一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的nfc讀寫器接口的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口，所述NFC讀寫器接口包括天線、可調(diào)匹配電路、天線驅動單元、調(diào)制器、解調(diào)器及MCU內(nèi)核；所述天線、可調(diào)匹配電路和天線驅動單元構成天線諧振環(huán)路，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。同時，本發(fā)明允許NFC通信接口使用小型天線而不會影響到NFC通信性能。小型天線使設備開發(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)明大大擴展了NFC通信接口在當前及未來數(shù)年內(nèi)的應用范圍。
【專利說明】
一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的 NFC讀寫器接口。
【背景技術】
[0002] NFC(近場通信）技術是近幾年新興的短距離安全通信技術。其使用了在空間衰減 速度很快的磁場作為傳遞信息的媒介，實現(xiàn)了只有數(shù)個厘米的通信距離，具有安全性高、使 用方便等優(yōu)點。
[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標簽接口（Tag) 102。典型的NFC通信發(fā)生于這兩個接口之間。NFC是半雙工雙向通信，包 含兩個鏈路，分別為讀寫器至標簽鏈路103，和標簽至讀寫器鏈路105，兩個鏈路各負責一個 通信方向。
[0004] 讀寫器至標簽鏈路103: NFC讀寫器接口負責產(chǎn)生一個中心頻率在13.56Mhz的交變 磁場104,并在此磁場上調(diào)至需發(fā)送的信息。當NFC標簽接口位于這個交變磁場104內(nèi)時，它 就接收這個磁場攜帶的能量，并將這個磁場攜帶的信息進行解調(diào)并取得NFC讀寫器接口產(chǎn) 生的信息。
[0005] 標簽至讀寫器鏈路105:傳統(tǒng)的NFC標簽接口均為被動接口，不主動發(fā)射能量。它使 用負載調(diào)制來發(fā)送信息。具體來講，傳統(tǒng)的NFC標簽接口通過改變接收天線的負載以控制接 收自交變磁場的能量大小，來達到調(diào)制和發(fā)送信息的目的。NFC讀寫器接口 101可以通過測 量發(fā)送天線上的電流強度變化感知NFC標簽接口 102的負載變化，并解調(diào)該信息。為了滿足 一定的通信帶寬，NFC標簽接口接收天線的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，一般應用于擁有較多能量的設備，如智能 手機、平板電腦、P0S終端。而NFC標簽接□則被廣泛使用在低功耗低能量設備上，如智能卡、 智能標簽等設備。
[0007] NFC標簽接口 102接收下來的交變磁場104的能量經(jīng)整流穩(wěn)壓后可為自身和其他設 備提供工作的能量。NFC能量采集在智能卡和智能標簽上有著極為廣泛的應用。
[0008] 圖2為傳統(tǒng)被動NFC標簽接口的大致結構圖。天線201 -般由一圈或數(shù)圈線圈組成， 負責接收交變磁場的能量與調(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將接收到的信號解調(diào)，恢復為原始信息；負載調(diào)制205根據(jù)待發(fā)送的信息，改變天線201 的負載來實現(xiàn)對交變磁場的調(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 NFC標簽接口，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構圖。天線301-般由數(shù)圈線圈組成，負責產(chǎn)生 交變磁場以及發(fā)送和接收NFC信號；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，通過 天線驅動303調(diào)制到天線301上;其中天線驅動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的電流強度感知被動NFC接口由負載調(diào)制產(chǎn)生的信號，并將該信 號解調(diào);Μ⑶內(nèi)核307控制整個NFC讀寫器接口的工作，其任務包括根據(jù)NFC協(xié)議組織NFC數(shù) 據(jù)、數(shù)據(jù)校驗、與片外設備的通信、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;時鐘系統(tǒng)308產(chǎn)生該NFC讀寫器 接口所需的所有時鐘，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)具有兩個主要缺點。第一，被動NFC接口必須使用尺寸較大的天線來 實現(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標簽接口的負載調(diào)制來 進行標簽至讀寫器鏈路的通信。天線較小時由于與NFC讀寫器天線之間耦合系數(shù)較低，再加 上自身Q值較低導致效率不高，造成負載調(diào)制的信號很弱無法被NFC讀寫器可靠地接收。第 二，由于傳統(tǒng)NFC系統(tǒng)中的被動NFC標簽接口與NFC讀寫器接口的設計由于直接繼承自RFID， 其能量傳輸效率很低。被動NFC標簽接口僅能從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單操作，如讀寫內(nèi)部內(nèi)存等。
