DE102011012228A1

DE102011012228A1 - Tragbarer Datenträger mit einer Antennenstruktur

Info

Publication number: DE102011012228A1
Application number: DE201110012228
Authority: DE
Inventors: Michael Baldischweiler; Klaus Finkenzeller
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Mobile Security GmbH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-08-30

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen tragbaren Datenträger, insbesondere Speicherkarte, mit einem Träger (100) und zumindest einer Antenne (10), die eine Mehrzahl an Windungen sowie eine Mehrzahl an Antennenanschlüssen (1, 2, 3, 4, 5) aufweist. Der erfindungsgemäße Datenträger zeichnet sich dadurch aus, dass, in Abhängigkeit einer Einbausituation des Datenträgers in einem Endgerät, zur Verschiebung der Position der Antenne (10) auf dem Träger (100) zwei der Antennenanschlüsse (1, 2, 3, 4, 5) für einen Anschluss einer von n gleichartigen Teilantennen der Antenne (10) derart auswählbar sind, dass zwischen den jeweils zwei auswählbaren Antennenanschlüssen (1, 2, 3, 4, 5) eine gleiche Windungszahl gegeben ist, wodurch die n Teilantennen bei gleicher Frequenz betreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen tragbaren Datenträger, insbesondere in Gestalt einer MikroSD-Karte, welcher einen Träger und eine Antennenstruktur mit zumindest einer Antenne aufweist, wobei die zumindest eine Antenne eine Mehrzahl an Windungen sowie eine Mehrzahl an Antennenanschlüssen aufweist.
Tragbare Datenträger, wie z. B. Chipkarten oder Massenspeicherkarten weisen häufig sowohl eine kontaktbehaftete Schnittstelle als auch eine kontaktlose Schnittstelle auf. Die tragbaren Datenträger können somit auch als Transponder in RFID(Radio Frequency Identification)-Systemen eingesetzt werden. Herkömmlich erfolgt sowohl die Energieversorgung eines Transponders in einem RFID-System als auch der Datenaustausch zwischen dem Transponder und einem Lesegerät unter Verwendung magnetischer oder elektromagnetischer Felder. RFID-Transponder besitzen eine elektronische Schaltung und je nach Frequenzbereich eine Antennenspule (z. B. 13,56 MHz) oder eine elektromagnetische Antenne (z. B. 868 MHz). Über die Antenne kann dem Feld des Lesegeräts die zum Betrieb des Transponders nötige Energie entnommen sowie die Datenübertragung durchgeführt werden.
RFID-Systeme, beispielsweise für verschiedene Kopplungsarten, sowie eine Lastmodulation unter Verwendung eines Hilfsträgers in induktiv gekoppelten RFID-Systemen werden insbesondere unter Kapitel 3.2 in dem „RFID-Handbuch", 5. Auflage, Hanser Verlag, von Klaus Finkenzeller, beschrieben.
Es sind auch solche Datenträger bekannt, welche über eine Antennenstruktur mit mehreren Antennen verfügen. Beispielsweise ist ein solcher Datenträger als Speicherkarte in Gestalt einer MikroSD-Karte ausgebildet. Um die den jeweiligen Antennen der Antennenstruktur zugewiesenen Aufgaben erfüllen zu können, müssen die Antennen auf dem Datenträger in einer definierten Anordnung zueinander vorgesehen sein.
Eine als Ferritantenne ausgebildete Antenne wird durch einen Lötvorgang auf einen Träger 100 aufgebracht. Eine exakte Positionierung ist bei Verwendung auflötbarer Bauteile jedoch nicht vollständig gewährleistet. Im Rahmen des Lötvorganges erfolgt ein sog. „Reflow-Prozess”, welcher die zu lötenden Bauteile relativ zu dem Träger leicht aufschwimmen lässt, wodurch diese gegenüber der Solllage leicht verdreht werden können. Erfolgt die mechanische Kontaktierung des auflötbaren Bauteils mittels eines Klebers, so hängt die nach Austrocknung des Klebers resultierende Lage des auflötbaren Bauteils von der Gleichmäßigkeit der Aufbringung des Klebers sowie dem Trocknungsvorgang ab. Die Spulenachse kann daher unter Umständen gegenüber ihrer bestimmungsgemäßen Lage verdreht sein. Auch ein im Rahmen der Herstellung des Datenträgers erfolgender Molding-Prozess kann das auflötbare Bauteil noch leicht in seiner Symmetrie verschieben.
Wird die bestimmungsgemäße Lage jedoch nicht eingehalten, so liegt die Antenne leicht gekippt auf dem Träger und weist somit einen Versatz zu den Windungen der planaren Antenne auf der Leiterplatte auf. Dies hat zur Folge, dass ein von der Antenne ausgesendetes Feld wieder in die planare Antenne eingekoppelt wird.
Bei einer Antennenstruktur mit zwei planaren Antennen auf einem Träger besteht das Problem, dass bei der Verwendung des tragbaren Datenträgers in einem Endgerät metallische Bauteile des Endgeräts eine Verschiebung der Symmetrie erzeugen. Durch das Einstecken des Datenträgers in ein Endgerät, wie z. B. ein Mobilfunktelefon, kann, bedingt durch Metallflächen in der Nähe des Datenträgers, eine Verstimmung der Antennenstruktur auftreten. Der Grund hierfür liegt darin, dass in der Metallfläche Wirbelströme induziert werden, so dass sich die Resonanzfrequenz einer Antenne der Antennenstruktur zu einer höheren Frequenz hin verschiebt. Diese Situation ist exemplarisch in 1 dargestellt. Auf dem Träger 100 sind zwei Antennen 10, 20, jeweils in planarer Form, aufgebracht. Die Antennen 10, 20 sind versetzt zueinander angeordnet. Mit dem Bezugszeichen 50 ist ein metallischer Rahmen eines den Datenträger aufnehmenden Slots des Endgeräts dargestellt. Dieser Rahmen 50 deckt nicht die gesamte Antennenstruktur ab (Teile der Windungen der Antenne 20 sind außerhalb des metallischen Rahmens 50 angeordnet), wodurch die beschriebene Verschiebung der Symmetrie verursacht ist.
