DE102011016086A1 - Method for constructing and designing coupling elements for radio frequency identification transponder and/or electronic marking for e.g. identification of product, involves providing combined coils by retention of normal coils - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Transponder und/oder elektronische Markierungen, die in einer für die jeweilige Anwendung problematischen Umgebung, d. h. in oder auf Metall, Flüssigkeit, allgemein bei Anwesenheit von leitfähigen und/oder elektromagnetische Wellen reflektierende Materialien eingesetzt werden sollen.The invention relates to transponders and / or electronic tags that are in a problematic environment for the particular application, d. H. in or on metal, liquid, generally in the presence of conductive and / or electromagnetic waves reflective materials to be used.
Unter Transponder soll im hier gegebenen Zusammenhang im Folgenden jede Art von Einheit verstanden werden, die
- • zum Empfang oder zur Aufnahme von Signalen geeignet ist und die
- • daraufhin im Sinne einer Antwort
- – zum Aussenden von Signalen oder
- – zur Weitergabe von Signalen oder
- – zu einer anderen erkennbaren Reaktion
- • is suitable for receiving or recording signals and the
- • then in the sense of an answer
- - to send signals or
- - for the transmission of signals or
- - to another recognizable reaction
Das Kunstwort „Transponder”, gebildet aus „Transceiver” und „Responder”, beschreibt dies.The artificial word "transponder", formed of "transceiver" and "responder", describes this.
Dabei ist es unerheblich, wie die dabei auftretenden Signale transportiert werden und über welche Übertragungsstrecken das erfolgt.It is irrelevant how the occurring signals are transported and over which transmission lines that takes place.
Es ist zudem unerheblich, aus welchen Elementen und Bausteinen (Schwingkreise, Resonatoren, Nichtlinearitäten, usw.) sie aufgebaut sind und/oder ob sie eine eigene Intelligenz (z. B. einen Mikroprozessor oder Controller) aufweisen.It is also irrelevant from which elements and components (resonant circuits, resonators, non-linearities, etc.) they are constructed and / or whether they have their own intelligence (eg a microprocessor or controller).
Die Unterscheidung zwischen einem Transponder und einer Markierung ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung nur marginal. Während ein Transponder in beliebiger Form durch die gerade definierten Eigenschaften als „Einheit mit der Fähigkeit zu einer Antwort auf ein Signal”, charakterisiert ist (und in diesem Sinne stets eine „vollständige” Transponderfunktion für eine Objektkennzeichnung bereitstellt) soll bei einer Markierung, die u. U. elektronische Komponenten eines Transponders oder einer Transponderfunktion enthalten kann, die „Eigenschaft des Markierens” als solche im Vordergrund stehen. Transponder und Markierungen können u. U. gleich sein, können aber auch von unterschiedlicher Art und Funktion sein. Wesentlich ist im gegebenen Zusammenhang mit dieser Erfindung, dass die Probleme, geprägt durch Eigenschaften elektromagnetischer Felder in Bezug auf die Gegenwart von leitfähiger Materie von gleicher Art sind. Daher soll im Folgenden unter Transponder oder Markierung jeweils beides gesehen und nur der Transponder genannt werden.The distinction between a transponder and a tag is only marginal in the context of this invention. While a transponder in any form is characterized by the just defined properties as a "unit capable of responding to a signal" (and in this sense always provides a "complete" transponder function for an object identifier), a flag indicating, i , U. may contain electronic components of a transponder or a transponder function, the "property of marking" as such are in the foreground. Transponders and markers can u. U. may be the same, but can also be of different types and functions. It is essential, in the context of this invention, that the problems characterized by properties of electromagnetic fields in relation to the presence of conductive matter are of the same type. Therefore, in the following each under transponder or marking to be seen both and only the transponder may be mentioned.
Dabei ist es unerheblich, ob diese Transponder oder Markierungen
- – aktiv (d. h. mit einer eigenen Stromversorgung),
- – semiaktiv oder semipassiv (Stromversorgung nur für definierte Funktionen, nicht für die eigentliche Signalübertragung) oder
- – auch passiv (ohne eigene Stromversorgung)
- - active (ie with its own power supply),
- - semi-active or semi-passive (power supply only for defined functions, not for the actual signal transmission) or
- - also passive (without own power supply)
Es sei an dieser Stelle festgelegt, dass mit der Bezeichnung „elektromagnetisches Feld” stets das ganze bekannte Spektrum elektromagnetischer Felder umfassend bezeichnet werden soll. Das heißt, dass ein Feld z. B. sehr hohe Frequenzen aufweisen kann, dass es aber auch
- – z. B. „nur” als magnetisches Feld vorliegen kann, d. h. als ein Feld, das auf Grund einer niedrigen Frequenz (runter bis auf f = 0 Hz) nur von sehr geringen elektrischen Feldkomponenten begleitet wird, oder
- – z. B. „nur” als elektrisches Feld vorliegen kann, d. h. als ein Feld, das auf Grund einer niedrigen Frequenz nur von sehr geringen magnetischen Feldkomponenten begleitet wird,
- – z. B. als Feld in einer beliebigen Form (moduliert oder unmoduliert, usw.) und/oder mit beliebigen Frequenzkomponenten vorliegen kann,
- - z. B. "only" can be present as a magnetic field, ie as a field that is accompanied by a low frequency (down to f = 0 Hz) only very small electric field components, or
- - z. B. "only" may be present as an electric field, that is, as a field that is accompanied due to a low frequency of only very small magnetic field components,
- - z. B. can be present as a field in any form (modulated or unmodulated, etc.) and / or with any frequency components,
Interaktionen zwischen elektromagnetischen Feldern und Materie werden im Rahmen der Elektrodynamik durch Materialkonstanten behandelt. Im erfindungsgemäßen Umfeld geschieht das in dem Sinne, dass die Beziehung zwischen einer ursächlichen Größe und einer daraus sich ergebenden Wirkungsgröße durch ein Proportionalitätsfaktor dargestellt wird, dessen Größe durch die anwesende Materie zumindest moduliert wird. Im erfindungsgemäßen Rahmen betrifft das im Wesentlichen die
- – Permittivität ε der Materie (z. B. im Verschiebungsstrom D: D = εE),
- – Leitfähigkeit κ der Materie (z. B. in der Stromdichte j: j = κE) und
- – Permeabilität μ der Materie (z. B. in B = μH).
- Permittivity ε of the matter (eg in the displacement current D: D = εE),
- - Conductivity κ of matter (eg in the current density j: j = κE) and
- Permeability μ of the matter (eg in B = μH).
Im gegebenen Rahmen besteht im Zusammenhang mit „elektromagnetischen Feldern” bezüglich einer Kopplung ein Darstellungsproblem, das mit der folgenden Sichtweise umgangen werden soll: Üblicherweise wird (im hier gegebenen Rahmen) eine Kopplung mit Spulen als „induktiv” angesehen. Dadurch soll ausgedrückt werden, dass die primäre Kopplung bei einer spulenartigen Anordnung durch die magnetische Komponente eines Feldes erfolgt, das die Fläche durchflutet, die vom (zur Spule gewickelten) Draht umrandet wird. Unabhängig von einer solchen Sichtweise ist aber völlig klar, dass dabei „elektromagnetische Felder”, also fast immer elektrische und magnetische Felder in enger Kombination zugleich vorhanden sind. Dies deshalb, weil ein sich änderndes magnetisches Feld ein elektrisches Feld erzeugt und umgekehrt. Der Zusammenhang zwischen den beiden Feldarten ergibt sich aus den Maxwellschen Gleichungen, was hier durch rot H = dD/dt + j und rot E = –dB/dt gegeben ist. (mit E = elektrisches Feld, D = elektrische Flussdichte bzw. elektrische Verschiebungsdichte, J = elektrische Stromdichte, H = magnetische Feldstärke und B = magnetische Flussdichte bzw. magnetische Induktion)In the given context, in connection with "electromagnetic fields" with regard to a coupling, there is a representation problem that should be circumvented with the following view: Usually (in the context given here) a coupling with coils is considered to be "inductive". This is to express that the primary coupling in a coil-like arrangement is by the magnetic component of a field that floods the surface that is going from the coil to the coil wrapped) wire is edged. Regardless of such a view, however, it is quite clear that "electromagnetic fields", ie almost always electrical and magnetic fields are present in close combination at the same time. This is because a changing magnetic field generates an electric field and vice versa. The connection between the two field types results from the Maxwell equations, which is given here by red H = dD / dt + j and red E = -dB / dt. (with E = electric field, D = electrical flux density or electric shift density, J = electric current density, H = magnetic field strength and B = magnetic flux density or magnetic induction)
Da der Verschiebungsstrom D (D = εE, ε = Permittivität) und die Stromdichte j (j = κE, κ = Leitfähigkeit) durch das am Ort gegebene elektrische Feld erzeugt bzw. „getragen” werden und die magnetische Flussdichte B und die magnetische Spannung H (durch eine Materialkonstante μ gemäß B = μH, μ = Permeabilität) verbunden sind, sind die beiden hierbei vorliegenden Feldarten (also elektrische und magnetische Felder) in einer gewissen, räumlich und zeitlich zu sehenden Symmetrie verkoppelt. Lediglich der Schwerpunkt bei einer Kopplungsbetrachtung bzw. die Übertragungsart wird einmal eher durch die magnetische Feldkomponente, ein anderes Mal eher durch die elektrische Komponente als gegeben angesehen. Eine Kopplung kann aber an sich sowohl durch die magnetische Feldkomponente, als auch durch die elektrische „getragen” werden.Since the displacement current D (D = εE, ε = permittivity) and the current density j (j = κE, κ = conductivity) are generated by the on-site electric field, and the magnetic flux density B and the magnetic strain H (By a material constant μ according to B = μH, μ = permeability) are connected, the two present field types (ie electrical and magnetic fields) are coupled in a certain, spatially and temporally visible symmetry. Only the focus in a coupling consideration or the transmission is considered once by the magnetic field component, sometimes by the electrical component rather than given. However, a coupling can be "carried" in itself both by the magnetic field component, as well as by the electrical.