[0011] 新一代小型化設備如穿戴式設備、異型銀行卡、物聯(lián)網(wǎng)設備以及個人移動設備的 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NFC標簽接口的性能，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，對于目 前以及未來幾年內(nèi)針對NFC的大量應用，如銀行雙界面卡、新型可視銀行卡、智能穿戴式設 備、傳感網(wǎng)絡等來說，統(tǒng)被動NFC標簽接口較低的能量接收效率極大地限制了這些新應用可 以提供的功能及性能。
[0012] 為解決使用小天線負載調(diào)制信號很弱的問題，現(xiàn)有主流解決方案主要使用主動調(diào) 制代替被動負載調(diào)制。由于使用主動調(diào)制的NFC標簽接口主動發(fā)射信號，不依賴接收的交變 磁場能量，故使用小天線也可以讓NFC讀寫器接口很好的接收到NFC標簽接口發(fā)送的信息。 使用這個方案的產(chǎn)品主要是AMS和ST的NFC boosted frontend產(chǎn)品系列。然而主動調(diào)制技 術的缺點也很突出。首先，由于需要主動發(fā)射能量，NFC標簽接口發(fā)射的信號必須和NFC讀寫 器接口發(fā)射的交變磁場頻率和相位鎖定來避免信號不穩(wěn)定，這種方案需要復雜的鎖相環(huán)和 相位保持電路。這造成了NFC標簽接口設計復雜，成本上升。第二，主動調(diào)制技術需要為NFC 標簽接口提供能量用以發(fā)射，這種技術無法在無源設備，如無源智能卡和標簽上使用。第 三，由于主動調(diào)制技術對NFC標簽接口增加的復雜性，采用這個技術的NFC標簽接口很難實 現(xiàn)NFC能量采集?，F(xiàn)有采用主動調(diào)制技術的產(chǎn)品無一支持NFC能量采集。
[0013] 為了緩解NFC標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 技術降低功耗(如從130nm制程升級到90nm制程）、增加裝置休眠時間、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)明提供一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀 寫器接口。
[0015] 一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口，所述NFC讀寫器接口包括天 線、可調(diào)匹配電路、天線驅動單元、調(diào)制器、解調(diào)器及MCU內(nèi)核；
[0016] 所述天線、可調(diào)匹配電路和天線驅動單元構成天線諧振環(huán)路。
[0017] 進一步地，所述天線、可調(diào)匹配電路、天線驅動單元、調(diào)制器及MCU內(nèi)核依次連接， 同時所述可調(diào)匹配電路還連接解調(diào)器的輸入端，所述解調(diào)器的輸出端連接MCU內(nèi)核，所述 MCU內(nèi)核的輸出端還連接可調(diào)匹配電路。
[0018] 進一步地，所述NFC讀寫器接口還包括電源管理單元、時鐘系統(tǒng)及數(shù)據(jù)接口單元， 所述數(shù)據(jù)接口單元通過FIFO單元連接到MCU內(nèi)核上，所述數(shù)據(jù)接口單元用于接收NFC數(shù)據(jù)；
[0019] 所述電源管理單元對所述NFC讀寫器接口上的元件進行供電；
[0020]所述時鐘系統(tǒng)用于產(chǎn)生NFC讀寫器接口上需要的所有時鐘。
[0021] 進一步地，所述可調(diào)匹配電路用于調(diào)節(jié)天線的阻抗，所述天線驅動單元對調(diào)制器 產(chǎn)生的信號進行功率放大，并將放大過的信號通過可調(diào)匹配電路傳送給天線。
[0022] 進一步地，所述天線諧振環(huán)路還包括Q值調(diào)節(jié)電路及Q值調(diào)節(jié)開關。
[0023] 進一步地，所述Q值調(diào)節(jié)開關與Q值調(diào)節(jié)電阻串聯(lián)后與天線并聯(lián)。
[0024] 進一步地，所述天線諧振環(huán)路包括兩種工作模式，分別為高Q值模式及低Q值模式， 兩種模式可通過Q值調(diào)節(jié)開關實時切換控制。
