DE102013102051A1

DE102013102051A1 - Boosterantenne, Kontaktlos-Chip-Anordnung, Antennenstruktur, und Chip-Anordnung

Info

Publication number: DE102013102051A1
Application number: DE102013102051.8A
Authority: DE
Inventors: Walther Pachler; Gerald Holweg; Günter Hofer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-04
Also published as: CN104022340A; US9646242B2; US20140246503A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Boosterantenne für eine Chip-Anordnung, insbesondere für eine Chipkarte, bereitgestellt, wobei die Boosterantenne aufweist: einen ersten Schaltkreis, der einen ersten Resonanzkreis bildet; einen zweiten Schaltkreis, der einen zweiten Resonanzkreis bildet, wobei der erste Schaltkreis mit dem zweiten Schaltkreis elektrisch leitend verbunden ist; und einen dritten Schaltkreis, der einen dritten Resonanzkreis bildet, wobei der dritte Schaltkreis mit dem zweiten Schaltkreis elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Boosterantenne, eine Kontaktlos-Chip-Anordnung, eine Antennenstruktur, und eine Chip-Anordnung.
Bei einer herkömmlichen Chipkarte, welche beispielsweise im elektronischen Zahlungsverkehr weite Verbreitung findet, erfolgt die Kommunikation zwischen dem sich auf der Chipkarte befindlichen Chip und einem Lesegerät kontaktbasiert, d. h. über zur Außenseite der Chipkarte hin freiliegende Chipkartenkontakte.
Dazu ist jedoch die Chipkarte bei Gebrauch stets in ein entsprechendes Lesegerät einzuführen, was ein Benutzer als störend empfinden kann. Eine Erweiterung, welche dieses Problem löst, bieten so genannte Dual-Interface (Doppel-Schnittstelle) 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. Die gemeinsame Anordnung der Spule und des Chips auf einem Chipkartenmodul wird auch als CoM (Coil on Module – Spule auf Modul) bezeichnet. Unabhängig von der Art der Chipkartenantenne ist zwischen dieser und dem Chipkartenmodul bzw. dem Chip eine galvanische Verbindung ausgebildet.
Bei einem elektronischen Zahlungssystem wird beispielsweise ein Funktionsabstand von bis zu 4 cm zwischen dem Chip und der 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 Leistungsfähigkeit der kontaktlosen Kommunikation zu verbessern, kann zusätzlich eine so genannte Verstärker-Antenne (auch Boosterantenne genannt) in eine Chipkarte eingebaut werden und mit dem Chipkartenmodul bzw. der auf dem Chipkartenmodul angeordneten Chipkartenmodulantenne induktiv gekoppelt werden. Ebenfalls kann eine solche Boosterantenne mit dem CoM einer reinen Kontaktlos-Chipkarte zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der kontaktlosen Kommunikation induktiv gekoppelt werden. Die Boosterantenne kann auf einer gesonderten Schicht bereitgestellt sein und in der Chipkarte enthalten sein. Die gesonderte Schicht, welche die Boosterantenne enthält, kann bei der Chipkartenherstellung beispielsweise in diese einlaminiert werden oder sein. Im Wesentlichen wird durch die Boosterantenne die mögliche Lese- bzw. Schreibdistanz zwischen einen Schreib- bzw. Lesegerät und dem Chipkartenmodul erhöht.
1 zeigt eine Kontaktlos-Chipkarte 100 mit einem Chipkartenkörper 102, einer darin integrierten (beispielsweise einlaminierten) Boosterantenne 104 und einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung (beispielsweise auch bezeichnet als Coil-on-Module, CoM) 106, wobei die Boosterantenne 104 teilweise die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 106 umgibt.
Die Boosterantenne 104 wird von einer großen ringförmigen Leiterschleife 108 gebildet, wobei ein kleiner Teil der Leiterschleife zu einer kleinen Leiterschleife 110 ausgebildet ist, die die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung 106, beispielsweise ein Coil-on-Module 106, welches innerhalb eines Randbereichs der großen Leiterschleife 108 angeordnet ist, teilweise umschließt.
Weiterhin gibt es mehrere Ansätze und Realisierung für so genannte Comprehensive UHF-HF Antennen. Deren Dimensionen und Abmaße sind üblicherweise entsprechend herkömmlichen RFID (Radio Frequency Identification, Funkfrequenzidentifikation)-Etiketten (Label), wie beispielsweise gemäß einer Chipkarte, ausgeprägt, und werden üblicherweise mittels einer Kombination von Dipol und HF-Spule realisiert.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird es ermöglicht, sehr kleine Kommunikationsmodule und/oder Chips mit einer integrierten Antenne in verschiedenen Frequenzbändern auszulesen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Boosterantenne für eine Chip-Anordnung, beispielsweise für eine Chipkarte, bereitgestellt, wobei die Boosterantenne aufweist: einen ersten Schaltkreis, der einen ersten Resonanzkreis bildet; einen zweiten Schaltkreis, der einen zweiten Resonanzkreis bildet, wobei der erste Schaltkreis mit dem zweiten Schaltkreis elektrisch leitend verbunden ist; und einen dritten Schaltkreis, der einen dritten Resonanzkreis bildet, wobei der dritte Schaltkreis mit dem zweiten Schaltkreis elektrisch leitend verbunden ist.
In einer Ausgestaltung kann der erste Schaltkreis den ersten Resonanzkreis mit einer ersten Phasenresonanz bilden; wobei der zweite Schaltkreis den zweiten Resonanzkreis mit einer zweiten Betragsresonanz bilden kann.
In nach einer Ausgestaltung können der erste elektrische Schaltkreis und der zweite elektrische Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass die erste Phasenresonanz und/oder die zweite Betragsresonanz ungefähr 13,56 MHz betragen/beträgt.
In noch einer Ausgestaltung kann der dritte Schaltkreis den dritten Resonanzkreis mit einer dritten Phasenresonanz bilden.
In noch einer Ausgestaltung kann der dritte elektrische Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass die dritte Phasenresonanz größer ist als die erste Phasenresonanz.
In noch einer Ausgestaltung kann der dritte elektrische Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass die dritte Phasenresonanz in einem Bereich von ungefähr 0,3 GHz bis ungefähr 3 GHz liegt.
In noch einer Ausgestaltung kann der dritte elektrische Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass die dritte Phasenresonanz ungefähr 868 MHz beträgt.
In noch einer Ausgestaltung kann der dritte Schaltkreis eine Dipol-Antenne aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann die Dipol-Antenne eine invertierte F-Antenne (IFA) aufweisen oder als eine solche ausgebildet sein.
In nach einer Ausgestaltung kann der zweite elektrische Schaltkreis eine induktive Koppelstruktur aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann der erste elektrische Schaltkreis zu dem zweiten elektrischen Schaltkreis in Serie geschaltet sein.
In noch einer Ausgestaltung können der erste Resonanzkreis und der zweite Resonanzkreis so eingerichtet sein, dass ein erster Strom in dem ersten Resonanzkreis in dem zweiten Resonanzkreis bezüglich des ersten Stroms einen erhöhten zweiten Strom bewirkt.
In noch einer Ausgestaltung kann der erste Resonanzkreis ein Serienresonanzkreis sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der zweite Resonanzkreis ein Parallelresonanzkreis sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der zweite Schaltkreis mindestens eine Spulenwindung aufweisen.
Noch einer Ausgestaltung kann der zweite Schaltkreis mehrere Spulenwindungen aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann der zweite Schaltkreis eine äußere Spulenwindung und mehrere innere Spulenwindungen aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann der dritte Schaltkreis nur mit den inneren Spulenwindungen elektrisch leitend verbunden sein.
