DE102011056323A1

DE102011056323A1 - Booster-Antennenstruktur für eine Chipkarte

Info

Publication number: DE102011056323A1
Application number: DE102011056323A
Authority: DE
Inventors: Stephan RAMPETZREITER; Thomas Grieshofer; Andreas Woerle
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-13
Also published as: CN103165971B; CN103165971A; US20130146671A1; US9275324B2

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Booster-Antennenstruktur für eine Chipkarte bereitgestellt, wobei die Booster-Antennenstruktur eine Booster-Antenne und eine mit der Booster-Antenne verbundene zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur aufweisen kann.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Booster-Antennenstruktur für eine Chipkarte.
Bei gewöhnlichen Chipkarten, welche beispielsweise im elektronischen Zahlungsverkehr weiträumige Verbreitung finden, erfolgt die Kommunikation zwischen dem sich auf der Chipkarte befindlichen Chip und einem Lesegerät kontaktbasiert, d. h. über zur Außenseite der Chipkarte hin freiliegenden Chipkartenkontakte. Dazu muss jedoch die Chipkarte bei Gebrauch stets vereinzelt werden und in ein entsprechendes Lesegerät eingeführt werden, was ein Benutzer als störend empfinden kann. Eine interessante Erweiterung, welche dieses Problem löst, bieten so genannte Dual Interface (Doppelschnittstelle) Chipkarten, bei welchen der Chip zusätzlich zu der üblichen kontaktbasierten Schnittstelle auch mittels einer kontaktlosen Schnittstelle kommunizieren kann. Die kontaktlose Schnittstelle auf der Chipkarte kann eine Chipkartenantenne aufweisen, welche in der Chipkarte enthalten ist und mit dem Chip verbunden ist. Die Chipkartenantenne und der Chip können gemeinsam auf einem Chipkartenmodul angeordnet sein, wobei dann eine solche miniaturisierte Form der Chipkartenantenne als eine Chipkartenmodulantenne bezeichnet werden kann. Unabhängig von der Art der Chipkartenantenne ist zwischen dieser und dem Chipkartenmodul bzw. dem Chip eine galvanische Verbindung ausgebildet.
Bei elektronischen Zahlungssystemen wird beispielsweise ein Funktionsabstand bis zu 4 cm zwischen Chip und Leseeinheit gefordert. Die Erfüllung dieser Sollvorgabe kann sich jedoch als problematisch herausstellen, da auf der kleinen Fläche, welche auf dem Chipkartenmodul zur Verfügung steht, unter Umständen keine genügend große Chipkartenmodulantenne angeordnet werden kann, so dass eine drahtlose Kommunikation in dem geforderten Abstand erfolgen kann. Um die drahtlose Kommunikationsfähigkeit zu verbessern, kann zusätzlich zur Chipkartenmodulantenne eine weitere Antenne bereitgestellt werden, nämlich eine Verstärkerantenne oder Booster-Antenne. Die Booster-Antenne kann auf einer gesonderten Schicht bereitgestellt sein und in der Chipkarte enthalten sein. Die gesonderte Schicht, welche die Booster-Antenne enthält, kann bei der Chipkartenherstellung beispielsweise in diese einlaminiert werden.
Bei Chipkartenantennen, welche nicht auf dem Chipkartenmodul angeordnet sind und daher meist eine ausreichende Größe aufweisen, kann auf den Einsatz einer Booster-Antenne verzichtet werden. Bei der Bestückung von fertigen Chipkartenkörpern mit Chipkartenmodulen müssen dann jedoch die Chipkarten präzise gefräst werden, damit die auf dem Chipkartenmodul bereitgestellten Kontakte über entsprechenden Kontakten der Chipkartenantenne positioniert werden können. Die Kontakte können dann mittels eines Klebers unter Zuführung von Druck zusammengefügt werden.
Der eben beschriebene Herstellungsprozess ist kostspielig und aufwendig. Zudem können die Kontaktstellen zwischen Chipkartenmodul und der Chipkartenantenne eine geringe mechanische Robustheit aufweisen und können sich bei Biege- und Knickvorgängen lösen, denen Chipkarten im Alltag ausgesetzt sein können. Im Hinblick auf diese Problematik kann die zu erwartende Lebensdauer einer Chipkarte mit einer Chipkartenantenne zwei Jahre betragen. Im Allgemeinen wäre eine weitaus größere Lebensdauer von beispielsweise 10 Jahren wünschenswert, etwa bei Verwendung solcher Chipkarten in staatlichen Einrichtungen, wo aufgrund der Masse von verwendeten Chipkarten die Umtausch- bzw. Erneuerungskosten eingespart werden könnten.
Zur Vermeidung der bei den großformatigen Chipkartenantennen bestehenden Problematik der mechanisch anfälligen galvanischen Verbindung mit dem Chipkartenmodul bzw. dem Chip werden Booster-Antennen induktiv an Chipkartenmodulantennen gekoppelt. Übliche Booster-Antennen erstrecken sich meist über den gesamten Bereich der Chipkarte, gegebenenfalls auch über Teilbereiche, welche beispielsweise für in die Chipkarte eingeprägte Schriften (Embossing-Bereiche, beispielsweise in ISO/IEC 7811-1 Norm definiert) oder für die Chip-Kavität vorgesehen sind, so dass solche Chipkarten grundsätzlich nicht ISO/IEC-konform sind. Ferner erfolgt bei Chipkarten bisher keine Optimierung der Booster-Antenne hinsichtlich ihrer elektrischer Parameter, so dass solche Chipkarten beispielsweise nicht gemäß dem EMVCo-Standard – einem globalen Standard für Kredit- und Bankomatkarten basierend auf Chipkarten-Technologie – zertifiziert werden können.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Booster-Antennenstruktur für eine Chipkarte bereitgestellt, wobei die Booster-Antennenstruktur eine Booster-Antenne und eine mit der Booster-Antenne verbundene zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur aufweist. Unter einer Booster-Antenne kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Verstärker-Antenne verstanden werden, welche die Signalübertragung zwischen der Chipkarte bzw. dem Chipkartenmodul und einem Lesegerät unterstützt bzw. verstärkt. Dabei kann das Chipkartenmodul einen Resonanzschaltkreis aufweisen, welcher im Wesentlichen eine Chipkartenmodulantenne und den Chip aufweisen kann. Bei der Booster-Antenne kann es sich um eine induktive Struktur handeln, beispielsweise eine Anordnung aus Windungen, welche beispielsweise eine Flachspule ausbilden können. Die Spule kann beispielsweise eine rechteckige oder polygonale Form oder eine Mischform aus diesen aufweisen, wobei die Ecken abgerundet sein können. Die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur kann eine von der Booster-Antenne unabhängige Struktur sein, d. h. eine Struktur, welche einen zusätzlichen ohmschen Widerstand zum ohmschen Widerstand der Strukturen bereitstellt, welche Booster-Antenne ausbilden. Die Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise bezüglich ihrer elektrischen Parameter wie auch ihrer Geometrie derart optimiert werden, dass damit ISO/IEC-konforme Chipkarten hergestellt werden können, welche überdies dem EMVCo-Standard genügen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur können die Booster-Antenne und die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur gemeinsam eine Anordnung bilden, die eine Resonanzfrequenz aufweist von ungefähr 13,56 MHz. Anders ausgedrückt können die Booster-Antenne und die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur einen Schaltkreis ausbilden, dessen Resonanzfrequenz bei ungefähr 13,56 Mhz liegt. Diese Frequenz entspricht einer der gemäß ISO/IEC 18000 Norm festgelegten RFID (radio-frequency identification – Radiofrequenz-Identifikation) Betriebsfrequenzen. Die tatsächliche Resonanzfrequenz kann von 13,56 Mhz aufgrund von bauteilparameterbedingten Abweichungen von Normparametern abweichen. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Abweichung bis etwa 10% als akzeptabel angesehen werden. Die Anordnung, welche die Booster-Antenne und die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur aufweist, kann zusätzlich eine Kapazität aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur kann die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur eine Mäanderstruktur aufweisen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Mäanderstruktur runde Strukturen oder zackige bzw. durch Ecken definierte Strukturen aufweisen. Die Mäanderstruktur kann beispielsweise eine Schlangenlinienform aufweisen, wobei die Schlangenlinie zwischen Orten von Richtungswechseln unterschiedlich lange Abschnitte aufweisen kann. Auch kann mindestens eine Ecke der Mäanderstruktur abgerundet sein oder die Mäanderstruktur kann eine Zick-Zack-Form aufweisen. Die Mäanderstruktur kann insgesamt als eine periodische Struktur ausgebildet sein oder aber auch eine Aneinanderreihung periodischer Leiterbahnabschnitte aufweisen. Alternativ kann die Mäanderstruktur eine symmetriefreie Form haben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur kann die elektrisch leitfähige Struktur auch als diskretes Bauteil bereitgestellt sein, beispielsweise in Form einer Leitung, welche ein anderes Material aufweist im Vergleich zu den Leitungen, mit denen sie verbunden ist. Ferner kann die elektrisch leitfähige Struktur als Verjüngung einer Leitung in mindestens einem Bereich der Booster-Antennenstruktur eingerichtet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur kann die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur gemeinsam mit der Booster-Antennenstruktur einen ohmschen Wechselstrom-Widerstand aufweisen von mindestens 5 Ω, beispielsweise 10° Ω, wenn die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur in Serie zu der Booster-Antenne verschaltet ist. Bei einer parallelen Verschaltung der zusätzlich leitfähigen Struktur in Bezug auf die Booster-Antenne kann der Wechselstrom-Widerstand der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur gemeinsam mit der Booster-Antennenstruktur beispielsweise etwa 500 Ω betragen. Die Booster-Antenne weist in serieller Verschaltung und in paralleler Verschaltung bezüglich der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur unterschiedliche Wechselstrom-Ersatzwiderstände auf. Bei der Auslegung der Booster-Antennenstruktur ist der ohmsche Wechselstrom-Widerstand der gesamten Struktur zu berücksichtigen, also beispielsweise der Wechselstrom-Widerstand der Booster-Antenne, der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur und beispielsweise einer Kapazität. Beim Wechselstromwiderstand sind gegenüber einem Gleichstromwiderstand die Frequenz und die Phase des Stromes bzw. der Spannung bei der Berechnung des Widerstandes zu berücksichtigen, so dass sich der Wechselstromwiderstand auf Grund von Effekten wie Selbstinduktion, dem so genannten Proximity-Effekt oder dem Skin-Effekt von einem Gleichstromwiderstand eines elektronischen Bauteils wie der zusätzlichen elektrisch leitfähigen Struktur deutlich unterscheiden kann. Der tatsächliche Wechselstromwiderstand der zusätzlich leitfähigen Struktur kann beispielsweise durch die Wahl Materials und/oder der Form derselben eingestellt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur können die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur und die Booster-Antenne aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Die Booster-Antenne kann beispielsweise Materialien wie Ag, Al, Cu, Au oder Legierungen daraus aufweisen. Ebenfalls kann die zusätzlich elektrisch leitfähige Struktur diese Materialien aufweisen, und zwar unabhängig von dem für die Booster-Antenne gewählten Material. Generell kann die Materialwahl unter Berücksichtigung der Form und der Dimension des zusätzlich elektrisch leitfähigen Material angepasst werden, so dass sich ein gewünschter Widerstandswert einstellt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur können die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur und die Booster-Antenne in Serie miteinander gekoppelt sein. Alternativ können gemäß weiteren verschiedenen Ausführungsbeispielen die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur und die Booster-Antenne parallel zueinander gekoppelt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Booster-Antenne mindestens einen induktiven Kopplungsbereich aufweisen sowie als Resonanz-Schaltkreis ausgebildet sein. Der induktive Kopplungsbereich kann zur Kopplung der Booster-Antenne mit einer weiteren Antenne eingerichtet sein, beispielsweise mit einer auf einem Chipkartenmodul angeordneten Chipkartenmodulantenne. Mittels des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches kann die Booster-Antenne induktiv an die Chipkartenmodulantenne bzw. an das Chipkartenmodul gekoppelt werden, so dass keine mechanischen Kontakte zwischen diesen beiden