[0025] 進一步地，所述Q值調(diào)節(jié)開關由一電信號實時控制開關的斷開和閉合。
[0026] 進一步地，所述可調(diào)匹配電路包括T型、PI型、L型或單一電容，并具有小于ldb的低 插入損耗，所述天線驅動單元具有小于5歐姆的輸出阻抗。
[0027] 進一步地，所述天線電感值在luH到10uH之間，天線面積在100mm2至5000mm 2之間， 高Q值模式時天線諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值在50以上，低Q值模式時天線諧振環(huán)路在 13.56Mhz的Q值在25以下。
[0028] 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。同時，本發(fā)明允許NFC通信接口使用小型天線而不會影響到NFC通信性 能。小型天線使設備開發(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)明大大擴展 了NFC通信接口在當前及未來數(shù)年內(nèi)的應用范圍。
【附圖說明】
[0029] 圖1為典型NFC通信示意圖。
[0030] 圖2為典型NFC標簽接口結構示意圖。
[0031]圖3為典型NFC讀寫器接口結構示意圖。
[0032]圖4為耦合系數(shù)示意圖。
[0033] 圖5為NFC系統(tǒng)等效電路圖。
[0034] 圖6為一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC讀寫器接口的結構示意圖。
[0035] 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 簡化電路圖。
[0036] 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)機示 意圖。
[0037] 圖9為第一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標簽接口的結構示意圖。
[0038] 圖10為第一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化NFC標簽接口諧振環(huán)路與附屬電路的 簡化電路圖。
[0039] 圖11為第一種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標簽接口的模式控制狀態(tài)機示 意圖。
[0040] 圖12為第二種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標簽接口的結構示意圖。
[0041] 圖13為第二種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化NFC標簽接口諧振環(huán)路與附屬電路的 簡化電路圖。
[0042] 圖14為第二種為小尺寸天線和能量采集優(yōu)化的NFC標簽接口的狀態(tài)機示意圖。
【具體實施方式】
[0043] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0044] 相反，本發(fā)明涵蓋任何由權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。進一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細 節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節(jié)部分的 描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0045]本發(fā)明著重解決NFC標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 傳輸能量這兩個主要問題。下面先分析NFC標簽接口天線與NFC讀寫器接口之間的無線能量 傳輸問題。對于NFC系統(tǒng)的能量傳輸來說，系統(tǒng)能達到的最高效率rw可以用以下公式來描 述：
[0049] k為NFC標簽接口天線與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標簽接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值。耦合系數(shù)指的是一個 天線產(chǎn)生的磁感線可以穿過另一個天線的比例。一般而言，天線間距離越遠，它們之間的耦 合系數(shù)就越小。如圖4所示，天線402產(chǎn)生了一個磁場，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，耦合系數(shù)也與兩個天線 的相對大小有關。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，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)，可用以下公式計算：
[0050] Q = f(3)
