專利名稱：用于rfid的自動天線調(diào)諧器系統(tǒng)的制作方法
用于RFID的自動天線調(diào)諧器系統(tǒng)
相關(guān)申請的交叉引用本申請基于并且要求2007年9月24日提交的美國臨時申請No. 60/994，834的權(quán)
frff. o
背景技術(shù)：
在制造和使用RFID (射頻識別)時，該技術(shù)被分成兩個主要的組；第一組是通過緊 密耦合到閱讀器來獲取功率的無源標(biāo)簽，由此使得該無源標(biāo)簽?zāi)軌騻魉托畔⒒驅(qū)⑿畔⒎祷?到閱讀器。第二組是有源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽具有它們自己的功率存儲能力，比如電池、電容器 或其它設(shè)備。利用由閱讀器生成以請求有源標(biāo)簽傳送數(shù)據(jù)的RF信號來查詢該有源標(biāo)簽，其 中所述數(shù)據(jù)由該閱讀器接收。無源標(biāo)簽典型地具有幾英寸到一米的范圍。有源標(biāo)簽可以傳 送幾十米，但是因為電池的限制而具有有限的壽命。有源標(biāo)簽因為電池或電容器的有限保 存期限而具有有限的壽命?，F(xiàn)有技術(shù)包括許多針對用于RFID系統(tǒng)的天線調(diào)諧的專利。這些專利中的一個是 美國專利No. 5，491，715，其提供了用于將天線諧振電路的諧振頻率與發(fā)射機輸出的輸出頻 率匹配的方法和系統(tǒng)。供電信號被傳送到天線諧振電路，該天線諧振電路包括在操作中可 變地更改諧振電路的諧振頻率的調(diào)諧電路。在天線諧振電路的輸出端提供與諧振頻率和供 電信號之間的頻率差具有已知關(guān)系的相位相關(guān)信號。然后，相位比較接收該供電信號和相 位相關(guān)信號，并相應(yīng)地基于該已知的相位關(guān)系調(diào)整諧振電路的諧振頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的自動天線調(diào)諧設(shè)備提供(1)用于有源RFID發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽的喚醒信 號以及(2)用于操作無源RFID發(fā)射機應(yīng)答器無源標(biāo)簽或大量傳感器、接收機、發(fā)射機或其 它電氣或電子設(shè)備的功率。本發(fā)明的天線調(diào)諧器可以為四英尺之外的30乘以60英尺的范圍中的無源標(biāo)簽加 電，并且可以被用來喚醒在被喚醒之前不使用電池電流的有源發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽，從而將 其壽命增加到超過在其處于持續(xù)喚醒狀態(tài)情況下的期望壽命。在本發(fā)明的指導(dǎo)下，功率生成系統(tǒng)被用來控制遠程操作的回路天線。該回路天線 生成可以被用來對RFID發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽設(shè)備、傳感器、接收機、發(fā)射機或其它電氣或電 子設(shè)備加電的電磁場。這一概念使得大量的位于架子、物架、貨板等上的這些遠程電子設(shè)備 收集數(shù)據(jù)、報告返回到用于管理的中央計算機以用于跟蹤該設(shè)施的操作。這些電子設(shè)備典 型地沒有電池并因此需要最小維護或者無需維護。某些設(shè)備會有電池但完全處于休眠狀 態(tài)、汲取很少電流或不汲取電流，并且由來自天花板、墻壁或地板中的回路天線的電磁信號 喚醒。為了高效，該回路天線應(yīng)該具有最高品質(zhì)或“Q因子”。Q是感抗除以其電阻的比 值。通過這樣的關(guān)系，線圈(導(dǎo)線)的電阻越低，回路的Q或品質(zhì)就越高。這意味著調(diào)諧很 關(guān)鍵并且必須一直保持。在設(shè)施中的遠程功率生成回路天線可能容易被其所處的環(huán)境影響。如果大的金屬架或物品被遠離或者靠近天線移動，則會影響調(diào)諧。天線的效率可能會 被嚴重影響到該天線不再被調(diào)諧到峰值并因此不能夠執(zhí)行其所需的功能。為了一直使功率的生成最大化，重新調(diào)諧回路天線的需求很重要。因為裝置被重 新定位在該設(shè)施中并且功率生成天線變成失諧的，所以效率降低了。工人將不得不一次又 一次到工廠去優(yōu)化所述回路天線的調(diào)諧。