Es besteht daher der Wunsch nach einem Datenträger, bei dem die elektrischen Eigenschaften einer oder mehrerer Antennen der Antennenstruktur weder durch Einflüsse in der Fertigung noch durch den bestimmungsgemäßen Betrieb des Datenträgers in negativer Weise beeinflusst werden.
Aus der EP 2141 637 A1 ist ein tragbarer Datenträger bekannt, bei dem ein automatischer Abgleich der Resonanzfrequenz eines Antennenschwingkreises möglich ist. Der Antennenschwingkreis weist eine Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen und Spulenanzapfungen auf. In Abhängigkeit der Induktivität der Spule wird dabei eine geeignete Spulenwindungszahl bestimmt. Während ein Spulenanschluss fest mit einer Ansteuerschaltung gekoppelt ist, wird in Abhängigkeit der Anzahl der Spulenwindungen der Spule, die der geeigneten Spulenwindungszahl entspricht, einer von mehreren frei wählbaren Spulenanschlüssen durch ein steuerbares Umschaltmittel ausgewählt. Hierdurch kann die Antennenfrequenz dynamisch an ein Endgerät angepasst werden.
Aus der DE 10 2010 016 066 A1 ist eine tragbare Einheit bekannt, welche über drei Antennen verfügt, die im rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch soll der Empfang eines aus einer beliebigen Richtung kommenden Signals sichergestellt werden. Die Antennen sind an einen gemeinsamen Schaltkreis angeschlossen, welcher beim Empfang eines Signals diejenige Antenne auswählt, welche das Signal mit der höchsten Signalstärke ausgibt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Datenträger der oben bezeichneten Art zu schaffen, welcher eine Anpassung der Antenne an die Gegebenheiten bei der Verwendung des Datenträgers in einem Endgerät erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen tragbaren Datenträger gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung schafft einen tragbaren Datenträger, insbesondere eine Speicherkarte, mit einem Träger und zumindest einer Antenne, die eine Mehrzahl an Windungen sowie ein Mehrzahl an Antennenanschlüssen aufweist. In Abhängigkeit einer Einbausituation des Datenträgers in einem Endgerät sind zur Verschiebung der Position der Antenne auf dem Träger zwei der Antennenanschlüsse für einen Anschluss von einer von n gleichartigen Teilantennen der Antenne derart auswählbar, dass zwischen den jeweils zwei auswählbaren Antennenanschlüssen eine gleiche Windungszahl gegeben ist, wodurch die n Teilantennen bei gleicher Frequenz betreibbar sind.
Hierdurch ist es möglich, die effektive Sendeleistung des tragbaren Datenträgers aus dem Endgerät heraus zu optimieren. Die Verschiebung der Position der Antenne ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung gleichbedeutend mit der Verschiebung des Spulenmittelpunkts zu verstehen. Die Verschiebung der Position der Antenne auf dem Träger erfolgt in elektrischer Weise dadurch, dass lediglich eine von mehreren Teilantennen der Antenne durch die Kontaktierung der dieser Teilantenne zugeordneten Antennenanschlüsse erfolgt. Je nachdem, welche der Antennenanschlüsse für eine Kontaktierung ausgewählt werden, wird eine Teilantenne aktiviert, wobei die Teilantenne bezüglich der weiteren Teilantennen der Antenne eine unterschiedliche Lage und damit einen unterschiedlichen Spulenmittelpunkt aufweist.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Verschiebung der Position der Antenne kleiner als die Größe der Antenne.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Mehrzahl an Windungen der Antenne gleich groß ist, um ein gleiches Verhalten der Teilantennen der Antenne sicherzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Datenträger eine weitere Antenne, deren Spulenachse in einem Winkel von 90° zu der Spulenachse der Antenne angeordnet ist. Beispielsweise kann eine der beiden Antennen zum Senden und die andere Antenne zum Empfangen von Signalen verwendet werden. Dadurch, dass die Antenne und die weitere Antenne in einem Winkel von 90° zueinander orientiert sind, sind die Antenne und die weitere Antenne zweckmäßigerweise hinsichtlich ihrer Sende- und Empfangssignale voneinander entkoppelt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die weitere Antenne eine Mehrzahl an Windungen sowie eine Mehrzahl an weiteren Antennenanschlüssen auf, wobei in Abhängigkeit einer Einbausituation des Datenträgers in einem Endgerät zur Verschiebung der Position der weiteren Antenne auf dem Träger zwei der weiteren Antennenanschlüsse für einen Anschluss einer von m gleichartigen, weiteren Teilantennen der weiteren Antenne derart auswählbar sind, dass zwischen den jeweils zwei auswählbaren weiteren Antennenanschlüssen eine gleiche Windungszahl gegeben ist, wodurch die m weiteren Teilantennen bei gleicher Frequenz betreibbar sind. Bei einem derartigen Datenträger sind somit zwei Antennen hinsichtlich ihrer Position auf dem Träger des Datenträgers verschiebbar angeordnet. Hierdurch stehen mehrere Möglichkeiten zur Optimierung der Sendeleistung der Antenne(n) des Datenträgers bei seiner Verwendung in einem Endgerät zur Verfügung.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Datenträgers ist vorzugsweise die Antenne und/oder die weitere Antenne als planare Antenne ausgebildet. Wahlweise erfolgt die Verschiebung der Position der Antenne und/oder der weiteren Antenne in einer Ebene, welche senkrecht zu der Spulenachse der Antenne steht. Insbesondere ist in dieser ersten Variante vorgesehen, dass eine jeweilige Windung abschnittsweise in unterschiedlichen Ebenen des Trägers ausgebildet ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Windungen in unterschiedlichen Ebenen des Trägers ausgebildet sind. Realisiert werden kann dies durch das Vorsehen entsprechender Durchkontaktierungen in dem Träger des Datenträgers. In einer weiteren Ausgestaltung sind die Windungen der als planare Antenne ausgebildeten Antenne und/oder weiteren Antenne wahlweise in Gestalt eines Parallelogramms ausgebildet.