[0051] 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。
[0052]需要指出的是，給定系統(tǒng)的k和Q值，系統(tǒng)負載需要與系統(tǒng)能量源的阻抗匹配，才可 以達到當前系統(tǒng)的最高效率。
[0053]從以上分析可知，有四個因素決定了最終無線能量傳輸?shù)男?NFC標簽接口天線 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標簽接 口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值、NFC標簽接口負載阻抗匹配程度。
[0054]耦合系數(shù)：由公式（1)和⑵可知，NFC標簽接口天線與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)與兩個天線間的相對位置，以及兩個天線的相對大小有 關。天線間距越近、兩個天線的垂直軸向對齊程度越高、兩個天線大小越接近，耦合系數(shù)越 高。這些需要在天線設計階段和最終產(chǎn)品工業(yè)設計階段加以考慮。
[0055] 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是整個諧振環(huán)路的Q值，由NFC讀寫器接口天線的Q值、天線驅動 的等效串行內(nèi)阻以及匹配電路的損耗共同決定。為了達到較高的Q:，需要較高的NFC讀寫器 接口天線Q值，和很低的天線驅動等效串行內(nèi)阻以及匹配電路損耗。
[0056] NFC標簽接口諧振環(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標簽接口不接負載時整個諧振環(huán)路的Q值，由NFC標簽接口 天線的Q值以及匹配電路的損耗共同決定。為了達到較高的Q 2,需要較高的NFC標簽接口天 線Q值，和很低的匹配電路損耗。
[0057] NFC標簽接口負載阻抗匹配程度:k和Q決定了系統(tǒng)所能達到的最高效率iWx，而負 載阻抗匹配則決定了系統(tǒng)的實際效率(永遠小于最高效率nmax)。精確的負載阻抗與系統(tǒng)源 阻抗的匹配可以讓系統(tǒng)工作在最高效率附近。
[0058]接下來再分析小尺寸天線問題。對于絕大多數(shù)NFC標簽接口來說，影響通信性能的 瓶頸是標簽至讀寫器鏈路的性能。為了便于分析，現(xiàn)介紹標簽至讀寫器鏈路的通信原理。圖 5為一個典型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標簽接 口。為了簡化分析，兩個接口的匹配電路均為單一的串行電容，但分析結論適用于所有形式 的匹配電路。天線驅動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508與電阻509構成負載調(diào)制電路。當 NFC標簽接口位于NFC讀寫器接口所發(fā)射的交變磁場內(nèi)時，NFC標簽接口可視為NFC讀寫器接 口的負載。具體而言，NFC標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 電阻。該電阻叫做NFC標簽接口的反射電阻。電阻510為NFC標簽接口的反射電阻。該電阻的 阻值受兩天線間耦合系數(shù)、天線Q值、NFC標簽接口的天線負載共同影響。在NFC通信中，當兩 個特定NFC讀寫器接口與NFC標簽接口距離一定時（即耦合系數(shù)固定），該反射電阻阻值的變 化只能由NFC標簽接口的天線負載變化引起。負載的變化將引起NFC讀寫器接口天線的電流 的變化。NFC標簽接口發(fā)送的信息可通過對其天線電流變化的測量來解碼。
[0059]顯然，電阻510在負載調(diào)制時變化越大，流過NFC讀寫器接口天線電流的變化也越 大，產(chǎn)生的信號也就越強。反射電阻501的值，Zr，在電路諧振時可表示為：
[0061 ]其中ω為信號頻率，Μ為兩天線間互感，R#PRl分別是諧振環(huán)路的等效串行電阻和 負載調(diào)制的電阻。由于ω，M，和辦在即(：通信時均可視為恒定值，Zr的變化只由Rl控制。顯然， 當Rl在0和正無窮變化時，Z r變化最大。Zr的最大和最小值可表示為：
[0064]標簽至讀寫器鏈路的信號強度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：
[0066] 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標簽諧振環(huán)路的Q值；當Η為1時信號強度最大，當 Η為0時信號強度最小。
[0067]天線尺寸對NFC系統(tǒng)的最主要影響是對NFC標簽接口天線與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)將直接導致負載調(diào)制產(chǎn)生的信號強度Η 太小，NFC讀寫器接口無法解碼該信息。
[0068]根據(jù)以上分析，當使用小天線導致很低的耦合系數(shù)k時，有以下幾個方法提高信號 強度。