In noch einer Ausgestaltung kann die Boosterantenne ferner aufweisen einen flexiblen Träger, beispielsweise ein Pflaster; wobei der erste elektrische Schaltkreis, der zweite elektrische Schaltkreis, und der dritte elektrische Schaltkreis auf dem flexiblen Träger angeordnet sein können.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Kontaktlos-Chip-Anordnung bereitgestellt, beispielsweise eine Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung, aufweisend: eine Boosterantenne, wie sie oben beschrieben wurde und im Folgenden noch näher erläutert wird; und ein Kontaktlos-Chipmodul, beispielsweise ein Kontaktlos-Chipkartenmodul, das aufweist: einen Chip; und eine Spule, die mit dem Chip elektrisch gekoppelt ist; wobei die Boosterantenne mit der Spule des Kontaktlos-Chipmoduls, beispielsweise des Kontaktlos-Chipkartenmoduls, induktiv gekoppelt ist mittels mindestens eines induktiven Kopplungsbereichs der Boosterantenne.
Die Chip-Anordnung kann eine beliebige Anordnung sein, die einen Chip aufweist, beispielsweise eine tragbare Anordnung mit einem Chip. Die Boosterantenne kann beispielsweise mit auf einem flexiblen Träger angeordnet sein, beispielsweise auf einem Textil-Träger, beispielsweise auf einem Pflaster (beispielsweise auf einem Heftpflaster).
Durch entsprechende Dimensionierung und Auslegung der einzelnen Komponenten des ersten elektrischen Schaltkreises und/oder des zweiten elektrischen Schaltkreises ergibt sich eine Vielzahl möglicher Anwendungsfälle. Sowohl der erste, als auch der zweite Resonanzkreis lassen sich durch entsprechende Dimensionierung der Schaltungskomponenten sehr einfach auf eine bestimmte Phasenresonanz oder Betragsresonanz einstellen. Durch den getrennten Aufbau wird zusätzlich die Parametrisierung und Verifikation der Boosterantenne erheblich vereinfacht.
In einer Ausgestaltung kann das Kontaktlos-Chipmodul, beispielsweise Kontaktlos-Chipkartenmodul, ein Modul mit integrierter Spule (Spule-auf-Modul, Coil-On-Module (CoM)) oder ein Modul mit integrierter Antenne (Auf-dem-Chip-Antenne, On-Chip Antenna (OCA)) sein.
In noch einer Ausgestaltung kann das Kontaktlos-Chipmodul mit integrierter Spule (Spule-auf-Modul, Coil-On-Module (CoM)) oder ein Modul mit integrierter Antenne (Auf-dem-Chip-Antenne, On-Chip Antenna (OCA)) einen vorgebbaren, beispielsweise vordefinierten, bestimmten Abstand zum Koppelelement der Boosterantenne aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann sich das Kontaktlos-Chipmodul mit integrierter Spule (Spule-auf-Modul, Coil-On-Module (CoM)) oder ein Modul mit integrierter Antenne (Aufdem-Chip-Antenne, On-Chip Antenna (OCA)) in einer anderen Materie befinden. (beispielsweiße in einen Muskel oder im Körper eines Lebewesens implantiert sein).
In einer Ausgestaltung kann die Boosterantenne mindestens einen weiteren Kopplungsbereich aufweisen zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät.
In noch einer Ausgestaltung kann der erste elektrische Schaltkreis den weiteren Kopplungsbereich zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät bilden.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich Teil des zweiten elektrischen Schaltkreises sein; wobei der induktive Kopplungsbereich im Wesentlichen deckungsgleich zu dem Kontaktlos-Chipmodul, beispielsweise Kontaktlos-Chipkartenmodul, angeordnet sein kann.
In noch einer Ausgestaltung kann der weitere Kopplungsbereich zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät von einem Dipol gebildet sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich der Boosterantenne zum Koppeln mit einem Chip vollständig innerhalb des weiteren Kopplungsbereichs zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät angeordnet sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich der Boosterantenne zum Koppeln mit einem Chip vollständig außerhalb des weiteren Kopplungsbereichs zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät angeordnet sein.
In noch einer Ausgestaltung kann das Kontaktlos-Chipmodul, beispielsweise Kontaktlos-Chipkartenmodul, ferner Chipkontakte, beispielsweise Chipkartenkontakte aufweisen, welche eingerichtet sein können, eine kontaktbasierte Chip-Schnittstelle, beispielsweise Chipkartenschnittstelle, bereitzustellen.
In noch einer Ausgestaltung kann die Kontaktlos-Chip-Anordnung, beispielsweise Kontaktlos-Chipkartenmodul Anordnung eingerichtet sein als eine Dual-Interface-Chipmodul-Anordnung, beispielsweise als eine Dual-Interface-Chipkartenmodul-Anordnung.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Kontaktlos-Chip-Anordnung bereitgestellt, beispielsweise eine Chipkarte, aufweisend: eine Chipmodul-Anordnung, beispielsweise eine Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung, wie sie oben beschrieben wurde und im Folgenden noch näher erläutert wird.
So ist es beispielsweise möglich, die Bemessung und Dimensionierung der Komponenten der Schaltkreise so vorzunehmen, dass es möglich ist, mit einem äußeren, schwachen elektromagnetischen Feld den ersten Schwingkreis (anders ausgedrückt den ersten Resonanzkreis) in Schwingung zu versetzen, beispielsweise in Phasenresonanz oder Betragsresonanz zu versetzen. Letzteres hätte zur Folge, dass der Betrag der Impedanz des ersten Serienresonanzkreises minimal und der in dem ersten Resonanzkreis induzierte Strom maximal werden würde. Durch die Kopplung des ersten Schaltkreises mit dem zweiten Schaltkreis kann Letzterer ebenfalls angeregt werden. Wird der zweite Schwingkreis beispielsweiße als Parallelresonanzkreis ausgeführt, kommt es innerhalb des Kreises zu einer Stromerhöhung. Diese Ströme in den Zweigen des Parallelresonanzkreises können entsprechend der Güte des Kreises sehr viel größer als der Anregungsstrom sein.
Dadurch wird zusätzlich zum herkömmlichen geometrischen Boostereffekt auch noch eine elektromagnetische Eigenschaft ausgenutzt, die zu einem elektrischen Boostereffekt führt.
In einer Ausgestaltung bildet zumindest ein Teil des zweiten elektrischen Schaltkreises der Boosterantenne einen induktiven Kopplungsbereich zur Kopplung mit einer Antenne eines Chipmoduls, beispielsweise eines Chipkartenmoduls. Der induktive Kopplungsbereich kann beispielsweise durch die Ausformung einer Leiterschleife oder einer Spule erfolgen. Beispielsweise kann die Form der Leiterschleife oder der Spule des induktiven Kopplungsbereichs der Boosterantenne der Form der Antenne des Kontaktlos-Chipmoduls, beispielsweise des Kontaktlos-Chipkartenmoduls, entsprechen oder ihr angenähert sein. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass auch die Dimensionen, anders ausgedrückt die Größenabmessungen der Leiterschleife oder der Spule des induktiven Kopplungsbereichs der Boosterantenne der Form der Antenne des Kontaktlos-Chipmoduls, beispielsweise des Kontaktlos-Chipkartenmoduls, entsprechen oder ihr zumindest angenähert sind. Eine Verbesserung der Kopplung zwischen Boosterantenne und Kontaktlos-Chipmodul, beispielsweise Kontaktlos-Chipkartenmodul, kann zudem erreicht werden, wenn die Leiterschleife oder die Spule des induktiven Kopplungsbereiches der Boosterantenne die Antenne des Kontaktlos-Chipmoduls, beispielsweise des Kontaktlos-Chipkartenmoduls, eng umschließt oder deckungsgleich über oder unterhalb von ihr angeordnet ist, so dass ein von der Spule oder der Leiterschleife erzeugtes Magnetfeld die Spule des Kontaktlos-Chipmoduls, beispielsweise des Kontaktlos-Chipkartenmoduls, möglichst gut durchsetzt.
