DE102013015736A1 - Antenna matching circuitry for connecting antenna to signal output of communication circuit of near field communication reader used in vehicle, has symmetrical Pi-filtering circuit, inductances, coils, resistors and capacitors - Google Patents
Antenna matching circuitry for connecting antenna to signal output of communication circuit of near field communication reader used in vehicle, has symmetrical Pi-filtering circuit, inductances, coils, resistors and capacitors Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Antennenanpassungsschaltung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to an antenna matching circuit according to the features of the preamble of claim 1.
Aus dem Stand der Technik sind Bezahl- und Identifikationssysteme allgemein bekannt, bei welchen eine Identifikationskarte über ein induktiv gekoppeltes Lesegerät ausgelesen wird. Über dieses induktiv gekoppelte Lesegerät erfolgt auch die Energieversorgung der Identifikationskarte, um die Kommunikation mit dem Lesegerät zu ermöglichen. Die Kommunikation zwischen der Identifikationskarte und dem Lesegerät erfolgt über eine Nahfeldkommunikation. Das Lesegerät versorgt ein oder mehrere Karten mit Energie und sendet und empfängt Informationen über das gleiche Feld. Das digital geschaltete Ausgangssignal des Lesegeräts ist über eine Anpassungsschaltung an eine Antenne angeschlossen.Payment and identification systems are generally known from the prior art, in which an identification card is read out via an inductively coupled reader. This inductively coupled reader is also the power supply of the identification card to enable communication with the reader. The communication between the identification card and the reader takes place via a near-field communication. The reader supplies one or more cards with energy and sends and receives information about the same field. The digital output of the reader is connected to an antenna via a matching circuit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Antennenanpassungsschaltung anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved over the prior art antenna matching circuit.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Antennenanpassungsschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by an antenna matching circuit with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine Antennenanpassungsschaltung zum Anschluss einer Antenne an einen Signalausgang einer Kommunikationsschaltung eines Lesegerätes zur Nahfeldkommunikation weist erfindungsgemäß einen Antennenanpassungsschaltungsteil auf, welcher als eine symmetrische Filterschaltung ausgebildet ist.An antenna matching circuit for connecting an antenna to a signal output of a communication circuit of a reading device for near-field communication according to the invention has an antenna matching circuit part, which is designed as a symmetrical filter circuit.
Diese Antennenanpassungsschaltung ist aus kostengünstigen diskreten passiven Standardbauteilen auszubilden, insbesondere aus so genannten Surface Mounted Devices (SMD) und daher kostengünstig herzustellen. Sie weist geringe Leistungsverluste auf. Die symmetrische Filterung führt zu einer Reduktion von Kapazitätswerten. Die kleineren Kapazitätswerte verringern parasitäre Effekte in der Antennenanpassungsschaltung. Die symmetrische Filterschaltung unterdrückt zusätzlich Störungen der Signalsymmetrie.This antenna matching circuit is formed from low-cost discrete passive standard components, in particular from so-called surface mounted devices (SMD) and therefore inexpensive to manufacture. It has low power losses. The symmetric filtering leads to a reduction of capacitance values. The smaller capacitance values reduce parasitic effects in the antenna matching circuit. The symmetrical filter circuit also suppresses interference of the signal symmetry.
Vorzugsweise ist ein Teil der Antennenanpassungsschaltung als eine symmetrische PI-Filterschaltung ausgebildet. Dieser symmetrische PI-Filter bewirkt eine Unterdrückung von Oberwellen in höheren Frequenzbereichen. Bei Lesegeräten zur Nahfeldkommunikation entstehen aufgrund einer relativ hohen Ausgangsleistung bei einer Grundfrequenz von 13,56 MHz Oberwellen bis in den Bereich von 2 GHz. Solche unerwünschten breitbandigen Oberwellen sind insbesondere bei einem in einem Fahrzeug verbauten Lesegerät zu unterdrücken. Dies gelingt mit der symmetrischen PI-Filterschaltung.Preferably, a part of the antenna matching circuit is formed as a balanced PI filter circuit. This symmetric PI filter suppresses harmonics in higher frequency ranges. With near-field communication readers, due to a relatively high output power at a fundamental frequency of 13.56 MHz, harmonics occur up to the 2 GHz range. Such unwanted broadband harmonics are to be suppressed in particular in a built-in vehicle reading device. This is possible with the symmetrical PI filter circuit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Üblicherweise arbeiten moderne Personal Identification Contactless Cards (PICC) im Frequenzbereich von 13,56 MHz. Anforderungen an die Karten und Lesegeräte
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Das Lesegerät
Es gibt verschiedene Hersteller, die für diese Kommunikationsaufgabe integrierte Schaltungen (IC) anbieten. In der Regel liefern diese Produkte, d. h. die integrierten Schaltungen, einen digitalen Signalausgang, an welchen eine Antenne
Damit die integrierten Schaltungen eine geringe Verlustleistung aufweisen, wird das Ausgangssignal digital geschaltet. Dies führt, wie in
Da die Antennenanpassungsschaltungen
Die angebotenen integrierten Schaltungen bieten je nach Typ symmetrische oder asymmetrische Signalausgänge. Die symmetrischen Ausgänge bieten den Vorteil, dass einerseits der Spannungshub relativ zur Versorgungsspannung größer ist und damit die Impedanz-Differenz zwischen Ausgang und Antenneneingang geringer ist. Damit wird die Anpassung vereinfacht. Anderseits werden durch eine symmetrische Anordnung der Schaltung und der Antenne
Eine kostengünstige Antennenanpassungsschaltung
SMD-Kondensatoren wie auch SMD-Widerstände haben in der Regel einen geringen parasitären induktiven Belag, so dass diese in einem breiten Frequenzbereich eingesetzt werden können. Wichtig ist, dass das Platinen-Layout keine zusätzliche Induktivität einbringt. Dies ist in der Praxis jedoch problematisch.SMD capacitors as well as SMD resistors usually have a low parasitic inductive coating, so that they can be used in a wide frequency range. It is important that the board layout does not introduce any additional inductance. However, this is problematic in practice.
