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Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine Verstärkerantennenstruktur.
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Chipkarten, die üblicherweise auch als Smartcards bezeichnet werden, sind in unserem technischen Leben unerlässlich geworden, da sie in einer großen Vielfalt von Gebieten eingesetzt werden, wobei bargeldlose Zahlungen oder Identifikation wahrscheinlich die beiden prominentesten Beispiele sind.
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Die Kommunikation zwischen dem in üblichen Smartcards eingebetteten Chip und einem entsprechenden Chipkartenlesegerät ist kontaktbasiert, d. h., sie findet über Kontakte statt, die auf der Außenseite der Smartcard exponiert sind. Wenn die Smartcard verwendet wird, muss sie jedoch beispielsweise aus einer Geldbörse oder einer Tasche herausgenommen und mit entsprechenden Kontakten des Smartcardlesegeräts in Kontakt gebracht werden, was dem Benutzer möglicherweise ärgerlich erscheinen mag. Eine interessante Erweiterung, die dieses Problem löst, ist die sogenannte Doppel-Schnittstellen-Smartcard, bei der der Chip zusätzlich zu der herkömmlichen kontaktbasierten Schnittstelle auch mit Hilfe einer kontaktlosen Schnittstelle kommunizieren kann. Die kontaktlose Schnittstelle der Smartcard kann eine Chipkartenantenne besitzen, die innerhalb der Smartcard vorgesehen und mit dem Chip verbunden ist. Die Chipkartenantenne und der Chip können beide auf einem Chipkartenmodul angeordnet sein. In diesem Fall kann eine derartige miniaturisierte Form der Smartcardantenne als eine Chipkartenmodulantenne bezeichnet werden.
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Ungeachtet der Art der Smartcardantenne ist es üblich, den Chip und/oder das Chipkartenmodul in einer Doppel-Schnittstellen-Smartcard über gelötete Verbindungen oder leitende Paste, d. h. über galvanische Kontakte, mit der Antenne der Doppel-Schnittstellen-Smartcard zu verbinden.
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Bei elektronischen Zahlungssystemen ist ein Arbeitsabstand von bis zu 4 cm zwischen der Chipkarte und dem Lesegerät erforderlich. Das Erfüllen dieser Spezifikation kann sich als problematisch herausstellen, da der relativ kleine Bereich des Chipkartenmoduls möglicherweise nicht in der Lage ist, eine ausreichend große Chipkartenmodulantenne aufzunehmen, die eine Funkkommunikation bis zum erforderlichen Abstand ermöglichen würde. Um die Funkkommunikationsfähigkeit zu verbessern, kann eine weitere Antenne zusätzlich zur Chipkartenmodulantenne in der Smartcard vorgesehen werden, nämlich eine Verstärkerantenne, auch als eine Booster-Antenne bezeichnet. Die Verstärkerantenne kann auf oder innerhalb einer separaten Schicht vorgesehen und in der Smartcard enthalten sein. Diese die Verstärkerantenne enthaltende separate Schicht kann auf die Smartcard während ihrer Herstellung laminiert werden.
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Chipkartenantennen, die sich nicht auf dem Chipkartenmodul befinden, sondern vielmehr auf einer Schicht innerhalb der Chipkarte, können eine ausreichend große Größe besitzen. In jenen Fällen kann eine Verstärkerantenne entfallen. Bei der Montage von fertiggestellten Chipkartenkörpern mit Chipkartenmodulen müssen jedoch die Chipkartenmodule präzise gefräst werden, um sicherzustellen, dass Chipkartenmodul-Kontaktpads entsprechende Kontakte der Chipkartenantenne kontaktieren, wenn sie zusammengesetzt werden. Die Kontakte können dann unter Verwendung eines Klebers unter Ausübung von Druck miteinander verbunden werden.
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Der gerade beschriebene Herstellungsprozess ist teuer und kompliziert. Außerdem können die Kontaktpunkte zwischen der Smartcard und der Chipkartenmodulantenne unter geringer mechanischer Robustheit leiden. Im Laufe der Zeit können sich jene Kontakte während des Biegens und Faltens, dem Smartcards im alltäglichen Gebrauch ausgesetzt sein können, voneinander lösen. Angesichts dieses Problems kann die erwartete Lebenszeit einer Smartcard mit einer Chipkartenantenne zwei Jahre betragen. Allgemein wäre jedoch eine viel längere Lebensdauer von beispielsweise 10 Jahren etwa im Fall von Smartcards wünschenswert, die in Verbindung mit Regierungseinrichtungen verwendet werden, wo die Umwandlungs- oder Renovierungskosten aufgrund der Masse verwendeter Smartcards substantiell sind.
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Um das Problem von mechanisch empfindlichen galvanischen Verbindungen zwischen der Chipkartenantenne und dem Chip oder dem Chipkartenmodul zu vermeiden, können Verstärkerantennen induktiv an die Chipkartenmodulantennen gekoppelt werden.