Der erste elektrische Schaltkreis der Boosterantenne kann beispielsweise ein HF-Schwingkreis sein oder einen solchen bilden. Der dritte elektrische Schaltkreis der Boosterantenne kann beispielsweise ein UHF-Schwingkreis (beispielsweise ein UHF-Dipol) sein oder einen solchen bilden.
Der zweite elektrische Schaltkreis kann eine Mehrzahl von Spulenwindungen und somit mindestens eine innere Spulenwindungen und mindestens eine äußere Spulenwendung aufweisen. Der dritte elektrische Schaltkreis und damit beispielsweise der UHF-Dipol kann in verschiedenen Ausführungsformen nur mit der oder den inneren Spulenwindungen elektrisch leitend verbunden bzw. angeschlossen sein.
Dadurch kann sich ein hoher induktive Widerstand der restlichen Spulenwindungen nach außen ergeben und der UHF-Pfad kann nicht durch die benötigte HF-Kapazität kurz geschlossen werden.
Anschaulich sind der erste elektrische Schaltkreis und der dritte elektrische Schaltkreis derart eingerichtet und miteinander und mit dem zweiten elektrischen Schaltkreis der Art elektrisch leitend verbunden bzw. gekoppelt, dass der erste elektrische Schaltkreis und der dritte elektrische Schaltkreis (also beispielsweise der HF-Schwingkreis und der UHF-Schwingkreis) ein magnetisches Feld auf derselben Koppelstruktur (als ein Beispiel des zweiten elektrischen Schaltkreises) erzeugen, welches für eine induktive Kopplung zu einer Antenne auf einem Chip oder zu einer Antenne auf einem anderen Objekt verwendet werden kann.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Antennenstruktur bereitgestellt mit einer Spulenantenne mit mehreren Spulenwindungen, wobei die Antennenstruktur derart eingerichtet ist, dass sich auf ihr bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz eines Antennensignals eine stehende Welle des Antennensignals ausbildet.
In einer Ausgestaltung kann die Antennenstruktur eine Lecherleitungsstruktur aufweisen oder von einer solchen gebildet werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Chip-Anordnung bereitgestellt, aufweisend: mindestens einen Chip; und eine mit dem Chip gekoppelte Antennenstruktur, wie sie oben beschrieben wurde und im Folgenden noch näher erläutert wird.
In einer Ausgestaltung können der Chip und die Antennenstruktur auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sein.
In noch einer Ausgestaltung können der Chip und die Antennenstruktur auf einem gemeinsamen Träger monolithisch integriert aufgebracht sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 eine herkömmliche Kontaktlos-Chipkarte mit einem Chipkartenkörper, einer darin integrierten Boosterantenne und einer Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung;
2 eine Boosterantenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
3 eine Boosterantenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
4 einen vergrößerten Ausschnitt des oberen linken Bereichs der Boosterantenne gemäß 3;
5 eine Chipkarte mit einer Boosterantenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
6 ein reales Ersatzschaltbild der Boosterantenne gemäß 5;
7 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Boosterantenne gemäß 5;
8A und 8B die zugehörigen Ortskurven sowie den Verlauf des Betrags (in einem Betragsdiagramm) des in 7 dargestellten Schaltkreises;
9 das Verhältnis der Ströme die im zweiten Schaltkreis fließen zum Strom der im ersten Schaltkreis induziert wird, bei einer entsprechenden Güte des zweiten Resonanzkreises (in einem Stromdiagram);
10 eine Draufsicht auf einen Chip mit einer (monolithisch) integrierten Antennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
11 eine Draufsicht auf eine Spule gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
12 eine Simulationsdarstellung eines ersten Resonanzfalls in der Spule gemäß 11;
13 eine Simulationsdarstellung eines zweiten Resonanzfalls in der Spule gemäß 11;
14 eine Darstellung der Ausbreitung einer stehenden Welle entlang einer Lecherleitung zu unterschiedlichen Zeitpunkten; und
15 eine anschauliche Erläuterung der Struktur der Spule gemäß 11, weshalb diese Struktur ebenfalls eine Lecherleitung bildet.
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 einschränkendem 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 verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Kombination von einer oder mehreren UHF-Boosterantennen (UHF: Ultrahochfrequenz) und einer oder mehreren HF-Boosterantennen (HF: Hochfrequenz) bereitgestellt. Durch eine geschickte geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten ist es nun ermöglicht, auch sehr kleine Kommunikationsmodule und/oder Chips mit einer integrierten Antenne in verschiedenen Frequenzbändern auszulesen. Eine UHF-Boosterantenne kann eingerichtet sein, elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz in einem Bereich von ungefähr 0,3 GHz bis ungefähr 3 GHz auszusenden oder zu empfangen. Weiterhin kann eine HF-Boosterantenne eingerichtet sein, elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz in einem Bereich von ungefähr 0,3 kHz bis ungefähr 30 MHz auszusenden oder zu empfangen.
Wird an die vorgesehene Stelle (auch bezeichnet als Kopplungsbereich, anschaulich der Bereich, in dem der zweite elektrische Schaltkreis vorgesehen ist zum Erzeugen einer induktiven Kopplung mit einem Chip oder einem anderen Objekt) ein UHF Chip angebracht, so fungiert die Boosterantenne anschaulich als UHF-Tag. Wird ein HF-OCA (OCA: On-Chip Antenna, Chip mit (monolithisch) integrierter Antenne) verwendet, so entsteht ein konventioneller HF-Transponder.
Zusätzlich gibt es in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Möglichkeit, einen oder mehrere Chips mit einer speziellen On-Chip-Antenne zu verwenden, so dass das System ähnlich wie ein so genannter Comprehensive-Transponder funktioniert. D. h. sowohl der Chip als auch die Boosterantenne können auf beiden Frequenzen (bzw. Frequenzbereichen) arbeiten. Dadurch entsteht ein Comprehensive-Transponder-System.
Anschaulich wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen wie auch bei standardmäßigen Comprehensive Antennen, eine Ableitung des Dipols mit einer HF-Spule in einer Boosterantenne kombiniert. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist bei der Comprehensive-Boosterantenne anschaulich eine Mittelanzapfung des sekundären Koppelelements (d. h. das Koppelelement, das zur induktiven Kopplung mit einem Chip vorgesehen ist) vorgesehen. Während in verschiedenen Ausführungsbeispielen die gesamte sekundäre Koppelspule für HF verwendet werden kann, findet für UHF beispielsweise nur der innere Teil der Spulenwicklung eine Verwendung. So ist die ideale Kopplung für beide Frequenzbänder möglich.
Anschaulich wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine unterschiedliche Spulenspeisung von einem UHF-Dipol und einer HF-Spule bei einer Boosterantenne bereitgestellt.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen versorgt ein HF-Schwingkreis (als ein Beispiel des ersten elektrischen Schaltkreises) mit einer großen Spule den HF-Resonanzkreis mit einer kleinen Koppelspule (als ein Beispiel des zweiten elektrischen Schaltkreises). Diese weist mehrere Spulenwindungen auf, um eine dementsprechend hohe Induktivität für HF zu erreichen. Der UHF-Dipol (in der Abbildung ausgeführt als IFA) ist nur an den inneren Spulenwindungen dieser Koppelspule angeschlossen. Dadurch ergibt sich ein hoher induktiver Widerstand der restlichen Spulenwindungen nach außen und der UHF-Pfad kann nicht durch die benötigte HF-Kapazität kurzgeschlossen werden. Somit erzeugen die HF-Antennenstruktur und die UHF-Antennenstruktur also auf derselben Koppelstruktur ein magnetisches Feld, das beispielsweise für eine induktive Kopplung zu OCAs bzw. CoMs verwendet werden kann.
