DE102017005934A1

DE102017005934A1 - Datenträger mit zwei Schwingkreisen

Info

Publication number: DE102017005934A1
Application number: DE102017005934.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Finkenzeller; Stefan Kluge
Original assignee: Giesecke and Devrient Mobile Security GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient ePayments GmbH
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-01-11
Also published as: WO2018007014A1; US11341391B2; US20190213460A1; EP3482350A1; CN109313715A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen tragbaren Datenträger 14, 24, umfassend einen ersten elektrischen Schwingkreis 2, welcher eine erste Antennenspule 10, 20, 26 und einen ersten elektrischen Verbraucher 6 umfasst, mindestens einen zweiten elektrischen Schwingkreis 4, welcher eine zweite Antennenspule 12, 22, 28 und einen zweiten elektrischen Verbraucher 8 umfasst, wobei die erste Antennenspule 10, 20, 26 und die zweite Antennenspule 12, 22, 28 geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass keine Gegeninduktivität zwischen der ersten Antennenspule 10, 20, 26 und der zweiten Antennenspule 12, 22, 28 besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen tragbaren Datenträger mit zwei als Schwingkreis ausgeprägten Antennenspulen.
Aus dem Stand der Technik sind RFID-Transponder bekannt, die zwei Antennenspulen aufweisen, wobei deren Spulenachsen in einem Winkel von 90 Grad angeordnet sind, siehe z. B. US 6 640 090 . Ferner sind aus dem Stand der Technik kontaktlose Karten mit zwei galvanisch getrennten Antennenspulen bekannt, wobei eine Antennenspule mit einer Leuchtdiode verbunden ist, um die Leuchtdiode mit elektrischer Energie zu versorgen, und die andere Spule mit einem RFID-Chip verbunden ist, um den Chip mit Energie zu versorgen und mit diesem zu kommunizieren. Die zweite Antennenspule ist dazu gewöhnlich innerhalb der ersten Antennenspule im Kartenkörper angeordnet.
Ein Problem von kontaktlosen Karten mit zwei Antennenspulen ist, dass die Spulen einerseits mit dem jeweils angeschlossenen Bauelement, z. B. ein Chip an der ersten Antennenspule und eine Leuchtdiode an der zweiten Antennenspule, einen elektrischen Schwingkreis bilden, andererseits über ein beide Antennenspulen gemeinsam durchflutendes hochfrequentes magnetisches Feld, zum Beispiel mit einer Frequenz von 13,56 MHz, magnetisch miteinander verkoppelt sind. Bedingt durch die magnetische Kopplung zwischen den beiden Antennenspulen beeinflussen sich beide Schwingkreise in unerwünschter, negativer Weise. So wird z. B. durch einen Shuntregler des Chips die Güte des Schwingkreises mit der Leuchtdiode reduziert, was zu einer unerwünschten Verschlechterung der Ansprechempfindlichkeit der Leuchtdiode führt. Der Schwingkreis mit der Leuchtdiode dämpft umgekehrt den Schwingkreis mit dem Chip und verringert dessen Güte, was sowohl zu einer schlechteren Ansprechempfindlichkeit des Chips als auch zu einer schlechteren Übertragung einer Lastmodulation führt. Der nichtlineare Stromfluss durch die Leuchtdiode induziert eine nicht linear verlaufende Spannung in den Schwingkreis mit dem Chip, was zu Unterbrechungen in einer Kommunikation zwischen dem Chip und einem externen Terminal führen kann.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung der Antennenspulen im tragbaren Datenträger zur Verfügung zu stellen, welche eine gegenseitige Beeinflussung der Schwingkreise vermeidet.