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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Kontrolle von Zugangsberechtigungen mit zumindest einer eine Sende- und Empfangsvorrichtung umfassenden Leseeinrichtung und eine mit dieser verbundenen Antenne, über welche ein elektromagnetisches Feld mit einer Trägerfrequenz für den Datenaustausch mit einer Datenträger-Einheit, vorzugsweise einem RFID-Transponder, aussendbar und empfangbar ist, wobei die Übertragung der Daten über zumindest ein durch einen Hilfsträger gebildetes unteres oder oberes Seitenband zu der von der Antenne der Leseeinrichtung ausgesendeten Trägerfrequenz erfolgt.
Automatische Identifikationssysteme haben in den letzten Jahren auf vielen Gebieten, insbesondere zur Kontrolle von Zugangsberechtigungen für kommerzielle Zwecke eine grosse Verbreitung gefunden. Es werden dabei in bestimmten Bereichen, z. B. vor den Eingängen von Veranstaltungshallen, Sportplätzen, Schiliften, Ausstellungen, Parkhäusern od. dgl. Zugangssperren errichtet, die den Zugang nur für Inhaber von im voraus bezahlten Berechtigungen ermöglichen, wobei eine automatische Überprüfung der Zugangsberechtigung durchgeführt wird. In vielen Fällen wird diese Überprüfung durch die Abfrage von auf einem Datenträger gespeicherten Daten vorgenommen, der vom Berechtigungsinhaber einer Schreib- und Lesevorrichtung vorgezeigt werden muss.
Bei jedem ermöglichten Zugang wird entweder eine auf dem Datenträger gespeicherte Gültigkeitsdauer überprüft oder von einem gespeicherten Guthaben ein Betrag abgezogen und das um diesen Betrag verringerte Guthaben wieder auf dem Datenträger abgespeichert. Der Datenträger kann in unterschiedlicher Formgebung dem Berechtigungsinhaber zur Verfügung gestellt werden, in vielen Fällen wird ein Identifizierungsschaltkreis mit einer Speichereinheit auf einem kastenförmigen Datenträger im Scheckkartenformat, sogenannten Chipkarten, angeordnet. Um die Bequemlichkeit zu erhöhen, kann die Abfrage von auf dem Datenträger gespeicherten Daten auch berührungslos bzw. kontaktlos erfolgen. Die dafür vorgesehenen Identifikationssysteme werden vielfach als RFID (radio frequency identification)- Systeme bezeichnet.
Die Energieversorgung des Datenträgers und der Datenaustausch zwischen dem Datenträger und einem Lesegerät erfolgt nicht durch galvanisches Kontaktieren sondern über magnetische bzw. elektromagnetische Felder. Das Lesegerät weist zu diesem Zweck eine Hochfrequenz-Einheit mit einer Antenne auf, über welche eine Kopplung mit einem auf dem kastenförmigen Datenträger angeordneten RFID-Transponder ermöglicht wird. Der RFIDTransponder besteht aus einem Koppelelement, z. B. eine Antenne, Spule od. dgl. und einem elektronischen Schaltkreis in Form eines Mikrochips, der in den meisten Fällen selbst keine Stromversorgung aufweist. Kommt der RFID-Transponder in den Sendebereich des Lesegeräts wird dieser durch die Feldenergie aktiviert und kann mittels dieser Energie seinerseits Daten aussenden und gegebenenfalls auch empfangen.
Die grundsätzliche Funktionsweise von RFID-Systemen ist beispielsweise in Klaus Finkenzeller, RFIDHandbuch, Carl Hanser Verlag München Wien 1998"beschrieben.
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dabei den Vorteil der höheren Lesegeschwindigkeit. Sobald der RFID-Transponder in den Sendebereich des Lesegeräts gelangt, können die gespeicherten Daten über das Lesegerät ausgelesen und gegebenenfalls auch verändert werden. Das Lesegerät verwendet meist eine Antenne in Form einer Leiterschleife, die mit einer Sende- mpfangselektronik verbunden ist.
