[发明专利]利用磁场耦合电抗元件的谐振电路调谐系统

说明书

技术领域

本发明总地涉及电子调谐电路，更具体地，涉及利用磁场耦合电 抗元件的调谐系统。

背景技术

磁场在许多电子系统中用于诸如电子物品监视(EAS)、射频标 识(RFID)、金属检测器、磁成像系统、遥感、通信等的多种用途。 在这些各种电子系统中，磁性线圈可以用作发送器或接收器。作为发 送器，线圈通常用于将磁场投射到希望的感测区中。作为接收器，可 以将线圈放在一个区域中接收信号或检测标签、金属物体等的存在。

更具体地说，对于发送器，产生磁场的高效方法牵涉到在发送频 率上对发送器呈现低阻抗的串联谐振LCR电路的使用。为了从发送 器天线实现高磁场水平，期望发送器将大电流递送到天线线圈。因此， 为了实现高性能，期望使从发送器递送到线圈的电流最大化。使从发 送器递送的电流最大化的一种方法是使用具有高品质因数(Q)的LCR 电路。这可以通过增大天线线圈的电感和减小电路的总串联电阻实现。

对于接收器，通常使用通过电感器、电容器和电阻的并联布置形 成并联谐振LCR电路的一种不同类型的调谐谐振电路。像例如在EAS 系统的接收器、RFID标签或天线的输入端上，或在磁场感测输入端 中那样，这种类型的电路用在谐振时需要高线圈阻抗的应用中。为了 使使用磁线圈的接收器天线达到高灵敏度，期望接收器对接收器输入 端呈现高阻抗，从而将高压信号递送到接收器输入端。实现这种高灵 敏度的一种方法是增大天线的Q值，使天线对应用感兴趣的频率更敏 感。与串联LCR电路的情况一样，期望具有高Q LCR电路以便利用 较高性能。

使用高Q LCR电路存在实际局限性。在许多应用中，LCR电路 的谐振频率(或调谐)因设计偏差、安装环境(例如，门框、地板等) 的偏差或因工作环境的动态变化而偏离理想值。例如，调谐的设计容 许偏差可能由影响LCR电路的电感和电阻，从而影响调谐和性能的 谐振电容器结构偏差和天线线圈结构偏差引起。另外，一些类型的天 线线圈使用导磁材料集中或成形来自发送天线的磁场或增大接收器天 线对外部磁场的灵敏度。这些材料中的许多种在磁导率和材料损耗方 面呈现宽的容限。而且，这些材料的特性随工作磁通密度、工作温度、 机械应力等的变化而变化。一些材料还可能在系统的寿命内随时间变 化。所有这些材料特性的变化都会影响LCR电路的电感和损耗，并 且影响调谐和性能。

并且，在一些应用中，天线线圈可能被安装在可能改变天线周围 磁场的导磁或导电材料附近。磁场的变化可以改变线圈的电感并且影 响LCR电路的有效电阻，从而影响LCR电路的调谐和性能。在其它 应用中，在正常工作期间，天线的磁场可能因导磁或导电材料在天线 附近运动而动态地变化。其结果是，可能引起天线的电感或有效电阻 动态地变化，从而影响LCR电路的调谐和性能。并且，系统可能使 用几个磁耦合天线动态地改变发送天线产生或感测区内的接收器天线 感测的磁场向量的取向。这种动态变化通过改变各种天线线圈中的电 流的相对相位关系实现，并且由于线圈之间的互感(或耦合系数)而 改变各个天线的电感。其结果是，线圈的有效谐振频率随磁耦合线圈 中的电流的相对相位的变化而动态变化。

因此，可能需要或希望使用高Q天线来实现天线LCR电路的高 性能。但是，高Q天线易出现调谐问题。因此，可能需要或希望响应 于例如工作环境的变化而调整LCR电路的调谐或Q值。例如，与LCR 电路连接的系统，或外部系统可能生成某些干扰信号，这可能需要改 变天线调谐或降低LCR电路的Q值。因此，可能需要或希望一种手 段来动态地调整LCR电路的调谐或Q值以响应工作环境的这些变化。

调谐LCR天线电路的已知系统和方法通常加入控制器和其它部 件，这增加了系统的成本，并且未必总是令人满意地提供所需或所希 望的调谐。例如，公知的是可以配备与开关并联或串联排列的一组电 容器，这些开关可以打开或闭合以调节电容器阵列的有效电容。但是， 随着LCR电路的Q值增大，这种方法要求增加电容器阵列中的调谐 电容器和调谐开关的数量以提供细调能力。并且，随着LCR电路的Q 值增大，电容器阵列支持的电压也增大，要求评价调谐电容器和调谐 开关是否适合高压工作。最后，因为电容器阵列与发送器串联，所以 调谐电容器和调谐开关必须支持大电流。因此，随着LCR电路的Q 值增大，电压和电流也增大，这要求评价调谐电容器和调谐开关是否 适合高压和大电流工作。