[0069] 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，標簽至讀 寫器鏈路的信號強度Η越高。需要注意的是，Qi是整個諧振環(huán)路的Q值，由NFC讀寫器接口天 線的Q值、天線驅動的等效串行內(nèi)阻以及匹配電路的損耗共同決定。為了達到較高的Q:，需 要較高的NFC讀寫器接口天線Q值，和很低的天線驅動等效串行內(nèi)阻以及匹配電路損耗。
[0070] NFC標簽接口諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值Q2:由以上分析可知，Q2越高，標簽至讀寫 器鏈路的信號強度Η越高。需要注意的是，〇 2是冊(：標簽接口不接負載時整個諧振環(huán)路的Q 值，由NFC標簽接口天線的Q值以及匹配電路的損耗共同決定。為了達到較高的Q2,需要較高 的NFC標簽接口天線Q值，和很低的匹配電路損耗。
[0071] 負載調(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，標簽至讀寫 器鏈路的信號強度Η越高。在大部分情況下，電阻Rl的最大值與最小值由負載調(diào)制的RF開關 決定。這要求該RF開關有著很小的寄生電容，很高的隔離度，以及很低的插入損耗。
[0072]可以看出，標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 這兩個問題的共同點都在于NFC讀寫器接口和NFC標簽接口諧振電路的Q值。然而一個值得 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簽鏈路帶寬。低帶寬將造成NFC 信號發(fā)射強度和接收幅度過低，嚴重影響通信性能。為解決這個問題，NFC讀寫器接口和NFC 標簽接口應分別采用兩套諧振環(huán)路分別對應不同Q值需求。
[0073] 在NFC讀寫器接口和NFC標簽接口距離較遠時，為避免NFC標簽接口的負載對通信 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標簽接口上檢測磁場 強度來實現(xiàn)。只有當信號強度達到一定值時，負載才會被接入電路。
[0074] NFC讀寫器接口設計：
[0075] 現(xiàn)介紹NFC讀寫器接口設計。圖6為該NFC讀寫器接口一種實現(xiàn)方式的結構圖。
[0076]天線601是高Q值線圈（Q>100)，負責產(chǎn)生交變磁場以及發(fā)送和接收NFC信號；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，通過天線驅動 603傳送到天線601上；其中天線驅動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的電流強度感知被動NFC接口由負載調(diào)制產(chǎn)生的信號，并 將該信號解調(diào);MCU內(nèi)核607控制整個NFC讀寫器接口的工作，其任務包括根據(jù)NFC協(xié)議組織 NFC數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗、與片外設備的通信、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;時鐘系統(tǒng)608產(chǎn)生該NFC讀寫 器接口所需的所有時鐘，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。
[0077]該NFC讀寫器接口設計相對于傳統(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信號的發(fā)射。這兩個模式可以被實時 切換，切換由NFC讀寫器接口的MCU控制。由于該NFC讀寫器接口設計沒有變動通信協(xié)議，故 其完全兼容現(xiàn)有NFC標準，可以與任何標準NFC標簽通信。
[0078]下面介紹該天線諧振環(huán)路的一種實現(xiàn)方案。圖7為該方案的簡化電路圖。天線驅動 701為低輸出阻抗射頻功率放大器，輸出阻抗應小于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)的元件會帶來能量損耗，該電路應采取 盡量簡單的形式；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704控 制該天線諧振環(huán)路的工作模式，開關斷開時電路具有高Q值，開關閉合時具有低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)下計算。
[0079]天線705需滿足三個條件以達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， 過低的電感值會導致低的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。 針對典型NFC應用，天線705的面積須在100mm 2至5000mm2之間。
