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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Schaltungsanordnungen dieser Art
werden z.B. für
Transponder bei kontaktlosen Identifikationssystemen (RFID-Systemen)
und für
Remote-Sensoren
verwendet, um Identifikations- oder Sensorinformation kontaktlos
vom Transponder oder Sensor zu einer Basis- bzw. Auslesestation
zu übertragen. Wenn
nachfolgend von Transpondern die Rede ist, sollen Remote-Sensoren
mit umfasst sein.
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Die Transponder bzw. deren Sende-
und Empfangseinrichtungen verfügen üblicherweise
nicht über
einen aktiven Sender für
die Datenübertragung zur
Basisstation. Bei derartigen nicht aktiven Systemen, die als passive
Systeme bezeichnet werden, wenn sie keine eigene Energieversorgung
aufweisen, und als semipassive Systeme bezeichnet werden, wenn sie
eine eigene Energieversorgung aufweisen, wird zur Datenübertragung
im Fernfeld der Basisstation in Verbindung mit UHF oder Mikrowellen in
der Regel die sogenannte Backscatter- oder Rückstreukopplung eingesetzt.
Hierzu werden von der Basisstation elektromagne tische Wellen emittiert,
die durch die Sende- und Empfangseinrichtung des Transponders entsprechend
den an die Basisstation zu übertragenden
Daten mit einem Modulationsverfahren moduliert und reflektiert werden.
Dies geschieht im allgemeinen durch eine Eingangsimpedanzänderung
der Sende- und Empfangseinrichtung, die eine Veränderung der Reflexionseigenschaften einer
daran angeschlossenen Antenne bewirkt.
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Die Anforderungen an die Übertragungsreichweite,
insbesondere passiver Transponder, nehmen ständig zu. Um bei passiven Transpondern
hohe Übertragungsreichweiten
zu realisieren, muss die Antenne bzw. die an die Antenne angeschlossene Schaltung
angepasst dimensioniert werden, und ein Gleichrichter, der das von
der Antenne empfangene Wechselsignal empfängt, muss selbst kleinste Spannungen
in eine ausreichende Betriebsspannung umsetzen können. Eine derart hohe Empfindlichkeit kann
jedoch im Nahfeld der Basisstation, bedingt durch die dort vorherrschenden
hohen Feldstärken, zu
einer Zerstörung
des Gleichrichters oder anderer Schaltungsteile führen. Wenn
beispielsweise der Gleichrichter im Nahfeld eine zu hohe Spannung
generiert, die an seinem Ausgang durch einen Spannungsregler begrenzt
wird, kann es je nach Ausführung
des Spannungsreglers sein, dass dieser einen erhöhten Stromfluss im Gleichrichter
verursacht, der zu einer Überschreitung
von dessen Maximalleistung und dadurch zu seiner Zerstörung führen kann.
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Zur Begrenzung der von der Antenne
im Nahfeld entnommenen Leistung wird ein sogenanntes Detuning, d.h.
Verstimmen, des an die Antenne angeschlossenen Eingangskreises vorgenommen. Diese
Fehlanpassung führt
zu einer Zunahme des reflektierten Leistungsanteils und folglich
zu einer Abnahme des absorbierten Leistungsanteils.
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Bei herkömmlichen Systemen wird dies
mit Hilfe einer Detuning-Einheit bewerkstelligt, die einen Modulator
mit Amplitudentastung (ASK) verwendet, der zur Fehlanpassung den
Realteil der Eingangsimpedanz des an die Antenne angeschlossenen
Schaltungsteils bzw. Eingangsteils verändert. Dazu wird der ASK-Modulator
im Eingangsteil oder als zusätzlicher
Lastwiderstand am Gleichrichterausgang platziert. Eine derartige
Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der
EP 1 211 635 A2 bekannt.