In einer zweiten Variante sind die Antenne und/oder die weitere Antenne wahlweise als Ferrit- oder SMD-Antenne, insbesondere als Stabantenne, ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist die Mehrzahl an Windungen der Antenne und/oder der weiteren Antenne längs einer Spulenachse der betreffenden Antenne hintereinander angeordnet. Zweckmäßigerweise erfolgt die Verschiebung der Antenne und/oder der weiteren Antenne längs einer Spulenachse der betreffenden Antenne.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen bekannten Datenträger mit einer planaren Antennenstruktur, wobei der Datenträger in einer Einbausituation in einem Lesegerät dargestellt ist,
2 eine schematische Darstellung einer einzelnen Windung einer Antenne eines erfindungsgemäßen Datenträgers,
3 eine schematische Darstellung einer Antenne mit einer Mehrzahl an Windungen und Antennenanschlüssen gemäß der Erfindung,
4 ein in der Antenne gemäß 3 eingezeichnetes Koordinatensystem zur Illustration der Verschiebung der Position der Antenne,
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Datenträgers, bei dem sich eine planare Antenne entlang einer Achse verschieben lässt,
6 einen erfindungsgemäßen Datenträger, in dem sich eine planare Antenne gleichzeitig in zwei Richtungen verschieben lässt,
7 einen erfindungsgemäßen Datenträger, bei dem sich die Position einer Stabantenne längs einer Verschiebungsachse verschieben lässt,
8 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Datenträgers mit einer drei Antennen umfassenden Antennenstruktur, bei der sich die Position jeder Antenne der Antennenstruktur elektronisch verschieben lässt,
9 eine schematische Darstellung eines Datenträgers, bei dem mehrere Teilspulen einer Stabantenne mit einer Mehrzahl an Antennenanschlüssen illustriert sind,
10 eine Draufsicht auf eine in mehrere Teilantennen unterteilte Stabantenne gemäß der Erfindung,
11 einen Datenträger mit einer orthogonalen Antennenstruktur in perspektivischer Darstellung und in einer Draufsicht,
12a bis 12c verschiedene Ausführungsbeispiele eines Datenträgers mit einer Antennenstruktur mit jeweils zwei Antennen, die entkoppelt zueinander angeordnet sind,
13 ein Ausführungsbeispiel einer als Interfacebaustein ausgebildeten Verarbeitungseinheit in einem erfindungsgemäßen Datenträger, und
14 eine aus dem Stand der Technik bekannte Verarbeitungseinheit zur Realisierung einer aktiven Lastmodulation.
Die (elektronische) Verschiebung der Position einer Antenne auf einem Träger eines tragbaren Datenträgers lässt sich in erfindungsgemäßer Weise sowohl bei planaren Antennen als auch bei Stabantennen, z. B. Ferrit- oder SMD-Antennen, realisieren. Zunächst wird die elektronische Verschiebung der Position der Antenne anhand einer planaren Antenne beschrieben.
Zur Realisierung einer planaren, elektronisch verschiebbaren Antenne wird diese aus einer Mehrzahl an gleich großen Windungen gebildet. Beispielsweise sind die Windungen, wie dies exemplarisch für eine einzelne Windung in 2 dargestellt ist, in Form eines Parallelogramms ausgestaltet. Die einzelne Windung 11 weist an ihren jeweiligen Enden benachbart zueinander Spulenanschlüsse bzw. Anschlüsse 1, 2 auf. Ein sich aus der Gestalt der Windung 11 ergebender Spulenmittelpunkt ist in 2 mit 11-1 gekennzeichnet. Die vertikal verlaufenden Abschnitte der Windung 11 sind beispielsweise auf einer Oberseite eines Trägers 100 (z. B. den Träger 100 einer MikroSD-Karte, wie dieser in 1 dargestellt ist) aufgebracht. Demgegenüber sind die schräg nach rechts oben verlaufenden Abschnitte der Windung auf einer Unterseite bzw. in einer Zwischenlage des Trägers angeordnet. An jeweiligen Schnittpunkten sind Durchkontaktierungen (Durchsteiger) realisiert, um eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen Abschnitten der Windung herstellen zu können. Die Anschlüsse 1 und 2 repräsentieren den Abgriff der hier dargestellten Windung 11.
3 zeigt eine erfindungsgemäße planare Antenne 10 mit beispielhaft vier Windungen 11, 12, 13, 14. Die Anzahl der Windungen kann prinzipiell beliebig gewählt sein. Die Antenne 10 ist derart ausgestaltet, dass insgesamt fünf Anschlüsse 1, 2, 3, 4, 5 vorgesehen sind, d. h. jede Windung kontaktierbar ist. Mit 11-1, 12-1, 13-1, 14-1 sind die jeweiligen Spulenmittelpunkte der Windungen 11, 12, 13, 14 gekennzeichnet. Die jeweiligen vertikal verlaufenden Abschnitte jeweiliger Windungen 11, 12, 13, 14 sind beispielsweise auf der Oberseite des nicht dargestellten Trägers angeordnet. Demgegenüber sind die schräg nach rechts oben verlaufenden weiteren Abschnitte auf einer Unterseite oder in einer Zwischenlage des Trägers vorgesehen. Die elektrische Verbindung jeweiliger Abschnitte einer Windung 11, 12, 13, 14 erfolgt, wie erläutert, über Durchkontaktierungen in dem Träger.