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Gegenwärtige Verstärkerantennen erstrecken sich üblicherweise über die ganze Fläche der Chipkarte, falls notwendig auch über Abschnitte, die beispielsweise für das Prägen von Schriften (Prägebereiche, beispielsweise wie gemäß der Norm ISO/IEC 7811-1 definiert) oder für den Chiphohlraum vorgesehen sind, so dass jene Chipkarten mit der ISO/IEC-Norm möglicherweise nicht kompatibel sind. Bisher wird keine Optimierung der Verstärkerantennen bezüglich ihrer elektrischen Parameter vorgenommen, so dass beispielsweise entsprechende Smartcards entsprechend der EMVCo-Norm nicht zertifiziert sind, die eine globale Norm für auf Chipkartentechnologie basierende Kredit- und Debitkarten ist.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine Verstärkerantennenstruktur bereitgestellt, die Folgendes aufweist: ein Chipkoppelgebiet; eine Spule mit einem Leiter, der mehrere Windungen (beispielsweise Wicklungen) bildet; wobei die Spule das Chipkoppelgebiet im Wesentlichen vollständig einschließt, wobei der Leiter auf überkreuzungsfreie Weise um das Chipkoppelgebiet herum angeordnet ist.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Chipkoppelgebiet konfiguriert sein zum induktiven Koppeln an eine Spule, die auf einem Chippackage angeordnet ist, wobei das Chippackage in dem Chipkoppelgebiet angeordnet ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Spule 2 bis 10 Windungen (beispielsweise Wicklungen) enthalten, z. B. 2 bis 5 Windungen (beispielsweise Wicklungen). Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Chipkoppelgebiet eine Größe besitzen, die sich in einer ersten Abmessung von 1 Millimeter bis 20 Millimeter und in einer zweiten Abmessung von 1 Millimeter bis 20 Millimeter erstreckt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerantennenstruktur weiterhin einen Kondensator enthalten, der elektrisch mit der Spule gekoppelt ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen können Teile der Spule, die die Chipkoppelgebiet einschließen, derart angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss gestatten, der in einer gleichförmigen Richtung orientiert ist, so dass durch den Stromfluss durch jene Teile der Spule generierte Magnetfelder einander addieren, wodurch sie sich während des Betriebs der Verstärkerantennenstruktur gegenseitig verstärken. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Leiter eine entsprechend geätzte metallische Schicht mit einer Linienbreite im Bereich von etwa 50 μm bis etwa 250 μm, beispielsweise im Bereich von etwa 150 μm bis etwa 250 μm, enthalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Leiter einen Draht mit einem Durchmesser im Bereich von 60 μm bis 100 μm beinhalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerantennenstruktur weiterhin einen Träger enthalten, auf dem die Spule angeordnet ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Wicklungen der Spule auf einer Seite des Trägers angeordnet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Wicklungen der Spule auf beiden Seiten des Trägers angeordnet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Kondensator einen Leitungskondensator beinhalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen können Teile des Kondensators auf beiden Seiten des Trägers angeordnet sein.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine Chipkarte bereitgestellt. Die Chipkarte kann eine Verstärkerantennenstruktur enthalten. Die Verstärkerantennenstruktur kann Folgendes enthalten: ein Chipkoppelgebiet; eine Spule mit einem Leiter, der mehrere Wicklungen bildet; wobei die Spule das Chipkoppelgebiet im Wesentlichen vollständig einschließt, wobei der Leiter auf überkreuzungsfreie Weise um das Chipkoppelgebiet herum angeordnet ist.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Chipkoppelgebiet konfiguriert sein zum induktiven Koppeln an eine Spule, die auf einem Chippackage angeordnet ist, wobei das Chippackage in dem Chipkoppelgebiet angeordnet ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Spule 2 bis 10 Windungen (beispielsweise Wicklungen) enthalten, z. B. 2 bis 5 Wicklungen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Chipkoppelgebiet eine Größe besitzen, die sich in einer ersten Abmessung von 1 Millimeter bis 20 Millimeter und in einer zweiten Abmessung von 1 Millimeter bis 20 Millimeter erstreckt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Chipkarte weiterhin einen Kondensator enthalten, der elektrisch mit der Spule gekoppelt ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen können Teile der Spule, die das Chipkoppelgebiet einschließen, derart angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss gestatten, der in einer gleichförmigen Richtung orientiert ist, so dass durch den Stromfluss durch jene Teile der Spule generierte Magnetfelder einander addieren, wodurch sie einander während des Betriebs der Verstärkerantennenstruktur verstärken. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Leiter eine entsprechend geätzte metallische Schicht mit einer Linienbreite (anders ausgedrückt Leiterbahnbreite) im Bereich von etwa 50 μm bis etwa 250 μm, beispielsweise von etwa 150 μm bis 250 μm, beinhalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Leiter einen Draht mit einem Durchmesser im Bereich von 60 μm bis 100 μm beinhalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Chipkarte weiterhin einen Träger enthalten, auf dem die Spule angeordnet ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Windungen (beispielsweise Wicklungen) der Spule auf einer Seite des Trägers angeordnet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Windungen (beispielsweise Wicklungen) der Spule auf beiden Seiten des Trägers angeordnet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen können Teile des Kondensators auf beiden Seiten des Trägers angeordnet sein. Gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsformen wird eine Verstärkerantennenstruktur bereitgestellt, wobei die Verstärkerantennenstruktur Folgendes enthält: eine Spule mit einem Leiter, der mehrere Windungen (beispielsweise Wicklungen) bildet; ein Chipkoppelgebiet, das im Wesentlichen vollständig von einem Teil der Spule entlang vier Seiten des Chipkoppelgebiets eingeschlossen ist, wobei der Teil der Spule das Chipkoppelgebiet auf überkreuzungsfreie Weise im Wesentlichen vollständig einschließt, so dass auf mindestens einer Seite des Chipkoppelgebiets eine Passage zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Chipkoppelgebiets existiert.
