DE4434240C1 - Dynamische Modulationsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamische Modulationsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie dient der selbsttätigen, von der jeweiligen Höhe der zur Verfügung stehenden, in dem Empfangselement eines Transpon­ ders induzierten, Speisespannung abhängigen Modulationsstromsteuerung für solche fremdgespeisten Transponder, die ihre zum Betrieb erforderliche Ver­ sorgungsenergie aus einem lokalen Abfragefeld beziehen, dabei gleichzeitig die abzufragenden Nutzsignale generieren, das lokale Abfragefeld im Rhythmus der abzufragenden Nutzsignale bedämpfen und durch diese Bedämpfung modu­ lieren, mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Vorrichtung ist geeignet, mit sehr geringem schaltungstechnischen Aufwand sicherzustellen, daß die durch den Modulationsvorgang dem Trans­ ponder entzogene Energie durch angepaßte Reduktion des Modulations­ stromes soweit begrenzt wird, daß die Höhe der zum Betrieb erforderlichen verbleibenden Versorgungsenergie zum bestimmungsgemäßen Betrieb des Transponders ausreicht.

Die Vorrichtung ist insbesondere für solche Transponder geeignet, die bestimmungsgemäß sehr klein aufgebaut sein müssen. So ist die Reduktion des schaltungstechnischen Aufwandes beispielsweise bei mit Hilfe von Hohlnadeln injizierbarer Transponder sehr wichtig, weil die damit unmittel­ bar verbundene Reduktion der Baugröße gleichzeitig die Abmessungen der zur Injektion erforderlichen Hohlnadel verringert und dadurch zum schmerz­ freien Injektionsvorgang beiträgt.

Die Vorrichtung ist weiterhin insbesondere für solche Transponder geeignet, deren elektronische Schaltung in Form einer auf Digitaltechnik basierenden, kundenspezifischen, monolithisch integrierten Schaltung (ASIC) realisiert ist, da keine zusätzlichen, schaltungstechnisch fremden analogen Schaltungskomponenten erforderlich sind, die eine aufwendigere Kombina­ tion aus Digitalteil und Analogteil auf dem ASIC erforderlich machen würden.

Eine Vorrichtung zur dynamischen Begrenzung des Modulationsstromes in Abhängigkeit von der Höhe der zur Verfügung stehenden Versorgungs­ spannung bei fremdgespeisten Transponder ist nicht bekannt.

Das Problem, daß ein zu geringer Modulationsstrom einerseits das Signal- zu-Rausch-Verhältnis und damit die nutzbare Arbeitsdistanz des Trans­ ponders - das ist der Abstand zwischen den das Abfragefeld generierenden Antennen und dem Transponder - verringert, andererseits aber ein zu hoher Modulationsstrom die im Empfangselement vom Abfragefeld induzierte Versorgungsspannung soweit reduziert, daß ein Betrieb des Transponders unmöglich ist, wird in den verfügbaren Veröffentlichungen typischerweise ignoriert.

So ist aus der EP 0395188 A1 bekannt, daß ein Resonanzkreis als Empfangselement im Rhythmus der Signalinformationen mit Hilfe eines elektronischen Schalters kurzgeschlossen wird, um das Abfragefeld zu modulieren.

Baut man die dort angegebene Schaltung mit einem niederohmigen Schalter - z. B. mit einem Reedrelais - nach, so funktioniert sie jedoch nicht zufrie­ denstellend und versagt bei größeren Abständen zwischen dem Transponder und den das Abfragefeld generierenden Antennen ganz, weil durch den zeitweisen Kurzschluß des zur Modulation des Abfragefeldes benutzten Empfangselementes der Versorgungsstrom nicht kontinuierlich nachgela­ den werden kann und dadurch die zum Betrieb der steuernden elektro­ nischen Komponenten erforderliche Versorgungsspannung unter den zum Betrieb notwendigen Mindestwert abfällt.

Die Darstellung in der EP 0395188 A1 geht offensichtlich stillschweigend davon aus, daß der kurzschließende Schalter nur symbolisch zu verstehen ist, da die auf ASICs typischerweise realisierten elektronischen Schalter häufig einen relativ hohen Innenwiderstand besitzen und somit den Modu­ lationsstrom durch ihren Widerstandswert zwangsläufig begrenzen.

Dieser Innenwiderstand des realen elektronischen Schalters kann im Bereich einiger Kiloohm liegen und legt durch die Begrenzung des Modulations­ stromes gleichzeitig den maximalen Modulationsgrad fest.