Bei der Kontrolle von Zugangsberechtigungen, z. B. bei Schiliften, Seilbahnen od. dgl. können auch mehrere Zugangsspuren vorgesehen sein, denen jeweils eine Antenne und eine Schranke oder ein Drehkreuz zugeordnet sind. Bei einer optischen Signalisierung der erfassten Berechtigung oder bei einer statistischen Erfassung der Berechtigungen können die Sperren auch gänzlich weggelassen werden.
Bei Transponder, welche über die von der Antenne der Leseeinrichtung ausgesendete Trägerfrequenz mit Energie versorgt werden, erfolgt die Datenübertragung mittels Seitenbandmodulation. Bei RFID-Systemen mit einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz liegt das Nutzsignal im unteren Seitenband beispielsweise um einige Hundert Kilohertz unter der Trägerfrequenz.
Eine grundsätzliche Schwierigkeit bei der Erzielung grösserer Reichweiten besteht nun darin, dass der Träger zur Energieversorgung des Transponders verwendet wird und daher ein möglichst hohes Sendesignal mit der Trägerfrequenz von der Antenne der Leseeinrichtung an die Antenne des Transponders gesendet werden soll, weswegen die Antenne der Leseeinrichtung mit hoher Güte auf die Trägerfrequenz abgestimmt wird, um die Energieversorgung des Transponders sicherzustellen. Die Reichweite des von der Leseeinrichtung empfangenen Signals ist jedoch relativ gering, da dieses im unteren Seitenband und nicht mit der Trägerfrequenz von der Antenne der Leseeinrichtung empfangen wird und die Antennengüte in diesem Frequenzbereich bereits deutlich abfällt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine hohe Reichweite erreicht wird, die aber zugleich auch die Energieversorgung des Transponders gewährleistet.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zusätzlich zu der die Trägerfrequenz aussendenden Antenne der Leseeinrichtung eine weitere Antenne vorgesehen ist, deren Maximum der Antennengüte im Bereich des zumindest einen, vorzugsweise des unteren Seitenbandes liegt, und dass die weitere Antenne mit der Empfangsvorrichtung der Leseeinrichtung verbunden ist.
Somit kann über die das Trägerfrequenzsignal aussendende Antenne der Leseeinrichtung, bei der das Maximum der Antennengüte genau auf dieses Trägerfrequenzsignal abgestimmt ist, die Versorgung des RFID-Transponders ermöglicht werden und dennoch über die weitere Antenne, deren Antennengüte auf eines der Seitenbänder abgestimmt ist, das seitenbandmodulierte Nutzsignal, welches die vom Transponder zur Leseeinrichtung zu übertragenden Daten beinhaltet, in voller Stärke empfangen werden, wodurch eine deutliche Erhöhung der Reichweite gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kontrolleinrichtungen erzielbar ist, ohne dabei die Energieversorgung des RFID-Transponders vernachlässigen zu müssen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Antenne der Leseeinrichtung mit der weiteren Antenne magnetisch gekoppelt sein.
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Um die Antenne der Leseeinrichtung nicht zu weit von der weiteren Antenne anordnen zu müssen, kann eine magnetische Kopplung der beiden Antennen vorgesehen sein, wodurch sich ein Gütemaximum der beiden gekoppelten Antennen sowohl im Bereich der
Trägerfrequenz als auch im Bereich des jeweiligen Seitenbandes erreichen lässt.
Vorzugsweise sollte die magnetische Kopplung nicht höher als 10% sein, um die gegenseitige Beeinflussung der Antennen gering zu halten.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann bei einer Kontrolleinrichtung, bei der die Antenne als Leiterschleife ausgebildet ist, welche Teil eines auf die Trägerfrequenz abgestimmten Schwingkreises bildet, vorgesehen sein, dass die weitere Antenne als Leiterschleife ausgebildet ist, die Teil eines Parallelschwingkreises bildet.