2 zeigt eine Boosterantenne 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
Die Boosterantenne 200, die beispielsweise für eine Chip-Anordnung vorgesehen ist, beispielsweise für eine Chipkarte, kann einen Träger 202 sowie einen auf dem Träger 202 aufgebrachten ersten Schaltkreis 204 aufweisen, der einen ersten Resonanzkreis bildet. Der erste Schaltkreis 204 kann eine erste Spule 206 mit mindestens einer Spulenwindung 208 aufweisen. Der erste elektrische Schaltkreis 204 kann einen Kopplungsbereich zum induktiven Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät (nicht dargestellt) bilden. Der Träger 202 kann beispielsweise eine Folie, beispielsweise eine Plastikfolie sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der Kopplungsbereich zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät von einer Leiterschleife gebildet sein.
Die Größe der Leiterschleife bzw. der ersten Spule 206 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen durch die äußeren Abmessungen eines Trägersubstrates (anders ausgedrückt des Trägers 202), oder auch beispielsweise der Chip-Anordnung, beispielsweise der Chipkarte, selbst, begrenzt werden, wenn beispielsweise der Träger 202 in der Chip-Anordnung integriert ist (beispielsweise in den Chipkartenkörper einlaminiert ist). Um eine möglichst große vom elektromagnetischen Wechselfeld durchsetzte Fläche zu erhalten, kann die Form der Leiterschleife bzw. Spule der Form des Substrates bzw. der Chip-Anordnung, beispielsweise der Chipkarte angeglichen werden. Ferner können hinsichtlich der Ausgestaltung der Form und Größe der Leiterschleife bzw. Spule Normen wie beispielsweise ISO 7816 berücksichtig werden, die Bereiche definieren, die für die Beschriftungen Einprägungen oder ähnlichem auf den Karten von elektrischen Komponenten wie Leiterbahnen freizuhalten sind.
In einer Ausgestaltung kann die Wicklungsrichtung der Spulenwindung(en) 208 gleichsinnig sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der Kopplungsbereich zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät von einer HF-Antennenstruktur gebildet sein.
Die Boosterantenne 200 kann ferner einen auf dem Träger 202 aufgebrachten zweiten Schaltkreis 210 aufweisen, der einen zweiten Resonanzkreis bildet. Der zweite Schaltkreis 210 kann eine zweite Spule 212 mit mindestens einer Spulenwindung 214, 216 aufweisen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen können mehrere Spulenwindungen 214, 216 vorgesehen sein, wobei die mehreren Spulenwindungen 214, 216 mindestens eine innere Spulenwindung 214 und mindestens eine um die innere Spulenwindung 214 herum verlaufende äußere Spulenwindung 216 aufweisen können. Der zweite elektrische Schaltkreis 210 kann einen Kopplungsbereich 218 zum induktiven Koppeln mit einem Chip (nicht dargestellt) bilden.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich 218 Teil des zweiten elektrischen Schaltkreises 210 sein, wobei der induktive Kopplungsbereich 218 im Wesentlichen deckungsgleich zu dem Kontaktlos-Chipmodul, beispielsweise dem Kontaktlos-Chipkartenmodul angeordnet sein kann.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich 218 von einer Leiterschleife gebildet sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich 218 von einer Spule, beispielsweise von der innersten Spulenwindung 214 der Spule 212, definiert sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich 218 der Boosterantenne 200 zum Koppeln mit einem Chip vollständig innerhalb des weiteren Kopplungsbereichs zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät angeordnet sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der induktive Kopplungsbereich 218 der Boosterantenne 200 zum Koppeln mit einem Chip vollständig außerhalb des weiteren Kopplungsbereichs zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät angeordnet sein.
Die Boosterantenne 200 kann weiterhin einen auf dem Träger 202 aufgebrachten dritten Schaltkreis 220 aufweisen, der einen dritten Resonanzkreis bildet. Der dritte Schaltkreis 220 kann eine Dipol-Antenne 222 aufweisen oder von ihr gebildet werden. Die Dipol-Antenne 222 kann zwei elektrische (beispielsweise gerade linienförmige) Leitungen 224, 226 aufweisen, wobei eine erste Leitung 224 mit ihrem ersten Ende beispielsweise mit dem innersten Ende der inneren Spulenwindung 214 der zweiten Spule 212 elektrisch leitend verbunden ist (das zweite Ende der ersten Leitung 224 liegt frei), und wobei eine zweite Leitung 226 mit ihrem ersten Ende beispielsweise ebenfalls mit einer inneren Spulenwindung 214 der zweiten Spule 212 elektrisch leitend verbunden ist (das zweite Ende der zweiten Leitung 226 liegt frei). Die erste Leitung 224 und die zweite Leitung 226 erstrecken sich voneinander weg, liegen jedoch entlang einer gemeinsamen Gerade.
Die Dipol-Antenne 222 kann jedoch in alternativen Ausgestaltungen auch eine andere gewünschte oder geeignete Form aufweisen, beispielsweise eine Form, wie sie im Folgenden noch näher erläutert wird.
3 zeigt eine Boosterantenne 300 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
Die Boosterantenne 300 gemäß 3 hat einen ähnlichen Aufbau wie die Boosterantenne 200 gemäß 2, weshalb im Folgenden nur die Unterschiede zwischen den beiden Boosterantennen dargelegt werden.
Bei der Boosterantenne 300 gemäß 3 ist die Dipol-Antenne als eine invertierte F-Antenne (IFA) 302 ausgebildet. Weiterhin weist die zweite Spule 212 in diesen Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Spulenwindungen 214, 216 auf, wobei eine Vielzahl von inneren Spulenwindungen 214 und eine Vielzahl von äußeren Spulenwindungen 216 vorgesehen sind. Wie in 3 dargestellt ist, ist ein erster (oberster) (Quer-)Schenkel 304 des „F's” der IFA 302 mit einer ersten inneren Spulenwindung 214 der zweiten Spule 212 mittels einer ersten elektrisch leitfähigen Leitung 306 elektrisch leitend verbunden. Ferner ist ein zweiter (mittlerer) (Quer-)Schenkel 308 des „F's” der IFA 302 mit einer zweiten inneren Spulenwindung 214 der zweiten Spule 212 mittels einer zweiten elektrisch leitfähigen Leitung 310 elektrisch leitend verbunden.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des oberen linken Bereichs der Boosterantenne 300 gemäß 3.
In verschiedenen Ausgestaltungen kann der erste Schaltkreis den ersten Resonanzkreis mit einer ersten Phasenresonanz bilden, und der zweite Schaltkreis kann den zweiten Resonanzkreis mit einer zweiten Betragsresonanz bilden.
5 zeigt eine Chipkarte 500 mit einer Boosterantenne 504 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen
Es ist darauf hinzuweisen, dass auch wenn verschiedene Ausführungsbeispiele anhand einer Chipkarte 500 erläutert werden, alternative Ausführungsbeispiele auch in anderen Anwendungsbereichen vorgesehen sein können. So kann beispielsweise die Boosterantenne 504 auch auf einem anderen Träger angeordnet sein, beispielsweise einem flexiblen Träger, beispielsweise einem Textil-Träger (beispielsweise einem Pflaster, beispielsweise einem Heftpflaster). Das Chipmodul muss auch nicht unbedingt als ein Chipkartenmodul implementiert sein, sondern kann beispielsweise ein Chipmodul sein, das beispielsweise unter die Haut eines Lebewesens implantiert sein kann.
