DE10156073A1

DE10156073A1 - Folienbatterie für tragbare Datenträger mit Antennenfunktion

Info

Publication number: DE10156073A1
Application number: DE10156073A
Authority: DE
Inventors: Klaus Finkenzeller
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2021-11-17
Also published as: WO2003043101A2; WO2003043101A3; DE10156073B4; AU2002356600A1

Abstract

Um für Mikrowellen-Transponder mit großer Reichweite eine geringe, Chipkarten-Norm entsprechende Bauhöhe zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, eine Folienbatterie zu verenden. Die Folienbatterie (40) fungiert dabei gleichzeitig als Antenne und ist hierzu als Patch-Antenne mit entsprechenden Abmessungen ausgebildet. Alternativ kann die Folienbatterie (40) als Träger für eine Patch-Antenne (28) fungieren. Die Kathodenfläche (30) der Folienbatterie (40) fungiert dabei als großdimensionierte Massenfläche. Sie trägt ein Inlet (26), auf dem als Patch-Antenne (28) eine Kupferkaschierung ausgebildet ist, die entsprechend der vorgesehenen Betriebsfrequenz eine bestimmte Länge oder Breite (lambda/2) besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in tragbaren Datenträgern ausgebildete Folienbatterie sowie einen tragbaren Datenträger mit einem Mikrowellen-Transponder.
Transponder finden als Bestandteil von kontaktlosen Identifikationssystemen zunehmend Verbreitung, beispielsweise in Wegfahrsperren, Zugangsberechtigungen, bei der Gebührenerhebung etc. In der einfachsten Bauform bestehen Transponder aus einem Chip und einer Antenne. Zum Betreiben des Chips empfängt der Transponder Energie von einem Lesegerät. Für geringe Reichweiten reicht diese Energie zum Betreiben beispielsweise eines Mikroprozessorsystems und zum Zurücksenden von Information von dem Transponder zu dem Lesegerät aus.
Für größere Reichweiten eignen sich Mikrowellen-Transponder, die zum Beispiel bei einer Frequenz von 2,45 GHz arbeiten und eine Reichweite von 1 bis etwa 12 Meter aufweisen.
Bekannt sind ferner Mikrowellen-Transponder in einer Bauform, deren Grundriß dem von Chipkarten gemäß ISO 7810 entspricht. Vor allem über große Distanzen reicht die von einem Lesegerät abgestrahlte Energie für den Betrieb solcher Transponder aber nicht aus. Transponder im Chipkartenformat besitzen deshalb häufig eine eigene Energieversorgung, üblicherweise in Form einer Knopfzellenbatterie.
Fig. 3 zeigt einen solchen Transponder 1 in Form einer Chipkarte 2. Länge und Breite der Chipkarte 2 entsprechen der ISO 7810. Das Gehäuse der Chipkarte 3 nimmt zwei Knopfzellenbatterien 4, eine Patch-Antenne 6, einen Mikrochip 8, Anschlüsse 10 sowie einen Quartzschwinger 12 auf.
Zwar entspricht der in Fig. 3 dargestellte Mikrowellen-Transponder in seinem Grundriß, d. h. in Länge und Breite der Norm ISO 7810, nicht aber in seiner Höhe. Durch die Verwendung der Knopfzellenbatterien 4 wird vielmehr eine relativ große Bauhöhe bedingt. Aufgrund der Dicke der üblichen Knopfzellen läßt sich der in Fig. 4 gezeigte Transponder praktisch nicht unter eine Dicke von 5 mm bringen.
Angestrebt ist gleichwohl eine chipkartennormgerechte Dicke von 0,8 mm. Für Zwecke, die eine geringe Bauhöhe erfordern ist es hierbei bekannt, Folienbatterien zu verwenden. Das sind Batterien mit einem Metallgehäuse und einem metallischen Deckel, zwischen denen eine Schichtanordnung aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt untergebracht ist. Der Rand zwischen dem Umfang des Elektrolytträgers und den Rändern der Gehäuseteile ist abgedichtet. Die beiden Gehäuseteile besitzen Anschlüsse zum Abnehmen der elektrischen Energie.
Solche Folienbatterien lassen sich in flache Karten mit Display und dergleichen einbauen. Jedoch eignen sich auch übliche Folienbatterien nicht für Mikrowellen-Transponder, da sich hier aufgrund der räumlichen Nähe von Antenne und Folienbatterie eine unerwünschte und nicht hinnehmbare Abschirmung der Antenne durch die ein metallisches Gehäuse aufweisende Folienbatterie ergäbe.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verwendung von Folienbatterien auf Mikrowellen-Transponder auszuweiten. Außerdem soll ein kartenförmiger Mikrowellen-Transponder sowie eine Chipkarte mit einem derartigen Transponder angegeben werden, die eine normgemäße flache Bauweise einer Chipkarte zulassen.