Jede einzelne Windung 11, 12, 13, 14 kann über die ihr zugeordneten Anschlüsse 1-2, 2-3, 3-4, 4-5 einzeln abgegriffen werden. Die Anschlüsse bzw. Abgriffe sind derart realisiert, dass die Antenne bei einem Abgriff an den Anschlüssen 1 und 5 mit vier Windungen gebildet ist. Die Antenne 10 der 3 weist, da jede einzelne der Windungen 11, 12, 13, 14 einzeln abgegriffen werden kann, insgesamt vier gleichartige Teilantennen auf. Eine jeweilige Teilantenne ist hierbei aus einer einzelnen Windung gebildet. Werden zwei der Antennenanschlüsse, z. B. 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, für einen Anschluss einer der vier gleichartigen Teilantennen der Antenne ausgewählt, so lässt sich die Position der (Teil-)Antenne elektronisch verschieben. Jede der Teilantennen ist dabei aufgrund der gleichen Anzahl an Windungen bei einer gleichen Frequenz betreibbar.
Soll eine aus der Antenne gebildete Teilantenne mit mehreren Spulenwindungen realisiert werden, so kann beispielsweise eine Antenne mit zwei Windungen durch die Kontaktierung an den Abgriffen 1-3, 2-4 oder 3-5 realisiert werden. Insgesamt sind hier drei gleichartige Teilantenne mit gleicher Frequenz aus der Antenne 10 realisierbar. Eine aus der Antenne gebildete Teilantenne mit drei Windungen könnte durch eine Kontaktierung der Abgriffe 1-4 oder 2-5 realisiert werden. Hier existieren zwei gleichartige Teilantennen, welche eine gleiche Frequenz aufweisen. Es versteht sich, dass sich der Begriff „gleiche Frequenz” immer nur auf jeweilige Teilantennen gleicher Windungszahl bezieht. Antennen mit unterschiedlicher Windungszahl weisen auch unterschiedliche Frequenzen auf.
Zwischen allen Kombinationsmöglichkeiten jeweiliger Teilantennen gleicher Windungszahl ergibt sich hierbei ein unterschiedlicher Spulenmittelpunkt, wodurch die effektiv „wirksame” Teilantenne (welche hier die Antenne repräsentiert) scheinbar auf dem Träger in ihrer Lage verschoben wurde.
Dies kann beispielsweise der 4 entnommen werden, in der zusätzlich zu den vier Windungen 11, 12, 13, 14 der Antenne 10 ein Koordinatensystem mit x- und y-Achse eingezeichnet ist. Hierbei ist gut ersichtlich, dass die Spulenmittelpunkte 11-1, 12-1, 13-1, 14-1 jeweiliger Windungen 11, 12, 13, 14 auf der x-Achse gelegen und zueinander verschoben sind.
Die in der 4 illustrierte Planare Antenne 10 ist in 5 auf einem in Gestalt einer MikroSD-Karte ausgebildeten Träger 100 aufgebracht. Zusätzlich sind Anschlusskontakte 101 zur zusätzlichen oder kontaktbehafteten Kontaktierung des Datenträgers dargestellt. Neben der Planaren Antenne 10 ist ferner eine Stabantenne 20 auf dem Träger 100 angeordnet. Die Planare Antenne 10 sowie die Stabantenne 20 sind bezüglich ihrer Spulenachsen orthogonal zueinander ausgerichtet. Entsprechend der Beschreibung in 4 lässt sich die Planare Antenne 10 längs der Verschiebungsachse A1 (die der x-Achse des Koordinatensystems in 4 entspricht) auf dem Datenträger elektronisch verschieben. Hierdurch kann – bei gleicher Frequenz – die für eine Einbausituation optimale (Teil-)Antenne durch Kontaktierung der zugeordneten Anschlüsse ausgewählt werden.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltungsvariante, bei der sich die Planare Antenne 10 gleichzeitig in horizontaler und vertikaler Richtung entlang der eingezeichneten Verschiebungsachse A1 verschieben lässt. Bei der lediglich beispielsweise sechs Windungen aufweisenden, Planaren Antenne 10 sind die einzelnen Windungen 11, 12, 13, 14, 15, 16 derart versetzt zueinander angeordnet, dass die Verschiebungsachse A1 in einem Winkel von etwa 45° in dem Koordinatensystem liegt. Beispielsweise sind wiederum die vertikal verlaufenden Abschnitte jeweiliger Windungen 11, 12, 13, 14, 15, 16 auf einer Oberseite des Trägers 100 und die horizontal verlaufenden Abschnitte jeweiliger Windungen 11, 12, 13, 14, 15 auf einer Unterseite oder in einer Zwischenlage des Trägers 100 angeordnet. Wie bereits beschrieben, erfolgt die Kontaktierung einander zugeordneter Windungsabschnitte durch Durchkontaktierungen in dem Träger 100. Durch die relative Anordnung der einzelnen Windungen zueinander, d. h. einen vertikalen und einen horizontalen Abstand, lässt sich die Lage (d. h. der Winkel) der Verschiebungsachse A1 beeinflussen. Sind die horizontalen und die vertikalen Abstände der beispielhaft im rechten Winkel zu einander angeordneten Windungsabschnitte gleich groß, so ergibt sich eine gleichmäßige Verschiebung in horizontaler und vertikaler Richtung der Zeichnungsebene. Werden die Abstände zwischen den horizontalen und vertikalen Windungsabschnitten jedoch unterschiedlich gewählt, so kann ein anderer Winkel der Verschiebungsachse erzielt werden.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Datenträgers, bei dem die Planare Antenne 10 mehrere Windungen umfasst, wobei lediglich zwei Antennenanschlüsse vorgesehen sind. Demgegenüber weist die Stabantenne 20, bei der eine Vielzahl an Windungen um einen Ferritkern gewickelt ist, mehrere Spulenanschlüsse 1, 2, 3, 4, 5, 6 auf. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die horizontale Lage der Stabantenne 20 längs der Verschiebungsachse A2 zu verschieben. Entsprechend der vorangegangenen Beschreibung können beispielsweise die Anschlüsse 1-4, 2-5 oder 3-6 kontaktiert werden. Die in 8 gezeigten Spulenanschlüsse müssen dabei nicht in zwei an den gegenüberliegenden Enden der Antennen ausgebildeten Gruppen, umfassend die Anschlüsse 1, 2 und 3 sowie 4, 5 und 6, angeordnet sein. Beispielsweise könnten die Anschlüsse 1, 2, 3, 4, 5, 6 auch verteilt über die Gesamtlänge der Stabantenne 20 angeordnet sein.