bereitgestellt werde müssen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Booster-Antennenstruktur ferner eine Kapazität aufweisen. Die Kapazität kann mit der Booster-Antenne verbunden sein und in einer solchen Anordnung zusammen mit der Booster-Antenne und der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur einen Resonanzschaltkreis ausbilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur kann die Kapazität als ein Plattenkondensator ausgebildet sein. Die einzelnen Kondensatorplatten können auf derselben Seite oder auf unterschiedlichen Seiten einer Folie oder eines Trägers ausgebildet sein, auf dem die Booster-Antennenstruktur angeordnet ist. Zwischen den Kondensatorplatten kann ferner ein Dielektrikum angeordnet sein. Generell kann die Kapazität zwei in einem Abstand voneinander angeordnete, voneinander elektrisch isolierte Leiterstränge aufweisen, wobei die Gesamtstruktur eine beliebige Form aufweisen kann. So kann der Plattenkondensator beispielsweise zu einer Spiralenform zusammengerollt vorliegen, wobei jeder Spiralstrang einer der Kondensatorelektroden entspricht. Der Träger oder die Trägerschicht kann allgemein ein elektrisch isolierendes Material aufweisen, beispielsweise einen Kunststoff oder ein Kunststofflaminat, und als Folie oder dünne Materialschicht vorliegen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur kann die Kapazität mehrere parallel nebeneinander angeordnete Leitungen aufweisen, wobei jede zweite Leitung mit derselben Kapazitätselektrode verbunden ist. Es kann beispielsweise jede der Kapazitätselektroden eine Fingerstruktur aufweisen, wobei die Kapazitätselektroden um 180° zueinander gedreht sind und so angeordnet sind, dass mindestens ein Finger der einen Kapazitätselektrode zwischen zwei Fingern der anderen Kapazitätselektrode angeordnet ist, wobei die Finger der beiden Kapazitätselektroden voneinander elektrisch isoliert sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Booster-Antennenstruktur können die Strukturen, welche die Kapazität ausbilden, und die Booster-Antennenstruktur in derselben Ebene angeordnet sein. Es ist in diesem Fall keine zusätzliche Strukturschicht erforderlich, in welcher eines der Bauteile gesondert angeordnet ist, sondern es können sowohl die die Kapazität ausbildenden Strukturen wie auch die Booster-Antennenstruktur in einem Ausbildungsprozess auf derselben Schicht, d. h. in der gleichen Ebene, ausgebildet werden, also beispielsweise auf einer oder auf zwei Seiten des Trägers, auf dem die Booster-Antennenstruktur angeordnet ist. Die Kapazität kann auch als Leitungskapazität eingerichtet sein und beispielsweise als Blindwindung eingerichtet sein. Die Blindwindung kann zwei nebeneinander verlaufende Leiterbahnen aufweisen, wobei der Wicklungssinn beider Leiterbahnen in Bezug aufeinander gegenläufig ist, so dass die Blindwindung keinen oder einen vernachlässigbaren Beitrag zur Induktivität der Booster-Antennenstruktur leistet.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung bereitgestellt, aufweisend eine Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen und ein Kontaktlos-Chipkartenmodul, das einen Chip und eine Spule aufweist, die mit dem Chip elektrisch gekoppelt ist, wobei die Booster-Antennenstruktur mit der Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls induktiv gekoppelt sein kann mittels mindestens eines induktiven Kopplungsbereichs der Booster-Antenne. Die induktive Kopplung der Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls mit der Booster-Antennenstruktur kann über eine Positionierung der Spule in der Nähe der Booster-Antenne erreicht werden. Dabei können einzelne Bereiche der Windungen der Chipkartenmodulspule, welche beispielsweise eine rechteckige oder polygonale Form haben können, an einer oder mehreren Seiten an die Booster-Antenne angrenzend verlaufen. Die Chipkartenmodul-Anordnung kann einen Teil einer Chipkarte ausbilden, welche beispielsweise der ISO/IEC 7810 Norm genügt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung zusätzlich eine kontaktbasierte Schnittstelle aufweisen, beispielsweise in Form von auf dem Chipkartenmodul angeordneter Chipkartenkontakte, mittels welcher die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung auch kontaktbasiert mit einer Leseeinheit kommunizieren kann. Durch die galvanische bzw. induktive Kopplung zwischen Booster-Antenne und der Chipkartenmodul-Antenne ist es nicht erforderlich einen elektrischen körperlichen Kontakt zwischen der Booster-Antenne und Chipkartenmodul-Antenne auszubilden, welcher zudem eine präzise Fräsung in der Chipkarte bzw. dem Chipkartenkörper erfordert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann die Booster-Antennenstruktur an das Kontaktlos-Chipkartenmodul leistungsangepasst sein, wobei die Anpassung mittels der zusätzlichen elektrisch leitfähigen Struktur einstellbar sein kann. Eine derartige Leistungsanpassung ermöglicht eine optimale Leistungsübertragung von Signalen oder Energie zwischen der Booster-Antennenstruktur und dem Kontaktlos-Chipkartenmodul und kann beispielsweise über ein Anpassen des Widerstandes der zusätzlich leitfähigen Struktur an einen transformierten Widerstand des Chipkartenmoduls erreicht werden, wobei auf den transformierten Widerstand des Chipkartenmoduls später genauer eingegangen wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne eine die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls umschließende Struktur aufweisen. Die umschließende Struktur kann dabei einen integralen Teil der Booster-Antenne aufweisen in Form einer Auskopplung oder Verlängerung einer Windung der Booster-Antenne, welche dann auch eine Spule ausbilden kann, welche beispielsweise die Spule des Chipkartenmoduls umgeben kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann die umschließende Struktur mindestens zwei Windungen aufweisen, welche die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls umschließen. Die mindestens zwei Windungen können dabei in einem gleichen Abstand zu allen Seiten der Spule des Chipkartenmoduls angeordnet sein. Der Abstand zwischen den Windungen der umschließenden Struktur und mindestens einer Seite der Spule des Chipkartenmoduls kann jedoch von den Abständen zwischen den Windungen der umschließenden Struktur und den übrigen Seiten der Spule des Chipkartenmoduls verschieden sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne in einem Eckbereich der Booster-Antenne angeordnet sein. Der Eckbereich der Booster-Antenne kann dabei zwei Seiten Aufweisen, wobei jede Seite im Wesentlichen parallel zu einer Seite der Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls angrenzend verlaufen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne innerhalb eines Bereiches liegen, welcher durch die Booster-Antenne ausbildenden Leiterbahnen begrenzt ist. Dieses kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls in einer inneren Ecke oder an einer inneren Seite der Booster-Antenne angeordnet ist, wobei die innere Seite der Booster-Antenne durch eine ganz innen liegende Windung der Booster-Antennenspule festgelegt sein kann. Der mindestens eine induktive Kopplungsbereich kann derart ausgebildet sein, dass die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls im Wesentlichen entlang drei ihrer Seiten von Windungen der Booster-Antenne umgeben ist und der mindestens eine induktive Kopplungsbereich sozusagen als eine Art Bucht ausgebildet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne außerhalb eines Bereiches liegen, welcher durch die Booster-Antenne ausbildenden Leiterbahnen begrenzt ist. Dieses kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls an einer äußeren Seite der Booster-Antenne angeordnet ist, wobei die äußere Seite der Booster-Antenne durch ganz außen liegende Windung der Booster-Antennenspule festgelegt sein kann. Dabei kann der mindestens eine induktive Kopplungsbereich kann derart ausgebildet sein, dass die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls im Wesentlichen entlang drei ihrer Seiten von Windungen der Booster-Antenne umgeben ist und der mindestens eine induktive Kopplungsbereich sozusagen als eine Art Bucht ausgebildet ist.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung bereitgestellt, aufweisend eine Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen und ein Kontaktlos-Chipkartenmodul, das einen Chip und eine Spule aufweist, die mit dem Chip elektrisch gekoppelt ist, wobei die Booster-Antennenstruktur mit der Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls induktiv gekoppelt sein kann und wobei die Booster-Antennen-externe elektrisch leitfähige Struktur gemeinsam mit der Booster-Antennenstruktur einen ohmschen Wechselstrom-Widerstand aufweist, dessen Wert sich ergibt aus einer Betriebsfrequenz des Chips, der Induktivität der Booster-Antenne und der Güte der Booster-Antenne. Dabei kann die Booster-Antennenstruktur an das Kontaktlos-Chipkartenmodul leistungsangepasst sein. Die Leistungsanpassung kann beispielsweise mittels einer Anpassung der Booster-Antennen-externen elektrisch leitfähigen Struktur, beispielsweise eines Boosterantennen-Widerstandes, einstellbar sein. Bei der Anpassung des ohmschen Wechselstrom-Widerstands der Booster-Antennenexternen elektrisch leitfähigen Struktur kann ferner die Güte der Booster-Antenne eingestellt werden und dadurch die Rückwirkung der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung auf eine Leseeinheit eingestellt werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann unter der Booster-Antennenexternen elektrisch leitfähigen Struktur eine Struktur verstanden werden, welche nicht Bestandteil der Spulenwindungen der Booster-Antenne ist, sondern ein zu den Windungen der Booster-Antenne zusätzliches elektrisch leitfähige Struktur darstellt, welche parallel oder in Serie zu der Spule bzw. den Windungen der Booster-Antenne verschaltet sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann das Kontaktlos-Chipkartenmodul ferner Chipkartenkontakte aufweisen, welche eingerichtet sind, eine kontaktbasierte Chipkartenschnittstelle bereitzustellen. Die Chipkartenkontakte können ein Kontaktfeld ausbilden, welches der ISO/IEC 7816 Norm entspricht. Das Kontaktfeld kann sechs oder acht einzelne Chipkartenkontakte aufweisen, welche übliche leitfähige Materialien aufweisen können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung kann die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung als eine Dual Interface Chipkartenmodul-Anordnung eingerichtet sein. Die Kommunikation mit dem Chip der Dual Interface-Chipkartenmodul-Anordnung kann dann wahlweise mittels der kontaktbasierten Schnittstelle in Form der Chipkartenkontakte oder mittels der kontaktlosen Schnittstelle in Form der Chipkartenmodul-Antenne und der Booster-Antenne erfolgen. Eine Dual Interface Chipkarte kann ein Chipkartenmodul aufweisen, welches einen Chip und eine Spule in Form von Leiterbahnwindungen aufweisen kann, welche die Funktion einer Antenne übernimmt und die kontaktlose Kommunikation ermöglicht. Die gemeinsame Anordnung der Spule und des Chips auf einem Chipkartenmodul wird auch als CoM (Coil on Module – Spule auf Modul) bezeichnet. Die Verschaltung des Chips und der Spule auf dem Chipkartenmodul einer Dual Interface Chipkarte stellt einen Resonanzschaltkreis dar, welcher eigenständig betrieben werden kann.
Bei der Chipkarte, in welcher die Booster-Antennenstruktur und/oder die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung zum Einsatz kommen kann, kann es sich beispielsweise um eine Chipkarte handeln, welche mit dem ISO/IEC 7810 Standard konform ist. Demnach kann die Chipkarte jedes der üblichen Größenformate ID-1, ID-2, ID-3, ID-000 (auch mini-SIM-Format genannt, SIM: Subscriber Identity Module – Teilnehmer-Identitätsmodul) oder 3FF (auch micro-SIM-Format genannt) aufweisen. Je nach Größe der Chipkarte kann diese auch mehr als ein Chipkartenmodul aufweisen. Beispielsweise können zwei Chipkartenmodule auf einer Chipkarte angeordnet sein, so dass die Chipkarte mit einem ihrer Enden in ein Lesegerät eingeschoben oder durch ein solches durchgezogen werden kann und damit der Benutzer auswählen kann, welches Chipkartenmodul verwendet werden soll. In diesem Fall kann jede Chipkartenmodulantenne in einem separaten induktiven Kopplungsbereich angeordnet sein.
Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 ein beispielhaftes Chipkartenmodul mit Chipkartenmodul-Antenne für eine Chipkarte;
2A ein Übertragungssystem aufweisend eine Leseeinheit und ein Chipkartenmodul mit Chipkartenmodul-Antenne ohne Booster-Antennenstruktur;
2B ein Übertragungssystem aufweisend eine Leseeinheit und ein Chipkartenmodul mit Chipkartenmodul-Antenne und mit einer Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einflusses der Anzahl von Windungen der Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen auf die in der Chipkartenmodul-Antenne induzierte Spannung;
4A bis 4F zeigen verschiedene Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnungen zur Ausprägung des induktiven Kopplungsbereiches gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
5 einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines induktiven Kopplungsbereiches;
6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit eines Kopplungsfaktors vom Abstand zwischen Windungen der Chipkartenmodul-Antenne und Booster-Antennenwindungen;
7 einen Ausschnitt einer Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
8A einen Ausschnitt einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
8B einen Ausschnitt einer weiteren Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
9 einen Schaltplan eines Systems aus Leseeinheit und einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
10 einen Schaltplan eines Systems aus einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
11A eine Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit einem Fingerkondensator;
11B eine vergrößerte Ansicht des in 11A dargestellten Fingerkondensators;
12A eine Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit einem Spiralkondensator;
12B eine Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit einer Blindwicklung als Kapazität;
13A eine Oberseite einer Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
13B eine Unterseite einer Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
13C eine überlagerte Ansicht der Oberseite der Booster-Antennenstruktur aus 13A und der Unterseite der Booster-Antennenstruktur aus 13B;
14 ein Abbild einer mittels Elektroplattierverfahren hergestellten Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
15 ein Abbild einer mittels Ätzverfahren hergestellten Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkenden Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
In 1 ist ein Ausschnitt einer Rückseite eines Chipkartenmoduls 100 mit einer Chipkartenmodul-Antenne gezeigt, mit welchem eine Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen gekoppelt werden kann. Unter der Rückseite des Chipkartenmoduls 100 kann die Seite verstanden werden, welche der Seite des Chipkartenmoduls, auf welcher die Chipkartenkontakte angeordnet sind, gegenüber angeordnet ist und damit nach einsetzen des Chipkartenmoduls in einen Chipkartenkörper von Außen nicht sichtbar ist. Das Chipkartenmodul 100 weist einen Träger 112 auf, auf welchem ein integrierter Schaltkreis in Form des Chips 102 angeordnet ist. Wie in der gezeigten Ausführungsform des Chipkartenmoduls 100 kann der Träger 112 mindestens teilweise durchsichtig sein, so dass die Chipkartenkontakte 114, welche auf der Vorderseite des Trägers 112 angeordnet sind, auch von der Rückseite des Chipkartenmoduls 100 her sichtbar sind. Die Chipkartenkontakte 114 sind mittels einer Verdrahtung 110 an den Chip 102 gekoppelt. Es ist eine chipexterne Spule 104 auf der Rückseite des Trägers 112 bereitgestellt und weist in diesem Ausführungsbeispiel dreizehn Windungen auf. Die Windungen der chipexternen Spule 104 sind ringsherum um den Chip 102 angeordnet. Jede der Spulenwindungen weist eine fast quadratische bzw. rechteckige Form mit abgerundeten Ecken auf, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die linke Seite einen Knick 116 aufweist, d. h. eine von einen von einer geraden Linie abweichenden Verlauf. Der Knick 116 bewirkt, dass die Spulenwindungen zur Mitte der chipexternen Spule 104 hin versetzt werden und so am äußeren Rand der Spule 104 ein Bereich geschaffen wird, in dem beispielsweise ein Endkontakt 106 der Spule angeordnet sein kann. Die Ausgestaltung der chipexternen Spule 104 kann je nach Bedarf an weitere auf dem Träger 112 vorhandene Bauteile angepasst werden. Die Form der Spulenwindungen kann von der in 1 gezeigten Form selbstverständlich abweichen und beispielsweise weitere Knicke aufweisen. Die chipexterne Spule 104 weist an ihrem äußeren Ende den Endkontakt 106 auf. Der Endkontakt 106 wird mittels einer Durchführung an die Vorderseite des Trägers 112 geführt und ist mit einer Kontaktbrücke 118 verbunden. Die Kontaktbrücke 118, welche auf der Vorderseite des Trägers 112 angeordnet ist, ist mit einer weiteren Durchführung gekoppelt, welche mit einem weiteren Kontakt 108 verbunden ist, der seinerseits mit dem Chip 102 gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die chipexterne Spule 104 geschlossen werden, ohne dass eine zusätzliche Ebene auf der Rückseite des Trägers 112 aufgebaut werden müsste, in welcher eine Leitung verlaufen könnte, welche die Spulenwindungen kreuzt. Bei der in 1 dargestellten chipexternen Spule 104 handelt es sich um eine einseitige Modulantenne, wobei eine Kontaktbrücke 118 auf der Seite der Chipkartenkontakte 112 verwendet wird, um die chipexterne Spule 104 zu schließen. Der auf dem Träger 112 angeordnete Chip 102 kann beispielsweise eine innere Kapazität von ungefähr 40 pF bis 100 pF, beispielsweise im Bereich von ungefähr 50 pF bis 80 pF aufweisen. Die Windungen der chipexternen Spule 104 können beispielsweise Silber, Aluminium, Kupfer, Gold und/oder leitfähige Legierungen aufweisen und können eine Leiterbahnbreite von mindestens 40 μm aufweisen, welche beispielsweise etwa 60 μm, etwa 80 μm oder etwa 100 μm oder etwa bis zu 200 μm betragen kann. Die Windungen der chipexternen Spule 104 können beispielsweise in einem Abstand von etwa 80 μm zueinander auf dem Träger 112 angeordnet sein. Beide Parameter – Leiterbahnbreite und Leiterbahnabstand – sind Parameter, welche im Hinblick auf die zu erreichende Induktivität der chipexternen Spule 104 angepasst werden können.
Bei dem in 1 gezeigten Chipkartenmodul 100 handelt es sich um ein sogenanntes CoM (Coil on Module – Spule auf Modul), welches den Chip und eine Spule aufweist, wobei die Spule die Funktion einer Antenne übernimmt und eine kontaktlose Kommunikation zwischen dem Chip und einer Leseeinheit ermöglicht. Bei dem Chipkartenmodul 100 kann es sich um ein Dual Interface Chipkartenmodul handeln, so dass der Chip zum einen mittels einer kontaktbehafteten (mittels der Kontakte 114) und mittels einer kontaktlosen Schnittstelle (chipexterne Spule 104) mit einer Leseeinheit kommunizieren kann. Das Kontaktlos-Chipkartenmodul gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, beispielsweise ein Kontaktlos-Chipkartenmodul einer Dual Interface Chipkarte, weist einen Resonanzschaltkreis auf, welcher im Wesentlichen den Chip und die chipexterne Spule aufweisen kann und eigenständig betrieben werden kann. Die Resonanzfrequenz des Resonanzschaltkreises kann hierbei auf die Betriebsfrequenz des Chips eingestellt werden und beispielsweise ungefähr 13,56 MHz betragen, wobei diese Frequenz einer der Frequenzen des RFID(radio-frequency identification – Radiofrequenz-identifikation)-Standards im Kurzwellenbereich entspricht.
In 2A ist ein System 200 aus Leseeinheit 202 und Chipkartenmodul 206 mit Chipkartenmodul-Antenne, jedoch ohne Booster-Antennenstruktur dargestellt. Die kontaktlose Kommunikation (oftmals auch bezeichnet als Nahfeld-Kommunikation) zwischen Leseeinheit 202 und Chipkartenmodul 206 basiert auf elektromagnetischen Wellen (beispielsweise auf einem oder mehreren Magnetfeldern), wobei eine Antenne 204 der Leseeinheit 202, welche als Spule ausgebildet sein kann, und die auf dem Chipkartenmodul 206 angeordnete chipexterne Spule verwendet werden, um diese zu übertragen. Bei der Übertragung von Signalen zwischen Leseeinheit 202 und Chipkartenmodul 206 wird durch ein getaktetes Magnetfeld der Leseeinheit 202 ein Stromfluss in der Chipkartenmodulantenne des Chipkartenmoduls 206 induziert. Im Chipkartenmodul 206 wird ein Lastwiderstand im Takt des Signals ein- und ausgeschaltet, welches übertragen werden soll. Diese Lastmodulation bewirkt eine Änderung des Stromflusses durch die Chipkartenmodulantenne, was wiederum eine sich ändernde Rückwirkung der Chipkartenmodulantenne auf die Amplitude des Magnetfeldes des Lesegerätes 202 zur Folge hat. Die durch die Lastmodulation im Chipkartenmodul hervorgerufene Modulation des Magnetfeldes des Lesegerätes kann in diesem detektiert werden. Um die Leistungsfähigkeit der kontaktlosen Kommunikation eines Chipkartenmoduls zu verbessern, kann zusätzlich eine Verstärker-Antenne (auch Booster-Antenne genannt) mit dem Chipkartenmodul gekoppelt werden. In 2B ist ein System 220 aus Leseeinheit 202 und Chipkartenmodul 206 mit Chipkartenmodul-Antenne und mit Booster-Antennenstruktur 208 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Die Booster-Antennenstruktur 208 wirkt sozusagen als verstärkender Vermittler zwischen der Antenne 204 der Leseeinheit 202 und der chipexternen Spule des Chipkartenmoduls 206. Die Booster-Antennenstruktur 208 weist größere Windungsstrukturen auf als die chipexterne Spule und kann deshalb stärker bzw. besser an das von der Antenne 204 der Leseeinheit 202 ausgehende Magnetfeld koppeln. Die Booster-Antennenstruktur 208 ist mittels des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches 210 an die auf dem Chipkartenmodul 206 angeordnete chipexterne Spule gekoppelt, d. h. es ist kein elektrischer bzw. körperlicher Kontakt zwischen dem Schaltkreis, welcher die chipexterne Spule aufweist, und der Booster-Antennenstruktur 208 erforderlich. Der induktive Kopplungsbereich 210 kann beispielsweise Kopplungswindungen aufweisen, welche das Chipkartenmodul 206 und damit die chipexterne Spule umgeben, wobei die Kopplungswindungen aus den Windungen der Booster-Antenne 208 ausgekoppelt werden. Aufgrund der räumlichen Nähe der Windungen der chipexternen Spule zu den Kopplungswindungen der Booster-Antenne 208 kann eine elektromagnetische Kopplung zwischen beiden Spulen erreicht werden, d. h. die eine Spule kann in der anderen Ströme induzieren. Weitere Ausführungsbeispiele des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches werden später erläutert.
Die Kopplung bzw. Kopplungsstärke zwischen einem Chipkartenmodul und einer Booster-Antenne ist ein wesentlicher Bestandteil der kontaktlosen Leistungsfähigkeit eines Gesamtsystems, welches im Wesentlichen die Chipkarte und die Leseeinheit aufweist und kann quantitativ durch einen Kopplungsfaktor bzw. Kopplungsparameter beschrieben werden. Die Anzahl der Windungen der Booster-Antenne und die Entfernung zwischen den Windungen der Booster-Antenne und den Windungen der chipexternen Spule sind dabei wichtige Stellparameter, sowie die Größe der Überlappungsfläche der Windungen.
Der Effekt, welchen die Booster-Antenne bzw. Booster-Antennenstruktur auf die in der Chipkartenmodul-Antenne bzw. in dem Schaltkreis auf dem Chipkartenmodul durch ein elektromagnetisches Feld einer Leseeinheit induzierte Spannung hat, ist in dem in 3 gezeigten Diagramm 300 veranschaulicht. In dem Diagramm 300 ist auf der x-Achse 302 die Anzahl der Windungen einer Booster-Antenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aufgetragen. Diese Anzahl der Windungen kann sich auf die Windungen beziehen, welche größer sind als die optionalen Kopplungswindungen, welche den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich umschließen können. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Booster-Antenne 208 zwei Windungen auf und es ist ein induktiver Kopplungsbereich 210 vorhanden, welcher von zwei Kopplungswindungen umschlossen bzw. umrandet wird, wobei die Kopplungswindungen aus einer Windung der Booster-Antenne ausgekoppelt sind. Bei solchen Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Windungen von der Anzahl der Kopplungswindungen unabhängig. Auf der y-Achse 304 ist die Spannung aufgetragen, welche am Chip und/oder dem Schaltkreis auf dem Chipkartenmodul durch das elektromagnetische Feld einer sich in der Nähe des Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen befindenden Leseeinheit induziert werden kann. Der Graph 306 in Diagramm 300 zeigt auf, dass mit einer steigenden Anzahl der Windungen der Booster-Antenne die induzierte Spannung ebenfalls steigt. Jedoch nimmt der Spannungsgewinn pro zusätzliche Windung mit einer steigenden Anzahl von Windungen ab, was sich in einer zu größeren Windungszahlen hin abnehmenden Steigung des Graphen 306 niederschlägt.