Dies setzt jedoch einen im Vergleich zum Imaginärteil hohen Realteil der Eingangsimpedanz
voraus. Der ASK-Modulator wird hierbei zusätzlich zum ASK-Modulationssteuersignal
von einem in der Detuning-Einheit angeordneten Regler angesteuert,
der in Abhängigkeit
von der durch die Antenne eingespeisten Leistung eine geeignete
Fehlanpassung durch Arbeitspunktjustage des ASK-Modulators bewirkt. Wenn
zur Datenübertragung
zwischen Transponder und Basisstation eine Phasenumtastungs(PSK)-Modulation
verwendet wird, setzt dies einen geringen Realteil im Vergleich
zum Imaginärteil
der Eingangsimpedanz voraus. Zur Einstellung der Fehlanpassung über die
Veränderung
des Realteils muss daher mit Hilfe eines Schaltmittels, beispielsweise
eines Transistors, ein niederohmiger Pfad im Eingangsteil oder am
Ausgang des Gleichrichters geschaffen werden. Derartig niederohmige
Schaltmittel weisen in der Regel größere Parasitäten auf,
die im Normalbetrieb zu entsprechenden Verlusten führen, wodurch sich
die Übertragungsreichweite
verringert. Daher ist die PSK-Modulation zur Datenübertragung
in der Regel nicht mit einer Detuning-Einheit kombinierbar, die auf
der Veränderung
des Realteils der Eingangsimpedanz, d.h. auf einer ASK-Modulation, basiert.
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Aus der
DE 196 29 291 A1 ist es
bekannt, in einem Eingangskreis eines Transponders zwei antiparallele
Dioden zum Electrostatic-Discharge(ESD)-Schutz
anzuordnen. Die Dioden werden hierbei leitend, wenn, beispielsweise
aufgrund einer ESD-Störung,
eine Eingangsspan nung eine Dioden-Schwellspannung überschreitet.
Eine feldstärkeabhängige Leistungsanpassung
findet nicht statt.
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Der Erfindung liegt als technisches
Problem die Bereitstellung einer Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art zugrunde, die auch im Fernfeld eines elektromagnetischen
Feldes eine ausreichende Spannungsversorgung sicherstellt und im Nahfeld
die Leistungsaufnahme derart begrenzt, dass eine Schädigung oder
ein Ausfall von Komponenten verhindert wird.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung
einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
beinhaltet die Detuning-Einheit ein Bauelement, dessen Impedanz
sich in Abhängigkeit
von der an der Antenne herrschenden Feldstärke des elektromagnetischen
Feldes ändert.
Hierdurch wird z.B. ermöglicht,
die Impedanz des Bauelements bei mittleren und geringen Feldstärken derart
zu wählen, dass
sich eine resultierende Eingangsimpedanz des Transponders an seinen
Antennenanschlüssen
einstellt, die einen leistungsangepassten Betrieb ermöglicht.
Die Feldstärkeänderungen
und folglich auch die Impedanzänderungen
im Fernfeld der Basisstation sind vergleichsweise gering, wodurch
dort im gesamten Bereich in etwa Leistungsanpassung herrscht. Wenn
die an der Antenne herrschende Feldstärke im Nahfeld der Basisstation
stark zunimmt, verändert sich
die Impedanz des Bauelements stark, wodurch sich die resultierende
Eingangsimpedanz des an die Antenne angeschlossenen Schaltungsteils
ebenfalls stark verändert.
Dies ermöglicht
eine starke Fehlanpassung der Antenne und daher eine starke Reduzierung
der aus dem Feld entnommenen Leistung. Eine zu große Leistungszufuhr
in angeschlossene Schaltungsteile, wie einen Gleichrichter, wird
verhindert. Im Fernfeld wird die Antenne angepasst betrieben und
den angeschlossenen Schaltungsteilen steht die maximal aus dem Feld
entnehmbare Leistung zur Verfügung.
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Eine derartige Realisierung der Verstimmung weist
aufgrund der mit ihr erzielbaren starken Veränderung des Real- und Imaginärteils der
Eingangsimpedanz in Abhängigkeit
von der Eingangsleistung eine im Vergleich zu einer ASK-basierten
Detuning-Einheit wesentlich effektivere Leistungsreduktion bei steigender
Eingangsleistung auf, da sich hierbei im Gegensatz zur ASK-basierten
Detuning-Einheit sowohl der Real- als auch der Imaginärteil der Eingangsimpedanz
verändert.