8 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante, bei der der Datenträger insgesamt drei Antennen 10, 20, 30 umfasst. Die Antennen 10, 30 sind dabei jeweils als Planare Antennen ausgebildet. Die Antenne 20 ist eine der vorangegangenen Stabantenne entsprechende Stabantenne. Die Stabantenne 20 kann in wagrechter Richtung entlang der Verschiebungsachse A3 verschoben werden. Die Planare Antenne 10, welche überlappend zu der planaren Antenne 30 auf dem Datenträger 100 angeordnet ist, kann in horizontaler Richtung gemäß der eingezeichneten Verschiebungsachse A1 und die Planare Antenne 30 in vertikaler Richtung entlang der eingezeichneten Verschiebungsachse A2 elektronisch verschoben werden.
Die 9 und 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der möglichen Ausgestaltung einer aus Teilspulen 41, 42, 43 ausgebildeten Antenne 40. Diese weist beispielhaft vier Anschlüsse 1, 2, 3, 4 auf. Die Teilspulen sind bezüglich einer Seitenkante des Datenträgers 100 schräg, jedoch parallel zueinander, auf dem Träger 100 aufgebracht. Durch die Kontaktierung der Anschlüsse 1-3 bzw. 24 kann die Lage der aus zwei Teilspulen bestehenden Teilantenne 41 + 42 bzw. 42 + 43 in horizontaler Richtung verschoben werden. Es versteht sich, dass jeweilige Spulenachsen der Teilspule in einem 90° Winkel zur Ebene des Trägers 100 angeordnet sind.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem eine Stabantenne aus beispielhaft fünf durch Keramikinlays 28 voneinander getrennten Teilspulen 41', 42', 43', 44', 45' gebildet ist. Die Keramikinlays 28 bilden einen Luftspalt aus. Durch entsprechende, in der Figur nicht näher dargestellte Anschlüsse kann eine wahlweise aus einer, zwei oder drei Teilspulen gebildete Teilantenne in beschriebener Weise in horizontaler Richtung (entsprechend der eingezeichneten Verschiebungsachse 4) verschoben werden.
Die erfindungsgemäße elektronische Verschiebung der Antenne ermöglicht eine Optimierung der effektiven Sendeleistung der Antennen des Datenträgers, wenn dieses in einem Endgerät verbaut und gegebenenfalls elektrisch durch dessen Komponenten beeinflusst ist. Ebenso ist es möglich, mittels der vorgeschlagenen elektronischen Verschiebung der Position einer Antenne eine interne Abstimmung vorzunehmen.
Ein Datenträger gemäß den 11 bis 14 ermöglicht es, das Signal eines Lesegeräts auch während des Sendebetriebs des Datenträgers mit aktiver Lastmodulation zu empfangen, ohne dass das Signal des Lesegeräts durch das eigene Sendesignal des Datenträgers überdeckt wird. Ermöglicht wird dies durch einen Datenträger mit zwei Antennen, die derart zueinander angeordnet sind, dass die das Signal des Lesegeräts empfangende Antenne nicht oder nur minimal von dem von der Sendeantenne ausgesendeten Signal beeinflusst ist. Hierdurch ist es möglich, das empfangene Signal des Lesegeräts zur Synchronisation der Sendefrequenz des Datenträgers mit der Sendefrequenz des Lesegeräts einzusetzen.
Hierzu wird die erste Antenne bzw. Sendeantenne 20 gegenüber der zweiten Antenne bzw. Empfangsantenne 10 erfindungsgemäß räumlich so angeordnet, dass in die Empfangsantenne 10 kein oder nur ein minimales Signal eingekoppelt wird. Ein Signal wird allgemein in eine Spule immer dann eingekoppelt, wenn das Ringintegral über den magnetischen muss Φ durch diese Spule größer als Null ist. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise dem „RFID-Handbuch" in Kapitel 4.1.6 und 4.1.9.2 von Klaus Finkenzeller entnommen werden. Das Integral über den magnetischen Fluss Φ ist genau dann Null, wenn sich magnetische Feldlinien unterschiedlicher Richtung und Feldstärke in der Empfangsspule über die Gesamtfläche gegenseitig aufheben oder wenn der Winkel der Feldlinien zur Spulenachse exakt 90° beträgt.
Eine beispielhafte Anordnung eines Datenträgers mit einem sog. orthogonalen Antennenaufbau ist in 11 dargestellt, wobei zwischen den Spulenachsen 17, 27 der Antennen 10, 20 ein exakter 90°-Winkel eingehalten ist. Die Antennen 10, 20 sind auf einem Träger 100, beispielsweise in Gestalt einer MikroSD-Karte, aufgebracht. Die Empfangsantenne 10 ist als planare Antenne ausgebildet, wobei deren Windungen parallel zur Ebene des Datenträgers 100 auf diesem aufgebracht sind. Die Sendeantenne 20 ist eine Stabantenne, beispielsweise in Gestalt einer Ferritantenne oder SMD-Spule. Die Spulenachse 17 der Empfangsantenne 10, welche orthogonal zur Ebene des Datenträgers 100 verläuft, ist in einem 90°-Winkel zu der Spulenachse 27 der Sendeantenne 20 ausgebildet, welche parallel zur Ebene des Trägers 100 und einer y-Achse eines x-y-Koordinatensystems verläuft. Die Spulenachse 17 verläuft parallel zur x-Achse dieses Koordinatensystems. Mit H ist eine durch die Sendeantenne 20 erzeugte Feldlinie gekennzeichnet. Darüber hinaus weist der in 11 dargstellte Datenträger 100 eine Anzahl an Anschlusskontakten 101 auf, über welche der Datenträger kontaktbehaftet kontaktierbar ist.
