DE19507721A1 - Transponderanordnung für elektromagnetische Abfragesysteme - Google Patents
Transponderanordnung für elektromagnetische AbfragesystemeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Transponderanordnung
für elektromagnetische Abfragesysteme. Derartige elektro
magnetische Abfragesysteme umfassen im wesentlichen ein
Abfragegerät und eine an sich beliebige Anzahl von Trans
pondern, wobei Abfragegerät und Transponder über ein elek
tromagnetisches Nahfeld miteinander in Wechselwirkung tre
ten.
Das Abfragegerät enthält einen Sender und einen Empfänger
nebst Einrichtungen zur Anzeige und Verarbeitung von In
formationsinhalten sowie eine Antennen-Anordnung.
Der Sender strahlt über die Antenne eine Wechselfeldener
gie ab, die von einem im Einflußbereich der Antenne ggf.
vorhandenen Transponder aufgenommen wird.
Der Transponder enthält seinerseits einen Empfänger, einen
Sender, einen Speicher und eine Modulationseinrichtung, um
dem Hochfrequenzsignal des Senders eine Information aufzu
prägen, sowie eine Antennenanordnung.
Der Abfragevorgang läuft z. B. folgendermaßen ab:
Befinden sich Abfragegerät (-Antenne) und Transponder nahe genug beieinander, so wird Wechselfeldenergie berührungs los von der Sendeantenne des Abfragegeräts auf die Trans ponder-Antenne übertragen. Die empfangene Energie akti viert sowohl den Empfänger als auch den Sender, Modulator und Informationsspeicher im Transponder. Der Transponder strahlt über seine Antenne ein mit einer gespeicherten In formation moduliertes Wechselfeld aus, das vom Abfragege rät-Empfänger aufgenommen und verarbeitet wird.
Befinden sich Abfragegerät (-Antenne) und Transponder nahe genug beieinander, so wird Wechselfeldenergie berührungs los von der Sendeantenne des Abfragegeräts auf die Trans ponder-Antenne übertragen. Die empfangene Energie akti viert sowohl den Empfänger als auch den Sender, Modulator und Informationsspeicher im Transponder. Der Transponder strahlt über seine Antenne ein mit einer gespeicherten In formation moduliertes Wechselfeld aus, das vom Abfragege rät-Empfänger aufgenommen und verarbeitet wird.
Es werden eine Reihe bestimmter Anforderungen an solche
Systeme gestellt, wie z. B. Schnelligkeit der Antwort, Si
cherheit der Wiedergabe, Widerstandsfähigkeit der Trans
ponder gegen chemische und mechanische Einflüsse, Fäl
schungssicherheit der im Transponder gespeicherten Infor
mation. Die Transponder sind deshalb in der Regel in einem
entsprechend widerstandsfähigem Gehäuse eingeschlossen, so
daß ein direkter Zugriff zur Transponder-Elektronik ausge
schlossen ist.
Häufig ist durch die Umstände des Anwendungsfalls eine
größere Distanz zwischen Abfragegerät und Transponder un
umgänglich.
Die im Regelfall geringen Abmessungen der Transponder, die
z. B. in Trägerkörper in Scheckkartenformat oder Glasampul
len eingebettet sind, begrenzen die Stärke der Kopplung an
das elektromagnetische Wechselfeld und damit die Reich
weite der Abfragesysteme. Dies gilt insbesondere für
feldgespeiste Transponder ohne eigene Energieversorgung.
Eine Erhöhung der Übertragungsreichweite durch höhere Sen
deleistung des Abfragegerätes und/oder größere Antennen
beim Abfragegerät führen zu steigendem Gewicht und Volumen
des Abfragegeräts, was insbesondere für tragbare Abfrage
geräte von Nachteil ist.
Eine erhöhte Sendeleistung im Abfragegerät kann darüber
hinaus die Empfindlichkeit des darin befindlichen Empfän
gers beeinträchtigen, was dem Ziel der erwünschten größeren
Übertragungsreichweite entgegenläuft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Transpon
deranordnung anzugeben, welche eine höhere Reichweite der
Abfragesysteme ermöglicht.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un
teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung.
Durch die erfindungsgemäße Transponderanordnung können die
Anforderungen an geringe Abmessungen eines Transponder-Träger
körpers und an starke Wechselwirkung der Antennenan
ordnung mit dem elektromagnetischen Wechselfeld des Abfra
gegeräts getrennt optimiert werden. Durch die Zulässigkeit
geringer Abmessungen des Trägerkörpers können Universalty
pen von Transpondern für eine Vielzahl von Anwendungsfäl
len eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausfüh
rungsform, bei welcher der Trägerkörper selbst eine Sende-
Empfangs-Spule kleiner Abmessung enthält, die über eine
Koppelspule mit der Antenne der Antennenanordnung gekop
pelt ist, können insbesondere auch Transponder in der An
ordnung betrieben werden, die auch selbständig einsetzbar
sind. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich dann
ein wesentlich größerer Abfragebereich der Abfragesysteme
gegenüber dem selbständigen Einsatz solcher Transponder.