Eine solche Ausführung als Leiterschleife bietet den Vorteil, dass diese genauso wie die Antenne der Leseeinrichtung in sehr flacher Anordnung zum Beispiel auf einer Trennwand angeordnet sein kann.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die weitere Antenne mit relativ geringer Güte und relativ geringer Kopplung zu der Antenne der Leseeinrichtung ausgebildet sein.
Auf diese Weise ergibt sich eine nur geringe gegenseitige Beeinflussung der Resonanzfrequenzen beider Antennen. Da die weitere Antenne mit ihrer Güte ohnehin auf den Bereich des Seitenbandes abgestimmt ist, muss die Güte nur relativ gering sein.
Schliesslich kann gemäss einer weiteren Variante der Erfindung die Antenne der Leseeinrichtung auf eine Trägerfrequenz von 13,56 MHz abgestimmt sein, und die weitere Antenne der Leseeinrichtung auf ein Gütemaximum im Bereich des unteren Seitenbandes zur Trägerfrequenz, vorzugsweise im Bereich zwischen 13 MHz und 13,4 MHz abgestimmt sein.
Damit kann die weitere Antenne die im unteren Seitenband auftretenden Empfangssignale bestmöglichst empfangen, während die Versorgung des RFID-Transponders über die Trägerfrequenz von 13, 56 MHz erfolgt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigt dabei
Fig. l ein Blockschaltbild einer Zugangskontrolleinrichtung nach dem Stand der Technik ;
Fig. 2 ein Diagramm Empfangssignal und Antennengüte in Abhängigkeit von der Frequenz und
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Zugangskontrolleinrichtung.
Fig. l zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur berührungslosen Kontrolle von Zugangsberechtigungen, wie sie für viele Anwendungsfälle Verwendung findet. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise für die Kontrolle von Schipässen bei der Talstation eines Schiliftes Anwendung finden. Der mit einem kastenförmigen Datenträger in Form eines RFID-Transponders 6 ausgestattete Berechtigungsinhaber nähert sich beim Durchschreiten einer nicht dargestellten Zugangssperre einer Leseeinrichtung 1 so weit, dass der RFID-Transponder 6 in den Sendereich einer mit der Leseeinrichtung 1 verbundenen Antenne 3 gerät und dabei Energie aus der von der Antenne 3 abgestrahlten
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elektromagnetischen Strahlung aufnimmt, welche als Spule ausgebildet ist.
Zu diesem Zweck weist der RFID-Transponder 6 in seinem Inneren eine vorzugsweise grossflächige Spule 4 auf, die mit einem Identifizierungsschaltkreis 2 verbunden ist, der einen integrierten Schaltkreis mit einer Speicher-Einheit, z. B. ein EEPROM, umfasst.
Ein Teil des von der Antennenspule 3 ausgesendeten Feldes durchdringt die Antennenspule 4 des RFID-Transponders 6, welche mit einer nicht dargestellten Kapazität einen Schwingkreis bildet, der auf die Sendefrequenz der Antenne 3 abgestimmt ist. Die in der Spule 4 auftretende Spannung, die aus dem ausgesendeten Feld der Antenne 3 gewonnen wird, ermöglicht die Energieversorgung des RFID-Transponders 6.
Um die im RFID-Transponder 6 gespeicherten Daten zu überprüfen oder sie zu verändern, muss ein Datenaustausch zwischen dem Identifizierungsschaltkreis 2 des RFIDTransponders 6 und der Leseeinrichtung 1 stattfinden. Zur Veränderung der Daten kann die Leseeinrichtung dabei auch eine Schreibeinrichtung aufweisen, mit deren Hilfe die empfangenen Daten überprüft, entsprechend verändert und wieder zum RFID-Transponder 6 zurückgesendet werden. Die vom Transponder 6 an die Leseeinrichtung 1 zu übertragenden Daten können dabei auf einfache Weise durch eine getaktete Belastung der Spule 4 und über die induktive Kopplung mit der Antennenspule 3 entsprechende Spannungsänderungen innerhalb der Leseeinrichtung 1 hervorrufen, die detektierbar sind.
