DE3782203T2 - Antennensysteme. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Antennensysteme und insbesondere Antennensysteme, die im Induktionsübertragungsbereich arbeiten und wenigstens ein Empfangs- und Sendeantennenpaar umfassen. Das Antennenpaar kann bei Vorhandensein von Abtast- oder Identifikationssystemen benutzt werden, bei denen Transponder oder Kennelemente wie die in den folgenden Patentanmeldungen GB-A-2017454, GB-A-2077556 und GB-A-2102250 beschriebenen verwendet werden.
• Ein Problem bei Empfangs-Sendeantennenpaaren, insbesondere wenn die Antennen des Paars relativ dicht positioniert sind und bei ähnlichen Frequenzen arbeiten, ist, daß eine gegenseitige Störung oder Wechselwirkung auftritt.
• Eine Lösung, die vorgeschlagen worden ist, ist die Abschirmung der Empfangsantenne vom übertragenen Feld. In bestimmten Fällen ist jedoch die Abschirmung nicht praktisch oder ist unwirksam.
• Eine weitere vorgeschlagene Lösung dieses Problems besteht darin, die Sendeantenne so anzuordnen, daß die elektrischen oder magnetischen Komponenten des gesendeten Feldes bezüglich der entsprechenden Komponenten bei der Empfangsantenne orthogonal sind. Diese Lösung kann jedoch nicht angewendet werden, wenn die wirksamen Achsen der Sende- und Empfangsantennen einseitig eingespannt sind. Diese Lösung kann auch unzweckmäßig sein, wenn ein System zwei Antennenpaare umfaßt. Wenn beide Paare verwendet werden, wobei die Antennen in jedem Paar wechselseitig orthogonal sind, die Paare jedoch eine beliebige Orientierung zueinander aufweisen, verursacht der Umfang möglicher resultierender Kombinationen von Orientierungen zwischen den beiden Paaren komplizierte Probleme. In einem Transponder oder Kennelement-Übertragungssystem kann beispielsweise die Abweichung vom Optimalwert des Signals von der Steuer- und Kontrolleinrichtung zum Kennelement eine Aktivierung des Kennelements gestatten, ohne in der Lage zu sein, dessen Ansprechen zu erfassen. Ein derartiges System könnte einen kleinen in der Hand gehaltenen Transponder und eine Steuerund Kontrolleinrichtung mit einem festen Lesekopf umfassen, der ein Empfangs- und Sendeantennenpaar umfaßt. Der Nutzeffekt einer solchen Anordnung besteht darin, die mittlere Reichweitenleistung des Systems herabzusetzen.
• Die U.S. 2779908 (MARTIN) offenbart eine Antennengruppenanordnung, die eine Sende- und Empfangsantennenspuleneinrichtung, wobei ein von der Sendeantennenspuleneinrichtung übertragenes Signal durch die Empfangsantennenspuleneinrichtung als Störsignal empfangen wird, und eine Einrichtung zum Aufheben der Wirkung des Störsignals umfaßt. Diese Offenbarung entspricht dem Einleitungsteil von Anspruch l. Es sind jedoch noch bestimmte Einschränkungen auf die physikalische Beziehung zwischen den Spulen auferlegt.
• Die vorliegende Erfindung versucht, einen oder mehrere der oben erwähnten Nachteile zu überwinden oder zu reduzieren.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Antennengruppenanordnung vorgesehen, umfassend Sende- und Empfangsantennenspuleneinrichtungen, wobei ein von der Sendeantennenspuleneinrichtung gesendetes Signal von der Empfangsantennenspuleneinrichtung als Störsignal empfangen wird, und eine Einrichtung zum Aufheben der Wirkung des Störsignals, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Antennenspuleneinrichtungen einen ersten Teil, der verhältnismäßig dicht bei der anderen Antennenspuleneinrichtung liegt und eng wechselseitig induktiv gekoppelt ist, und einen zweiten Teil umfaßt, der verhältnismäßig fern von der anderen Antennenspuleneinrichtung gelegen ist, wobei der erste Teil die Aufhebungseinrichtung bildet, wodurch das Störsignal im wesentlichen durch ein Signal aufgehoben wird, das durch die wechselseitige induktive Kopplung zwischen dem ersten Teil und der anderen Antenneneinrichtung erzeugt worden ist.
• Ein Vorteil der obigen Gruppenanordnung ist, daß die Aufhebung des Störsignals ausgeführt wird, während noch eine ausreichende Wechselwirkung mit einem verhältnismäßig entfernten Sende/Empfangssystem gestattet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß dadurch, daß ermöglicht wird, daß die Ebenen der Empfangs- und Sendeantennen parallel sind, eine Rotation des Antennenpaars aus seiner optimalen Orientierung zu einer Verschlechterung der Leistung der Sende- und Empfangspfade um einen gleichen Betrag gewöhnlich führt. Eine solche Anordnung gestattet auch das Vorsehen eines kompakten Antennenpaars, da die Antennen nicht wechselseitig geneigt sein müssen.