Der bei der ASK verwendete Modulator bzw. Lastwiderstand, der bei
einer Platzierung im Eingangsteil durch seine parasitären Eigenschaften
einen negativen Einfluss auf die Effektivität des Eingangsteils hat und
bei einer Platzierung am Ausgang eines Gleichrichters eine Verschlechterung
der Fernfeldeigenschaften bewirkt, kann entfallen. Ein Regler zur
Ansteuerung des ASK-Modulators, der in Abhängigkeit von der eingespeisten
Leistung eine geeignete Fehlanpassung einstellt, ist ebenfalls nicht
notwendig. Insgesamt führt
dies zu einem einfacheren Design, einer Einsparung von Chipfläche, reduzierten
Kosten und deutlich erhöhter
Betriebssicherheit.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach Anspruch 2 liegt die Frequenz des elektromagnetischen Feldes
in einem Bereich von 300 MHz bis 3000 MHz, insbesondere in einem
Bereich von 400 MHz bis 2450 MHz. In diesem Frequenzbereich gibt
es herkömmliche
Bauteile, die eine ausreichende Impedanzänderung in Abhängigkeit
von der Feldstärke
aufweisen.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach Anspruch 3 wird die Änderung
der Impedanz des Bauelements im wesentlichen durch Änderung
des Imaginärteils
der Impedanz hervorgerufen.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach Anspruch 4 ist das Bauelement ein Varaktor, insbesondere ein
Varaktor mit hoher Güte.
Varaktoren sind einfach zu realisierende bzw. zu integrierende Bauelemente,
deren Kapazität
spannungsabhängig
ist. Durch die hohe Güte,
d.h. geringe ohmsche Anteile, wird die durch das Bauelement hervorgerufene
Verlustleistung minimiert.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach Anspruch 5 beinhaltet die Detuning-Einheit zwei Varaktor-Dioden,
insbesondere mit hoher Güte,
die antiparallel zueinander beschaltet sind. Mit Hilfe einer derartigen
Beschattung wird zusätzlich
ein Electrostatic-Discharge(ESD)-Schutz
realisiert.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach Anspruch 6 umfasst die Detuning-Einheit Varaktorsteuerungsmittel,
die zur feldstärkeabhängigen Ansteuerung
des oder der Varaktoren eingerichtet sind. Vorteilhaft umfasst die
Detuning-Einheit gemäß Anspruch
7 einen ersten Kondensator, einen Varaktor und einen zweiten Kondensator,
die in Serie zwischen die Anschlusspole der Antenne eingeschleift
sind. Die Varaktorsteuerungsmittel sind zur Bereitstellung einer
feldstärkeabhängigen Steuerspannung
für den
oder die Varaktoren eingerichtet.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach Anspruch 8 ist am Ausgang eines an die Anschlusspole der Antenne
angeschlossenen Gleichrichters eine Spannungsbegrenzungsschaltung
angekoppelt. Die Spannungsbegrenzungsschaltung, beispielsweise in
Form von in Reihe geschalteten Dioden, stellt einen zusätzlichen
Schutz vor Überspannungen
dar, führt
zu erhöhter
Betriebssicherheit und Schutz vor Zerstörung.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
nach Anspruch 9 ist die Schaltungsanordnung in einen Transponder
integriert. Vorteilhafterweise ist der Transponder passiv, d.h.
ohne eigene Energieversorgung.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach Anspruch 10 weist der Transponder eine Modulationseinrichtung
zur Datenübertragung
auf, die von der Antenne empfangene elektromagnetische Wellen in
Abhängigkeit
von zu übertragenden Daten
moduliert. Vorteilhaft ist die Modulationseinrichtung gemäß Anspruch
11 zur Phasenumtastungs-Modulation
ausgebildet. Der Realteil der Eingangsimpedanz ist bei der Phasenumtastung
wesentlich niedriger als bei der Amplitudentastung, d.h. ein herkömmliches
Detuning durch Regelung des Arbeitspunkts eines ASK-Modulators wie
bei einer ASK-Modulation ist hier nicht ohne weiteres möglich. Selbstverständlich ist
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
auch mit herkömmlichen
ASK-Modulatoren kombinierbar.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Bereitstellung
elektrischer Leistung aus einem elektromagnetischen Feld, die in
einen passiven Transponder TR integriert ist,
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2 ein
Diagramm des Realteils und des Imaginärteils der Eingangsimpedanz
der Schaltungsanordnung von 1 in
Abhängigkeit
von der Eingangsleistung und
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3 ein
schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Bereitstellung
elektrischer Leistung aus einem elektromagnetischen Feld, die in
einen passiven Transponder TR integriert ist, mit Varaktorsteuerungsmitteln,
die zur feldstärkeabhängigen Ansteuerung
eines Varaktors dienen.