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例的指導(dǎo)下，當(dāng)天線生成功率時，該天線將電磁耦合到遍布 該設(shè)施的遠程電子設(shè)備。如果每次將一件裝置重新定位在局部區(qū)域都可以自動地重新調(diào)諧 回路天線，則無源電子設(shè)備的效率被保持在峰值并且對手動調(diào)整回路天線的需求被取消。本發(fā)明的自動天線調(diào)諧器被設(shè)計成以預(yù)定間隔測試回路天線的諧振以保持該回 路天線的完整性。于是，當(dāng)正在進行區(qū)域查詢的計算機系統(tǒng)需要對遍布該設(shè)施的電子設(shè)備 加電時，該回路天線將像被設(shè)計成對例如RFID發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽或其它電子設(shè)備加電那 樣有效地工作。由該天線生成的電磁場還可以被編碼以給接收設(shè)備提供指令以接通、斷開或執(zhí)行 例如將新數(shù)據(jù)存儲在存儲器中、清除存儲器或進入休眠之類的其它特定任務(wù)或操作。本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是通過保持持續(xù)充電來增加超過當(dāng)前電池技術(shù)的容量 以對遠程定位的電子設(shè)備供電，由此為這樣的設(shè)備提供潛在無限的保存期限。這將在利用 裝置的可靠性方面具有重要的優(yōu)點。本發(fā)明還提供用于醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、夜視、GPS、無線電、 傳感器、執(zhí)行器和智能收集技術(shù)的外部功率源。電磁場天線典型地用來對RFID發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽加電以回讀用戶或設(shè)備的標(biāo) 識。本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是將天線放置在倉庫、工廠或裝運/接收臺的天花板、墻壁或 地板中。RFID發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽設(shè)備、傳感器、接收機、發(fā)射機或其它電氣或電子設(shè)備被放 置在這些天線的范圍中并且不時地被它們的天線加電或喚醒。當(dāng)這些RFID發(fā)射機應(yīng)答器 標(biāo)簽或其它電子設(shè)備被喚醒時，它們將會將它們的數(shù)據(jù)傳送回正在控制這些天線的計算機 系統(tǒng)。本發(fā)明的自動調(diào)諧系統(tǒng)包括與主計算機通信的微處理器。主計算機將不時地用信 號通知自動調(diào)諧系統(tǒng)要喚醒在其區(qū)域中的RFID設(shè)備、傳感器、接收機、發(fā)射機或者電氣或 電子設(shè)備，并且將所接收的數(shù)據(jù)發(fā)送回計算機。微處理器將通過以指定的頻率將電流驅(qū)動到天線中來為該天線加電。例如，可以 以125kHz的頻率來驅(qū)動該天線。然后，微處理器將利用軟件查看驅(qū)動或源信號的相位并且 將其與天線上的載波信號的結(jié)果相位進行比較。如果它們彼此異相接近90度，則該天線被 適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧。如果信號沒有異相90度，則微處理器將或者添加或者移去電容以適當(dāng)?shù)卣{(diào)諧 該天線。在查閱了下面的對優(yōu)選實施例和附圖的詳細描述之后，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點 對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得顯而易見的。


圖1是示出由微處理器控制的自動天線調(diào)諧器的基本概念的示意圖。圖2是說明適當(dāng)調(diào)諧的時序圖。圖3是說明利用太多電容來調(diào)諧的時序圖。
圖4是說明利用太少電容來調(diào)諧的時序圖。圖5說明工廠中的無線RFID發(fā)射機應(yīng)答器的供電。