Die von der Sendeantenne 20 beim Senden erzeugten Feldlinien verlaufen bei dieser Anordnung maximal entlang der Oberfläche der Empfangsantenne 10, durchdringen jedoch nicht die Innenfläche der Empfangsantenne 10. Somit wird in der Empfangsantenne keine Spannung induziert. Die Empfangsantenne 10 wird damit von Signalen, die von der Sendeantenne 20 erzeugt werden, nicht beeinflusst. Wesentlich für diesen Umstand ist, dass zwischen den Spulenachsen 17 und 27 der Winkel von 90° möglichst genau eingehalten wird.
Die 12a) bis 12c) zeigen weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Datenträgers. In den 12a) und 12b) sind die Empfangsantenne 10 und die Sendeantenne 20 als planare Antennen parallel zur Ebene des Trägers 100 ausgebildet und so angeordnet, dass sie teilweise übereinander liegen, d. h. überlappen. Wird die Sendeantenne 20 betrieben, so gibt es eine relative Anordnung der Empfangsantenne 10 zur Sendeantenne 20, bei der das Integral über den magnetischen Fluss F genau Null ergibt. Dies erklärt sich dadurch, dass die von der Sendeantenne 20 erzeugten magnetischen Feldlinien innerhalb und außerhalb der Antennenspule in jeweils unterschiedlicher Richtung verlaufen. Der Grad der Überlappung der beiden Antennen 10, 20 wird nun so gewählt, dass sich diese Feldlinien unterschiedlicher Richtung, in der Innenfläche der Empfangsantenne 10 in der Summe (gleichbedeutend mit dem Integral über die Fläche) genau aufheben.
12c) zeigt eine koaxiale Anordnung von Sende- und Empfangsantenne 20, 10 zueinander. Die Sendeantenne 20 ist ringförmig ausgebildet und weist zwei Antennenanschlüsse 20-1, 20-2 auf. Ihre einzige Windung ist mit L0 gekennzeichnet. Die Empfangsantenne umfasst zwei ringförmige Windungen L1, L2, welche an einem Ende kurzgeschlossen und am anderen Ende über Antennenanschlüsse 10-1, 10-2 kontaktierbar sind. Die Windungen L1, L2 der Empfangsantenne 10 sind konzentrisch auf gleicher Ebene angeordnet. Konzentrisch bedeutet, dass diese einen gemeinsamen Mittelpunkt mit der Windung L0 der Sendeantenne 20 aufweisen. Die Durchmesser D der Windungen L0, L1, L2 sind so gewählt, dass gilt: D_L1 > D_L0 > D_L2 (1).
Die Durchmesser der Windungen D_L1 und Du sind so gewählt, dass das Verhältnis zum Durchmesser D_L0 der Sendeantenne 20 für beide Anordnungen gleich ist, d. h.
Dies hat zur Folge, dass sich zwischen den Windungen L1 und L0 sowie zwischen den Windungen L0 und L2 ein gleicher Kopplungsfaktor k einstellt. Wird in der Sendeantenne 20 ein magnetisches Feld erzeugt, so führen die für die Windungspaare L1, L0 und L2, L0 identischen Kopplungsfaktoren k₁₀ und k₂₀ dazu, dass die in den Windungen L1 und L2 induzierte Wechselspannungen den gleichen Betrag aufweisen und sich an den Antennenanschlüssen gegenseitig aufheben.
Eine nicht zu verhindernde zusätzliche magnetische Kopplung k₂₁ zwischen den Windungen L1 und L2 fuhrt dazu, dass sich die in Gleichung (2) angegebenen Durchmesserverhältnisse nicht exakt, sondern nur in sehr guter Näherung ergeben. Durch entsprechende geringfügige Anpassung der Durchmesser Du und Du kann die Antennenanordnung trotzdem so eingestellt werden, dass die in den Windungen L1 und L2 induzierte Wechselspannung den gleichen Betrag aufweist.
Im Normalbetrieb, in dem die Sendeantenne ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, ist die Ausgangsspannung an den Antennenanschlüssen 10-1, 10-2 der Empfangsantenne 20 annähernd Null. Ein von außen, durch das externe Lesegerät eingekoppeltes Magnetfeld induziert in den Windungen L1, L2 unterschiedliche Spannungen aufgrund unterschiedlicher Kopplungsfaktoren, so dass sich die beiden Spannungen am Anschluss nicht aufheben können. Ein außerhalb der Speicherkarte erzeugtes magnetisches Wechselfeld induziert daher in der Empfangsantenne 10 eine in der Summe deutlich detektierbare elektrische Spannung.
Bedingt durch Fertigungstoleranzen oder durch parasitäre kapazitive Kopplung zwischen den Antennen 10, 20 lässt sich bei allen vorgenannten Ausführungsformen die in der Empfangsantenne 10 durch die Sendeantenne 20 induzierte Spannung nie exakt auf Null einstellen. Es ist daher vorgesehen, den Strom durch die Sendeantenne 20 zu messen, um einen Korrekturparameter zur Kompensation einer in die Empfangsantenne beim Senden der Sendeantenne induzierten Spannung zu ermitteln. Dies wird besser anhand eines Vergleichs der in den 13 und 14 dargestellten Blockschaltbilder einer bekannten Verarbeitungseinheit für eine aktive Lastmodulation (14) und eine in einem erfindungsgemäßen Träger erweiterte Verarbeitungseinheit (13) ersichtlich.