Eine erfindungsgemäße Folienbatterie mit einem elektrisch leitfähigen Gehäuse, in dem eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt untergebracht sind, zeichnet sich dadurch aus, daß der geometrische Grundriß der Folienbatterie einer Antenne, insbesondere einer Planar- oder Patch-Antenne, entsprechend ausgebildet ist.
Zwar läßt sich in Bauteilen wie einer flach zu haltenden Chipkarte aufgrund der großen Abschirmwirkung der Folienbatterie eine Folienbatterie nicht in Verbindung mit einer Antenne einsetzen. Erfindungsgemäß wird jedoch die Folienbatterie selbst als Mikrowellen-Transponder-Antenne ausgebildet. Damit dient die Folienbatterie gleichzeitig zur Spannungsversorgung und als Sende- und Empfangsantenne für die Datenübertragung. Aus der Literatur sind die verschiedensten Ausgestaltungen von Antennen, insbesondere auch Patch- und Planar-Antennen bekannt. Abhängig von der gewünschten Betriebsfrequenz kann dann eine Planar-Antenne zum Beispiel mit der erforderlichen Länge (λ/2) ausgebildet werden. Die Anschlüsse für die Spannungsversorgung können dann so gelegt werden, daß sie bei einem Spannungsminimum liegen, so daß die Versorgungsspannung frei von HF- Spannung zur Verfügung steht. Möglich ist auch die Zusammenlegung des Anschlußpunkts für die Gleichspannungsversorgung und des Antennenanschlusses. In diesem Fall würde das an dem Anschluß abgegriffene Signal mittels einer elektronischen Schaltung, welche von der Folienbatterie versorgt wird, in Gleichstromanteil und Hochfrequenzanteil separiert.
In einer alternativen Ausführung der Erfindung besitzt die Folienbatterie einen typischen Aufbau mit einem elektrisch leitfähigen Gehäuse, in dem eine Anode, eine Kathode sowie ein Elektrolyt untergebracht sind, wobei auf einer Gehäuse-Außenseite eine dielektrischen Schicht angeordnet ist. Auf der dielektrischen Schicht befindet sich nun jedoch noch eine Metall- insbesondere Kupferkaschierung, die als Patch-Antenne dient. Bei einer Betriebsfrequenz von zum Beispiel 2,45 GHz beträgt die Länge der Patch- Antenne dann λ/2 = 6,11 cm. Eine Folienbatterie mit einer solchen Breiten- oder Längenabmessung hat ausreichende Kapazität und läßt sich auch innerhalb des Grundrisses einer normgerechten Chipkarte unterbringen. Durch die Verwendung einer Folienbatterie gleichzeitig zur Spannungsversorgung und als Antenne bleiben die Vorteile eines Mikrowellen-Transponders praktisch unverändert erhalten, das heißt insbesondere eine Reichweite von bis zu circa 12 Meter. Diese große Reichweite macht es möglich, für unterschiedlichste Zwecke vorgesehene Transponder in Chipkartenform zu bringen, die der ISO 7810 entsprechen. Solche Transponder lassen sich für unterschiedlichste Zwecke einsetzen, beispielsweise als Gebührenerhebungsmittel in öffentlichen Verkehrssystemen etc. Ein erfindungsgemäßer kartenförmiger Mikrowellen-Transponder mit einer gleichzeitig als Antenne fungierenden Folienbatterie hat insbesondere die Form einer Chipkarte, da sich hierfür besonders interessante und zahlreiche Anwendungen ergeben. Allerdings ist die erfindungsgemäße Idee nicht auf die Chipkarte beschränkt, sondern die gleichzeitig als Antenne fungierende Folienbatterie läßt sich auch in Mobiltelefonen, Palmtops und anderen Geräten mit genormter Schnittstelle anordnen.
Für die Ausgestaltung der Folienbatterie sind zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten bekannt, sowohl für den Fall, daß die Folienbatterie selbst die Antenne bildet wie für den Fall, daß die Folienbatterie als Antennenträger in Form einer über ein Dielektrikum mit dem Gehäuse der Folienbatterie mechanisch verbundenen Metallkaschierung ausgebildet ist.
Beispielhaft wird auf Meinke, H., Gundlach, F. W., "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 1992, ISBN 3-540-54717-7 verwiesen. Weitere Einzelheiten über die Ausgestaltung von Transpondern und kontaktlosen Chipkarten finden sich in Finkenzeller, Klaus, "RFID-Handbuch", Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten, 2. Auflage, München 1999, Carl Hanser Verlag.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer als Patch- Antenne genutzten Folienbatterie vor den angedeuteten Umrissen einer Chipkarte;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer mittels einer Folienbatterie aufgebauten Dipolantenne, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen zum Stand zählenden Transponder mit dem Grundriß einer Chipkarte.