[0080]該NFC讀寫器接口需要實時切換工作模式以配合當前工作狀態(tài)。該接口絕大多數(shù) 時間工作于高Q值模式以實現(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。 該接口在上電復位后的初始模式是高Q值模式。復位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。該信號在NFC讀寫器接口 附近產(chǎn)生了一個13.56Mhz的交變磁場。NFC標簽接口可接收磁場的能量為自身充電。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。 在信號發(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標簽信號。 NFC標簽必須t3秒內(nèi)回應。若有標簽回應，則NFC讀寫器接口接收信號，并可在接收完成t6秒 后發(fā)送下個數(shù)據(jù)包。若NFC讀寫器在t 3秒內(nèi)沒有收到NFC標簽信號，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)議的標簽。若NFC讀寫 器試過所有的調(diào)制方式仍沒有標簽回應，則認為附近沒有標簽。此時NFC讀寫器停止載波發(fā) 送并關閉射頻接口以節(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，重復以 上所述步驟。以上"至"的設置應參照NFC協(xié)議標準設定。
[0081 ] NFC標簽接口設計：
[0082]現(xiàn)介紹NFC標簽接口的設計。圖9為該NFC標簽接口的第一種實現(xiàn)方案。
[0083]天線901為高Q值線圈天線，負責接收交變磁場的能量和NFC讀寫器接口發(fā)來的調(diào) 制的信號，其最小尺寸為lOmmXIOmm;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將接收到的信號解調(diào)，恢復為原始信息；負載調(diào)制電路905根據(jù) 待發(fā)送的信息，改變天線901的負載來實現(xiàn)對交變磁場的調(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NFC標簽接口，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具有一個開關可以控制負載的接入與斷開。
[0084]該NFC標簽接口設計相對于傳統(tǒng)NFC標簽接口最主要的區(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信號的接收。這兩個模式可以根據(jù)NFC標簽接口工作狀態(tài)被 實時切換。由于該NFC標簽接口設計沒有變動通信協(xié)議，故其完全兼容現(xiàn)有NFC標準，可以與 任何標準NFC讀寫器通信。
[0085]下面介紹該天線諧振環(huán)路及附屬電路的一種實現(xiàn)方案。圖10為該方案的簡化電路 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，甚至單一電容構成，圖10上所示匹配1004為單一并聯(lián)的電容；電阻 1006與開關1007構成Q值調(diào)節(jié)電路，其中電阻1006為固定阻值電容，開關1007為RF開關；電 阻1006的阻值應根據(jù)天線1005與匹配電路1004的參數(shù)計算，使開關1007閉合后，該諧振環(huán) 路的Q值控制在25以內(nèi)；開關1007的開啟和閉合分別對應該天線諧振環(huán)路的高Q模式和低Q 模式；電阻1003為調(diào)制負載，和開關1002-起構成負載調(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1008控制負載與諧振環(huán)路的連接;整流電路1001的輸入同時連接到 解碼器輸入電路上。
[0086]天線1005需滿足三個條件以達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，過低的電感值會導致低的接收功率，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。
[0087] 負載調(diào)制電路需最大化負載變化范圍來提高使用小天線時的通信性能。開關1002 需具有隔離度高、插入損耗小的特點。電阻1003用來限制通過開關1002的電流，以防止其超 過最大功率而損壞。電阻1003的選擇應根據(jù)開關1002的最大允許功耗與內(nèi)阻、NFC標簽接口 的最大接收功率計算選擇。
