專利名稱：帶改進的反向散射調制器的高阻抗脈沖收發機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括詢問機和多個脈沖收發機的電子識別系統。本發明具體涉及形成該系統之一部分的脈沖收發機。
公知的上述種類的電子系統包括一詢問機，其包括一用于向脈沖收發機發送詢問信號的發送器，和一用于從脈沖收發機接收響應信號的接收器。在詢問機中的一個微處理器從響應信號的數據流中識別一個特定的脈沖收發機。每個脈沖收發機包含一天線和一檢測電路，用于從詢問信號中接收和匯集功率，以在一存儲電容上提供一足夠高的電壓，從而向脈沖收發機的調制器和邏輯電路供電，邏輯電路依次產生上述數據流。數據流用于采用一種公知為反向散射調制的方法以大約100％調制深度對激勵信號進行調制和向詢問機反向反射激勵信號能量的一部分。脈沖收發機的天線通常是具有50Ω至100Ω饋電點阻抗的單元件半波長偶極天線。該天線用合適的阻抗匹配網絡與檢測器電路的125Ω至200Ω低輸入阻抗相匹配。
在公知的系統中，反向散射響應信號的有效距離大大超過脈沖收發機能被激勵信號驅動的距離。限制因素是向脈沖收發機的調制器和邏輯電路供電的電容器所需的電壓。用公知的低輸入阻抗的脈沖收發機(尤其是那些用小的集成存儲電容器并在大約100％調制深度調制激勵信號的脈沖收發機)恢復的電壓和所取得的工作范圍是不能令人滿意的。
因此，本發明的一個目的是提供一種可替代的脈沖收發機，其能夠至少是改善上述缺點。
根據本發明，提供了一種用于電子識別系統的脈沖收發機，包括一與脈沖收發機電路連接的輸入端，該脈沖收發機的特征在于其輸入端的輸入阻抗至少是400Ω。
根據本發明的脈沖收發機目標是提高從詢問和激勵信號中恢復的電壓，這與現有技術脈沖收發機中對所恢復的功率優化相反。
脈沖收發機電路可包括一與輸入端相連的調制器，一與調制器連接的信號檢測器，和用于產生一識別代碼的邏輯電路；所述輸入端可以直接連接到一個天線上而不需在天線與調制器之間使用阻抗匹配電路；天線的饋電點阻抗的實數部分基本上等于輸入阻抗的實數部分。
脈沖收發機電路可包括一電壓倍增器電路，諸如倍壓電路。
脈沖收發機電路優選地集成在一塊芯片上。可用CMOS技術實施該集成。
天線可包括一多元件半波長偶極子。天線典型地可包括一個三至五個元件的半波長偶極子。天線還可包括一電感性電抗元件，以在優選操作頻率抵消在所述輸入阻抗中的電容性電抗成分。電感性電抗元件可以是例如包括一在天線饋電點上或附近所設置的環形構造。
在另一實施例中，天線可包括一半波長偶極子，其中饋電點適當地偏心放置，以便饋電點阻抗與所述輸入阻抗接近。天線可以適當地比半波長長，以產生一個電感性電抗成分，從而在一個優選操作頻率抵消在所述輸入阻抗中的電容性電抗成分。
進一步根據本發明，調制器可構成為以小于80％調制深度用識別代碼信號對通過天線接收的激勵信號進行調制。
識別代碼信號可包括一個二進制數據流，調制器連接一個開關裝置，其受數據流控制，以將一阻抗電路切換入和切換出脈沖收發機電路，從而在第一值和第二值之間改變輸入阻抗，其中第一值基本上與天線的饋電點阻抗匹配，而第二值最多為第一值的80％。
本發明還涉及包括一脈沖收發機電路的脈沖收發機，該脈沖收發機電路包括一調制器，用于以小于80％調制深度用響應信號對通過天線接收的激勵信號進行調制。
調制深度優選在20％和40％之間，一般為30％的數量級。
響應信號可包括一二進制數據流，調制器連接一個開關裝置，其受該二進制流控制，以將一阻抗電路切換入和切換出脈沖收發機電路，從而在第一值和第二值之間改變在脈沖收發機電路輸入端的輸入阻抗，其中第一值基本與天線的饋電點阻抗匹配，第二值最多為第一值的80％。
所述開關裝置可包括一有源開關裝置，諸如一個三極管，而阻抗電路可包括一電阻。