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1 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Bereitstellung elektrischer Leistung aus einem elektromagnetischen
Feld, die in einen passiven Transponder TR integriert ist.
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Die gezeigte Schaltungsanordnung
umfasst eine Antenne AT, die zwei Anschlusspole AP1 und AP2 aufweist,
eine zwischen die Anschlusspole AP1 und AP2 eingeschleifte Detuning-Einheit
DE in Form von zwei antiparallel beschalteten Varaktor-Dioden D1
und D2 hoher Güte
mit identischen Kenngrößen, eine
Modulationseinrichtung ME, einen Gleichrichter GL und einen Spannungsbegrenzer
SB.
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Die Antenne AT entnimmt zur Versorgung des
passiven Transponders TR Leistung aus einem elektromagnetischen
Feld, das von einer nicht gezeigten Basisstation abgestrahlt wird.
Um im Fernfeld ausreichend Leistung aus dem Feld zur Verfügung zu stellen,
ist eine Eingangsimpedanz ZE des Transponders zwischen den beiden
Anschlusspolen AP1 und AP2 so gewählt, dass eine Leistungsanpassung stattfindet.
Die Bedingungen hierfür
sind, dass der Imaginärteil
der Antennenimpedanz betraglich gleich dem Imaginärteil der
Eingangsimpedanz ZE des Transponders und der Realteil der Antennenimpedanz
gleich dem Realteil der Eingangsimpedanz ZE des Transponders ist.
Die Varaktor-Dioden
D1 und D2 sind hierbei derart dimensioniert, dass sich im Fernfeld
eine entsprechende Eingangsimpedanz ZE ergibt.
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Die beiden antiparallel beschalteten
Varaktor-Dioden D1 und D2 sind direkt zwischen die Anschlusspole
AP1 und AP2 der Antenne AT eingeschleift, können jedoch auch an einer anderen
Stelle eines Antenneneingangskreises eingeschleift sein.
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Wenn die an der Antenne herrschende
Feldstärke
im Nahfeld der Basisstation stark zunimmt, verändert sich die Kapazität und damit
der Imagi närteil
der Impedanz der Varaktor-Dioden D1 und D2 stark, wodurch sich insbesondere
der Imaginärteil der
Eingangsimpedanz ZE des Transponders stark ändert. Dies führt zu einer
Fehlanpassung der Antenne, wodurch die dem Feld entnommene Leistung
abnimmt. Die genannten Effekte basieren auf den Hochfrequenzeigenschaften
der Varaktor-Dioden D1 und D2, die im verwendeten Frequenzbereich
nicht mehr als herkömmliche
Dioden wirken, die ab einer gewissen Schwellspannung leitend werden.
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Die Varaktor-Dioden D1 und D2 dienen gleichzeitig
auch als ESD-Schutz
zur Ableitung von durch ESD hervorgerufenen Störspannungen, da die Varaktor-Dioden
D1 und D2 bei den im Eingangskreis im störungsfreien Betrieb auftretenden
Spannungen nicht leitend werden. Zur Optimierung der ESD-Störfestigkeit
sollte bezüglich
der Varaktor-Dioden D1 und D2 ein symmetrisches Layout gewählt werden.
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2 zeigt
ein Diagramm des Realteils und des Imaginärteils der Eingangsimpedanz
ZE der Schaltungsanordnung von 1 in
Abhängigkeit
von der Feldstärke.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, nimmt der Imaginärteil der
Eingangsimpedanz bei Überschreiten
einer bestimmten Feldstärke
stark ab, wohingegen der Realteil zunimmt und dann in etwa konstant
bleibt. Eine derartige Veränderung
des Real- und Imaginärteils
der Eingangsimpedanz ZE bewirkt eine im Vergleich zu einer ASK-basierten Detuning-Einheit
wesentlich effektivere Leistungsreduktion bei steigender Feldstärke, da
sich hierbei im Gegensatz zu herkömmlichen Detuning-Einheiten
sowohl der Real- als auch der Imaginärteil der Eingangsimpedanz
ZE verändern.
Die Änderung
des Imaginärteils
ist für
die Fehlanpassung jedoch maßgeblich, da
sich der Imaginärteil
im Vergleich zum Realteil wesentlich stärker verändert.