Bei der erfindungsgemäßen Transponderanordnung können vor
teilhafterweise der Trägerkörper und die Antenne räumlich
beabstandet sein. Zudem können als Antenne oder Hilfsan
tenne metallische Bestandteile eines die Transponderanord
nung tragenden Objekts sein, die primär für andere Funk
tionen, z. B. als tragende Gehäuseteile vorgesehen sind.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge
hend veranschaulicht.
Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Prinzip eines Abfragesystems,
Fig. 2 ein Abfragesystem mit einer erfindungsgemäßen
Transponderanordnung,
Fig. 3 eine Ausführungsform einer Transponderanordnung,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform,
Fig. 5 eine Ausführungsform mit einer Hilfsantenne.
Bei einem Abfragesystem wie in Fig. 1 skizziert sendet ein
Abfragegerät G über eine Geräteantenne GA ein elektroma
gnetisches Feld aus, das durch Wellenfronten und Pfeil mit
unterbrochenen Linien angedeutet ist. Im Erfassungsbereich
der Geräteantenne befindet sich ein Objekt O, z. B. ein Ge
päckstück, ein Fahrzeug, etc., welches eine Transponderan
ordnung T trägt. Die Transponderanordnung T nimmt über
eine eigene Antennenanordnung Energie aus dem elektroma
gnetischen Feld des Abfragegeräts auf. Die Transponderan
ordnung enthält neben der Antennenanordnung noch im we
sentlichen einen Empfänger, einen Sender und einen Infor
mationsspeicher. In aufwendigeren Ausführungen können auch
noch eine Steuerelektronik, ein Prozessor etc. enthalten
sein. Vorzugsweise ist die Transponderanordnung rein feld
gespeist und besitzt keine eigene Energieversorgung. Die
elektronischen Bauteile der Transponderanordnung werden
dann erst bei Aufnahme von Energie aus dem elektromagneti
schen Feld des Abfragegeräts G aktiviert. Nach Aktivierung
der Transponderelektronik veranlaßt diese über den Trans
ponder-Sender und die Antennenanordnung die Aussendung ei
nes elektromagnetischen Felds, das in Fig. 1 durch Wellen
fronten und Pfeil in durchgezogenen Linien angedeutet ist
und das wiederum von der Geräteantenne GA des Ab
fragegeräts G aufgenommen und im Abfragegerät ausgewertet
wird. Die Sendefrequenz des Abfragegeräts G ist verschie
den von der Sendefrequenz der Transponderanordnung T. Das
Abfragesignal des Abfragegeräts kann moduliert oder unmo
duliert sein. Das von der Transponderanordnung abge
strahlte Antwortsignal ist vorzugsweise moduliert mit ei
ner Information aus einem nichtflüchtigen Informations
speicher der Transponderanordnung.
Die Transponderanordnung besitzt vorzugsweise geringe Ab
messungen und ist in einen Trägerkörper, z. B. in Scheck
kartenformat oder als hermetisch geschlossene Glasampulle,
eingefügt. Aufgrund der damit verbundenen geringen Abmes
sungen der Antennenanordnung ist die Ankopplung an das vom
Abfragegerät ausgesandte elektromagnetische Feld schwach
und die Reichweite des Abfragesystems daher gering.
Bei dem in Fig. 2 skizzierten Abfragesystem ist demgegen
über eine erfindungsgemäße Transponderanordnung in dem Ob
jekt O vorgesehen, welche einen Transponder-Trägerkörper
TK und eine von diesem getrennte großflächige Rahmen-An
tenne A aufweist, die miteinander gekoppelt sind, z. B.
über eine Verbindungsleitung L. Die Antenne A ist nicht
den räumlichen Beschränkungen des Trägerkörpers T unter
worfen und kann somit für eine stärkere Ankopplung an das
elektromagnetische Wechselfeld des Abfragegeräts ausgelegt
werden. Durch die stärkere Ankopplung an das Abfragefeld
steht somit auch in größerer Entfernung vom Abfragegerät
ausreichend Energie zum Betrieb der Transponderanordnung
zur Verfügung. Der Transponderkörper enthält zumindest
einen Empfänger, einen Sender, sowie einen Informations
speicher. Darüberhinaus kann der Transponderkörper wie
nachfolgend noch an Ausführungsbeispielen näher erläutert,
auch selbst Mittel zum berührungslosen, insbesondere in
duktiven Austausch von Signalen enthalten.