本發明還包括一用于電子識別系統的脈沖收發機，該脈沖收發機包括-一與脈沖收發機電路輸入端連接的天線；-該脈沖收發機電路包括-一與天線連接的激勵信號檢測器；-一與檢測器連接的存儲電容器，用于存儲從激勵信號恢復的電壓；-一與天線連接的調制器；和-用于為調制器產生控制信號的電路；-所述調制器根據控制信號進行設置以在小于80％的深度對激勵信號進行調制。
現在將參考附圖以示例性的方式對本發明進行進一步的說明，其中
圖1是現有技術脈沖收發機的基本方框圖；圖2是根據本發明的脈沖收發機的方框圖；圖3是根據本發明的脈沖收發機的方框圖，更詳細地顯示了包括倍壓電路在內的檢測器電路；圖4示意性地表示形成根據本發明的脈沖收發機一部分的一個天線；圖5示意性地表示形成根據本發明的脈沖收發機一部分的另一個天線；圖6是更詳細地顯示調制器電路的脈沖收發機的方框圖；和圖7到9是在由圖6的方框圖所表示的電路中各點的波形。
現有技術的脈沖收發機的方框圖示于圖1。該脈沖收發機10包括一半波長偶極子天線12，其具有50Ω到100Ω數量級的饋電點阻抗ZAIN，典型值為73Ω。在天線12與檢測器和調制器電路16之間設置了一匹配網絡14，以將天線的阻抗與檢測器和調制器電路的輸入阻抗ZDIN匹配，ZDIN一般是在125Ω至200Ω數量級。檢測器和調制器電路與邏輯電路18連接。檢測器從收到的詢問信號中收集功率以在存儲電容器上積累電壓，從而驅動邏輯電路和調制器電路。詢問機(未示出)和脈沖收發機10的操作范圍取決于檢測器電路所恢復并在電容器儲存的電壓。
具有上述低阻抗(73Ω)天線和低輸入阻抗檢測器和調制器電路(125Ω-200Ω)的現有技術系統的操作是不能令人滿意的。而且，匹配網絡14增加了公知脈沖收發機的成本。再者，如圖9所示，在使用100％調制的現有技術的脈沖收發機中，儲存電容器的電壓周期性地降到電容器所需的最小電壓以下。
根據本發明的脈沖收發機20的方框圖示于圖2。脈沖收發機20包括一與含有檢測器和調制器電路24的高輸入阻抗脈沖收發機電路直接相連的高阻抗天線22(ZAIN＞400Ω)。檢測器和調制器電路24與邏輯電路26連接。
通過增加檢測器和調制器電路24的輸入阻抗ZTIN，所恢復的電壓也增加。該關系由下面的公式確定V=PxZTIN]]>其中P=信號的功率；ZTIN=脈沖收發機的輸入阻抗而且，通過設置一倍壓電路28形式的電壓倍增電路(示于圖3)，電壓還將進一步增加。倍壓電路28操作如下。
在詢問信號SIN的正半周期SINP1，電流流經電容器C1和二極管D2，以將存儲電容器C2充電至半周期SINP1的峰值電壓。在負半周期SINN，電流流經二極管D1，以將電容器C1反向充電至負半周期SINN的峰值電壓。在下一正半周期SINP2，電容器C1上的電壓增加至正半周期SINP2的電壓，以將電容器C2充電至信號SIN的峰-峰電壓。
輸入阻抗ZTIN主要是由雜散電路電阻、電感和電容的阻抗，整流二極管D1和D2在不導通時的阻抗，二極管D1和D2在導通時的正向電阻，由邏輯電路26形成的阻抗，以及調制器30在高阻狀態時的阻抗確定的。
通過增加阻抗ZTIN，恢復電壓也增加。通過適當地將調制器30、倍壓電路28和邏輯電路26在一塊芯片上集成，阻抗ZTIN可以比公知的檢測器電路增加大約一個數量級，達到大約1200Ω-1800Ω。
為了增加輸入阻抗ZTIN，需要減少與輸入端并聯的電容元件和電阻的作用，以減少二極管D1和D2的結點電容和增加調制器30的阻抗。制造集成電路晶片時利用最新的CMOS技術，邏輯電路26的阻抗可從15000Ω顯著地增至300000Ω。但是，公知脈沖收發機的低輸入阻抗(125Ω-200Ω)最大因素是調制器電路，其直接跨接在輸入端。第二個因素是上面提及的二極管D1和D2。
通過增加芯片32的輸入阻抗ZTIN，調制器30不需要通過象公知的調制器那樣大的電流。這就具有允許較小的調制器有源半導體器件(見圖6中的T1)，其也使雜散電容減少而使電阻增加，由此進一步增加ZTIN。