Der Wert des Innenwiderstandes, insbesondere der eines monolithisch inte­ grierten elektronischen Schalters, muß bei der Produktion beispielsweise eines ASICs sehr sorgfältig im voraus dimensioniert werden. Wird der Wert zu hoch gewählt, dann ist der Modulationsgrad zu gering und die Trans­ pondersignale können nur schwer detektiert werden. Wird dagegen der Wert zu gering gewählt, dann verbraucht der Transponder zur Modulation zu viel Energie und es sind keine größeren Distanzen zwischen dem Transpon­ der und den das Abfragefeld generierenden Antennen möglich, weil die vom - in der Regel - kleinvolumigen Empfangselement dem Abfragefeld ent­ zogene Versorgungsenergie bereits durch den Modulationsvorgang weitgehend verbraucht wird und somit die zum Betrieb der steuernden elektronischen Schaltung erforderliche Versorgungsspannung unter den Minimalwert absinkt. Hinzu kommt das Problem der produktionstechnisch bedingten Toleranz. Unterschiede im Widerstandswert von bis zu 20% sind dabei auch heute noch keine Seltenheit, wodurch die Ausbeute an für die Praxis geeigneten Transpondern zusätzlich reduziert wird.

Die gängige Praxis, den elektronischen Schalter daher sicherheitshalber niederohmiger zu dimensionieren und den endgültigen Modulationswider­ stand durch einen trimmbaren zusätzlichen Vorwiderstand zu erhöhen, ist zwar ein tragbarer Kompromiß, verlangt aber zusätzliche, aufwendige und kostspielige Abgleicharbeiten.

Darüber hinaus führt ein konstanter Modulationswiderstand nachteiliger­ weise bei kurzen Distanzen zwischen dem Transponder und den das Abfrage­ feld generierenden Antennen dazu, daß die Belastung des Empfangselementes mit zunehmender Versorgungsspannung lediglich linear ansteigt, die indu­ zierte Versorgungsspannung jedoch exponentiell anwächst und daher zusätz­ liche Begrenzungsmaßnahmen zur Reduktion der Versorgungsspannung in Form von Zener-Dioden oder Konstantspannungsquellen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe von einfachen Schal­ tungsmaßnahmen den zur Modulation erforderlichen Strom den Versor­ gungsverhältnissen im fremdgespeisten Transponder selbsttätig derart anzupassen, daß ohne zusätzliche Abgleicharbeiten und mit hoher Toleranz hinsichtlich produktionstechnisch bedingter Variationen der Widerstands­ werte des zur Modulation verwendeten elektronischen Schalters, einerseits stets genügend Versorgungsenergie verbleibt, um den Transponder be­ stimmungsgemäß zu betreiben und andererseits der Modulationsgrad mög­ lichst hoch ist.

Diese Aufgabe wird bei der dynamischen Modulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, ohne aufwendige integrierte Regelkreis-Schaltungen stets den optimalen Modulationsgrad zu erzielen und damit die drahtlose Signalübertragungs-Verbindung zwischen den das Abfragefeld generierenden Antennen und dem Transponder störungssicherer und zuverlässiger zu gestalten.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die auf kurzen Distanzen zuviel eingestrahlte Versorgungsenergie in er­ höhtem Maße in Modulationsenergie umgesetzt werden kann und dadurch gleichzeitig der Anstieg der Betriebsspannung signifikant reduziert wird, wodurch auf zusätzliche spannungsbegrenzende Maßnahmen verzichtet werden kann.

Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß durch den Verzicht auf einen konstanten Wert des Modulationswiderstandes die produktionstechnisch bedingte Ausbeute deutlich ansteigt, was insbesondere hinsichtlich der immensen Kosten bei der Produktion von speziellen, kundenspezifischen monolithisch integrierten Schaltungen ein beachtliches finanzielles Faktum ist.