Die Antenne A ist vorteilhafterweise in zumindest einer
Dimension um ein Mehrfaches größer als der Trägerkörper
TK. Vorteilhafte Ausführungsformen der Antenne A sehen
eine Rahmen-Antenne oder eine Ferrit-Antenne vor. Eine
Rahmenantenne kann zur Verstärkung oder Richtwirkung des
elektromagnetischen Feldes mit ferromagnetischem Material
ausgestattet sein.
Bei der in Fig. 3 skizzierten Transponderanordnung ist ein
Transponderkörper TK vorgesehen, der neben Sender, Empfän
ger und Informationsspeicher auch eine mit Sender und Emp
fänger verbundene Sende-Empfangs-Spule enthält. Die Anten
nenanordnung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus der
an das äußere elektromagnetische Feld ankoppelnden Rahmen
antenne A, einer mit dieser verbundenen Koppelspule KS und
der nicht separat eingezeichneten Sende-Empfangs-Spule im
Trägerkörper TK, die mit der Koppelspule KS induktiv ver
koppelt ist. Beispielsweise ist die Koppelspule KS unmit
telbar auf den Trägerkörper TK aufgewickelt. Zwischen An
tenne A und Koppelspule L kann wiederum eine Verbindungs
leitung L eingefügt sein, so daß Antenne A und Trägerkör
per TK in räumlicher Distanz angeordnet sein können.
Durch die induktive Verkopplung zwischen Koppelspule und
Transponderkörper kann ein Universal-Transponderkörper
eingesetzt werden, der in anderen Einsatzfällen mit gerin
geren Reichweiteanforderungen auch selbständig als
Transponderanordnung verwandt werden kann, wobei dann die
interne Sende-Empfangs-Spule die Antenne zur Ankopplung an
ein elektromagnetisches Feld dient. Bei der in Fig. 2
skizzierten kombinierten Anordnung ist die Wirkungsfläche
der Antenne A wesentlich größer als die der internen
Sende-Empfangs-Spule.
Die Verbindungsleitung kann vorteilhafterweise in einer
nicht mit einem elektromagnetischen Feld koppelnden Form,
z. B. als Zweidrahtleitung mit nahe beieinanderliegenden
Leitern oder verdrillten Leitern oder als Koaxialleitung
ausgeführt sein.
Andererseits kann an den Leitungsdrähten selbst, auch ohne
Antenne A, eine Abfrage erfolgen, wenn die Leiter weiter
voneinander entfernt sind und eine geschlossene Strom
schleife bilden.
Antenne, Verbindungsleitung und Koppelspule können auf Re
sonanz mit einer Betriebsfrequenz des Abfragesystems abge
stimmt oder auch aperiodisch zu den Betriebsfrequenzen
sein. Als Betriebsfrequenzen treten insbesondere eine er
ste Frequenz zur Übertragung vom Abfragegerät zum Trans
ponder und eine zweite Frequenz zur Übertragung in Gegen
richtung auf.
Als Verbindungsleitung können auch solche dienen, die zu
anderen Zwecken bereits installiert sind, wenn entspre
chende Entkopplungsmaßnahmen vorgesehen sind. Bei einer
Anordnung mit einer Verbindungsleitung können Verstärker
oder Filter für die Empfangs- oder Sendefrequenz des Ab
fragesystems in diese Verbindungsleitung eingeschaltet
sein, um eine verbesserte Funktion zu erreichen. Es ist
auch möglich, durch Zwischenschalten eines mechanischen
oder elektronischen Schalters die Abfrage willkürlich oder
ereignisabhängig ein- oder auszuschalten. Durch eine Um
schaltvorrichtung lassen sich eine Antenne auf verschie
dene Transponder oder ein Transponder auf verschiedene An
tennen schalten. Ferner kann durch Einspeisen eines Si
gnals in die Verbindungsleitung, die Koppelspule oder den
Trägerkörper über Schalter oder Koppler der Informations
inhalt des Informationsspeichers durch Einrichtungen an
dem Objekt verändert und/oder abgefragt werden.