Die Boosterantenne 504 gemäß 5 hat einen ähnlichen Aufbau wie die Boosterantenne 200 gemäß 2, weshalb im Folgenden nur die Unterschiede zwischen den beiden Boosterantennen dargelegt werden.
Die Chipkarte 500 weist einen Chipkartenkörper 502 auf sowie eine Boosterantenne 504 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Ferner weist die Chipkarte 500 ein Kontaktlos-Chipkartenmodul 506 auf, beispielsweise eine On-Chip-Antenna (OCA) oder ein Chip-on-Module (CoM). In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Boosterantenne 504 in den Chipkartenkörper 502 integriert, beispielsweise einlaminiert.
Das Kontaktlos-Chipkartenmodul 506 kann einen Chip sowie eine Spule aufweisen, die mit dem Chip elektrisch gekoppelt (beispielsweise elektrisch leitend verbunden) ist, beispielsweise mittels einer Leiterbahn. Die Boosterantenne 504 kann mit der Spule des Kontaktlos-Chipkartenmoduls 506 (auch bezeichnet als Kontaktlos-Chipkartenmodul) induktiv gekoppelt sein mittels des mindestens einen induktiven Kopplungsbereichs 218 der Boosterantenne 504, wie oben beschrieben wurde und auch im Folgenden noch näher erläutert wird. Ferner kann die Boosterantenne 504 mindestens einen weiteren Kopplungsbereich aufweisen zum induktiven Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät.
Die Chipkarte 500 und damit auch die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung können als eine rein kontaktlose Chipkartenmodul-Anordnung eingerichtet sein. Alternativ kann die Chipkarte 500 und damit auch die Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung optional zusätzlich eine kontaktbasierte Chipkartenschnittstelle (beispielsweise ein Kontaktfeld 508 mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Kontakten), beispielsweise in Form von Chipkartenkontakten (beispielsweise gemäß ISO 7816), aufweisen und somit als eine Dual-Interface-Chipkartenmodul-Anordnung eingerichtet sein.
Die Boosterantenne 504 kann den ersten elektrischen Schaltkreis aufweisen, der einen ersten Resonanzkreis mit einer ersten Phasenresonanz bildet sowie den zweiten elektrischen Schaltkreis, der einen zweiten Resonanzkreis mit einer zweiten Betragsresonanz bildet. Der erste elektrische Schaltkreis und der zweite elektrische Schaltkreis sind miteinander, beispielsweise elektrisch, gekoppelt.
Die Boosterantenne 504 kann im Wesentlichen zwei Leiterschleifen 510, 512 aufweisen, eine große Leiterschleife 510 und eine kleine Leiterschleife 512. Die kleine Leiterschleife 512 umschließt das CoM 506 bzw. OCA 506. Die große Leiterschleife 510 ist mit ihren Enden mit den Enden der kleinen Leiterschleife 512 elektrisch leitend verbunden und umschließt teilweise die kleine Leiterschleife 512. Zu den Enden beider Leiterschleifen 510, 512 ist ein zweiter Kondensator 516, der Teil des zweiten elektrischen Schaltkreises ist, parallel geschaltet. Ferner weist die große Leiterschleife 510 in ihrem linken Bereich einen in Serie geschalteten ersten Kondensator 514 auf. Weiterhin ist eine Dipol-Antenne 518 als dritter Schaltkreis vorgesehen, wobei die Dipol-Antenne 518 mit einer inneren Spulenwindung 520 der Spule 522 des zweiten Schaltkreises elektrisch leitend verbunden ist. Eine erste Induktivität des ersten Kopplungsbereichs des ersten Schaltkreises und eine zweite Induktivität des zweiten Kopplungsbereichs des zweiten Schaltkreises der Boosterantenne 500 sind jeweils als eine Leiterschleife 510, 512 (eine erste, große Leiterschleife 510 sowie eine zweite, kleine Leiterschleife 512) ausgeführt sind, wobei die zweite Leiterschleife 512 des zweiten Kopplungsbereiches exzentrisch innerhalb der ersten Leiterschleife 510 angeordnet sein kann. Die erste Leiterschleife 510 kann in ihrem linken Bereich unterbrochen sein, wobei die Enden der ersten Leiterschleife 510 an der Unterbrechungsstelle T-förmig ausgeformt sind und damit einen Plattenkondensator, nämlich den ersten Kondensator 514, bilden. Die Enden der Leiterschleifen 510, 512 im rechten Bereich der Boosterantenne 500 sind über parallel zueinander verlaufende Leitungen, die sich über die erste Leiterschleife 510 hinaus erstrecken, miteinander elektrisch leitend verbunden; die parallel verlaufenden Leitungen bilden wiederum einen Plattenkondensator, nämlich den zweiten Kondensator 516. Die Kapazität dieses zweiten Kondensators 516 ist die Kapazität des Parallelresonanzkreises. Die zweite Leiterschleife 512 weist eine Spule mit mehreren, beispielsweise drei (alternativ zwei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr) Spulenwindungen auf.
Somit weist die Boosterantenne 500 in verschiedenen Ausführungsbeispielen einen getrennten Aufbau zweier Resonanzkreise (einen Serienresonanzkreis (gebildet von dem ersten elektrischen Schaltkreis) und einen Parallelresonanzkreis (gebildet von dem zweiten elektrischen Schaltkreis)) auf, welche dieselbe Phasenresonanz und Betragsresonanz aufweisen können. Wird der zweite Schwingkreis beispielsweiße als Parallelresonanzkreis ausgeführt, kommt es innerhalb des Kreises zu einer Stromerhöhung. Diese Ströme in den Zweigen des Parallelresonanzkreises können entsprechend der Güte des Kreises sehr viel größer als der Eingangsstrom sein. Einfach ausgedrückt versorgt der Serienresonanzkreis (auch bezeichnet als Serienschwingkreis), in dem der Strom induziert wird, den Parallelresonanzkreis (auch bezeichnet als Parallelschwingkreis), in dem es dann zu einer erneuten Stromüberhöhung kommt. Diese Stromüberhöhung kann proportional zu der Güte des jeweiligen Parallelschwingkreises sein.
6 zeigt ein reales Ersatzschaltbild 600 der Boosterantenne 500 gemäß 5.
Weiterhin ist in 6 eine Schreib-/Lesevorrichtung 602 dargestellt, die induktiv mit der Chipkarte 500 gekoppelt ist (mittels einer ersten induktiven Kopplung 620) und damit mittels der Boosterantenne 500, wiederum induktiv, mit dem Kontaktlos-Chipkartenmodul 506 (mittels einer zweiten induktiven Kopplung 622) gekoppelt ist.
Das reale Ersatzschaltbild 600 der Boosterantenne 500 gemäß 5 weist eine (auf der Kopplungsseite zu der Schreib-/Lesevorrichtung 602) eine erste Induktivität (L_groß) 604, einen ersten Kondensator (C_groß) 606, einen ersten ohmschen Widerstand (R_groß) 608 und eine (vernachlässigbare) erste parasitäre Kapazität (C_{groß_para}) 610 der großen Leiterschleife auf, sowie eine zweite Induktivität (L_klein) 612, einen zweiten Kondensator (C_klein) 614, einen zweiten ohmschen Widerstand (R_klein) 616 und eine (vernachlässigbare) zweite parasitäre Kapazität (C_{klein_para}) 618 der kleinen Leiterschleife auf.
Durch Vernachlässigen der parasitären Anteile erhält man das in 7 gezeigte, vereinfachte Ersatzschaltbild 700.
Das vereinfachte Ersatzschaltbild 700 weist nur noch die erste Induktivität (L_groß) 604, den ersten Kondensator (C_groß) 606, den ersten ohmschen Widerstand (R_groß) 608 der großen Leiterschleife auf, sowie die zweite Induktivität (L_klein) 612, den zweiten Kondensator (C_klein) 614, und den zweiten ohmschen Widerstand (R_klein) 616 der kleinen Leiterschleife auf.