Zur erläuternden Beschreibung der dynamischen Modulationsvorrichtung sind einige Abbildungen gegeben. Es zeigt

Fig. 1 den für eine Halbleiter-Diode typischen nichtlinearen Verlauf des Zusammenhanges zwischen dem Strom (I_D) und der Spannung (U_D),

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der dynamischen Modulationsvorrichtung unter Verwendung einer Graetz-Brückenschaltung (D1, D2, D3, D4),

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der dynamischen Modulationsvorrichtung unter Verwendung einer einzelnen Halbleiter-Diode (DS),

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der dynamischen Modulationsvorrichtung unter Verwendung zweier gegenpolig geschalteter Zener-Dioden (ZD1, ZD2),

Fig. 5 ein ausführliches Ausführungsbeispiel der dynamischen Modulations­ vorrichtung unter Verwendung einer einzelnen Halbleiter-Diode (MD) im Zusammenhang mit einem in CMOS-Technik realisierten elektronischen Schalter in einem zur Temperaturmessung geeigneten Transponder.

Der in Fig. 1 gezeigte exponentiell ansteigende Kurvenverlauf ist der bekannte nichtlineare Zusammenhang zwischen dem Strom (I_D) durch eine Halbleiter-Diode in Abhängigkeit von der Spannung (U_D) an einer Halb­ leiter-Diode. Dieser Zusammenhang bedeutet, daß für kleine Werte der Spannung (U_D) der zugehörige Anstieg des Stromes (I_D) relativ gering ist. Der Kurvenverlauf ist flach, d. h. der wirksame differentielle Impedanzwert an dieser Stelle ist hoch.

Mit zunehmender Spannung (U_D) ändern sich die Verhältnisse in exponen­ tiellem Maße. Für hohe Spannungen (U_D) ist der zugehörige Anstieg des Stromes (I_D) sehr hoch. Der Kurvenverlauf ist steil, d. h. der wirksame differentielle Impedanzwert an dieser Stelle ist gering.

Die Tatsache, daß sich der wirksame differentielle Impedanzwert einer Halbleiter-Diode im Bereich weniger Volt um Größenordnungen ändert, wird in der Schaltungstechnik seit langer Zeit ausgenutzt. So basieren beispielsweise logarithmische Verstärker schaltungstechnisch auf diesem Phänomen.

Die Anwendung dieses Effektes zur Erzielung eines betriebsspannungs­ abhängigen Modulationsgrades ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Empfangselement besteht aus einem Resonanzkreis, der aus einer Spule (L) und einem Konden­ sator (C) aufgebaut ist. In der Spule (L) wird durch das Abfragefeld eine Wechselspannung induziert, aus der der nachgeschaltete Schaltkreis (ASIC1) seine Betriebsspannung - die dort noch gleichgerichtet und geglättet wird - bezieht. In dem Schaltkreis (ASIC1) befindet sich ein elektronischer Schalter (ES), der im Takte der abzufragenden Signalinformationen (M) gesteuert wird.

Über eine aus Halbleiter-Dioden (D1, D2, D3, D4) aufgebaute Graetz- Brückenschaltung und einem Vorwiderstand (R) ist der elektronische Schalter (ES) mit dem Empfangselement (L, C) verbunden.

Ist der elektronische Schalter (ES) geöffnet, so fließt kein Strom aus dem Empfangselement (L, C) durch den Widerstand (R) und die gesamte vom Empfangselement (L, C) dem Abfragefeld entnommene Energie kann zur Versorgung des nachgeschalteten Schaltkreises dienen.

Ist der elektronische Schalter geschlossen, so werden beide Halbwellen der in der Spule (L) induzierten Wechselspannung als pulsierende Gleich­ spannung an den Widerstand (R) gelegt und erzeugen dort einen Signal­ strom im Takte der Signalinformationen. Dadurch wird dem Abfragefeld ein kleiner Teil an Energie entzogen, was durch geeignete Empfangsschaltungen detektiert werden kann.

Die Höhe dieses Signalstromes und damit verknüpft die Menge an im Wider­ stand (R) absorbierter Energie hängt vom Wert des Widerstandes (R) und insbesondere vom spannungsabhängigen differentiellen Impedanzwert der Halbleiter-Dioden (D1, D2, D3, D4) in der Graetz-Brückenschaltung ab.

Bei kurzen Distanzen zwischen den das Abfragefeld generierenden Antennen und dem Transponder wird die Spannung (U_D) an den Halbleiter-Dioden zeitweise, d. h. im Bereich des Spitzenwertes - so hoch, daß ein kräftiger Strom (I_D) fließen kann.

Grundsätzlich wird dieser Strom (I_D) zeitabhängig dynamisch, d. h. im Bereich des Anstiegs der Halbwelle durch die Summe aus dem differentiellem Impedanzwert der Halbleiter-Diode einerseits und dem statischen Wider­ standswert (R) andererseits, im Bereich des Scheitelwertes der Halbwelle jedoch wegen dem bei hohen Spannungen (U_D) vernachlässigbar geringen differentiellen Impedanzwert der Halbleiter-Diode nur noch durch den Widerstand (R), begrenzt.