具體實施例方式圖1說明本發(fā)明的自動天線調(diào)諧器系統(tǒng)121的示意性基本電路。類似于Microchip 有限公司的PIC16F628的微處理器101控制脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出管腳外部的源信號 102的頻率的生成。對于該設(shè)計來說，該源信號102是125kHz，但是幾乎可以是期望對其 電磁場中的無線外圍設(shè)備加電的任何頻率。源信號102被M0SFET驅(qū)動器103放大并且然 后被驅(qū)動到一對大型的(heavy)M0SFET晶體管104中。例如，M0SFET驅(qū)動器103可以是由 Microchip制造的像其模型No. TC4422那樣的驅(qū)動器，其將功率放大到M0SFET 104需要的 高容量輸入的水平。這些M0SFET被設(shè)計成驅(qū)動大電流和高電壓以便驅(qū)動一組電容器106。 M0SFET 104 可以是被 International Rectifier 制造成像其模型 No. JRF9530 和 IRF530 那 樣的M0SFET。這些電容器106各自由繼電器觸點105選擇以調(diào)諧電容器106和電感107在 125kHz處諧振。電感107可以是大量設(shè)備中的任何一個。例如，電感107可以是拉伸穿過設(shè)施的 天花板、墻壁或地板的24規(guī)格線(24 gauge wire)或者一長段導(dǎo)線或?qū)Ч苄纬傻男〉膬捎?寸回路，或者是能夠傳導(dǎo)電流的許多其它材料形成的小的兩英寸回路。該電感107的尺度 可以一直達到30乘以60英尺，并且導(dǎo)線尺寸可以是2規(guī)格那么長。在工廠中的典型應(yīng)用 可以是30乘以60英尺以便在覆蓋合理范圍的同時允許裝置的自由流動。成功的測試已示 出電感107可以具有從自動調(diào)諧器拉伸到末端被接地到建筑物的金屬框架的距離點的導(dǎo) 線長度，該建筑物的地是回路的返回路徑。在不限制本發(fā)明的范圍或這樣的導(dǎo)線的最大長 度的情況下，在該測試中使用的導(dǎo)線長度是60英尺。由M0SFET驅(qū)動器103、104加電的源信號102被通過一個或多個電容器106傳送 到電感107，該電感107選擇性地通過一個或多個電容器106將諧振信號轉(zhuǎn)發(fā)到門108。該 門108的輸出是載波信號109。期望的是，該載波信號109與源信號102相比在相位方面超 前或滯后90度。通過與門130對該載波信號109和源信號102進行門控以產(chǎn)生比較信號 110。通過與門131對該比較信號110和20MHz晶體112進行門控以產(chǎn)生一個脈沖串113， 微處理器101將使用該脈沖串113來確定該天線是否被適當(dāng)?shù)卣{(diào)諧。圖2說明源信號102與來自門108的載波信號109之間的時序關(guān)系。如果該天線 被調(diào)諧到諧振，則如所示出的那樣這兩個信號之間的關(guān)系是90度。如上面所指出的那樣， 比較信號110是兩個信號——即一起通過與門130進行邏輯與操作的源信號102和載波信 號109——的結(jié)果。脈沖113被門控到該微處理器101中的計數(shù)器。在125kHz處，源信號102的“接通”時間是4uS，并且“斷開”時間也是4uS。當(dāng)天 線被適當(dāng)?shù)卣{(diào)諧時，比較信號110 “接通”6uS并且“斷開”2uS。這允許120個脈沖從20MHz 晶體112通過與門131的門控而到微處理器101及其計數(shù)器。適當(dāng)調(diào)諧的天線將產(chǎn)生近似 120的數(shù)目的計數(shù)值。門延遲、上升和下降的次數(shù)將影響實際計數(shù)值。圖3說明當(dāng)存在太多電容并且源信號102和載波信號109之間的相差被擴展時源 信號102和載波信號109之間的時序關(guān)系。脈沖113的數(shù)目現(xiàn)在小于120，并且微處理器中 的軟件可以使得通過控制電容器106及其繼電器觸點105來添加更多電容直到計數(shù)值大約