Die erfindungsgemäß darzustellende Technik berücksichtigt im hier gegebenen Rahmen die stets vorhandene Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern (im Folgenden oftmals als „Feldarten” bezeichnet) auch wenn mal die eine Sichtweise, mal die andere in den Vordergrund gerückt wird. Dies vor allem deshalb, weil gerade auf eine gemeinsam getragene Übertragung durch die elektrischen und magnetischen Felder Wert gelegt wird. Die Beziehungen zwischen den zu unterscheidenden Feldarten sind, wie noch dargestellt wird, durch den symmetrischen Aufbau der Feldbeziehungen geprägt.In the context given here, the technique to be represented according to the present invention takes into account the ever-present combination of electric and magnetic fields (hereinafter often referred to as "field types") even if one viewpoint, the other is emphasized. This is mainly because of the importance of shared transmission through the electric and magnetic fields. The relationships between the types of field to be distinguished are characterized, as will be seen, by the symmetrical structure of the field relationships.
Für das Folgende gelten über das bisher definierte hinaus (soweit im jeweiligen Zusammenhang nicht anderes explizit angegeben ist) die folgenden Definitionen:
- – „Resonatoren” bestehen hier i. a. (aber nicht immer und evtl. nicht nur) aus Induktivitäten und Kapazitäten mit für spezifische Arbeitsfrequenzen aufeinander abgestimmten Größen und haben i. a. keinen galvanischen Kontakt zu anderen Teilen einer aktiven Schaltung (außer evtl. zu Schaltfunktionen). Die besondere Eigenschaft, dass sie in gewissem Sinne nur dazu da sind, um zu schwingen und in diesen Schwingungen Energie anzusammeln, grenzt ihre Funktion von einem „normalen Schwingkreis” ab. Obwohl Resonatoren also an sich ebenfalls Schwingkreise darstellen, werden sie zur Abgrenzung dieser Eigenschaft als „Resonatoren” bezeichnet. Wesentlich im erfindungsgemäßen Umfeld ist, dass eine Kopplung von Resonatoren meist über die magnetische Feldkomponente erfolgt, womit die im Zusammenhang zu sehenden Probleme bzgl. einer Anwesenheit leitender Materie gegeben sind.
- – „Übertragungsstrecken” sind von beliebiger Art und dienen der Übertragung von Signalen und/oder Energie. Dabei ist es unerheblich, auf welche Weise diese transportiert werden und über welche Übertragungsstrecken das erfolgt, also ob sie
- – nicht an Leitungen gebunden
- – unter Nutzung eines beliebigen Trägermediums (z. B. Vakuum, Luft, Flüssigkeit, feste Materialien, usw.) oder
- – unter Nutzung eines beliebigen Trägers (z. B. Licht, elektromagnetische Felder, Schall, Vibrationen, usw.) übertragen werden oder
- – über Leitungen übertragen werden, also durch oder entlang Materie, z. B. durch geführte Strecken, die
- – aus beliebigem Material (Metall, Holz, Kunststoff, Stein, usw.) und/oder
- – von beliebiger Form (linienförmige Drähte oder Kernmaterialen z. B. als magnetische Leiter oder flächige Leiter oder Volumenleiter, Rund, Hohl wie z. B. Rohre, rechteckigförmig und/oder Mikrowellen-Hohlleiter, quaderförmig, Vollmaterialien, beliebige Kabelformen, usw.) und/oder
- – eine beliebige andere Eigenschaften (leicht, schwer, warm, kalt, usw.) haben können, geleitet werden.
- – Bei gleicher Frequenzabstimmung bilden Resonatoren paarweise ein „Resonatorpaar”, wobei mehrere Resonatoren oder Resonatorpaare zugleich ausgebildet und genutzt werden können.
- – Als „Sendeschaltung” soll jede Einheit zur Erzeugung eines Signals verstanden werden, das auf eine Übertragungsstrecke geschickt werden soll, auch z. B. nur eine einfache Generatorschaltung, wenn diese z. B. ein Trägersignal generiert (vgl.
3 )). - – Unter „Sendestation” wird eine Sendeschaltung, einschließlich aller Maßnahmen und Mittel zur Auskopplung von Signalen aus der Sendestation bzw. zum Einkoppeln dieser Signale auf eine beliebige Übertragungsstrecke verstanden. Zum Beispiel (
1 ) mit Generatoren (3 ) und Abstrahleinrichtungen (wie Spulen (4 ), Resonatoren, Antennen, usw.), die zur Abgabe und Abstrahlung elektromagnetischer Felder fähig sind; oder auch z. B. einfach Einheiten zur Aussendung von Licht. - – Als „Empfangsstation” wird eine Empfangsschaltung, einschließlich aller Maßnahmen und Mittel zum Einkoppeln von Signalen bzw. zur Entnahme von Signalen aus einer Übertragungsstrecke verstanden. Zum Beispiel (
2 ) mit einer Anordnung zur Aufnahme von Signalen (6 ), z. B. einer Spule (6 ), einer Antenne, eines Resonators, usw. (aber auch z. B. Lichtempfänger) und einer Nutz- oder Verarbeitungseinrichtung (7 ), die als Empfangsschaltung bezeichnet wird. - – Als „Empfangsschaltung” soll der spezielle Teil einer Empfangsstation gesehen werden, der zur Nutzung von Signalen (oder Energie) aus einer Übertragungsstrecke vorgesehen ist. (vgl.
7 ))
- - "resonators" consist here in general (but not always and possibly not only) of inductances and capacitances with sizes adapted to each other for specific operating frequencies and generally have no galvanic contact to other parts of an active circuit (except perhaps to switching functions). The special property that in a sense they are only there to vibrate and accumulate energy in these vibrations, distinguishes their function from a "normal resonant circuit". Although resonators therefore also represent oscillating circuits, they are referred to as "resonators" in order to delimit this property. It is essential in the context according to the invention that a coupling of resonators usually takes place via the magnetic field component, whereby the problems to be seen in connection with respect to a presence of conductive matter are given.
- - "Transmission links" are of any type and are used to transmit signals and / or energy. It does not matter in which way they are transported and over which transmission links this takes place, ie whether they
- - not tied to lines
- - using any carrier medium (eg vacuum, air, liquid, solid materials, etc.) or
- - be transmitted using any carrier (eg light, electromagnetic fields, sound, vibrations, etc.) or
- - Are transmitted via lines, so by or along matter, z. B. by guided routes, the
- - made of any material (metal, wood, plastic, stone, etc.) and / or
- Of any shape (line-shaped wires or core materials eg as magnetic conductors or flat conductors or volume conductors, round, hollow such as tubes, rectangular and / or microwave waveguides, cuboid, solid materials, any cable shapes, etc.) and or
- - have any other properties (light, heavy, warm, cold, etc.) can be directed.
- - With the same frequency tuning resonators pairwise form a "pair of resonators", with multiple resonators or pairs of resonators can be formed and used at the same time.
- - As a "transmission circuit", each unit should be understood to generate a signal to be sent on a transmission path, including z. B. only a simple generator circuit, if this z. B. generates a carrier signal (see.
3 )). - "Transmission station" is understood to mean a transmission circuit, including all measures and means for decoupling signals from the transmitting station or for coupling these signals to any transmission link. For example (
1 ) with generators (3 ) and emitting devices (such as coils (4 ), Resonators, antennas, etc.) capable of emitting and radiating electromagnetic fields; or z. B. simply units for emitting light. - - As a "receiving station" is a receiving circuit, including all measures and Means for coupling signals or for taking signals from a transmission link understood. For example (
2 ) with an arrangement for receiving signals (6 ), z. B. a coil (6 ), an antenna, a resonator, etc. (but also, for example, light receiver) and a utilization or processing device (7 ), which is called a receive circuit. - The "receiving circuit" is intended to be the special part of a receiving station which is provided for the use of signals (or energy) from a transmission path. (see.
