AT506311B1 - Drahtlose energie- und datenübertragung - Google Patents

Description

ijite?r«i«is®es patsBiamt AT506 311 B1 2009-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Energie und Daten wie sie bei Radio Frequency Identificaton (RFID) und für passive drahtlose Sensoren (auch als semi-aktiv bezeichnet) Anwendung findet.

[0002] RFID Transponder (Tags) 2 und Lesegeräte (Reader) 1 sind dem Stand der Technik seit langem bekannt und in Figur 1 dargestellt. Im Low Frequency (LF) und High Frequency (HF) Band wird ein Lesegerät 1 mit Sendeantenne 1a verwendet, um über ein elektromagnetisches Wechselfeld einerseits die passiven Transponder 2, die ebenfalls eine Antenne 2a besitzen, mit Energie zu versorgen und andererseits mit Tags 2 zu kommunizieren (Downlink 4). Eine typische Ausführungsform von Antennen stellt eine Spule dar. Es wird in dieser Beschreibung der Begriff „Spule" bedeutungsgleich mit „Antenne" verwendet.

[0003] Hat ein Tag 2 genügend Energie aufgenommen, so kann es beispielsweise Signale vom Lesegerät 1 empfangen (Downlink 4). Weiters kann ein Tag 2 Signale an das Lesegerät 1 senden, in dem es beispielsweise durch Lastmodulation auf den Träger rückwirkt (Uplink 5). Derartige Systeme und Anwendungsbeispiele sind beispielsweise im „RFID Handbuch" von Klaus Finkenzeller, Hanser Fachbuchverlag, Oktober 2002, beschrieben.

[0004] Es hat sich gezeigt, dass RFID Systeme unzuverlässig oder gar nicht funktionieren, wenn sich in der Nähe des/der Tags 2 leitfähige Objekte befinden. Diese können beispielsweise aus Metall, leitfähigen Kunststoffen und leitfähigen Keramiken bestehen oder aber auch aus Flüssigkeiten (z.B. Wasser) und biologischen Geweben. Objekte mit hoher dielektrischer Polarisierbarkeit haben eine ähnliche Wirkung auf die Funktion von RFID Systemen wie leitfähige und werden hier deshalb nicht gesondert behandelt; „Leitfähigkeit" ist daher in dieser Patentschrift auch im Sinne einer hohen Polarisierbarkeit des jeweiligen Mediums zu verstehen.

[0005] Bedingt durch eine Leitfähigkeit von umgebenden Medien und dem angeregten elektromagnetischen Feld kommt es zu Strömen in den Objekten, die dem ursprünglichen Feld entgegen wirken; das Feld kann sich nur eingeschränkt ausbilden, wodurch es zu einer Einschränkung der Funktion kommt. Dieses Verhalten ist Inhalt zahlreicher Betrachtungen und Ansätze in der theoretischen Elektrotechnik.

[0006] Dieses Problem ist insbesondere von Bedeutung, wenn Tags 2 von leitfähigem Material umschlossen werden oder direkt auf solchem aufgebracht sind. Bei herkömmlichen Systemen werden die elektromagnetischen Felder vom leitfähigen Material abgeblockt und eine Versorgung der Tags 2 mit Energie bzw. der Datenaustausch zwischen Tag 2 und Lesegerät 1 ist nicht möglich. Die drahtlose RFID Technologie kann daher in vielen Bereichen nicht angewendet werden, beispielsweise wenn Metallbehälter oder Werkzeuge gekennzeichnet werden sollen oder wenn drahtlose Sensoren 7 im Inneren eines Metallkessels betrieben werden sollen. Auch der Einsatz von drahtlosen, gegebenenfalls implantierbaren Sensoren 7 in organischem Gewebe unterliegt bis zu einem bestimmten Grad dieser Einschränkung.

[0007] Die Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes für Energieversorgung und Datenübertragung kann dadurch erhöht werden, indem die Frequenz des elektromagnetischen Feldes reduziert wird, da die Eindringtiefe mit der Wurzel der Frequenz abnimmt. Beispielsweise zeigt sich bei einem Stahlblech mit einer Stärke von 2 mm, dass bei einer Frequenz von 50 Hz die Schirmwirkung des Metalls vernachlässigbar wird.

