CN1252908A - 数据通信终端及调节从其产生的功率信号电平的方法 - Google Patents

Abstract

一种数据通信终端(102),包括有一个向便携数据装置传递功率信号的天线电路(106)。该终端还包括一种方法,通过监测天线电路的阻抗特性,不需要来自便携数据装置的任何通信反馈而可以自动调节便携数据装置获得的功率电平。当检测到测量得的阻抗特性变化时,数据通信终端对传递给便携数据装置的功率信号调节好功率电平。

Description

数据通信终端及调节从其产生 的功率信号电平的方法

                     本发的领域

本发明一般地涉及数据通信，具体涉及数据通信终端和用于响应于该数据通信中检测的阻抗变化自动调节功率电平的方法。

                      本发明的背景

数据通信系统是众所周知的，其中包括有以接触方式或不接触方式与便携数据装置进行通信的终端。在接触方式安排中，对于终端装置向便携数据装置传递的功率，通过接触点的电连接点进行控制是比较容易的。在不接触方式环境中，功率传递和调整是一个较为复杂的问题。具体地，必须做到，便携数据装置要接收足够的能量来维持卡电路有合适的功率电平，但不能有太多的功率，以免装置电路开始过热。

为了帮助说明卡接收太多功率的动态情况，图1-1示明一个数据通信系统100，它包括一个与便携数据装置104关联的终端装置102。如图中所示，终端装置102的传输单元106与便携数据装置104之间相隔距离D。容易理解，由便携数据装置104得到的能量总量是与卡和读取器之间的距离D直接相关的。也就是，当卡更接近读取器时，卡必须能够用某种方式调整功率使其维持在一个恒定电平上，以适应于增高的能量。

图1-2示明距离D与卡功率PC之间关系的曲线图。功率曲线110表明，卡功率P_C与卡和读取器相隔距离D之间的关系是指数衰减式的。要维持正常的工作条件，卡能离开读取器的最小距离为距离112。在此距离下，卡得到的最大功率是卡上的电路能够容忍的。当卡更移近读取器时，必须用任何数目的已知部件诸如电阻元件等吸收过多的功率。当卡与读取器相隔的距离在图1-2中所示区域116内时，卡必须不断地吸收过多的功率，以使得卡电路不致损坏。当然，在电阻元件中吸收的功率将产生出热量，它增长起来，会使卡基底(通常为某种塑料形态)发生有害效应。另一方面，当卡移离开读取器而在如图中所示的区域113内时，卡得到的功率减小，在最大容许距离上功率将减小到可接受的最小电平120。

虽然，最小功率电平问题可由先进的接收技术予以解决，但与最大功率电平关联的、导致卡过热的问题，在今天的智能卡中依然未解决。先有技术在解决这个问题中要求卡始终保持与终端通信，容许以反馈机理能使终端传递较小的功率。需要从卡到读取器进行通信这一点，当由于这种或那种原因而卡停止与读取器通信时，将成为问题。一种情况是卡与读取器失去同步时，反馈机理随之丢失。另一种情况是卡与读取器之间在同样安排下并不通信。无论哪一种情况，卡不能够向读取器传输关于存在过多功率的信息，从而导致过热的结果。事实上，卡IC(集成电路)将产生如此多的热量，会使塑料基底变形和造成本导体导电结损坏，由此产生卡失效。

因此，对数据通信系统和方法存在一种要求，能调节传递给便携数据装置的功率电平。具体地，数据终端可自动调节功率电平而不需要卡与读取器之间进行通信(例如，由卡提出要求来调节功率电平)，这便能改进先有技术。

                     附图的简单描述

图1-1示明一个数据通信系统，是先有技术中已知的；

图1-2示明一条功率曲线，表明了图1中便携数据装置上检测的功率电平与终端和便携数据装置相隔距离之间的关系；

图2示明按照本发明的终端装置的稍详细方框图；

图3示明按照本发明的一个实施例，一种功率传递机理的简化电路图；

图4示明按照本发明的一种简化电路图，表示出几种阻抗检测技术；

图5示明按照本发明的一种简化电路图，表明了一种功率调整电路；和

图6示明按照本发明的一个数据流程图，表明了终端装置的工作。

                  优选实施例的详细描述

本发明包括用于数据通信终端的一种装置和方法，终端内包括一个天线，用来向便携数据装置传递功率信号。数据通信终端监测天线的阻抗特性，借以检测所监测的阻抗特性的变化。检测到有变化时，数据通信终端自动调节传递给便携数据装置的功率信号的功率电平。在此情况下，本发明容许一种不通信的方式，利用它可调节由终端传递给卡的功率(例如，不需要向读取器请求调节功率)。

图2示明按照本发明的一个数据通信终端102的简化方框图。功率放大器201产生一个功率信号，传递给天线电路106，用于传输至便携数据装置。工作期间，天线电路106将阻抗特性信息传递给监测电路203，这能以多种不同的方法来实现，将在后面说明。按照本发明，监测电路在工作中与一个功率调节电路205相连接。最后，功率调节电路205产生一个控制信号207，它输入至功率放大器201。按照本发明，应用上述简化单元可有利地给出功率调节，它不需要附加地接收便携数据装置来的指令。因此，不必需使卡与读取器进行通信来实现功率调节。