• Die Antennen sind vorzugsweise im wesentlichen koplanar und können auch im wesentlichen koaxial sein.
• Die Wechselwirkungs-Aufhebungseinrichtung setzt die Störung von der Sendeantenne durch die Einführung eines zweiten Signals in die Empfangsantenne herab, das in der Amplitude gleich, aber in der Phase zu demjenigen entgegengesetzt ist, das durch die Sendeantenne eingeführt wird. Die sich ergebende Wechselwirkung wird somit wirksam auf einen Pegel herabgesetzt, der nicht länger signifikant ist.
• Das Antennenpaar bildet vorzugsweise einen Teil eines Interrogator-Transpondersystems und kann als Transponder-Antennenpaar und/oder als Interrogator-Antennenpaar verwendet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umgibt eine Sendeschleifenantenne eine koplanare Empfangsantenne, wobei die Empfangsantenne eine dicht bei der Sendeschleife angeordnete Schleife und eine Anzahl von Schleifen in einem zentralen Bereich der Sendeschleife umfaßt.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
• Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Übertragungssystems ist, das das allgemeine Prinzip der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
• Fig. 2 ein ebenes Antennenpaar zeigt, in Verbindung mit dem die Anordnung mit Fig. 1 verwendet werden kann;
• Fig. 3 eine Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 zeigt;
• Fig. 4 ein ebenes koaxiales Antennenpaar zeigt, in Verbindung mit dem die Anordnungen von Fig. 1 und 3 verwendet werden können;
• Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zeigt, die Fig. 1 entspricht und ebenfalls mit dem Antennenpaar von Fig. 4 verwendet werden kann;
• Fig. 6 ein ebenes koaxiales Antennenpaar zeigt, das entsprechend Fig. 5 angeordnet ist; und
• Fig. 7 ein Paar von Ferritantennen zeigt, in Verbindung mit denen die Anordnung von Fig. 1 verwendet wird.
• Bei jetziger Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein System 11, das Information mit einem Empfänger 13 und einem Sender 12 austauscht.
• Das System 11 kann eine Regeleinrichtung sein, die im Induktionsübertragungsbereich bis zu 150 kHz mit einem Empfänger 13 und einem Sender 12 kommuniziert, die Teile einer einzigen Transpondervorrichtung 40 sind. Das System 11 umfaßt eine Sendeschaltungsanordnung 15, die mit einer Sendeantenne 16 verbunden ist, die ein Signal S1 zur Empfangsantenne 30 des Empfängers 13 sendet. Das System 11 umfaßt auch eine Empfangsschaltungsanordnung 17, die ein Signal S2 von einer Sendeantenne 20 des Senders 12 über eine Empfangsantenne 18 empfängt.
• Bei Betrieb wird ein Teil des gesendeten Signals S1 von der Empfangsantenne des Systems 11 als Störung empfangen. Da die Positionen der Sende- und Empfangsantennen des Systems 11 bezüglich einander fest sind, ist dann die Störung E in einem bekannten Verhältnis zum gesendeten Signal S1. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein entgegengesetztes Signal -I zu erzeugen, das addiert wird, so daß es eine geringe Wirkung auf S1 hat, während die Wirkung der Störung entfernt wird. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird das Signal -I zu dem resultierenden empfangenen Signal S2 + I addiert.
• Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein gewöhnlich ebenes Antennenpaar 70. Das durch die Antennenschleife 16, die eine Anzahl von Windungen umfaßt, gesendete Magnetfeld 71 weist einen Teil 72 auf, der eine unerwünschte Störung mit der Empfangsantennenschleife 18 bildet. Die Störung kann durch Vergrößerung des Abstandes der Antennen auf ein bestimmtes Ausmaß herabgesetzt werden, aber ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Störung wirksam aufgehoben werden kann, während noch eine ausreichende Wechselwirkung mit einem verhältnismäßig entfernten Sende/Empfangssystem gestattet wird.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Eine kleine Anzahl von Windungen 52 ist in Reihe mit der Hauptsendeantenne 51 geschaltet und eng mit der Empfangsantenne 18 mit entgegengesetzter Phase gekoppelt. Die wechselseitige Kopplung M zwischen den Windungen 52 und der Antenne 18 ist hoch, während die wechselseitige Kopplung zwischen den Antennen 18 und 51 gering ist.