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In den Zeichnungen beziehen sich in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen allgemein auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei stattdessen allgemein betont wird, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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2A bis 2E Draufsichten auf weitere Verstärkerantennenstrukturen gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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3 eine Ersatzschaltung einer Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zusammen mit einem Coil-On-Module (Spule auf Modul); und
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4 zeigt eine Chipkarte mit der Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen und ein Coil-On-Module.
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Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, die anhand einer Veranschaulichung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, wie die Erfindung praktiziert werden kann.
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Das Wort „beispielhaft” wird hier verwendet, um „als ein Beispiel, Fall oder eine Darstellung dienend” zu bedeuten. Eine Ausführungsform oder ein Design, die hierin als „beispielhaft” beschrieben werden, sind nicht notwendigerweise als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Designs bevorzugt oder vorteilhaft zu verstehen.
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Die hierin beschriebene Verstärkerantennenstruktur ist so konfiguriert, dass sie induktiv an ein Coil-on-Module-Chippackage (CoM-Chippackage) koppelt, das in einer Funk- oder Doppel-Schnittstellen-Smartcard vorgesehen ist. Eine gemeinsame Anordnung aus einer Antenne, beispielsweise in der Form einer Spule, und dem Chip (z. B. einem Mikrochip oder einem Mikrocontroller) auf einem Smartcardmodul wird als CoM-Chippackage bezeichnet (im Folgenden wird CoM-Chippackage einfach als CoM bezeichnet). Der Chip und die Chipkartenmodulspule sowie möglicherweise andere Elektronikkomponenten wie etwa Widerstände, Kondensatoren und weitere Spulen des CoM, die auf dem Chipkartenmodul einer Funk- oder Doppel-Schnittstellen-Smartcard vorgesehen sein können, stellen einen Schwingkreis dar, der unabhängig arbeiten kann. Durch Ausnutzung einer induktiven Kopplung zwischen einer induktiv gekoppelten Kartenspule (ICCC – Inductively Coupled Card Coil), beispielsweise einer Verstärkerantenne einer Smartcard, und dem CoM können Spezialgeräte und recht teure Investitionen eingespart werden, die üblicherweise für die mechanisch-elektrischen Verbindungen in gewöhnlichen Smartcards zwischen jenen beiden Entitäten erforderlich sind. Die induktive Kopplung zwischen dem Smartcardchip, beispielsweise einem RFID-Chip, und der Smartcardantenne, beispielsweise der Verstärkerantenne, kann den Kartenherstellungsprozess vereinfachen und zu einer besseren Ausbeute und inhärent robusteren Smartcards führen im Vergleich zu herkömmlichen Smartcards, die auf galvanischen Zwischenverbindungen zwischen dem Chip oder dem Chipkartenmodul und der Chipkartenantenne basieren.
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In 1 ist eine Draufsicht auf eine Verstärkerantennenstruktur 100 gezeigt. Die Verstärkerantennenstruktur 100 kann eine Spule 102 und ein Chipkoppelgebiet 104 enthalten. Die Spule 102 kann einen Leiter, zum Beispiel einen stromleitenden Draht oder ein leitfähiges Material, enthalten, das zu mehreren Windungen (beispielsweise Wicklungen) ausgebildet ist. Der Leiter kann durch das Ätzen einer Schicht aus einem stromleitenden Material, beispielsweise einer metallischen Schicht, zu einer gewünschten geometrischen Form erhalten oder einfach aus einem metallischen oder anderen stromleitenden Draht ausgebildet werden. Das Chipkoppelgebiet 104 kann von dem Leiter, d. h. von einem Teil der Spule 102, im Wesentlichen ganz umgeben oder eingeschlossen sein. Teile des Leiters, d. h. Teile der Spule 102, können auf überkreuzungsfreie Weise bei dem Chipkoppelgebiet 104 angeordnet sein. Mit anderen Worten kann beim Blick von oben (oder unten) auf die Verstärkerantennenstruktur 100 gemäß verschiedenen in 1 gezeigten Ausführungsformen das Gebiet der Spule 102 um das Chipkoppelgebiet 104 herum frei von Überschneidungen oder Kreuzungen zwischen zwei oder mehr beliebigen Wicklungen der Spule 102 sein. Mit der überkreuzungsfreien Anordnung der Spule 102 in/bei dem Koppelgebiet 104 ist eine Ausbildung einer expliziten (gekoppelten) Spule, die in dem/um das Koppelgebiet 104 herum gewickelt ist, nicht erforderlich.