Fig. 1 zeigt durch gestrichelte Linien angedeutet die Umrisse eines tragbaren Datenträgers in Gestalt einer Chipkarte 20 mit einem Chip 22 und einer Folienbatterie 40. Folienbatterie 40 und Chip 22 sind über nicht dargestellte Anschlüsse verbunden. Bei dieser Ausführungsform dient die Folienbatterie 40 zugleich als großflächige Massefläche für eine Patch- oder Planar-Antenne 28.
Die Folienbatterie 40 ist von bekannter Bauart und soll hier deshalb nicht näher erläutert zu werden. Grundsätzlich bestehen Folienbatterien aus einem metallischen Gehäuse mit Gehäuseunterteil und Gehäusedeckel oder -oberteil, wobei in dem Gehäuse eine Anode, eine Kathode und dazwischen ein Elektrolyt in einem Elektrolytträger ausgebildet sind. Anode und Kathode stehen mit dem metallischen Gehäuse in Verbindung, wobei zwischen Ober- und Unterteil des Gehäuses ein isolierendes Dichtungsmaterial angeordnet ist. Über am Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil befindliche Anschlüsse kann der Batterie Energie entnommen werden.
Die Oberseite der Folienbatterie 40 wird von einer Kathodenfläche 30 gebildet. Auf die Kathodenfläche 30 ist eine Dielektrikumschicht 26 aufgebracht, auf der wiederum eine Metallbeschichtung ausgebildet ist, welche die Form einer Patch-Antenne 28 hat. Die Aufbringung der Dielektrikumschicht 26 und der Metallbeschichtung kann z. B. durch Aufbringen einer kupferkaschierten Inletfolie erfolgen, wobei die Kupferkaschierung die Form und die Größe der Patchantenne 28 aufweist. Die Patchatenne 28 besitzt die Länge λ/2, wobei λ/2 die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz 28 ist. Um eine optimale Funktion der Patchantenne 28 zu gewährleisten, besitzt die Kathodenfläche 30 eine auf die Patchantenne 28 abgestimmte Größe von wenigstens λ × λ.
Bei der Fertigung einer solchen Antenne 28 muß darauf geachtet werden, daß eine feste, mechanisch stabile Verbindung zwischen der Oberfläche der Folienbatterie und der Inletfolie 26 vorhanden ist, da der Abstand zwischen der Patch-Antenne 28 und der Massefläche, d. h. der Kathodenfläche, 30 die elektrischen Eigenschaften der Anordnung stark beeinflußt.
Die in Fig. 1 in perspektivischer Darstellung gezeigte Folienbatterie 40 besitzt einen üblichen funktionellen Aufbau. Die Kathoden- und Anodenschicht besitzen Anschlußfahnen 32 und 34, an denen die Gleich- Versorgungsspannung für einen an sich beliebigen Chip eines Transponders abgegriffen werden kann. Die Lage der Anschlußfahnen 32, 34 ist grundsätzlich frei wählbar. Bei geeigneter Plazierung an den Gehäuseteilen können die Anschlußfahnen 32, 34 zugleich auch zum Abgreifen bzw. zum Einspeisen einer empfangenen bzw. zu sendenden HF-Spannung verwendet werden. Die dann notwendige Trennung der HF-Signale von der Gleichstromversorgung des Chips erfolgt in dem Chip. Alternativ können auch separate Anschlüsse an den Gehäuseteilen vorgesehen sein. Die geometrische Gestaltung der in Fig. 1 gezeigten Folienbatterie 40 gehorcht den Vorgaben der Betriebsfrequenz. Das heißt hier, daß die Länge der Folienbatterie 40 der halben Wellenlänge λ/2 der Betriebsfrequenz entspricht.
Alternativ zu einer Patchatenne 28 kann mittels einer Folienbatterie 40, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, auch eine Dipolantenne 38 realisiert werden. Die Folienbatterie 28 wird hierzu, wie in Fig. 2 veranschaulicht, aus zwei galvanisch getrennten Teilsegmenten 40A, 40B aufgebaut, die jeweils die Länge λ/4 besitzen und zusammen einen λ/2-Dipol bilden. Das Aufbringen einer Dielektrikumsschicht 26 oder einer Metallbeschichtung können bei der Dipolvariante entfallen.
Unter Beibehaltung des grundlegenden Gedankens, eine Folienbatterie zugleich als Antenne einzusetzen, gestattet die Erfindung eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen. Besonders gilt dies für die geometrische Gestaltung der Antenne, ihrer Verbindungen zum Chip, für den Aufbau geeigneter Inlettfolien oder für die Gestalt der tragbaren Datenträger in denen die vorgeschlagene Folienbatterie eingesetzt wird. Anstelle einer Folienbatterie 40 bzw. 40A, 40B kann ferner auch ein anderer Typ von Flachbatterien eingesetzt werden, sofern zumindest eine Oberseite seines Gehäuses elektrisch leitfähig ist.