• Fig. 4 veranschaulicht schematisch ein im allgemeinen ebenes Antennenpaar 80, das eine Anordnung entsprechend Fig. 3 mit einer Sendeantenne umfaßt, die eine Außenschleife 51 und eine eine Empfangsantennenschleife 18 umgebende Innenschleife 52 umfaßt. Die Anordnung in Fig. 3 und 4 weist eine Sendefeldaufhebungskomponente auf. Es ist jedoch vorteilhaft, das Sendefeld von Antenne 16 auf ein Maximum zu bringen, um die Bemessung des Paars voll auszunutzen. Eine solche vorteilhafte Anordnung wird nun beschrieben.
• Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 umfaßt eine Empfangsfeldaufhebungskomponente. Eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Windungen 61 ist in Reihe mit der Hauptempfangsantenne 62 geschaltet und eng mit der Sendeantenne 16 gekoppelt. Die wechselseitige Kopplung M zwischen den Windungen 61 und der Antenne 16 ist hoch, während die wechselseitige Kopplung zwischen den Antennen 62 und 16 gering ist.
• Fig. 6 zeigt einen bevorzugten Weg der Modifizierung der Anordnung von Fig. 4 so, daß diese entsprechend der Schaltung von Fig. 5 ist. Ein Antennenpaar 90 umfaßt eine Außensendeantennenschleife 16 und eine Innenempfangsantenne, die eine einzige Außenschleife 61 und Innenschleife 62, umfassend eine Anzahl von Windungen, umfaßt. Im Gegensatz zu der Anordnung von Fig. 2 ist hier die Empfangsantenne im Inneren der Sendeantenne und die Feldverteilung im Inneren der Sendeschleife wird ausgenutzt. Die Schleife 61 enthält ein Magnetfeld mit höherer Stärke dadurch, daß sie näher am Sendeantennendraht ist. Sie hebt die in die Schleife 62 eingekoppelte Störung wirksam auf; jedoch ist die Fläche der Schleife 62, multipliziert mit ihrer Windungszahl , größer als die Fläche der Schleife 62, so daß eine nicht vernachlässigbare Restkopplung mit einem entfernten Quellenfeld vorhanden ist.
• Der Begriff "Schleife" umschließt Schleifen mit einer einzigen Windung und Schleifen mit einer Anzahl von Gliedern, und die Figuren sind lediglich schematisch. Das wichtige Merkmal von Fig. 4 und 6 ist, daß die Windungszahl in den Schleifen 52 und 61 kleiner als die Windungszahl in den Schleifen 51 bzw. 62 ist.
• In einem bevorzugten Anwendungsgebiet wird eine Antenne wie 80 oder 90 auf Dauer befestigt und mit einer Hauptsteuerund Kontrolleinrichtung eines Interrogator-Transponder- Systems verbunden, wie sie in den oben erwähnten GB-Patenten offenbart sind. Die Steuer- und Kontrolleinrichtung kommuniziert mit einem transportablen Transponder, der auch ein ebenes Antennenpaar aufweisen kann, und der somit ein Transponder mit Kreditkartengröße und -form sein kann. Wenn der Transponder in den Bereich der feststehenden Antenne gebracht wird, wird er aktiviert und sendet seine Antwort. Die Reichweite des Systems steht jederzeit in direkter Beziehung zu der Position und dem Rotationswinkel des Transponders bezüglich der feststehenden Antenne. Wenn der Transponder gedreht wird, dann werden die Reichweite des Sende- und Empfangspfades in gleicher Weise beeinflußt. Der Transponder kann ein codiertes oder nicht codiertes Signal senden.
• Es ist allgemein der Fall, daß für den größten Wirkungsgrad die Antennen eine ähnliche Form zu ihrem Gehäuse aufweisen. Wo somit ein kompakter flacher Transponder benötigt wird, ist die Verwendung eines ebenen Antennenpaares außerordentlich vorteilhaft.
• Wo ein rohrförmiges Gehäuse benötigt wird, werden langgestreckte Ferritantennen bevorzugt. Fig. 7 zeigt schematisch eine solche Anordnung, die ein Antennenpaar (Transponder) 95 umfaßt, das Sende- und Empfangsferritantennen 16, 18 umfaßt. Das durch die Antenne 16 gesendete Magnetfeld weist einen Teil auf, der eine unerwünschte Störung zur Empfangsantenne 18 bildet. Diese Störung wird dadurch unterdrückt, daß die Sendespule in einen auf die Sendeferritantenne 16 gewickelten Hauptteil 91 und einen auf die Empfangsferritantenne 18 gewickelten Nebenteil 92 aufgespalten wird. Die Empfangsspule 93 ist auch auf der Empfangsferritantenne angebracht. Die Spule 92 ist in Reihe mit der Spule 91 geschaltet, so daß das durch die Spule 92 in der Ferritantenne 18 verursachte Feld das durch die Spule 91 in der Ferritantenne 18 erzeugte Feld wirksam aufhebt. In einer alternativen Anordnung ist die Nebenspule in Reihe mit der Empfangsspule 93 und ist statt dessen auf der Ferritantenne 16 angebracht.
