KR20010006519A - 데이터 통신 단말 및 그로부터 발생된 전력 신호를 조절하는 방법 - Google Patents

Abstract

데이터 통신 단말(102)는 휴데용 데이터 장치에 전력 신호를 전달하기 위한 안테나 회로(106)를 포함한다. 단말은 휴대용 데이터 장치로부터의 어떠한 통신 피드백 없이 휴대용 데이터 장치에서 보이는 안테나 회로에 대한 임피던스 특성을 모니터하여 전력을 자동적으로 조절하는 방법을 더 포함한다. 모니터된 임피던스 특성에 변화가 검출되면, 데이터 통신 단말은 휴대용 데이터 장치로 전달되는 전력 신호에 대한 전력 레벨을 조절한다.

Description

데이터 통신 단말 및 그로부터 발생된 전력 신호를 조절하는 방법{DATA COMMUNICATIONS TERMINAL AND METHOD OF ADJUSTING A POWER SIGNAL GENERATED THEREFROM}

데이터 통신 시스템은 공지되어 있으며 접촉 또는 무접촉 모드로 휴대용 데이터 장치와 통신하는 단말 장치를 포함한다. 접촉된 휴대용 데이터 장치로 단말 장치로부터 전력을 전달하는 것은 접촉점의 전기적 연결을 통해 비교적 용이하게 제어된다. 무접촉 상황에서는 전력 전달과 조절이 좀더 복잡한 문제가 될 수 있다. 구체적으로, 카드 회로에 대해 적절한 전력 레벨을 유지하기에 충분하면서도 장치 회로를 과열시킬 정도의 비과잉 에너지를 휴대용 데이터 장치가 수신해댜 하는 것이다.

과잉 전력을 수신하는 카드의 역학에 대한 설명을 돕기 위해 도 1a는 휴대용 데이터 장치(104)와 연관된 단말 장치(102)를 포함하는 데이터 통신 시스템(100)을 도시한다. 도시된 대로, 단말 장치(102)의 발신 소자(106)는 휴대용 데이터 장치(104)의 수신 소자(108)와 거리 D만큼 떨어져 있다. 휴대용 데이터 장치(104)가 보는 에너지량은 카드와 독취기 사이의 거리 D와 연관된다. 즉, 카드가 독취기에 근접할 때, 카드는 전력을 일정한 레벨로 유지하기 위해 어떻게든지 조절하여 증가된 에너지를 적응시켜야만 한다.

도1b는 거리 D와 카드 전력 P_C사이의 관계를 도식적으로 도시한다. 전력 곡선(110)은 카드 전력과 카드와 독취기 사이의 거리 사이에서 지수적으로 감소하는 관계를 도시한다. 작동이 적절히 될 수 있는 카드가 독취기로부터 떨어질 수 있는 최소 거리(112)가 있다. 이 거리에서, 카드는 카드의 회로에 의해 허용될 수 있는 최소 전력을 본다. 카드가 독취기에 근접하게 이동할 때, 과잉 전력은 저항 소자 등과 같은 다수의 공지된 수단에 의해 흡수되어야 한다. 카드 및 독취기는 영역(116)에 도시된 거리만큼 떨어져 있을 때, 카드는 카드 회로가 손상받지 않도록 과잉 전력을 계속 흡수한다. 물론, 저항 소자에서 흡수된 전력은 열을 발생시키는데, 이는 카드 기판(대개 플라스틱으로 형성됨)에 해로운 영향을 일으킬 수 있다. 마찬가지로, 영역(118)에 도시된 대로 카드가 독취기로부터 멀어질 때, 카드가 보는 전력은 최소 허용 거리(122)에서 최소 수용 레벨(120)로 감소한다.

최소 전력 레벨의 문제는 발전된 수신 기술로 극복될 수 있는 반면, 카드를 과열시키는 결과를 초래하는 최대 전력 레벨과 연관된 문제는 오늘날의 스마트 카드에 있어 고질적인 문제로 남아 있다. 이 문제를 해결한 종래 기술은 단말이 전력을 덜 전달하도록 요청하는 피드백 방법을 허용하며 카드가 단말과 통신을 유지하도록 요구한다. 카드로부터 독취기로의 통신에 대한 필요는 카드가 독취기와의 통신을 어떤 이유로든 중단할 때 문제가 된다. 이러한 시나리오 하나는 카드가 독취기와의 동기를 손실하여 피드백 방법을 쓸 수 없는 경우이다. 다른 시나리오로는 카드와 독취기가 동일한 형식으로 통신하지 않는 경우이다. 두 경우에 카드는 독취기로 과잉 전력의 존재를 전달할 수 없어 과열을 초래한다. 사실, 카드 IC는 플라스틱이 뒤틀리고 반도체 결합에 열손상을 일으켜 카드를 쓸모없게 만들 정도로 뜨거워질 수도 있다.