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Die Anzahl der Windungen (beispielsweise Wicklungen), aus denen die Spule 102 besteht, und die Anzahl der Schnitte der Windungen (beispielsweise Wicklungen) der Spule 102, die das Chipkoppelgebiet 104 bilden, können gleich oder voneinander verschieden sein. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Chipkoppelgebiet 104 von Teilen von drei Windungen (beispielsweise Wicklungen) von drei Seiten eingeschlossen oder umgeben, wohingegen die Spule vier Windungen (beispielsweise Wicklungen) enthält. Der Abstand zwischen den individuellen Windungen (beispielsweise Wicklungen) der Spule 102, wenngleich in 1 fast gleichförmig gezeigt, kann unterschiedlich sein und kann zum Verstellen des Koppelkoeffizienten zwischen einem CoM, der in dem Chipkoppelgebiet 104 platziert sein kann, und der Verstärkerantennenstruktur 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden. Die geometrische Form des Chipkoppelgebiets 104 ist nicht auf die in 1 gezeigte Ausführungsform beschränkt. Ein kennzeichnendes Merkmal des Chipkoppelgebiets 104 kann darin bestehen, dass es auf mindestens drei Seiten davon von einem oder mehreren Teilen der Spule 102 umgeben oder eingeschlossen ist. Um einen guten Koppelkoeffizienten zwischen der Verstärkerantennenstruktur 104 und dem CoM zu erzielen, können das Chipkoppelgebiet 104 und das CoM eine ähnliche Gestalt besitzen, die beispielsweise rechteckig oder quadratisch sein kann. Im Fall einer quadratischen oder rechteckigen Gestalt kann ihre eine Abmessung (z. B. eine Länge) im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 20 mm, beispielsweise im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 20 mm liegen, und ihre andere Abmessung (z. B. eine Breite) kann im Bereich von etwa 1 mm bis 20 mm, beispielsweise im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 20 mm, liegen. Jedoch sind andere Abmessungen möglich, die durch die Größe des CoM und/oder dem gewünschten Koppelkoeffizienten angegeben werden können, die durch den Abstand zwischen der Chipkartenmodulantenne und den Windungen (beispielsweise Wicklungen) der Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen abgeändert werden können. Es ist anzumerken, dass die Verstärkerantennenstruktur 100 zusätzliche Elektronikelemente wie etwa Widerstände und/oder Kondensatoren enthalten kann, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verstellen, beispielsweise ihren Koppelkoeffizienten an das CoM oder ihren Gütefaktor.
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In 2A ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Verstärkerantennenstruktur 200 gezeigt. Da ihre Struktur auf der in 1 gezeigten Verstärkerantennenstruktur 100 basiert, sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und ihre Funktion wird nicht wieder beschrieben. Die in 2A gezeigte Verstärkerantennenstruktur 200 enthält ein kapazitives Element in der Form eines Plattenkondensators 202. Der Plattenkondensator kann zwei Plattenelektroden enthalten, von denen eine in 2A gezeigt ist. Die andere Plattenelektrode kann unter der in 2A gezeigten Plattenelektrode angeordnet sein, z. B. auf der anderen Seite eines Substrats oder eines Trägers (in 2A nicht gezeigt), auf der/dem die Verstärkerantennenstruktur 200 angeordnet sein kann. Der Träger kann ein elektrisch isolierendes Material beinhalten, beispielsweise ein dielektrisches Material wie etwa PVC (Polyvinylchlorid), das die Kapazität des Plattenkondensators 202 erhöhen kann. Ein Verbindungsteil 204 des Spulenleiters, der in der Draufsicht auf die Verstärkerantennenstruktur 200 in 2A die anderen drei Wicklungen der Spule 102 scheinbar überschneidet, kann auf der anderen Seite des Trägers angeordnet sein (in 2A nicht gezeigt) und kann durch eine Öffnung des Trägers mit der innersten Windung (beispielsweise mit der innersten Wicklung) der Spule 102 verbunden sein. In 2B ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Verstärkerantennenstruktur 220 gezeigt. Da ihre Struktur ähnlich der in 2A gezeigten Verstärkerantennenstruktur 200 ist, sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und ihre Funktion wird nicht wieder beschrieben. Die Gesamtstruktur der Verstärkerantennenstruktur 220 ist ähnlich der in 2A gezeigten Verstärkerantennenstruktur 200. Jedoch ist das Chipkoppelgebiet 104 von fast allen vier Seiten von Teilen der Spule 102 eingeschlossen oder umgeben. Da der Spulenleiter zu Windungen (beispielsweise Wicklungen) ausgebildet ist, die kontinuierlich aneinander gekoppelt sind, kann das Chipkoppelgebiet 104 von der Spule nicht vollständig eingeschlossen sein, falls der Leiter auf überkreuzungsfreie Weise um das Chipkoppelgebiet 104 herum angeordnet sein soll. Deshalb existiert ein kleiner Spalt 106 in der innersten Windung (beispielsweise in der innersten Wicklung) und in jeder außen davon angeordneten zweiten Windung (beispielsweise Wicklung), das Chipkoppelgebiet 104 bildend. Die Abmessung des Spalts 106 kann jedoch vernachlässigbar sein im Vergleich zu der Länge der linken Seite des Chipkoppelgebiets 104, die ungefähr durch die Seitenlänge des Quadrats oder Rechtecks definiert sein kann, das durch einen Teil einer der Windungen (beispielsweise Wicklungen) der das Chipkoppelgebiet 104 bildenden Spule 102 gebildet wird.