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen tragbaren Datenträger, umfassend einen ersten elektrischen Schwingkreis, welcher eine erste Antennenspule und einen ersten elektrischen Verbraucher umfasst, und mindestens einen zweiten elektrischen Schwingkreis, welcher eine zweite Antennenspule und einen zweiten elektrischen Verbraucher umfasst. Die erste Antennenspule und die zweite Antennenspule sind erfindungsgemäß geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass keine Gegeninduktivität zwischen der ersten Antennenspule und der zweiten Antennenspule besteht. Dies hat den Vorteil, dass zwischen den beiden Schwingkreisen keine gegenseitige Beeinflussung besteht. Vorteilhaft ist, dass der erste Verbraucher, z. B. ein Chip mit kontaktloser Schnittstelle, von dem zweiten Verbraucher, z. B. eine Leuchtdiode, nicht beeinflusst wird und die ursprünglichen Parameter des Datenträgers, wie z. B. Ansprechempfindlichkeit, Lastmodulationsamplitude, Güte, Resonanzfrequenz, etc., unverändert erhalten bleiben. Umgekehrt wird der zweite Schwingkreis mit dem zweiten Verbraucher in Form von z. B. einer Leuchtdiode nicht mehr durch den ersten Verbraucher, z. B. den Chip bzw. dessen Shuntregler, gedämpft. Daraus resultiert eine höhere Güte des zweiten Schwingkreises. Eine höhere Güte führt zu einer höheren induzierten Spannung. Deshalb kann die zweite Antennenspule in ihrer Fläche verkleinert werden kann.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist, dass ein Flächenintegral über einen in der ersten Spule erzeugten ersten hochfrequenten magnetischen Fluss in der zweiten Antennenspule den Wert null hat, wobei der erste magnetische Fluss durch einen ersten Strom bewirkt wird, wobei der erste Strom im ersten Schwingkreis fließt. Dies hat den Vorteil, dass der zweite Schwingkreis durch den ersten Schwingkreis nicht beeinflusst wird.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist, dass ein Flächenintegral über einen in der zweiten Spule erzeugten hochfrequenten zweiten magnetischen Fluss in der ersten Antennenspule den Wert null hat, wobei der zweite magnetische Fluss durch einen zweiten Strom bewirkt wird, wobei der zweite Strom im zweiten Schwingkreis fließt. Dies hat den Vorteil, dass der erste Schwingkreis durch den zweiten Schwingkreis nicht beeinflusst wird.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel erzeugt eine dritte, externe Spule, z. B. eines externen Lesegeräts, einen hochfrequenten magnetischen Fluss, welcher durch die erste und die zweite Spule fließt, wobei in der ersten und zweiten Spule jeweils eine hochfrequente Spannung induziert wird, welche jeweils einen hochfrequenten Strom bewirkt, welcher wiederum je einen hochfrequenten magnetischen Fluss erzeugt, wobei ein Flächenintegral über einen in jeweils einer Spule erzeugten hochfrequenten magnetischen Fluss in der jeweils anderen Antennenspule den Wert null hat. Dies hat den Vorteil, dass der erste und der zweite Schwingkreis zwar mittels der dritten, externen Spule mit Energie versorgt werden, sich aber gegenseitig nicht beeinflussen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist, dass die erste Antennenspule und die zweite Antennenspule in einer gemeinsamen Ebene oder in einer unterschiedlichen Ebene des Datenträgers angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass wenn beide Antennenspulen in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, dann können sich die beiden Antennenspulen so überlappen, dass keine Gegeninduktivität zwischen den Spulen besteht. Alternativ können die beiden Antennenspulen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, sodass sie sich zwar nicht überlappen, aber dennoch keine Gegeninduktivität besteht.