따라서, 데이터 통신 시스템 단말 및 휴대용 데이터 장치로 전달하기 위한 전력 레벨을 조절하는 방법이 필요하다. 구체적으로, 카드와 독취기 사이의 통신(예를 들면, 전력 레벨을 조절하라는 카드로부터의 요청)이 필요없이 자동적으로 전력 레벨을 조절하는 데이터 단말은 종래 기술에 대해 개선된 것이라 할 수 있다.

본 발명은 일반적으로 데이터 통신 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 데이터 통신 단말 및 데이터 통신 단말에서 검출된 변화에 응답하여 전력 레벨을 자동적으로 조절하는 방법에 관한 것이다.

도 1a는 이 기술분야에 공지된 데이터 통신 시스템을 도시하는 도면.

도 1b는 검출된 전력 레벨과 도 1a에 도시된 단말과 휴대용 데이터 장치 사이의 거리의 관계를 도시하는 전력 곡선.

도 2는 본 발명에 따른 단말 장치의 상세도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 전달 장치의 개략적인 회로도.

도 4는 본 발명에 따른 몇가지 임피던스 검출 기술을 도시하는 개략적인 회로도.

도 5는 본 발명에 따른 전력 조절 회로를 도시하는 개략적인 회로도.

도 6은 본 발명에 따른 단말 장치의 동작을 도시하는 데이터 흐름도.

본 발명은 전력 신호를 휴대용 데이터 장치로 전달하기 위한 안테나를 포함하는 데이터 통신 단말에서 사용되기 위한 장치 및 방법을 포함한다. 데이터 통신 단말은 안테나의 임피던스 특성을 모니터하여 모니터된 임피던스 특성에서 변화를 검출한다. 변화가 검출되면, 데이터 통신 단말은 휴대용 데이터 장비로 전달된 전력 신호의 전력 레벨을 자동적으로 조절한다. 이 방식으로, 본 발명은 카드(card)로 전달된 전력이 단말에 의해(즉, 독취기(reader)가 전력 조절을 요청함없이) 조절될 수 있는 무통신 수단(communication-less means)을 허용한다.

도 2는 본 발명에 따른 데이터 통신 단말(102)의 개략적인 블록도이다. 전력 증폭기(201)는 휴대용 데이터 장치로 전달하기 위한 전력 신호를 발생시켜 안테나 회로(106)로 전달한다. 동작 도중에, 안테나 회로(106)는 임피던스 특성 정보를 모니터 회로(203)으로 전달하는데, 이는 나중에 설명하는 대로 다수의 여러 방법으로 구현될 수 있다. 모니터 회로(203)는 본 발명에 따라 전력 조절 회로(205)에 동작 가능하게(operably) 결합된다. 최종적으로 전력 조절 회로(205)는 전력 증폭기(201)에 입력되는 제어 신호(207)를 발생시킨다. 본 발명에 따르면, 상기 간단한 소자는 휴대용 데이터 장치로부터 명령을 수신할 부수적인 필요없이 전력을 조절하는데 유리하게 사용된다. 따라서, 카드와 독취기가 전력 조절을 위해 통신할 필요가 없어진다.

도 3은 도 2에 도시된 전력 증폭기(201)에 사용될 수 있는 균형 발신 회로(balanced transmitter circuit)를 도시한다. 전력 증폭기(201-1 및 201-2)는 안테나 회로(106)에 걸리는 전압 진폭이 단일 종단 비균형 구동 회로(single-ended, unbalanced drive circuit)를 사용할 때의 두 배가 되도록 반대 극성 입력 신호(302 및 304)에 의해 구동된다. 양호한 실시예에서, 인덕터(306)는 주어진 구동 전압에서 최대 전류가 안테나를 통해(즉, 전력 증폭기 밖에서) 얻어지도록 전력 증폭기 캐리어 주파수에서 공진 커패시터(308, 310)를 사용하여 공진을 일으켜야한다. 안테나에 대해 완전히 균형잡힌 회로를 유지하는 것은 그라운드에 대해 균형잡힌 안테나를 가지고 가짜 방사 모드(spurious radiating mode)가 덜 여기되므로 방사(emissions)를 제어하는 부가적인 우리함이 있다.