Wie dem vereinfachten Ersatzschaltbild 700 zu entnehmen ist, bilden die Komponenten der großen Leiterschleife einen Serienresonanzkreis (anders ausgedrückt den ersten elektrischen Schaltkreis) und die die Komponenten der kleinen Leiterschleife einen Parallelresonanzkreis (anders ausgedrückt den zweiten elektrischen Schaltkreis); der Serienresonanzkreis 702 ist dabei zu der Kapazität des Parallelresonanzkreises 704 seriell geschaltet. Über die erste Induktivität 604 der großen Leiterschleife erfolgt die erste induktive Kopplung (k) 620 zu dem Schreib- und/oder Lesegerät (Reader) 602; über die zweite Induktivität 612 der kleinen Leiterschleife erfolgt die Kopplung zu dem CoM bzw. der OCA, allgemein dem Kontaktlos-Chipkartenmodul 506.
Die Phasenresonanzen der Schwingkreise 702, 704 können mit folgenden Formeln ermittelt:
Im vorliegenden Fall können die beiden Resonanzkreise 702, 704 derart dimensioniert sein, dass die Phasenresonanz für den Serienresonanzkreis 702 und die Betragsresonanz für den Parallelresonanzkreis 704 13,56 MHz beträgt.
8A und 8B zeigen die zugehörigen Ortskurven in einem Ortskurvendiagramm 800, sowie den Verlauf des Betrags (in einem Betragsdiagramm 801) mit unterschiedlichen Güten des zweiten Schwingkreises. Es ist zu erkennen, dass ab einer bestimmten Güte des zweiten Schwingkreises bis zu 3 Phasenresonanzen (erste Phasenresonanz 801, zweite Phasenresonanz 802 und dritte Phasenresonanz 803) des Gesamtsystems möglich sind. Dies ist auch mittels Extremstellen zweier Höcker 804 und 805 in einem Betragsdiagramm 806 veranschaulicht.
Es ist dargestellt, dass in dem zweiten Resonanzfall (erste Phasenresonanz 803 und zugehöriges Betragsminimum 805) die Impedanz nur nach den Realteil aufweist. Diese Punkte entsprechen der Betriebsfrequenz der Boosterantenne. Würde die Güte des ersten Serienschwingkreises verändert werden, verschieben sich die in dem Ortskurvendiagramm 800 dargestellten Kurven entlang der x-Achse.
9 zeigt ein Stromdiagramm 900. Hier wird das Verhältnis der Ströme 901 die im zweiten Schaltkreis fließen (IL und IC), zum Strom der im ersten Schaltkreis induziert wird, bei einer entsprechenden Güte des zweiten Resonanzkreises dargestellt.
In 9 ist verdeutlicht, dass der Strom in der Koppelstruktur der kleinen Induktivität (zweiter Schaltkreis) im Vergleich zu dem Strom in der großen Induktivität (erster Schaltkreis) deutlich erhöht ist. Der stark erhöhte Strom in der kleinen Leiterschleife ruft in weiterer Folge ein verstärktes Magnetfeld hervor, wodurch die Kopplung zu dem Kontaktlos-Chipkartenmodul 506 signifikant verbessert wird.
Je höher die Güte des zweiten Schwingkreises ist, desto weniger sind die Strommaxima 902 gegenüber der Betriebsfrequenz verschoben. Das Verhältnis von Stromüberhöhung 902 und dem Eingangsstrom entspricht in etwa der Güte des zweiten Resonanzkreises.
Wie oben beschrieben wurde, können allgemein der erste elektrische Schaltkreis und der zweite elektrische Schaltkreis derart eingerichtet sind, dass die erste Phasenresonanz (d. h. die Phasenresonanz des ersten elektrischen Schaltkreises) und die zweite Betragsresonanz (d. h. die Betragsresonanz des zweiten elektrischen Schaltkreises) identisch sind. Der erste elektrische Schaltkreis und der zweite elektrische Schaltkreis können derart eingerichtet sein (anders ausgedrückt derart dimensioniert sein), dass die erste Phasenresonanz und/oder die zweite Betragsresonanz ungefähr 13,56 MHz betragen/beträgt.
Die Boosterantenne gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann derart eingerichtet und dimensioniert sein, dass die Chipkarte in dem HF-Frequenzbereich (beispielsweise mittels des ersten elektrischen Schaltkreises) oder in dem UHF-Frequenzbereich (beispielsweise mittels des dritten elektrischen Schaltkreises) betrieben werden kann.
Die kombinierte Boosterantenne, d. h. eine Boosterantenne, die gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mehrere Frequenzbänder unterstützt, kann nun mit HF-OCAs und/oder UHF-OCAs eingesetzt werden.
Durch den Einsatz von einem so genannten Comprehensive-OCA entsteht ein Comprehensive Transponder der sowohl bei UHF als auch bei HF funktioniert.
Verschiedene Ausführungsbeispiele können beispielsweise in folgendem Anwendungsbeispiel eingesetzt werden:
Ein passives Sensordevice (OCA-Chip mit einem oder mehreren Sensoren) das unter die Haut eines Lebewesens, beispielsweise eines Menschens implantiert wird, ist kann vorgesehen sein zum Auslesen von Biosignalen wie Temperatur, Glucose, oder dergleichen.
Versorgt wird dieser Chip beispielsweise mit Energie über HF (die Koppelstruktur liefert genügend Energie, um den Betrieb des Chips aufrechtzuhalten). Diese HF-Energie kommt aus unmittelbarer Nähe; einer Basisstation oder einem Energieharvester, der auf dem Pflaster (auf dem sich auch die Boosterantenne befinden kann) implementiert ist. Die gemessenen Sensordaten werden jedoch in verschiedenen Ausführungsbeispielen über UHF gesendet. Dies erhöht die Reichweite erheblich. Patienten in einem Krankenzimmer können auf diese Weise einfach, über eine leicht zu realisierende, gesundheitsverträgliche Methode überwacht werden.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist in einer Kombination von Markenschutz und Logistikanwendung zu sehen, wobei UHF für den Logistikbereich eingesetzt werden kann (EPC, Evolved Packet Core, anschaulich Kommunikation über ein 3GPP Kommunikationsnetzwerk) und wobei HF für die Kommunikation mit dem Nutzer eingesetzt werden kann als Nahfeld-Kommunikation (NFC, Near Field Communication).
Durch den Einsatz von einer oder mehreren Comprehensive Boosterantennen werden die Vorteile beider Frequenzbänder vereint. UHF bietet eine hohe Lese/Schreib-Reichweite und wird in der Logistik überall eingesetzt. Verpackungen können auf diese Weise einfach lokalisiert und überwacht werden.
Für den Endnutzer ist beispielsweise die NFC-Anwendung von Bedeutung. Hier werden beispielsweise mittels eines NFC-fähigen Mobilfunk-Kommunikationsendgeräts detaillierte Informationen über das Produkt aus unmittelbarer Nähe abgerufen.
10 zeigt eine Draufsicht auf einen Chip 1000 mit einem Träger 1002, beispielsweise aufweisend Silizium (oder ein anders geeignetes Halbleitermaterial oder ein anderes geeignetes Verbundhalbleitermaterial), und mit einer in dem Träger 1002 (monolithisch) integrierten Antennenstruktur 1004.
In dem Träger 1002 ist mindestens ein Schaltkreis (nicht dargestellt), beispielsweise ein Logik-Schaltkreis und/oder ein Speicher-Schaltkreis enthalten.
Der Chip 1000 stellt somit anschaulich eine On-Chip-Antenne (OCA) dar.
