DE19717505A1 - Transponder-Kommunikationseinrichtung - Google Patents
Transponder-KommunikationseinrichtungInfo
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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.
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