7 ))
Transponder, die zur Kennzeichnung von Produkten und Objekten eingesetzt werden, sind z. B. von Auto-ID- und RFID-Anwendungen her bekannt. Lesegeräte, die elektromagnetische Felder generieren und aussenden und die mit diesen Feldern sowohl einen Transponder mit Energie versorgen können, als auch Daten an ihn übermitteln, können einen Transponder erkennen und dadurch z. B. ein mit diesem Transponder verbundenes Objekt identifizieren. Hierzu werden aktive, semiaktive oder passive Transponder mit jeweils einem zu kennzeichnenden Produkt oder Objekt verbunden. Diese Verbindung kann je nach Logistik oder Strategie unlösbar oder auch lösbar sein.Transponders that are used to label products and objects are, for. B. known from auto-ID and RFID applications ago. Readers that generate and send out electromagnetic fields and that can supply both a transponder with energy with these fields, as well as transmit data to him, can recognize a transponder and thereby z. B. identify an object associated with this transponder. For this purpose, active, semi-active or passive transponders are each connected to a product or object to be identified. Depending on the logistics or strategy, this connection can be unsolvable or even solvable.
Andere, weitergehende Anwendungen sind mit Transpondern oder Markierungen möglich. So ist z. B. die Nutzung von Transpondern im Zusammenhang mit Zugangssystemen, bei sensorischen und/oder messtechnischen Aufgaben bekannt.Other, more advanced applications are possible with transponders or markers. So z. As the use of transponders in connection with access systems, sensory and / or metrological tasks known.
So sind z. B. drahtlos arbeitende Schaltfunktionsanwendungen bekannt, bei denen die Lesestation das Vorhandensein eines Transponders erkennt und dadurch die Funktionen eines Systems oder Gerätes aktiviert oder auslöst. Mit einer nur leicht modifizierten Technik sind Schaltfunktionen bekannt, bei denen die Transponder selbst erst durch Schaltfunktionen aktiviert oder deaktiviert werden und die sich dabei (u. U. auch dauerhaft) im Erkennungsfeld einer Lesestation befinden können. Die eigentliche Schaltfunktion wird hierbei jeweils über die Leseeinheit vermittelt.So z. B. wireless switching function applications in which the reading station detects the presence of a transponder and thereby activates or triggers the functions of a system or device. With only a slightly modified technology, switching functions are known in which the transponders themselves are first activated or deactivated by switching functions and which can be located (possibly also permanently) in the detection field of a reading station. The actual switching function is in each case mediated via the reading unit.
Genutzt werden diese Techniken in der Logistik zur Warenverfolgung, zur Diebstahlsicherung, allgemein zur Auto-Identifikation, bei Zugangskontrollsystemen, beim Keyless-Entry, z. B. im Zusammenhang mit der Sicherung eines KFZs (Wegfahrsperren), für allgemeine Schalt- und Kontrollfunktionen, usw.These techniques are used in logistics for goods tracking, anti-theft, general car identification, access control systems, keyless entry, z. As in connection with the security of a vehicle (immobilizer), for general switching and control functions, etc.
Es sind weiter Techniken bekannt, mittels derer Sensorelemente (direkt oder indirekt) einen Einfluss auf die Eigenschaften eines Transponders nehmen (z. B. auf die Antennenanpassung, auf die Backscatterfrequenz oder auf die Frequenz eines lokalen Oszillators). Wird ein solcher Transponder von einer Lesestation abgefragt, dann kann eine zum jeweiligen analogen Wert bzw. Sensorwert proportionale Antwort gewonnen und zur Auswertung weiterleitet werden.There are also known techniques by means of which sensor elements (directly or indirectly) have an influence on the properties of a transponder (for example on the antenna adaptation, on the backscatter frequency or on the frequency of a local oscillator). If such a transponder is interrogated by a read station, then a response proportional to the respective analog value or sensor value can be obtained and forwarded for evaluation.
Im gegebenen Rahmen bestehen aber nicht nur die üblichen Transponderkonstruktionen. Zum Beispiel aus unserer
Der Aufbau eines solchen Überlagerungstransponders kann aktiv, semiaktiv oder semipassiv oder auch passiv sein und ist – wie bei den bekannten Transpondertypen – ebenfalls durch Nutzung induktiver Kopplungen bzw. durch elektromagnetischen Felder geprägt. Daher stellen sich ohne besondere Maßnahmen auf metallischen bzw. leitenden Oberflächen die gleichen Probleme ein, wie das von den induktiv gekoppelten RFID-Transpondern her bekannt ist, zumal gezielt durch Resonatoren unterstützte Techniken genutzt werden. Die Nutzung der Überlagerungstransponder stellt zwar (durch Nutzung unterschiedlicher, auch sehr niedriger Frequenzen) u. U. selbst eine Lösungen zur Nutzung im problematischen Umfeld dar; nicht alle Fälle können aber in üblicher Bauweise befriedigend gelöst werden.The structure of such a superimposition transponder can be active, semi-active or semi-passive or even passive and is - as in the known types of transponders - also characterized by the use of inductive couplings or by electromagnetic fields. Therefore, without special measures on metallic or conductive surfaces, the same problems arise, as is known from the inductively coupled RFID transponders ago, especially since specifically supported by resonators supported techniques. The use of the Überlagerungstransponder does indeed (by using different, even very low frequencies) u. U. itself a solutions for use in problematic environment; Not all cases can be solved satisfactorily in conventional construction.
Ein Einsatz von Transpondern und Markierungen ist daher, von der gegebenen Anwendung und von der jeweils gegebenen Umgebung abhängig, stets an Kompromisse gebunden.The use of transponders and markers is therefore dependent on the given application and on the given environment, always bound to compromise.
Zum Beispiel können sowohl die verwendeten Frequenzen, als auch die zur Verfügung stehenden Sendeenergien nicht beliebig gewählt und/oder festgelegt werden.For example, both the frequencies used, as well as the available transmission energies can not be arbitrarily selected and / or fixed.
Je höher die Frequenz gewählt wird, desto weiter kann (bei einem vergleichbaren Energieeinsatz) theoretisch der Aktionsradius ausgestaltet werden. Der Einsatz von hohen Frequenzen ist aber in einer problematischen Umgebung, z. B. bei einer Anwesenheit von Metall, oftmals nicht möglich, weil z. B. bei hohen Frequenzen durch die von einem elektromagnetischen Wechselfeld erzeugten Wirbelströme magnetische Wechselfelder praktisch aufgehoben werden. Dies ist frequenz- und materialabhängig.The higher the frequency chosen, the further (in the case of a comparable use of energy), theoretically, the action radius can be configured. The use of high frequencies but is in a problematic environment, eg. B. in the presence of metal, often not possible because z. B. at high frequencies by the eddy currents generated by an electromagnetic alternating field magnetic alternating fields are practically canceled. This is frequency and material dependent.
Nur Transponder, die mit kleinen Frequenzen arbeiten (z. B. 125 kHz) sind in problematischer Umgebung u. U. geeignet, weil evtl. die Dämpfungseffekte auf einem noch akzeptablen Niveau liegen können. Wenn aber elektromagnetische Felder bei niedrigen Frequenzen genutzt werden, können nur geringe räumliche Distanzen überwunden werden. Elektromagnetische Felder mit hohen Frequenzen sind zur Überbrückung größerer Distanzen zwar geeignet, diese arbeiten aber in diesem Umfeld bei hohen Frequenzen nicht.Only transponders that operate at low frequencies (eg 125 kHz) are in problematic environments. U. suitable because possibly the damping effects are at an acceptable level can. But if electromagnetic fields are used at low frequencies, only small spatial distances can be overcome. Although electromagnetic fields with high frequencies are suitable for bridging larger distances, they do not work in this environment at high frequencies.
Je kleiner die Frequenz gewählt werden muss, desto stärker müssen zudem die Felder werden, die von den Lesegeräten (zur Versorgung und zur Distanzüberbrückung) erzeugt werden müssen. Diese generierten Feldstärken dürfen aber wiederum andere (z. B. gesetzlich vorgeschriebene) Grenzwerte nicht überschreiten.The smaller the frequency must be chosen, the stronger must also be the fields that must be generated by the readers (for supply and distance bridging). However, these generated field strengths may not exceed other limits (eg prescribed by law).
Meist sind umfangreiche Versuche nötig, um in konkreten Anwendungen derartige Probleme zumindest teilweise in den Griff zu bekommen und meist bleibt die Notwendigkeit, in einem problematischen Umfeld nur sehr niedrige Frequenzen einzusetzen, weiterhin bestehen.In most cases, extensive tests are required to at least partially overcome such problems in concrete applications, and most of the time, the need to use only very low frequencies in a problematic environment persists.
Allerdings bestehen auch Insellösungen, die einige Möglichkeiten weit treiben können: So sind Anordnungen bekannt, die die an der Transponderempfangsspule wirksamen Felder so führen, dass diese zwar die Antennenspule durchfluten können, aber nicht wesentlich in das unter dem Transponder liegende Metall eindringen; dadurch können nur kleine Wirbelströme entstehen und die Dämpfung der magnetischen Feldkomponente fällt geringer aus.However, there are also isolated solutions that can drive some possibilities far: So arrangements are known, which carry the effective at the transponder receiving coil fields so that they can indeed pass through the antenna coil, but not substantially penetrate into the underlying metal under the transponder; As a result, only small eddy currents can occur and the attenuation of the magnetic field component is smaller.
Derartige „Feldleitungsstrategien” werden sowohl durch konstruktive Maßnahmen (z. B. durch eine Abstandshaltung der Transponderspule von der Metalloberfläche und/oder durch geeignete Kernstrukturen) als auch durch geeignete Materialien (z. B. mit guter Magnetfeldleitung aber schlechter Stromleitfähigkeit) erreicht.Such "field line strategies" are achieved both by constructive measures (eg by keeping the transponder coil at a distance from the metal surface and / or by suitable core structures) and by suitable materials (eg with good magnetic field conduction but poor electrical conductivity).