Die Anzahl der Windungen der Booster-Antenne kann durch den zur Verfügung stehenden Platz begrenzt sein. Die Booster-Antennenstruktur kann sich prinzipiell auf dem Bereich erstrecken, welcher beispielsweise durch die Größe einer Chipkarte begrenzt wird. Die Booster-Antennenstruktur kann dabei als eine Schicht innerhalb der Chipkarte angeordnet sein, beispielsweise einlaminiert, wobei beispielsweise alle Größen von Chipkarten in Frage kommen, welche in ISO/IEC 7810 Norm enthalten sind. Es können ferner Prozessparameter, beispielsweise Materialwahl, Dicke der Windungsleiterbahnen, und/oder Geometrie der Windungen bei der Auswahl der optimalen Windungsanzahl berücksichtigt werden.
Beim Entwerfen der Geometrie der Booster-Antenne können sich Restriktionen ergeben. Beispielsweise sind in der ISO/IEC 7811-1 Norm Bereiche für eine Chipkarte im ID-1 Format (ID-1 als eines von Chipkartenformaten ist in der ISO/IEC 7810 Norm spezifiziert) festgelegt, die nicht für die Booster-Antenne zur Verfügung stehen. Dabei kann es sich zum Beispiel um Bereiche für Embossing (eingeprägte Schriften) und/oder um den Bereich handeln, welchen das Chipkartenmodul einnimmt. Aufgrund dieser Restriktionen kann das Design zur Erreichung einer optimalen Kopplung zwischen Chipkartenmodul und Booster-Antenne eingeschränkt sein. Eine zu geringe Anzahl von Windungen der Booster-Antenne kann beispielsweise eine suboptimale Kopplung zur Folge haben. Bei Missachtung dieser der eben genannten und weiteren in der Norm enthaltenen Randbedingungen kann sich eine verbesserte Kopplung ergeben, jedoch sind dann die entsprechenden Chipkarten nicht konform mit der ISO/IEC 7811-1 Norm und können beispielsweise nicht dort verwendet werden, wo Embossing eine Rolle spielt.
Bei der Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird der Ansatz verfolgt, die für das Design der Booster-Antennenstruktur zur Verfügung stehenden Bereiche abzuschätzen unter Berücksichtigung der jeweiligen Prozessparameter zur Herstellung der Booster-Antennenstruktur wie zum Beispiel Materialwahl, Dicke der Windungsleiterbahnen, und/oder Geometrie der Windungen. Dadurch kann eine optimale Anzahl der Windungen der Booster-Antenne ermittelt werden.
Generell kann eine Booster-Antennenstruktur beispielsweise mittels eines Druckverfahrens oder eines Ätzverfahrens hergestellt werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Booster-Antennenstruktur auch verlegt werden oder mittels Galvanisierung hergestellt werden. Kontaktlose Systeme aus Chipkarte und Leseeinheit können auf verschiedene Weisen ausgestaltet werden, jedoch unterliegen sie aufgrund ihrer Anwendung allesamt ähnlichen Anforderungen.
Die elektrischen Anforderungen sind durch die ISO/IEC 14443 Norm, ISO/IEC 10373-6 Norm und den EMVCo Standard (EMVCo: EMV-Standard für kontaktlose Chipkarten; EMV: globaler Standard für Kredit- und Bankomatkarten basierend auf Chipkarten-Technologie), beispielsweise die EMV Kontaktlos-Kommunikationsprotokoll-Spezifikation 2.0.1 (EMV Contactless Communication Protocol Spezifikation, Version 2.0.1, July 2009) gegeben. Eine wichtige Anforderung ist die minimale Betriebsfeldstärke (minimum operating field strength), also die minimale Feldstärke, bei der eine ordnungsgemäße Signalübermittlung zwischen Chipkarte und Leseeinrichtung (und umgekehrt) erfolgen kann. Weiter von Bedeutung ist die minimale Lastmodulationsamplitude (Minimum Load Modulation Amplitude, LMA). Dieser Parameter beschreibt eine mittels der oben beschriebenen Lastmodulation erreichbare Magnetfeldamplitude, welche eine Änderung des Magnetfeldes der Leseeinrichtung innerhalb der üblichen Betriebsreichweite bewirken kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der maximale Rückwirkungseffekt (Maximal Loading Effect), welcher die Rückwirkung der Chipkarte auf die Leseeinrichtung betrifft. Die Chipkarte wird durch das elektromagnetische Feld der Leseeinrichtung betrieben und erzeugt ihrerseits ein eigenes elektromagnetisches Feld, welches wiederum auf die Leseeinrichtung zurückwirkt. Die maximale Rückwirkung legt eine Obergrenze für diesen Rückwirkungseffekt fest, so dass die Leseeinrichtung noch ordnungsgemäß funktionieren kann.
Weitere Anforderungen an Booster-Antennenstrukturen betreffen ihre mechanischen Eigenschaften. So müssen die Booster-Antennenstrukturen innerhalb von Chipkarten einbettbar sein, d. h. die Größe der jeweiligen Chipkarte, in der eine Booster-Antennenstruktur zum Einsatz kommt, gibt die Grenzen für eine mögliche Abmessung der Booster-Antennenstruktur vor. Mögliche Größen von Chipkarten können sich beispielsweise aus der ISO/IEC 7810 Norm ergeben. Ferner kann das Design bzw. die Form der Booster-Antenne selbst räumlichen Beschränkungen innerhalb der Chipkarte unterworfen sein, welche sich beispielsweise aus frei zu haltenden Bereichen ergeben können, beispielsweise für eingeprägte bzw. eingelassene Schriften (Embossing), wie in der ISO/IEC 7810-11 Norm spezifiziert.
Dabei kann der Herstellungsprozess der Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen iterativ ablaufen. Es können Testexemplare gefertigt werden, vermessen bzw. spezifiziert werden und es können nachfolgend verschiedene Parameter angepasst werden, um die Anforderungen zu erfüllen.
Eine Vergrößerung der Booster-Antenne, d. h. eine Vergrößerung der Fläche, welche die Booster-Antenne einschließt, wirkt sich positiv auf die minimale Lastmodulationsamplitude und die minimale Betriebsfeldstärke aus, da die Kopplung zwischen der Leseeinheit und der Booster-Antenne vergrößert wird. Gleichzeitig vergrößert sich aber die Rückwirkung der Chipkarte auf die Leseeinheit. Im Allgemeinen kann eine Größe der Booster-Antenne so groß gewählt werden, wie es gemäß der entsprechenden Beschränkungen bzw. Auflagen erlaubt ist.
Eine Vergrößerung der Anzahl der Windungen der Booster-Antenne kann in den meisten Fällen zu einer niedrigeren minimalen Betriebsfeldstärke führen. Jedoch wird dieser positive Effekt, wie am Diagramm 300 in 3 zu sehen ist, mit steigender Gesamtzahl der bereits vorhandenen Windungen der Booster-Antenne verringert (zunehmend abflachender Graph 306 in Diagramm 300 in 3). Gleichzeitig verringert sich jedoch mit steigender Anzahl von Windungen der Booster-Antenne die erreichbare minimale Lastmodulationsamplitude. Als Kompromisslösung kann bei Chipkarten im ID-1 Format eine sinnvolle Anzahl von Windungen der Booster-Antenne im Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 5 liegen und beispielsweise 4 Windungen betragen. Da der Kopplungsparameter bzw. die Kopplungsstärke zwischen der Booster-Antenne und dem Chipkartenmodul bzw. dessen Antenne ohne eine wesentliche Beeinflussung anderer Bauteilparameter geändert werden kann, stellt er einen guten Parameter dar, um das ganze System abzustimmen.
In 4A bis 4F sind unterschiedliche Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnungen 400, 410, 420, 430, 440, 450 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zur Ausprägung des induktiven Kopplungsbereiches gezeigt. In jeder der genannten Figuren ist eine Booster-Antennenstruktur 402 dargestellt, wobei nur die Booster-Antenne dargestellt ist, sowie ein Chipkartenmodul 404, welches eine chipexterne Spule 406 und einen Chip (nicht gesondert dargestellt) aufweist. Die Booster-Antenne 402 ist nur durch eine Leitung dargestellt, da in 4A bis 4F die geometrische Anordnung der chipexternen Spule 406 des Chipkartenmoduls 404 bezüglich der Booster-Antenne 402 im Fokus der Erläuterung steht. Selbstverständlich kann die Booster-Antennenstruktur 402 mehr als eine Windung, beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Windungen aufweisen sowie weitere Bauteile, etwa Kapazitäten, oder Widerstände. In jeder der 4A bis 4F ist der mindestens eine induktive Kopplungsbereich durch die Nähe des Chipkartenmoduls 404 zu der Booster-Antenne gebildet. Mit anderen Worten fällt der mindestens eine induktive Kopplungsbereich räumlich mit dem Ort des Chipkartenmoduls 404 zusammen. In den in 4A bis 4F dargestellten Ausführungsformen der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung sind die Windungen der chipexternen Spule 406 zu einer ungefähr quadratischen oder rechteckigen Form mit abgerundeten Eckenangeordnet. In verschiedenen Ausführungsformen können die Seiten von einem geraden Verlauf abweichen (siehe dazu 1) und/oder die chipexterne Spule 406 kann andere geometrische Formen annehmen.
In 4A wird eine induktive Kopplung zwischen der Booster-Antenne 402 und der chipexternen Spule 406 erreicht, indem die chipexterne Spule derart angeordnet ist, dass zwei Seiten der chipexternen Spule 406 auf ihrer gesamten Länge angrenzend an und im Wesentlichen parallel zu den Windungen der Booster-Antenne 402 verlaufen. Dabei ist die chipexterne Spule 406 in einem äußeren Eckbereich der Booster-Antenne 402, d. h. in einer Ecke der Booster-Antenne 402, und außerhalb einer Fläche angeordnet, welche von der Windung (oder Windungen) der Booster-Antenne 402 umrandet wird, die nachfolgend mit Booster-Antennenfläche bezeichnet wird. Mit Geometrien dieser Art lassen sich in Abhängigkeit von der Anzahl der Windungen der Booster-Antenne 402 und dem Abstand zwischen diesen und der chipexternen Spule 406 Kopplungsparameter in der Größenordnung bis 0,1 erreichen. Die in 4A gezeigte Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann verwendet werden, wenn eine Umschließung der chipexternen Spule 404 durch die Booster-Antenne 402 nicht möglich ist, beispielsweise aufgrund von Bereichen, die für eingelassene Schriften reserviert sind.
In 4B verlaufen genau wie in 4A zwei Seiten der chipexternen Spule 406 auf ihrer gesamten Länge angrenzend an und im wesentlichen parallel zu Teilen der Booster-Antenne 402, jedoch ist hier das Chipkartenmodul 404 innerhalb der Booster-Antennenfläche angeordnet. Mit anderen Worten ist das Chipkartenmodul 406 in einem inneren Eckbereich der Booster-Antenne 402 angeordnet. Im Vergleich zu der in 4A dargestellten Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 400 weist die in 4B dargestellte Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 410 einen größeren Kopplungsparameter auf bzw. ist dort die Booster-Antenne 402 besser mit der chipexternen Spule 406 gekoppelt.
In der in 4C dargestellten beispielhaften Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 430 ist das Chipkartenmodul 406 innerhalb der Booster-Antennenfläche angeordnet, wobei nur eine Seite des Chipkartenmoduls 404 unmittelbar angrenzend an die Booster-Antenne 402 angeordnet ist. Unter einer unmittelbaren Angrenzung kann in verschiedenen Ausführungsformen im Hinblick auf 5 und das in 6 dargestelltes Diagramm 600 ein Abstand zwischen einer Windung der chipexternen Spule 406 und einer Windung der Booster-Antenne von bis zu 10 mm verstanden werden.
Die in 4D gezeigte beispielhafte Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 440 entspricht im Wesentlichen der in 4B dargestellten beispielhafte Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 410, wobei hier der Abstand zwischen der chipexternen Spule 406 und der Booster-Antenne 402 gegenüber der in 4B dargestellten Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 410 verkleinert worden ist, d. h. zwei Seiten der chipexternen Spule 406 sind auf ihrer gesamten Länge unmittelbar angrenzend an und im wesentlichen parallel zu der Booster-Antenne 402. Gegenüber der in 4C gezeigten beispielhafte Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 430 weist die in 4D gezeigte beispielhafte Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 440 einen größeren Kopplungsparameter auf, da hier ein größerer Abschnitt der chipexternen Spule 404 (zwei Seiten) unmittelbar angrenzend an die Booster-Antenne 402 verlauft.