Wie im Folgenden noch näher erläutert wird stellt der Chip 1000 eine Comprehensive-Antenne dar, die sowohl HF als auch UHF unterstützt.
Mittels dieser Bauweise kann die im Folgenden beschriebene Antenne auf mehreren verschiedenen Frequenzen (bzw. Frequenzbereichen) betrieben werden.
Beispielsweise bei Anwendungen mit On-Chip-Antennen ermöglicht diese Variante eine sehr einfach zu realisierende Multifrequenzband-Funktion.
Durch die speziell geformte Spule der im Folgenden beschriebenen Antennenstruktur 1004 des Chips 1000 kommt es zu mehreren Resonanzfällen, die je nach Geometrie bei unterschiedlichen Frequenzbändern auftritt.
Hierdurch ist es möglich, durch die kleine Bauweise dieser Antennenstruktur 1004, dieser als Comprehensive-On-Chip-Antenne einzusetzen.
Dieser (beispielsweise) RFID-Chip 1000, kann somit mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden.
Die Antennenstruktur 1004 kann eine Spulenantenne mit mehreren Spulenwindungen aufweisen, wobei die Antennenstruktur derart eingerichtet ist, dass sich auf ihr bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz eines Antennensignals eine stehende Welle des Antennensignals ausbildet. Die Antennenstruktur 1004 kann eine Lecherleitungsstruktur aufweisen, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
Dies kann beispielsweise erreicht werden durch Bereitstellen einer speziellen geometrischen Struktur der Spule.
So kann die Spule 1100 beispielsweise eine Struktur aufweisen, wie sie in 11 in Draufsicht dargestellt ist.
Die Spule 1100 kann zwei Spulenwindungen 1102, 1104 aufweisen, wobei eine erste Spulenwindung 1102 im Wesentlichen vollständig innerhalb einer zweiten Spulenwindung 1104 verläuft. Ein erster Spulenanschluss 1106 sowie ein zweiter Spulenanschluss 1108 sind an den jeweiligen Enden der Spule 1100 vorgesehen, und zwar beispielsweise an der äußeren zweiten Spulenwindung 1104. An die beiden Spulenanschlüsse 1106, 1108 ist die entsprechende Potenzialdifferenz des Antennensignals bereitzustellen. Im Verlauf der beiden Spulenwindungen 1102, 1104 kreuzen sich die beiden Spulenwindungen, so dass ein jeweiliger Anschluss 1110, 1112 der ersten Spulenwindung 1102 paarweise angeschlossen ist (das heißt elektrisch leitend verbunden ist) mit einem jeweiligen Anschluss 1114, 1116 der zweiten Spulenwindung 1104. Genauer ausgedrückt bedeutet dies, dass ein erster Anschluss 1110 der ersten Spulenwindung 1102 elektrisch leitend verbunden ist mit einem ersten Anschluss 1114 der zweiten Spulenwindung 1104 mittels einer ersten Verbindungsleitung 1118, und dass ein zweiter Anschluss 1112 der ersten Spulenwindung 1102 elektrisch leitend verbunden ist mit einem zweiten Anschluss 1116 der zweiten Spulenwindung 1104 mittels einer zweiten Verbindungsleitung 1120, wobei die erste Verbindungsleitung 1118 und die zweite Verbindungsleitung 1120 einander kreuzen, wobei die beiden Verbindungsleitungen 1118, 1120 übereinander verlaufen und voneinander elektrisch isoliert sind, beispielsweise mittels eines Oxids (beispielsweise Siliziumoxid) und/oder mittels eines Nitrids (beispielsweise Siliziumnitrid) oder eines oder mehrerer anderer Isolationsmaterialien oder Isolationsschichten.
Die Spule 1100 weist beispielsweise eine rechteckförmige (beispielsweise quadratische) Form oder eine runde Form (beispielsweise elliptische oder kreisförmige) auf. In 11 ist die Spule mit einer im Wesentlichen quadratischen Form dargestellt, wobei die Spule eine erste Seite 1122 (auf der die Spulenanschlüsse 1106, 1108 vorgesehen sind), eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite 1124 (auf der die Verbindungsleitungen 1118, 1120 vorgesehen sind), sowie eine dritte Seite 1126, welche die Leitungen der Spulenwindungen 1102, 1104 der ersten Seite 1122 mit den Leitungen der Spulenwindungen 1102, 1104 der zweiten Seite 1124 an deren ersten Enden elektrisch leitend verbindet, sowie eine vierte Seite 1128, welche die Leitungen der Spulenwindungen 1102, 1104 der ersten Seite 1122 mit den Leitungen der Spulenwindungen 1102, 1104 der zweiten Seite 1124 an deren zweiten Enden elektrisch leitend verbindet.
Diese Struktur kann beliebig oft in der Antennenstruktur 1004 wiederholt vorgesehen sein, so dass sich beispielsweise die in 10 dargestellt Antennenstruktur 1004 ergibt.
Eine erste Resonanzfrequenz ergibt sich bei der Antennenstruktur 1004 wie bei einer konventionellen Spule. In diesem Fall heben sich die Induktivitäten und die parasitären Chip-Kapazitäten auf, und es kommt zum Resonanzfall, wie er in einer ersten Simulationsdarstellung 1200 in 12 für die Spule 1100 dargestellt ist. Wie in 12 dargestellt ist, bildet sich in der Spule 1200 in dem ersten Resonanzfall das stärkste Magnetfeld auf der linken Seite, d. h. anschaulich ungefähr in der Mitte 1202 der Leitungen der Spulenwindungen 1102, 1104 auf der dritten Seite 1126.
Bei höheren Frequenzen kann man sich die Wellenausbreitung auf den Leitungen wie bei der einer Lecherleitung vorstellen. Wenn die Struktur also so gewählt wird, dass sich ein Lambda (oder ein Vielfaches) (also eine Wellenlänge oder ein Vielfaches der Wellenlänge des Antennensignals) auf der Leitung ausbreitet, so kommt es zu einem zweiten Resonanzfall, wie er in einer zweiten Simulationsdarstellung 1300 in 13 für die Spule 1100 dargestellt ist. Wie in 13 dargestellt ist, bildet sich in der Spule 1200 in dem zweiten Resonanzfall das stärkste Magnetfeld sowohl auf der linken Seite, d. h. anschaulich ungefähr in der Mitte 1202 der Leitungen der Spulenwindungen 1102, 1104 auf der dritten Seite 1126, als auch auf der rechten Seite, d. h. anschaulich ungefähr in der Mitte 1302 der Leitungen der Spulenwindungen 1102, 1104 auf der vierten Seite 1128.
14 zeigt eine Darstellung 1400 der Ausbreitung einer stehenden Welle entlang einer Lecherleitung 1402 zu unterschiedlichen Zeitpunkten. So ist zu einem Zeitpunkt t = 0 eine sinusförmige elektromagnetische Welle 1404 mit einer Wellenlänge λ und einer maximalen Amplitude u₀ dargestellt in einem ersten Diagramm 1406. Weiterhin ist in 14 zu den jeweiligen Zeitpunkten t = 0, t = T/4, t = T/2, und t = 3T/4, die Ausbreitung des Magnetfeldes 1404 zwischen den Elementen der Lecherleitung 1402 dargestellt.
15 zeigt eine anschauliche Erläuterung der Struktur der Spule gemäß 11, weshalb diese Struktur ebenfalls eine Lecherleitung bildet.