图3示明了在图2所示功率放大器201中可以应用的一种平衡式发射机电路。功率放大器201-1和201-2由相反极性的输入信号302和304加以激励，使得在天线电路106上的电压摆幅为单端式不平衡激励电路的两倍。优选实施例中，在功率放大器载波频率上需使电感器306与电容器308、310发生谐振，以便对给定的激励电压(也即是功率放大器的输出)在天线中得到最大的电流。使天线保持完全的平衡电路能在控制向外辐射上有另外的好处，因为天线两端对地平衡，它激发的虚假辐射模式很少。

图4示明按照本发明的图3中所示的天线电路106细节，连同有多个监测电路。具体地，在节点401与402之间示出了第一监测电路403。一种实施例中，流过电感器306的电流由一个串接入的变压器的初级线圈405进行采样，次级线圈407与之构成该变压器。流过电感器306的电流有大的幅度，0.5安培到1.0安培以上，以便产生出充分的磁场向远处耦合的卡供电。使次级线圈407对初级线圈405的匝数比做得高，采样电流在高阻抗检测器电路409中降低到一个合适的值。此实施例中，高阻抗检测电路409产生出一个控制信号410，它与流过天线电路106的电流成比例。自然，大的匝数比使反射到节点401与402之间初级电路内的检测器阻抗下降，因此，可忽略它影响天线电路106中的串接损耗。

跨在电感器306两端(也就是两个节点411与402之间)的电压也能够采样，作为监测阻抗特性的一种方法。一个实施例中，利用简单的高阻抗差分放大器413的固有相减运算来测量两个节点间的电压，可产生出控制信号414(第二监测电路412)。实际上，节点411与402之间的电压摆幅在大电流系统中会是很大的，达到50伏峰值的程度，所以，可能需要某种电阻分压器或其它方法来减小差分放大器的输入电压(未示出)。由天线上的电压能得到天线本身存在的阻抗特性，或者当结合应用由第一监测电路403(或第三监测电路416，下面说明)实行的天线内电流感知时，能从感知的天线电压和电流中计算出实际天线阻抗。应当指出，节点411与402之间测量得到的差分电压通常并不提供出精确的天线电流测量值。这是因为，节点402与411之间存在的实际阻抗取决于卡贴近读取器的距离。然而，尽管其固有的不精确性，此电压测量值足以产生出一个控制信号，使用于按照本发明的功率控制方法中。

对流过电感器306的串行电流采样的第二个实施例(监测天线阻抗特性的第三种技术)中，应用了第三监测电路416，在电路的节点411与415之间放置一个已知的串接阻抗417。这个阻抗417不必需是电阻性的，也可采用电抗或复阻抗，但阻抗值须已知。使用高阻抗差分放大器419测量节点415-411上的电压降，可产生出与天线中串行电流成比例的控制信号420。

功率放大器系统的一个优选实施例示明于图5，其中，放大器501可以是任意的高效率、饱和方式放大器。一种优选实施例中，使用了D类放大器。按照本发明，有几种控制放大器输出功率电平的方法。第一种方法是将控制信号(CS′、CS″等)加到放大器电源电路502上，电源电路502由DC-DC(直流-直流)变换器504和电源滤波器506组成，加给功率放大器501的偏置可以调节。将调节饱和方式功率放大器的偏置作为调节输出功率的一种方法，是本技术领域内的熟练人员周知的。对放大器输出的基本频率的功率进行调节的另一种方法是用调制电路508改变放大器的激励信号，调制电路508采用一个脉宽调制器来改变输入给放大器的激励波形的占空比。50％占空比时，可达到最大载波电平。假设脉宽调制的激励波形占空比为δ，则本技术领域内的熟练人员知道，脉冲波形的基波分量将按sin(πδ)/π变化。这个函数在δ＝0.5或即50％占空比时有最大值，占空比无论增加或减少，基波分量将对称地都会下降。

在一个实施例中，将串接阻抗上采样的电压与功率放大器的供电电压进行比较。当卡的存在使谐振状态失谐时，流过天线的电流因卡的附加阻抗耦合进天线而开始下降。当采样电流与功率放大器供电电压之比(它反映出运行的阻抗特性)开始减小时，可监测此比值。在监测的比值下跌至一个预定阈值之下或者预定范围之外时，它指出卡贴近读取器，按照本发明，可以将电源偏置减少一个预定值。当卡退出读取器时，该比值又升高，功率放大器供电回复到其初始电平上。

在某些应用中，最好使天线位置远离开功率放大器501。在此场合下，功率信号通过诸如一条标准传输线(50欧阻抗)或其它标准阻抗的同轴电缆去往天线。为了有效地将功率传递至天线上，必须应用匹配网络520与电缆特性阻抗达到阻抗匹配。利用阻抗特性监测电路512可以在电缆的功率放大器端观察到天线阻抗的变化。该监测电路512由双向耦合器516组成，双向耦合器516通常由耦合传输线组成，但在诸如本优选实施例中应用的低频率上可由集总电感器和电容器组成。此类电路在本技术领域内是周知的。将正向传播电波与反向传播电波进行比较，可以计算出反射系数518(图中用“Γ”指明)，本技术领域内的熟练人员知道，这可以是在匹配网络520输入端上表示阻抗的另一种方法。如果需要，通过去嵌入技术，能够去掉匹配网络520的效应，得出实际的天线阻抗。然而，对于需要观察到天线阻抗的变化而充分良好地做成与功率控制相配合来说，知道Γ的值已完全可以。