[0008] Niedrige Trägerfrequenzen bedeuten nach den herkömmlichen Verfahren auch niedrige Datenraten. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, trotz einer geringen Trägerfrequenz eine Kommunikation mit hohen Datenraten zu gewährleisten.

[0009] Die gegenständliche Erfindung löst das beschriebene Problem dadurch, dass sehr niedrige Frequenzen, beispielsweise im Super Low Frequency (SLF, 30 Hz bis 300 Hz) oder im Extremely Low Frequency (ELF, 3 Hz bis 30 Hz) Bereich für die Energieübertragung verwendet 1 /9 teiÄses patcBiamt AT506 311 B1 2009-08-15 werden. Unter Lastmodulation ist die Variation der Last an der Transponderantenne 2a für Datenübertragungszwecke zu verstehen. Als effektive Modulationsfrequenz wird dabei der Kehrwert der kürzesten Zeitspanne für eine Variation der Last an der Transponderantenne 2a bezeichnet. Erfindungsgemäß wird die effektive Modulationsfrequenz jedoch höher als die Trägerfrequenz gewählt. Es wird dadurch möglich, dass während einer Halbwelle des Trägers eine Vielzahl an Modulationsereignissen auftritt.

[0010] Durch die Lastmodulation entsteht eine Variation im elektromagnetischen Feld 9, die ebenfalls durch leitfähige Objekte beeinflusst wird, insbesondere wenn das Signal das leitfähige Objekt durchdringen muss. Auch für diese Feldvariation tritt eine entsprechende Schirmwirkung auf, aufgrund der höheren Frequenz ist diese auch stärker ausgeprägt als für den niederfrequenteren Träger zur Energieübertragung 3. Da die Modulation jedoch nicht für eine Energieversorgung benötigt wird, sondern für die Datenübertragung nur vom Hintergrundrauschen (sofern dieses das Empfangsverstärkerrauschen übersteigt) zuverlässig unterschieden werden muss, kann eine höhere Dämpfung in Kauf genommen werden.

[0011] Es besteht die Möglichkeit, das Hintergrundrauschen durch eine Schirmung 10 mittels leitfähigen Objekten zu verkleinern. Eine dementsprechende Vorrichtung ist somit ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

[0012] Ein RFID Tag 2, wie es dem Stand der Technik bekannt ist, verfügt typischerweise über eine Spule 2a, um aus einem elektromagnetischen Feld Energie zu beziehen. Bei sinkender Trägerfrequenz wird zwar die Feldschwächung durch leitfähige Objekte reduziert, allerdings sinkt auch die induzierte Spannung in dieser Spule 2a. Dieser Abnahme kann grundsätzlich durch eine Erhöhung der Windungszahl entgegengewirkt werden, was jedoch bei großen Windungszahlen auch zu einer Vergrößerung der Antennenabmessungen und gegebenenfalls der Herstellungskosten führt. Es ist ein weiterer Aspekt der Erfindung, auch bei der Verwendung extrem kleiner Frequenzen ausreichende Energie zum Betrieb eines Tags 2 zur Verfügung zu stellen.

[0013] Für diesen Zweck wird in die Transponderspule 2a ein Kernmaterial 6 mit einer unstetigen Magnetisierungskennlinie eingebracht, sodass das Verhalten eines Wiegand- oder Impulsdrahtsensors erzielt wird. Derartige Sensoren zeichnen sich durch eine quasi sprungförmige Hysteresekennlinie aus, das heißt, die Magnetisierung des Kerns 6 kippt bei Überschreiten einer bestimmten magnetischen Feldstärke schlagartig. Die Magnetisierungskennlinie weist somit in diesem Punkt eine Unstetigkeitsstelle auf. Dadurch kommt es auch bei langsamen Änderungen des äußeren elektromagnetischen Feldes (das dann eine hohe Eindringtiefe aufweist) zu einer hohen Induktionsspannung in der Spule 2a, sodass wiederum ein Schaltkreis betrieben werden kann. Klassische Lastmodulation ist bei derart langsamen Änderungen des äußeren elektromagnetischen Feldes nicht mehr sinnvoll möglich. Zur Datenübertragung eignet sich in diesem Fall eine Puls-Positions-Modulation (Zeitpunkt des Kippvorgangs) in Analogie zur Lastmodulation oder überhaupt eine aktive Senderschaltung, die mit der Energie aus der Transponderantenne 2a betrieben wird.

