DE10156073B4 - Folienbatterie für tragbare Datenträger mit Antennenfunktion - Google Patents
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Abstract
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) einen Teil einer Patch-Antenne bildet und die Grundfläche der
Folienbatterie (40) wenigstens die Außenlängen λ× λ aufweist, wenn λ die Betriebsfrequenz
der Antenne ist.
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.
-
3 zeigt einen solchen Transponder1 in Form einer Chipkarte2 . Länge und Breite der Chipkarte2 entsprechen der ISO 7810. Das Gehäuse der Chipkarte3 nimmt zwei Knopfzellenbatterien4 , eine Patch-Antenne6 , einen Mikrochip8 , Anschlüsse10 sowie einen Quartzschwinger12 auf. - Zwar entspricht der in
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 Knopfzellenbatterien4 wird vielmehr eine relativ große Bauhöhe bedingt. Aufgrund der Dicke der üblichen Knopfzellen läßt sich der in4 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.
- Aus der
US 5,776,278 ist ein Verfahren zur Herstellung von Transceivern, insbesondere in Gestalt von RFID-Tags bekannt, welche sehr dünn ausgebildet sind und eine eigene Antenne, insbesondere eine Dipolantenne besitzen. Die Tags sollen weiterhin eine Batterie aufweisen. In einer speziellen Ausführungsform sind dabei zwei Batterien vorgesehen, die so gestaltet sind, daß ihre Oberfläche eine "bow-tie-Antenne" bilden. Aufgrund der zweiteiligen Ausführung ist die Herstellung einer solchen "bow-tie-Antenne" aufwendig. - Aus der
DE 196 52 324 ist für einen Transponder die Gestaltung einer Mikrostreifenantenne in Form eines auf dem Kopf stehenden Us entnehmbar. Die Kantenlängen der das U bildenden Schenkel können von der Betriebswellenlänge abhängige Werte besitzen. Als mögliche Bauform für den Transponder wird die Gestalt einer Chipkarte vorgeschlagen. Eine eigene Energieversorgung ist jedoch nicht vorgesehen. - Aus der
DE 198 00 341 ist eine als Transponder wirkende Karte mit einem IC bekannt, die neben einer Antennenspule eine eigene Energieversorgung in Form von mehreren Knopfzellenbatterien verfügt. Die beschriebene Lösung ist als schlüsselloses Zugangssystem konzipiert und kann deshalb eine größere als die für Chipkarten standardisierte Dicke aufweisen. - Vor dem genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verwendung von Folienbatterien in Mikrowellen-Transponder zu erleichtern und 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 Aus-gestaltungen 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 Gleichspan-nungsversorgung 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 Metallinsbesondere 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:
-
1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer als Patch-Antenne genutzten Folienbatterie vor den angedeuteten Umrissen einer Chipkarte; -
2 eine perspektivische Darstellung einer mittels einer Folienbatterie aufgebauten Dipolantenne, und -
3 eine Draufsicht auf einen zum Stand zählenden Transponder mit dem Grundriß einer Chipkarte. -
1 zeigt durch gestrichelte Linien angedeutet die Umrisse eines tragbaren Datenträgers in Gestalt einer Chipkarte20 mit einem Chip22 und einer Folienbatterie40 . Folienbatterie40 und Chip22 sind über nicht dargestellte Anschlüsse verbunden. Bei dieser Ausführungsform dient die Folienbatterie40 zugleich als großflächige Massefläche für eine Patch- oder Planar-Antenne28 . - 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 Kathodenfläche30 gebildet. Auf die Kathodenfläche30 ist eine Dielektrikumschicht26 aufgebracht, auf der wiederum eine Metallbeschichtung ausgebildet ist, welche die Form einer Patch-Antenne28 hat. Die Aufbringung der Dielektrikumschicht26 und der Metallbeschichtung kann z. B. durch Aufbringen einer kupferkaschierten Inletfolie erfolgen, wobei die Kupferkaschierung die Form und die Größe der Patchantenne28 aufweist. Die Patchatenne28 besitzt die Länge λ/2, wobei λ/2 die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz28 ist. Um eine optimale Funktion der Patchantenne28 zu gewährleisten, besitzt die Kathodenfläche30 eine auf die Patchantenne28 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 Inletfolie26 vorhanden ist, da der Abstand zwischen der Patch-Antenne28 und der Massefläche, d. h. der Kathodenfläche,30 die elektrischen Eigenschaften der Anordnung stark beeinflußt. - Die in
1 in perspektivischer Darstellung gezeigte Folienbatterie40 besitzt einen üblichen funktionellen Aufbau. Die Kathoden- und Anodenschicht besitzen Anschlußfahnen32 und34 , an denen die Gleich-Versorgungsspannung für einen an sich beliebigen Chip eines Transponders abgegriffen werden kann. Die Lage der Anschlußfahnen32 ,34 ist grundsätzlich frei wählbar. Bei geeigneter Plazierung an den Gehäuseteilen können die Anschlußfahnen32 ,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 Gehäuse-teilen vorgesehen sein. Die geometrische Gestaltung der in1 gezeigten Folienbatterie40 gehorcht den Vorgaben der Betriebsfrequenz. Das heißt hier, daß die Länge der Folienbatterie40 der halben Wellenlänge λ/2 der Betriebsfrequenz entspricht. - Alternativ zu einer Patchatenne
28 kann mittels einer Folienbatterie40 , wie sie in1 dargestellt ist, auch eine Dipolantenne38 realisiert werden. Die Folienbatterie28 wird hierzu, wie in2 veranschaulicht, aus zwei galvanisch getrennten Teilsegmenten40A ,40B aufgebaut, die jeweils die Länge λ/4 besitzen und zusammen einen λ/2-Dipol bilden. Das Aufbringen einer Dielektrikumsschicht26 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 (6)
- 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 ) einen Teil einer Patch-Antenne bildet und die Grundfläche der Folienbatterie (40 ) wenigstens die Außenlängen λ× λ aufweist, wenn λ die Betriebsfrequenz der Antenne ist. - 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 eine Kupferkaschierung (28 ) vorgesehen ist, wobei die Länge der Patchantenne (28 ) λ/2 beträgt, wenn λ die Betriebsfrequenz der Antenne ist. - Kartenförmiger Mikrowellen-Transponder mit einer Antenne, einer elektronischen Schaltung (
22 ) und einer Folienbatterie (40 ,40A ,40B ) gemäß Anspruch 1 oder 2, die gleichzeitig als Teil einer Patch-Antenne (28 ) fungiert. - Tragbarer Datenträger mit einem Transponder nach Anspruch 3.
- Tragbarer Datenträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenträger als normgerechte Chipkarte nach ISO 7810 ausgebildet ist.
- Verwendung eines Transponders mit gleichzeitig einer als Antenne fungierender Folienbatterie (
40 ,40A ,40B ) gemäß Anspruch 3 in einem tragbaren Datenträger.
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