SMD-Induktivitäten haben aufgrund des Aufbaus eine parasitäre parallel wirkende Kapazität. In höheren Frequenzbereichen wirken diese Bauteile wie Parallelschwingkreise, die oberhalb der Resonanzfrequenz einen abnehmenden komplexen Widerstand haben. Für den EMC-Filter am Signalausgang werden in der Praxis relativ große Induktivitätswerte benötigt, so dass eine breitbandige Filterwirkung aufgrund der parasitären Effekte mit dem EMC-Filter nicht zu realisieren ist.SMD inductors have a parasitic parallel-acting capacitance due to the structure. In higher frequency ranges, these components act like parallel resonant circuits, which have a decreasing complex resistance above the resonant frequency. For the EMC filter at the signal output in practice relatively large inductance values are required, so that a broadband filter effect due to the parasitic effects with the EMC filter can not be realized.
Nachteilig an dem symmetrischen Aufbau ist, dass sich die Bauteilwerte der verwendeten Kapazitäten in den vertikalen und horizontalen Zweigen der Schaltung verdoppeln.
Die Anpassungsschaltung
Des Weiteren weist die Anpassungsschaltung
Die doppelt so großen Kapazitätswerte des dritten und vierten Kondensators C3, C4 sowie des zweiten und fünften Kondensators C2, C5 in den vertikalen Zweigen sind besonders kritisch für parasitäre Induktivitäten in den Zuleitungen. Diese würden bei höheren Frequenzen zusammen mit den Kapazitäten als Serienschwingkreis wirken und oberhalb der Resonanzfrequenz Oberwellen nicht mehr reflektieren.The twice as large capacitance values of the third and fourth capacitors C3, C4 and the second and fifth capacitors C2, C5 in the vertical branches are particularly critical for parasitic inductances in the leads. These would act at higher frequencies together with the capacities as a series resonant circuit and no longer reflect harmonics above the resonance frequency.
In der Praxis hat eine Zuleitung von einem Millimeter Länge eine Induktivitat von ca. 1 nH. Das führt bei einem Kapazitätswert des dritten Kondensators C3 von 570 pF zu einer Resonanzfrequenz von: In practice, a lead of one millimeter in length has an inductance of about 1 nH. This results in a capacitance value of the third capacitor C3 of 570 pF to a resonance frequency of:
Dies ist für die geforderte Bandbreite zu gering.This is too low for the required bandwidth.
Ein Vorteil des symmetrischen Aufbaus ist, dass sich die Induktivitätswerte in den horizontalen Zweigen halbieren. Damit kann die Resonanzfrequenz des EMC-Filters erhöht werden.An advantage of the symmetrical design is that the inductance values in the horizontal branches are halved. This can increase the resonance frequency of the EMC filter.
Die Lösung des Problems und die damit verringerte Störabstrahlung erfolgt vorzugsweise durch drei Maßnahmen:
- 1. Reduktion der Kapazitätswerte, indem zusätzlich eine symmetrische Filterung eingebracht wird. Die kleineren Kapazitätswerte verringern die parasitären Effekte in der Schaltung. Der symmetrische Filter unterdrückt zusätzlich Störungen der Signalsymmetrie.
- 2. Aufspaltung des zweiten vertikalen Zweigs mit zweitem und fünftem Kondensators C2, C5 in einen symmetrischen PI-Filter, der zusätzlich Oberwellen in den höheren Frequenzbereichen unterdrückt.
- 3. Optimierung des Layouts, so dass die parasitären Effekte minimiert werden.
- 1. Reduction of the capacitance values by additionally introducing symmetric filtering. The smaller capacitance values reduce the parasitic effects in the circuit. The symmetrical filter also suppresses interference of the signal symmetry.
- 2. Splitting the second vertical branch with second and fifth capacitors C2, C5 into a symmetrical PI filter, which additionally suppresses harmonics in the higher frequency ranges.