[0088] 天線諧振環(huán)路的工作模式需根據(jù)工作狀態(tài)實時選擇。能量采集和負載調(diào)制需要工 作在天線諧振環(huán)路處于高Q值時，而NFC信號接收需要工作在諧振環(huán)路處于低Q值時。圖11為 該NFC標簽接口的模式控制狀態(tài)機。該接口在上電復位后的初始模式是低Q模式。復位后，該 接口反復探測NFC載波。若探測到NFC載波，則檢測載波強度是否大于A tl。若大于則切換至高 Q模式并將負載連接入諧振環(huán)路采集能量，否則則繼續(xù)在低Q模式并斷開負載。這是為了防 止磁場強度過低時強行接入負載降低通信性能。然后該接口檢測是否有NFC讀寫器接口發(fā) 送的調(diào)制信號。若未檢測到則保持在當前模式下，并返回檢測載波步驟。若檢測到，則立即 切換到低Q值模式，并接收該NFC信號。接收完成后，立即切換到高Q模式下，并在七秒后通過 負載調(diào)制發(fā)送響應信號。負載調(diào)制完成后，在高Q模式下檢測載波是否存在，若不存在則切 換到低Q模式下繼續(xù)檢測，否則繼續(xù)在高Q模式下工作并重復以上步驟。
[0089] At^At2需根據(jù)該NFC標簽接口與NFC讀寫器接口在對其且較近距離時的實際值設 定，但Atl需大于At2，以防止NFC標簽接口在兩個模式間震蕩。應根據(jù)NFC接口協(xié)議的標準值 設定。
[0090] 由于這種方案當能量采集進行時檢測NFC讀寫器接口信號是在接收性能較差的高 Q模式下，而實際的信號接收是在低Q模式下，若信號調(diào)制速率較高時模式轉換完成后可能 已錯過幾個調(diào)制符號，故此種方案在能量采集時只能使用NFC低速率協(xié)議(〈=106Kbps)。
[0091] 圖12為該NFC標簽接口的第二種實現(xiàn)方案。
[0092] 該方案包含兩個天線，第一天線1201和第二天線1205,及兩個天線諧振環(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構成第一天線諧振環(huán)路，負 責讀寫器至標簽鏈路的信號接收;第二天線1205與第二匹配電路1206構成第二天線諧振環(huán) 路，負責能量接收和負載調(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)路接收的信號解調(diào)，并發(fā)送到數(shù) 據(jù)接口 1204;負載調(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)對第二天線 1205的負載進行調(diào)制;數(shù)據(jù)接口 1204作為接收器1203與負載調(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NFC標簽接 口；整流穩(wěn)壓電路1207將接收到的交變磁場的能量整流和穩(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具有一個開關可以控制負載的接入與斷開。
[0093]該NFC標簽接口設計相對于傳統(tǒng)NFC標簽接口以及第一種實現(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。這兩個諧振環(huán)路可以同時工作，故可省去第一種實現(xiàn)方案中復雜的切換電路與控 制邏輯。由于無需切換，第二種實現(xiàn)方案可以支持現(xiàn)有NFC的全部傳輸速率。由于該NFC標 簽接口設計沒有變動通信協(xié)議，故其完全兼容現(xiàn)有NFC標準，可以與任何標準NFC讀寫器通 {目。
[0094] 下面介紹該天線諧振環(huán)路及附屬電路的一種實現(xiàn)方案。圖13為該方案的簡化電路 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的作用是當天線1310Q 值太高時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值應控制在50以上；電阻1303為調(diào)制負載，和開關1302 一起構成負載調(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1308控制負載與 諧振環(huán)路的連接;整流電路1301的輸入同時連接到解碼器輸入電路上。
[0095] 在該NFC標簽接口設計方案中，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信號時的電壓。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 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)射天線的距離實現(xiàn)。
[0096] 負載調(diào)制電路需最大化負載變化范圍來提高使用小天線時的通信性能。開關1302 需具有隔離度高、插入損耗小的特點。電阻1303用來限制通過開關1302的電流，以防止其超 過最大功率而損壞。電阻1303的選擇應根據(jù)開關1302的最大允許功耗與內(nèi)阻、NFC標簽接口 的最大接收功率計算選擇。
[0097] 對于第二諧振電路，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，過低的電感值會導致低的接收電壓，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單的匹配電路，因為匹配越復雜，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。
