CN1309793A - 无接触传输数据的设备 - Google Patents

Abstract

为了当产生数据发射/接收设备的交变磁场时,使至少一个便携式数据载体的运行减少功率需求,建议数据发射/接收设备天线阻抗的有目的的失配。为达此目的,在天线内插入一个电抗,以便在谐振外调谐天线。如果需要将天线阻抗与未知长度的导线的波阻抗匹配,则应有目的的增加天线的损耗电阻。

Description

无接触传输数据的设备

本发明涉及一种在数据发射/接收设备和至少一个便携式数据载体之间进行无接触传输数据的设备。

例如，在芯片卡上采用无接触识别系统，该系统通过一个交变磁场从一个数据发射/接收设备(COD-卡运行设备)将电感能量和数据传输到一个便携式数据载体上。一种这样的系统已经在1998慕尼黑CarlHanser出版社出版的Finkenzeller,Klaus所著的RFID-手册的第183-205页作了阐述。为通过数据发射/接收设备运行芯片卡，需要一定的功率用于产生交变磁场。

产生交变磁场的天线一般来说是一种(任意)被成形的导体环。该环在通常工作条件下，具有感抗。这种感抗在正常情况下通过一种由电阻、电容器和线圈组成的匹配电路进行补偿，以此，可将天线调谐到谐振频率。调谐到谐振频率可理解为感抗具有的值为0，并且作为阻抗只剩下损耗电阻。

将天线匹配成谐振是必须的，如果在数据发射/接收设备中，天线和电源通过一个长度未知的电缆连接。为达到不取决于电缆长度，天线和电源则必须与导线的波阻抗匹配。例如，天线与波阻抗匹配已在专利US5,241,160中阐明。

通常，在天线直接与电源相连时，也采用谐振进行工作。例如，当天线和电源安装在同一个印刷电路板上时，则即为此情况。

如果在交变磁场中不存在便携式数据载体，则在天线调到谐振时有一个最大的电流流通。该最大电流流通结果是产生最大磁场。

鉴于此，在空载运行时通过谐振调谐也可引起很大损耗。下面，空载可理解为数据发射/接收设备的工作状态，在这种工作状态中，没有一个便携式数据载体位于数据发射/接收设备的有效磁场内。数据发射/接收设备的有效范围是数据载体到天线的那一段距离，在该距离，为了能够与便携式数据载体交换数据，交变磁场正好还足够大。

流经天线的电流产生的交变磁场，特别是在数据发射/接收设备上有效距离短时(所谓闭合耦合系统)，在空载运行中往往比实际需要的大许多。

如果在有效磁场中有一个便携式数据载体，则该数据载体反作用到天线上。这种反作用当在数据发射/接收设备的天线回路中出现附加阻抗时是非常明显的。如果将天线调到谐振，则这种反作用最大，也即在天线回路中出现的附加阻抗引起天线电流的减少，并且以此同时也引起磁场的减小。该反作用越大，天线和便携式数据载体之间耦合则越大。一般来说，在天线和便携式数据载体之间的距离较小时，耦合变大。在最不利的情况下，便携式数据载体在靠近天线时，可通过这种耦合由于反作用如此强地减少电流，以至于在数据发射/接收设备与数据载体之间不可能存在足够的电源供应。

为确保在数据发射/接收设备的有效磁场中使数据载体进行工作，因此当天线调谐到谐振时，必须在空载运行中保持相当高的电流。这样，就可确保有效范围内有一个数据载体时，尽管有反作用，但磁场场强还是足够大，以便为数据载体保持足够的电源供应。这就意味着无非是在将数据载体置入有效磁场内时流经天线的电流足够大。由于空载运行时为产生交变磁场需要高功率的原因，则形成的损耗很高。

若设计的系统用于多个数据载体，对天线设置在谐振时所述的工作方式显示出更明显的缺点。多个数据载体对天线回路的反作用则按照处于有效磁场的数据载体的数量倍增。因此，为数据发射/接收设备提供功率的电源必须设计的更大。这在空间需要量大以及成本高方面是十分明显的。

因此，本发明的任务在于提供一种无接触传输数据的设备，该设备在预定的有效范围内为产生一个交变磁场，具有一个尽可能小的功率输入。

本发明以权利要求1或5的特征得到解决。进一步扩展则由从属权利要求获得。

根据本发明权利要求1所述，数据发射/接收设备的天线按总阻抗也即按进行阻抗变换的电路这样来构成，以至于当无便携式数据载体按电感与天线相连时，电抗不等于0。换句话说，只要在数据发射/接收设备有效范围内不存在便携式载体，则天线就没有调谐到谐振。