- 3. Optimization of the layout so that the parasitic effects are minimized.
Die Antennenanpassungsschaltung
Die symmetrische Filterung ist durch den dritten, sechsten und neunten Kondensator C3, C6, C9 realisiert. Sie wirken wie parallel geschaltete Kondensatoren zu den vertikalen Zweigen mit dem ersten und zweiten Kondensator C1, C2, mit dem vierten und fünften Kondensator C4, C5 sowie mit dem siebten und achten Kondensator C7, C8. Zusätzlich filtern diese Kondensatoren C3, C6, C9 Störungen in der Signalsymmetrie. Die Kapazitätswerte verringern sich gegenüber der in
Das Layout wird so angepasst, dass die kritischen parasitären Bauelemente minimiert werden. In der in
Die Widerstände R1, R2 weisen beispielsweise einen Wert von 1,3 ☐ auf. Die Widerstände R3, R4 weisen beispielsweise einen Wert von 1,5 ☐ auf. Die Widerstände R5, R6 weisen beispielsweise einen Wert von 25 ☐ auf. Die Spulen L1, L2 weisen beispielsweise einen Wert von 270 nH auf. Die Spulen L3, L4 weisen beispielsweise einen Wert von 150 nH auf. Die Kondensatoren C1, C6 weisen beispielsweise einen Wert von 68 pF auf. Die Kondensatoren C2, C5, C10 weisen beispielsweise einen Wert von 47 pF auf. Die Kondensatoren C3, C4 weisen beispielsweise einen Wert von 220 pF auf. Die Kondensatoren C7, C8, C11 weisen beispielsweise einen Wert von 22 pF auf. Der Kondensator C9 weist beispielsweise einen Wert von 120 pF auf. Die Kondensatoren C12, C13 weisen beispielsweise einen Wert von 60 fF auf.The resistors R1, R2 have a value of 1.3 □, for example. The resistors R3, R4 have a value of 1.5 □, for example. The resistors R5, R6 have a value of 25 □, for example. The coils L1, L2 have, for example, a value of 270 nH. For example, the coils L3, L4 have a value of 150 nH. The capacitors C1, C6 have, for example, a value of 68 pF. The capacitors C2, C5, C10 have, for example, a value of 47 pF. The capacitors C3, C4 have, for example, a value of 220 pF. The capacitors C7, C8, C11 have, for example, a value of 22 pF. The capacitor C9 has, for example, a value of 120 pF. The capacitors C12, C13, for example, have a value of 60 fF.
In
Eine Messung des Frequenzgangs einer derart ausgebildeten Antennenanpassungsschaltung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lesegerätreader
- 22
- Antenneantenna
- 33
- AntennenanpassungsschaltungAntenna matching circuit
- 44
- Kommunikationsschaltungcommunication circuit
- 55
- Rückkanalbackchannel
- 66
- EMC-FilterEMC filter
- 77
- PI-FilterschaltungPI filter circuit
- 88th
- Padpad
- 99
- Masseflächeground plane
- a1a1
- erster Abstandfirst distance
- a2a2
- zweiter Abstandsecond distance
- a3a3
- dritter Abstandthird distance
- S1S1
- rechteckförmiges Ausgangssignalrectangular output signal
- S2S2
- AntenneneingangssignalAntenna input
- tt
- ZeitTime
- UU
- Spannungtension
- C1C1
- erster Kondensatorfirst capacitor
- C2C2
- zweiter Kondensatorsecond capacitor
- C3C3
- dritter Kondensatorthird capacitor
- C4C4
- vierter Kondensatorfourth capacitor
- C5C5
- fünfter Kondensatorfifth capacitor
- C6C6
- sechster Kondensatorsixth capacitor
- C7C7
- siebter Kondensatorseventh capacitor
- C8C8
- achter Kondensatoreighth capacitor
- C9C9
- neunter Kondensatorninth capacitor
- C10C10
- zehnter Kondensatortenth capacitor
- C11C11
- elfter Kondensatoreleventh capacitor
- C12C12
- zwölfter Kondensatortwelfth capacitor
- C13C13
- dreizehnter Kondensatorthirteenth capacitor
- C20, C30C20, C30
- weiterer Kondensatoranother capacitor
- L1L1
- erste Spulefirst coil
- L2L2
- zweite Spulesecond coil
- L3L3
- dritte Spulethird coil
- L4L4
- vierte Spulefourth coil
- L5 bis L13L5 to L13
- parasitären Induktivitätparasitic inductance
- R1R1
- erster Widerstandfirst resistance
- R2R2
- zweiter Widerstandsecond resistance
- R3R3
- dritter Widerstandthird resistance
- R4R4
- vierter Widerstandfourth resistance
- R5R5
- fünfter Widerstandfifth resistance
- R6R6
- sechster Widerstandsixth resistance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- 2013-09-20 DE DE201310015736 patent/DE102013015736A1/en not_active Withdrawn
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