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Die Modulationseinrichtung ME ist
an der Ausgangsseite der Detuning-Einheit DE zwischen die Anschlusspole
AP1 und AP2 eingeschleift und erzeugt zur Datenübertragung an die Basisstation
aus dem Eingangssignal ein phasenmoduliertes Ausgangssignal, das
von der Antenne AT als Rückstreu- bzw.
Backscattersignal abgestrahlt und von der Basisstation empfangen
wird.
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Der Gleichrichter GL ist am Ausgang
der Modulationseinrichtung ME zwischen die Anschlusspole AP1 und
AP2 eingeschleift und dient der Spannungsversorgung des Transponders.
Die Ausgangsspannung des Gleichrichters GL wird durch den Spannungsbegrenzer
SB begrenzt, der durch eine Reihenschaltung von Dioden realisiert
sein kann.
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3 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer alternativen Schaltungsanordnung
zur Bereitstellung elektrischer Leistung aus einem elektromagnetischen
Feld, die in einen passiven Transponder TR1 integriert ist.
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Die gezeigte Schaltungsanordnung
umfasst neben den bereits in 1 beschriebenen
Elementen mit gleichlautenden Bezugszeichen eine alternativ ausgeführte Detuning-Einheit
DE1. Diese umfasst einen ersten Kondensator C1, einen Varaktor CV
und einen zweiten Kondensator C2, die in Serie zwischen die Anschlusspole
AP1 und AP2 eingeschleift sind.
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Die Detuning-Einheit DE1 umfasst
weiterhin eine PSK-Modulationseinrichtung ME1, die zur Datenübertragung
an die Basisstation aus dem Eingangssignal ein phasenmoduliertes
Ausgangssignal erzeugt, das von der Antenne AT als Rückstreu-
bzw. Backscattersignal abgestrahlt und von der Basisstation empfangen
wird. Zur Erzeugung unterschiedlicher Phasenlagen durch Änderung
der Eingangsimpedanz ZE umfasst die Modulationseinrichtung ME1 Varaktorsteuerungsmittel
VS in Form einer steuerbaren Spannungsquelle, die den Varaktor mit
einer Steuerspan nung US in Abhängigkeit
von den zu übertragenden
Daten zur Veränderung
seiner Kapazität
beaufschlagt.
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Eine zur Durchführung eines derartiges Modulationsverfahrens
geeignete Vorrichtung ist beispielsweise in der älteren deutschen Patentanmeldung
10158442.3 der Anmelderin dargestellt, die hiermit durch Bezugnahme
zum Inhalt der Anmeldung gemacht wird.
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Zusätzlich zur Datenübertragung
dienen die Varaktorsteuerungsmittel zur feldstärkeabhängigen Ansteuerung des Varaktors
CV. Eine Feldstärkeinformation
S über
die Feldstärke
an der Antenne AT wird von einer nicht gezeigten Detektions- und
Steuereinheit, die hierzu die Feldstärke geeignet detektiert, in die
Modulationseinrichtung ME1 eingespeist, die in Abhängigkeit
davon eine geeignete Fehlanpassung durch Arbeitspunktjustage des
PSK-Modulators bewirkt. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung stellt
sich hierbei die Varaktorkapazität
nicht selbstständig
in Abhängigkeit
von der Feldstärke
ein, sondern wird in Abhängigkeit
von der detektierten Feldstärke
durch die Varaktorsteuerungsmittel VS eingestellt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Modulationseinrichtung
ME1 in die Detuning-Einheit DE1 integriert, sie kann jedoch auch
getrennt von dieser realisiert sein.
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Die gezeigten Schaltungsanordnungen
ermöglichen
den sicheren und zerstörungsfreien
Betrieb eines Transponders im Nah- und im Fernfeld der von der Basisstation
emittierten elektromagnetischen Wellen, wobei aufgrund der im Transponder
verwendeten PSK-Modulation hohe Übertragungsreichweiten
und eine große
Störsicherheit
realisierbar sind.
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Es versteht sich, dass die Erfindung
auch in andere drahtlos leistungsversorgte Bauteile anstatt des
gezeigten Transponders integrierbar ist, wie z.B. in einen Remote-Sensor.
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Dabei umfasst die Erfindung auch
semipassive Anwendungen, bei denen nur ein Teil der für das Bauteil
benötigten
Leistung drahtlos über
die Antenne zugeführt
wird, während
der restliche Leistungsbedarf anderweitig gedeckt wird.