对于预定为激励50欧电缆的功率放大器，控制其输出功率的另一种方法(也就是电源控制除外)是利用可变衰减器514，用反射系数518中得到的控制信号驱动该衰减器514。例如，在一个实施例中观察反射波形的幅度，它指明了因卡贴近读取器造成的天线失谐，并将此幅度与入射波幅度进行比较，由此形成一个反馈控制信号来控制衰减器或者放大器供电电源。应当指出，在天线位置靠近功率放大器的50欧系统中，可通过观察匹配网络输入端上的电压幅度来作出阻抗测量，而不需要定向耦合器，因为在此测量点上的是入射波和反射波之和。将此幅度与起参考阻抗特性作用的“无卡存在”幅度进行比较，能降低入射波幅度以保持入射波加反射波幅度之和恒定。当然，这种方法在卡贴近读取器下可减少传递给卡的功率，并当卡退出读取器时会增加入射波到达“无卡存在”的电平。

图6示出按照本发明的流程图600，表明了数据通信终端的工作。运行期间，在步骤601上，终端如前面所述地监测其天线电路本身的阻抗特性。在步骤603上，应用前面所述的一种监测技术或两种监测技术的组合计算出天线阻抗的函数f(Z_A)。在步骤605上，将计算出的阻抗与参考阻抗特性进行比较，根据优选的工作状态，参考阻抗特性可以是电压或是数字字，通过比较来判定f(Z_A)是否超出范围。处于范围内时，回到步骤601继续监测阻抗特性。在计算出的阻抗特性处于预定范围之外的情况下，在步骤607上由数据通信终端使功率信号调节一个预定量值。具体地，当终端中相应的阻抗变化确定为功率信号太低或太高时，随之调节功率信号。重要之点在于，终端根据对其本身阻抗特性的监测，能自动作出功率调节。因此，对于与读取器已经失去通信或者不能启动通信的卡来说，在这里能保持着如同那张卡仍与读取器维持连续通信那样同等的优点。

上面的特性说明了一种不通信的功率控制系统，那里，借助于复杂性相对地不高的电路，读取器终端能采集关于卡贴近程度的充分信息，用以在卡接近读取器时使传递功率减小。类似地，当卡脱离开先前已减小了功率的读取器时，能自动地增加传递功率。不需要通信之优点的事实在于，由于通信格式的差异或者某种其它的非通信模式。卡可能不能够与读取器进行通信，诸如卡所在的场所中另一张卡正控制着通信链路，或者是通信链路中的差错导致了失去同步等。随着越来越多的金融业务和其它机密应用中依靠着采用不接触式智能卡，发生因卡过热而破坏其信息的情况显著地增大。因此，对于向不接触式卡传递的功率能进行调节的终端和方法，将提供出胜过先有技术的重大改善。

Claims (10)

1.一种在包含天线电路的数据通信终端中向便携数据装置传递功率信号的方法，包括步骤：

监测天线电路的阻抗特性，产生一个监测到的阻抗特性；

检测所监测的阻抗特性的变化；和

响应于该检测步骤，调节功率信号的功率电平。

2.权利要求1的方法，其中，天线电路在工作中连接于第一节点与第二节点之间，又其中，监测步骤中包括有对经过第一节点与第二节点之间的电压电平进行测量的步骤。

3.权利要求1的方法，其中，天线电路在工作中连接于第一节点与第二节点之间，又其中，监测步骤中包括有对第一节点与第二节点之间流过的电流电平进行测量的步骤。

4.权利要求1的方法，其中，监测步骤中包括从监测到的阻抗特性计算出阻抗的步骤。

5.权利要求1的方法，其中，数据通信终端中还包括一个在工作中连接于天线电路上的双向耦合器，又其中，监测步骤中包括有对双向耦合器的反射系数进行测量以及从测量得到的反射系数计算出阻抗的步骤。

6.一种数据通信终端，包括：

一个功率放大器；

一个天线电路，工作中连接于功率放大器上，位于第一节点与第二节点之间；

一个监测电路，工作中连接于至少第一节点和第二节点之一上；和

一个功率调节电路，具有连接至监测电路的输入端和连接至功率放大器的输出端。

7.权利要求6的数据通信终端，其中，功率放大器中包括一个D类功率放大器。

8.权利要求6的数据通信终端，其中，天线电路中包括两个谐振电容器以及一个位于两个电容器之间的线圈。

9.权利要求6的数据通信终端，其中，监测电路中包括一个差分放大器，工作中通过第一节点和第二节点连接至天线电路上。

10.权利要求6的数据通信终端，其中，监测电路中包括用以测量流过天线电路之电流的变压器装置。

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