In 4E ist eine weitere beispielhafte Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 440 gezeigt, bei der die Booster-Antenne 402 unmittelbar angrenzend an und im Wesentlichen parallel zu drei Seiten des Chipkartenmoduls 404 auf deren voller Länge angeordnet ist, wobei das Chipkartenmodul 402 außerhalb der Booster-Antennenfläche angeordnet ist.
Im Vergleich dazu ist bei der in 4F dargestellten beispielhaften Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 450 die Booster-Antenne 402 unmittelbar angrenzend an und im Wesentlichen parallel zu drei Seiten des Chipkartenmoduls 404 auf deren voller Länge angeordnet, jedoch ist hier das Chipkartenmodul 404 innerhalb der Booster-Antennenfläche angeordnet. Im Vergleich zu der in 4E dargestellten Chipkartenmodul-Anordnung 440 ergibt sich hier ein größerer Kopplungsparameter. Mit Geometrien dieser Art lassen sich in Abhängigkeit von der Anzahl der Windungen der Booster-Antenne 402 und dem Abstand zwischen diesen und der chipexternen Spule 406 Kopplungsparameter in der Größenordnung zwischen 0,1 und 0,2 erreichen.
Zusammenfassend kann aus den Ergebnissen in 4A bis 4F gefolgert werden, dass zum einen die Anordnung des Chipkartenmoduls 404 innerhalb der Booster-Antennenfläche und zum anderen ein möglichst geringer Abstand zwischen der chipexternen Spule 406 (bzw. den die chipexterne Spule 406 ausbildenden Windungen) und der Booster-Antenne 402 sich positiv auf den Kopplungsparameter auswirken, d. h. ihn vergrößern. Ferner wächst der Kopplungsfaktor mit steigender Anzahl von Seiten der chipexternen Spule 406, die angrenzend an die Booster-Antenne 402 angeordnet sind. Unter angrenzender Anordnung ist hierbei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher der Abstand zwischen der Booster-Antenne 402 und der chipexternen Spule 404 wenige Millimeter beträgt und beispielsweise unter 4 Millimetern liegt.
Neben der Anzahl der Windungen der Booster-Antenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist, wie bereits festgestellt, auch der kleinstmögliche Abstand zwischen den Windungen der Booster-Antenne und den Windungen der chipexternen Spule ein wichtiger Parameter, welcher die Kopplung zwischen Booster-Antenne und chipexterner Spule beeinflussen kann. In 5 ist ein Ausschnitt einer Ausführungsform eines induktiven Kopplungsbereiches 500 dargestellt. Der Kopplungsbereich 500 wird von einem Eckbereich der Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen gebildet. Die chipexterne Spule ist angrenzend an eine Ecke der Booster-Antenne angeordnet, d. h. zwei Seiten einer äußeren Windung von den Windungen 502 der chipexternen Spule verlaufen in einem Abstand 506 im Wesentlichen parallel zu den Windungen 504 der Booster-Antenne. Als Alternative zu dem in 5 gezeigten Fall können die beiden eingezeichneten Abstände 506 auch unterschiedlich sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Windungsleiterbahnen eine Breite in einem Bereich von ungefähr 50 μm bis ungefähr 400 μm betragen und beispielsweise etwa 100 μm aufweisen. Eine Windungsleiterbahnbreite im oberen Bereich kann sich beispielsweise ergeben, wenn die Windungsleiterbahn zusätzlich als eine Elektrode einer Plattenkapazität fungiert.
Der Einfluss des Abstandes zwischen den Windungen 502 der chipexternen Spule und den Windungen 504 der Booster-Antenne auf die Kopplungsstärke bzw. den Kopplungsparameter k ist in Diagramm 600 in 6 dargestellt. Auf der x-Achse 602 des Diagramms 600 ist der Kopplungsparameter aufgetragen, auf der y-Achse 604 ist der in 5 eingezeichnete Abstand 506 aufgetragen. Unter dem Koppelungsparameter kann in verschiedenen Ausführungsformen ein Maß verstanden werden, in welchem ein die einen Windungen (chipexterne Spule oder Booster-Antenne) durchfließender Strom in der Lage ist in den anderen Windungen (Booster-Antenne oder chipexterne Spule) einen Stromfluss zu induzieren. Anhand der Kurve 606 in Diagramm 600 sieht man, dass der Koppelungsparameter k umso kleiner wird, je größer der Abstand 506 zwischen der Äußeren von den Windungen 502 der chipexternen Spule und der daran angrenzenden Windung von den Windungen 504 der Booster-Antenne ist.
7 zeigt einen Ausschnitt einer Booster-Antennenstruktur 700 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Der mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 706, innerhalb dessen eine chipexterne Spule eines Chipkartenmoduls angeordnet werden kann, ist hierbei durch Kopplungswindungen 704 ausgebildet bzw. von diesen Umgeben. Die Kopplungswindungen 704 können aus einer verlängerten Windung von den Windungen 702 der Booster-Antenne ausgebildet werden, wobei ihre Anzahl je nach vorhandenem Raum und gewünschter Kopplungsstärke im Bereich zwischen 1 und ungefähr 5 liegen kann und beispielsweise 3 betragen kann. Mit solchen Geometrien lassen sich in Abhängigkeit von der Anzahl der Kopplungswindungen 704, der Anzahl der Windungen 702 der Booster-Antenne und/oder des Abstandes der Windungen der chipexternen Spule zu den Kopplungswindungen die höchsten Kopplungsstärken erreichen, welche im Bereich von 0,2 bis 0,3 liegen können. Es kann auch der Fall eintreten, in dem es zu einer Überlappung zwischen der Chipkartenmodul-Antenne des Chipkartenmoduls und der Booster-Antenne an mindestens einer der Seiten kommt, wenn beispielsweise die Chipkartenmodul-Antenne flächenmäßig größer ist als der induktive Kopplungsbereich, welcher durch die Kopplungswindungen 704 festgelegt ist.
Weitere Ausführungsformen des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches sind jeweils in 8A und 8B dargestellt. In beiden Figuren ist ein Ausschnitt einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 800 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt, welche den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 806 aufweist. Innerhalb des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches 806 ist das Chipkartenmodul 804 angeordnet, auf dem sich der von der chipexternen Spule 808 umgebene Chip 810 befindet. Der mindestens eine induktive Kopplungsbereich 806 wird sowohl in 8A wie auch in 8B von Teilen der Booster-Antenne 802 gebildet. In beiden Figuren ist Booster-Antenne 802 vereinfacht durch nur eine Windung dargestellt, es können selbstverständlich weitere Windungen vorhanden sein. Wie in 7 kann beispielsweise die innere Windung ein Teilstück aufweisen, welches zu einer kleinen Spule in Form von kleinen Windungen ausgebildet ist, welche den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 804 umranden, wie in 8A und in 8B dargestellt. Dabei die den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 804 umschließenden Windungen in Abweichung zu der Darstellung in den Figuren auch abgerundete Ecken aufweisen und/oder eine runde, ovale oder polygonale Form haben. Auch der Abstand zwischen jeder der Seiten des Chipkartenmoduls 806 bzw. der chipexternen Spule zu den Seiten der inneren Windung des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches 806 kann für bezüglich mindestens einer der Seiten unterschiedlich sein. Anders ausgedrückt muss das Chipkartenmodul 804 nicht mittig oder symmetrisch innerhalb des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches 806 angeordnet sein. In 8A wie auch in 8B zeigen die Pfeile eine mögliche Stromflussrichtung innerhalb der Booster-Antenne 802 an. In dem in 8A dargestellten Ausführungsbeispiel der Booster-Antennestruktur 800 stimmt die Stromumlaufrichtung innerhalb der Booster-Antenne 802 bzw. innerhalb ihrer Windungen mit der Stromumlaufrichtung innerhalb der den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 804 umschließenden kleineren Windungen überein. Anders ausgedrückt stimmt die Richtung des elektromagnetischen Feldes, welches durch Stromfluss durch die Windungen der Booster-Antenne 802 ohne Berücksichtigung des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches 806 erzeugt wird, mit der Richtung des elektromagnetischen Feldes überein, welches durch Stromfluss durch die den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 806 umschließenden kleineren Windungen erzeugt wird. In dem in dem in 8B dargestellten Ausführungsbeispiel der Booster-Antennestruktur 800 stimmt die Stromumlaufrichtung innerhalb der Booster-Antenne 802 bzw. innerhalb ihrer Windungen nicht mit der Stromumlaufrichtung innerhalb der den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 804 umschließenden kleineren Windungen überein, hier sind die Stromumlaufrichtungen einander entgegengesetzt. Anders ausgedrückt ist die Richtung des elektromagnetischen Feldes, welches durch Stromfluss durch die Windungen der Booster-Antenne 802 ohne Berücksichtigung des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches 806 erzeugt wird, der Richtung des elektromagnetischen Feldes entgegengesetzt angeordnet, welches durch Stromfluss durch die den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 806 umschließenden kleineren Windungen erzeugt wird. Es ist ferner anzumerken, dass beide Alternativen eine gute induktive Kopplung der Booster-Antenne 802 an das Chipkartenmodul 804 bzw. die chipexterne Spule 808 bereitstellen.
Bei den in 8A und in 8B dargestellten Ausführungsformen der Booster-Antennenstruktur ist die Empfindlichkeit der Positionierungsgenauigkeit des Chipkartenmoduls 804 innerhalb des mindestens einen induktiven Kopplungsbereiches 806 untersucht worden. Im Ergebnis ist ermittelt worden, dass Abweichungen bis etwa 1,5 mm des Chipkartenmoduls in eine der drei Raumrichtungen von seiner spezifizierten Position kaum feststellbar sind, sich also Systemgrößen wie Ansprechfeldstärke oder Lastmodulationsamplitude nur unwesentlich ändern. Ab einer Abeichung von etwa 2 mm des Chipkartenmoduls in eine der drei Raumrichtungen von seiner vorgegebenen Position sind Änderungen feststellbar, welche jedoch immer noch einen ordnungsgemäßen Betrieb der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung ermöglichen. Insgesamt kann daraus gefolgert werden, dass die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen unempfindlich gegen Versetzungen bzw. Positionierfehler des Chipkartenmoduls in Bezug auf die Booster-Antennenstruktur ist, was die Herstellung einer entsprechenden Chipkarte erheblich vereinfachen kann, welche die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aufweisen kann.
In 9 ist ein Schaltplan 900 eines Systems aufweisend eine Leseeinheit 902 (auch als PCD (proximity coupling device) bezeichnet) und eine Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 904 (auch als PICC (proximity integrated circiut card) bezeichnet) gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Die Leseeinheit 902 weist eine Leseeinheit-Antenne 910 auf, welche als Spule ausgebildet sein kann. Die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 904, welche beispielsweise Teil einer Kontaktlos-Chipkarte oder einer Dual Interface Chipkarte sein kann, weist ein Chipkartenmodul 908 und eine Booster-Antennenstruktur 906 auf. Das Chipkartenmodul 908 weist eine chipexterne Spule 918 auf, welche mit dem Chip verbunden ist, welcher mittels einer Parallelschaltung aus einer chipinternen Kapazität 920 und einem chipinternen Widerstand 922 modelliert wird, wobei letzterer den ohmschen Verbrauch des Chips repräsentiert. Die chipinterne Kapazität 920 kann auch eine zur chipexternen Spule 918 parallel geschaltete (parasitäre) Kapazität der Chipkartenmodul-Antenne und/oder eine chipexterne Kapazität repräsentieren. Zusätzlich kann ein weiterer Widerstand in Serie mit der chipexternen Spule 918 verschaltet sein. Die Booster-Antennenstruktur 906 ist durch einen Resonanzschaltkreis repräsentiert in Form einer Reihenschaltung, welche eine Booster-Antennenspule 912, eine Booster-Kapazität 914 und ein zusätzliches elektrisch leitfähige Struktur aufweist, beispielsweise einen Booster-Widerstand 916. Im Schaltkreis der Booster-Antennenstruktur 906 kann der Booster-Widerstand 916 alternativ auch parallel geschaltet werden zu der Anordnung, welche die Booster-Antennenspule 912 und die Booster-Kapazität 914 aufweist. Die drei Teilsysteme können untereinander elektromagnetisch koppeln. Ein erster Pfeil 926 kennzeichnet die elektromagnetische Kopplung zwischen der Booster-Antennenstruktur 906 und der chipexternen Spule des Chipkartenmoduls 908, der zweite Pfeil 924 kennzeichnet die elektromagnetische Kopplung zwischen der Booster-Antennenstruktur 906 und der Leseeinheit 902 und ein dritter Pfeil 928 kennzeichnet die elektromagnetische Kopplung zwischen der Leseeinheit 902 und der chipexternen Spule 918 des Chipkartenmoduls 908.