按照这种方式，通过将电抗引入天线，在空载情况下必须保持的电流与当前技术水平相比减少了。这将导致较小的空载损耗。由于这个原因，电源可以设计的较小。不必考虑昂贵的制冷设备。其它的优点在于，通过空载中已具有的电抗在置入一个数据载体时，可以使数据载体对天线的反作用减少或获益地采用。例如，这得到的结果是，由于将数据载体置入有效磁场，电流减少比按当前技术水平制作的数据发射/接收设备上出现的电流降低要小多了。这样完全可避免由于将数据载体置入有效磁场使天线电流切断而出现的问题。

电抗可能是电感型或是电容型。甚至有可能这样来调节数据卡对天线的反作用，以至于对预定的设计情况，例如在一个xcm范围内还必须工作的3个数据载体，得到天线电流一定的提高。为达此目的，必须相应地设计电抗。该电抗只能通过费时的模拟计算求出。由数据发射/接收设备为产生交变磁场或为数据载体供电需要的功率，由于所建议的有目的的将电抗置入天线回路的措施而大大地降低了。

在本发明的一种实施结构中，两种解决方案进行组合也是可能的。这就意味着，数据发射/接收设备的天线既可以具有一个电抗，也即不调到谐振，也可以具有一个附加的损耗电阻。通过该附加的、例如处于天线和匹配电路之间的损耗电阻又可获得数据发射/接收设备空载运行时电流减少，并且这样空载损耗也减少。由于设置了附加损耗电阻，处于数据发射/接收设备磁场中的数据载体对天线的反作用减少。受数据发射/接收设备天线回路中出现阻抗的限制，反作用尽管使流经天线的电流的减少仍很明显，磁场场强也随之减少。电流降低比根据现有技术制作的数据发射/接收设备上的电流降低却明显地减弱。当将数据载体置入有效磁场时，由于电流降低较小所引起，所需的交变磁场场强仍足够大，尽管数据发射/接收设备的电源可以设计的较小，并且以此这种电源也提供流经天线的较小电流。

在另一实施方案中，数据发射/接收设备在天线与发射设备或接收设备之间具有一个匹配电路设备，其天线具有一个感抗并且在天线与发射设备或接收设备之间具有一个附加电阻。

在另一实施方案中，利用天线内的电抗导致数据发射/接收设备电源的功率减少的改进型方案，指出有一条长度已知的连接线，该连接线将天线和发射设备或接收设备彼此连接起来。在使用一条连接线，例如一段长度已知的电线时，不需要设置一个匹配电路。

根据权利要求5，匹配电路具有一个附加损耗电阻，附加给限制品质因数的电阻上。至少由一个限制品质因数的电阻以及电容器和/或线圈组成的匹配电路设备设置在天线和发射设备或接收设备之间。匹配电路设备用来将总阻抗与长度未知的导线波阻抗匹配。如上所述，采用这种措施可获得同样的效果和同样的优点。还有，在此，处于数据发射/接收设备的磁场内的数据载体对天线的反作用被减少了。其结果是在空载运行中可以保持与现有技术水平相比减少的电流。

一种优选方案是把电抗引入数据发射/接收设备的天线内。利用这种方案原理可获得空载运行中最低的电流。当然，在这方面其基本出发点则是各种改进型方案的基本条件都是相同的。这就意味着数据发射/接收设备被设计成用于一定数量的数据载体，并且，在至少一个数据载体和数据发射/接收设备之间可进行数据交换的有效范围占有距天线一段预定的距离。

至此所述各种方案原理的优点在于，通过减少所需天线电流，可以设计用于较小功率电源(交流电源)的末级。以此，成本也降低了。另一个优点在于，与现有技术相比，电源和天线之间的电路设备不需要附加的电路单元。电路单元仅是另外设计。

通过电感耦合进行电能传输只需用天线的近区磁场。这样，辐射电磁波也是不可避免的。在此，所辐射的功率直接与天线电流的平方成正比。这就意味着天线电流减少同时有效辐射功率也减少。对此，容易保持限制辐射的标准值。这个问题以后再说明。

在天线和匹配电路之间设置一个附加电阻的改进型方案中，计算限制品质因数的电阻和附加损耗电阻之和的公式如下： $R\≈\frac{k_{\min }{k}_{\max }{\left(2\mathrm{\π}{f}_0\right)}^2{L}_F{L}_T}{2\·\left|B_T\right|}-R_F\·$

按照这个考虑设计数据发射/接收设备(数据载体的数量、有效范围)的公式计算结果是在空载时功率减少到最小。于是，数据发射设备/接收设备在各种工作状态的工作都可靠。按照本公式的设计，在数据发射设备/接收设备的天线上电流不会降低(=切断)到不利的数值。

设计的便携式数据载体的谐振频率既可与数据发射设备/接收设备的预定的工作频率相同，也可比预定的工作频率大或小。在优选的实施方案中，设计便携式数据载体的谐振频率超过预定的频率。安装在便携式数据载体上的电路设备，可通过感应信号供电，该感应信号是将数据载体置入数据发射/接收设备的有效磁场时在数据载体天线中形成的。对此，利用通过由一个电容和数据载体天线的电感组成的串联谐振回路产生的谐振自举。其工作原理将在以后结合附图详细说明。