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist, dass eine erste Spulenachse der ersten Antennenspule parallel oder in einem Winkel von 90 Grad zu einer zweiten Spulenachse der zweiten Antennenspule angeordnet ist. Prinzipiell können die Spulen bzw. deren Spulenachsen in einem beliebigen Winkel zueinander angeordnet sein, wenn die Spulen geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass ein Flächenintegral über einen magnetischen Fluss, welcher eine Spule durchdringt, den Wert null hat, wobei der magnetische Fluss durch einen Strom in der jeweils anderen Spule erzeugt wird.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist, dass ein Ferritkern in der ersten und/oder der zweiten Antennenspule angeordnet ist. Vorteilhaft ist, dass mittels des Ferritkerns eine Induktivität der ersten und/oder zweiten Antennenspule erhöht werden kann, um beispielsweise eine kleine Querschnittsfläche der Antennenspule auszugleichen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist, dass der erste elektrische Verbraucher ein erster Chip und/oder eine erste Leuchtdiode ist. Vorteilhafterweise kann jedes geeignete elektronische Bauelement als Verbraucher verwendet werden, wie z. B. auch eine Anzeige zur Darstellung von Daten, und dass der zweite elektrische Verbraucher ein Chip und/oder eine Leuchtdiode ist, wobei jedes geeignete elektronische Bauelement als Verbraucher verwendet werden kann.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist, dass der erste Chip und der zweite Chip eine Schnittstelle für eine kontaktlose Kommunikation und wenigstens einer eine Schnittstelle für eine kontaktgebundene Kommunikation mit einem externen Gerät hat, wobei eine kontaktgebundene oder kontaktlose Kommunikation mit externen Geräten, wie z. B. Lesegeräten oder Terminals, etc., möglich ist, um mit diesen Daten auszutauschen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sowie weiteren Ausführungsalternativen in Zusammenhang mit der Zeichnung, die zeigt:
1 eine prinzipielle Anordnung von zwei Schwingkreisen, wobei sich die Antennenspulen erfindungsgemäß überlappen,
2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel auf einem tragbaren Datenträger im ID1-Format mit zwei Schwingkreisen, wobei sich die Antennenspulen erfindungsgemäß überlappen,
3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, in dem die Spulenachsen einen Winkel von 90 Grad einschließen,
4 bis 11, welche unterschiedliche erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele für mögliche Geometrien von Antennenspulen und deren Überlappung zeigen.
1 zeigt die prinzipielle Anordnung von zwei Schwingkreisen 2 und 4. Ein erster Schwingkreis 2 umfasst als ersten elektrischen Verbraucher 6 beispielsweise eine Leuchtdiode, abgekürzt mit LED, für Light Emitting Diode. Die LED 6 ist mit einer ersten Antennenspule 10 elektrisch leitend verbunden zu dem ersten Schwingkreis 2. Ein zweiter Schwingkreis 4 umfasst als zweiten Verbraucher 8 z. B. einen RFID-Chip. Der RFID-Chip 8 ist mit einer zweiten Antennenspule 12 elektrisch leitend verbunden. Erfindungsgemäß werden die erste Antennenspule 10 und die zweite Antennenspule 12 geometrisch so zueinander angeordnet, dass keine Gegeninduktivität zwischen der ersten Antennenspule 10 und der zweiten Antennenspule 12 besteht. Dies wird erreicht, indem sich die beiden Antennenspulen 10 und 12 überlappen. Die Überlappung wird so gewählt, dass ein Integral über einen magnetischen Fluss Φ innerhalb der Fläche der gewählten Antennenspule den Wert null ergibt. Dafür gilt folgende Formel, hier z. B. angewandt auf die zweite Antennenspule 12:
Hierbei ist ΦA₁₀ der magnetische Fluss durch die Fläche der Antennenspule 10 mit Φ = B·A, ausgelöst durch einen Strom I₁₂ durch die Antennenspule 12.
B wird auch als magnetische Flussdichte bezeichnet, aus dem Produkt aus Flussdichte und Fläche ergibt sich der magnetische Fluss Φ für die gesamte magnetische Durchflutung der Spule. M_{10_12} ist die Gegeninduktivität zwischen den Spulen 10 und 12.