[0098]圖14為該NFC標簽接口的控制狀態(tài)機。該接口在上電復位后處于低功耗狀態(tài)等待 NFC載波。若探測到NFC載波，則檢測載波強度是否大于At。若大于則將負載連接入諧振環(huán)路 采集能量，否則則斷開負載。這是為了防止磁場強度過低時強行接入負載降低通信性能。然 后該接口檢測是否有NFC讀寫器接口發(fā)送的調(diào)制信號。若未檢測到則返回檢測載波步驟。若 檢測到，則接收該NFC信號。接收完成后，在t秒后通過負載調(diào)制發(fā)送響應信號。負載調(diào)制完 成后，返回檢測載波步驟并重復以上步驟。At需根據(jù)該NFC標簽接口與NFC讀寫器接口在對 其且較近距離時的實際值設定，保證負載接入后不會影響到通信穩(wěn)定性。"應根據(jù)NFC接口 協(xié)議的標準值設定。
【主權項】
1. 一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口，其特征在于，所述NFC讀寫器 接口包括天線、可調(diào)匹配電路、天線驅動單元、調(diào)制器、解調(diào)器及MCU內(nèi)核； 所述天線、可調(diào)匹配電路和天線驅動單元構成可實時切換高/低Q值工作模式的天線諧 振環(huán)路。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口，其特征 在于，所述天線、可調(diào)匹配電路、天線驅動單元、調(diào)制器及MCU內(nèi)核依次連接，同時所述可調(diào) 匹配電路還連接解調(diào)器的輸入端，所述解調(diào)器的輸出端連接MCU內(nèi)核，所述MCU內(nèi)核的輸出 端還連接可調(diào)匹配電路。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口，其特征 在于，所述NFC讀寫器接口還包括電源管理單元、時鐘系統(tǒng)及數(shù)據(jù)接口單元，所述數(shù)據(jù)接口 單元通過FIFO單元連接到MCU內(nèi)核上，所述數(shù)據(jù)接口單元用于接收NFC數(shù)據(jù)； 所述電源管理單元對所述NFC讀寫器接口上的元件進行供電； 所述時鐘系統(tǒng)用于產(chǎn)生NFC讀寫器接口上需要的所有時鐘。4. 根據(jù)權利要求2所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口天線諧 振環(huán)路，其特征在于，所述可調(diào)匹配電路用于調(diào)節(jié)天線的阻抗，所述天線驅動單元對調(diào)制器 產(chǎn)生的信號進行功率放大，并將放大過的信號通過可調(diào)匹配電路傳送給天線。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口天線諧 振環(huán)路，其特征在于，所述天線諧振環(huán)路還包括Q值調(diào)節(jié)電路及Q值調(diào)節(jié)開關。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口天線諧 振環(huán)路，其特征在于，所述Q值調(diào)節(jié)開關與Q值調(diào)節(jié)電阻串聯(lián)后與天線并聯(lián)。7. 根據(jù)權利要求5所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口天線諧 振環(huán)路，其特征在于，所述天線諧振環(huán)路包括兩種工作模式，分別為高Q值模式及低Q值模 式，兩種模式可通過Q值調(diào)節(jié)開關實時切換控制。8. 根據(jù)權利要求5所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口天線諧 振環(huán)路，其特征在于，所述Q值調(diào)節(jié)開關由一電信號實時控制開關的斷開和閉合。9. 根據(jù)權利要求5所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口，其特征 在于，所述可調(diào)匹配電路包括T型、PI型、L型或單一電容，并具有小于ldb的低插入損耗，所 述天線驅動單元具有小于5歐姆的輸出阻抗。10. 根據(jù)權利要求7所述的一種為能量采集和小尺寸天線優(yōu)化的NFC讀寫器接口天線諧 振環(huán)路，其特征在于，所述天線電感值在luH到10uH之間，天線面積在100mm 2至5000mm2之間， 高Q值模式時天線諧振環(huán)路在13.56Mhz的Q值在50以上，低Q值模式時天線諧振環(huán)路在 13.56Mhz的Q值在25以下。
【文檔編號】G06K17/00GK105868810SQ201610202364
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】王清斌
【申請人】王清斌