• Es können verschiedene Modifikationen an den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Windungszahl jeder Spule verändert werden, und es können Spulen oder Schleifen, die im Inneren anderer Schleifen angeordnet sind, außerhalb von diesen angeordnet oder als innenliegend und außenliegend kombiniert werden, vorausgesetzt, daß eine wirksame Aufhebung durch Verwendung der Sende- oder Empfangswechselwirkung bleibt, während eine Asymmetrie der Aufhebungswindungen und Hauptantennenwindungen beibehalten wird derart, daß eine Kommunikation mit einer verhältnismäßig entfernten Einrichtung oder Antenne bewirkt werden kann. Obwohl, wie beschrieben, der Empfänger 13 und der Sender 12 Teile einer einzigen Vorrichtung sind, können sie alternativ Teile verschiedener Vorrichtungen sein.
• Obwohl in Fig. 3 die Spulen 18 und 52 getrennt sind, können sie in einer praktischen Anordnung durch eine einzige abgriffversehene Spule gebildet sein.
• Obwohl die Erfindung von besonderem Vorteil für Niederfrequenzanwendungen ist, kann sie auch in Hochfrequenzsystemen verwendet werden.
• Bei den obigen Beispielen ist die Störungsreduktion durch Verwendung lediglich einer zusätzlichen Aufhebungsvorrichtung gezeigt worden. Es ist jedoch auch möglich, einen Vorteil aus mehr als einer Aufhebungsvorrichtung zu ziehen, bei der ein Element des Störsignals aufgrund der Wirkung der Umgebung um 90º phasenverschoben zum gesendeten Signal ist. Dies kann auf der Wirkung von leitfähigen oder Resonanzkörpern beruhen, die in dem beeinflußten Bereich liegen. In Systemen mit höherer Frequenz kann dies auf Phasenverschiebungen beruhen, die sich aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals ergeben.

Claims (9)

1. Antennengruppenanordnung (16, 18), umfassend Sende- und Empfangsantennenspuleneinrichtungen, wobei ein von der Sendeantennenspuleneinrichtung gesendetes Signal von der Empfangsantennenspuleneinrichtung als Störsignal (I) empfangen wird, und eine Einrichtung zur Aufhebung der Wirkung des Störsignals (I), dadurch gekennzeichnet, daß eine der Antennenspuleneinrichtungen einen ersten Teil (52, 61, 92), der verhältnismäßig dicht bei der anderen Antennenspuleneinrichtung (18, 16) ist und eng wechselseitig induktiv mit dieser gekoppelt ist, und einen zweiten Teil (51, 62, 91) umfaßt, der verhältnismäßig entfernt von der anderen Antennenspuleneinrichtung liegt, wobei der erste Teil die Aufhebungseinrichtung bildet, wodurch das Störsignal (I) im wesentlichen durch ein durch die wechselseitig induktive Kopplung zwischen dem ersten Teil und der anderen Antenneneinrichtung erzeugtes Signal (-I) im wesentlichen aufgehoben wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der erste und zweite Teil (52, 51; 61, 62; 92, 91) durch einen einzigen fortlaufenden Leiter gebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der erste Teil (52) und die andere Antennenspuleneinrichtung (18) entsprechende Teile einer einzigen mit Abgriff versehenen Spule bilden.

4. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Antennenspuleneinrichtungen (16, 18) koaxial sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Antennenspuleneinrichtungen (16, 18) koplanar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Antennenspuleneinrichtungen (16, 18) koaxial und koplanar sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Sendeantennenspuleneinrichtung (16) eine die Empfangsantennenspuleneinrichtung (18) umgebende Sendeschleifenantenne (16) umfaßt, wobei die Empfangsantennenspuleneinrichtung eine den ersten Teil bildende erste Schleife (61) umfaßt, der benachbart der Sendeschleifenantenne angeordnet ist und eine den zweiten Teil bildende zweite Schleife (62) an einem zentralen Bereich der Sendeschleife umfaßt, die mehr Windungen als die erste Schleife (61) umfaßt.

8. Transponderkommunikationssystem, umfassend eine Steuerund Kontrolleinrichtung (11), enthaltend eine Antennengruppenanordnung in Kommunikation mit einer Transpondervorrichtung (40), enthaltend eine Antennengruppenanordnung, wobei eine der Antennengruppenanordnungen entsprechend Anspruch 1 ist.

9. System nach Anspruch 8, das im Induktionsübertragungsbereich arbeitet.