DE19507721A1 - Transponderanordnung für elektromagnetische Abfragesysteme - Google Patents

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.

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.