Für genau festgelegte (hohe) Frequenzen können manchmal metallische Strukturen auch geeignet geändert bzw. genutzt werden, so dass diese Strukturen dann sogar als Antenne eingesetzt werden können, (z. B. Schlitzantennen, d. h. spezialisiert konstruierte, HF-durchlässige Durchbrüche, die in einen Metallkörper eingearbeitet werden). Trotz des Einbaus eines Transponders in das Innere einer metallenen Hülle, kann so u. U. – auf genau definierten Frequenzen – eine HF-Abstrahlung erreicht werden.For well-defined (high) frequencies, sometimes metallic structures can also be suitably changed or used, so that these structures can even be used as an antenna (eg slot antennas, ie specially designed RF-transmissive breakthroughs) Metal body are incorporated). Despite the installation of a transponder in the interior of a metal shell, so u. U. - on well-defined frequencies - RF radiation can be achieved.
Der wichtigste Grund für die bestehenden Probleme bleibt aber generell ungelöst: Die jeweilige Spulenanordnung einer Empfangsanordnung eines Transponders liegt konstruktionsbedingt meist so, dass die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes die Spulenfläche jeweils durchfluten kann. Dabei dringt das Magnetfeld aber ganz oder teilweise auch in das vorhandene, leitende Material ein. Bei hohen Frequenzen werden elektrische Wirbelfelder, durch diese werden in dem leitenden Material wiederum Wirbelströme erzeugt, wodurch wiederum ein gegen das magnetische Feld gerichtetes Gegenfeld erzeugt wird. Die magnetische Wechselfeldkomponente kann dadurch für einen an der Oberfläche befestigten Transponder praktisch bis zur Wirkungslosigkeit gedämpft werden.The most important reason for the existing problems, however, generally remains unresolved: The design of the respective coil arrangement of a receiving arrangement of a transponder is usually such that the magnetic component of the electromagnetic field can in each case flow through the coil surface. However, the magnetic field completely or partially penetrates into the existing, conductive material. At high frequencies, electric vortex fields are generated, which in turn generate eddy currents in the conductive material, which in turn generates an opposing field directed against the magnetic field. The magnetic alternating field component can be attenuated by a transponder attached to the surface practically to the ineffectiveness.
Diese Darstellung zeigt nur die prinzipiellen Gegebenheiten. Die tatsächlichen Bedingungen können sehr viel komplizierter sein und sind z. B. von der Frequenz, der jeweiligen Umgebung, den Materialien, usw. abhängig. Sie sind im Nahfeld eines Senders anders, als im Fernfeld.This illustration only shows the basic conditions. The actual conditions can be much more complicated and are z. B. on the frequency, the particular environment, the materials, etc. dependent. They are different in the near field of a transmitter than in the far field.
Ohne leitfähige Materialien in der Nähe der Empfangsspule (
Liegt nun aber bei der an sich gleichen Anordnung der
Je nachdem, welche Materialien jeweils vorliegen, welche Bauformen vorliegen und wie die Ausgestaltung der Umgebung ist und welche sonstigen Einflüsse noch vorliegen, gibt es zwar fast immer bestimmte Frequenzen oder Frequenzbereiche, mit denen in einer gegebenen Anordnung eine Funktionsfähigkeit dann doch gegeben sein kann. Da aber die Frequenzen i. a. vorgegeben sind und in eng begrenzten Bereichen liegen, müsste die Umgebung konstruktiv angepasst werden. Das gezielte Auslegen einer Anordnung, einschließlich einer definierten Umgebung für eine bestimmte Anwendung, ist i. a. aber nur mit einem unakzeptabel großen Aufwand und nur sehr eingeschränkt oder gar nicht möglich.Depending on which materials are available in each case, what designs are available and what the design of the environment is and what other influences are still present, there are almost always certain frequencies or frequency ranges with which a functionality can then be given in a given arrangement. But since the frequencies are generally given and are in very limited areas, the environment would have to be adapted constructively. The targeted layout of a layout, including a defined environment for a particular application, is ia but only with an unacceptably large effort and only very limited or not possible.
In diesem Zusammenhang ist es die erfindungsgemäße Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem Transponder realisiert werden können, die möglichst unabhängig von der jeweiligen Umgebung und von den dort vorhandenen Materialien arbeiten. Die Aufgabe besteht weiter darin, konkrete Ausführungen für den Aufbau von Komponenten anzugeben, mit denen auch für ein problematisches Umfeld geeignete Transponder und/oder Markierungen realisierbar sind.In this context, it is the object of the invention to provide a method by which transponders can be realized which operate as independently as possible from the respective environment and from the materials present there. The object further consists in specifying concrete designs for the construction of components with which suitable transponders and / or markings can also be realized for a problematic environment.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Einsatzfähige Transponder oder Markierungen werden durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 angegeben.The solution to this problem is indicated by the characterizing part of
Danach wird statt der üblicherweise in Transpondern zur Ausbildung von Induktivitäten genutzten Spulen ein anderer Typ von Spulen verwendet, oder ein solcher anderer Typ von Spulen zusätzlich zu den üblicherweise verwendeten Spulen. Das gilt vor allem für die Spulen, die als Empfangseinrichtung für einen induktiven Empfang oder zur Kopplung zwischen einer Leseeinheit und einem Transponder vorgesehen sind. Diese neuen Spulen bilden gewissermaßen Spulen-Spulen in dem Sinn, dass diese erfindungsgemäßen Spulen einen Mittellinienverlauf aufweisen, der selbst einer Spule entspricht.Thereafter, instead of the coils commonly used in transponders for forming inductors, another type of coil is used, or such another type of coil in addition to the coil commonly used. This is especially true for the coils which are provided as receiving means for inductive reception or for coupling between a reading unit and a transponder. These new coils effectively form coil coils in the sense that these coils according to the invention have a center line course, which itself corresponds to a coil.
Man denke sich dazu den Draht einer klassischen Spule (so wie eine auf dem Stand der Technik verwendete „normale Spule” vorliegen würde) selbst noch einmal mit einem Draht umwickelt. Diese so entstandene Spule, die durch ein „Umwickeln einer ursprünglichen Leiterstruktur einer Spule” zu denken ist, kann man sich dann unter Weggelassenen der Drähte der ursprünglichen Leitung vorstellen (wodurch Luftspulen entstehen); man kann sich aber auch eine Beibehaltung dieser einzelnen (oder auch von mehreren, dann parallel laufenden) Leitungen vorstellen. Jede dieser Formen kann vorteilhaft genutzt werden. In diesem Sinnen sind die Mittelinie des Drahts der Normalspule und die Mittellinie dieser neuen Spule, die auf diesem Draht aufgewickelt wird, also gleich. Die Struktur der (gegenüber einer Normalspule) neuen Spule. die sich besonders bei mehreren Windungen der als Vorlage dienenden Normalspule ergibt, hat den Begriff der Spulen-Spule nahegelegt. Die lange dünne Spule, die sich z. B. bei einer Einzeldrahtumwicklung ergibt, wird ja durch die so definierte Strukturvorgabe der Normalspule, gewissermaßen noch einmal zu einer Spule aufgewickelt.Consider the wire of a classical spool (as would a "normal spool" used in the prior art) itself wrapped with a wire. This resulting coil, which is to be thought of by a "wrapping of an original conductor structure of a coil", can then be imagined with the wires of the original line omitted (creating air coils); but you can also imagine maintaining these individual (or even multiple, then parallel) lines. Each of these forms can be used to advantage. In this sense, the centerline of the normal reel wire and the centerline of this new reel wound up on this wire are the same. The structure of the (compared to a standard coil) new coil. which results especially in several turns of the standard coil serving as a template, has suggested the concept of the coil coil. The long thin coil, the z. B. results in a single wire wrapping, yes, so wound up again by the so-defined structural specification of the normal coil to a coil.
Bei einer Kombination (Beibehaltung der einzelnen oder parallel laufenden Leitungen) sollte u. U. für die umwickelnde Spule ein kleiner Luftraum gelassen werden. Wird der Leitungsdraht der ursprünglichen Spule entfernt, entsteht ohnehin gewissermaßen eine Luft-Spulen-Spule.In a combination (maintaining the individual or parallel lines) u. U. be left for the wrapping coil a small air space. If the conductor wire of the original coil is removed, an air-coil coil is created to some extent anyway.
Begrifflich sollen in der folgenden Beschreibung die auftretenden Spulen unterschieden werden durch
- – „Normalspule” (oder „normale Spule”), d. h. Drahtwicklungen zur Ausbildung einer Induktivität auf dem bekannten Stand der Technik),
- – „Spulen-Spule” (das soll dann an sich eine Luftspule, wie gerade beschrieben, sein; um diese Eigenschaft zusätzlich hervorzuheben wird diese Spule manchmal „Luft-Spulen-Spule” genannt, dies deshalb, weil letztendlich auch andere Materialien entlang der Mittellinien genutzt werden könnten) und
- – „Kombinationsspule” (also eine Spule, die eine Spulen-Spule und eine bei der Wicklung zugrunde gelegte Normalspule (und evtl. auch eine andere, s. u.) funktionell vereint).
- "Normal coil" (or "normal coil"), ie wire windings to form a prior art inductance),
- - "Coil Coil" (this is supposed to be an air coil per se, as just described), to further emphasize this feature this coil is sometimes called the "Air Coil Coil", because ultimately other materials along the centerlines could be used) and
- - "combination coil" (that is, a coil that unites a coil coil and a normal coil used in the winding (and possibly also another, see below) functionally).
Diese neuen Spulen sind am ehesten mit Rogowsi-Spulen (
So, wie in elektrischen Stromkreisen Spannungen als treibende Größe (als Ursache eines Stroms) gemessen werden, was auf dem Stand der Technik mit entsprechenden Messgeräten als Messung einer Potentialdifferenz leicht zu realisieren ist, so ist es auch in magnetischen Kreisen nützlich, neben der durch die erregende Amperewindungszahl gegebenen magnetomotorischen Kraft auch die sogenannte magnetischen Spannungen zwischen zwei Punkten eines magnetischen Kreises zu messen. Die magnetische Spannung eines Magnetfeldes zwischen zwei Punkten auf einem beliebigen Wege wird durch das Linienintegral beschrieben und eben dies erfasst man bei durch Wechselströme erzeugten Magnetfeldern mit einer solchen Rogowskispule. Rogowskispulen sind also geeignet, magnetische Spannungen zu messen; bei einer ganzen Windung einer solchen Spule um einen stromleitenden Draht herum (das ergibt eine Toroidspule) ergibt sich gerade eine Spannung, die proportional zur Stromänderung in diesem Leiter ist).As in electrical circuits voltages are measured as the driving variable (as the cause of a current), which is easy to realize in the prior art with corresponding measuring equipment as a potential difference, it is also useful in magnetic circuits, in addition to the exciting ampere-turn number given magnetomotive force also to measure the so-called magnetic stresses between two points of a magnetic circuit. Magnetic stress of a magnetic field between two points on any path is described by the line integral and this is what is detected in magnetic fields generated by alternating currents with such a Rogowski coil. Rogowski coils are therefore capable of measuring magnetic strains; with one complete turn of such a coil around a current-carrying wire (this results in a toroidal coil), there is just a voltage which is proportional to the current change in this conductor).
Eine Spulen-Spule kann natürlich auch mehrere Windungen umfassen (so wie das ja auch der Draht einer Spule macht) und natürlich kann eine Spulen-Spule auch einen ganz eigenen (also nicht durch einen anderen Drahtverlauf definierten) Verlauf aufweisen; sie muss also nicht (kann aber und ist dadurch leichter zu beschreiben) von der Leiterstruktur der Drähte einer Normalspule abgeleitet oder vorgegeben werden. (Und zudem, das sei noch am Rande erwähnt, kann sogar eine solche Spule noch einmal zu einer Spule gewickelt werden).Of course, a coil coil can also include several turns (as well as the wire of a coil does) and of course a coil coil can also have its own (not so defined by a different wire profile) course; it does not have to be derived from the conductor structure of the wires of a standard coil (but can and is therefore easier to describe). (And, moreover, it should be mentioned, even such a coil can be wound into a coil again).
Es werden die Leitungsführungen der ursprünglichen Drahtführung oder einer Spulenanordnung (oder genauer, die Führungsvorgabe der ursprünglichen Spulenstruktur) als Führungslinien zur Ausbildung einer neuen Induktivität bzw. Spule hier genutzt, um die erfindungsgemäßen Gedanken besser beschreiben zu können.The line guides of the original wire guide or a coil arrangement (or more precisely, the guide specification of the original coil structure) are used here as guide lines for forming a new inductance or coil in order to better describe the inventive concept.
Treten nur ringförmige Strukturen auf, liegt praktisch eine einfache, toroidförmige Spule vor, in deren Inneren Luft, ein Kernmaterial, ein Draht oder mehrere parallel laufende Drähte einer Normalspule verlaufen können. Erfindungsgemäß werden also Spulen-Spulen (z. B. Toroidspulen aber auch andere Bauformen) und/oder Kombinationsspulen, also Spulen-Spulen in Kombination mit normalen Spulen verwendet, wobei diese Spulen-Spulen eher die elektrische Feldkomponente wahrnehmen können bzw. sollen (aber auch evtl. die magnetische Komponente „mitnehmen”), während Normalspulen eher die magnetische Feldkomponente wahrnehmen können bzw. sollen (aber u. U. auch die elektrische Komponente „mitnehmen”). Die Wahl des Materials, das in das Innere einer Spule gebracht wird, bestimmt natürlich den Arbeitsfrequenzbereich.If only annular structures occur, there is practically a simple, toroidal coil, in the interior of which air, a core material, a wire or a plurality of parallel running wires of a standard coil can run. Thus coil coils (eg toroid coils but also other types) and / or combination coils, ie coil coils in combination with normal coils, are used according to the invention, these coil coils being able to or should rather perceive the electrical field component (but also if necessary, take the magnetic component with you), while normal coils can or should rather perceive the magnetic field component (but may also "take along" the electrical component). Of course, the choice of material to put inside a coil determines the working frequency range.
Dass in beiden Fällen fast immer Kombinationen vorliegen, so wie das schon oben zur Definition des elektromagnetischen Feldes ausgeführt worden ist, sei noch einmal ausdrücklich betont.That in both cases there are almost always combinations, as has already been explained above for the definition of the electromagnetic field, should once again be emphasized.
Wichtig für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass diese Maßnahme gewissermaßen zu einer Umkehrung der Wirkungsbetrachtung von magnetischen und elektrischen Feldkomponenten führt. Je nach Ausführung können magnetische und/oder elektrische Komponenten eines elektromagnetischen Feldes bei den Anwendungen zugleich und/oder getrennt (s. u.) betrachtet werden bzw. getrennt oder in Kombination einen Wirkungseinfluss nehmen.It is important for the solution according to the invention that this measure effectively leads to a reversal of the impact analysis of magnetic and electric field components. Depending on the design, magnetic and / or electrical components of an electromagnetic field can be viewed simultaneously and / or separately in the applications (see below), or can be used separately or in combination to influence the effect.
Das wiederum führt dazu, dass die Eigenschaften des Feldverhaltens in der Nähe von Materie (leitend oder nichtleitend) entweder spezifisch genutzt werden können oder dass (natürlich nur in gewissen Grenzen) feldkoppelnde Elemente denkbar sind, die frequenzunabhängig arbeiten können. Das kann auf verschiedenen oder auf gleichen Frequenzen genutzt werden. Diese können den unterschiedlichen Feldkomponenten getrennt (oder auch gemeinsam) zugeordnet werden; d. h., diese Technik kann nach elektrischer und magnetischer Kopplung und auf verschiedenen Frequenzen getrennt eingesetzt werden.This in turn means that the properties of the field behavior in the vicinity of matter (conductive or nonconductive) can either be used specifically or that (of course only within certain limits) field-coupling elements are conceivable that can operate independently of frequency. This can be used on different or the same frequencies. These can be assigned to the different field components separately (or together); d. h., This technique can be used separately after electrical and magnetic coupling and at different frequencies.
Dies erlaubt (z. B. bei einer Nutzung von Überlagerungstranspondern, aber nicht nur dort) die genutzten Frequenzen und die erzeugten Zwischenfrequenzen nicht nur nach ihrer Frequenz auszulegen, sondern auch noch nach der jeweiligen Kopplungsart zu trennen.This allows (eg when using overlay transponders, but not only there) to interpret the frequencies used and the intermediate frequencies generated not only according to their frequency, but also to separate them according to the respective coupling type.
Analysiert man im Stand der Technik die Bedingungen im Zusammenhang mit Transpondern im problematischen Umfeld, dann zeigt sich, wie bereits dargestellt, im Wesentlichen die Kopplung durch magnetische Felder als problematisch.If one analyzes the conditions in the context of transponders in the problematic environment in the prior art, then, as already explained, essentially the coupling by magnetic fields proves to be problematic.
Im Zusammenhang mit typischen RFID-Anwendungen und mit den hier im Vordergrund zu sehenden Transponderkonstruktionen ist also die von Spulen oder spulenähnlichen Strukturen verwendete „magnetische Kopplung” zu sehen. Dabei ist diese magnetische Kopplung ja auch durchaus nützlich, weil zum einen die Stromversorgung von passiven Transpondern „induktiv” über das elektromagnetische Feld erfolgen soll und zum anderen mit der Lastkopplung, ein typisches Antwortverfahren für die eingesetzten Transponder im Vordergrund steht, bei dem ein mit einem Transformator vergleichbares Kopplungsmodell gesehen werden kann. Typischerweise sind die Kopplungen daher oftmals durch Spulen dargestellt, werden so analysiert und auch realisiert. Zudem ist oftmals über eine induktive Kopplung eine ausreichende Energieversorgung überhaupt nur möglich. Eine andersartige Kopplung, z. B. über elektrische Felder, stellt vom Aufbau her und durch die damit übertragbaren Energien (die ja auf dem Stand der Technik über Kapazitäten zu übertragen wären) ein denkbares aber auch ein wesentlich problematischeres Kopplungsverfahren dar.In connection with typical RFID applications and with the transponder constructions to be seen here in the foreground, the "magnetic coupling" used by coils or coil-like structures can therefore be seen. This magnetic coupling is indeed quite useful, because on the one hand, the power supply of passive transponders "inductively" via the electromagnetic field and on the other with the load coupling, a typical response method for the transponder used is in the foreground, in which one with a Transformer comparable coupling model can be seen. Typically, the couplings are therefore often represented by coils, are thus analyzed and realized. In addition, an adequate power supply is often only possible via an inductive coupling. A different coupling, z. B. on electric fields, provides the structure and by the transferable energies (which would be transferred to the state of the art on capacity) a conceivable but also a much more problematic coupling method.
Im so gegebenen Rahmen besteht die zu Beginn zu den elektromagnetischen Feldern aufgezeigte Eigenart, dass niemals ausschließlich elektrische oder magnetische Felder allein vorliegen, sondern stets elektrische und magnetische Felder kombiniert im Spiel sind. Lediglich der Schwerpunkt des jeweiligen Übertragungsmechanismus wird einmal eher magnetisch, einmal eher elektrisch gesehen. Die erfindungsgemäß darzustellende Technik nutzt nun genau diese Tatsache, dass immer eine Kombination beider Felder vorliegt, auch wenn mal die eine Sichtweise, mal die andere in den Vordergrund geschoben wird.In the given context, there is the peculiarity of the electromagnetic fields that at the beginning there are never exclusively electric or magnetic fields, but combined electric and magnetic fields are always at play. Only the focus of the respective transmission mechanism is once more magnetic, once more seen electrically. The technique to be presented according to the invention now uses precisely this fact that there is always a combination of both fields, even if one point of view, the other is pushed into the foreground.
Die Beziehungen zwischen den zu unterscheidenden Feldarten zeigen, wie oben bereits angeführt, einen ausgesprochen symmetrischen Aufbau. Diese Symmetrien und die Art der Spulenkonstruktion soll an Hand der
Das wirksame (induktive) Kopplungselement des linken Elements ist eine Spule und besteht aus einer Fläche, die hier von Leitungen, z. B. einem Draht (
Die Funktion von derartigen Spulen im Rahmen der Empfangstechniken ist auf dem Stand der Technik wohl bekannt.
- – Diese Spule kann bekannter Weise als Antennenanordnung zur Aufnahme des Trägersignals für eine Signal- oder Energieübertragung verwendet werden: Die Feldlinien einer magnetischen Komponente B (
23 ) (41 ) eines elektromagnetischen Feldes (die von einem elektrischen Feld E (22 ) umschlungen werden), erreichen die von der Normalspule aufgespannte Fläche, durchdringen diese (24 ) und verlaufen hinter dieser Fläche in bekannter Weise weiter (26 ), immer noch umschlungen von dem begleitenden elektrischen Feld (25 ). Die Beziehung zwischen diesen beiden Feldern wird an dieser Stelle durch rot E = –dB/dt (27 ) beschrieben; wesentlich ist unter diesem Blickwinkel aber nur, dass in der so aufgebauten Spule (durch das elektromagnetische Feld durch induktive Kopplung) eine Spannung induziert wird, die durch geeignete Empfangsschaltungen ausgewertet werden kann. Hier soll das nur durch ein Instrument (45 ) angedeutet werden. - – Diese Spule kann bekannter Weise zur Ausbildung eines Resonators genutzt werden, indem die mit der Spule realisierte Induktivität durch eine Kapazität (
30 ) so kompensiert wird, dass sich daraus Resonanzbedingungen für eine Frequenz ergeben. Das hier dargestellte Instrument (45 ) bzw. eine Empfangsschaltung ist dann nicht vorhanden. - – Diese Spule kann in bekannter Weise zur Ausbildung eines Schwingkreises im Rahmen einer Antennenanordnung genutzt werden, entweder indem die mit der Spule realisierte Induktivität durch eine Kapazität (
30 ) so kompensiert wird, dass sich daraus Resonanzbedingungen für eine Frequenz zur Nutzung z. B. in einem Heterodyn-Empfänger ergeben oder indem das in der Spule induzierte Signal durch eine geeignete Empfangsschaltung direkt weiterverarbeitet wird. Das wird hier wieder nur durch das Instrument (45 ) angedeutet.
- - This coil can be used as known antenna arrangement for receiving the carrier signal for a signal or energy transfer: The field lines of a magnetic component B (
23 ) (41 ) of an electromagnetic field (that of an electric field E (22 ) are wrapped around) reach the plane spanned by the normal coil surface, penetrate these (24 ) and continue behind this surface in a known manner (26 ), still surrounded by the accompanying electric field (25 ). The relationship between these two fields is denoted by red E = -dB / dt (27 ); However, from this point of view, it is only essential that a voltage is induced in the coil constructed in this way (by the electromagnetic field through inductive coupling), which voltage can be evaluated by suitable receiving circuits. Here is the only way through an instrument (45 ). - - This coil can be used to form a resonator known manner by the inductance realized with the coil by a capacity (
30 ) is compensated so that this results in resonance conditions for a frequency. The instrument shown here (45 ) or a receiving circuit is then not available. - - This coil can be used in a known manner to form a resonant circuit in the context of an antenna arrangement, either by the realized with the coil inductance by a capacity (
30 ) is compensated so that from this resonance conditions for a frequency for use z. B. result in a heterodyne receiver or by the signal induced in the coil signal is further processed directly by a suitable receiving circuit. This is again only by the instrument (45 ) indicated.
Läge jetzt im Verlauf der die Fläche durchdringenden magnetischen Feldkomponente (
An diesem strukturellen Aufbau einer Normalspule und deren Funktionsweise kann, weiterhin anhand der
Zunächst soll der Aufbau der Normalspule der linken Anordnung (
First, the structure of the normal coil of the left arrangement (
Um eine Spule der neuen Art für eine erfindungsgemäße Anordnung zu erhalten, wird dieser vorgegebene Strukturverlauf (
Besonders die Struktur der neuen Spule, die sich bei einer Einzeldrahtumwicklung bei mehreren Windungen der Normalspule ergibt, hat den Begriff der Spulen-Spule nahegelegt. Die lange dünne Spule, die sich durch eine Einzeldrahtumwicklung ergibt, wird ja durch die definierte Strukturvorgabe der umwickelten Drähte der Normalspule, gewissermaßen noch einmal zu einer Spule aufgewickelt. Lediglich die Mittelinie des Drahts der Normalspule und die Mittellinie der Spule, die auf diesem Draht aufgewickelt wird, stimmen überein.In particular, the structure of the new coil, which results in a single wire winding in several turns of the normal coil, has suggested the concept of the coil coil. The long thin coil, which results from a single wire winding, is indeed wound up by the defined structural specification of the wound wires of the normal coil, in a sense again to form a coil. Only the center line of the wire of the standard reel and the center line of the reel wound on this wire are the same.
Hat man in der linken Anordnung (
Der Spulenverlauf der als Vorgabe dienenden Normalspule der linken Anordnung (
Die gewählte Struktur ist hier bewusst nicht ganz rund (aber auch nicht direkt eckig), um die sonst implizierte Vorstellung einer Toroidspule und auch einer Rogowskispule nicht zu sehr aufkommen zu lassen (obwohl hier natürlich auch eine toroidförmige Spule denkbar ist).The chosen structure here is deliberately not quite round (but also not directly angular), in order not to let the otherwise implied idea of a toroidal coil and a Rogowski coil too much (although here of course a toroidal coil is conceivable).
Die Kopplung an das elektromagnetische Feld erfolgt beim linken Elements (
- – Die Anordnung (
31 ) kann unabhängig von der Betrachtungsweise und auch vom jeweiligen Standpunkt abstrahiert, vergleichbar wie zur induktiven Kopplung zuvor beschrieben, ebenso als Antennenanordnung zur Aufnahme eines Trägersignals für eine Signalübertragung genutzt werden: Die Feldlinien einer elektrischen Komponente E (33 ) (51 ) des elektromagnetischen Feldes (die in diesem Falle von einem magnetischen Feld B (32 ) umschlungen werden), erreichen die von der Spulen-Spule aufgespannte Fläche, durchdringen diese (34 ) und verlaufen hinter dieser Fläche weiter (36 ), immer noch umschlungen von einem begleitenden magnetischen Feld (35 ). Die Beziehung zwischen diesen beiden Feldern wird an dieser Stelle durch rot H = dD/dt + j (27 ) beschrieben. Wesentlich ist unter diesem Blickwinkel, dass in der so aufgebauten Spule (39 ) (51 ) ebenfalls eine Spannung induziert wird, die durch geeignete Empfangsschaltungen ausgewertet werden kann, wobei jetzt aber – mit einer globalen Sichtweise bezogen auf die Anordnung (31 ) – die elektrische Feldkomponente des elektromagnetischen Feldes durch die Anordnung (31 ) treten muss. Hier soll die Empfangsschaltung wieder nur durch ein Instrument (55 ) angedeutet werden. - – Diese neue Art von Spule kann vergleichbar wie zur induktiven Kopplung zuvor beschrieben, zur Ausbildung eines Resonators genutzt werden, indem die mit der Spule realisierte Induktivität durch eine Kapazität (
40 ) kompensiert wird, so dass sich Resonanzbedingungen für eine definierte Frequenz ergeben. Eine Empfangsschaltung bzw. das hier dargestellte Instrument (55 ) ist dann nicht vorhanden. - – Diese Spule kann vergleichbar wie zur induktiven Kopplung zuvor beschrieben, zur Ausbildung eines Schwingkreises im Rahmen einer Antennenanordnung genutzt werden, entweder indem die mit der Spule realisierte Induktivität durch eine Kapazität (
40 ) so kompensiert wird, dass sich daraus Resonanzbedingungen für eine Frequenz zur Nutzung z. B. in einem Heterodynempfänger ergeben oder indem das in der Spule induzierte Signal durch eine geeignete Empfangsschaltung direkt weiterverarbeitet wird. Das wird hier wieder nur durch das Instrument (55 ) angedeutet.