Die in der Leseeinrichtung 1 auf diese Weise festgestellten Spannungsschwankungen sind aufgrund ihrer geringen Grösse nur schlecht zu messen. Durch Modulation der Trägerfrequenz fT mit einer Taktfrequenz fH entstehen zusätzlich zur Trägerfrequenz fT zwei Spektrallinien fu und fo, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, welche sehr leicht detektierbar sind. Durch diese Modulation der Taktfrequenz fH mit den Daten entstehen sowohl ein unteres als auch ein oberes Modulationsseitenband im Abstand der Taktfrequenz fH von der Trägerfrequenz fT.
Da die Energieversorgung des RFID-Transponders 6 über die Trägerfrequenz fT erfolgt, ist die Güte G der Antenne 3 der Leseeinrichtung 1 so eingestellt, dass sie bei dieser Frequenz ein Maximum erreicht, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. In gleicher Weise ist die Güte der Antenne 4 des RFID-Transponders abgestimmt, um die maximale Energie aus dem Antennenfeld entnehmen zu können.
Um die Frequenz fu des unteren Seitenbandes ist die Güte G der Antenne 3 aber bereits so abgesunken, dass diese Signale in diesem Frequenzbereich nur sehr schwach empfangen werden können.
Erfindungsgemäss ist daher gemäss Fig. 3 vorgesehen, dass zusätzlich zu der die Trägerfrequenz aussendenden Antenne 3 der Leseeinrichtung l eine weitere Antenne 5 vorgesehen ist, deren Maximum der Antennengüte G'im Bereich des zumindest einen, vorzugsweise des unteren Seitenbandes liegt. Als Antenne wird dabei im Rahmen dieser Anmeldung jedes zur Aussendung und zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung geeignete Kopplungselement verstanden.
Die weitere Antenne 5 ist mit der nicht näher dargestellten Empfangsvorrichtung der Leseeinrichtung 1 verbunden, während die Antenne 3 nur mit der Sendevorrichtung der Leseeinrichtung 1 in Verbindung steht. Das über die Sendevorrichtung
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und die Antenne 3 ausgesendete Trägerfrequenzsignal wird im RFID-Transponder 6 empfangen und dort für die Speisung des Identifizierungsschaltktreises 2 in eine Gleichspannung umgewandelt. Zugleich wird durch geeignete Taktung der Belastung des Empfangs-Antennenkreises im RFID-Transponder 6 mit der Taktfrequenz fH eine induktive Rückwirkung erzeugt, welche als ein unteres und ein oberes Seitenband um die Frequenzen fu und fo in Erscheinung tritt, wie es in Fig. 2 angedeutet ist.
Diese Rückwirkung wird in der weiteren Antenne 5 der Leseeinrichtung 1 empfangen und die im unteren Seitenband enthaltenen Daten in der Empfangsvorrichtung durch Demodulation wiedergewonnen.
Ebenso kann dazu das obere Seitenband herangezogen werden, was eine entsprechende Abstimmung der weiteren Antenne 5 auf das obere Seitenband zur Voraussetzung hätte.
Die Antenne 3 der Leseeinrichtung 1 kann mit der weiteren Antenne 5 magnetisch gekoppelt sein. Sie kann als Leiterschleife ausgebildet sein, die Teil eines Parallelschwingkreises bildet. Als vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn die weitere Antenne 5 mit relativ geringer Güte und relativ geringer Kopplung zu der Antenne 3 der Leseeinrichtung 1 ausgebildet ist.
Die Antenne 3 der Leseeinrichtung 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf eine Trägerfrequenz von 13,56 MHz und die weitere Antenne 5 der Leseeinrichtung 1 auf ein Gütemaximum im Bereich des unteren Seitenbandes zur Trägerfrequenz, vorzugsweise im Bereich zwischen 13 MHz und 13,4 MHz abgestimmt. Das vorgenannte Beispiel schränkt aber den Anwendungsbereich der Erfindung in keiner Weise ein.