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In 2C ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Verstärkerantennenstruktur 240 gezeigt. Da ihre Struktur der in 2B gezeigten Verstärkerantennenstruktur 220 ähnlich ist, sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Der Hauptunterschied zwischen der Ausführungsform der Verstärkerantennenstuktur 240 und der in 2A oder in 2B gezeigten besteht darin, dass das Chipkoppelgebiet 104 eine komplexere Struktur aufweist. Der die Spule 102 bildende Leiter kommt, bildlich gesprochen, von zwei verschiedenen Seiten an, im Vergleich zu den bisher erörterten Ausführungsformen, wo er von nur einer Seite ankommt, beispielsweise von der linken Seite, wie in den Ausführungsformen der Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen, in 2A oder in 2B gezeigten Ausführungsformen gezeigt. Zudem ist eine mögliche Stromflussrichtung durch Pfeile 206 und 208 angegeben. Die Richtung 206, 208 des Stroms durch die Spule 102 ist als solche willkürlich. Unter der Annahme eines Stromflusses durch die Spule 102, wie durch die Pfeile 206 angegeben, kann ein kreisförmiger Stromfluss 208 beobachtet werden, der um das Chipkoppelgebiet 104 herum fließt. Der innerste Spulenleiter des Chipkoppelgebiets 104 wird durch einen kontinuierlichen Abschnitt des Spulenleiters einer Wicklung der Spule 102 gebildet. Es existiert ein Spalt 106 auf der linken Seite des Chipkoppelgebiets 104 zwischen zwei Abschnitten des Spulenleiters. Der innerste Spulenleiter des Chipkoppelgebiets 104 ist von zwei getrennten Abschnitten des Spulenleiters umgeben, die zu einer anderen Windung (beispielsweise Wicklung) der Spule gehören. Es existiert ein Spalt, der die beiden Spulenleiterabschnitte auf der linken Seite trennt (den kleineren Spalt 106 zwischen Teilen des innersten Spulenleiters nachahmend, die das Chipkoppelgebiet 104 bilden), und ein weiterer Spalt, der die beiden Spulenleiterabschnitte auf der rechten Seite des Chipkoppelgebiets 104 trennt. Die Leiterabschnitte der Spule 102, die das Chipkoppelgebiet 104 bilden, werden bei den vier Seiten des Chipkoppelgebiets 104 derart geführt, dass die Richtung des Stromflusses durch den Leiter in den das Chipkoppelgebiet 104 definierenden Teilen im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt (in dem in 2D gezeigten Ausführungsbeispiel ist sie durch den Pfeil 208 als gegen den Uhrzeigersinn angegeben). Dies führt zu einem scheinbar kreisförmigen Stromfluss 208 um das Chipkoppelgebiet 104 oder am Rand des Chipkoppelgebiets 104 und führt zu einem Magnetfeld, das, falls die technische Stromflussrichtung 206, 208 angenommen wird, in die Ebene des Papiers durch die Mitte des Chipkoppelgebiets 104. Diese beiden Aspekte – eine Anordnung des Leiters der Spule 102 entlang allen vier Seiten des Chipkoppelgebiets 104 und eine gleichförmige Richtung des Stromflusses um den Chipkoppelbereich 104 herum – kann zu einem vergrößerten Magnetfluss innerhalb des Chipkoppelbereichs 104 der Verstärkerantennenstruktur 240 führen. Dies kann bezüglich des Koppelkoeffizienten zwischen der Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen und dem CoM vorteilhaft sein. In 2C ist der Träger 242, beispielsweise eine Polymerschicht, angegeben, auf der die Spule 102 der Verstärkerantennenstruktur 240 angeordnet sein kann. Es ist anzumerken, dass beide Seiten des Trägers 242 als Oberflächen verwendet werden können, auf denen Elemente der Verstärkerantennenstruktur 240 wie etwa die Spule 102 und/oder der Kondensator 202 oder Teile davon oder weitere Komponenten angeordnet sein können.
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In 2D ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Verstärkerantennenstruktur 260 gezeigt. Da ihre Struktur ähnlich den in 2A, 2B oder 2C gezeigten Verstärkerantennenstrukturen ist, sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Die Ausführungsform der Verstärkerantennenstruktur 260, die in 2D gezeigt ist, besitzt ein mehrschichtiges Design. Der die Spule 102 bildende Leiter kann bei Betrachtung in einer Draufsicht in 2D selbst als zwei getrennte Schichten angeordnet sein oder sie bilden. Der Abschnitt des Leiters, der einen ersten Teil 262 der Spule 102 der Verstärkerantennenstruktur 260 bildet, kann auf oder in einer Schicht angeordnet sein, und der Leiter, der einen zweiten Teil 264 der Spule 102 der Verstärkerantennenstruktur 260 bildet, kann auf oder in einer anderen Schicht angeordnet sein. Die beiden Schichten können durch eine isolierende Schicht oder ein isolierendes Material voneinander getrennt sein. Die beiden Schichten müssen jedoch als solche nicht getrennte Schichten sein. Die Verstärkerantennenstruktur 260 gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann während des Herstellungsprozesses auf einem Träger angeordnet werden, der dann beispielsweise auf andere Schichten einer Chipkarte laminiert werden kann. Die erste Schicht kann einer Oberfläche des Trägers entsprechen, beispielsweise ihrer Vorderseite, und die zweite Schicht kann der anderen Oberfläche des Trägers entsprechen, so dass der erste Teil 262 der Spule 102 auf der Vorderseite des Trägers angeordnet sein kann, wohingegen der zweite Teil 264 auf der Rückseite des Trägers angeordnet sein kann. Das Verbindungsteil 204 und ein weiteres Verbindungsteil 266 können als Zwischenverbindungen zwischen dem ersten Teil 262 und dem zweiten Teil 264 der Spule 102 gesehen werden. Innerhalb des Chipkoppelgebiets 104 oder um dieses herum können Abschnitte des Leiters von beiden Teilen 262, 264 der Spule 102 angeordnet sein. Wie in der Draufsichtsansicht auf die beispielhafte Verstärkerantennenstruktur 260 in 2D gesehen werden kann, können einige Abschnitte des Leiters von beiden Teilen 262, 264 der Spule 102 übereinander angeordnet sein, das heißt, ihre Projektionen innerhalb der Ebene des Papiers können auf einander ausgerichtet sein. Deshalb kann das Koppelgebiet 104 Abschnitte des Leiters in zwei Schichten enthalten. Ein derartiges Design kann das Vergrößern der Dichte des Leiters (d. h. die Anzahl von Abschnitten des Leiters) innerhalb des Koppelgebiets 104 bzw. dabei ermöglichen. Es ist hervorzuheben, dass die Anordnung des Leiters der Spule 102 um das Chipkoppelgebiet 104 herum überkreuzungsfrei ist, da Teile des Leiters, die so gesehen werden können, als ob sie einander in der in 2D vorgelegten Draufsicht überkreuzen würden, tatsächlich auf verschiedenen Seiten/Oberflächen eines Trägers angeordnet sind. Der Ausdruck „Überkreuzen”, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bezieht sich jedoch auf Überkreuzungen, d. h. Teile des Leiters der Spule 102, wo eines auf dem anderen, auf der gleichen Seite/Oberfläche eines Trägers oder einer Materialschicht, auf der die Spule 102 angeordnet sein kann, angeordnet ist. Wie oben erläutert, liegt eine derartige Konstellation in der Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedener Ausführungsformen in 2D nicht vor.