- - The order (
31 ) can be used independently of the point of view and also from the respective point of view, comparable to the inductive coupling described above, as well as an antenna arrangement for receiving a carrier signal for a signal transmission: The field lines of an electrical component E (FIG.33 ) (51 ) of the electromagnetic field (which in this case is a magnetic field B (32 ) are wrapped around, reach the surface spanned by the coil coil, penetrate them (34 ) and continue beyond this area (36 ), still entwined by an accompanying magnetic field (35 ). The relationship between these two fields is denoted by red H = dD / dt + j (27 ). It is essential from this point of view that in the coil thus constructed (39 ) (51 ) is also induced a voltage which can be evaluated by suitable receiving circuits, but now - with a global view with respect to the arrangement (31 ) - the electric field component of the electromagnetic field through the arrangement (31 ) must occur. Here, the receiving circuit is again only by an instrument (55 ). - Similar to the inductive coupling described above, this new type of coil can be used to form a resonator in that the inductance realized with the coil is replaced by a capacitance (
40 ) is compensated so that resonance conditions for a defined frequency result. A receiving circuit or the instrument shown here (55 ) is not available then. - - This coil can be used comparable to the inductive coupling described above, to form a resonant circuit in the context of an antenna arrangement, either by the realized with the coil inductance by a capacity (
40 ) is compensated so that from this resonance conditions for a frequency for use z. B. in a heterodyne receiver or by the signal induced in the coil signal is further processed directly by a suitable receiving circuit. This is again only by the instrument (55 ) indicated.
In den beiden Anordnungen der
Hat man in der linken Anordnung (
Daraus festzuhalten bleibt, dass erfindungsgemäß Spulen-Spulen und/oder Kombination von normalen Spulen (Normalspulen) und Spulen-Spulen zum Einsatz kommen und so alle Feldkomponenten stets in Kombination zur Kopplung beitragen können.It remains to be noted that according to the invention coil coils and / or combination of normal coils (normal coils) and coil coils are used and so all field components can always contribute in combination to the coupling.
Die Kombination beider Spulenarten arbeitet im niedrigen Frequenzbereich induktiv durch die ja noch vorhandenen Leitungen der ursprünglichen Leitungen der ursprünglich gegebenen Spulenanordnung; bei hohen Frequenzen erfolgt die Kopplung durch die elektrischen Feldkomponenten durch die Spule-Spulen-Anordnung. Werden aber mit Sicherheit nur hohe Frequenzen verwendet, kann das Innere der Spulen-Spule ohnehin als Luftspule ausgelegt sein. Die innen liegenden Drähte braucht man oftmals zudem nicht wirklich, wie noch gezeigt werden wird; dies dient hier aber zunächst der besseren Darstellung, ist aber zudem durchaus eine sehr sinnvolle Auslegung.The combination of the two coil types works inductively in the low frequency range through the lines of the original lines of the original coil arrangement which are still present; at high frequencies, the coupling is done by the electric field components through the coil-coil assembly. However, if only high frequencies are used with certainty, the interior of the coil coil can be designed as an air coil anyway. In addition, the internal wires are often not really needed, as will be shown later; but this serves the better first Presentation, but is also quite a very meaningful interpretation.
Bei hohen Frequenzen sind die Spulen-Spulen bevorzugt als Luftspulen auszubilden.At high frequencies, the coil coils are preferably designed as air coils.
Indem statt der normalen Spulenleitungen selber Spulen vergleichbar einer Rogowskispule, gelegt werden, kehren sich die Bedeutungen der Feldeinwirkungen und damit die Kopplungsart um. Das elektrische Feld übernimmt in diesem Fall spiegelbildlich die Rolle des magnetischen Feldes bei einer Normalspule und die magnetischen Feldlinien übernehmen die Rollen der elektrischen Felder bei der Normalspule. Zwar ist die Kopplung durch elektromagnetische Felder sehr unterschiedlich in ihrer Auswirkung, aber es wird damit doch erreicht, dass elektrische Felder als Kopplung genauso eingesetzt werden können, wie das bei der Nutzung einer Kopplung durch magnetische Felder bekannt ist (wenn auch im Wesentlichen bevorzugt bei hohen Frequenzen).By placing coils comparable to a Rogowski coil instead of the normal coil leads, the meanings of the field influences and thus the type of coupling are reversed. The electric field in this case takes on the mirror image of the role of the magnetic field in a normal coil and the magnetic field lines take over the roles of the electric fields in the normal coil. Although the coupling by electromagnetic fields is very different in their effect, but it is achieved so that electric fields can be used as coupling as well as the use of a coupling by magnetic fields is known (although substantially preferred at high frequencies).
Bei niedrigen Frequenzen können mit den auf dem Stand der Technik gegebenen technischen Möglichkeiten magnetische Felder wesentlich höhere Energie übertragen, als elektrische Felder. Das ist bei den üblichen RFID-Konzepten sicher dann ein Vorteil, wenn passive Transponder zur Anwendung kommen sollen. Da aber andererseits bei sehr hochfrequenten elektromagnetischen Feldern elektrische und magnetische Felder immer in Kombination auftreten, kommt ihnen im Grunde genommen die gleiche Bedeutung zu. Je höher die Frequenz, desto einfacher kann es sein, die elektrische Komponente zu erfassen statt der magnetischen Komponente (auch wenn das bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich sein kann). Gerade bei sehr hohen Frequenzen kann ohnehin die Materialeigenschaft dem Wechsel des magnetischen Feldes nicht so schnell folgen, wie das bei niedrigen Frequenzen noch möglich ist. Die Eindringtiefe von elektrischen bzw. magnetischen Feldern kann umso geringer werden, je höher die Frequenz ist. Damit werden u. U. mehrere Effekte gleichzeitig nutzbringend eingesetzt.At low frequencies, with the technical possibilities given in the prior art, magnetic fields can transmit much higher energy than electric fields. This is certainly an advantage in the case of conventional RFID concepts if passive transponders are to be used. On the other hand, with very high frequency electromagnetic fields, electric and magnetic fields always appear in combination, they are basically of the same importance. The higher the frequency, the easier it can be to detect the electrical component rather than the magnetic component (though that may be different at different frequencies). Especially at very high frequencies, the material property can not follow the change of the magnetic field as fast as it is still possible at low frequencies anyway. The penetration depth of electric or magnetic fields can be lower, the higher the frequency. This will u. U. several effects used simultaneously useful.
Die elektrischen Felder, die stets senkrecht auf leitende Materialien auftreffen, werden die Ebene der Spulenanordnung, so durchdringen, wie das ursprünglich bei RFID-Transpondern mit magnetischer Kopplung vorgesehen war, und somit Kopplungseigenschaften selbst noch dann sichern, wenn magnetische Komponenten durch Wirbelstrombildung längst wirkungslos wären.The electric fields, which always impinge perpendicularly on conducting materials, will penetrate the plane of the coil arrangement as originally provided in RFID transponders with magnetic coupling, and thus even ensure coupling properties even if magnetic components have long been ineffective due to eddy current formation ,
Wenn man Luftspulen verwendet, die die ursprüngliche Spulengeometrie nachbilden, kann gerade bei sehr hohen Frequenzen die Kopplung wieder besser werden, auch dann, wenn eine solche Spule direkt über dem metallischen Objekt angebracht ist.When using air coils that replicate the original coil geometry, especially at very high frequencies, the coupling can become better again, even if such a coil is mounted directly over the metallic object.