[0014] Transponder 2 können für verschiedene Aufgaben verwendet werden. Die häufigste Anwendung ist die Identifikation von Objekten: Ähnlich wie ein Strichcode sendet der Transponder 2 eine Nummer, die ihn und somit das mit ihm gekennzeichnete Objekt identifiziert. Diese Nummer ist im Transponder 2 in einem nichtflüchtigen Speicher 2b abgelegt. Die Energie zur Versorgung der notwendigen Komponenten wird ebenfalls aus dem elektromagnetischen Feld bezogen. Auch das Empfangen von Daten des Lesegeräts 1 ist möglich. Somit können Anweisungen an den Transponder 2 gesendet werden (Downlink 4), auch ein Abspeichern in nichtflüchtige Speicher 2b wird bei RFID Systemen häufig eingesetzt und entspricht dem Stand der Technik. Weiters ist es möglich, dass ein Transponder 2 mit der bezogenen Energie Sensoren 7 betreibt oder deren Ausgangssignal aufnimmt. Diese Daten können ebenfalls in eine Modulation umgewandelt und somit übertragen werden (Uplink 5). Mit der gegenständlichen Erfindung ist es somit möglich, dass drahtlose, batterielose Sensoren 7 innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe eines leitfähigen Objektes (auch aus Metall) betrieben werden 2/9 teiÄses patcBiamt AT506 311 B1 2009-08-15 können.

[0015] Bei RFID Systemen, die in der Nähe leitfähiger Objekte eingesetzt werden, wird das Signal, das vom Transponder 2 zum Lesegerät 1 übertragen wird, geschwächt. Bei gleich bleibenden Störsignalen aus der Umgebung (Rauschen, Störquellen) wird dadurch der Signal-Rausch-Abstand verkleinert, wodurch die korrekte Übertragung erschwert wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, auch bei Auftreten von Störsignalen eine Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands zu erreichen. Dazu wird ein Schirm 10 in der Nähe der Empfangsantenne 1a angebracht, sodass Störsignale geschwächt werden, während das Nutzsignal eine geringe Beeinflussung erfährt. Nähe ist in diesem Sinn derart zu verstehen, dass durch die Anbringung des Schirms 10 eine wesentliche Abschwächung (d.h. eine Änderung von z.B. wenigstens 10 Prozent der spektralen Leistungsdichte) der durch Störsignale im Bereich der Antenne 1 a hervorgerufenen Feldstärken erreicht wird.

[0016] Die Erfindung ist anhand folgender Figuren dargestellt: [0017] Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines RFID Systems.

[0018] Figur 2 zeigt das Konzept einer Lastmodulation 12.

[0019] Figur 3 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der Schirmwirkung von der Frequenz.

[0020] Figur 4 zeigt eine beispielhafte Anwendung für einen Sensor 7 in einem leitfähigen Rohr 8.

[0021] Figur 5 zeigt das Prinzip der Wirkung eines Kerns 6 mit unstetiger Magnetisierungskennlinie.

[0022] Figur 6 zeigt beispielhaft die Steigerung des Signal-Rauschabstandes durch Einführung eines Schirms 10.