Bei großen Distanzen zwischen den das Abfragefeld generierenden Antennen und dem Transponder erreicht die Spannung (U_D) zu keinem Zeitpunkt so hohe Werte, daß der differentielle Impedanzwert der Halbleiter-Diode vernachlässigt werden könnte. Der Modulationsstrom verbleibt somit bei geringen Werten und die Versorgungsspannung sinkt nicht nennenswert ab.

Eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 3 gezeigt. Anstelle der Graetz-Brückenschaltung wird lediglich eine einzelne Halbleiter-Diode (DS) verwendet. Durch diese Vereinfachung wird die im Empfangselement induzierte Versorgungsspannung während des Modulationsvorganges zwar unsymmetrisch belastet; für die Übertragung der vom Transponder erzeugten Nutzsignale ist dies jedoch nicht von Be­ deutung. Es ist lediglich zu beachten, daß die effektive Modulationsleistung auf den halben Wert im Vergleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel redu­ ziert wird, wenn der gleiche Widerstandswert (R) wie dort verwendet wird.

Zweckmäßigerweise sollte der Widerstandswert (R) daher um die Hälfte reduziert werden, um die gleichen Modulationsverhältnisse wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel zu erzielen. Für den Fall, daß der nach­ geschaltete elektronische Schaltkreis eine geringe Versorgungsspannung von beispielsweise lediglich 1,6 V benötigt und ein kleiner Energiespeicher in Form eines Ladekondensators (CL) besitzt, kann der Widerstand (R) ganz entfallen, wenn die Frequenz des Abfragefeldes um wenigstens eine Größen­ ordnung höher ist, als die Frequenz des Modulationsstromes, da dann in den Tastpausen des elektronischen Schalters (ES) genügend Versorgungs­ energie nachgeladen werden kann.

Benötigt der nachgeschaltete elektronische Schaltkreis hingegen eine hohe Betriebsspannung von beispielsweise 5 V, so ist das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel die bessere Wahl. Die einzelne Diode (DS) wird hier durch zwei antipolar geschaltete Zenerdioden (ZD1, ZD2) ersetzt. Die vom Empfangselement - hier wird als Variante ein verkürzter Dipol mit Strahlern (A1, A2) und Verlängerungsspule (LG) gezeigt, wie er für spezielle Anwen­ dungen bei hohen Frequenzen des Abfragefeldes vorteilhaft ist, verwendet - aus dem Abfragefeld entnommene Versorgungsspannung muß so hoch sein, daß zunächst die sogenannte Zener-Spannung der jeweils einen Halbleiter- Diode überschritten wird, damit der differentielle Impedanzwert der jeweils anderen Halbleiter-Diode wirksam wird.

Durch diese Schaltungsmaßnahme wird erreicht, daß ein Modulationsstrom durch den Widerstand (R) überhaupt erst fließen kann, wenn ein bestimmter Wert der Versorgungsspannung überschritten wird. Durch die antipolare Schaltung der beiden Zener-Dioden werden - wie in dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel - beide Halbwellen der Versorgungsspannung belastet. Der Widerstandswert (R) ist daher entsprechend zu dimensionieren. Der verzögerte Einsatz des Modulationsvorganges ermöglicht den Betrieb des nachgeschalteten elektronischen Schaltkreises bei höheren Spannungen und d. h. mit einfachen, herkömmlichen und leicht verfügbaren Bauele­ menten. Durch die Wahl des Wertes der jeweiligen Zener-Spannungen läßt sich die bestimmungsgemäße Betriebsspannung beliebig auswählen.

Ein ausführlich dargestelltes Ausführungsbeispiel für einen Transponder, der vorzugsweise als Injektat den lokalen Temperaturwert erfassen und übermitteln soll, ist in Fig. 5 gezeigt. Das Empfangselement besteht aus einem Resonanzkreis mit der Spule (L) und dem Kondensator (C). Eine Halbleiter-Diode (GD) dient als Gleichrichter und lädt den Lade­ kondensator (CL), der den Energiespeicher der nachgeschalteten elektronischen Schaltung repräsentiert, auf die Versorgungsspannung der als kundenspezifischen monolithisch integrierten Schaltung (ASIC2) reali­ sierten Steuerelektronik auf. Diese Spannung wird an den Anschlüssen für den positiven Pol (VDD) und den negativen Pol (VSS) zugeführt. Dadurch wird eine kleine Rechnerschaltung (CPU) in Betrieb genommen, die den Unterschied zwischen dem Wert eines Referenzwiderstandes (RR) und dem Wert eines temperaturabhängigen Widerstandes (NTC) ermittelt und geeignet kodiert als Modulationssignal (M) einem elektronischen Schalter (MT), der durch einen CMOS-Transitor mit einem Innenwiderstand von deutlich weniger als 1000 Ohm - im eingeschalteten Zustand - realisiert ist, zuführt.