Der Fachmann erkennt, dass anstatt einer LED 6 und eines RFID-Chips 8 beispielsweise auch zwei voneinander unabhängig kommunizierende Chips auf einem Datenträger realisiert werden können. Ferner können als erster und zweiter Verbraucher alle anderen geeigneten elektronischen Bauelemente verwendet werden, wie z. B. Chips mit kontaktloser und/oder kontaktgebundener Schnittstelle, Anzeigeelemente, etc.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Chip 8 von der LED 6 nicht beeinflusst wird und die ursprünglichen Parameter wie z. B. Anprechempfindlichkeit, Lastmodulationsamplitude, Güte, Resonanzfrequenz, etc. unverändert erhalten bleiben. Umgekehrt wird der Schwingkreis 2 mit der LED 6 nicht durch den Chip 8, insbesondere dessen Shunt-Regler, beeinflusst, bzw. bedampft, woraus eine konstant höhere Güte des Schwingkreises 2 resultiert. Dies führt zu einer höheren induzierten Spannung, weshalb die Antennenspule 10 der LED 6 in ihrer Fläche verkleinert werden kann.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel auf einem tragbaren Datenträger 14 im ID1-Format mit zwei Schwingkreisen, wobei sich eine erste Antennenspule 20 und eine zweite Antennenspule 22 erfindungsgemäß überlappen. Die erste Antennenspule 20 ist mit einem Chip 16 verbunden und bildet mit diesem einen ersten Schwingkreis. Die zweite Antennenspule 22 ist mit einer Leuchtdiode 18 verbunden und bildet einen zweiten Schwingkreis. Die Antennenspulen 20 und 22 überlappen sich erfindungsgemäß, sodass zwischen dem ersten und zweiten Schwingkreis keine Beeinflussung auftritt. Im dargestellten Beispiel sind die Antennenspulen 20 und 22 in unterschiedlichen Ebenen des Datenträgers 14 angeordnet.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, wobei hier die Spulenachsen einen Winkel von 90 Grad einschließen. Ein Datenträger 24 weist hier eine erste Antennenspule 26 und eine zweite Antennenspule 28 auf, wobei alle anderen Bauelemente, wie z. B. erster und zweiter Verbraucher, aus Gründen der Einfachheit der Darstellung weg gelassen wurden. Die beiden Antennenspulen 26 und 28 bzw. deren Spulenachsen schließen einen Winkel von 90 Grad ein. Dies ist eine Alternative zur oben beschriebenen Überlappung der Antennenspulen, um eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Antennenspulen 26 und 28 bzw. der jeweils damit zusammen hängenden Schwingkreise zu vermeiden. Zusätzlich ist die zweite Antennenspule 28 auf einen Ferritkern 30 angeordnet, um die Induktivität der zweiten Antennenspule 28 zu erhöhen.
4 bis 11 zeigen unterschiedliche erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele für mögliche beispielhafte Geometrien von Antennenspulen 10 und 12 und deren Überlappung damit das Integral über einen magnetischen Fluss in der von der zweiten Antennenspule 12 eingeschlossenen Fläche zu Null wird.
Als tragbarer Datenträger 32 dient beispielsweise eine Kreditkarte. Auf der Kreditkarte 32 sind eine Kreditkartennummer 34 und ein Name eines Inhabers der Kreditkarte 32 hochgeprägt. In der Kreditkarte 32 ist eine LED 6 angeordnet, welche über eine erste Antennenspule 10 mit Energie versorgt wird. Ferner befindet sich auf der Kreditkarte 32 ein RFIC-Chip 8, welcher über eine zweite Antennenspule 12 mit Energie versorgt wird. Ein Pfeil zeigt eine Richtung 38 an, in welcher die erste Antennenspule 10 verändert werden kann, damit eine Überlappung mit der zweiten Antennenspule 12 so gewählt oder eingestellt wird, dass ein Integral über einen magnetischen Fluss in der von der zweiten Antennenspule 12 eingeschlossenen Fläche zu Null wird. Vorzugsweise werden die Antennenspulen 10 und 12 so verlegt, dass sie durch die Hochprägung in den Bereichen 34 und 36 nicht betroffen sind.
Bezugszeichenliste

2: erster elektrischer Schwingkreis
4: zweiter elektrischer Schwingkreis
6: erster Verbraucher, z. B. eine LED
8: zweiter Verbraucher, z. B. ein RFID-Chip
10: erste Antennenspule
12: zweite Antennenspule
14: tragbarer Datenträger
16: Chip
18: LED
20: erste Antennenspule
22: zweite Antennenspule
24: tragbarer Datenträger
26: erste Antennenspule
28: zweite Antennenspule
30: Ferritkern
32: tragbarer Datenträger, z. B. Kreditkarte
34: hochgeprägte Kreditkartennummer
36: hochgeprägter Name des Inhabers der Kreditkarte
38: Richtung, in der die erste Antennenspule erfindungsgemäß verändert wird, sodass bei geeigneter Überlappung der ersten und zweiten Antennenspule das Integral über den magnetischen Fluss in der zweiten Antennenspule zu Null wird

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6640090 [0002]

Claims

Tragbarer Datenträger (14, 24), umfassend einen ersten elektrischen Schwingkreis (2), welcher eine erste Antennenspule (10, 20, 26) und einen ersten elektrischen Verbraucher (6, 16) umfasst, mindestens einen zweiten elektrischen Schwingkreis (4), welcher eine zweite Antennenspule (12, 22, 28) und einen zweiten elektrischen Verbraucher (8, 18) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antennenspule (10, 20, 26) und die zweite Antennenspule (12, 22, 28) geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass eine Gegeninduktivität zwischen der ersten Antennenspule (10, 20, 26) und der zweiten Antennenspule (12, 22, 28) aufgehoben ist.