[0023] Figur 7 zeigt beispielhaft Trägersignal 11 und Modulation 12 [0024] Figur 1 zeigt das Konzept von RFID Systemen. Dabei wird Energie mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes zu einem Tag 2 übertragen. Das elektromagnetische Feld wird im Lesegerät 1 bzw. im Tag 2 mittels Spulen 1a und 2a erzeugt bzw. beeinflusst. Das elektromagnetische Feld eines Lesegeräts 1 kann moduliert werden um Daten vom Lesegerät 1 zum Tag 2 (Downlink 4) zu übertragen. Auch andere Arten der Datenübertragung von einem Lesegerät 1 zu einem Tag 2 sind möglich, z.B. mit einem zusätzlichen aktiven Sender. Auch die Verwendung mehrerer Lesegeräte 1 ist möglich. Die Tags 2 benötigen weder Kabel noch Batterien und antworten typischerweise durch Modulation des elektromagnetischen Feldes des Lesegerätes 1, z.B. durch Lastmodulation oder Änderung des Rückstrahlquerschnitts (Kommunikation Tag 2 zu Lesegerät 1 über Uplink 5). Im Transponder 2 kann optional ein Datenspeicher 2b vorgesehen sein.

[0025] Figur 2 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform für ein induktiv gekoppeltes System mit Lastmodulation 12, bestehend aus Lesegerät 1 und Transponder 2. Hier wird eine vorwiegend magnetische Kopplung zwischen den Induktivitäten L1 und L2 verwendet, darauf beruht auch die vorliegende Erfindung. Häufig werden die Antennen als Schwingkreis aufgebaut, dabei sind C1 und C2 Schwingkreiskondensatoren und R1 und R2 die Ersatzdarstellung parasitärer oder erwünschter Widerstände. RL ist die Ersatzdarstellung aller elektrischen Verbraucher im Transponder 2. Im einfachsten Fall erfolgt die Rückantwort des Transponders 2 durch Zu-bzw. Wegschalten eines Widerstandes RM über einen Schalter S (typischerweise als Transistor realisiert), wobei RM auch durch Kondensatoren, Spulen oder andere aktive und passive Impedanzen ersetzt werden kann.

[0026] In Figur 3 ist die Auswirkung eines leitfähigen Objekts auf die Särke des elektromagnetischen Feldes dargestellt. Die Sendespule 1a eines Lesegerätes 1 befindet sich auf Position -0,15 m. Eine Platte 8 aus rostfreiem Stahl mit einer Stärke von 2 mm ist an der Position -0,2 m angebracht. Die magnetische Feldstärke, die für die Energieversorgung eines Tags 2 zur Ver- 3/9

Claims (10)