便携式数据载体上安装的电路设备可作为集成的半导体芯片或分立的电路构成。芯片卡、各种物品的安全标签或还有识别设备都可理解为便携式数据载体。倒也可以想像，例如，将便携式数据载体置入客车内，用于对一定路段进行计费。

根据本发明所述的数据发射/接收设备和数据载体天线都能在0和1m之间范围内彼此耦合。数据发射/接收设备可优选地如此设计，以便使天线在0和1cm之间范围内耦合。在按所谓的CD-1格式(票据卡，在ISO中确定的)的数据载体上，数据载体和数据发射/接收设备在0和几个厘米的范围内都可耦合。已知这种数据发射/接收设备名为闭合耦合系统。

当数据发射/接收设备设计为0至15cm范围内，已知的系统名为接近系统。在0和1m的范围内，数据发射/接收设备称之为邻近系统。可是，本发明所述的应用范围不限于以上这些而更多地取决于天线/数据载体的数量关系。

本发明将就图1至8做较详细说明。

图中示出：

图1为数据发射/接收设备以及便携式数据载体方框图

图2a和2b为数据发射/接收设备以及便携式数据载体的简化的线性等效电路图，

图3a为当一个便携式数据载体处于有效范围内时，数据发射/接收设备的等效电路图，

图3b为处于数据发射/接收设备有效范围内的便携式数据载体的等效电路图，

图4为一个或多个便携式数据载体的工作电压与谐振频率关系的标准曲线，

图5为根据本发明所述的在天线和匹配电路之间设有附加电阻的数据发射/接收设备的等效电路图，

图6为在天线和匹配电路之间的电阻不同时对频率特性的影响，

图7为关于数据载体到数据发射/接收设备的距离的磁场曲线的说明和

图8为当天线的有功电阻和/或电抗设计不同时，电源功率输入的说明。

图1为数据发射/接收设备1和便携式数据载体2的方框图。数据发射/接收设备1具有一个电源设备3以及接收设备5和发射设备4。发射设备4和接收设备5都与天线6彼此相连。天线6在最简单的情况下是一个任意形状的线环。发射设备4和接收设备5都与电源设备3彼此相连。通常，发射设备4在其中具有一个石英晶体、一个振荡器、一个调制器以及一个功率输末级。接收设备5，例如组成有一个带通滤波器、一个放大器以及一个解调器。因为根据本发明的构思，发射设备4和接收设备5的精确结构是不主要的，所以在此不予详谈。

便携式数据载体2具有一个数据载体天线8以及一个电路设备7。电路设备7，例如可以用集成半导体芯片或也可以用分立电路形式构成。例如，电路设备7具有一个将电路设备7与数据载体天线8相连的匹配电路。此外，电路设备7含有一个调制器、一个解调器、一个微处理器或也可含有一个存储器。由于对本发明来说，电路设备7的精确结构不是主要的，所以在此不予详谈。

数据发射/接收设备的工作方式如下：发射设备4产生一个预置频率的信号，该预置频率在下面被作为工作频率f₀。该信号由发射设备4转送到数据发射/接收设备的天线6上。如果便携式数据载体2处于数据发射/接收设备1的有效范围内，则由天线6产生的信号被传输到便携式数据载体2上，在此由数据载体天线8将信号变换成感应压。该感应电压不仅供给电路设备7的工作电压，而且同样含有由电路设备7加工的要传送的信息。

相反，由电路设备7向数据载体天线8传输信号，其中这个由数据载体天线8用一定频率传输的信号在数据发射/接收设备1的天线6中产生感应电压。这个信号被传送给接收设备5并在那里加工处理。

图2a示出了数据发射/接收设备1的等效电路图。天线本身就具有感抗。图2b示出了便携式数据载体2的一个简单的线性等效电路图。在电源和数据发射/接收设备1的天线6之间的电源3和总布线都可简化到等效电源U_FO。(电源电压，在时域为 ${{\hat{U}}_{\mathrm{FO}}}^{*}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right))$ 和内阻抗Z_FA。该内阻抗可由任意联接的电阻R、电感L和电容C组成。天线6可作为电感L_F和损耗电阻R_LF进行模拟。等效电源U_FO和内阻抗Z_FA以及电感L_F和天线6的损耗电阻R_LF以串联电路的形式连接起来。在图2a中的等效电路图重现了在有效范围内无便携式数据栽体的状况中的数据发射／接收设备1。这就意味着不存在数据发射/接收设备的天线和一个便携式数据栽体的天线之间的耦合。

