(57)【要約】本発明の実施形態は共振回路に関し、特に、広い周波数範囲に応答するＲＦＩＤ（radio frequency identification）における共振回路に関するが、これに限定しない。可制御電気共振器は、共振回路を構成するために第１キャパシタに結合されたインダクタを備え、前記可制御電気共振器は、可制御素子と、前記可制御素子によって前記第１キャパシタの一端から他端に制御可能に結合される第２キャパシタと、前記第１および第２キャパシタの合計の実効静電容量が前記可制御電気共振器における振動信号のデューティサイクルによって変化するように前記可制御素子を制御する制御装置とをさらに備える。
2009519651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振回路を構成するために第１キャパシタに結合されたインダクタを備えた可制御電気共振器であって、
可制御素子と、
前記可制御素子によって前記第１キャパシタの一端から他端に制御可能に結合される第２キャパシタと、
前記第１および第２キャパシタの合計の実効静電容量が前記可制御電気共振器における振動信号のデューティサイクルによって変化するように前記可制御素子を制御する制御装置と、
をさらに備えた可制御電気共振器。
【請求項２】
前記可制御素子はトランジスタであり、前記制御装置は前記トランジスタのためのバイアス回路である請求項１に記載の可制御電気共振器。
【請求項３】
前記トランジスタはＭＯＳトランジスタである請求項２に記載の可制御電気共振器。
【請求項４】
前記振動信号から前記バイアス回路のための電源を取り出す電源回路をさらに備えた請求項２または３に記載の可制御電気共振器。
【請求項５】
前記バイアス回路は、前記振動信号の振幅を増加させるために前記トランジスタにおけるバイアスを自動的に調整するように構成された請求項２から４のいずれか１項に記載の可制御電気共振器。
【請求項６】
前記可制御素子の一端から他端に接続された第３キャパシタをさらに備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の可制御電気共振器。
【請求項７】
前記インダクタは５０より大きいＱ値を有し、より好ましくは１００より大きいＱ値を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の可制御電気共振器。
【請求項８】
前記可制御電気共振器における前記振動信号を駆動する駆動システムをさらに備えた請求項１から７のいずれか１項に記載の可制御電気共振器。
【請求項９】
前記駆動システムは、前記可制御電気共振器によって取り出された電流を、前記電流に応じた期間を有するパルスに変換するための手段を含む請求項８に記載の可制御電気共振器。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の可制御電気共振器を含むＲＦＩＤタグまたはタグ読取器。
【請求項１１】
振動信号によって駆動される共振回路における振動の振幅を制御する方法であって、
可変の結合を使用してリアクタンス素子を前記共振回路に結合させるステップと、
前記振動の振幅を制御するために前記振動信号のサイクルによって前記結合を変化させるステップと、
を有する方法。
【請求項１２】
振動信号によって駆動される共振回路における振動の振幅を制御するための装置であって、
可変の結合を使用してリアクタンス素子を前記共振回路に結合させるための手段と、
前記振動の振幅を制御するために前記振動信号のサイクルによって前記結合を変化させるための手段と、
を備えた装置。
【請求項１３】
共振回路の共振周波数を制御して前記共振周波数を外部波形の周波数にほぼ適合させる方法であって、
前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、
前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、
前記方法は前記共振回路の振動の波形の信号レベルに応答して前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを制御するステップを有する方法。
【請求項１４】
前記キャパシタの切り換え素子は、切り換えられるキャパシタに結合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチを含み、
前記デューディサイクルを制御するステップは、前記共振回路の振動の波形の瞬時レベルに応じて前記ＦＥＴのゲートとソースとの間の電圧を供給するステップを有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記共振回路の振動の波形と前記外部波形との相対位相は、前記外部波形の信号レベルに応答して変化する請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記外部波形は無線周波電磁フィールドの波形である請求項１３から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
無線周波電磁フィールドからエネルギーを取り出す方法であって、
請求項１６に記載の共振回路を制御するステップと、
前記共振回路からエネルギーを取り出すステップと、
を有する方法。
【請求項１８】
前記無線周波電磁フィールドにおける前記エネルギーが増加するに連れて、前記相対位相は前記取り出されるエネルギーを制限するように調整される請求項１５に従属した請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記外部波形は水晶振動子から取り出される波形である請求項１３から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
無線周波信号原を提供する方法であって、
請求項１９に記載の共振回路を制御するステップと、
前記共振回路の振動から取り出される無線周波信号を出力するステップと、
を有する方法。
【請求項２１】
共振回路の共振周波数を制御して前記共振周波数を外部波形の周波数にほぼ適合させるための回路であって、
前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、
前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、
前記回路は前記共振回路の振動の波形の信号レベルに応答して前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを制御するための手段を備えた回路。
【請求項２２】
請求項２１に記載の回路を備えた、無線周波電磁フィールドからエネルギーを取り出すための回路。
【請求項２３】
可制御共振回路を備えたＲＦＩＤタグであって、
前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、
前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、
前記可制御共振回路は、無線周波フィールドへの問合せに応答して前記ＲＦＩＤタグの複数の動作周波数のうち１つを選択するために、前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを自動的に制御するように構成されたＲＦＩＤタグ。
【請求項２４】
インダクタと、
１次容量性経路と、
可変デューティサイクルを使用して共振に結合される少なくとも１つの他の２次容量性経路と、
を備えたＬＣ共振回路であって、
前記ＬＣ共振回路の応答周波数は、前記デューティサイクルに依存し、励起周波数に適合するＬＣ共振回路。
【請求項２５】
前記可変デューティサイクルはＦＥＴによって制御される請求項２４に記載のＬＣ共振回路。
【請求項２６】
前記ＦＥＴのゲート電圧は一定に維持され、
前記ＦＥＴのソース電圧は共振の振幅とともに変化し、前記ＦＥＴをターンオンおよびオフさせる請求項２５に記載のＬＣ共振回路。
【請求項２７】
前記ＦＥＴのゲート電圧は外部電圧源を使用して制御される請求項２５に記載のＬＣ共振回路。
【請求項２８】
請求項２４から２７のいずれか１項に記載のＬＣ共振回路を含む読取器であって、励起期間は所望の励起フィールドの周波数の分数調波である読取器。
【請求項２９】
請求項２４から２８のいずれか１項に記載のＬＣ共振回路を含む読取器であって、水晶振動子が前記励起フィールドの動作周波数を設定する読取器。
【請求項３０】
請求項２４から２９のいずれか１項に記載のＬＣ共振回路を含むトランスポンダ。
【請求項３１】