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In 2E ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Verstärkerantennenstruktur 280 gezeigt. Da ihre Struktur ähnlich den in 2A, 2B, 2C oder 2D gezeigten Verstärkerantennenstrukturen ist, sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Die in 2E gezeigte Verstärkerantennenstruktur 280 zeigt eine mögliche Konfiguration, die durch Drahteinbettung erzielt werden kann. In 2E ist die beispielhafte Verstärkerantennenstruktur 280 innerhalb oder auf nur einer Schicht angeordnet. Das kapazitive Element 202 von 2A bis 2D ist in der in 2E gezeigten Ausführungsform als ein Leitungskondensator realisiert, d. h., zwei beliebige benachbarte Abschnitte des die Spule 102 bildenden Leiters, die zusammen verlaufen, können zu einer Gesamtkapazität beitragen. Die Pfeile 206 zeigen eine beispielhafte der beiden möglichen Stromflussrichtungen durch die Spule 102 an. Die Spule 102 kann auf einer Seite des Trägers 242 vorgesehen sein, wohingegen in Gebieten 282, in denen Teile der Spule 102 einander überkreuzen, eine Isolierschicht zwischen dem unteren Teil des Leiters und dem höheren Teil des Leiters, der über dem unteren Teil des Leiters und über diesem hinweg verläuft, vorgesehen sein kann, um einen Kurzschluss zu verhindern. Das Chipkoppelgebiet 104 ist durch den Spulenleiter gebildet, der das Chipkoppelgebiet 104 ohne irgendwelche Überschneidungen oder Überkreuzungen umgibt. Der Leiter auf der linken Seite, der Bodenseite und der rechten Seite des Chipkoppelgebiets 104 gehört zu einem kontinuierlichen Abschnitt des Spulenleiters, wohingegen die Oberseite durch einen zweiten Abschnitt des Spulenleiters gebildet wird. Der erste Abschnitt der Leiterspule ist durch zwei Spalte 106 vom zweiten Abschnitt der Leiterspule getrennt. Aufgrund des kreisförmigen Stromflusses um die Mitte des Chipkoppelgebiets 104 herum wird ein Magnetfeld 212 generiert, das bei angenommener technischer Stromflussrichtung 206 aus der Ebene des Papiers durch die Mitte des Chipkoppelgebiets 104 gerichtet ist. Die Position und die Erstreckung des die Spule 102 auf dem Träger 242 bildenden Leiters sowie ihre geometrische Form können an das spezifische Kartendesign angepasst werden. Beispielsweise kann der die Spule 102 bildende Leiter zu einer Gestalt ausgebildet werden, die Prägegebiete gestattet, wie durch die Norm ISO/IEC 7811 definiert, und/oder Gebiete für Öffnungen innerhalb der Chipkarte, beispielsweise zum Anbringen einer Befestigungsvorrichtung wie etwa einer Kette oder eines Kunststoffbands.
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Allgemein sind die Designs der Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen, bisher in den 2A bis 2E gezeigten Ausführungsformen nicht so auszulegen, als wenn sie den Schutzbereich möglicher Verstärkerantennenstrukturdesigns beschränken.
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Insbesondere ist der Ort des Chipkoppelgebiets 104 nicht auf die in den Figuren dargestellten Positionen beschränkt, da er frei gewählt werden und dadurch an das spezifische Chipkartendesign angepasst werden kann. Außerdem kann sich die Position des Plattenkondensators 202 von der in den Figuren dargestellten Positionen unterscheiden und kann durch das spezifische Chipkartendesign angegeben werden. Der Plattenkondensator 202 ist einer von sehr vielen möglichen Wegen zum Realisieren eines kapazitiven Elements. Beispielsweise kann er durch einen Leitungskondensator ersetzt werden, der durch zwei Abschnitte des Spulenleiters gebildet wird, die aneinander entlang verlaufen, wobei die Kapazität durch die Länge dieser Struktur oder den Abstand zwischen den Abschnitten des Spulenleiters variiert werden kann, oder eine Plattenkapazität mit einem Dielektrikum dazwischen, wobei die ganze Struktur zu einer Spirale aufgewickelt werden kann.