在图2b中，模拟了由损耗电阻R_LT和电感L_T组成的数据载体天线8。电阻R_LT和线圈L_T是彼此串联连接。例如，可作为集成半导体芯片构成的电路设备7显示简化成由损耗电阻R_T和与其并连的电容C_T组成。电路设备7与数据载体天线8并行连接。在图2b中，便携式数据载体2也处于一种数据发射/接收设备的天线或另一个便携式数据载体的天线之间无耦合的状态。根据电容C_T的大小，便携式数据载体2具有一个电容占优势的特性。

天线回路的总阻抗由下列公式重现：

Z_F=R_F+j·B_F=Z_FA+R_LF+j·ω·L_F，在匹配或谐振的情况下，这个阻抗的虚部为0。数据载体串联谐振电路的总阻抗为： $Z_r=R_r+j\·B_T=R_{\mathrm{LT}}+j\·\mathrm{\ω}\·L_T+\frac{1}{1/R_r+j\·\mathrm{\ω}\·{C_T}^{\′}}$

图3a和3b示出了数据发射/接收设备1或便携式数据载体2在当它们彼此耦合时，也即当便携式数据载体2处于数据发射/接收设备1的有效范围内时的等效电路图。受天线6与数据载体天线8耦合的限制，根据安培定律，可产生串行作用到电感的感应电压。在此，U_TF是由激励电流I_R在卡的线圈上感应的电压，U_FT表示由数据载体电流I_T在天线线圈上感应的电压。这种关系用下式表达：

U_FT=-jω·M·I_TU_TF=jω·M·I_F.其中

ω：角频率(=2πf),

j：虚数单位和

M：互感。

从两个线圈的互感M和自感可定义耦合系数k：耦合系数： $K^2=\frac{M^2}{L_E{\·L}_T}.$

在天线和数据载体之间的距离最小时，耦合系数最大可为1。在距离无限时，耦合系数为0。

根据本发明的第一个实施例，规定了自由选择天线回路6的阻抗，其中，不需要与天线6和电源3之间的导线的波阻抗匹配。具体说就是，天线6和电源3确定地彼此相连，并且因此天线回路的总阻抗可具有虚部。天线6与电源3的连接可理解为长度已知的电线或也可理解为天线和发射或接收设备之间直接彼此连接，以使天线6和电源3之间的导线最短。

基本上，在取决于所要求的系统特征的情况下，不同的失调可导致功率变小。

有可能这样来设计虚部，即在最不利的情况下(最大可能数量的便携式数据载体位于有效磁场中)，通过便携式数据载体2对天线6的反作用，天线电流进一步增大以至于可毫无问题地工作。这就意味着在空载运行时，流经天线6的电流最小，并且通过置入每一个数据载体2时，电流有所增大。根据数据载体2的反作用，电流与需求量匹配。如果数据载体2具有一个超过数据发射/接收设备1上预定的谐振频率的谐振频率，则这个最佳值被看作天线回路的电感失调。

当将一个数据载体置入有效磁场时，导致天线电流的自动增加的感抗的大小只能通过费事的模拟计算才能求出。工作原理下面再说明：

如果当数据发射/接收设备的天线回路的总阻抗Z_F进行电感调谐时，一张卡被置入有效磁场，则在数据发射/接收设备的天线回路中，数据载体的串联谐振电路占优势的容抗Z_T看作是感抗Z_FT。由于变换的阻抗Z_FT的数值比天线回路的阻抗Z_F小很多，所以对天线电流的反作用也只是很小。因此，在有效磁场范围内有一个数据载体天线电流与在有效磁场内不存在数据载体时的天线电流相比只有微小的降低。

如果将多个数据载体置入数据发射/接收设备的有效磁场内，则阻抗使数据载体彼此耦合。通过耦合数据载体的阻抗，其阻抗Z_T产生变化，其中这个阻抗在对数据载体进行强耦合时，彼此均具有占优势的电感特性。这个占优势的电感性阻抗，在天线回路中产生一个电容性阻抗Z_FT。在电感调谐天线回路的总阻抗时，电容性阻抗Z_FT部分地补偿电感性阻抗Z_F，这样在数据载体彼此强耦合的最不利的情况下，和数据载体到读出设备的最大距离情况下，在天线回路中电流增加。

如果数据发射/接收设备的天线回路的总阻抗Z_F进行电容性调谐，则在置入数据载体时，可调节电流增加。数据载体的的占优势的电容性阻抗Z_T在天线回路中重新表现为一个占优势的电感阻抗。天线回路的电容性调谐和通过数据载体转换到天线回路中去的电感性阻抗可部分地得到补偿，以便使电流增加成为可能。天线回路的电容性阻抗可这样调节，以使数据载体距离最大时电流增长最大。

如果将数量较多的数据载体置入数据发射/接收设备的有效范围内，则这些数据载体彼此重新耦合，以便这些数据载体在天线回路中产生电容性阻抗。由于数据载体的变换的阻抗比天线回路的总阻抗小很多，所以对天线电流只能产生很小的反作用。在数据载体很靠近数据发射/接收设备时，切断天线电流却不会产生。