Blues der Ziele beim Entwerfen der Booster-Antennenstruktur kann darin bestehen, den Rückwirkungseffekt unter eine bestimmte Grenze zu reduzieren, welche beispielsweise durch die ISO/IEC 10373-6 Norm oder die EMV Kontaktlos-Kommunikationsprotokoll-Spezifikation 2.0.1 gegeben sein kann, ohne dabei die erforderliche minimale Betriebsfeldstärke zu erhöhen. Der Rückwirkungseffekt kann zum Beispiel durch Reduzierung des Gütefaktors der Booster-Antenne reduziert werden, welcher sich aus dem Produkt der Betriebsfrequenz und der Induktivität der Booster-Antennenspule 912 dividiert durch den Booster-Widerstand 916 ergibt. Die Reduzierung des Gütefaktors kann erreicht werden durch Vergrößern des Booster-Widerstandes 916 und eines weiteren Widerstandes, welcher sich aus einer Transformation des Chipkartenmodul-Schaltkreises 908 in den Booster-Antennenstruktur-Schaltkreis 906 auf Grund der elektromagnetischen Kopplung zwischen Booster-Antenne 912 und der chipexternen Spule 918 ergibt. Im Falle, dass die Resonanzfrequenz des Resonanzschaltkreises, welcher die Chipkartenmodulantenne und den Chip aufweist, der Betriebsfrequenz entspricht, ergibt sich dieser transformierte Widerstand des Chipkartenmoduls R_Mtr zu
wobei R_IC dem chipinternen Widerstand 922 entspricht, k_BM der Kopplungsstärke 926 zwischen der Booster-Antennenstruktur 906 und der chipexternen Spule 918 entspricht, L_B der Induktivität der Booster-Antennenspule 912 entspricht und L_M der Induktivität der chipexternen Spule 918 entspricht. Ein üblicher chipinterner Widerstand R_IC kann beispielsweise 1 Kiloohm betragen, eine übliche Induktivität der der chipexternen Spule kann beispielsweise 2,4 Mikrohenry betragen.
Die Summe aus dem Booster-Widerstand 816 und dem transformierten Widerstand des Chipkartenmoduls R_Mtr entspricht einem Gesamtwiderstand R_total, welcher den Rückwirkungseffekt bestimmt. Bei Chipkarten im ID-1 Format (gemäß ISO/IEC 7810 Norm) kann der Gesamtwiderstand R_total beispielsweise ungefähr 65 Ohm betragen. Um eine Leistungsanpassung zwischen dem Chipkartenmodul und der Booster-Antennenstruktur zu erreichen, können der transformierte Widerstand des Chipkartenmoduls R_Mtr und der Booster-Widerstand 916 ungefähr gleich gewählt werden. Dadurch ist es möglich, dass ein Optimum an Leistung zwischen Chipkartenmodul und Booster-Antennen übertragen werden kann. Der Booster-Widerstand 916 kann beispielsweise über die Breite der Windungsleiterbahnen der Booster-Antenne 912 angepasst werden und/oder mittels einer geeigneten Wahl der Gesamtlänge der Booster-Antenne 912, ohne dass die Induktivität der Booster-Antenne 912 und die Booster-Antennenfläche, d. h. der Fläche, welche von den Booster-Antennenwindungen umrandet wird, nennenswert verändert werden.
Der Aspekt der Leistungsanpassung zwischen Chipkartenmodul und Booster-Antenne ist anhand der 10 verdeutlicht, welche einen Ersatzschaltplan einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 1000 aufweisend eine Chipkartenmodul-Antenne, einen Chip und eine Booster-Antenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigt. Von einer Leseeinheit kann in der Booster-Antenne eine Spannung induziert werden, die als Spannungsquelle 1002 im Ersatzschaltbild der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 1000 dargestellt ist. Die Spannungsquelle 1002 weist einen Spannungsgenerator 1006, der die induzierte Spannung repräsentiert, und einen Innenwiderstand 1008, der den ohmschen Widerstand der Booster-Antennenstruktur berücksichtigt, auf. Die induktive Kopplung zwischen Booster-Antenne und Chipkartenmodul-Antenne innerhalb der Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 1000 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist hier mittels einer T-Ersatzschaltung berücksichtigt, welche eine erste Induktivität 1014 (M_BM), eine zweite Induktivität 1012 (L_B-M_BM) und eine dritte Induktivität 1016 (L_M-M_BM) aufweist. Die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 1000, welche beispielsweise Teil einer Kontaktlos-Chipkarte oder einer Dual Interface Chipkarte sein kann, weist ein Chipkartenmodul und eine Booster-Antennenstruktur auf, welche in dem Schaltplan in 10 zur Vereinfachung als eine Einheit dargestellt sind. Das Chipkartenmodul weist eine chipexterne Spule auf, welche in der dritten Induktivität 1016 repräsentiert ist, welche mit dem Chip verbunden ist, welcher mittels einer Parallelschaltung aus einer chipinternen Kapazität 1018 und einem chipinternen Widerstand 1020 modelliert wird. Die Booster-Antennenstruktur ist durch eine Reihenschaltung modelliert, welche eine Booster-Antennenspule, welche in der zweiten Induktivität 1012 repräsentiert ist, den Widerstand 1008 und eine Booster-Kapazität 1010 aufweist.
Übliche Chipkartensysteme mit induktiver Kopplung zwischen einem Chipkartenmodul und einer Booster-Antenne erfüllen nicht die die Auflagen einschlägiger Performance-Standards für Chipkarten wie EMVCo und/oder ISO/IEC 10373-6. Eine Möglichkeit dieses Problem zu lösen, besteht in der Optimierung des Leistungstransfers durch gezieltes Anpassen der Booster-Antenne an das Chipkartenmodul, welches die Chipkartenmodulantenne und den Chip aufweist.
Die Optimierung des Leistungstransfers kann mehrere Aspekte beinhalten. Zum einen kann dazu der Chipkartenmodul-Resonanzschaltkreis (z. B. siehe Chipkartenmodul-Schaltkreis 908 in 9), welcher im Wesentlichen den Chip und die chipexterne Spule aufweist, auf die Betriebsfrequenz des Chips eingestellt werden, welche beispielsweise bei 13,56 MHz liegen kann. Die Resonanzfrequenz des Chipkartenmodul-Resonanzschaltkreises kann beispielsweise mittels einer Anpassung der Induktivität der chipexternen Spule und/oder durch Bereitstellen einer zusätzlichen chipexternen Kapazität eingestellt werden. Zum anderen kann auch die Resonanzfrequenz des Booster-Antennenschaltkreises (z. B. siehe Booster-Antennenschaltkreis 906 in 9) auf die Betriebsfrequenz des Chips eingestellt werden, also beispielsweise auf 13,56 MHz. Die Resonanzfrequenz des Booster-Antennenschaltkreises kann beispielsweise mittels der mit der Booster-Antenne verbundenen zusätzlichen elektrisch leitfähigen Struktur oder mittels einer Kapazität eingestellt werden. Ferner kann der Gütefaktor der Booster-Antenne bestimmt werden und mittels der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur (z. B. Booster-Widerstand 916 in 9) derart angepasst werden, dass er dem Realteil eines komplexen Widerstandes (siehe komplexen Widerstand Z in 10) entspricht, welcher dem elektrischen Widerstand entspricht, der durch Einbringen einer Chipkarte mit einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung in das elektromagnetische Feld der Antenne der Leseeinheit in deren Schaltkreis entsteht. Anders ausgedrückt kann durch das Einstellen des Gütefaktors der Booster-Antenne, beispielsweise mittels der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur, der Rückwirkungseffekt der Booster-Antennenstruktur auf die Leseeinheit eingestellt werden, so dass ein maximaler standardisierter Rückwirkungseffekt auf die Leseeinheit bzw. die Antenne der Leseeinheit nicht überschritten wird. Gleichzeitig ermöglicht die Leistungsanpassung zwischen der Booster-Antenne und dem Chipkartenmodul bzw. der chipexternen Spule den Betrieb bei einer standardmäßig geforderten Arbeitsfeldstärke. Insgesamt kann gesagt werden, dass die Booster-Antennenstrukur für verschiedene Chipkarten individuell angepasst werden kann, wodurch einschlägige Standards für kontaktlose Systeme eingehalten werden können.
Wie bereits erwähnt, kann zur Einstellung der Resonanzfrequenz der Booster-Antenne, welche beispielsweise bei 13,56 MHz liegen kann, eine Kapazität in der Booster-Antennenstruktur bereitgestellt werden. Die Kapazität kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. Falls beide Oberflächen der Schicht zur Verfügung stehen, in welcher oder auf welcher die Booster-Antennenstruktur ausgebildet ist (nachfolgend als Trägerschicht bezeichnet), so kann die Kapazität beispielsweise in Form eines Plattenkondenstors ausgebildet werden, wobei je eine Platte auf jeweils einer Oberfläche angeordnet sein kann. Falls die Kapazität auf nur einer der Oberflächen ausgebildet sein soll, können Kapazitäten bereitgestellt werden, welche nebeneinander verlaufende Leiterbahnen aufweisen, die beispielsweise eine Fingerstruktur oder eine Spiralstruktur aufweisen. In jedem Fall kann der erforderliche Kapazitätswert C_B der Kapazität wie folgt berechnet werden
wobei f_res die Resonanzfrequenz des Schaltkreises und L_B die Induktivität der Booster-Antenne bezeichnet.
Die Kapazität C von Plattenkondensatoren, bei denen die Kondensatorplatten auf unterschiedlichen Seiten der Trägerschicht angeordnet sind, ergibt sich zum einen aus der Fläche A einer der Platten bzw. Elektroden des Kondensators und zum anderen aus der Dicke d und der dielektrischen Leitfähigkeit ε der Schicht bzw. des Substrats, auf dem die Booster-Antenne angeordnet ist: C = ε A / d.
In 11A ist eine mögliche Ausführungsform einer Kapazität 1104 der Booster-Antennenstruktur 1100 dargestellt, welche eine Fingerform aufweist (nachfolgend: Fingerkondensator) und in Serie mit der Booster-Antenne 1102 verschaltet ist, wobei die Booster-Antenne 1102 hier beispielhaft durch nur eine Windung repräsentiert ist. Eine vergrößerte Ansicht des Fingerkondensators 1104 ist in 11B dargestellt. Der Fingerkondensator 1104 weist eine erste Elektrode 1106 und eine zweite Elektrode 1108 auf, welche jeweils eine kammartige oder fingerartige Struktur aufweisen und eine so genannte Interdigital-Struktur ausbilden. Anders ausgedrückt weisen die Elektroden mehrere parallel nebeneinander verlaufende Leiterbahnen auf, wobei zwischen je zwei Leiterbahnen der einen Elektrode eine Leiterbahn der anderen Elektrode angeordnet ist. Die Kapazität kann beispielsweise mittels einer geeigneten Anzahl der Leiterbahnfinger pro Elektrode und/oder des Anteils, um welchen sich die Finger der beiden Elektroden überlappen bzw. ineinander eingeschoben sind und/oder die Größe der Freiräume zwischen den Fingern einer Elektrode und/oder durch Bereitstellen eines dielektrischen Materials zwischen den Fingern und/oder die Dimension der die Finger ausbildenden Leiterbahnen, d. h. die Dimension der Querschnittsfläche der die Finger ausbildenden Leiterbahnen, eingestellt werden.