無線周波タグの接近検出システムであって、
チャープする減衰無線周波パルスを生成する無線周波信号発生器と、
前記減衰無線周波パルスを検出する無線周波検出システムと、
前記無線周波検出システムへの前記無線周波タグの接近を判定するために、前記検出された減衰無線周波パルスの位相における変化を識別するシステムと、
を備えた無線周波タグの接近検出システム。
【請求項３２】
前記位相における変化を識別するシステムは、前記検出された減衰無線周波パルスを基準信号と比較する手段を備えた請求項３１に記載の無線周波タグの接近検出システム。
【請求項３３】
前記位相における変化を識別するシステムは、前記検出された減衰無線周波パルスの累積的な位相の変化を判定する手段を備えた請求項３１または３２に記載の無線周波タグの接近検出システム。
【請求項３４】
前記無線周波信号発生器は、非線形素子を組み込んだ共振器を備えた請求項３１から３３のいずれか１項に記載の無線周波タグの接近検出システム。
【請求項３５】
前記無線周波信号発生器は、共振回路を構成するために第１キャパシタに結合されたインダクタを備えた可制御電気共振器を備え、
前記可制御電気共振器は、
可制御素子と、
前記可制御素子によって前記第１キャパシタの一端から他端に制御可能に結合される第２キャパシタと、
前記第１および第２キャパシタの合計の実効静電容量が前記可制御電気共振器における振動信号のデューティサイクルによって変化するように前記可制御素子を制御する制御装置と、
をさらに備えた請求項３１から３４のいずれか１項に記載の無線周波タグの接近検出システム。
【請求項３６】
前記無線周波信号発生器および前記無線周波検出システムは共通の無線周波共振器を備えた請求項３１から３５のいずれか１項に記載の無線周波タグの接近検出システム。
【請求項３７】
無線周波信号発生器への物体の接近を検出する方法であって、
前記無線周波信号発生器を使用してチャープする減衰無線周波信号パルスを発生するステップと、
前記物体を検出するために前記チャープする減衰無線周波信号パルスの位相外れを検出するステップと、
を有する方法。
【請求項３８】
無線周波信号発生器への物体の接近を検出する装置であって、
前記無線周波信号発生器を使用してチャープする減衰無線周波信号パルスを発生するための手段と、
前記物体を検出するために前記チャープする減衰無線周波信号パルスの位相外れを検出するための手段と、
を備えた装置。
【請求項３９】
無線周波トランスポンダタグの読取器を動作させる方法であって、
特に、請求項１から３８に記載のシステム、方法、または、装置を使用して、無線周波トランスポンダタグの接近を検出するために低い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるステップと、
前記無線周波トランスポンダタグの接近の検出に応答して前記無線周波トランスポンダタグからデータを読み出すために高い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるステップと、
を有する方法。
【請求項４０】
無線周波トランスポンダタグの読取器の動作を制御するための装置であって、
特に、請求項１から３８に記載のシステム、方法、または、装置を使用して、無線周波トランスポンダタグの接近を検出するために低い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるための手段と、
前記無線周波トランスポンダタグの接近の検出に応答して前記無線周波トランスポンダタグからデータを読み出すために高い無線周波出力電力モードにおいて前記読取器を動作させるための手段と、
を備えた装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
概して、本発明は共振回路に関する。本発明の実施形態は、特に、広い周波数範囲に応答するＲＦＩＤ（radio frequency identification）における共振回路に関するが、これに限定しない。また、本発明の実施形態は、ＲＦＩＤトランスポンダの低電力接近検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦＩＤシステムにおいて、概して、共振回路は、読取器およびトランスポンダの両方で使用されている。これらの使用は２つの回路の間のエネルギー伝送の効率を向上させ、使用しなければ効率がたいへん低く、動作範囲を非常に制限する。読取器がその共振周波数で励起され、また、これがトランスポンダの共振周波数に適合するとき、最適な読み取り範囲が達成されうる。それらの共振周波数においてこれら両方の装置を動作させる作業は、次の要因のため複雑である。
（１）ＬＣ（インダクタンス・キャパシタンス）製品素子はそれらの値において許容誤差を有し、名目上は同一の共振システムの異なる標本の間で共振周波数は変化する。
（２）温度は素子の値を変化させ、時間および環境によって共振周波数を変動させうる。
（３）いずれかのアンテナの近くに置かれた金属性または磁性の物体は、インダクタンスを変化させ、従って、共振周波数を変化させうる。
（４）所望の共振周波数は変化し、例えば、規制周波数帯域は国境を越えて変化しうる。
【０００３】
これらの複雑さの影響は、２つの共振のＱ値を使用して増加する。Ｑ値が増加するに連れて共振帯域幅は比例して下降し、実効電力伝送のために２つの周波数の間でより近い適合が必要とされる。そのような制約は、２つの回路のＱ値を比較的低いレベルに制限し、そして、読み取り範囲を制限し、かつ／または、過度の電力要件に導きうる。
【０００４】
ＲＦＩＤシステムにおいて、これらの複雑さのいくつかを軽減する１つのアプローチは、同調回路を使用することである。先行技術において多数の異なる同調の変形が開示されてきたが、これらはいくつかの共通の特徴を有する。共振周波数を同調させるために、バラクターまたは電子的な可変インダクタのような電子的に同調可能な素子、または、より一般的に、別個のキャパシタまたはインダクタの組合せが共振系に結合される。典型的な参考文献は特許文献１であり、バイナリ加重（binary weighting）の同調キャパシタの集合が、選択的に、共振周波数において対応する変化を伴って読取器の共振系に結合される。
【０００５】
通常の読み取りおよび／または書き込み動作と別個の同調サイクルにおいて調整が実行されうる。特許文献１はそのようなアプローチの一例であり、同調キャパシタの掃引が実行され、共振振幅の特性が判定され、選択された同調の静電容量は読取器のアンテナにおける最大振幅を達成する。その代わりに、特許文献２は、読取器の回路が共振からどれだけ離れているかを判定するために、励起と共振との間の位相差に基づく方法を開示している。
【０００６】
さらに、特許文献３〜１２に先行技術が見出される。
【特許文献１】米国特許第６３１７０２７号明細書
【特許文献２】米国特許第５４９１７１５号明細書
【特許文献３】米国特許第２７７４０６０号明細書
【特許文献４】米国特許第３８１８４７２号明細書
【特許文献５】米国特許第６４７６７０８号明細書
【特許文献６】英国特許第２２７８６３１号明細書
【特許文献７】国際公開第２００５／１０４０２２号パンフレット
【特許文献８】米国特許出願公開第２００４／０２１４５４９号明細書
【特許文献９】英国特許第２３２１７２６号明細書
【特許文献１０】米国特許第３８４２２４６号明細書
【特許文献１１】英国特許第２０８７５６４号明細書
【特許文献１２】英国特許第１２０６９２５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
システムを所望の周波数で共振に同調させるこれらの先行技術の方法は、いくつかの重大な欠点を有し、ここで略述する。
【０００８】
同調回路は、キャパシタの集合およびそれらを共振系に結合するスイッチを含む多くの素子を必要としうる。これはシステムに複雑さとコストを追加する。周波数にわたる精密な制御が要求されるならば、全体の同調の静電容量の単調な設定を達成するために、高い精度で選択可能なキャパシタが必要とされる。そのような制約は、実現可能な同調の精度および解像度を制限しうる。
【０００９】
一般に、同調はリアルタイムでない。特許文献２で開示された方法のようにリアルタイムに行われるならば、これは複雑さとコストを追加する。リアルタイムな制御は、温度の変化および領域に入ってくる金属性の物体のような過渡的な離調の影響に対処するために効果的である。
【００１０】
一般に、これらの先行技術の同調方法は、読取器のアンテナにのみ適用される。トランスポンダは、その電力を得るために、無線周波数の励起フィールドの近くにその固有共振を有することが要求される。著しく離調であるならば、トランスポンダは同調回路を動作させるために十分に荷電することができない。