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Bei Betrachtung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Verstärkerantennenstruktur in 2A bis 2E ist ersichtlich, dass das Chipkoppelgebiet 104 durch mindestens einen Teil der Spule 102 der Verstärkerantennenstruktur gebildet wird. Dieser mindestens eine Teil der Spule 102 kann auf meanderförmige Weise ohne irgendwelche Überkreuzungen des Leiters um das Chipkoppelgebiet 104 (auf mindestens einer Oberfläche eines entsprechenden Trägers) herum angeordnet sein. Das Chipkoppelgebiet 104 kann als ein dediziertes oder ausgeprägtes Gebiet angesehen werden, das eine Mikroanordnung von Teilen der Spule 102 der Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen aufweist. Die überkreuzungsfreie Anordnung mindestens eines Teils der Spule 102 um das Chipkoppelgebiet 104 herum kann zu der Anwesenheit einer Passage zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Chipkoppelgebiets 104 führen, beispielsweise zwischen dem Mittelgebiet des Chipkoppelgebiets 104, wo ein entsprechendes Chippackage platziert werden kann, und dem äußeren des Chipkoppelgebiets 104. Die Passage zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Chipkoppelgebiets 104 kann auch in die Tatsache übersetzt werden, dass es keine dedizierte Koppelspule gibt, die in Reihe mit der Spule 102 gekoppelt sein kann, die die Verstärkerantenne bildet, das Chipkoppelgebiet 104 vollständig umgebend. Stattdessen kann mindestens ein Teil der Spule 102 auf überkreuzungsfreie Weise, beispielsweise auf meanderartige Weise, um das Chipkoppelgebiet herum angeordnet sein und dieser mindestens eine Teil der Spule 102 kann das Chipkoppelgebiet 104 definieren.
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In 4 ist eine Strukturansicht einer Chipkarte 400 gezeigt. Die Chipkarte 400 kann mehrere Schichten oder Einlagen wie etwa Funktionsschichten enthalten, die Elektronikschaltungen tragen, die verschiedene Arten von Funktionalitäten bereitstellen, wie etwa eine Schicht, die die Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen trägt, eine das CoM tragende Schicht, eine oder mehrere Schichten, die ein Display oder andere Form von interaktiven Mitteln tragen, die konfiguriert sind zum Kommunizieren mit dem Benutzer (beispielsweise LEDs und/oder OLEDs), stabilisierende Schichten und/oder schützende Abdeckschichten, die einen gewissen haptischen und/oder visuellen Effekt bereitstellen. Der Chipkartenkörper und die individuellen Schichten, aus denen die Chipkarte 400 besteht, können typischerweise aus nichtleitenden Materialien wie etwa einem PVC-Material gebildet sein. In 4 wird die Verstärkerantennenstruktur 402 gemäß verschiedenen Ausführungsformen und das CoM 404 betont, wobei der Übersichtlichkeit halber andere Elemente und/oder Schichten weggelassen sind. Die Verstärkerantennenstruktur 402 gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 4 gezeigt, entspricht der einen, zuvor erörterten und in 2A gezeigten. Jedoch kann eine beliebige andere Verstärkerantennenstruktur gemäß in 2B, 2C, 2D oder 2E verschiedenen dargestellten Ausführungsformen für die eine, als Beispiel gewählte aus 2A eingesetzt werden.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit enthält die Spule 102 der Verstärkerantennenstruktur 402 nur eine Windung (beispielsweise nur eine Wicklung), was als eine Darstellung für eine beliebige Anzahl von Windungen (beispielsweise Wicklungen) zu verstehen ist, zum Beispiel 1, 2, 4, wie in 2A gezeigt, oder mehr. Ein CoM 404 mit einem Chip 408, z. B. einem Mikrocontrollerchip, und einer Chipkartenmodulantenne 406 (und möglicherweise weiteren Elektronikkomponenten wie etwa metallischen Zwischenverbindungen, Widerständen, Kondensatoren, Spulen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden sind), kann innerhalb des Chipkoppelgebiets 104 angeordnet sein. Im Fall einer Doppel-Schnittstellen-Smartcard kann der Chip 408 elektrisch an Kontaktpads gemäß ISO/IEC 7816 gekoppelt sein, die auf der Oberfläche der Doppel-Schnittstellen-Smartcard exponiert sein können. Die Chipkartenmodulantenne 406 ist durch nur eine Windung (beispielsweise nur eine Wicklung) dargestellt. Wie im Fall der Spule 102 der Verstärkerantennenstruktur 402 gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist dies als eine Darstellung für eine beliebige Anzahl von Windungen (beispielsweise Wicklungen) zu verstehen, z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 10 oder mehr.
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Während des kontaktlosen Betriebs, d. h., wenn die Chipkarte 400, die eine kontaktlose Chipkarte oder eine Doppel-Schnittstellen-Chipkarte sein kann, kann das CoM über die Verstärkerantennenstruktur 402 gemäß verschiedenen Ausführungsformen mit einem entsprechenden Lesegerät kommunizieren. Die auf dem Chipkartenmodul 404 integrierte Antennenspule 406 kann über die Chipkartenantenne, d. h. die Verstärkerantennenstruktur 402, unter Verwendung einer induktiven Kopplung, d. h. einer Funkverbindung, Daten an das (in 4 nicht gezeigte) Lesegerät übertragen und von dort empfangen. Die Verstärkerantennenspule 102 als eine Antenne kann spezifisch darauf abgestimmt sein, die Anforderungen der Normen ISO/IEC 14443 oder EMVCo 2.0.1 oder PayPass v1.1 zu erfüllen.
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Eine Ersatzschaltung einer kontaktlosen oder Doppel-Schnittstellen-Smartcard 300, auch als Proximity Integrated Circuit Card (PICC) bezeichnet, ist in 3 gezeigt, wobei die Anordnung der Verstärkerantennenstruktur 310, auch als induktiv gekoppelte Kartenspule (ICCC – Inductively Coupled Card Coil) bezeichnet, und des CoM 320 betont wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind somit andere, üblicherweise in eine Chipkarte integrierte Elemente weggelassen.