輸入阻抗ZTIN可以通過增加二極管D1和D2的不飽和正向電阻并保證存儲電容器C2和耦合電容器C1之間理想的平衡而增至幾千歐姆。已經發現1200Ω-1800Ω數量級的輸入阻抗ZTIN可以提供好的結果。
為了幫助天線22的匹配，芯片32的輸入阻抗ZTIN可自由地保持為電容性的。
為了實現高脈沖收發機輸入阻抗的益處，還需要高阻抗的信號源。本發明不采用圖1所示用帶有阻抗變換網絡14的低阻抗天線來匹配芯片輸入阻抗的常規方法，而是使用一高阻抗天線22，其與芯片32上的檢測器和調制器電路24直接相連而不需要匹配網絡。
天線22可包括一多元件半波長偶極子。這種天線的饋電點阻抗ZAIN由下式給出Z=73×n2其中n是相等直徑元件的數目這樣，一個四元件偶極子天線將具有一個大約1170Ω的饋電點阻抗，而一個五元件偶極子將有大約1825Ω的饋電點阻抗。通過使用多線偶極子天線，饋電點阻抗ZAIN可與檢測器的ZTIN近乎匹配，而不需要阻抗變換或匹配網絡。
典型的五元件偶極子天線22.1示于圖4，加上了一個跨接在饋電點36的U型環34，其通過引入與上述脈沖收發機電路的ZTIN中的電容性輸入電抗幅值相等的合適的電感電抗，從而提供在操作頻率處的純電阻匹配。
在圖5中，顯示了另一個具有較高饋電點阻抗ZAIN的天線(標為22.2)的實施例。天線22.2是折疊式的偏心饋電的半波長偶極子。阻抗ZAIN由中央饋電點阻抗乘上在天線中央電流與實際饋電點電流之比率的平方而得出。通過使天線略長于半個波長，阻抗ZAIN將成為電感性的，以抵消上述在脈沖收發機電路的ZTIN中的電容性輸入電抗。
通過將天線22.2直接與芯片32連接，偏心饋電天線的輻射圖問題可以避免。
已經發現采用根據本發明的脈沖收發機20，識別系統的操作范圍較之常規系統有顯著的增加。由于取消了匹配網絡14，脈沖收發機20的成本還可以降低。
在圖6中，調制器30顯示的更為詳細。調制器30由一個由邏輯電路16產生的數據流(示于圖7)驅動，數據流體現了脈沖收發機的特性。如前如述，通過檢測器和乘法電路積累并儲存在存儲電容器C2中的電荷向調制器和邏輯電路提供電能。電容器C2優選是與其它電子元件集成在芯片32上。
如前面也已提到的，由上述數據流控制的調制器30采用公知的反向散射調制方法對從詢問機收到的激勵信號進行調制，以將激勵信號能量的一部分反射回詢問機。調制深度由脈沖收發機的不匹配輸入阻抗ZTINU與匹配輸入阻抗ZTINM之比確定的。
上述調制深度是通過將調制器30關閉時(即當數據流是邏輯高電平時)脈沖收發機的輸入阻抗ZTINM與天線阻抗ZAIN匹配，以便檢測電路可獲得最大能量，并通過當數據流為邏輯低電平時提供脈沖收發機的輸入阻抗ZTINM受控的匹配，以便只有激勵能量的受控部分反射或散射回詢問機而得到的。
本發明人已經發現，在20％和40％之間的調制深度提供了一方面詢問機對載有響應信號的反向散射數據流的信號有效恢復和另一方面由脈沖收發機從以電壓形式儲存在電容器C2中的激勵信號收集足夠功率之間可以接受的平衡。
在第一個實際的例子中，天線阻抗對于并聯的11.7nH的電感在915MHz是463歐姆。電阻R1和電容器C3選擇為當調制器為“OFF”(關閉)時(即當數據流為邏輯高電平時)使ZTINM對于并聯的2.54pF電容電抗在915MHz時是463歐姆。當數據流為低電平且調制器為“ON”(開)時，三極管T1將R2切換至脈沖收發機電路中，以便不匹配的阻抗ZTINU對于并聯的2.27pF電容電抗在915MHz時是148.9歐姆。這就產生一個30％數量級的調制深度。