【００１１】
厳しいコストと電力の制約のために、トランスポンダは製造時にそれらの目標動作に固定した同調を有して組み立てられる。この固定した同調の工程は、製造コストに追加され、トランスポンダの共振周波数に影響しうる環境変化に調整することができない。
【００１２】
さらに、トランスポンダの要件は、１つのトランスポンダがある周波数範囲に応答することができることが効果的でありうることである。１つの応用例は、異なる規制動作帯域を有する境界を越えた同一のトランスポンダの使用である。トランスポンダが再び同調する工程なしで各々の領域内で許可された異なる周波数に応答しうるならば、これは外国旅行、資産を追跡する一般的なＲＦＩＤアプリケーションでの鍵となる要求条件を容易にする。先行技術の方法は、このための容易さを与えない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
同調回路の制御のための要求条件なしで、ある範囲の励起周波数に応答するＬＣ回路を開示する。実施形態において、回路は、追加の制御メカニズムなしで外部環境の影響に結果として調整することができる。実施形態において、回路は、ほんの少数の低い許容誤差の電気素子を必要とする。
【００１４】
共振系に完全に結合される、すなわち、１００％のデューディサイクルの、ある範囲のキャパシタを使用するのではなく、実施形態において、ＬＣ共振系が、可変デューティサイクルを使用して共振系に結合される１次容量性経路および１つまたは複数の２次容量性経路を備えた代わりのアプローチが取られる。デューティサイクルに応じて、共振系は異なる励起周波数に適合する。
【００１５】
実施形態において、デューティサイクルは、スイッチング素子、より詳しくは、共振振幅とともに変化するソース電位を有するＦＥＴによって設定される。ＦＥＴをターンオンまたはオフするために必要とされる電荷はインダクタにおける共振電流によって供給され、従って、効果的であり、外部の電力源を必要とせず、そのようにして、この方法は読取器およびトランスポンダの両方において適用可能である。トランスポンダ内に実装されるならば、トランスポンダは、ある範囲の励起周波数に応答し、潜在的に異なる規制周波数を有する場所にわたって動作を可能とする。
【００１６】
デューティサイクルは、共振振幅およびＦＥＴのゲート電圧の両方によって決定される。好都合なことに、共振振幅はＦＥＴのゲート電圧を使用して制御され、共振および励起の相対位相によって安定状態の振幅を設定する。振幅は、同一のＱ値を有する励起周波数に適合するアンテナ回路の振幅に対応する最大レベルまで直接に制御される。この最大レベルにおいて、共振は励起と同位相である。
【００１７】
高い結合状態において、トランスポンダは検出電圧を制限するレギュレータを含み、他の回路への障害を防止することが可能である。しかし、そのようなトランスポンダは励起フィールドのかなりの割合を検出することができ、従って、レギュレータにおける熱として浪費される。開示するトランスポンダの実施形態は、検出電圧と励起フィールドとの間の相対位相によって検出電圧を制限する。検出レベルは高い結合の場合に制限され、これはトランスポンダが励起フィールドを遮蔽する問題を防止することができる。これは複数のトランスポンダを読み取るときに有益でありうる。
【００１８】
実施形態において、読取器および／またはトランスポンダは、環境のためにある程度の離調に耐性がありうる。例えば、アンテナの近くに配置された金属性の素子はそのインダクタンスを変更する。しかし、共振系が応答する周波数範囲内に所望の動作周波数が包含されることを条件として、システムは通常に動作を続ける。これは、そのような環境の変化が一般に読取器内で訂正されるのみであり、別個の制御／測定工程を必要とする先行技術と比較した向上を提供する。
【００１９】
本発明の第１態様において、共振回路を構成するために第１キャパシタに結合されたインダクタを備えた可制御電気共振器が提供され、前記可制御電気共振器は、可制御素子と、前記可制御素子によって前記第１キャパシタの一端から他端に制御可能に結合される第２キャパシタと、前記第１および第２キャパシタの合計の実効静電容量が前記可制御電気共振器における振動信号のデューティサイクルによって変化するように前記可制御素子を制御する制御装置と、をさらに備える。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記可制御素子はトランジスタのようなスイッチング素子であり、より詳しくは、ＭＯＳ（metal oxide semiconductor）トランジスタのような電界効果トランジスタであり、前記制御装置は前記トランジスタのためのバイアス回路である。好ましくは、前記バイアス回路は、前記振動信号の振幅を増加させるために前記トランジスタからのバイアスを自動的に調整するように構成される。選択的に、前記可制御電気共振器は、前記振動信号から前記バイアス回路のための電源を取り出す電源回路を含みうる。
【００２１】
実施形態において、前記可制御電気共振器は、前記可制御素子の一端から他端に接続された第３キャパシタを含み、好ましくは前記インダクタは５０より大きいＱ値を有し、より好ましくは１００より大きいＱ値を有する。好ましくは、前記可制御電気共振器は、前記可制御電気共振器における前記振動信号を駆動する駆動システムを含み、これは、前記可制御電気共振器によって取り出された電流を、前記電流に応じた期間を有するパルスに変換するための手段を含みうる。
【００２２】
本発明は、さらに、上述した可制御電気共振器を含むＲＦＩＤタグまたはタグ読取器を提供する。
【００２３】
関連した態様において、本発明は、振動信号によって駆動される共振回路における振動の振幅を制御する方法を提供し、前記方法は、可変の結合を使用してリアクタンス素子を前記共振回路に結合させるステップと、前記振動の振幅を制御するために前記振動信号のサイクルによって前記結合を変化させるステップと、を有する。
【００２４】
本発明は、さらに、振動信号によって駆動される共振回路における振動の振幅を制御するための装置を提供し、前記装置は、可変の結合を使用してリアクタンス素子を前記共振回路に結合させるための手段と、前記振動の振幅を制御するために前記振動信号のサイクルによって前記結合を変化させるための手段と、を備える。
【００２５】
本発明は、さらに、共振回路の共振周波数を制御して前記共振周波数を外部波形の周波数にほぼ適合させる方法を提供し、前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、前記方法は前記共振回路の振動の波形の信号レベルに応答して前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを制御するステップを有する。
【００２６】
前記インダクタは、前記キャパシタと直列かつ／または並列に結合されうる。好ましくは、前記キャパシタの切り換え素子は、切り換えられるキャパシタに（直列かつ／または並列に）結合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチを含む。前記デューディサイクルは、前記共振回路の振動の波形の瞬時レベルに応じて前記ＦＥＴのゲート−ソース電圧を制御することによって制御されうる。実施形態において、前記振動の前記波形と前記外部波形との相対位相は、前記外部波形の信号レベルに応答して変化する。
【００２７】
従って、実施形態において、概して、共振回路における波形の振幅が作り上げられ、回路を共振に向けて持って行くようにＦＥＴのゲート−ソース電圧を制御する。共振の振動が確立されるとき、概して、共振回路内の振動波形の振幅はほぼ一定のままであるが、外部波形に関して共振回路内の“内部”波形の相対位相は、外部信号の強さに応答して変化する。上述したように、デューティサイクルは、外部信号の周波数に依存する。概して、相対位相は、励起フィールドから取り出されるエネルギー量を示す。この動作の１つの利点は、たいへん広い範囲の外部フィールドの強さにわたって動作することができ、例えば、無線周波ソースのごく近くにおいて、すなわち、高電磁場において動作するとき追加のレギュレータを必要としないことである。
【００２８】
前記方法のある実施形態において、前記外部波形は無線周波電磁フィールド（伝播する、または、近接フィールド）の波形である。従って、上記方法の一実施形態は、無線周波電磁フィールドからエネルギーを取り出すために効果的であり、実施形態において、前記相対位相は、前記フィールドが強まるに連れて、前記フィールドから取り出されるエネルギーを制限するように調整する。（実施形態において、内部波形の振幅は、ＦＥＴのゲート電圧の、素子の値の、および、共振周波数の関数である。）