Claims

1. Folienbatterie (40) mit einem elektrisch leitfähigen Gehäuse, in welchem eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der geometrische Grundriß der Folienbatterie (40) dem Grundriß zumindest eines Teiles einer Antenne entspricht.

2. Folienbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienbatterie (40) einen Teil einer Patch-Antenne bildet.

3. Folienbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Folienbatterie (40) wenigstens die Außenlängen λ × λ aufweist, wenn λ die Betriebsfrequenz der Antenne ist.

4. Folienbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundriß der Folienbatterie (40A, 40B) einen Teil einer Dipol-Antenne bildet.

5. Folienbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundriß der Folienbatterie (40) eine Länge von λ/4 besitzt, wenn λ die Betriebsfrequenz der Antenne ist.

6. Folienbatterie (40) mit einem elektrisch leitfähigen Gehäuse (30), in welchem eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der beiden Flachseiten des Gehäuses eine dielektrische Schicht (26) und auf dieser dielektrischen Schicht (26) eine als Patch-Antenne dienende Metall- insbesondere Kupferkaschierung (28) vorgesehen ist.

7. Kartenförmiger Mikrowellen-Transponder mit einer Antenne, einer elektronischen Schaltung (22) und einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß als Batterie eine Folienbatterie (40, 40A, 40B) vorgesehen ist, die gleichzeitig als Antenne oder als Teil einer Antenne (28) fungiert.

8. Tragbarer Datenträger mit einem Transponder nach Anspruch 4.

9. Tragbarer Datenträger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenträger als normgerechte Chipkarte nach ISO 7810 ausgebildet ist.

10. Verwendung einer Folienbatterie (40, 40A, 40B) in einem Mikrowellen- Transponder als Antenne.

11. Verwendung eines Transponders mit gleichzeitig als Antenne fungierender Folienbatterie (40, 40A, 40B)in einem tragbaren Datenträger.