的输入 阻抗的本领域技术人员将是不可思议的，所述50欧姆的输入阻抗不在 根据本发明的最优范围内。通过优化变换器IO中的绕组数，也可以影 响前置放大器23看到的阻抗并且通过它处理噪声调整。在所讨论的实 例中，如果馈送给天线5的功率发生变化，那么噪声调整将发生变化。 如果希望优化所有情况下的噪声调整，那么应当改变感应线圏中的绕 组数，或者应当将阻抗转换器置于检测器线圈13和前置放大器23之间。如果意欲将前置放大器23保持为高阻抗或者可替换地为低阻抗， 那么最好是将前置放大器23集成到非常靠近变换器10的位置。 一种 非常有利的解决方案是使用电容来调谐检测器线圏13的电感，并且直 接靠近检测器线圏13地连接FET型高阻抗前置放大器。在充当前置放 大器的FET之后，可以放置例如可调整滤波器45 (如果在GSM电话 中也使用了相同的电子设备的话)，例如LC滤波器，并且在它之后放 置第二放大器级23。如果还如此反馈连接了 FET放大器以使得其阻抗 增大，那么将会产生良好的线性前置放大器。这是优选的，因为特别 是便携式FRID读取器需要大的动态特性，这不仅由于反射的原因，而 且由于其他读取器产生的信号的原因。
在前置放大器23之后，使用例如正交检测器24来检测信号，其 中将检测信号的实部25和虛部27。在本发明的优选实施例中，检测器 24的实输出被用作反馈以控制仿真负栽(artificial load) 17-19以及变 容二极管9，以便实现对天线的频率控制。
如果前置放大器23的阻抗高，那么测量线圏13上的电压，并且 检测器24的虚部被用来控制所述仿真负栽 总是取决于前置放大器23 的阻抗，这些情况之间的中间形式也是可能的。
如果所述方法被用于恒定功率，那么所述系统还能够通过除去开 关14和4并且将信号直接馈送给天线5而得到进一步简化，以使得功
率将总是具有最大功率的幅度。
应当指出的是，在图1的解决方案中，如果所述设备仅仅用作RFID 读取器，那么当工作于单个功率级时，变换器10之后的第一开关15 和16可能是不必要的。如果相同的电子设备被用作UHF-RFID读取器 和GSM电话这二者，那么就需要它们。第二种替换方案是，在所讨论 的电子设备中，将蓝牙(或WLAN)和微波RFID读取器相结合。第 二开关14和4仅当希望调节功率级时才是必要的。
通常，还希望将例如GSM电话与便携式RFID读取器相结合。在 这种解决方案中，可以在GSM电话中通过简单地向它添加PIN二极管 17-19以及集成到电路板上的变换器IO来制造UHF-RFID读取器。与 这些部件相关的额外成本将保持少于€ l，-。
所示出的变流器10的第一线圏12也可以是天线本身的一部分， 在这种情况下能够实现功率节省。图2示出了适用于固定的读取设备的解决方案，其中两个输出级 30和31被用来对天线元件32进行馈送。如图1所示，变换器34和 35的第三线圈36和37被连接到差分放大器33的输入端。相位分配器 38被设置在第二输出级30的输入端，以便控制天线的方向。由于两个 输出级30和31的原因，获得了向天线32馈送双功率的可能性。变换 器34、 35和第二线圏41、 43的分支被连接到参考负栽39和40，如图 l所示。变换器34的第二线圈41、 43被如此连接以使得线圏41中行 进的电流补偿由行进通过线圏42的电流所产生的磁场，这样连接到前 置放大器33的线圏36只看到来自RFID标签的返回信号。相应地，线 圏43中行进的电流补偿了由行进通过线圈44的电流所产生的磁场。
天线5或32或者天线组能够通过直接电镀(galvanically)或者可 替换地通过适当的传递路径而连接到输出级以及与其有关的电路，在 这种情况下，电镀接触将不是必需的。
变换器10的第一线圈12 (其中输出级1的电流通过第一线圏12 去往天线5)也可以用天线的一部分来代替，或者它能够形成天线的一 部分。在这种情况下，当其连接到去往前置放大器23的第三线圈13 时，由天线中行进的电流所产生的磁场将被线圈ll拾取并且补偿。
天线频率的调整和补偿通常在频率级上在这些频率中不断进行， 直到调制开始。在实践中，lkHz-10kHz是最大的补偿频带宽度。在本 发明的该实施例中，重要的事实在于，所述补偿极为迅速并且反射不 会更快地出现。
UHF频率的问题在于，在世界的不同部分，这些频率在从865MHz 到950MHz的范围变化。制造将很好地覆盖所有这些频率并且还具有 良好效率的小天线是很困难的。在根据本发明的这种解决方案中，天 线在实质上通常是窄带的并且是可调整的，这使得工作于宽频率范围 的具有良好特性的解决方案成为可能。此外，电容器的位置能够被附 于天线。通过将电容器连接到适当的位置，可以例如为亚洲市场预先 选择所述产品，而不用新的天线。
除了 PIN二极管或FET之外，原则上能够通过电压控制的任何电 阻都将适用于天线实部的补偿。变换器使得将功率的仅仅一小部分导 向可调整的电阻成为可能，这是一个很大的优点，因为如果若干瓦特 的功率流向它的话，制造具有大的动态特性的可调整电阻是非常困难的。这种功率部件很昂贵并且不能被集成到IC的内部。
借助于本发明的一个实施例，只要在参考电阻的线圏中形成了足 够大数量的绕组，那么即使对于低功率而言也能够很容易地实现可调 整的电阻。然而，利用大量的绕组，可能有必要例如借助于电容器来 对线圏进行调谐。