【００２９】
前記方法の他の実施形態において、前記外部波形は、水晶振動子から直接または間接に（例えば、マイクロプロセッサを介して）取り出されうる。実施形態において、回路はそのクロックに調整され、そのような技術はたいへん低い位相ノイズの無線周波ソースを提供するために利用することができる。
【００３０】
関連する態様において、本発明は、共振回路の共振周波数を制御して前記共振周波数を外部波形の周波数にほぼ適合させるための回路を提供し、前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、前記回路は前記共振回路の振動の波形の信号レベルに応答して前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを制御するための手段を備える。
【００３１】
概して、回路の実施形態は、相対的に広い範囲の周波数にわたるたいへん効果的な結合が望ましい場合に有効である。回路の実施形態は、それがなければ必要な、共振のピークのたいへん正確な調整の必要なしで２つの高いＱ値のシステムの間で結合を容易にする。これは、例えば、より高い効果的な誘導荷電を容易にする。また、この技術の実施形態は、複数の動作周波数または動作帯域にわたって無線周波タグの効果的な動作を容易にし、例えば、（例えば、１２５ｋＨｚから１３４ｋＨｚの範囲にわたる）米国およびヨーロッパの異なる規制周波数標準に従って動作可能な１つのタグの提供を容易にする。
【００３２】
このようにして、本発明は、さらに、可制御共振回路を備えたＲＦＩＤタグを提供し、前記共振回路はキャパシタに結合されたインダクタを備え、前記キャパシタはキャパシタの切り換え素子を有し、前記可制御共振回路は、無線周波フィールドへの問合せに応答して前記ＲＦＩＤタグの複数の動作周波数のうち１つを選択するために、前記キャパシタの切り換え素子のデューディサイクルを自動的に制御するように構成される。
【００３３】
また、本発明は、インダクタと、１次容量性経路と、可変デューティサイクルを使用して共振に結合される少なくとも１つの他の２次容量性経路と、を備えたＬＣ共振回路を提供し、前記ＬＣ共振回路の応答周波数は、前記デューティサイクルに依存し、励起周波数に適合する。
【００３４】
さらに、本発明は、読取器のアンテナ同調方法を提供し、励起周波数は変化し、選択された周波数はアンテナへのエネルギー入力を最大化する。さらに、本発明は、読取器のアンテナ同調方法を提供し、励起周波数は変化し、選択された周波数はトランスポンダの変調のための閾値振幅を最小化する。さらに、本発明は、読取器のアンテナ同調方法を提供し、励起周波数は変化し、選択された周波数は変調の変換されたトランスポンダのインピーダンスを抵抗性にする。上述した読取器において、トランスポンダに適合させる同調周波数は、トランスポンダの接近およびその共振周波数の一方または両方を測定するために、チャープの減衰を使用して低電力接近検出器から取り出されうる。実施形態において、トランスポンダはある範囲の周波数に応答する。
【００３５】
上述した可制御電気共振器、共振回路、装置、タグ、または、読取器、または、方法は、次のうち１つまたは複数に組み込まれうる。送信器、受信器、近接フィールド通信装置、誘導荷電器、消費者電子機器のような誘導的に荷電される装置、発振器、電圧変換器、容量性のエネルギー／情報の伝送システム、エネルギー採取装置。
【００３６】
また、ＲＦＩＤトランスポンダの存在についての低電力検出方法を開示する。このシステムは、トランスポンダの存在が検出されるとき全電力識別モードに移ることが可能である。
【００３７】
従来のＬＣ読取器のアンテナ共振回路ではなく、これらの実施形態は、固有共振周波数が振幅に依存するような、非線形素子を含む回路を使用する。パルス励起に応答して、読取器のアンテナ回路は、時間とともに減衰し、ある周波数範囲にわたって掃引するチャープ信号を生成する。
【００３８】
アンテナ回路は、好ましくは、トランスポンダの応答に比較してチャープの減衰が相対的に遅いようなトランスポンダよりかなり高いＱ値である。この方法において、トランスポンダの周波数がチャープの瞬時周波数に近いとき、アンテナ波形のかなりの期間がまだ存在する。これが生じるとき、トランスポンダはアンテナからエネルギーを吸収し、従って、これは読取器内で指し示される。従って、このチャープの方法は、アンテナおよびトランスポンダの共振周波数の間で、もはや適合させる必要がない。
【００３９】
実施形態は、チャープの振幅をチャープの周波数にリンクさせる減衰するチャープ波形を利用する。この波形は、減衰する波形の位相によってエネルギー損失のより高感度の測定を可能とする。アンテナから吸収されたエネルギーにおける小さな変化は、振幅に加えて、減衰の周波数への対応する変化を引き起こす。弱まる２つのレベルを比較すると、２つのチャープが異なる周波数で動作するとき、それらの位相差は時間とともに増加する。従って、多くのサイクルの遅延の後に、２つの波形の間の減衰における小さな差は、チャープ波形の直接的なサンプリングによって検出されうる。２つの波形の間の位相差は、サイクルのかなりの割合に達し、サンプリングされた電圧において大きな割合の変化に変換される。これは振幅の測定と対照的であり、ずっと小さな影響を示す。チャープの減衰の位相によって減衰における変化を指し示すことは、潜在的に向上した感度を提供することができる。
【００４０】
チャープの減衰の周波数掃引は、トランスポンダの共振周波数を判定するために使用されうる。トランスポンダの共振にわたって周波数が掃引されるに連れて、アンテナにおけるトランスポンダの影響が最大化される。チャープが低い周波数において開始し、より高い周波数に掃引される場合について、トランスポンダの共振周波数を増加させる影響は、チャープへの対応する変化を遅らせることである。１点のみにおいてチャープをサンプリングするのではなく、減衰の長さに沿った多数の点におけるサンプリングは、従って、トランスポンダの共振周波数に関する情報を提供する。この測定は、チャープが生成される毎に実行されるか、またはその代わりに、システムにおける変化が１つの点の測定から記録され、従って、チャープの複数の点の測定からトランスポンダの周波数が判定される。トランスポンダの共振周波数が判定されると、アンテナは続く全電力識別モードのために同調されうる。また、この複数の点の測定は、明瞭な共振を有するトランスポンダと、広い周波数範囲にわたってエネルギーを吸収する障害物、例えば金属性の物体との間で効果的に識別しうる。
【００４１】
従って、非線形素子を有する共振回路が提供され、振動において振幅を減衰にリンクさせるチャープの減衰を生成する。物体の存在による小さな差を判定するために位相の測定が使用される。好ましくは、回路は、チャープを生成するために、少なくとも１つのＦＥＴ、および、２つの容量性の分岐の可変デューティサイクルを使用する。好ましくは、回路は、チャープを生成する非線形素子としてバラクターまたは電気的に可変なインダクタを使用する。検出する物体はＲＦＩＤトランスポンダ、受動共振回路、金属性の物体であり、物体は誘導的または容量的に結合されうる。順次的な標本を平均することは、環境の変化またはバッテリー低下を追跡するために、かつ／または、ノイズ干渉を減少させるために、使用されうる。また、組み込みのＲＦＩＤ読取器を有するキャットフラップ（猫専用ドア）またはペットフィーダー（自動給餌器）を開示する。低電力モードは、皮下にあるＲＦＩＤチップの全電力読み取りに先立って猫の存在を検出するために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
広い周波数範囲に応答する共振回路の続く説明は、全く例に過ぎず、決して本発明またはその応用または使用を限定することを意図しない。この技術分野の当業者は、ＲＦＩＤの分野に加えて、そのような共振回路の特性から恩恵を受ける他の分野において同様に十分に適用されうることを認識する。これらは（限定しないが）次を含む。
（１）携帯電話を含む無線送信器および受信器
（２）近接フィールド通信
（３）装置の誘導荷電
（４）発振器
（５）電圧変換器
（６）システム間の容量性のエネルギー／情報の伝送
（７）例えば、電磁的ソースからの、または、機械的検出器のような回路なしでの無線でのエネルギー採取
【００４３】