Natürlich machen sich letztendlich auch in diesen Fällen Energieverluste bemerkbar. Schließlich muss die Energie für alle Begleitvorgänge wie z. B. durch Induktion allg. bedingte Vorgänge, für Ladungsverschiebungen, Polarisation, usw. ja irgendwoher kommen und der Transport dieser Energie erfolgt nun einmal durch das elektromagnetische Feld. Trotzdem zeigen sich bei einer geeigneten Auslegung der Anordnung gute Kopplungsfähigkeiten, auch wenn die Anordnung (
Durch Verschiebung der im Metall oder einer leitenden Materie frei beweglichen Ladungsträger reagiert die Materie auf ein senkrecht auftreffendes elektrisches Feld. Diese von der elektrischen Feldkomponente bewirkte Ladungsverschiebung führt in bekannter Weise zu einem an sich feldfreien Raum im Inneren des Metalls bzw. zwischen Metallplatten die Kapazitäten ausbilden können. Die von der elektrischen Feldkomponente verursachte Bewegung freier Ladungsträger erfolgt aber – abhängig von der Art der Ladungsträger – u. U. mit einer anderen Geschwindigkeit, als die Ausbildung von Wirbelströmen durch magnetische Felder. Damit verbunden machen sich bei den unterschiedlichen Kopplungsarten auch unterschiedliche Dämpfungseffekte bemerkbar, die mit einer geeignet ausgelegten Kombination von Spulen-Spulen mit Normalspulen technisch beherrschbar werden können.By shifting the charge carriers, which are freely movable in the metal or a conducting matter, the matter reacts on a vertically incident electric field. This charge shift caused by the electric field component leads in a known manner to a field-free space in the interior of the metal or between metal plates which can form capacitances. The movement of free charge carriers caused by the electric field component takes place, however, depending on the type of charge carriers. U. at a different speed, than the formation of eddy currents by magnetic fields. Associated with it make different damping effects noticeable in the different types of coupling, which can be technically controlled with a suitably designed combination of coil coils with standard coils.
Bei ausreichender Länge der Spule und aus einer immer größeren Entfernung betrachtet erscheint diese irgendwann als eine eher fadenförmige Struktur denn als eine Spirale. Zwischen den beiden Anordnungen (
Aus dieser Sicht erscheinen Unterschiede zwischen den beiden Anordnungen immer geringer zu werden. Mit der (so als einzelne Windung gesehenen) Anordnung (
Tatsächlich zeigt die Anordnung (
Diese Beziehung zwischen diesem Leiter und einem tatsächlich einzelnen Leiter (und damit der Unterschied zwischen der Anordnung (
Zunächst (vgl.
First (cf.
Aus einiger Entfernung betrachtet, stellt die Spule (
Für die Stromdichte J (
Die Leitfähigkeit κ' des Leitungsäquivalents ist um einen aus diesen Beziehungen bestimmbaren Faktor geringer, aber die Eigenschaft dieser Anordnung (
Wichtig ist noch, die verschiedenen Kombinationen von Normalspule und Spulen-Spule im Überblick zu beschreiben.It is still important to describe the different combinations of standard coil and coil coil in an overview.
Bei der erfindungsgemäßen Auslegung von Spulenanordnungen für Transponder sind demnach die folgenden Kombinationen zu beachten:
- 1. Bei der Normalspule (die klassische Drahtspule) zeigt sich (im Wesentlichen)
- – nur eine über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes geprägte Kopplung. Das B-Feld durchdringt die Spulenfläche und induziert in der Spule eine zur umrandeten Kopplungsfläche, zur Feldstärke und zur Geschwindigkeit der Feldänderung proportionale Spannung. Mit einem Kondensator zur Ausbildung eines Resonators wird generell nur eine einzige Frequenz als Resonanzfrequenz geprägt.
- 2. Bei der Spulen-Spule (als Luftspule oder auch als mit nichtleitendem Material gefüllte Spule) zeigen sich (im Wesentlichen)
- – sowohl eine über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes geprägte erste Kopplungsart (Kopplung erfolgt durch die vom Spulenverlauf umrandete Fläche mit einem den Spulenverlauf nachempfundenen Leitungsäquivalent),
- – als auch eine über die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes geprägte zweite Kopplungsart (Kopplung erfolgt durch die Spule selbst über das die Änderungen der elektrischen Feldkomponenten begleitende magnetische Feld rot B =). Mit einem Kondensator zur Ausbildung eines Resonators werden also jetzt in diesem Sinn auch tatsächlich zwei Frequenzen als Resonanzfrequenzen definiert (eine Kapazität, aber zwei wirksame Induktivitätsäquivalenten).
- 3. Bei der Kombination von Normalspule und Spulen-Spule zeigen sich (im Wesentlichen) drei Kopplungsarten, die die drei Möglichkeiten der beiden zuerst genannten vereinen und erweitern. Es bestehen drei Resonanzfrequenzmöglichkeiten:
- – Eine erste, über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes gegebene Kopplung, bei der in der Normalspule eine erste Spannung induziert wird. Mit einem ersten Kondensator zur Ausbildung eines Resonators mit dieser Spule wird eine erste Frequenz als Resonanzfrequenz geprägt.
- – Eine zweite, über die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes gegebene Kopplung, bei der ein Spulenäquivalent, das von einem den Spulenverlauf nachbildenden Leitungsäquivalent gebildet wird, gesehen wird. Mit einem zweiten Kondensator zur Ausbildung eines Resonators wird in diesem Sinn eine zweite Frequenz als Resonanzfrequenzen definiert.
- – Eine dritte, über die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes gegebene Kopplung über die Spulen-Spule. Mit dem zuvor eingesetzten, zweiten Kondensator zur Ausbildung eines Resonators wird also eine dritte Frequenz als Resonanzfrequenzen definiert, die allerdings mit der zweiten Frequenz assoziiert ist.
- 1. The normal coil (the classic wire coil) shows (essentially)
- - Only one coined via the magnetic component of an electromagnetic field coupling. The B field penetrates the coil surface and induces in the coil a voltage proportional to the framed coupling surface, to the field strength and to the speed of the field change. With a capacitor for forming a resonator, only a single frequency is generally shaped as the resonant frequency.
- 2. The coil coil (as an air coil or as a coil filled with non-conductive material) shows (essentially)
- Both a first coupling type embossed via the magnetic component of an electromagnetic field (coupling takes place through the area surrounded by the coil profile with a line equivalent modeled on the coil profile),
- - As well as a coined via the electrical component of the electromagnetic field second coupling (coupling is done by the coil itself on the accompanying the changes of the electric field components magnetic field red B =). With a capacitor for forming a resonator, two frequencies are actually defined as resonant frequencies in this sense (one capacitance, but two effective inductance equivalents).
- 3. The combination of normal coil and coil coil shows (essentially) three types of coupling, which unite and expand the three possibilities of the first two mentioned. There are three resonance frequency options:
- - A first, given the magnetic component of an electromagnetic field coupling, in which a first voltage is induced in the normal coil. With a first capacitor for forming a resonator with this coil, a first frequency is impressed as the resonance frequency.
- A second coupling given via the magnetic component of an electromagnetic field, in which a coil equivalent formed by a coil equivalent of the coil profile is seen. With a second capacitor for forming a resonator, a second frequency is defined as resonant frequencies in this sense.
- - A third, given via the electrical component of the electromagnetic field coupling via the coil coil. With the previously used, second capacitor for forming a resonator so a third frequency is defined as resonance frequencies, which is associated with the second frequency.
Diese Kombination von Normalspule und Spulen-Spule bietet allerdings weitere Möglichkeiten zu Modifikation:
- – Zunächst können die Normalspule und die Spulen-Spule zusammengeschaltet werden und nur ein Kondensator zur Ausbildung von Resonatoren verwendet werden, wobei die Spulenspule als Luftspule ausgebildet sein kann und die Drähte der Normalspule im Inneren der Spulen-Spule angeordnet sein (so, wie das zur Konstruktion der Spulen-Spule dargestellt worden ist) oder beide Spulentypen können „nebeneinander” existieren. Dabei können zudem die beiden „induktiven” Spulentypen
- – Parallel zueinander liegen oder
- – in Reihe geschaltet sein, wobei wiederum diese beiden Fällen zu unterteilen sind in die Fälle, dass die Spulen der magnetischen Kopplung
- – im gleichen Sinne, oder
- – im entgegengesetzten Sinn zugeordnet sind.
- – Sodann können die Kopplungsart durch die Normalspule und die Kopplungen durch die Spulen-Spule unabhängig voneinander erfolgen, wobei wieder die Spulen-Spule als Luftspule ausgebildet sein kann und die Drähte der Normalspule im Inneren der Spulen-Spule angeordnet sein oder beide Spulentypen können „nebeneinander” existieren. Dabei können wiederum die beiden „induktiven” Spulentypen der magnetischen Kopplung gegenüber
- – im gleichen Sinne, oder
- – im entgegengesetzten Sinn zugeordnet sein.
- - First, the normal coil and the coil coil can be interconnected and only one capacitor can be used to form resonators, wherein the coil coil can be formed as an air coil and the wires of the normal coil can be arranged inside the coil coil (as, for Construction of the bobbin coil has been shown) or both coil types may exist "side by side". In addition, the two "inductive" coil types can be used
- - lie parallel to each other or
- - be connected in series, again, these two cases are divided into the cases that the coils of the magnetic coupling
- - in the same sense, or
- - are assigned in the opposite sense.
- - Then, the coupling can be done independently of each other by the normal coil and the couplings through the coil coil, again the coil coil may be formed as an air coil and the wires of the normal coil can be arranged inside the coil coil or both coil types "side by side " exist. Again, the two "inductive" coil types of the magnetic coupling opposite
- - in the same sense, or
- - be assigned in the opposite sense.
Lesegeräte, die mit dem Transponder kommunizieren wollen, müssen u. U. natürlich gleichartige Koppelelemente verwenden.Readers who want to communicate with the transponder must u. U. of course, use similar coupling elements.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008056928 [0019] DE 102008056928 [0019]
- DE 269257 [0042] DE 269257 [0042]
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-
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