在第二實際的例子中，使用了一個三元件半波長偶極子天線，其輸入阻抗對于并聯的19nH的電感在915MHz是680歐姆。電阻R1和電容C3選擇為當調制器30為“OFF”(關閉)時使ZTINM對于并聯的1.56pF電容電抗在915MHz時是680歐姆。當數據流為低電平且調制器為“ON”(開)時，不匹配的阻抗ZTINU對于并聯的2.65pF電容電抗在915MHz時是475歐姆。這也產生一個30％數量級的調制深度。
圖6中點X、Y、Z的波形分別示于圖7到9。以虛線顯示的波形是在用100％調制的現有技術脈沖收發機電路中相應的點的情況。
應當理解對于根據本發明的脈沖收發機有許多細節可以進行改變，而不會背離所附權利要求的精神和范圍。
權利要求
1．一種用于電子識別系統的脈沖收發機，包括一個與脈沖收發機電路連接的輸入端，所述脈沖收發機的特征在于其輸入端的輸入阻抗至少為400Ω。
2．如權利要求1所述的脈沖收發機，其特征在于所述脈沖收發機電路包括一與所述輸入端相連的調制器，一與調制器連接的信號檢測器和邏輯電路，用于產生一識別代碼；其中所述輸入端可以直接連接到一個天線上而不需在所述天線與所述調制器之間使用阻抗匹配電路；所述天線的饋電點阻抗的實數部分基本上等于輸入阻抗的實數部分。
3．如權利要求1或2所述的脈沖收發機，其特征在于所述電路包括一電壓倍增電路。
4．如權利要求1到3中之一所述的脈沖收發機，其特征在于所述電路集成在一塊芯片上。
5．如權利要求2到4中之一所述的脈沖收發機，其特征在于所述天線是一個多元件偶極子天線。
6．如權利要求2到4中之一所述的脈沖收發機，其特征在于所述天線是一個偏心驅動偶極子天線。
7．如權利要求2到6中之一所述的脈沖收發機，其特征在于所述調制器以小于80％調制深度用識別代碼信號對通過所述天線接收的激勵信號進行調制。
8．如權利要求7所述的脈沖收發機，其特征在于所述識別代碼包括一個二進制數據流，其中所述調制器連接一個開關裝置，其受所述數據流控制，以將一阻抗電路切換入和切換出所述脈沖收發機電路，從而在第一值和第二值之間改變輸入阻抗，其中所述第一值基本上與所述天線的饋電點阻抗匹配，而所述第二值最多為所述第一值的80％。
9．一種包括一個脈沖收發機電路的脈沖收發機，該電路包括一調制器，用于在小于80％的調制深度用一個響應信號來調制所接收的激勵信號。
10．如權利要求9所述的脈沖收發機，其特征在于所述調制深度介于20％和40％之間。
11．如權利要求9或10所述的脈沖收發機，其特征在于所述調制深度是30％數量級。
12．如權利要求9到11中之一所述的脈沖收發機，其特征在于所述響應信號包括一二進制數據流，所述調制器連接一個開關裝置，其受所述二進制數據流控制，以將一阻抗電路切換入和切換出所述脈沖收發機電路，從而在第一值和第二值之間改變在所述脈沖收發機電路輸入端的輸入阻抗，其中所述第一值基本上與天線的饋電點阻抗匹配，而所述第二值最多為所述第一值的80％。
13．如權利要求12所述的脈沖收發機，其特征在于所述開關裝置包括一有源開關裝置，而所述阻抗電路可包括一電阻。
14．一種用于電子識別系統的脈沖收發機，所述脈沖收發機包括一與脈沖收發機電路輸入端連接的天線；所述脈沖收發機電路包括一與天線連接的激勵信號檢測器；一與所述檢測器連接的存儲電容器，用于存儲從激勵信號恢復的電壓；一與所述天線連接的調制器；和用于為所述調制器產生控制信號的電路；所述調制器根據控制信號進行設置以在小于80％的深度對激勵信號進行調制。
全文摘要
公開了一種用于電子識別系統的脈沖收發機20。該脈沖收發機特征在于在其輸入端提供了一個高輸入阻抗(>400Ω),該輸入端以一個匹配的高輸入阻抗直接與天線22相連。該脈沖收發機的目的是要提高在電容器C
文檔編號G01S13/76GK1224282SQ9811739
公開日1999年7月28日 申請日期1998年8月27日 優先權日1997年8月27日
發明者戴維·埃德溫·普羅克特, 克里斯托弗·戈登·杰維斯·特納, 坎比茨·哈亞特－達烏迪 申請人:休普傳感器控股有限責任公司