代替变容二极管，可以使用任何可调整电抗变容二极管、顺电 (paraelectric )控制电容器、开关元件和固定电容器等等中无论哪种。
借助于本发明，可以从检测器24的输出端27和25获得有关被测 量对象(RFID标签)的信息，所述信息不仅涉及其标识和信息内容， 而且还涉及对象的距离及其运动，例如它接近或离开所述读取设备。
权利要求
1. RFID读取设备，其包括-发射器部分(1，30，31)，-接收部分(23，33)，以及-连接到它们的天线(5，32)或天线组，其特征在于，-发射器部分(1，30，30)包括变换器(10，34，35)，其中存在至少三个连接到相同磁场的线圈(11，12，13)，第一线圈(12)、第二线圈(11)和第三线圈(13)，其中-通过第一线圈(12)向天线或天线组(5，32)进行馈送，-参考负载(17，18，19)被连接到第二线圈(11)以补偿通过第一线圈(12)发送的功率的效应，并且-接收器的前置放大器(23，33)被连接到第三线圈(13，36，37)。
2. 根据权利要求1所述的RFID读取设备，其特征在于，变换器 (10)形成天线(5， 32)的一部分。
3. 根据权利要求1或2所述的RFID读取设备，其特征在于，天 线(5)被设置成从不同的连接点(6， 7， 8)连接到发射器部分(1， 30, 31 )或接收器部分(23， 33 )。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的RFID读取设备，其特征在于， 能够对参考负载(17， 18， 19)进行电调整。
5. 根据权利要求1、 2、 3或4所迷的RFID读取设备，其特征在 于，可电调整的电容器(9)与天线(5)并联连接，以便将天线(5) 调谐到不同的频率。
6. 依照以上权利要求中任何一项所述的RFID读取设备，其特征 在于，所述系统包括被设置成与天线(5)连接的电控开关(4)，其 中能够借助于所述开关来调整天线的连接点。
7. 依照以上权利要求中任何一项所述的RFID读取设备，其特征 在于，将连接到参考电阻(17, 18， 19)的第二线圈(11)的绕组数 选择为大，以使得能够将去往参考电阻(17， 18， 19)的功率保持为 小。
8. RFID读取设备中的方法，在所述方法中-发射器部分U, 30， 31 )被用于发射电磁辐射， -接收部分(23， 33)被用于接收信号，所述信号是借助于天线 或天线组(5, 32)而从RF标签接收的， 其特征在于，-在发射器部分(1 ， 30， 30)中，通过变换器(10， 34， 35 )对 天线或天线组(5, 32)进行馈送，在所述变换器中，存在至少三个连 接到相同磁场的线圈(11， 12， 13)，第一线圈(12)、第二线圏(11 ) 和第三线圏(13),其中-通过第一线圏(12)对天线或天线组(5， 32)进行馈送，-参考负载(17， 18， 19)被连接到第二线圏(11)以补偿通过 第一线圈(12)发送的功率的效应，并且-接收器的前置放大器(23， 33)被连接到第三线圈(13, 36， 37)。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，变换器(10)被用 于形成天线(5， 32)的一部分。
10. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，天线(5)被 设置成从不同的连接点(6, 7, 8)连接到发射器部分(1， 30， 31) 或接收器部分(23， 33)。
11. 根据权利要求8、 9或IO所述的方法，其特征在于，能够对 参考负载(17， 18， 19)进行电调整。
12. 根椐权利要求8、 9、 10或11所述的方法，其特征在于，可 电调整的电容器(9)与天线(5)并联连接，以便将天线(5)调谐 到不同的频率。
13. 依照以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所 述系统包括被设置成与天线(5)连接的电控开关(4)，其中能够借 助于所述开关来调整天线的连接点。
14. 依照以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，将 连接到参考电阻(17， 18， 19)的第二线圈(11)的绕组数选择为大， 以使得能够将去往参考电阻(17， 18, 19)的功率保持为小。
全文摘要
本发明涉及RFID读取设备以及用于该设备的方法。所述读取设备包括发射器部分(1，30，31)、接收部分(23，33)以及连接到它们的天线(5，32)或天线组。根据本发明，发射器部分(1，30，30)包括变换器(10，34，35)，其中存在至少三个连接到相同磁场的线圈(11，12，13)，第一线圈(12)、第二线圈(11)和第三线圈(13)，其中通过第一线圈(12)对天线或天线组(5，32)进行馈送，参考负载(17，18，19)被连接到第二线圈(11)以便补偿通过第一线圈(12)发送的功率的效应，并且接收器的前置放大器(23，33)被连接到变换器(10，34，35)的第三线圈(13，36，37)。
文档编号G06K7/08GK101506824SQ200780031098
公开日2009年8月12日 申请日期2007年6月15日 优先权日2006年6月21日
发明者H·塞帕 申请人:芬兰技术研究中心