Bei dem in Fig. 4 skizzierten Ausführungsbeispiel ist die
Koppelspule samt Transponderkörper von einer elektromagne
tisch abschirmenden Hülle H aus ferromagnetischem und/oder
elektrisch leitendem Material umgeben, wodurch sicherge
stellt ist, daß keine störenden elektromagnetischen Felder
auf die Elektronik der Transponderanordnung einwirken kön
nen. Der indirekte Einfluß solcher Störfelder über die An
tenne A kann durch Filtermaßnahmen in der Antennenanord
nung unterdrückt werden. Die abschirmende Hülle H ist in
Fig. 4 teilweise aufgeschnitten gezeichnet um die innen
liegende Koppelspule KS zu zeigen. Diese ist im Beispiels
fall nicht direkt auf den Trägerkörper TK gewickelt, son
dern auf einen separaten hohlzylindrischen Spulenkörper SK
in welchen der Trägerkörper TK einsetzbar ist. Es kann
auch vorgesehen sein, daß der Trägerkörper entnehmbar in
dem Spulenkörper angeordnet ist. Die Spule kann auch
selbsttragend einen hohlzylindrischen Aufnahmeraum für den
Trägerkörper bilden. In dem Trägerkörper sind die interne
Sende-Empfangs-Spule TS und die Elektronik E mit Empfän
ger, Sender und Informationsspeicher angedeutet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.
5 dargestellt. Hier befindet sich der Transponderkörper TK
mit Koppelspule innerhalb eines hohlen Metallrahmens R,
der an einer Stelle U seines Querschnitts unterbrochen
ist. Im Hohlraum des Rahmens befindet sich eine geschlos
sene Leiterschleife als Antenne A, die einerseits an die
Koppelspule zum Transponder angeschlossen, andererseits in
sich geschlossen ist. Die Leiterschleife koppelt auf den
Metallrahmen, der seinerseits als Hilfsantenne wirkt. Der
die Leiterschleife umhüllende Hohlraum muß nicht die Form
eines Rechtecks wie in Fig. 5 haben, es kann sich z. B.
auch um einen Ring, ein Oval u.ä. handeln und das Metall
kann magnetische oder nichtmagnetische Eigenschaften auf
weisen oder der Rahmen kann nichtmetallisch sein.
Die Koppelspule zum Transponderkörper ist so gestaltet,
daß sie eine ausreichende induktive Kopplung zur im Trans
ponderkörper befindlichen Sende-Empfangs-Spule ergibt,
und z. B. als Zylinderwicklung oder Flachwicklung ausge
führt. Sie kann direkt auf den Transponderkörper gewickelt
sein, wie in Fig. 3, oder so ausgestaltet oder angeordnet
sein, daß der Transponder entnehmbar und z. B. gegen einen
anderen austauschbar ist, wie z. B. in der Ausführungsform
der Fig. 4.
Claims (17)
1. Transponderanordnung mit einem Empfänger, einem Sen
der, einem Informationsspeicher und einer Antennenanord
nung, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung
eine von einem zumindest den Empfänger, den Sender und den
Informationsspeicher enthaltenden Trägerkörper (TK) ge
trennte Antenne (A) enthält, die mit dem Trägerkörper ge
koppelt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Antenne (A) an eine Koppelspule (KS) angeschlossen ist
und daß der Trägerkörper (TK) eine Sende-Empfangs-Spule
(TS) enthält, welche mit der Koppelspule induktiv verkop
pelt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antenne (A) von dem Trägerkörper
(TK) beabstandet und mit diesem über eine Verbindungslei
tung (L) gekoppelt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindungsleitung (L) als Teil der Antenne (A) ausge
bildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich
net, daß in die Verbindungsleitung Filter, Verstärker
und/oder Schalter eingefügt sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung aperiodisch zu
den Betriebsfrequenzen ausgeführt ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch
gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung eine Resonanz
bei einer Betriebsfrequenz zeigt.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (TK) entnehmbar ange
ordnet ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antenne (A) zumindest in einer Di
mension um ein Mehrfaches größer ist als der Trägerkörper
(TK).
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Koppelspule (KS) direkt auf den
Trägerkörper gewickelt ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Koppelspule (KS) auf einen separa
ten Spulenkörper (SK) gewickelt ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antenne eine Rahmenantenne ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rahmenantenne einen ferromagnetischen Kern ent
hält.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung zu weiteren
Übertragungszwecken dient.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung eine Hilfsan
tenne enthält, die mit der Antenne elektromagnetisch ge
koppelt ist.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Antenne eine Rahmenantenne bildet und von der
Hilfsantenne in Form eines hohlen Metallrahmens (R), der
an einer Stelle unterbrochen ist, umschlossen ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Teil der Antennenanordnung, vor
zugsweise die Hilfsantenne (R) als funktionelles Teil ei
nes die Transponderanordnung tragenden Objekts ausgebildet
ist.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: AEG IDENTIFIKATIONSSYSTEME GMBH, 89077 ULM, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |