DE19717505A1 - Transponder-Kommunikationseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Transponder-Kommunikationseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solches System aus wenigstens einem passiven Transponder mit magnetischer Antenne und wenigstes einem Übertragungsgerät mit Hochfrequenz-Generator zum Aufbau eines Koppelfeldes für das Auslesen von Informationen aus einer bzw. für das Einlesen von Informationen in eine an die Transponder-Antennenspule an­ geschlossene Speicherschaltung ist etwa aus der DE-U 295 12 798 bekannt. Wie in den darin zitierten Vorveröffentlichungen näher beschrieben, kann es sich bei den Transpondern um Identifizierungsmittel etwa für Wettkampf-Teilnehmer handeln, deren Identität z. B. beim Zieleinlauf berührungslos (über das vom Übertragungs­ gerät aufgebaute Hochfrequenzfeld) abgefragt und zusammen mit einer Echtzeit- Information für die Siegerlisten-Auswertung registriert wird. In Zusammenhang mit den dort beschriebenen Einsatzfällen finden gewöhnlich Transponder in Stab­ form Anwendung, bei denen ein Ferritstab als Kern und Träger für ein Antennen­ spule dient, welche an den Speicher-Chip angeschlossen ist. Die Transponder kön­ nen aber auch flache Form haben, wie für Kreditkarten aus der DE-C 43 02 387 oder für Zuchtvieh-Ohrmarken aus der EP-A 0 754 406 bekannt. Dafür sind die an die Chips gebondeten Transponder-Antennenspulen als axial kurze Luftspulen in Form flacher breiter Ringe gewickelt. Das Übertragungsgerät ist für Demodulation der Amplitudenschwankung des abgestrahlten und vom Transponder im Rhythmus der dort eingespeicherten Information bedämpften Hochfrequenzfeldes - typisch z. B. im oberen Langweilen-Frequenzbereich - ausgelegt. Es kann aber statt dessen oder zusätzlich auch vorgesehen sein, seitens des Übertragungsgerätes eine Modu­ lation dieses RF-Koppelfeldes vorzunehmen und im Transponder zu demodulieren, um sie - etwa als Information über den aktuellen Einsatz dieses Transponders - in dessen Speicherschaltung einzulesen, wie etwa in der DE-U 295 12 812 näher be­ schrieben.

Der Vorteil solcher Transpondertechnik besteht vor allem darin, aufgrund der in­ duktiven Kopplung keine unmittelbare Berührung zwischen den miteinander kom­ munizierenden Partnern realisieren zu müssen. Allerdings bedarf die Informati­ onsübertragung über praktikable Abstände (etwa beim Zieleinlauf einer Sportler­ gruppe von der Zeitnahmestation aus, oder beim Erfassen der Individuen einer Herde mittels eines tragbaren Lesegerätes) einer hinreichend guten elektromagneti­ schen Kopplung des Hochfrequenz-Abfragefeldes zur Antennenspule, was eine hinreichende Parallelität der Magnetfeld-Achsen der miteinander zusammenwir­ kenden Spulen (seitens des Transponders und seitens des Übertragungsgerätes) bedingt. Insbesondere dann, wenn diese beiden Achsen quer zueinander orientiert sind, ist deshalb - abgesehen von zufälligen Streuerscheinungen - gar keine elek­ tromagnetische Kopplung gegeben. Deshalb ist eine störungsfreie Informati­ onsübertragung gefährdet, wenn der Transponder sich nicht in definierter räumli­ cher Lage bezüglich des Übertragungsgerätes befindet, wie etwa im Falle der Ab­ frage der Ohrmarken-Transponder von vorbeiziehendem Großvieh mittels eines Hand-Lesegerätes.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, eine Weiterbildung der Transponder-Kommunikations­ einrichtung gattungsgemäßer Art anzugeben, die auch größere Übertragungsab­ stände ohne Informationsausfall zuläßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gat­ tungsgemäße Einrichtung auch mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Hauptanspruches realisiert wird.

Nach jener Lösung werden auf der Seite des Übertragungsgerätes oder auf der Seite des Transponders oder beiderseits wenigstens zwei zueinander im wesentli­ chen orthogonal orientierte Magnetfelder erzeugt, so daß auch bei beliebiger räumlicher Orientierung der Antennenspule des Partnersystems (also im Transpon­ der bzw. im Übertragungsgerät) immer eine hinreichend stark ausgebildete Feld­ komponente für die Informationsübermittlung gegeben ist.

Für die gerätetechnische Realisierung dieser grundsätzlichen Lösung wird auf zwei mit ihren Achsen im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichteten Antennen­ spulen zurückgegriffen. Im Übertragungsgerät und bei kubischen Transpondern können dafür zwei Zylinder- oder Flachspulen mit quer zueinander orientierten Dipol-Achsen eingebaut sein. Bei Flachtranspondern, insbesondere solchen in Kartenform, ist im Innenraum einer peripher umlaufenden, O-förmigen Flachspule ein zweites Spulensystem angeordnet, dessen Magnetfeld-Achse in deren Ebene aber quer zu derjenigen der Flachspule orientiert ist, indem es sich etwa um eine dünne I-förmige Zylinderspule oder um eine 8-förmig gewickelte Flachspule han­ delt.

Die beiden quer zueinander orientierten Spulensysteme können gleichzeitig (parallel) betrieben, also an die Sendeschaltung bzw. an den Transponder-Chip angeschlossen werden. Für den Betrieb des aktiven Übertragungsgerätes ist es je­ doch zweckmäßiger, die beiden orthogonalen Feldorientierungen in kurzer Folge abwechselnd abzustrahlen, wofür die beiden Spulen im Zeitmultiplexbetrieb vom Hochfrequenz-Generator gespeist werden.

Für den Informationsempfang, also für die Demodulation der Bedämpfung des vom Übertragungsgerät ausgestrahlten Abfrage-Feldes, wird zweckmäßigerweise auf die als solche bekannte Quadratur-Schaltungstechnik zurückgegriffen, indem zwei gegeneinander um 900 phasenverschobene Hochfrequenzkanäle parallel verarbeitet werden. Die Demodulations-Verarbeitung kann durch einfache Gleichrichtung in jedem Hochfrequenzkanal erfolgen, mit linearer Überlagerung des Demodulati­ onsergebnisses der beiden Kanäle, oder es wird eine aufwendiger Quadrierschal­ tung für die aus einem Mischer bzw. Multiplizierer gewonnenen Real- und Imagi­ näranteile in jedem der beiden Kanäle vorgenommen.

Um also beispielsweise auch mittels eines Handgerätes als Lese- oder Schreiblese- Übertragungsgerät über praktikable größere Distanzen auch die Transponder zu­ verlässig erfassen zu können, die keine definierte räumliche Lage zur Anten­ nen-Spule des Übertragungsgerätes auf weisen - etwa weil es sich um Ohrmarken- Transponder einer Viehherde handelt -, ist erfindungsgemäß entweder geräteseitig oder transponderseitig oder beiderseitig eine orthogonale Spulenanordnung für die Hochfrequenzkopplung zur Datenübertragung vorgesehen. Bei einem kartenförmig flachen Transponder kann dafür innerhalb der am Rande umlaufenden ringförmi­ gen Flachspule in der Spulenebene eine kleine Zylinderspule angeordnet sein, oder im Innenraum der Flachspule ist eine 8-förmig gewickelte weitere Flachspule vor­ gesehen, die beide parallel an die Transponder-Speicherschaltung angeschlossen sind. Statt dessen oder zusätzlich kann vom Übertragungsgerät das Hochfrequenz- Koppelfeld stationär oder im Zeitmultiplex mit zwei zueinander im wesentlichen orthogonalen Magnetfeld-Richtungen abgestrahlt werden. So ist erreicht, daß praktisch immer hinreichend große Komponenten der räumlichen Spulenorientie­ rungen zueinander parallel orientiert sind, was hinreichende magnetische Kopplung auch über größere Distanzen sicherstellt. Für den Lesebetrieb kann das Übertra­ gungsgerät nach Art eines Quadraturempfängers mit um 90° phasenverschobenen Kanälen arbeiten, die in Einweggleichrichtung zusammengeschaltet oder aufwendi­ ger noch nach Quadraturmischung in Realteil und Imaginärteil getrennt quadriert werden.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weiter Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbei­ spielen zur erfindungsgemäßen Lösung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Transponder mit zueinander orthogonalen Zylinderspulen,

Fig. 2 einen Transponder mit zueinander orthogonalen Flachspulen,

Fig. 3 einen Transponder mit einer Kombination zueinander orthogonaler Flach- und Zylinderspulen,

Fig. 4 einen Transponder mit zwei in der selben Ebene angeordneten aber magne­ tisch zueinander orthogonalen Flachspulen,

Fig. 5 einen Transponder mit einachsigem Spulensystem in Gegenwart eines Übertragungsgerätes mit zueinander orthogonalen Spulen,

Fig. 6 einen einfachen zweikanaligen Demodulator für das Übertragungsgerät nach Fig. 5 und

Fig. 7 einen komplexeren Demodulator für das Übertragungsgerät nach Fig. 5.

Die Informationsübermittlung zwischen einem passiven magnetischem Transponder 11 und einem Übertragungsgerät 12 erfolgt mittels induktiver Kopplung zwischen auf übereinstimmende Resonanzfrequenz abgestimmten Antennenspulen 13, mit denen einerseits der Transponder 11 und andererseits das Übertragungsgerät 12 ausgestattet sind. Die Abstimmkapazitäten im Transponder 11 sind in der Zeich­ nung fortgelassen; ebenso der Gleichrichter zum Gewinnen der in einen physikali­ schen Speicher 10 (Kondensator) zwischenzuspeichernden Betriebsenergie aus dem aufgenommenen Hochfrequenzfeld 15. Die Transponderspule 13.1 ist ferner an eine digitale Speicherschaltung 14 angeschlossen. Die wird (zum Einschreiben bzw. zum Auslesen von Informationen) mittels der elektrischen Energie in Betrieb gesetzt, welche als das elektromagnetische Koppel-Feld 15 mit der Resonanzfre­ quenz der Transponder-Antenne (Spulen 13.1) vom Übertragungsgerät 12 abge­ strahlt wird, wie für den Lesegerät-Betrieb (Informationsübertragung vom Trans­ ponder 11 zum Gerät 12) etwa in der EP-A-0 582 137 und den darin zitierten Lite­ raturstellen näher erläutert. Diese magnetische Kopplung verlangt allerdings eine hinreichend große achsparallele Komponente der beiden räumlichen Spu­ len-Orientierungen, also der Transponder-Übertragungsgerät-Spulenpaarung 13.1 (Fig. 1 bis Fig. 4)/13.2 (Fig. 5, Fig. 6), weil die Richtdiagramme von Spulen als magnetischen Antennen in einer Ebene quer zur Spulenachse verschwinden. Bei zufällig genau orthogonal zueinander orientierten Achsen der Transponder- und Gerätespulen 13.1/13.2 gibt es also keine Kopplung zwischen Übertragungsgerät 12 und Transponder 11 und findet damit keine Informationsübertragung statt. Sol­ che Zufallssituationen sind aber durchaus nicht auszuschließen, z. B. wenn mittels eines stationär oder mobil betriebenen Übertragungsgerätes 12 die Identität der Individuen einer Viehherde beim Passieren eines Gatters erfaßt werden soll, die mit RF-Ohrtranspondern 11 ausgestattet sind, wie eingangs schon angesprochen.

Die Wahrscheinlichkeit solcher Erfassungslücken wird nun dadurch drastisch re­ duziert, daß seitens des Transponders 11 oder seitens des Übertragungsgerätes 12 bzw. beiderseits erfindungsgemäß mit wenigstens zwei zueinander orthogonal ori­ entierten Magnetfeldern gearbeitet wird. Die können dadurch realisiert werden, daß außer der einen ohnehin vorhandenen Antennen-Spule 13 eine zu ihr orthogo­ nal orientierte und parallel oder quasi-parallel betriebene zweite Spule 13' vorgese­ hen wird. Bei den passiven Transpondern 11 gemäß Fig. 1 bis Fig. 4 sind an die Speicherschaltung 14 jeweils zwei Antennenspulen 13, 13' parallel angeschlossen, die rechtwinklig zueinander orientierte Magnetfeldachsen 25 haben, nämlich gemäß Fig. 1 zwei in der derselben Ebene quer zueinander orientierte Kern-Antennenspu­ len 13.1/13'.1, gemäß Fig. 2 zwei in aufeinander senkrecht stehenden Ebenen an­ geordnete axial flache Luft-Antennenspulen 13.1/13'.1, gemäß Fig. 3 in einer Ebe­ ne eine Kombination aus Flachspule 13. 1 und in ihrer Ebene, also mit quer dazu orientierter Achse gelegener, dünner Zylinderspule 13'.1, und gemäß Fig. 4 zwei konzentrisch ineinander in der gleichen Ebene gelegene Flachspulen 13.1, 13'.1, von denen die eine 13'.1 infolge nicht O-förmiger sondern 8-förmiger Leiterfüh­ rung eine nicht quer zur Ebene sondern, orthogonal dazu, also in der Ebene gele­ gene Magnetfeldcharakteristik aufweist. Die O-förmigen flachen Ringspulen kön­ nen in herkömmlicher Weise gewickelt sein, bevorzugt werden sie aber als ge­ druckte Schaltung ausgeführt, wie es in der älteren deutschen Patentanmeldung 1 95 38 917 "Chipkartenspule" vom 19. Oktober 1995 der Junghans Uhren GmbH näher beschrieben ist. Die Spulenpaare 13.1/13'.1 bzw. 13.2/13'.2 können apparativ stationär ihre zuein­ ander orthogonalen Feldorientierungen aufbauen, indem die Spulen 13, 13' mit zeitlich orthogonalen Strömen erregt werden, also mit zeitlichen Stromverläufen, deren Integral über die miteinander multiplizierten Zeitwerte sich zu Null ergänzt. Für den Fall eines Zeitmultiplexbetriebes (Fig. 5) wird zweckmäßigerweise auf den koordinierten Betrieb eines Umschalters 16 zurückgegriffen, wie er in der schon genannten EP-A-0 582 137 näher erläutert ist.

Für die Energieübertragung vom Gerät 12 über das Feld 15 in den Speicher 10 des Transponders 11 wird im Übertragungsgerät 12 ein Hochfrequenz-Generator 17 betrieben, der im Frequenzbereich des unteren Radio-Mittelwellenbandes (typisch um 125 kHz) arbeitet. Zum Auslesen des Transponders 11 wird das extern gene­ rierte Feld 15 im Takte der aus der Speicherschaltung 14 abgerufenen Bitfolge bedämpft (amplitudenmoduliert), während zum Übertragen einer Information vom Gerät 12 an den Transponder 11 die im Übertragungsgerät 12 erzeugte Hochfre­ quenz im Takte der zu übermittelnden Information moduliert wird. Man spricht von Halbduplex-Betrieb, wenn über das Feld 15 im Transponder 11 zunächst der Speicher 10 aufgeladen und ggf. eine Information in die Speicherschaltung 14 übernommen wird, ehe die Speicherschaltung 14 ihrerseits ausgelesen wird, und von einem Vollduplex-Betrieb, wenn mit dem Aufbau des Abfragefeldes 15 schon das Auslesen der Speicherschaltung 14 beginnt.

Für die Demodulation des mit orthogonalen Komponenten am Übertragungsgerät 12 anstehenden, durch den Transponder 11 bedämpften Feldes 15 kann das Sende- Empfangs-Übertragungsgerät 12 gemäß Fig. 6 mit orthogonal angeordneten An­ tennenspulen 13.2/13'.2 ausgestattet sein, die zweckmäßigerweise mit um 90° ge­ geneinander phasenverschobener Hochfrequenz aus dem Generator 17 gespeist werden, indem die eine Spule 13.2 über ein 90°-Phasenschieber-Netzwerk 19 be­ trieben wird.