図１は、本発明の一態様による共振回路の第１実施形態を表わす。高いＱ値のアンテナは、全体の直径が約２０ｃｍを有する、６６０ストランド４６ＡＷＧ（American Wire Gauge）のリッツ線を３２回巻いたものを備える。１２５ｋＨｚの目標動作周波数付近で、アンテナはインダクタンス３００μＨ（Ｌ１）および実効直列抵抗０．７Ω（Ｒ１）を有し、３４０のＱ値を与える。アンテナはキャパシタ回路Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびｎ型ＦＥＴと直列に配置されている。ＦＥＴのゲート電圧は電圧源Ｖｇａｔｅ１によって制御され、システムは電圧源Ｖｓｔｉｍｕｌｕｓ２によって励起される。ここで、図２にプロットされた電流および電圧の波形を参照して動作原理を説明する。
【００４４】
図２Ａは励起電圧３を表わし、大きさ５Ｖの１２５ｋＨｚ方形波に設定されている。ＦＥＴのドレイン電圧４（インダクタの下部でもある）、および、ＦＥＴのソース電圧５も表わされている。ＦＥＴのゲート電圧（Ｖｇａｔｅ）は０Ｖに設定されている。次のように回路の２つの明確な状態が存在する。
（１）ソース電圧が、少なくともＦＥＴの閾値電圧（Ｖｔｈ）である２Ｖの差でゲート電圧（０Ｖ）を下回るとき、ＦＥＴはターンオンされる。この状態において、ソース−ドレインキャパシタＣ２は短絡し、ソースおよびドレイン電圧は互いにたいへん近い。
（２）ソース電圧が−Ｖｔｈより大きいとき、ＦＥＴはターンオフされる。この場合において、ソースおよびドレイン電圧は分岐し、ソース−ドレインキャパシタは荷電される。
これら２つの状態の各々は、結果として、インダクタと直列の異なる実効静電容量となる。第１状態は、１０ｎＦ（Ｃ３）と並列の２．２ｎＦ（Ｃ１）を有する、より高い静電容量を与え、合計で１２．２ｎＦを与える。第２状態は、ＦＥＴがオフであるとき、１０ｎＦと直列の追加の２．２ｎＦ（Ｃ２）のために、より低い静電容量を与える。これは合計で４．０ｎＦの静電容量を与える。
【００４５】
（０Ｖに）固定されたゲート電圧を伴うソース電圧の振動は、ＦＥＴオンおよびＦＥＴオフのこれら２つの状態の間で遷移を引き起こす。デューティサイクル（ＦＥＴがオンであるサイクルの割合）は振動の振幅によって制御される。高レベルの振動は５０％に近いデューティサイクルを与え、一方、Ｖｔｈより小さい振幅は０％のデューティサイクルを与える。これら２つのデューティサイクルの極値は、２つの周波数の極値に対応し、次式によって与えられる。
【００４６】
【数１】
2009519651.tif 000003
【００４７】
この例の静電容量の値について、これら２つの周波数はｆ５０％＝１０６ｋＨｚ、ｆ０％＝１４５ｋＨｚである。従って、振動の振幅に応じて、この回路はこの範囲内の任意の周波数において応答することができる。この例において選択された周波数は、約＋２６Ｖにおいて最大に達する振動の振幅に導き、これは２ＶのＦＥＴのＶｔｈとともに１２５ｋＨｚについて適切なデューティサイクルを与える。波形の非対称性はインダクタと直列の実効静電容量における荷電の自然な結果である。
【００４８】
図２Ｂはインダクタの電流を表わし、電圧よりも対称的な形状を有する。電流と励起電圧との間の位相差は約９０度であり、共振により励起電圧から取り出される正味電力は低い。実際、これは１２５ｋＨｚに適合させるために必要とされる振幅を維持する、あるエネルギーの正味入力に導く９０度からわずかに異なる。振幅が励起周波数に適合しないとき（例えば、ターンオン過渡、または、励起周波数の変化、等の後）、励起と電流との間の相対位相は調整され、結果として、新たな固定された共振振幅を維持するために別個の電力が励起から流出する。この固定された共振振幅は、新たな励起周波数に適合させるためにデューティサイクルを設定する。そのようにして、回路は周波数における変化に結果として調整する。この点において、インダクタの温度または金属性の離調によっていずれかの素子における変化が回路の類似した応答を引き起こし、励起周波数について正しいデューティサイクルを与えるために再同調することは全く価値がない。
【００４９】
さらに、共振振幅はゲート電圧Ｖｇによって制御されうる。図３ＡはＶｇの特性を表わし、ターンオン過渡が安定することを可能にするために、最初に５ｍｓの間、０Ｖに設定される。続いて、５ｍｓの期間にわたって０Ｖから−２５Ｖに減少し、さらなる５ｍｓの間、−２５Ｖである。ドレイン電圧およびインダクタ電流への影響がそれぞれ図３Ｂおよび図３Ｃに表わされている。ゲート電圧のより低い値は、ソースがゲート電圧を下回って少なくともＶｔｈにあることを必要とするので、ＦＥＴをターンオフするためにより大きい振幅が必要とされることを意味する。１２５ｋＨｚに適合するように同一のデューティサイクルを設定するため、共振振幅は増加する。この方法において、共振振幅はＦＥＴの一定のゲート電圧によって制御されうる。
【００５０】
増加した振幅のもう１つの結果は、共振と励起の波形の間で変化した相対位相である。電流および励起の波形はより同位相であり、より高い共振振幅を維持するためにより大きい電力を取り出す。ＦＥＴのゲート電圧によって振幅を増加させる処理は、励起および共振が同位相となるまで続く。
【００５１】
図４は、図１と同一の共振回路を有するが、追加の制御回路として明示的に表わされた図１の制御部分を有する回路を表わす。主なブロックの機能を図示し、ここで説明する。
＜共振回路１３＞
これは図１について説明したものである。
＜負電圧レール６＞
このブロックは、その入力としてＦＥＴ１のドレインから共振電圧を取り出し、Ｃ４にピーク負電圧（１ダイオード降下小さい）を蓄積する。続いて、この蓄積された負電圧は、ＦＥＴ１のゲート電圧を設定するためにゲート電圧制御ブロックによって使用される。
＜ゲート電圧制御７＞
このブロックは、２つのデジタル制御ライン、Ｖｇ＿ＺＥＲＯ・１０、Ｖｇ＿ＤＥＣ・１１を有する。Ｖｇ＿ＺＥＲＯにおける電圧パルスはＦＥＴ２をターンオンし、蓄積キャパシタＣ５はグランドに接続される。Ｖｇ＿ＤＥＣにおける電圧パルスはＴ１を通して負電圧レールへの導通を生じさせ、Ｃ５における電圧はさらに負にされる。デジタル制御ラインを使用して、Ｃ５における電圧は徐々にさらに負にされ、または、ゼロとなりうる。これはＦＥＴ１のゲートに接続され、共振回路の振動の振幅を制御する。共振振幅は、Ｖｇ＿ＤＥＣにおいて固定パルス数を使用して設定されるか、またはその代わりに、例えばＡＤＣ（アナログデジタル変換器）を使用して測定された振幅が所望の値に到達するまでゲート電圧が減少される。
＜励起パルス発生器８＞
共振回路に印加される励起電圧を制御するために、ｎ型およびｐ型のＭＯＳＦＥＴの組が使用される。共振系への過渡電流がＣ１０を介してグランドに取り込まれる結果を伴って、正の電圧（Ｖ１）がショットキーダイオードを介して結合される。Ｄ６およびＶ１は、単に、励起パルスの目標電圧、および、一定の振幅で共振を維持するために十分な電流を供給する。共振系に供給される電力が監視される必要があるならば、この励起パルス発生器の設計は特に有効である。これは、Ｄ６を通る電流パルスの測定によって直接に監視することができる。その代わりに、そのような要求条件が存在しないならば、共振によって発生される過渡電流を効果的に再利用するために５Ｖ供給が十分な静電容量および低い直列抵抗を有することを条件として、Ｃ１０およびＤ６は除去される。
＜デッドバンド遅延発生器９＞
最後に、デッドバンド遅延発生器はその入力としてデジタル波形Ｖｓｔｉｍｕｌｕｓ１２を取り込み、励起ＦＥＴにおけるシュートスルー電流を防止するデッドバンド遅延を発生する。
【００５２】
まとめると、図４に表わされた回路は、インダクタ電流が、インダクタＬ１およびキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３によって決定される周波数範囲によって設定されることを可能とし、ここで振幅はＦＥＴのゲート電圧によって設定される。さらに、回路は、（励起周波数が回路の可能な範囲内にとどまることを条件として、）この範囲内で異なる周波数および素子の値における変化に結果として調整する。そのようにして、このアプローチは、温度、金属性の環境、素子の値における製造許容誤差による離調への耐性を有する。
【００５３】
上記は方形波の励起波形に関するものであった。しかし、共振を維持するために十分なエネルギーを供給できることを条件として、これは減少したデューティサイクルの波形となりうる。代わりのアプローチは、目標周波数の分数調波（sub-harmonic）における波形を使用して回路を励起することである。この方式の主な利点は、ｎおよびｐ励起ＦＥＴがより少なく切り換えられ、これらの素子の荷電／放電における減少した損失に導くことである。従って、より効果的な回路動作が達成されうる。
【００５４】