15 zeigt zunächst in einer ersten Darstellung 1500 eine herkömmliche Lecherleitung 1502, die einen U-förmigen Verlauf aufweist. Die Lecherleitung 1502 weist zwei einander gegenüberliegende, parallel verlaufende Leitungen 1504, 1506 auf, welche an ihren ersten Enden 1508, 1510 voneinander elektrisch isoliert sind und an ihren zweiten Enden 1512, 1514 mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungselements 1516 miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Weiterhin zeigt 15 in einer zweiten Darstellung 1518, dass die Lecherleitung 1502 aus der ersten Darstellung 1500 einerseits gefaltet und zum anderen um 180° rotiert ist. Die korrespondierenden Endpunkte der Lecherleitung 1502 aus der ersten Darstellung 1500 sind in der zweiten Darstellung 1518 entsprechend angegeben.
Wird die Lecherleitung 1502 aus der zweiten Darstellung 1518 noch bei gleich bleibenden Dimensionierung hinsichtlich der Wellenausbreitung in einer quadratische Form gebracht, so ergibt sich die Lecherleitungsstruktur 1522, wie sie in einer dritten Darstellung 1520 angegeben ist. Diese Lecherleitungsstruktur 1522 entspricht der Struktur der Spule 1100, wie sie in 11 dargestellt ist und entsprechend oben erläutert wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 7816 [0083]
ISO 7816 [0104]

Claims

Boosterantenne für eine Chip-Anordnung, insbesondere für eine Chipkarte, wobei die Boosterantenne aufweist: • einen ersten Schaltkreis, der einen ersten Resonanzkreis bildet; • einen zweiten Schaltkreis, der einen zweiten Resonanzkreis bildet, wobei der erste Schaltkreis mit dem zweiten Schaltkreis elektrisch leitend verbunden ist; • einen dritten Schaltkreis, der einen dritten Resonanzkreis bildet, wobei der dritte Schaltkreis mit dem zweiten Schaltkreis elektrisch leitend verbunden ist.
Boosterantenne gemäß Anspruch 1, • wobei der erste Schaltkreis den ersten Resonanzkreis mit einer ersten Phasenresonanz bildet; • wobei der zweite Schaltkreis den zweiten Resonanzkreis mit einer zweiten Betragsresonanz bildet.
Boosterantenne gemäß Anspruch 2, wobei der erste elektrische Schaltkreis und der zweite elektrische Schaltkreis derart eingerichtet sind, dass die erste Phasenresonanz und/oder die zweite Betragsresonanz ungefähr 13,56 MHz betragen/beträgt.
Boosterantenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der dritte Schaltkreis den dritten Resonanzkreis mit einer dritten Phasenresonanz bildet.
Boosterantenne gemäß Anspruch 4, wobei der dritte elektrische Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass die dritte Phasenresonanz größer ist als die erste Phasenresonanz.
Boosterantenne gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der dritte elektrische Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass die dritte Phasenresonanz in einem Bereich von ungefähr 0,3 GHz bis ungefähr 3 GHz liegt.
Boosterantenne gemäß Anspruch 6, wobei der dritte elektrische Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass die dritte Phasenresonanz ungefähr 868 MHz beträgt.
Boosterantenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der dritte Schaltkreis eine Dipol-Antenne aufweist.
Boosterantenne gemäß Anspruch 8, wobei die Dipol-Antenne eine invertierte F-Antenne (IFA) aufweist oder als eine solche ausgebildet ist.
Boosterantenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der zweite elektrische Schaltkreis eine induktive Koppelstruktur aufweist.
Boosterantenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste elektrische Schaltkreis zu dem zweiten elektrischen Schaltkreis seriell geschaltet ist.
Boosterantenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste Resonanzkreis und der zweite Resonanzkreis so eingerichtet sind, dass ein erster Strom in dem ersten Resonanzkreis in dem zweiten Resonanzkreis bezüglich des ersten Stroms einen erhöhten zweiten Strom bewirkt.
Boosterantenne (304) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der erste Resonanzkreis ein Serienresonanzkreis ist.
Boosterantenne (304) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der zweite Resonanzkreis ein Parallelresonanzkreis ist.
Boosterantenne (304) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der zweite Schaltkreis mindestens eine Spulenwindung aufweist.
Boosterantenne gemäß Anspruch 15, wobei der zweite Schaltkreis mehrere Spulenwindungen aufweist.
Boosterantenne gemäß Anspruch 16, wobei der zweite Schaltkreis eine äußere Spulenwindung und mehrere innere Spulenwindungen aufweist.
Boosterantenne gemäß Anspruch 17, wobei der dritte Schaltkreis nur mit den inneren Spulenwindungen elektrisch leitend verbunden ist.
Boosterantenne (304) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, ferner aufweisend: • einen flexiblen Träger, insbesondere ein Pflaster; • wobei der erste elektrische Schaltkreis, der zweite elektrische Schaltkreis, und der dritte elektrische Schaltkreis auf dem flexiblen Träger angeordnet ist.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung, aufweisend: eine Boosterantenne (304) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19; und ein Kontaktlos-Chipmodul, insbesondere ein Kontaktlos-Chipkartenmodul, das aufweist: • einen Chip; und • eine Spule, die mit dem Chip elektrisch gekoppelt ist; wobei die Boosterantenne mit der Spule des Kontaktlos-Chipmoduls, insbesondere des Kontaktlos-Chipkartenmoduls, induktiv gekoppelt ist mittels mindestens eines induktiven Kopplungsbereichs der Boosterantenne.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß Anspruch 20, wobei die Boosterantenne mindestens einen weiteren Kopplungsbereich aufweist zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß Anspruch 21, wobei der erste elektrische Schaltkreis den weiteren Kopplungsbereich zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät bildet.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, • wobei der induktive Kopplungsbereich Teil des zweiten elektrischen Schaltkreises ist; und • wobei der induktive Kopplungsbereich im Wesentlichen deckungsgleich zu dem Kontaktlos-Chipmodul, insbesondere Kontaktlos -Chipkartenmodul, angeordnet ist.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei der weitere Kopplungsbereich zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät von einem Dipol gebildet ist.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei der induktive Kopplungsbereich der Boosterantenne zum Koppeln mit einem Chip vollständig innerhalb des weiteren Kopplungsbereichs zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät angeordnet ist.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei der induktive Kopplungsbereich der Boosterantenne zum Koppeln mit einem Chip vollständig außerhalb des weiteren Kopplungsbereichs zum Koppeln mit einem Schreib- und/oder Lesegerät angeordnet ist.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei das Kontaktlos-Chipmodul, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul, ferner Chipkontakte, insbesondere Chipkartenkontakte aufweist, welche eingerichtet sind, eine kontaktbasierte Chip-Schnittstelle, insbesondere Chipkartenschnittstelle, bereitzustellen.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 27, eingerichtet als eine Dual-Interface-Chipmodul-Anordnung, insbesondere als eine Dual-Interface-Chipkartenmodul-Anordnung.
Kontaktlos-Chip-Anordnung, insbesondere Chipkarte, aufweisend: eine Chipmodul-Anordnung, insbesondere eine Kontaktlos-Chipkartenmodul-Anordnung, gemäß einem der Ansprüche 20 bis 28.
Antennenstruktur, aufweisend: • eine Spulenantenne mit mehreren Spulenwindungen; • wobei die Antennenstruktur derart eingerichtet ist, dass sich auf ihr eine stehende Welle eines Antennensignals ausbildet.
Antennenstruktur gemäß Anspruch 30, wobei die Antennenstruktur eine Lecherleitungsstruktur aufweist.
Chip-Anordnung, aufweisend: • mindestens einen Chip; • eine mit dem Chip gekoppelte Antennenstruktur gemäß einem der Ansprüche 30 bis 31.
Chip-Anordnung gemäß Anspruch 32, wobei der Chip und die Antennenstruktur auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind.
Chip-Anordnung gemäß Anspruch 33, wobei der Chip und die Antennenstruktur auf einem gemeinsamen Träger monolithisch integriert aufgebracht sind.