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Die die Verstärkerantennenstruktur 310 darstellende Schaltung enthält eine Reihenanordnung aus einer Spannungsquelle 312, einem Verstärkerantennenwiderstand 314, einem Verstärkerantennenkondensator 316 und der eigentlichen Spule 318 der Verstärkerantennenstruktur. Die Verstärkerantennenstruktur kann so angesehen werden, dass sie einen Schwingkreis bildet. Die Spannungsquelle 312 stellt die Energie dar, die die Smartcard 300 von einem Lesegerät (auch als Proximity Coupling Device (PCD), bezeichnet, in 3 nicht gezeigt) über die Verstärkerantennenstruktur 310 durch elektromagnetische Wellen empfängt, die während des Betriebs innerhalb der Verstärkerantennenstruktur 310 eine Spannung (Uind) induzieren.
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Die das CoM 320 darstellende Schaltung enthält eine Chipkartenmodulspule 322, einen Chipkartenmodulwiderstand 324 und einen Chipkartenmodulkondensator 326, die alle parallel gekoppelt sind.
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In dieser Ersatzschaltung ist der Chip 408 wie in 4 gezeigt durch den Chipkartenmodulwiderstand 324 und den Chipmodulkondensator 326 modelliert, wobei der ohmsche Verlust des Chipmodulwiderstands 324 den Stromverbrauch des Chips 408 darstellt. Die Verstärkerantennenstruktur 402, wie in 4 gezeigt, ist durch den Schwingkreis in Form einer Reihenschaltung modelliert, die den Verstärkerantennenwiderstand 314, den Verstärkerantennenkondensator 316 und die Verstärkerantennenstrukturspule 318 selbst enthält. Der Verstärkerantennenwiderstand 314 modelliert den ohmschen Widerstand der Verstärkerantennenspule 102. Der ohmsche Widerstand der Verstärkerantennenspule 102 kann durch einen gewissen ohmschen Wert verstellt werden, indem die Materialzusammensetzung der Verstärkerantennenspule 102 und/oder ihre Abmessungen, d. h. ihre Breite oder ihr Durchmesser, gewählt werden. Die beiden Entitäten, d. h. die Verstärkerantennenstruktur 310 gemäß verschiedenen Ausführungsformen und das CoM 320, können induktiv miteinander gekoppelt sein. Ein Pfeil 328 bezeichnet die magnetische Kopplung zwischen der Verstärkerantennenstruktur 310 und dem CoM 320, die über die jeweilige Spulenantenne jeder der Entitäten stattfindet. kBM bezeichnet den entsprechende Koppelkoeffizienten.
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Die Smartcard 300 mit der Verstärkerantennenstruktur 310 gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Anforderungen relevanter Leistungsnormen für Smartcards wie etwa EMVCo oder ISO/IEC 10373-6 erfüllen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Leistungstransfer zwischen einem (in 3 nicht gezeigten) Lesegerät und der Chipkarte 300 optimiert wird, indem die Verstärkerantennenstruktur 310 gemäß verschiedenen Ausführungsformen an das Smartcardchipmodul 320 angepasst wird. Das Optimieren des Leistungstransfers kann mehrere Aspekte beinhalten. Zuerst kann die Arbeitsfrequenz des CoM-Schwingkreises 320 derart verstellt werden, dass sie der Arbeitsfrequenz des Chips entspricht, zum Beispiel zu 13,56 MHz. Die Resonanzfrequenz des CoM-Schwingkreises kann beispielsweise durch Verstellen der Induktanz der CoM-Antenne bezüglich der Eingangskapazität des Chips verstellt werden. Die Resonanzfrequenz der Verstärkerantennenstruktur 310 kann auf die Arbeitsfrequenz des Chips, beispielsweise 13,56 MHz, praktisch durch die gleichen Mittel wie im Fall der CoM-Resonanzfrequenz und/oder durch Hinzufügen mindestens eines weiteren Induktors und/oder Kondensators eingestellt werden. Weiterhin kann der Gütefaktor der Verstärkerantennenstruktur 310 durch Bereitstellen einer zusätzlichen stromleitenden Struktur (z. B. eines Widerstands) verstellt werden. Durch Verstellen des Gütefaktors der Verstärkerantennenstruktur 310 kann der Rückkopplungseffekt der Verstärkerantennenstruktur 310 auf ein (in 3 nicht gezeigtes) Lesegerät auf einen maximalen Rückkopplungseffekt begrenzt werden, der beispielsweise gemäß EMVCo-Normen zulässig ist. Insgesamt kann die Verstärkerantennenstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen für verschiedene Smartcardanwendungen derart zugeschnitten werden, dass relevante Normen für kontaktlose Systeme eingehalten werden können.
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Die Verstärkerantennenstrukturen gemäß verschiedenen bisher erörterten Ausführungsformen können unter Einsatz mehrerer verschiedener Techniken hergestellt werden. Die die Spule bildende leitende Struktur kann beispielsweise geätzt oder mit Draht eingebettet werden oder eine Print-and-Plate-Herstellungstechnologie kann verwendet werden. Der Herstellungsprozess ist jedoch nicht als auf die erwähnten Herstellungsprozesse beschränkt anzusehen.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen besonders gezeigt und beschrieben worden ist, sollte der Fachmann verstehen, dass daran verschiedene Änderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung wird somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen deshalb eingeschlossen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm ISO/IEC 7811-1 [0009]
- Norm ISO/IEC 7811 [0030]
- ISO/IEC 7816 [0035]
- Normen ISO/IEC 14443 [0036]
- ISO/IEC 10373-6 [0041]