6為 120。圖4說明當(dāng)存在太少電容時源信號102和載波信號109之間的時序關(guān)系。再次， 軟件將看到存在多于120個脈沖113并且添加一些電容直到計數(shù)值大約為120。圖5說明位于工廠的天花板中的天線122。天線調(diào)諧器121被連接到控制該天線 的操作的計算機120。在天線下面是一堆貨板123，在該貨板上具有物品124。這些貨板123中的三個貨 板被堆疊成一個單元。在每個貨板上有RFID發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽125，當(dāng)該RFID發(fā)射機應(yīng)答 器標(biāo)簽125是有源標(biāo)簽時其將接收喚醒信號，或者當(dāng)RFID發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽125是無源標(biāo) 簽時其將接收功率。計算機120將不時地發(fā)送命令到調(diào)諧器121。該命令將告訴調(diào)諧器對 該調(diào)諧器磁場中的所有發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽125檢查庫存。在該調(diào)諧器磁場中的那些發(fā)射機 應(yīng)答器標(biāo)簽將喚醒并發(fā)送回其ID，由此為計算機給出在那時以及在那個位置處在工廠地板 上有什么的簡短描述(snapshot)。如果庫存不被經(jīng)常移動，則該操作可能僅每天發(fā)生一次 或者甚至每周一次。但是如果以更大的比例移動該庫存，則計算機將在需要的情況下每一 小時或者甚至每一分鐘進行一次庫存檢查。然后發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽將其ID發(fā)送回到天線 122，并且如果發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽被其它數(shù)據(jù)編程的話，該發(fā)射機應(yīng)答器標(biāo)簽可能將這樣的 數(shù)據(jù)發(fā)送回到天線122，。天線調(diào)諧器系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的外圍設(shè)備。這意味著計算機可以 在任何時候訪問(一個或多個)調(diào)諧器，并且更新或檢驗庫存，或者在該庫存在工廠中移動 的時候跟蹤其位置。本發(fā)明的上面詳細描述以說明性的目的給出。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的 是，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下可以進行許多改變和修改。因此，將以說明并且非限制的 意義來解釋前面描述的整體，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種自動天線調(diào)諧系統(tǒng)，包括(a)脈沖寬度調(diào)制器；(b)微處理器，用于控制來自所述調(diào)制器的源信號的頻率的生成；(c)電感；(d)多個繼電器觸點和電容器，用于從所述放大器接收所述源信號并且將該源信號傳送到所述電感，所述電感和所述電容器生成諧振信號；(e)門，該門通過一個或多個繼電器觸點與所述電容器通信以將所述諧振信號作為載波信號傳送；(f)用于對所述載波信號與所述源信號進行門控以產(chǎn)生與晶體進行門控的比較信號從而產(chǎn)生脈沖串的裝置，所述微處理器具有(i)用于確定所述脈沖串的計數(shù)值的計數(shù)器以及(ii)用于改變電容以增加或減小所述脈沖串的計數(shù)值的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動天線調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述調(diào)諧系統(tǒng)連接到位于設(shè)施中的 天線并且連接到計算機或微處理器，并且所述自動天線調(diào)諧系統(tǒng)還包括多個定位在所述設(shè) 施中的間隔開的RFID發(fā)射機應(yīng)答器，所述RFID發(fā)射機應(yīng)答器適合于從所述計算機或微處 理器接收信號并且將這樣的信號傳送回所述天線。
3. 一種自動天線調(diào)諧系統(tǒng)，包括(a)脈沖寬度調(diào)制器；(b)微處理器，用于控制來自所述調(diào)制器的源信號的頻率的生成；(c)一個或多個放大器，用于放大所述源信號；(d)電感；(e)多個繼電器觸點和電容器，用于從所述放大器接收所述源信號并且將該源信號傳 送到所述電感，所述電感和所述電容器生成諧振信號；(f)門，該門通過一個或多個繼電器觸點與所述電容器通信以將所述諧振信號作為載 波信號傳送；(g)用于對所述載波信號與所述源信號進行門控以產(chǎn)生與晶體進行門控的比較信號從 而產(chǎn)生脈沖串的裝置，所述微處理器具有(i)用于確定所述脈沖串的計數(shù)值的計數(shù)器以及 ( )用于改變電容以增加或減小所述脈沖串的計數(shù)值的裝置。