14 zeigt schematisch den Aufbau einer Verarbeitungseinheit eines bekannten Datenträgers. Genauer stellt die Verarbeitungseinheit einen Interfacebaustein für einen Chip des Datenträgers mit einer S²C-Schnittstelle dar.
Der Interfacebaustein 61 ist mit einem Signaleingang SIGIN und einem Signalausgang SIGOUT ausgestattet, um Signale von der Antenne 10 zu dem Chip (nicht gezeigt) und vom Chip, welcher das modulierte Hilfsträgersignal generiert, zu der Antenne 10 zu leiten. Ein Signal an SIGOUT besteht aus einem 13,56 MHz TTL-Signal, welches gegebenenfalls ein Modulationssignal eines entfernten Lesegerätes enthält. Der Interfacebaustein 60 umfasst einen Verstärker 70, ein AND-Gatter 62, einen Oszillator 63, einen Frequenzteiler 65, einen Signalformer 64 und einen Schalter 66. Der Verstärker 70 kann beispielsweise ein Gegentaktverstärker mit (digitalen) Push-Pull Ausgangsverstärkern (nicht gezeigt) sein. Des Weiteren besitzt der Interfacebaustein 60 zwei Antennenanschlüsse LA und LB und eine Serienkapazität 61. Darüber hinaus besitzt der Interfacebaustein 60 Anschlüsse Vcc-in und GND zur Energieversorgung und einen Steuereingang CTRL, um zwischen einem Sende- und Empfangsbetrieb des Interfacebausteins mittels des Schalters 66 umzuschalten.
Das extern modulierte Hilfsträgersignal wird über eine geeignete Schnittstelle (z. B. S2C Interface von Philips) an den Signaleingang SIGIN des Interfacebausteins 61 geführt und dort wie nachfolgend beschrieben weiter verarbeitet. Das Hilfsträgersignal ist beispielsweise ein 848 kHz TTL-Signal, welches ASK (ISO/IEC 14443 A, Manchester Code) oder BPSK (ISO/IEC 14443 B, NRC Code) moduliert ist.
Befindet sich der Interfacebaustein im Sendebetrieb, d. h. es findet eine kontaktlose Datenübertragung an ein externes Lesegerät oder ein NFC-Gerät statt, so wird am Signaleingang SIGIN durch den Smart-Card-Chip ein moduliertes Hilfsträgersignal eingespeist und optional in einem Inverter 67 invertiert. Das invertierte Signal E wird im AND-Gatter 62 als Trägerfrequenzmodulator mit einem 13,56 MHz Trägerfrequenzsignal verknüpft und dem Verstärker 70 zugeführt.
Die Antenne 10 und die Serienkapazität 61 bilden einen Reihenschwingkreis, welcher mit den Ausgängen LA' und LB' des Verstärkers 70 verbunden ist, so dass der im Resonanzfall fließende HF-Strom im Antennenschwingkreis nur durch die ohmschen Widerstände in den Leitungen und im Verstärker 70 begrenzt wird. Dadurch wird eine größtmögliche Sendeleistung des Interfacebausteins erreicht.
Ferner kann dem Smart-Card-Chip über den Schalter 66 im Sendebetrieb über den Ausgang SIGOUT ein konstantes 13,56 MHz Taktsignal vom Oszillator 63 zugeführt werden, sofern er ein solches (externes) Taktsignal zum Betrieb benötigt, um einen genauen Takt (Timing) einzuhalten. Wie bereits beschrieben, ist dies für eine Kommunikation nach dem Standard ISO 14443 Typ A notwendig.
Im Empfangsbetrieb wird dem Smart-Card-Chip über den Schalter 66 und den Ausgang SIGOUT ein digitalisiertes, von der Antenne 10 abgegriffenes Empfangssignal zugeführt. Der Signalformer 64 funktioniert dabei als Verstärker, um auch schwache Signale empfangen zu können, und als Schwellenschalter, um am Ausgang des Signalformers ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann als Schwellenschalter ein Schmitt-Trigger eingesetzt werden, der abhängig vom Über- bzw. Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts einen eindeutigen High- bzw. Low-Pegel ausgibt.
Über den Steuereingang des Gegentaktverstärkers 70 werden die Push-Pull-Ausgänge der Ausgangstreiber auf GND geschaltet, so dass aus der Antenne 10 und dem Kondensator 61 ein Parallelschwingkreis entsteht. Um Energie zu sparen, kann der Verstärker 70 im Empfangsbetrieb des Interfacebausteins in einen Stromsparmodus geschaltet werden.
Der Oszillator 63 erzeugt das im Sendebetrieb benötigte 13,56 MHz Trägerfrequenzsignal. Kann der Oszillator im Empfangsbetrieb nicht abgeschaltet werden, da sein Einschwingvorgang ggf. zu lange dauert, so wird der Oszillator im Empfangsbetrieb des Interfacebausteins bevorzugt auf einer Vielfachen N des Trägerfrequenzsignals (z. B. 27,120 MHz) betrieben, um das ggf. schwache Empfangssignal nicht durch Übersprechen zu stören. Im Sendebetrieb kann dann durch Teilung des Oszillatorsignals durch N mittels eines optionalen Teilers 65 das benötigte 13,56 MHz Signal erzeugt werden.