実施形態に表わされている３つのキャパシタの回路は、本発明の唯一の実施形態ではない。実際、回路はＣ２を全く除去することによって簡素化されうる。この場合において、ＦＥＴがターンオフされるとき、ＦＥＴのソース電圧は一定にとどまる。しかし、Ｃ２についてのいくらかの静電容量を含むことに一般に利点が見出され、Ｃ２は、ＦＥＴがオフであるとき、ＦＥＴのソース電位を増加させる役割を果たす。これはＦＥＴをさらにターンオフするように働き、これは、特に、有限なゲート電圧の蓄積キャパシタＣ５のためにゲート電位が変化しうるので、ＦＥＴによる漏電を最小化する。
【００５５】
読取器のアンテナをトランスポンダの共振に同調させる作業は、次の方法のうち１つを使用して実行されうる。
（１）読取器は、励起周波数を階段状にし、または、掃引し、トランスポンダからの電力流出を監視する。これは、５Ｖ電源からの電力流出を監視することによって実行されうる。
（２）トランスポンダの変調が検出される周波数の関数としての閾値の振幅を判定する目的で、読取器は、励起振幅および周波数を階段状にし、または、掃引しうる。最小の閾値振幅は、一般に、トランスポンダの共振周波数において存在する。
（３）トランスポンダが通常の抵抗負荷変調を使用して変調するとき、読取器によって認識される変換されたトランスポンダのインピーダンスは、トランスポンダの共振において動作するとき抵抗変調でもある。動作周波数がトランスポンダの共振と異なるとき、変換されたインピーダンスにおいてリアクタンス成分が存在する。読取器は、変換されたインピーダンスを監視し、抵抗性インピーダンスが生じるまで周波数を調整する。
（４）回路はパルスを使用して周期的に励起され、減衰する共振波形を発生する。振動の振幅は、容量性経路のデューディサイクルによって振動の固有周波数にリンクされる。結果は、周波数範囲にわたって自由減衰が掃引し、すなわち、減衰するチャープを発生する。そのような信号は、潜在的なトランスポンダの周波数にわたって掃引するために使用されうる。基準の軌跡についての波形の差分は、読取器からの最大吸収周波数を示すために使用されうる。この周波数はトランスポンダの共振周波数に対応し、従って、読取器が同調されうる。そのようなシステムはトランスポンダの存在およびその共振周波数を検出する低電力の方法として使用されうる。検出されると、読取器は通常の方法でトランスポンダを読み取りうる。この方法は本発明の第４実施形態において実現される。
【００５６】
＜＜第２実施形態＞＞
図５は本発明の代わりの実施形態を表わす。図１に表わされているｎ型ＦＥＴに加えて、この実施形態はｐ型ＦＥＴも含む。ｎ型ＦＥＴの状態はＦＥＴのドレインの負のサイクルにおいて変化し、ｐ型ＦＥＴは正のサイクルにおいて変化する。低い振幅について両方のＦＥＴは導通しておらず、一方、高い振幅について両方は導通している。０％のデューティサイクルおよび１００％のデューティサイクル（デューティサイクルは、ＦＥＴの少なくとも１つが導通しているサイクルの割合である）における周波数限界についての設計式は次の通りである。
【００５７】
【数２】
2009519651.tif 000004
【００５８】
図５に表わされている値は、ｆ１００％＝１０４ｋＨｚおよびｆ０％＝１４７ｋＨｚの周波数範囲を与える。ゲート電圧Ｖｇａｔｅ１１５およびＶｇａｔｅ２１６を使用して共振振幅を設定するとき、これは、これらの電圧が逆方向でなければならない以外は第１実施形態の１つのＦＥＴのバージョンと同様に行われる。Ｖｇａｔｅ１は負の電圧に減少され、Ｖｇａｔｅ２は同じ量だけ正の電圧に増加される。
【００５９】
この実施形態の１つの特徴は、波形におけるＦＥＴおよびキャパシタ回路の影響が、１つのＦＥＴのバージョンより対称的であるということである。これは、減少した歪みを有するインダクタ電流に導くことができる。これが放射の規制を満たすための要求条件であるならば、回路の追加の複雑さを正当化しうる。さらに、ＦＥＴのドレイン電圧の振動は、所定のインダクタ電流について、第１実施形態と比較して減少される。この特性は、最大のソース−ドレイン電圧のより低い仕様を有するＦＥＴの使用を可能としうる。そのようにして、ＦＥＴのコストは減少され、かつ／または、それらの特性は減少したターンオン抵抗等によって向上する。
【００６０】
＜＜第３実施形態＞＞
図６は、例えば、ＲＦＩＤトランスポンダまたは他の遠隔で給電される装置について、無線周波フィールドから電力を抽出するために使用することができる回路の一実施形態を表わす。この回路は設けられる無線周波フィールドによって駆動される。電力は、任意の都合のよい位置において、例えばＣ１の一端から他端へと回路から取り込み、整流することができる。トランスポンダからの帰還信号を提供するために、回路からの電力は、例えば、帰還信号を使用して変調することができる無線周波発振器に給電するために使用することができる。トランスポンダのインダクタンスは上述した３００μＨの送信アンテナの例（図１）と比較して増加している。これは、振動するフィールドに応答してトランスポンダにおける誘導電圧を増加させるためである。キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、結果として第１実施形態と同一の周波数範囲（ｆ５０％＝１０６ｋＨｚ、ｆ０％＝１４５ｋＨｚ）となる同一の係数によって減少される。トランスポンダのＱ値はコイル実効直列抵抗（Ｒ１）によって設定され、この例において１０Ωに設定されており、１２５ｋＨｚにおいて約８０の高いＱ値を与える。ｎ型ＭＯＳＦＥＴは０．５Ｖの低い閾値電圧を有する。
【００６１】
トランスポンダ回路は、インダクタンス３００ｍＨの送信アンテナに弱結合される。２つのインダクタの間の結合定数は１％である。図７Ａは送信アンテナにおける電流を表わし、最初の１ｍｓの間、０であり、そして線形的に１０ｍｓまでに５０ｍＡに増加し、そして、一定の振幅を維持する。この波形は回路の動作を説明するために選択された。
【００６２】
図７Ｂは、トランスポンダ回路内の対応するＦＥＴのドレイン電圧を表わす。送信アンテナにおける電流が増加するに連れて、トランスポンダ回路のアンテナにおける電流も増加し、従って、ＦＥＴのドレイン電圧が増加する。ＦＥＴのドレイン電圧がＦＥＴの閾値電圧である０．５Ｖに到達すると、ＦＥＴは各サイクルの一部にわたって導通し始める。これは、共振を回路内で作り上げることを可能とし、デューティサイクルを１２５ｋＨｚの励起周波数に適合させる。この適合が生じるとＦＥＴのドレイン電圧において目立った急上昇が存在する。この時点において、回路は励起周波数に自己調整される。
【００６３】
図８は、トランスポンダ回路のさらなる発展を表わす。ここで、ダイオードＤ１を介してＦＥＴのドレインをゲートに結合するさらなる分岐が追加されている。回路が励起周波数に調整すると、ＦＥＴのドレインにおける電圧の大きさは０．５Ｖを上回って急上昇し、ダイオードＤ１はサイクルの一部にわたって導通し始め、ゲート電圧を低く引っ張る。ゲート電圧が負の電圧に降下するに連れて、共振振幅は増加する。この過程は、ＦＥＴのゲート電圧が５Ｖのツェナーダイオード（Ｄ２）内に流れる逆電流によって設定される限界に到達するまで続く。抵抗器Ｒ４は、トランスポンダ回路内に共振が存在しないときゲート電圧をゼロに結び付けるために含まれる。そのようにして、トランスポンダ回路は、フィールドの読み取りへの露出のために準備が済む。概して、図８の構成は、自動的に、無線周波フィールドから増加した電力を抽出するために共振振幅を増加させるため、ＦＥＴのゲート電圧を制御する（低くする）。
【００６４】
図９には、上述した回路の動作が波形によって表わされている。図９Ａは、図７と同一の送信アンテナ電流を表わす。図９Ｂは、トランスポンダのＦＥＴのゲート電圧を表わし、回路が励起周波数に調整する（Ｖｄｒａｉｎが０．５ＶのＦＥＴの閾値電圧を超える）とき、負の電圧に減少される。図９Ｃは、ゲート電圧が降下するに連れて、トランスポンダ回路内に共振が作り上げられることを表わす。
【００６５】
トランスポンダ回路を励起フィールドの周波数に調整し、検出電圧の振幅を傾斜させるために、検出電圧は、まず、ＦＥＴの閾値電圧を超えることが必要とされる。上記実施形態において、これが低い結合レベルで発生するように、低い閾値のＦＥＴが使用される。代わりのアプローチは、トランスポンダ回路のインダクタンスを増加させることであり、より高いソースのインピーダンスを有するが、トランスポンダ内でより高い電圧を発生する。この方法において、低い閾値についての特定の要求条件は除去しうる。しかし、高いトランスポンダ回路のインダクタンスを使用して、共振は、励起フィールドから同一レベルの電力を伝送するために、より高い目標電圧に作り上げることが必要とされうる。トランスポンダの給電、および、トランスポンダ回路が読取器との通信を実行する変調の両方のために、この増加した電圧が必要とされうる。