4. 一種用于調(diào)諧射頻識別系統(tǒng)(RFID)的天線的方法，包括以下步驟(a)以一個頻率從脈沖寬度調(diào)制器發(fā)出源信號；(b)放大所述源信號并將所述源信號傳送到多個電容器并且傳送到電感，每個電容器 具有繼電器觸點；(c)通過一個或多個電容器傳送來自所述電感的信號以形成載波信號；(d)對所述載波信號與所述源信號進行門控以產(chǎn)生比較信號；(e)比較所述載波信號與所述源信號相比在相位方面是否超前或滯后90度；(f)添加或減少電容以根據(jù)需要來改變所述比較信號的每個周期的計數(shù)值，從而在所 述載波信號和所述源信號之間建立90度相位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括增加電容以減小每個周期的脈沖數(shù)目或者減小 電容以增加每個周期的脈沖數(shù)目的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括以下步驟(a)在與所述調(diào)諧系統(tǒng)通信的設(shè)施中定位所述天線；(b)將多個RFID發(fā)射機應(yīng)答器定位在所述設(shè)施中；(c)將來自計算機或微處理器的信號傳送到所述RFID發(fā)射機應(yīng)答器中的一個或多個；以及(d)將來自所述一個或多個RFID發(fā)射機應(yīng)答器的信號傳送到所述天線和所述計算機。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括通過與門來將所述比較信號與晶體進行門控以 產(chǎn)生限定每個周期的計數(shù)值的脈沖串。
8.一種用于調(diào)諧射頻識別系統(tǒng)的天線的方法，包括以下步驟(a)通過源信號以一個頻率、一個相位將功率遞送到電感；(b)通過一個或多個電容將來自所述電感的諧振信號傳送到門；(c)傳送來自所述門的載波信號并且通過與門對所述載波信號進行門控以與所述源信 號結(jié)合，從而產(chǎn)生與晶體進行門控以產(chǎn)生脈沖串的比較信號；(d)將所述源信號的相位與所述載波信號的相位進行比較；以及(e)如果而且僅如果所述源信號的相位和所述載波信號的相位的相差大于或小于90 度，則向來自所述電感的信號添加或減少電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括對來自所述天線的信號進行編碼并且將經(jīng)過編 碼的信號傳送到遠程接收設(shè)備的步驟。
10.一種用于控制設(shè)施中的物品的庫存的方法，包括以下步驟(a)將天線和多個RFID發(fā)射機應(yīng)答器定位在所述設(shè)施中；(b)將天線調(diào)諧系統(tǒng)用于所述天線，所述調(diào)諧系統(tǒng)包括脈沖寬度調(diào)制器和電感；(c)將來自所述脈沖寬度調(diào)制器的源信號傳送到多個電容器并且傳送到所述電感，每 個電容器具有繼電器觸點；(d)將來自所述電感的信號傳送通過一個或多個電容器以形成載波信號；(e)對所述載波信號與所述源信號進行門控以產(chǎn)生比較信號；(f)比較所述載波信號與所述源信號相比在相位方面是否超前或滯后90度；(g)添加或減少電容以根據(jù)需要來改變所述比較信號的每個周期的計數(shù)值，從而在所 述載波信號和所述源信號之間建立90度相位；(h)將來自計算機或微處理器的信號傳送到所述RFID發(fā)射機應(yīng)答器中的一個或多個；以及(i)將來自所述一個或多個RFID發(fā)射機應(yīng)答器的信號傳送到所述天線和所述計算機。
全文摘要
一種用于射頻識別系統(tǒng)的自動天線調(diào)諧系統(tǒng)，包括脈沖寬度調(diào)制器；用于控制來自所述調(diào)制器的源信號的生成的微處理器；用于從放大器接收所述源信號并且將其傳送到電感的電容器；與所述電容器進行通信以將來自電感和電容的諧振信號作為載波信號來傳送的門；以及用于對所述載波信號與所述源信號進行門控以產(chǎn)生比較信號從而產(chǎn)生脈沖串的裝置和用于改變電容來增加或減小所述脈沖串的計數(shù)值的裝置。
文檔編號H01Q1/50GK101809815SQ200880108363
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日
發(fā)明者G·T·凱羅, J·T·凱羅, R·L·塔克 申請人:庫珀輪胎和橡膠公司