Der Steuersignaleingang CTKL für ein Steuersignal ist optional, da sich das Steuersignal zum Umschalten des Betriebsmodus auch aus dem Eingangssignal am Signaleingang SIGIN ableiten lässt. Beispielsweise kann ein monostabiles Zeitglied (Monoflop) aus dem Eingangssignal an SIGIN ein Steuersignal erzeugen. Es gibt nur dann ein aktives Eingangssignal, wenn der Chip Daten senden möchte. Triggert man nun mit der ersten Flanke des Eingangssignals das monostabile Zeitglied, erhält man als Ausgang des Zeitgliedes ein Steuersignal. Insbesondere sollte das Zeitglied nachtriggerbar realisiert werden und so eingestellt sein, dass es etwa nach einer Zeit von der 1 bis 2-fachen Bitdauer (also maximal der FGT, Frame Guard Time) in den Ausgangszustand zurückfällt. Somit steuert das Steuersignal wieder einen Empfangsbetrieb an, wenn keine Daten mehr gesendet werden.
13 zeigt die erfindungsgemäße Erweiterung zur Synchronisierung der Sendefrequenz des Datenträgers mit der Sendefrequenz des Lesegeräts bei einem Transponder mit aktiver Lastmodulation. Das analoge Frontend des Transponders des Datenträgers umfasst die Empfangsantenne 10, die Sendeantenne 20 sowie eine Schaltung 69 zur Ableitung eines 13,56 MHz Clocksignals aus dem von dem Lesegerät empfangenen Signal. Die Schaltung 65 kann ein einfacher, geregelter Verstärker mit Begrenzung, aber auch eine PLL (Phase Locked Loop) sein, welche das von der Empfangsantenne 10 empfangene Signal als Referenzfrequenz verwendet.
Zur Messung des durch die Sendeantenne 20 fließenden Stroms ist die Antenne über eine Leitung 68 mit der Schaltung 69 verbunden, über die der Messwert als äquivalente Spannung U_TX eingespeist wird. Die Spannung U_TX wird dazu verwendet, eine in der Empfangsspule beim Senden ungewollt induzierte Spannung durch eine gegenphasige Spannung U'_TX gleichen Betrags zu kompensieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2141637 A1 [0009]
DE 102010016066 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

RFID-Systeme, beispielsweise für verschiedene Kopplungsarten, sowie eine Lastmodulation unter Verwendung eines Hilfsträgers in induktiv gekoppelten RFID-Systemen werden insbesondere unter Kapitel 3.2 in dem „RFID-Handbuch”, 5. Auflage, Hanser Verlag, von Klaus Finkenzeller [0003]
„RFID-Handbuch” in Kapitel 4.1.6 und 4.1.9.2 von Klaus Finkenzeller [0051]
ISO/IEC 14443 A, Manchester Code [0063]
ISO/IEC 14443 B, NRC Code [0063]

Claims

Tragbarer Datenträger, insbesondere Speicherkarte, mit einem Träger (100) und zumindest einer Antenne (10), die eine Mehrzahl an Windungen sowie eine Mehrzahl an Antennenanschlüssen (1, 2, 3, 4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass, in Abhängigkeit einer Einbausituation des Datenträgers in einem Endgerät, zur Verschiebung der Position der Antenne (10) auf dem Träger (100) zwei der Antennenanschlüsse (1, 2, 3, 4, 5) für einen Anschluss einer von n gleichartigen Teilantennen der Antenne (10) derart auswählbar sind, dass zwischen den jeweils zwei auswählbaren Antennenanschlüssen (1, 2, 3, 4, 5) eine gleiche Windungszahl gegeben ist, wodurch die n Teilantennen bei gleicher Frequenz betreibbar sind.
Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Position der Antenne (10) kleiner ist als die Größe der Antenne (10).
Datenträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Windungen (11, 12, 13, 14, 15) der Antenne (10) gleich groß ist.
Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine weitere Antenne (20) umfasst, deren Spulenachse in einem Winkel von 90° zu der Spulenachse der Antenne (10) angeordnet ist.
Datenträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (10) und die weitere Antenne (20) hinsichtlich ihrer Sende- und Empfangssignale voneinander entkoppelt sind.
Datenträger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Antenne (20) eine Mehrzahl an Windungen sowie eine Mehrzahl an weiteren Antennenanschlüssen (1, 2, 3, 4, 5) aufweist, wobei in Abhängigkeit einer Einbausituation des Datenträgers in einem Endgerät, zur Verschiebung der Position der weiteren Antenne (20) auf dem Träger (100) zwei der weiteren Antennenanschlüsse () für einen Anschluss einer von m gleichartigen weiteren Teilantennen der weiteren Antenne (20) derart auswählbar sind, dass zwischen den jeweils zwei auswählbaren weiteren Antennenanschlüssen eine gleiche Windungszahl gegeben ist, wodurch die m weiteren Teilantennen bei gleicher Frequenz betreibbar sind.
Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (10) und/oder die weitere Antenne (20) als planare Antenne (10) ausgebildet ist.
Datenträger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Position der Antenne (10) und/oder der weiteren Antenne (20) in einer Ebene erfolgt, welche senkrecht zu der Spulenachse der Antenne (10) steht.
Datenträger nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Windung (11, 12, 13, 14, 15) abschnittsweise in unterschiedlichen Ebenen des Trägers (1) ausgebildet ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (11, 12, 13, 14, 15) in unterschiedlichen Ebenen des Trägers (1) ausgebildet sind.
Datenträger nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (11, 12, 13, 14, 15) die Gestalt eines Parallelogramms aufweisen.
Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (10) und/oder die weitere Antenne (20) als Ferrit- oder SMD-Antenne, insbesondere als Stabantenne, ausgebildet ist.
Datenträger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Windungen (11, 12, 13, 14, 15) der Antenne (10) und/oder der weiteren Antenne (20) längs einer Spulenachse der betreffenden Antenne (10) hintereinander angeordnet sind.
Datenträger nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Position der Antenne (10) und/oder der weiteren Antenne (20) einer Spulenachse der betreffenden Antenne (10) erfolgt.