【００６６】
上記実施形態のさらなる利点は、読取器に結合されるトランスポンダ回路が増加するときに生じる。高い結合レベルにおいて、１つのアプローチは、検出電圧を制限するレギュレータを導入し、他の回路への障害を防止することである。このアプローチの１つの欠点は、トランスポンダは励起フィールドのかなりの割合を吸収し、従って、レギュレータ内の熱として放散されうることである。しかし、この実施形態は、トランスポンダの共振と励起フィールドとの間の相対位相によって検出電圧を制限し、すなわち、検出の実際のレベルが減少され、レギュレータの使用によって抵抗されない。高い結合の場合におけるこの向上した振る舞いによって、この実施形態は、トランスポンダが励起フィールドを遮蔽するような問題を防止することができる。これは、複数のトランスポンダを読み取るときに利点となりうる。
【００６７】
まとめると、この実施形態は、可変デューティサイクル技術がＲＦＩＤトランスポンダのような遠隔で給電される装置にどのように適用されるかを表わす。励起周波数がトランスポンダ回路の範囲内であり、振幅がキャパシタ回路とともに使用されるＦＥＴの閾値電圧を超えることを条件として、回路は励起フィールドに自己調整しうる。また、これは、共振の増加した振幅がトランスポンダ内で作り上げられるように、ゲート電圧が自動的に傾斜されることを表わす。
【００６８】
上述したトランスポンダ回路は、次を含むいくつかの利点を有する。
１．高いＱ値のトランスポンダは、励起フィールドのトランスポンダ周波数への正確な適合の通常の複雑さなしで使用され、トランスポンダは励起周波数に調整する。
２．システムは、トランスポンダ周波数に影響しうる温度および金属性の環境における変化へのより強い耐性がある。励起がトランスポンダ回路の周波数範囲内であることを条件として、素子の値における変化の程度は動作に影響を与えない。
３． システムは、製造時の素子の値における変化へのより強い耐性がある。そのようにして、注意深い素子の値の同調が必要とされず、潜在的に製造のより低いコストに導く。また、これは、現在、先行技術の実施のために必要とされる耐性を達成することができない製造技術を容易にすることができる。そのような技術の例は、プリント電子半導体および有機半導体を含みうる。
４．トランスポンダは１つより多くの読取器の周波数に応答することができる。そのようにして、規制周波数帯域が変化する国境にまたがる輸送が許容されうる。
５．固定のゲートを有する回路の動作はレギュレータと同様である。ゲート電圧は、デューティサイクルが励起周波数に適合する振幅を設定する。結合定数における増加を有する主な変化は、励起およびトランスポンダの応答の相対位相を変化させる。トランスポンダの共振振幅はほぼ同じにとどまる。そのようにして、追加のレギュレータは、トランスポンダ内で必ずしも必要ではない。また、これは追加のトランスポンダから読取器のフィールドを遮蔽する近くに結合されたトランスポンダの影響を減少させる。
【００６９】
＜＜第４実施形態＞＞
第４実施形態において、図１に表わされた回路が、安定状態の励起ではなく自由減衰において使用される。自由減衰において使用されるとき、ＦＥＴの導通のデューティサイクルは、減衰波形によって決定され、時間の関数として変化する。結果として生じる振る舞いは、回路の減衰におけるエネルギーとして周波数において上昇するチャープ信号である。この実施形態は、トランスポンダの存在および／またはその共振周波数を検出するために読取器内で使用されうる。
【００７０】
大きさ５Ｖの４μｓ方形電圧パルスがＶｓｔｉｍｕｌｕｓ２に印加され、ＦＥＴのゲート電圧１は０Ｖに維持される。図１０ＡはＦＥＴのドレイン電圧の減衰を表わし、図１０Ｂはアンテナ電流を表わす。ＦＥＴのデューティサイクルがゼロでないときドレイン電圧は非対称であり、これは共振系に結合された２つの異なる静電容量の自然な結果である。一方、アンテナ電流はより対称的である。
【００７１】
図１０Ｃは、時間の関数としてチャープの瞬時周波数を表わす。チャープは１１７．９ｋＨｚで開始し、１４４ｋＨｚの最大値に上昇する。高い周波数限界は予測された１４５ｋＨｚのｆ０％によく匹敵するが、開始周波数はｆ５０％＝１０６ｋＨｚの他の限界を上回る。これは、振幅が閾値電圧Ｖｔｈよりずっと大きい場合のみ５０％のデューディサイクルに近づくためである。同一の容量性の回路のために、より低い開始周波数が必要とされるならば、次の方法のうち１つまたは複数が利用されうる。
（１）例えば、２倍のパルス励起によって、振動の初期の振幅を増加させる。
（２）ＦＥＴをより低いＶｔｈを有するものと変える。
（３）ＦＥＴにＶｔｈより小さい大きさの正のゲート電圧を印加する。これは回路の動作を同一に維持し、すなわち、ＦＥＴのソース電圧の負のサイクルにおいてのみＦＥＴが導通する。しかし、そのような正のゲート電圧を使用したＦＥＴのターンオンに必要とされる振幅は減少する。
【００７２】
図１１ＡはＦＥＴのドレイン電圧の減衰包絡線を表わす。共振トランスポンダが導入されるとき、ほとんど識別できない減衰の包絡線の軌跡がこの軌跡に上書きされている。トランスポンダは１．６ｎＦのキャパシタと並列の１ｍＨのインダクタを備え、１２５ｋＨｚの共振周波数を与える。インダクタの実効直列抵抗は５０Ωであり、トランスポンダに約１５のＱ値を与える。読取器のアンテナとトランスポンダとの間の結合は０．３％に低く設定される。
【００７３】
図１１Ｂは、同一の縦軸スケールでの減衰の包絡線における差分を表わす。結果はたいへん低く、それらのたいへん近い適合を表わす。実際、最大の差分は約２％であり、エネルギー減衰の測定を用いて検出することが難しいたいへん低いレベルである。
【００７４】
図１２Ａは、減衰の包絡線を調べるのではなく、トランスポンダの存在とトランスポンダの不存在との間の実際の波形における差分を表わす。この測定は、位相における差分に敏感であり、結果がトランスポンダの存在にたいへん向上した感度を有する大きな利点を有する。その周波数範囲を通したチャープの減衰および掃引として、トランスポンダは小さい割合のエネルギーを吸収し、減衰の周波数を変化させる。基準波形と比較した位相差が時間にわたって作り上げられ、これは図１２Ａにおける大きな差電圧を与える。電圧の差は約１．９ｍｓ（チャープの開始から０．９ｍｓ）において最大であり、その後、チャープがさらに減衰するに連れて減少する。チャープの振幅がＶｔｈを下回って減衰し、ＦＥＴのデューティサイクルがゼロになると、軌跡の間の位相差は一定にとどまり、差分の波形はチャープの振幅とともに減衰し、この例においてゼロのデューティサイクルの閾値は約２．１５ｍｓであることに留意すべきである。
【００７５】
図１２Ｂは、トランスポンダの周波数が１２５ｋＨｚから１３４ｋＨｚに増加した（トランスポンダの共振の静電容量が１．６ｎＦから１．４ｎＦに減少した）場合の同様な波形の差分の測定を表わす。差電圧への変化は明らかであり、特に、差電圧における急な上昇の開始は、１２５ｋＨｚのトランスポンダに対しては遅れている。チャープの周波数が時間とともに上昇し、従って、減衰において後に新たなトランスポンダの周波数に適合するので、これは予測されるものである。また、影響の振幅はより小さく、これはトランスポンダが減衰にかなりの影響を持ち始めたので、より少ないチャープ期間の結果である。トランスポンダが励起された比較的すぐ後に、チャープはゼロのデューティサイクルの領域に移り、基準と比較した位相差が増加を停止する。図１２Ａおよび図１２Ｂの比較は、共振周波数１２５ｋＨｚおよび１３４ｋＨｚを有するトランスポンダの間で識別するために、異なる波形の形状をどのように使用することができるかを表わす。特に、差分の波形の開始点のさらなる分析は、トランスポンダの周波数がより高い解像度で判定されることを可能としうる。
【００７６】
図１３は、追加のキャパシタＣ４および電圧源１７によって制御されるＦＥＴ２を有する、第４実施形態への追加を表わす。ＦＥＴ２がターンオフされると、アンテナ電流はＣ４を通して流れ、従って、これは電圧を生じる。この例において、Ｃ４は他の共振キャパシタよりずっと大きく、従って、チャープの周波数範囲にあまり強く影響を与えない。さらに、大きな静電容量のために、発生する電圧は、０．７Ｖより小さい大きさを有し、従って、ＦＥＴ２のボディダイオードを通して導通しない。従って、Ｃ１およびＣ４の接続点における電圧は、サンプリングのためにアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に取り込まれうる。一般に、ＡＤＣは、その波形の期間よりかなり小さい時間スケールにおいて波形の値をデジタル化するように、内蔵のサンプルホールド機能を有する。