Datenträger (14, 24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenintegral über einen in der ersten Antennenspule (10, 20, 26) erzeugten ersten hochfrequenten magnetischen Fluss in der zweiten Antennenspule (12, 22, 28) den Wert null hat, wobei der erste magnetische Fluss durch einen ersten Strom bewirkt wird, wobei der erste Strom im ersten Schwingkreis (2) fließt.
Datenträger (14, 24) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenintegral über einen in der zweiten Antennenspule (12, 22, 28) erzeugten hochfrequenten magnetischen Fluss in der ersten Antennenspule (10, 20, 26) den Wert null hat, wobei der zweite magnetische Fluss durch einen zweiten Strom bewirkt wird, wobei der zweite Strom im zweiten Schwingkreis (4) fließt.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte, externe Spule einen hochfrequenten magnetischen Fluss erzeugt, welcher durch die erste (10, 20, 26) und die zweite (12, 22, 28) Antennenspule fließt, wobei in der ersten (10, 20, 26) und zweiten Antennenspule (12, 22, 28) jeweils eine hochfrequente Spannung induziert wird, welche jeweils einen hochfrequenten Strom in der ersten (10, 20, 26) und zweiten (12, 22, 28) Antennenspule bewirkt, welcher wiederum je einen hochfrequenten magnetischen Fluss erzeugt, wobei ein Flächenintegral über einen in der ersten Antennenspule erzeugten hochfrequenten magnetischen Fluss in der zweiten Antennenspule den Wert null hat oder ein Flächenintegral über einen in der zweiten Antennenspule erzeugten hochfrequenten magnetischen Fluss in der ersten Antennenspule den Wert null hat.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antennenspule (10, 20, 26) und die zweite Antennenspule (12, 22, 28) in einer gemeinsamen Ebene oder in einer unterschiedlichen Ebene des Datenträgers (14, 24) angeordnet sind.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antennenspule (10, 20, 26) auf einer ersten Ebene liegt und die zweite Antennenspule (12, 22, 28) auf einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste und die zweite Ebene einen Winkel einschließen, wobei die Gegeninduktivität aufgehoben ist, wenn die zweite Antennenspule (12, 22, 28) geometrisch so angeordnet ist, dass ein Flächenintegral über den magnetischen Fluss, welcher durch den ersten Strom in der ersten Antennenspule (10, 20, 26) bewirkt wird, und welcher die zweite Antennenspule (12, 22, 28) durchdringt, null ist oder ein Flächenintegral über den magnetischen Fluss, welcher durch den zweiten Strom in der zweiten Antennenspule (10, 20, 26) bewirkt wird, und welcher die erste Antennenspule (12, 22, 28) durchdringt, null ist.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Spulenachse der ersten Antennenspule (10, 20, 26) parallel oder in einem Winkel von 90 Grad zu einer zweiten Spulenachse der zweiten Antennenspule (12, 22, 28) angeordnet ist.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ferritkern (30) in der ersten (10, 20, 26) und/oder der zweiten Antennenspule (12, 22, 28) angeordnet ist.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Verbraucher (6) ein erster Chip und/oder eine erste Leuchtdiode ist.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Verbraucher (8) ein zweiter Chip und/oder eine zweite Leuchtdiode ist.
Datenträger (14, 24) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Chip und/oder der zweite Chip eine Schnittstelle für eine kontaktgebundene Kommunikation und/oder eine Schnittstelle für eine kontaktlose Kommunikation mit einem externen Gerät hat.