도 4는 본 발명에 따른 복수의 모니터 회로와 함께 도 3에 도시된 안테나 회로(106)을 도시한다. 구체적으로, 노드(401 및 402) 사이에 제1 모니터 회로(403)가 도시되어 있다. 일실시예에서, 인덕터(306)를 통해 흐르는 전류는 변환기 회로의 직렬 연결 주코일(primary coil)(405)를 사용하여 표본화된다. 인덕터(306)를 흐르는 캐리어 전류(carrier current)는 원격으로 결합된 카드에 전력을 공급하기에 충분한 자기장을 발생시키기 위해서 대개 0.5 암페어 내지 1 암페어 이상 차수의 큰 진폭을 가진다. 주코일(405)에 대한 부코일(secondary coil)(407)의 회귀율(turns ratio)을 높게 정하여, 표본화된 전류는 고임피던스 검출기 회로(409)에 대해 적절한 값으로 떨어진다. 이 실시예에서, 고임피던스 검출기 회로(409)는 안테나 회로(106)를 통해 흐르는 전류에 비례하는 제어 신호(410)를 생성한다. 물론, 높은 회귀율은 노드(401 및 402) 사이의 주코일에 반사되는 검출기 임피던스를 낮추어서 안테나 회로(106)에 직렬 손실에 거의 영향을 주지 않는다.

인덕터(306)(즉, 노드(411 및 402) 사이)에 걸리는 전압도 임피던스 특성을 모니터하는 수단으로서 표본화될 수 있다. 일실시예에서, 노드에 걸린 전압은 단순한 고임피던스 차동 증폭기(differential amplifier)(413)에서 본래 가능한 감산 동작을 사용하여 제어 신호(414)를 생성하기 위해 측정된다. 실제로, 노드(411 및 402) 사이의 전압 진폭은 고전류 시스템에 대해 50 Vpeak 차수로 매우 커서 차동 증폭기 입력 노드에 걸리는 전압을 감소시키는 저항 분할기 또는 다른 수단(도시되지 않음)이 요청될 수 있다. 안테나에 걸리는 전압은 그 자체에서 임피던스 특성을 생성할 수 있으며, (403)(또는 다음에 설명된 대로 (416))에 의해 수행되는 안테나 직렬 전류 감지와 결합하여 사용될 때, 실제 안테나 임피던스는 감지된 안테나 전압 및 전류로부터 계산될 수 있다. 노드(411 및 402) 사이의 차동 전압 측정은 일반적으로 안테나 전류의 정확한 측정을 제공하지 않는다. 이는 노드(402 및 411) 사이에서 보이는 실제 임피던스가 카드와 독취기의 근접도에 의존하기 때문이다. 그러나, 본질적인 부정확성에도 불구하고 이 전압 측정은 본 발명에 따른 전력 제어 방법에 사용되기 위한 제어 신호를 발생시키기에 충분하다.

인덕터(306)이 걸리는 직렬 전류를 표본화하기 위한 제2 실시예(및 임피던스 특성을 모니터하기 위한 제3 기술)는 모니터 회로(416)를 사용하는데, 이에는 공지된 직렬 임피던스(417)가 노드(411 및 415) 사이에 놓여 있다. 이 임피던스는 저항성이 아니다. 임피던스가 공지되어 있다면, 리액턴스 또는 복소 임피던스도 유용하다. 노드(415-411)에 걸리는 전압 강하를 고임피던스 차동 증폭기(419)를 사용하여 측정하여, 안테나 직렬 전류에 비례하는 제어 신호(420)가 발생된다.

전력 증폭기 시스템에 대한 양호한 실시예가 도 5에 도시되어 있는데, 증폭기(501)는 모든 고효율, 포화 모드 증폭기(saturated-mode amplifier)로 될 수 있다. 양호한 실시예에서, D 등급 증폭기가 사용된다. 본 발명에 따라 증폭기의 출력 전력 레벨을 제어할 수 있는 여러 가지 방법이 있다. 먼저, 제어 신호(CS', CS'' 등)를 DC-DC 변환기(504) 및 공급 필터(506)을 포함하는 증폭기 전력 공급 회로(502)에 인가하여, 전력 증폭기에 대한 바이어스(bias)가 조절될 수 있다. 출력 전력을 조절하는 수단으로서 포화 모드 전력 증폭기의 바이어스를 조절하는 것은 이 분야의 숙련가에 의해 쉽게 이해될 것이다. 증폭기로부터 나오는 기본 주파스의 전력을 조절하는 다른 방법은 펄스폭 변조(pulse width modulation)를 사용하여 입력 구동 파형의 듀티 사이클을 변동시키는 변조 회로(508)을 써서 증폭기로의 구동 신호를 변화시키는 것이다. 최대 캐리어 레벨은 50% 듀티 사이클에 대해 달성될 것이다. 듀티 사이클 δ인 펄스폭 변조 구동 파형에 대해, 이 분야의 숙련가는 펄스 파형의 기본 성분을 sin(πδ)/δ로서 나타낼 수 있다. 이 함수는 δ=0.5, 즉, 50% 듀티 사이클에 대해 최대를 가지고, 듀티 사이클이 증가 감소하면 대칭적으로 감소한다.