Der elektronische Schalter ist über die den Modulationsstrom dynamisch begrenzende Halbleiter-Diode (MD) mit dem Resonanzkreis verbunden. Diese Schaltung funktioniert hervorragend für solche Schaltkreise (ASIC2), die mit geringen Versorgungsspannungen im Bereich von 1,4 V bis 1,6 V auskommen.

Claims (6)

1. Dynamische Modulationsvorrichtung für Transponder, die ihre zum Betrieb erforderliche Versorgungsenergie aus einem lokalen Abfragefeld beziehen, dabei gleichzeitig die abzufragenden Nutzsignale generieren, das lokale Abfragefeld im Rhythmus der abzufragenden Nutzsignale bedämpfen und dadurch modulieren,

• - wobei eine Sendevorrichtung die zum Betrieb der Transponder notwen­ digen Speisesignale erzeugt und diese Speisesignale einer Antennenvorrichtung zugeführt werden, die das den Transponder speisende lokale Abfragefeld lokal generieren und eine mit der Antennenvorrichtung verbundene Empfangs­ vorrichtung die von den jeweiligen Transpondern im lokalen Abfragefeld generierten Nutzsignale empfängt und in zuvor bestimmter Weise weiter­ verarbeitet,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß im Transponder eine Anordnung mindestens einer (DS, MD, D1, D2, D3, D4, ZD1, ZD2) Halbleiter-Diode derart zwischen einem zu be­ dämpfenden Empfangselement (L, C, A1, A2, LG) des Transponders und einem diese Dämpfung ausübenden elektronischen Schalter (ES, MT) geschal­ tet ist, daß unter Ausnutzung des nichtlinearen Zusammenhanges zwischen der Halbleiter-Diodenspannung (U_D) und des Halbleiter-Diodenstromes (I_D), einerseits für geringe Speisesignalspannungen am Empfangselement der hohe differentielle Impedanzwert der Dioden wirksam wird und anderer­ seits für zunehmend höhere Speisesignalspannungen am Empfangselement dieser differentielle Impedanzwert exponentiell abfällt,
• - wobei bei geringer Speisesignalspannung am Empfangselement (L, C, A1, A2, LG) durch den vorgeschalteten hohen differentiellen Impedanzwert der Halbleiter-Diode die Bedämpfung des Empfangselementes (L, C, A1, A2, LG) durch den elektronischen Schalter (ES, MT) so gering bleibt, daß die im Empfangselement (L, C, A1, A2, LG) induzierte Speisesignalspannung genügend hoch bleibt, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Transponders zu ermöglichen,
• - wobei bei zunehmend ansteigender Speisesignalspannung am Empfangs­ element (L, C, A1, A2, LG) mit geringer werdendem differentiellen Impedanz­ wert der Diode die im Takte der zu übertragenden Signalinformationen erfolgenden rhythmischen Bedämpfungen des Empfangselementes (L, C, A1, A2, LG) durch den elektronischen Schalter (ES, MT) zwar ebenfalls zunehmen, aber insgesamt doch so gering bleiben, daß die im Empfangs­ element (L, C, A1, A2, LG) induzierte Speisesignalspannung genügend hoch bleibt, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Transponders zu ermöglichen.

2. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mehrerer Halbleiter-Dioden eine Graetz-Brückenschal­ tung (D1, D2, D3, D4) ist.

3. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Halbleiter-Dioden zwei gegenpolig geschaltete Zener-Dioden (ZD1, ZD2) sind.

4. Modulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein den Modulationsstrom begrenzender Widerstand (R) in Serie zu dem elektronischen Schalter (ES, MT) geschaltet ist.

5. Modulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Halbleiter-Dioden auf dem die weiteren Komponenten des Transponders enthaltenden ASIC monolithisch integriert ist.