Eine weitere mögliche Form, welche die Kapazität aufweisen kann, ist in 12A dargestellt. Die Booster-Antennenstruktur 1200 ist hier zur Veranschaulichung ebenfalls durch nur eine Windung 1202 repräsentiert und mit einer Spiralkapazität 1204 verbunden. Unter einer Spiralkapazität 1204 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Kapazität verstanden werden, welche zwei einen Leiterbahnstrang ausbildende nebeneinander verlaufende Leiterbahnen aufweist, wobei der Leiterbahnstrang zu einer Spirale zusammengerollt ist. Die Spirale muss dabei keine kreisrunde Form aufweisen, sie kann auch oval sein oder ein Polygon mit abgerundeten Ecken. Der Kapazitätswert der Spiralkapazität ist beispielsweise durch Anpassen von Parametern einstellbar, die in Zusammenhang mit dem Fingerkondensator bereits genannt worden sind.
Eine noch weitere mögliche Form, welche die Kapazität aufweisen kann, ist in 12B dargestellt. Die Booster-Antennenstruktur 1210 weist hier drei Windungen 1212 auf. Ferner schließt sich an das Ende der inneren Windung von den Windungen 1212 der Booster-Antennenstruktur 1210 ein induktiver Kopplungsbereich 1216 an, welcher von Kopplungswindungen 1218 umgeben ist. Die beispielsweise drei Kopplungswindungen 1218 sind dabei aus einer Verlängerung eines Endes einer inneren Windung der Windungen 1212 der Booster-Antennenstruktur 1210 ausgebildet. An das Ende der Leiterbahn, welche die Kopplungswindungen 1218 ausbildet, schließt sich eine Blindwindung 1214 an, welche die Kapazität ausbildet. Die Blindwindung 1214 weist zwei parallel nebeneinander verlaufende Leiterbahnen auf, wobei die erste Leiterbahn 1220 mit dem Ende der Leiterbahn, welche die Kopplungswindungen 1218 ausbildet, gekoppelt ist und die zweite Leiterbahn 1222 mit dem Ende der äußeren Windung von den Windungen 1212 der Booster-Antennenstruktur 1210 gekoppelt ist. Die erste Leiterbahn 1220 und die zweite Leiterbahn 1222 haben in Bezug aufeinander einen gegenläufigen Umlaufsinn. Die Enden der ersten Leiterbahn 1220 und der zweiten Leiterbahn 1222 liegen offen bzw. sind mit keiner anderen Struktur verbunden in Analogie zu dem Ende des Leiterbahndoppelstranges, welcher die Spiralkapazität 1204 in 12A ausbildet. Der Doppelstrang, welchen die erste Leiterbahn 1220 und die zweite Leiterbahn 1222 ausbilden, weist als solcher zwei Windungen auf, wobei sein Verlauf von dem in 12B gezeigten Verlauf abweichen kann und an unbelegte Bereiche in der Ebene, welche die Booster-Antennenstruktur 1210 aufweist bzw. an freizulassende Bereiche, welche beispielsweise für Prägeschriften reserviert sind, angepasst werden kann.
In 13A ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorder- bzw. Oberseite 1300 und in 13B ein Ausführungsbeispiel einer Unter- bzw. Rückseite 1320 einer Booster-Antennenstruktur dargestellt. Dem Ausführungsbeispiel liegt ein zweiseitiges Design zugrunde, d. h ein auf beide Oberflächen der Trägerschicht 1310 ausgelegter Entwurf, auf welchem die Booster-Antennenstruktur angeordnet ist. Das in 13A und 13B dargestellte Ausführungsbeispiel einer Booster-Antennenstruktur kann beispielsweise mittels Bedrucken des Substrats 1310 mit leitfähigen Strukturen oder mittels Elektroplattieren hergestellt werden, jedoch lassen sich analoge Strukturen auch mittels eines Ätzverfahrens herstellen. Auf Grundlage der hier vorgestellten Überlegungen kann eine Antennen-Boosterstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bzw. eine Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kostengünstig hergestellt werden, welche die ISO/IEC 14443 Norm und/oder die ISO/IEC 10373-6 Norm erfüllt und/oder dem EMVCo Standard genügt unter Beachtung der für Prägeschriften (Embossing) reservierten Bereiche.
Das in 13A und 13B dargestellte Ausführungsbeispiel einer Booster-Antennenstruktur kann eine Trägerschicht oder ein Trägersubstrat 1310 aufweisen, welches beispielsweise PVC aufweisen kann. Das Substrat 1310 kann die Größe einer Chipkarte im ID-1 Format (80 mm × 48 mm) haben. Die darauf angeordneten Strukturen können derart verteilt sein, dass Bereiche, die beispielsweise für Prägeschriften auf der Chipkarte vorgesehen sind, freigehalten werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Booster-Antenne 1302 zwei Windungen auf – eine auf der Vorder- und eine auf der Rückseite der Trägerschicht 1310, wobei jede dieser Windungen nahe des Randes der Trägerschicht 1310 verläuft um im Wesentlichen auf die gesamte Größe einer Chipkarte ausgedehnt ist. Die Windung auf der Vorderseite 1300 der Booster-Antennenstruktur ist mittels einer Durchkontaktierung 1312 mit der Windung auf der Rückseite 1320 der Booster-Antennenstruktur verbunden. Neben den zwei Hauptwindungen weist die Booster-Antenne zusätzlich zwei Kopplungswindungen 1308 auf, welche ebenfalls auf beiden Seiten der Trägerschicht 1310 angeordnet sind und den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 1304 umgeben. Die Durchkontaktierung 1312 verbindet in dem in 13A bis 13C gezeigten Ausführungsbeispiel die Enden der Kopplungswindungen 1308 durch die Trägerschicht 1310 miteinander, wobei diese jeweils auf der Vorderseite 1300 und der Rückseite 1320 der Booster-Antennenstruktur mit einem Ende der Windung der Booster-Antenne 1302 verbunden sind. Die Art und Weise, auf welche der Kopplungsbereich 1304 ausgebildet ist, entspricht im Wesentlichen dem bereits in Zusammenhang mit beispielsweise 7 dargestellten Prinzip. Ferner ist auf jeder Oberfläche der Trägerschicht 1310 eine Elektrode einer Plattenkapazität 1306 angeordnet. Die Elektroden sind auf den unterschiedlichen Seiten bzw. Oberflächen der Trägerschicht 1310 übereinander angeordnet und weisen im Wesentlichen einen Abstand voneinander auf, welcher der Dicke des Substrats 1310 entspricht. Mit einer Induktivität der Booster-Antennenspule 1302 von beispielsweise 2 Mikrohenry kann der Kopplungsparameter zwischen der chipexternen Spule (nicht dargestellt) und der Booster-Antenne 1302 ungefähr 0,2 betragen. Der Gesamtwiderstand R_total kann 65 Ohm betragen, so dass zwecks Leistungsanpassung sowohl der Booster-Widerstand und der transformierte Widerstand des Chipkartenmoduls R_Mtr ungefähr 32 Ohm betragen sollte. Ferner ist eine elektrisch leitfähige Struktur 1314, welche eine Mäanderform aufweist, mit den Kopplungswindungen 1308 in Serie innerhalb der Booster-Antennenstruktur verkoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur 1314 auf der Vorderseite 1300 der Booster-Antennenstruktur angeordnet. Alternativ kann sie auch auf der Rückseite 1302 der Booster-Antennenstruktur angeordnet sein.
In 13C ist eine Booster-Antennenstruktur 1340 dargestellt, wobei hier die Vorder- bzw. Oberseite 1300 aus 13A und der Unter- bzw. Rückseite 1320 aus 13B in einer überlagerten Ansicht gezeigt sind.
Um eine entsprechend dimensionierte zusätzlich elektrisch leitfähige Struktur in Form des Booster-Widerstandes bereitzustellen, kann zu dessen Herstellung eine Technologie gewählt werden, welche üblicherweise einen höheren Widerstand in Verbindung mit kleinen Leiterbahnbreiten aufweist, wie etwa ein Druckverfahren, bei dem in flüssiger oder pastöser Form vorliegende elektronische Funktionsmaterialien auf die Trägerschicht 1310 gedruckt werden können. Weiterhin kann die Leiterbahnbreite und die Leiterbahndicke, also der Leiterbahnquerschnitt, verringert werden, bis der gewünschte Widerstandswert erreicht ist. Es kann auch die Länge der Booster-Antenne bzw. ihrer Windungen derart verlängert werden, dass die anderen Parameter der Booster-Antenne, beispielsweise die Induktivität der Booster-Antenne, nicht wesentlich verändert werden. In dem in 13A und 13B dargestellten Ausführungsbeispiel der Booster-Antennenstruktur können die Dicke ihrer Leiterbahnen 5 μm und die Breite ihrer Leiterbahnen 100 μm betragen, um einen Widerstandswert von etwa 32 Ohm zu erreichen bei Verwendung einer Ätztechnik mit Kupfer als leitendem Material. Die genauen Parameter können durch genaue Messung des Widerstandes und/oder des Rückwirkungseffektes auf eine Leseeinheit bestimmt werden. Das Einstellen der Resonanzfrequenz kann beispielsweise auf einfache Art und Weise durch Zuschneiden der Platten des Kondensators 1306 mit einem Schnittwerkzeug erfolgen, bis die gewünschte Resonanzfrequenz von beispielsweise 13,56 MHz erreicht ist.
Die Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann mittels verschiedener Herstellungsverfahren ausgebildet werden. Verschiedene Herstellungsverfahren wirken sich jedoch unterschiedlich aus auf elektrische Eigenschaften der Booster-Antennenstruktur. Das bedeutet, dass es erforderlich sein kann, für jede der unterschiedlichen Herstellungsverfahren ein gesondertes Design anzufertigen, um eine bestimmte Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen herzustellen. Anders ausgedrückt kann aus verschiedenen Designs eine bezüglich Betriebsparametern gleiche Booster-Antennenstruktur gebildet werden, da sich verschiedene Herstellungsverfahren unterschiedlich auf elektrische Eigenschaften von elektrischen Strukturen auswirken. Des Weiteren sollte auch berücksichtigt werden, dass beim Entwerfen der Booster-Antennenstruktur für eine Chipkarte im ID-1 Format bestimmte Bereiche für die Booster Antennenstruktur nicht zur Verfügung stehen, wie etwa eine Chip-Kavität, in welche das Chipkartenmodul eingesetzt wird und/oder Bereiche, die für eingeprägte Schriften (Embossing) gemäß ISO/IEC 7811-1 Norm reserviert sind.
Es sind Booster-Antennen verfügbar, welche in gedruckter Form ausgeführt sind. Das Design berücksichtigt die freizuhaltenden Bereiche nicht und es ist fraglich, ob überhaupt und wie es auf andere Herstellungsverfahren übertragen werden kann.
Die unterschiedliche Auswirkung unterschiedlicher Herstellungsverfahren auf die elektrischen Eigenschaften einer Booster-Antennenstruktur kann untersucht werden. Dabei können elektrische Bauelemente der Booster-Antennenstruktur, wie etwa kapazitive und/oder induktive Strukturen und/oder die zusätzlich elektrisch leitfähige Struktur, im Ersatzschaltbild an die Material- und Prozesseigenschaften unterschiedlicher Herstellungsverfahren angepasst werden. Durch das Verständnis des Einflusses verschiedener Herstellungsverfahren auf elektrische Eigenschaften der Booster-Antennenstruktur lassen sich zum Einen vorgefertigte Booster-Antennenstrukturschablonen (Inlay-Strukturen) verschiedener Hersteller nutzen, zum Anderen kann die Leistungsfähigkeit der Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sowie die Ausbeute bei der Herstellung optimiert werden.
Nachfolgend werden für verschiedene Herstellungsverfahren spezifische Designkriterien erläutert. Zu jedem Ersatzschaltbild einer elektrischen Struktur im Booster-Antennenschaltkreis können je nach verwendeter Herstellungstechnologie Ersatzschaltbildparameter definiert werden.