일실시예에서, 직렬 임피던스에 걸쳐 표본화된 전압은 전력 증폭기 공급 전압과 비교된다. 카드의 존재가 공진을 역조정하는 동안, 카드의 부가적인 임피던스가 안테나에 결합되므로 안테나를 흐르는 전류는 감소하기 시작한다. 표본화된 전류 대 전력 증폭기 공급 전압의 비(작동 임피던스 특성(operating impedance characteristic) 역할을 함)가 감소하는 동안 이 비율은 모니터될 수 있다. 모니터된 비율이 미리 정해진 임계값(threshold) 아래로 떨어지거나 미리 정해진 범위 밖으로 나가면, 본 발명에 따라 공급 바이어스는 미리 정해진 양만큼 감소될 수 있다. 카드가 독취기에서 멀어지면, 이 비율은 다시 증가하고, 전력 증폭 공급은 초기 레벨로 돌아온다.

어떤 응용에 있어서, 안테나를 전력 증폭기(501)와 원격으로 설치하는 것이 양호하다. 이러한 경우에, 전력 신호는 안테나(50) 또는 다른 표준 임피던스 동축 케이블과 같은 표준 전송선을 통해 전달된다. 전력을 안테나로 효율적으로 전달하기 위해서, 매칭 망(matching network)(520)을 사용하여 케이블 임피던스는 임피던스 매칭되어야 한다. 안테나 임피던스의 변화는 임피던스 특성 모니터 회로(512)를 사용하여 케이블의 전력 증폭기 종단에서 관측될 수 있다. 이 회로는 일반적으로 결합된 전송선을 포함하는 양방향 결합기(516)를 포함하지만, 양호한 실시예에 사용된 것과 같은 저주파수에 대해서는 인덕터와 커패시터의 묶음을 포함할 수 있다. 이러한 회로는 이 기술 분야에 공지되어 있다. 순방향 및 역방향 파를 비교하여 반사 계수(518)('Γ'로 표시됨)가 계산될 수 있는데, 이는 이 기술 분야의 숙련가가 매칭 망으로의 입력에서의 임피던스를 표현하는 다른 방법으로서 알 수 있다. 차감 기술을 통해, 매칭 망(520)의 효과는 실제 안테나 임피던스를 얻기 위해서 필요하다면 제거될 수 있다. 그러나, Γ값의 공지는 전력 제어를 보증하기 위해 안테나 임피던스의 변화를 충분히 잘 관측하기에 필요한 것이다.

50 옴 케이블을 구동하도록 의도된 전력 증폭기에 대해서, 출력 전력을 제어하는(즉, 전력 공급 제어 외에) 다른 방법은 가변 감쇠기(variable attenuator)(514)를 사용하는 것인데, 이는 반사 계수(518)로부터 유도된 제어 신호에 의해 구동된다. 예를 들면, 일실시예에서, 카드의 근접으로 인한 안테나 역조정을 표시하는 반사 파형 진폭을 관측하고 이를 입수 진폭(incident amplitude)과 비교하면, 감쇠기 또는 증폭기 전력 공급기를 제어하기 위한 피드백 제어 신호(feedback control signal)가 발생될 수 있다. 전력 증폭기 근처에 위치한 안테나를 구비한 50 옴 시스템에 대해, 매칭 망으로의 입력의 전압이 입수파 및 반사파의 합이므로 매칭 망으로의 입력에서 전압 진폭을 관측하여 방향성 결합기(directional coupler) 없이 이를 측정할 수 있다는 알자. 기준 임피던스 특성으로서 역할을 하는 "카드 없음" 진폭과 이 진폭을 비교하면, 입수파 진폭은 입수 더하기 반사 진폭을 상수로 유지하기 위해 감소될 수 있다. 물론, 이 방식은 근접한 카드로 전달되는 전력을 감소시키고, 카드가 독취기로부터 멀어지면 "카드 없음" 레벨로 입수파를 증가시킨다.

도 6은 본 발명에 따른 데이터 통신 단말의 동작을 도시하는 흐름도(600)를 도시한다. 동작 도중에, 단말(601)은 안테나 회로에 대해 상기한 대로 자체 임피던스 특성을 모니터한다. 안테나 임피던스의 함수 f(Z_A)는 상기 설명된 두 기술 중의 하나 또는 그 조합을 사용하여 계산된다(603). 계산된 임피던스는 양호한 동작 조건에 해당하는 전압 또는 디지털 워드인 기준 임피던스 특성과 비교되어, 범위 내에 있는지를 결정할 때, 임피던스 특성은 단계(601)에서 계속 모니터된다. 계산된 임피던스 특성이 미리 정해진 범위 밖으로 나가는 경우에, 전력 신호는 데이터 통신 단말에 의해 미리 정해진 양만큼 조절된다(607). 구체적으로, 단말의 해당 임피던스 변화에 의해 결정될 때 전력 신호가 너무 낮거나 너무 높으면, 전력 신호는 그에 따라 조절된다. 단말이 자동적인 전력 조절을 그 자체 특성을 모니터하여 수행한다는 것이 중요한 점이다. 그리고, 독취기와 통신이 끊어지거나 통신을 시작할 수 없는 카드는 독취기와 계속 통신을 유지하는 것과 동일하게 유리함을 누릴 수 있다.

상기 특징은 카드가 독취기에 근접할 때 발신 전력 감소를 달성하기 위해 상대적으로 복잡도가 낮은 회로를 써서 독취기 단말이 카드 근접도에 대한 충분한 정보를 얻을 수 있는 무통신 전력 제어 시스템을 설명한다. 마찬가지로, 발신 전력은 카드가 앞서 감소된 전력 독취기로부터 멀어질 때 자동적으로 증가될 수 있다. 통신을 요구하지 않는 유리함은 통신 형식의 상이함으로 인해 통신을 할 수 없거나 카드가 통신 링크를 제어하고 있는 다른 카드의 장에 있거나 동기 손실을 유발하는 통신 링크 상의 에러와 같은 다른 비통신 모드로 인해 카드가 독취기와 통신을 할 수 없을 수도 있다는 사실에 있다. 비접촉 스마트 카드의 사용에 의존하는 경제적 응용 및 관련된 다른 응용이 더욱 증가하므로 카드가 과열되어 손상될 수 있는 정보량은 극적으로 증가되고 있다. 따라서, 단말 및 단말로부터 비접촉 카드로 발신된 전력 레벨을 조절하기 위한 방법은 종래 기술에 대해 상당히 개선된 것이다.

Claims (10)

1. 휴대용 데이터 장치(portable data device)로 전력 신호(power signal)를 전달하기 위한 안테나 회로를 포함하는 데이터 통신 단말(data communications terminal)에서 사용되는 방법에 있어서,

   모니터된 임피던스 특성을 생성하기 위해서 상기 안테나 회로에 대한 임피던스 특성을 모니터하는 단계,

   상기 모니터된 임피던스 특성의 변화를 검출하는 단계, 및

   상기 검출 단계에 응답하여 상기 전력 신호의 전력 레벨을 조절하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 안테나 회로는 제1 노드와 제2 노드 사이에서 동작 가능하게(operably) 결합되고, 상기 모니터 단계는 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 걸리는 전압 레벨을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 안테나 회로는 제1 노드와 제2 노드 사이에서 동작 가능하게 결합되고, 상기 모니터 단계는 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 흐르는 전류 레벨을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 모니터 단계는 상기 모니터된 임피던스 특성으로부터 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 데이터 통신 단말은 안테나에 대하여 동작 가능하게 결합된 양방향 결합기를 더 포함하고, 상기 모니터 단계는 상기 양방향 결합기로부터 반사 계수를 측정하여 측정된 반사 계수로부터 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 데이터 통신 단말에 있어서,

   전력 증폭기(power amplifier), 및

   상기 전력 증폭기에 대하여 동작 가능하게 결합되고 제1 노드와 제2 노드 사이에 배치된 안테나 회로,

   상기 제1 및 제2 노드 중의 최소한 하나에 대하여 동작 가능하게 결합된 모니터 회로, 및

   상기 모니터 회로에 결합된 입력 및 상기 전력 증폭기에 결합된 출력을 구비한 전력 조절 회로

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 단말.
7. 제6항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 D 등급 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 단말.
8. 제6항에 있어서, 상기 안테나 회로는 두 개의 공진 커패시터(resonating capacitors) 및 그 사이에 배치된 코일(coil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 단말.
9. 제6항에 있어서, 상기 모니터 회로는 상기 제1 및 제2 노드를 통해 상기 안테나 회로에 대하여 동작 가능하게 결합된 차동 증폭기(differential amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 단말.
10. 제6항에 있어서, 상기 모니터 회로는 상기 안테나 회로를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위한 변환기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 단말.