Der dementsprechend zweikanalige Demodulator 20 besteht gemäß Fig. 7 im we­ sentlichen einfach aus je einem Einweg-Gleichrichter 21 mit nachgeschalteter Tief­ paß-Filterschaltung 22 für die beiden gegeneinander um 90° phasenverschobenen Hochfrequenzkanäle, die abschließend in einem Summierer 23 zusammengeführt sind.

Aufwendiger aber leistungsfähiger ist der Demodulator 20 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8, bei dem jeder der beiden gegeneinander um eine viertel Periode pha­ senverschobenen, sowohl das Übertragungsfeld wie die Information führenden Hochfrequenzkanäle für Real- und Imaginärteil über Quadraturmischer 26 (etwa in der Bauform eines Ringmischers) und Bandpaß-Filterschaltungen 22 auf Multipli­ zierer 24 geschaltet ist. Das Ergebnis der abschließenden Summenbildung 23 ist frei von Phasen- und von Winkelabhängigkeiten. Die Quadrierer 24 werden aller­ dings zweckmäßigerweise entgegen der Prinzipdarstellung in der Schaltskizze nicht an Diodenkennlinien sondern, einschließlich der abschließenden Summierer 23, in einem im Abtastbetrieb arbeitenden Signalprozessor realisiert.

Claims (13)

1. Transponder-Kommunikationseinrichtung mit einem Hochfrequenz-Koppel­ feld (15) zwischen der Antennenspule (13.2) eines Übertragungsgerätes (12) und der Antennenspule (13.1) eines Transponders (11), dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgerät (12) oder/und der Transponder (11) mit wenig­ stens zwei Spulen (13, 13') ausgestattet ist/sind, deren Spulenachsen (25) bzw. magnetischen Momente wenigstens angenähert rechtwinklig zueinander orientiert sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß räumlich orthogonal orientierte Spulen (13, 13') gleichzeitig mit zeitlich orthogonalen Trägern betrieben werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die orthogonal orientierten Spulen (13, 13') im Zeitmultiplex betrieben werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß orthogonal orientierte Spulen (13.1, 13'.1) mit gegeneinander verstimm­ ten Resonanzkreisen parallel geschaltet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgerät (12) die orthogonal orientierten Antennen-Spulen (13.2, 13'.2) über einen Umschalter (16) aus einem Hochfrequenzgenerator (17) bestromt.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgerät (12) die orthogonal onentierten Spulen (13.2, 13'.2) mit Spulen-Strömen speist, die um eine Viertel-Periode phasenverscho­ ben sind, beispielsweise durch Verstimmen ihrer Schwingkreise.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen-Schwingkreise durch Zusatzreaktanzen gemäß der deutschen- Patentanmeldung 1 95 46 928.3 vom 15. 12. 95 verstimmt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgerät (12) einen Demodulator (20) mit einem Einweg- Gleichnchter (21) hinter jeder Spule (13, 13') aufweist, die über Filterschal­ tungen (22) auf einen Summierer (23) geführt sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgerät (12) hinter jeder Spule (13.2, 13'.2) einen Modula­ tor (20) mit Ringmischern (26) aufweist, denen Quadrierer (24) nachgeschaltet sind.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponder (11) in einer Ebene zwei rechtwinklig zueinander orien­ tierte Zylinderspulen (13.1, 13'.1) aufweist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponder (11) mit zwei Flachspulen (13.1, 13'.1) ausgestattet ist, die quer zueinander orientiert sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponder (11) mit einer Flach spule (13.1) ausgestattet ist, in deren Zentrum sich in deren Ebene eine Zylinderspule (13.'1) erstreckt.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponder (11) mit einer ringförmigen Flachspule (13.1) ausgestat­ tet ist, in deren Zentrum eine 8-förmig gewickelte Flachspule angeordnet ist.