数据载体彼此耦合的原理下面做进一步说明。

至于最佳化可能达到的程度主要受所要求的系统特性限制。系统特性由在有效磁场内的数据载体的数量确定，在该有效磁场内，可实施数据载体和数据发射/接收设备之间毫无问题地数据交换功能，以及系统特性由到数据发射/接收设备的天线的最大的距离确定，直到在此距离数据载体和数据发射/接收设备之间的耦合是可能的为止。最大潜力在所述的闭合耦合系统中最大。

对于数据发射/接收设备天线功率输入的最佳化还应注意下面的边界条件。因为便携式数据载体2的电路设备7无自己的电源，所以供给电路设备7所需的工作电压必须通过数据载体天线上的由数据发射/接收设备感应的信号产生。在此应采用由便携式数据载体2的电容C_T和电感L_T组成的串联谐振自举。

如果多个数据载体2处于数据发射/接收设备1的有效磁场内，则数据载体2不仅与天线6耦合，而且也彼此耦合。通过这种彼此耦合，使得每个数据载体谐振回路的谐振频率降低了。数据载体彼此耦合越强，谐振频率降得越低，也即两个数据载体之间的距离越近和处于有效磁场内的数据载体越多。在最不利的情况下，根据数据载体彼此耦合，一个数据载体的谐振频率可减少系数 $1/\sqrt{N}$ 其中N为数据载体数。在假如数据载体天线距离为0时和线圈重叠套合时，将可能出现最不利的情况。但实际上这不会出现，因为天线通常被包围在外壳内，例如芯片卡由塑料外壳包封。

在多个数据载体彼此耦合时谐振频率降低的关系式如图4所示。在此，使位于数据载体2的电路设备7的输入端的电压U_T与在数据载体的天线8上数据发射/接收设备1的天线6感应的电压U_TF之比标准化。对数据栽体的工作优选的是U_T和U_TF之间比大于1。在这种情况下，距离相当大时就得保障电路设备7的足够的电压电源。如果设计的数据发射/接收设备恰好一个数据栽体，则数据载体的谐振频率可理想地调谐到数据发射/接收设备的预定频率f₀。在这种情况下，U_T和U_TF之间的比最大。在将数据发射/接收设备设计到多个卡上时，只能部分地使用谐振自举。

为达此目的，每一个数据栽体的谐振频率都应设计成高于预定频率f₀。如果一个数据载体处于数据发射／接收设备的有效磁场内，则U_T和U_TF之比位于图4的点1上。如果第二个数据载体被置于有效磁场内，则两个数据载体彼此耦合，两个数据载体的谐振频率降低。例如，在这种情况下，就可达到图中的点2的位置。这个点就已经低于预定频率f₀。点2的位置与此有关，象两个数据载体之间的耦合一样强。这主要取决于两个数据载体彼此的距离。因此，点2还可在所画的直线上向左或向右移动。如果再将第三个数据载体置入有效磁场内，则各数据载体的谐振频率将继续下降到低于预定频率f₀，并且可达到图中的点3的位置。还有，这个点如何沿画的线移动，要视3个数据载体彼此耦合的怎样。

使用全部的谐振自举(U_T对U_TF的比最大)在多个数据卡工作时是不可能的，因为按数据卡的数量和其耦合来看存在另外的工作状态。因此，数据载体的谐振频率首先调谐到高于预定频率f₀。这与数据载体阻抗的虚部是电容性的意义相同。每个数据载体只得到一部分可能的电压自举。那么，在图4所示的例子中，电压自举在2个数据载体耦合时也存在。

图5示出了按照第二种方案所绘的根据本发明所述的数据发射/接收设备的等效电路图。数据发射/接收设备具有由有效电阻R_F和电感L_F模块组成的天线6。电阻R_F和电感L_F串联连接。由电容C和电感L任意连接组成的的匹配电路10与天线6并行连接。在所给出的图中，匹配电路C由2个电容器C₁和C₂组成。此外，匹配电路10还具有一个与天线6的电阻R_F连接的电阻R。电阻R用来限制品质因数。一方面，匹配电路10的电容C₂与匹配电路10的电阻R相连以及与天线6的电感L_F相连。电容器C₁端接在电阻R和电容器C₂之间的连接点上。电容器C₁的另一端则与导线9以及与天线6的电感L_F相连。例如，导线9是一个长度未知的电线，它将匹配电路10与电源3和内阻抗R_W相连。在此，长度未知的导线具有一个一定的波阻抗例如50欧姆。内阻抗R_W是一个纯欧姆电阻并且与导线9的波阻抗匹配。匹配电路10承担的任务是将天线6与导线9的波阻抗匹配，也即匹配电路10的天线6被调谐到谐振。天线6的感抗可通过匹配电路10的电容器C₁和C₂得到补偿。内阻抗R_W以简单地方式使发射设备或接收设备的电路设备得到平衡。插入匹配电路10的电阻R用以限制品质因数，这样调制预定频率所需要的带宽就可以达到。

根据本发明的构思，在取决于系统要求的情况下(数据载体的数量、有效范围的距离)在电阻R和天线6的电阻R_F之间插入一个附加的损耗电阻。这就意味着匹配电路10的电阻R在一定条件下也会大大升高。然后，这种电阻R的升高将导致功率需求的减少。

最佳电阻R的估值如下式：(对这样的卡有效，其谐振频率偏离预定频率f₀，也就是说，B_T＞＞0或B_T＜＜0，附加R_T＜｜B_T｜)： $R\≈\frac{k_{\min }{k}_{\max }{\left(2\mathrm{\π}{f}_0\right)}^2{L}_F{L}_T}{2\·\left|B_T\right|}-R_F$

在此，k_min和k_max指由系统要求所确定的功能界限(也即有效距离)。

这个过程的工作方式下面予以说明。由数据发射/接收设备或天线产生的磁场具有所谓的场空隙，该空隙由电源周期性的短路而形成的。这种场空隙有助于将数据传输到便携式数据载体上。由于电源的短路，天线6、匹配电路10以及导线9和内阻抗R_W可构成谐振回路。因此，在这种场空隙内，流经天线6的电流或交变磁场逐渐衰减。衰减的速度视品质因数而定。如果谐振回路的品质因数高，则天线电流或磁场只能慢慢地衰减。但却也需要天线电流或磁场在一定的时间内，涉及到场空隙的长度，低于一定的值，以保证数据载体2上的电路设备7更加充分地利用这些信息。因此，品质因数应这样来确定，即衰减的过程适当。实际上这意味着例如这个品质因数被限制在10和30之间。如上所述，该品质因数由匹配电路10上的电阻R确定。品质因数计算公式如下： $Q=\frac{2\mathrm{\π}{f}_0\·L_F}{R+R_F}.$

如果匹配电路10上的电阻R升高，则品质因数逐渐降低。因此，品质因数小的优点则是数据传输到数据载体2和数据发射/接收设备1的过程很快。

限制产生感应能量传输的磁场的标准只允许在一个很窄的频带上产生高磁场。一般来说，这个频带对可接受的数据传输速率太窄。这就是说，调制时形成的边带在窄频带以外，因此必须具有一个很小的振幅(→标准)。

限制边带通过以下几点是可能的：

-一般地减少天线电流

-特殊的调制方法

-滤波作用(高品质因数)。

通过滤波作用限制边带只能是限制，因为否则信息将被滤除。

本发明的优点从图6中看的很清楚，该图表示附加电阻对频率特性的影响。在y轴上标绘出天线电流或磁场H的幅度，而x轴表示频率f。图6表示按现有技术水平，品质因数为10和30之间，数据发射/接收设备上频率特性的曲线。频率特性通过频率重现了天线电流或磁场幅度的包络线。按现有技术水平，频率特性在预定频率为f₀时具有高幅度并且在两个边带上对称地下降。品质因数小得出的结果是一个平缓的频率特性，也即频率的边带滤除不够。品质因数很高滤除边带为f₀，并且在f₀时具有频率特性显示最大。数据载体和数据发射/接收设备之间交换的原来的信息在一个边带上对称地按预定频率f₀传输。例如，若预定频率f₀为13.56MHz，则信息例如在边带上以±100KHz传输。该边带的幅度受品质因数的限制。保持标准可部分地通过对品质因数的滤除作用解决，但大部分地是通过天线电流的减少解决。在按现有技术水平制作的设备上，电流的减少将导致，磁场只在一个很小的有效距离够用，以便在数据载体和数据发射/接收设备之间能进行数据传输。

像本发明所述的通过插入附加电阻那样，品质因数缩小时，滤波作用变差。这就意味着频率特性沿预定频率f₀的边沿产生平缓曲线。这种很差的滤波作用通过限制天线电流由附加电阻R得到了更多的补偿。同时，通过减少天线电流却不能减少数据发射/接收设备的有效磁场的有效距离。这是由于在置入数据载体时磁场比按现有技术水平制作的设备上很少减弱。

图7表示超过一个数据载体到数据发射/接收设备的距离的磁场曲线。图7示出了根据现有技术水平制作的设备和根据本发明制作的数据发射/接收设备之间的磁场的比较。曲线1和2显示当无数据载体处于数据发射/接收设备有效磁场内时的磁场场强。由于流经数据发射/接收设备的天线的电流较大，所以根据现有技术水平制作的数据发射/接收设备的磁场也比根据本发明制作的设备的磁场更强。曲线1示出了根据现有技术水平制作的设备的磁场曲线，曲线2示出了符合本发明的曲线。