Bei einem Herstellungsverfahren, welches mittels Verlegung mindestens eines leitfähigen Leiters (wired technology) erfolgt, können leitfähige Strukturen aus einem Draht auf eine Substratoberfläche bzw. Trägerschichtoberfläche angeordnet werden, wobei als Leiter übliche leitfähige Materialien wie Kupfer, Silber, Aluminium, Gold verwendet werden können. Bei diesem Herstellungsverfahren können Widerstände, etwa der Widerstand der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur der Booster-Antenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, durch geeignete Wahl des Materials und des Durchmessers eines für die Verdrahtung verwendeten Leiters eingestellt werden. Ferner kann auch die Leiterbahnlänge angepasst werden, indem beispielsweise mäanderförmige Verdrahtungspassagen ausgebildet werden. Induktive Strukturen lassen sich mittels nebeneinander verlaufenden Leiterbahnen herstellen, wobei über deren Abstand zueinander der Wert der Induktivität eingestellt werden kann. Induktive Strukturen können beispielsweise Windungen aufweisen, wobei durch deren Anzahl und die durch die Größe der von ihnen umrandeten Fläche der Wert der Induktivität eingestellt werden kann. Kapazitive Strukturen können durch Leitungskapazitäten bereitgestellt werden, beispielsweise in Fingerform oder in Spiralform. Ferner kann eine kapazitive Struktur in Zusammenhang mit einer Mäanderform des zusätzlichen elektrisch leitfähigen Elements ergeben.
Bei einer Herstellung der Booster-Antennenstruktur mittels eines Ätzverfahrens oder eines Druck-Elektroplattierverfahrens, bei dem die elektrischen Grundstrukturen zunächst aufgedruckt werden und nachfolgend mittels eines Elektroplattierprozesses ausgebildet werden kann der Widerstand, etwa der Widerstand der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur der Booster-Antenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, durch die Dicke und Breite der Leiterbahn, also ihren Querschnitt, und durch das verwendete Material eingestellt werden. Ebenfalls können mäanderförmige Strukturen ausgebildet werden zur Erhöhung der Leiterbahnlänge und damit des Widerstandes. Induktive Strukturen lassen sich mittels nebeneinander verlaufenden Leiterbahnen herstellen, wobei über deren Abstand zueinander der Wert der Induktivität eingestellt werden kann. Induktive Strukturen können beispielsweise Windungen aufweisen, wobei durch deren Anzahl und die Größe der von ihnen umrandeten Fläche der Wert der Induktivität eingestellt werden kann. Kapazitive Strukturen können durch eine Plattenkapazität bereitgestellt werden. Dazu können beispielsweise gesondert ausgeführte Kondensatorelektroden in Form von Platten auf der Vorder- und Rückseite des Trägersubstrats ausgebildet werden, auf dem die Booster-Antenne ausgebildet ist. Ebenfalls können kapazitive Strukturen in Form von auf der Vorder- und Rückseite des Trägersubstrats übereinander angeordneten Leiterbahnen der Windungen der Booster-Antenne ausgebildet werden. Ferner können auch einlagige, also nur auf einer der Oberflächen des Trägersubstrats ausgebildete kapazitive Strukturen bereitgestellt sein, beispielsweise in Fingerform oder in Spiralform. Es kann auch eine kapazitive Struktur in Zusammenhang mit einer Mäanderform des zusätzlichen elektrisch leitfähigen Elements ausgebildet werden.
In 14 ist ein Ausführungsbeispiel einer Booster-Antennenstruktur 1400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen dargestellt, welches mit einem Druck-Elektroplattierverfahren hergestellt werden kann. Die Booster-Antennenstruktur 1400 kann auf einem Trägersubstrat 1410 angeordnet sein, welches beispielsweise PVC aufweisen kann und von beiden Seiten mit leitfähigen Strukturen versehen ist. Das Trägersubstrat 1410 kann die Größe einer Chipkarte im ID-1 Format haben. Je eine Windung der Booster-Antenne 1402 ist entlang des Randes des Trägersubstrates 1410 verlaufend auf der Vorder- und auf der Rückseite des Trägersubstrates 1410 angeordnet. Neben diesen Hauptwindungen weist die Booster-Antenne 1402 zusätzlich kleinere Kopplungswindungen auf, welche ebenfalls auf beiden Seiten des Trägersubstrates 1410 angeordnet sind und den mindestens einen induktiven Kopplungsbereich 1404 umschließen. Ferner ist auf jeder Oberfläche des Trägersubstrates 1410 eine erste Elektrode einer ersten Plattenkapazität 1406 und eine erste Elektrode einer zweiten Plattenkapazität 1408 angeordnet. Eine entsprechende zweite Elektrode der ersten Plattenkapazität 1406 und eine entsprechende zweite Elektrode der zweiten Plattenkapazität 1408 ist auf der andren Seite des Trägersubstrates 1410 angeordnet – das Trägersubstrat 1410 wirkt hier als Abstandshalter zwischen den beiden Elektroden der Plattenkapazitäten. Bei Bedarf kann das Trägersubstrat 1410 an den Stellen der Plattenkapazitäten ausgedünnt werden, falls ein Abstand zwischen den Kondensatorplatten der ersten Plattenkapazität 1406 und/oder der zweiten Plattenkapazität 1408 erforderlich ist, welcher kleiner ist als die Dicke des Trägersubstrates 1410. Ferner ist eine zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur 1412 auf dem Trägersubstrat 1410 angeordnet, welche mit der Booster-Antennenstruktur 1400 verbunden ist. Die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur 1412 weist eine Mäanderform auf, wobei unterschiedlich lange Mäanderbereiche innerhalb einer zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur 1412 enthalten sein können. Die elektrischen Strukturen auf beiden Oberflächen des Substrats 1410 stehen mittels Durchführungen 1414 miteinander in elektrischem Kontakt.
Ein Ausführungsbeispiel einer Booster-Antennenstruktur 1500 gemäß verschiedenen Ausführungsformen, welches mittels eines Ätzverfahrens hergestellt werden kann, ist in 15 gezeigt. Die in 15 gezeigte beispielhafte Booster-Antennenstruktur 1500 ist der in 14 gezeigten beispielhaften Booster-Antennenstruktur 1400 ähnlich, so dass einander entsprechende Strukturen die gleichen Bezugszeichen tragen. Die Booster-Antennenstruktur 1500 weist auf Grund eines zur Herstellung verwendeten Ätzverfahrens jedoch ein filigraneres Design auf verglichen mit der Booster-Antennenstruktur 1400, welche mittels Druck-Elektroplattierverfahrens hergestellt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung einer Booster-Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen besteht in der Verwendung eines Druckverfahrens, bei dem die elektrischen Grundstrukturen vollständig aufgedruckt werden. Der Widerstand, etwa der Widerstand der zusätzlich elektrisch leitfähigen Struktur der Booster-Antenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, kann bei diesem Herstellungsverfahren durch die Dicke und Breite der Leiterbahn, also ihren Querschnitt, und durch das verwendete Material eingestellt werden. Ebenfalls können mäanderförmige Strukturen ausgebildet werden zur Erhöhung der Leiterbahnlänge und damit des Widerstandes. Ferner kann ein gesondertes Widerstandselement bereitgestellt werden durch Verwendung eines anderen Materials, welches an einer Stelle im Schaltkreis der Booster-Antennenstruktur zum Drucken verwendet werden kann. Induktive Strukturen lassen sich mittels nebeneinander verlaufenden Leiterbahnen herstellen, wobei über deren Abstand zueinander der Wert der Induktivität eingestellt werden kann. Induktive Strukturen können beispielsweise Windungen aufweisen, wobei durch deren Anzahl und die Größe der von ihnen umrandeten Fläche der Wert der Induktivität eingestellt werden kann. Kapazitive Strukturen können durch eine Plattenkapazität bereitgestellt werden. Dazu können beispielsweise gesondert ausgeführte Kondensatorelektroden in Form von Platten auf der Vorder- und Rückseite des Trägersubstrats ausgebildet werden, auf dem die Booster-Antenne ausgebildet ist. Ebenfalls können kapazitive Strukturen in Form von auf der Vorder- und Rückseite des Trägersubstrats übereinander angeordneten Leiterbahnen der Windungen der Booster-Antenne ausgebildet werden. Ferner können auch einlagige, also nur auf einer der Oberflächen des Trägersubstrats ausgebildete kapazitive Strukturen bereitgestellt sein, beispielsweise in Fingerform oder in Spiralform. Es kann auch eine kapazitive Struktur in Zusammenhang mit einer Mäanderform des zusätzlichen elektrisch leitfähigen Elements ausgebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO/IEC 7811-1 Norm [0006]
ISO/IEC 18000 Norm [0008]
ISO/IEC 7810 Norm [0019]
ISO/IEC 7816 Norm [0027]
ISO/IEC 7810 Standard [0029]
ISO/IEC 7810 Norm [0060]
ISO/IEC 7811-1 Norm [0061]
ISO/IEC 7810 Norm [0061]
Norm enthaltenen Randbedingungen [0061]
ISO/IEC 7811-1 Norm [0061]
ISO/IEC 14443 Norm [0064]
ISO/IEC 10373-6 Norm [0064]
ISO/IEC 7810 Norm [0065]
ISO/IEC 7810-11 [0065]
ISO/IEC 10373-6 Norm [0084]
ISO/IEC 7810 Norm [0085]
ISO/IEC 10373-6 [0087]
ISO/IEC 14443 Norm [0094]
ISO/IEC 10373-6 Norm [0094]
ISO/IEC 7811-1 Norm [0098]

Claims

Booster-Antennenstruktur für eine Chipkarte, wobei die Booster-Antennenstruktur aufweist: • eine Booster-Antenne; und • eine mit der Booster-Antenne verbundene zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur.
Booster-Antennenstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die Booster-Antenne und die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur gemeinsam eine Anordnung bilden, die eine Resonanzfrequenz aufweist von ungefähr 13,56 MHz.
Booster-Antennenstruktur gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur eine Mäanderstruktur aufweist.
Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur einen ohmschen Wechselstrom-Widerstand aufweist von mindestens 5 Ω.
Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur und die Booster-Antenne aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind.
Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur und die Booster-Antenne in Serie miteinander gekoppelt sind.
Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur und die Booster-Antenne parallel zueinander gekoppelt sind.
Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Booster-Antenne mindestens einen induktiven Kopplungsbereich aufweist.
Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Booster-Antennenstruktur ferner eine Kapazität aufweist.
Booster-Antennenstruktur gemäß Anspruch 9, wobei die Kapazität als ein Plattenkondensator ausgebildet ist.
Booster-Antennenstruktur gemäß Anspruch 9, wobei die Kapazität mehrere parallel nebeneinander angeordnete Leitungen aufweist, wobei jede zweite Leitung mit derselben Kapazitätselektrode verbunden ist.
Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei Strukturen, welche die Kapazität ausbilden, und die Booster-Antennenstruktur in derselben Ebene angeordnet sind.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung, aufweisend: eine Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ein Kontaktlos-Chipkartenmodul, das aufweist: • einen Chip; und • eine Spule, die mit dem Chip elektrisch gekoppelt ist; wobei die Booster-Antennenstruktur mit der Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls induktiv gekoppelt ist mittels mindestens eines induktiven Kopplungsbereichs der Booster-Antenne.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß Anspruch 13, wobei die Booster-Antennenstruktur an das Kontaktlos-Chipkartenmodul leistungsangepasst ist und wobei die Anpassung über die zusätzliche elektrisch leitfähige Struktur einstellbar ist.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne eine die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls umschließende Struktur aufweist.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß Anspruch 15, wobei die umschließende Struktur mindestens eine Windungen aufweist, welche die Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls umschließen.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne in einem Eckbereich der Booster-Antenne angeordnet ist.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne innerhalb eines Bereiches liegt, welcher durch die Booster-Antenne ausbildende Leiterbahnen begrenzt ist.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der mindestens eine induktive Kopplungsbereich der Booster-Antenne außerhalb eines Bereiches liegt, welcher durch die Booster-Antenne ausbildenden Leiterbahnen begrenzt ist.
Kontaktlos-Chipkartenmodu1-Anordnung, aufweisend: eine Booster-Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ein Kontaktlos-Chipkartenmodul, das aufweist: • einen Chip; und • eine Spule, die mit dem Chip elektrisch gekoppelt ist; wobei die Booster-Antennenstruktur mit der Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls induktiv gekoppelt ist; wobei die Booster-Antennen-externe elektrisch leitfähige Struktur einen ohmschen Wechselstrom-Widerstand aufweist, dessen Wert sich ergibt aus einer Betriebsfrequenz des Chips, der Induktivität der Booster-Antenne und der Güte der Booster-Antenne.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei das Kontaktlos-Chipkartenmodul ferner Chipkartenkontakte aufweist, welche eingerichtet sind, eine kontaktbasierte Chipkartenschnittstelle bereitzustellen.
Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung als eine Dual Interface Chipkartenmodul-Anordnung eingerichtet ist.