1. öite'rsKä sches (ötsmäftrt AT506 311 B1 2009-08-15 fügung steht, ist dabei für die Frequenzen 50 Hz, 10 kHz und 50 kHz des elektromagnetischen Feldes 9 über dem Abstand zur Sendespule 1a dargestellt. Während bei 50 Hz kaum eine Änderung durch Verwendung der Wand entsteht, treten für 10 kHz und 50 kHz deutliche Dämpfungen auf. Damit sind diese Frequenzen für die Energieübertragung bei größeren Wandstärken nicht geeignet. Sofern jedoch das Hintergrundrauschen gering ist, können sie aber dennoch zur Übertragung von Daten verwendet werden. [0027] Figur 4 zeigt eine beispielhafte Anwendung in einem Rohr 8. Hier wird ein Sensor 7, beispielsweise zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit, Leitfähigkeit, Füllstand, Temperatur etc. mit dem Transponder 2 verbunden. Dieser überträgt die Daten nach außen und es sind somit keine Durchführungen erforderlich. Das ist besonders vorteilhaft wenn hohe Drücke oder hoch-toxische Komponenten im Rohr vorhanden sind, da die Durchführungen Schwachstellen darstellen. Ebenso vorteilhaft ist eine derartige Anordnung für Rohre 8, um die eine Vakuumisolation erforderlich ist, beispielsweise bei der Beförderung von flüssigen Gasen bei kryogenen Temperaturen. Analog kann die gegenständliche Erfindung für Kessel und Tankanlagen verwendet werden, beispielsweise um Füllstandsschalter durch die Metallwand 8 zu versorgen und mit ihnen zu kommunizieren. [0028] Figur 5 zeigt die Wirkung eines Kerns 6 mit unstetiger Magnetisierungskennlinie in der Transponderspule 2a. Bei einer bestimmten magnetischen Feldstärke („Trigger Field") kommt es zu einem Kippen der Magnetisierung, typischerweise in einem Teil des Kerns 6. Dadurch entsteht kurzfristig eine Induktionsspannung U, die unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes ist. Dadurch kann ein Transponder 2 auch bei extrem geringen Trägerfrequenzen von wenigen Hertz oder darunter versorgt werden, wodurch auch Wandstärken von vielen Zentimetern überbrückt werden können. [0029] Figur 6 zeigt eine Maßnahme zur Steigerung des Signal-Rauschabstands beim Lesegerät 1. Für die Datenübertragung ist in erster Linie nicht die übertragbare Energie relevant, sondern der Signal-Rauschabstand. Das heißt, der Signal-Rauschabstand kann durch Erhöhung des Signals oder durch Absenken des Rauschpegels erhöht werden. Ein Tag 2 wird durch eine Metallwand 8 mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes 9 mit niedriger Trägerfrequenz versorgt und sendet selbst Daten per Lastmodulation oder mittels eines aktiven Senders über ein elektromagnetisches Feld 9. Die externe Empfangerantenne 1a eines Lesegerätes 1, die auch gleichzeitig als Sendeantenne 1a für die Energieübertragung eingesetzt sein kann, empfängt dieses vom Transponder 2 gesendete Signal, wobei das Signal durch die Wand 8 (Schirm) stark abgeschwächt wird. Um den Signal-Rauschabstand zu erhöhen ist daher um die Empfängerantenne 1a des Lesegerätes 1 ein Schirm 10 angebracht, der externe Störsignale (Rauschen) abschirmt bzw. dämpft. Somit wird der Signal-Rauschabstand an der Empfangerantenne 1 a des Lesegerätes 1 erhöht. [0030] Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung von einem Trägersignal 11 und einer Modulation 12, wie sie im elektromagnetischen Feld um den Transponder 2 beobachtet werden kann. Die effektive Modulationsfrequenz übersteigt dabei die Frequenz des Trägersignals um das 25-fache. Patentansprüche 1. Verfahren zur Übertragung von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Felder und Information mit Hilfe von Lastmodulation in Gegenwart von leitfähigen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, ein Transponder (2) aus diesem elektromagnetischen Feld Energie zu seiner Versorgung bezieht, der Transponder (2) zum Zweck der Datenübertragung eine Lastmodulation mit einer effektiven Frequenz durchführt, welche die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes übersteigt und dieses lastmodulierte Signal über eine Antenne (1a) empfangen und im Lesegerät (1) demoduliert wird. 4/9 öits'rsKä sches (ötsmäftrt AT506 311 B1 2009-08-15
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Wechselfeld eine Frequenz von weniger als 100 Hz aufweist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Modulationsfrequenz im Bereich von 1 kHz bis 500 kHz liegt.
4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder (2) mit einem Teil der aus dem elektromagnetischen Feld bezogenen Energie wenigstens einen Sensor (7) betreibt und die Ausgangssignale des wenigstens einen Sensors (7) einer Lastmodulation zuführt.
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder (2) mit einem Teil der aus dem elektromagnetischen Feld bezogenen Energie einen flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher (2b) betreibt und Daten aus diesem Speicher einer Lastmodulation zuführt.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Lastmodulation eine Puls-Positions-Modulation verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Lastmodulation ein aktiver Sender im Transponder (2) verwendet wird.
8. 8. Vorrichtung zur Übertragung von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Felder und Information mit Hilfe von Lastmodulation in Gegenwart von leitfahigen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Spule (2a) eines Transponders (2) ein Kern (6) mit einer unstetigen Magnetisierungskurve befindet.
9. 9. Vorrichtung zur Übertragung von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Felder und Daten mit Hilfe eines aktiven Senders in Gegenwart von leitfähigen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Spule (2a) eines Transponders (2) ein Kern (6) mit einer unstetigen Magnetisierungskurve befindet.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (7) mit zumindest einem Transponder (2) elektrisch verbunden ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 5/9