磁场必须超过值H_min，这样数据载体和数据发射/接收设备之间数据交换成为可能。磁场在点X_设计比至少所需的磁场H_min的点上大或相同。通过根据本发明制作的数据发射/接收设备的电流这样来设计，即磁场在所需的最大的有效距离X_设计时，很容易超过最小的场强H_min。与此相反，根据空载时流经天线的高电流，按照现有技术水平制作的数据发射/接收设备上的磁场相当强。如果数据发射/接收设备的有效磁场内置入一个数据载体，则由于耦合，根据现有技术水平制作的设备上的天线电流大大降低，其结果将导致大大降低源磁场(曲线1’)。如果数据载体靠近数据发射/接收设备的天线，则影响到天线电流的进一步降低。这样做的结果也导致磁场场强进一步降低。因此，在置入一个或多个其它的数据载体时，可切断天线电流，也即在数据发射/接收设备和数据载体之间不再可能进行数据交换。

与此相反，由于在天线和匹配电路之间附加了电阻，所以流经天线的电流大大降低。因此，在数据发射/接收设备有效范围内置入一个数据载体时，与无数据载体置入时的磁场曲线相比，磁场降低只是很小。因此，重现在有效范围内有一个数据载体的磁场曲线的曲线2’，首先在x较小时比根据现有技术水平制作的设备上的磁场曲线高(曲线1’)。

本发明可借助一实施例清楚地予以说明。使用例如具有下列参数的芯片卡作为便携式数据载体。芯片卡工作频率为f₀=13.56MHz，卡的尺寸约为8cm×5cm，芯片卡总阻抗的复数部分为B_T=-140V/A，芯片卡的谐振频率约为16.5MHz，线圈的电感为L_T≈3.5μH。数据发射/接收设备的天线与芯片卡的尺寸相近。数据发射/接收设备的天线的电感为L_F≈2.3μH，芯片卡必须在达1cm范围内工作。当置入芯片卡时，在数据发射/接收设备的天线上就得出了耦合系数k_max=0.5，在最大距离时，k_min=0.35。最大时，3个芯片卡可置入数据发射/接收设备的有效范围内。模拟求出已知置入感抗到天线内的最佳值，就可得出在虚部约为80V/A(电感)时，电源应提供功率的最小值。

这个由电源提供功率的最小值在数据发射/接收设备的天线阻抗的实部为0至40Ω时保持几乎相同，并且在有效磁场内无芯片卡的情况下约为10mW。如果3个芯片卡都置入数据发射/接收设备有效范围内，则天线接收的功率约为60mW。

在参数相同时，根据本发明第二个方案所达到的最佳化，也即在天线和匹配电路之间插入一个附加电阻，则在最佳选择的损耗电阻上需要功率为约200mW。在这种情况下，附加电阻利用上述公式计算。

在将天线调谐到谐振，损耗电阻的值约为15Ω时的现有技术水平制作的设备上，为保证数据传输所需的带宽，必须提供约为500mW的功率。

利用在天线和匹配电路之间插入的附加电阻达到最佳化有另一个途径。例如，如果使用的芯片卡具有上述参数(f₀=13.56MHz、卡大小约为8cm×5cm、在数据发射/接收设备的天线相同时，B_T=-170V/A、L_T≈3.5μH、L_F≈3.5μH，所要求的有效距离具有少数几个cm时：k_max=0.5、k_min=0.2)，则得出的最佳损耗电阻约为25Ω。在根据现有技术水平设计时，限制品质因数的电阻R约为6Ω。在此，应注意匹配电路的电容C₁和C₂在两种情况下具有另外的值，该值按电阻R的设计计算。

通过简单的增加损耗电阻的电路措施，天线回路的最大功率输入从80mW降到30mW。受到如此的限制，流经数据发射/接收设备天线上所需的电流从80mA降到25mA。

在天线上附加损耗电阻或附加感抗的最佳值均只通过耗费很大的最佳化计算才能得到，其中按照系统要求边界条件(最小和最大作用距离、卡的数量、卡的特性、在一定条件下预定的天线、工作频率等等)是事先给定的。

原则上，根据现有技术水平进行的将天线调谐到谐振证明是一个最不利的方案。在具有需要的最大作用距离和与此相连的天线线圈的大功率的系统上，获得最佳值还是很难的，因为出现的不可避免的损耗电阻可能比计算出来的最佳值大。

图8表示一个模拟计算的结果。它表示空载时电源功率输入相同的曲线，也即表示数据发射/接收设备的天线的有效电阻和/或感抗的不同设计点上的曲线。在x轴上，标绘了天线阻抗的实部，而在y轴上表示天线阻抗的虚部。所表示的结果在数据载体的谐振频率上才有效，该数据载体超过数据发射/接收设备的预定频率f₀。

在现有技术水平制作的设备上，天线可调谐到谐振。这就意味着天线的阻抗只具有一个有功部分。通常，根据现有技术水平设计的天线上有功部分用很小的损耗电阻就可实现。这个高功率的输入点位于靠近原点的x轴上。如果在x轴上继续向右移动，也即增大天线的损耗电阻，则需要越来越小的功率。在具有一个按上述公式计算的电阻的点2上，可达到最小的功率输入。如果将点2在x轴上继续向右移动，也即继续增大损耗电阻，则在空载时的功率输入也随之提高。在x轴上的一个点符合将天线调谐到谐振。

如果按照本发明的第一方案将感抗加入天线，也即在Y轴上向上或向下移动，这样在天线有效电阻小时，功率输入将继续减少，直到在用1标志的点上达到最小的功率输入为止。在用1标志的回路中，可得到接收最小功率的天线阻抗的值。如果像在用1标志的点上那样保持感抗的值，并且例如通过附加损耗电阻继续增加天线的有效电阻，则所需要的功率也增加。在优选的实施方案中，通过天线的电抗使功率变小。

本发明可能在产生一个数据发射/接收设备的交变磁场时，以使至少一个数据载体工作的情况下，用电路上最少耗费来成本合适地实现功率减少。

在两种建议的改进型方案中，只根据将达到的系统特点的最佳化来得到最佳值。对所谓的闭合耦合系统来说潜力最大。

Claims (13)

1、在数据发射/接收设备1和至少一个便携式数据载体2之间无接触传输数据的设备，

其中数据发射/接收设备1

-具有一个产生有预定频率的第一个信号的发射设备4，

-具有一个接收一个有预定频率的信号的接收设备5，

-具有一个与发射设备4和接收设备5相连的阻抗转换天线6，和

-具有一个电源3，

并且，其中便携式数据载体2

-具有一个用于接收或发射一个感应信号的数据载体天线8和

-具有一个处理感应信号和产生信号的与数据载体天线8相连的电路设备7，该产生的信号被发送到数据发射/接收设备1的天线6上，

其中，当没有便携式数据载体2感应地与天线6相连时，数据发射/接收设备1的天线6具有一个由不等于0的电抗B_F和一个欧姆损耗电阻R_F组成的总阻抗。

2、按权利要求1所述的无接触传输数据的设备，

其中，在天线6和发射设备4或接收设备5之间设置一个附加电阻。

3、按权利要求2所述的无接触传输数据的设备，

其中，数据发射/接收设备1具有一个设置在天线6和发射设备4或接收设备5之间的匹配电路设备10。

4、按权利要求1、2或3所述的无接触传输数据的设备，

其中，天线6和发射设备4或接收设备5通过一个长度已知的连接线连接。

5、在数据发射/接收设备1和至少一个便携式数据载体2之间的无接触传输数据的设备，

其中，数据发射/接收设备1

-具有一个产生有预定频率的第一个信号的发射设备4，

-具有一个接收有预定频率的第二个信号的接收设备5，

-具有一个通过长度未知的导线9与发射设备4和接收设备5相连接的天线6并且其中导线具有波阻抗，

-具有一个匹配电路设备10，该设备10用至少一个电阻R以限制天线6和发射设备4或接收设备5之间的品质因数，将总阻抗与导线9的波阻抗匹配

并且，其中便携式数据载体2

-具有一个用于接收和发射感应信号的数据载体天线8，

-具有一个用于处理感应信号和产生信号的与数据载体天线8相连的电路设备7，该产生的信号发送到数据发射/接收设备1的天线6上，其中匹配电路10具有一个附加损耗电阻。

6、按权利要求5所述的无接触传输数据的设备

其中限制品质因数的电阻和附加损耗电阻的和可按下式计算： $R\≈\frac{k_{\min }{k}_{\max }{\left(2\mathrm{\π}{f}_0\right)}^2{L}_F{L}_T}{2\·\left|B_T\right|}-R_F\·$

7、按权利要求1至6之一所述的无接触传输数据的设备，

其中，便携式数据载体2的谐振频率低于预定频率。

8、按权利要求1至6之一所述的无接触传输数据的设备，

其中，便携式数据载体2的谐振频率大于或等于预定频率。

9、按权利要求1至8之一所述的无接触传输数据的设备，

其中，电路设备7利用集成半导体芯片构成。

10、按权利要求1至8之一所述的无接触传输数据的设备，

其中，电路设备7按分立式构成。

11、按权利要求1至10之一所述的无接触传输数据的设备，

其中，数据发射/接收设备1的天线6和数据载体天线8在0至4cm的范围内进行耦合。

12、按权利要求1至10之一所述的无接触传输数据的设备，

其中，数据发射/接收设备1的天线6和数据载体天线8在0至15cm的范围内进行耦合。

13、按权利要求1至10之一所述的无接触传输数据的设备，

其中，数据发射/接收设备1的天线6和数据载体天线8在0至1m的范围内进行耦合。

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