【００７７】
この回路の主な利点は、ＦＥＴ２をターンオンすることによってＡＤＣ入力がバイパスされうることであり、この場合において、アンテナ電流はＣ４を通して流れるのではなくグランドに戻される。この方法において、読取器が全電力識別モードに切り換えるとき、トランスポンダの低電力接近検出のために設けられるＡＤＣ入力が保護される。ＦＥＴ１のドレインにおけるような全電力モードで発生される大きな電圧は、接近検出回路素子によって負荷をかけられず、従って、障害を引き起こさない。
【００７８】
図１３における回路が使用されうる代わりの方法は、チャープの減衰の大部分についてＦＥＴ２をオンに維持することであり、減衰波形がサンプリングされるときのみターンオフする。サンプリングされるときまでチャープがその開始レベルから著しく減衰するならば、キャパシタＣ４についてのより小さい値が使用され、振幅を０．７Ｖを下回って維持する（従って、ボディダイオードの経路がＦＥＴ２を通ることを防止する）。この方法において、ＡＤＣによってサンプリングされる電圧は、（０．７Ｖまで）増加され、測定の信号対雑音を向上させる。
【００７９】
１つのさらなる代替は、チャープの減衰の期間についてＦＥＴ２をオフに維持し、ＡＤＣが電圧をサンプリングする前にいくらかの利得を導入する。また、これは、信号のダイナミックレンジがＡＤＣの入力範囲について適切であるように電圧オフセットを含みうる。この方法による信号対雑音における増加は、追加の利得回路からの電力流出を犠牲にする。この追加の電力流出を最小化するために、チャープの反復速度に対応する減少したデューティサイクルで増幅段が給電されうる。
【００８０】
チャープの減衰の基本的な概念から強固なシステムを設計するために、次の技術が適用されうる。
（１）時間にわたって基準信号を監視することは、システムがトランスポンダの接近と関係しない、より長い期間の変化を追跡することを可能とする。有益に無視されるそのような変化の例は、温度変化、周囲の金属からの吸収への変化、チャープの減衰における変化を引き起こすバッテリー電圧における緩やかな下降を含む。
（２）多くのサンプルにわたる平均信号は、信号対雑音における向上、従って、システムの強固さを与える。そのような平均は、チャープの開始と比較した同じサンプル時間において実行され、いくつかの別個のチャープにわたって平均される。
（３）１つのチャープ内の複数の点がサンプリングされ、各々のサンプルにおいて基準との差分が判定される。システムの変化が生じたか否かに関する判定は、これらの個々の測定を組み合わせることによって、より正確にされうる。複数の点のそのようなサンプリングは、トランスポンダの共振周波数の判定と組み合わされうる。
【００８１】
上記の実施形態において説明した回路は共振の振る舞いを与え、一方、ある範囲の周波数にも応答する。特に、インダクタとキャパシタ回路との間で伝送される過渡エネルギーの再利用によって電圧の段階的な増加が達成される。
【００８２】
これらの回路に共通する１つの特徴は、ＦＥＴのソース電位における変化によって共振が結果としてＦＥＴをターンオンおよびオフすることである。従って、ＦＥＴをターンオンおよびオフするために必要とされる電荷は、共振インダクタによって供給される。そのようにして、外部電圧を使用してＦＥＴのゲートを直接に切り換えることに関する通常の損失なしで、ＦＥＴは効果的にターンオンおよびオフされる。これは回路の低電力動作の利益を与え、過度の切り換え損失なしで高いＱ値の共振が作り出されること（低いオン抵抗のＦＥＴ）を可能とする。さらなる利点は、ターンオン／オフがなめらかであり、強い切り換え過渡状態を生じないことである。
【００８３】
上述した実施形態は、ＦＥＴのオン／オフを切り換える共振による利益が与えられるが、また、外部に切り換えの配置を設けることも可能である。これは、ＦＥＴを切り換えるための追加の電力、および、回路のデューティサイクルが励起周波数について正しいことを保証するための正確なタイミング制御を必要とする。従って、実施形態において、スイッチング素子またはトランジスタのような可制御素子は、タイミング制御回路を含む制御装置によって制御される。
【００８４】
上記で説明した方法は、水晶共振器のようなたいへん安定した外部のクロック源を使用した高いＱ値のＬＣ共振の動作を可能とする。そのようにして、振幅／位相および周波数の両方において時間に対してたいへん一定したフィールドが効果的に発生される。波形の読み取りにおけるどのようなノイズも出力波形におけるノイズに変換されるので、そのような作業はＲＦＩＤトランスポンダの読み取り機能を実現するとき効果的である。
【００８５】
実施形態のために選択された１２５ｋＨｚの周波数帯域は純粋に例である。本発明の適用は、この帯域の周辺の周波数に限定されず、音速以下からマイクロ波周波数およびそれを超えるものまでの範囲にわたる全ての振動器周波数を含んで広がる。ＲＦＩＤについて、より詳しくは、１２５ｋＨｚ、１３４ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、８６９ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ等の全ての一般的なＲＦＩＤ周波数帯域が含まれる。
【００８６】
おそらく当業者には多くの他の効果的な代替が見出される。本発明は上述した実施形態に限定されず、請求項の思想および範囲内にある、この技術分野の当業者に明らかな変形を包含することを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】共振回路の第１実施形態の図である。
【図２Ａ】ＦＥＴのゲートが０Ｖである共振回路の第１実施形態の電圧波形のプロットである。
【図２Ｂ】図２Ａに対応するアンテナ電流のプロットである。
【図３Ａ】回路が共振しているとき負の電位に減少するＦＥＴのゲート電圧のプロットである。
【図３Ｂ】図３Ａに対応する電圧波形である。（図３、７、９、１０、１２において、印刷物には現われうるが、波形が示される時間スケールのために、信号の包絡線内の領域は密である。）
【図３Ｃ】図３Ａに対応するアンテナ電流波形である。
【図４】ＦＥＴのゲート電圧を制御し、励起信号を供給する追加部分を伴う、図１に表わされた共振回路を備えたタグ読取器の一実施形態の図である。
【図５】共振回路の第２実施形態の図である。
【図６】共振回路を備えたトランスポンダの一実施形態の図である。
【図７Ａ】外部フィールドによって励起された図６のトランスポンダについてのアンテナ電流のプロットである。
【図７Ｂ】外部フィールドによって励起された図６のトランスポンダについてのアンテナ電圧のプロットである。
【図８】ＦＥＴのゲート電圧によって共振振幅を作り上げる追加の回路素子を伴う、図６に表わされた共振回路を備えたトランスポンダの一実施形態の図である。
【図９Ａ】外部フィールドによって励起された図８のトランスポンダについてのアンテナ電流のプロットである。
【図９Ｂ】図９Ａのアンテナ電流に対応するＦＥＴのゲート電圧のプロットである。
【図９Ｃ】図９Ａのアンテナ電流に対応するアンテナ電圧のプロットである。
【図１０Ａ】図１の回路が４μｓのパルスを使用して励起された、共振回路の第４実施形態の減衰波形である。
【図１０Ｂ】図１の回路が４μｓのパルスを使用して励起された、共振回路の第４実施形態の減衰波形である。
【図１０Ｃ】自由減衰の瞬時周波数である。
【図１１Ａ】１２５ｋＨｚのトランスポンダが読取器の近くに存在する場合の同様の軌跡が上書きされた、図１０Ａにおける電圧減衰の包絡線関数を表わすグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ａと同一の縦軸スケールにおいてプロットされた図１１Ａの２つの包絡線関数の間の差分である。
【図１２Ａ】トランスポンダの存在および不存在の２つの減衰波形の間の差分である。
【図１２Ｂ】トランスポンダの共振周波数が１２５ｋＨｚから１３４ｋＨｚに増加した場合の図１２Ａと同様な差分の波形である。
【図１３】周囲の検出のためのチャープの減衰の振幅をサンプリングする追加素子を伴う共振回路の図である。
【符号の説明】
【００８８】
１、２  電圧源
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３  キャパシタ
ＦＥＴ１  電界効果トランジスタ
Ｌ１  インダクタ
Ｒ１  抵抗
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【国際調査報告】
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