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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen passiven Transponder, der zur Lokalisierung
von Personen und Gegenständen
mit Hilfe eines Funksenders benutzt wird, der HF-Energie auf einer
Frequenz mit Hilfe eines Funkempfängers überträgt, der HF-Energie empfängt, die
auf einer anderen Frequenz durch den Transponder weiter übertragen
wird.
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STAND DER TECHNIK
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US-A
4,331,957 beschreibt einen passiven Transponder, der zur Bergung
von Skifahrern benutzt wird, die in Lawinen eingefangen wurden.
Der Transponder wird auf einen Skistiefel geklebt. Der Transponder
weist eine Antenne in Form einer Metallfolie mit zwei Hauptoberflächen und
einer Diode auf, die zwischen den Hauptoberflächen verbunden ist. Ein mobiler
Funksender mit einer damit verbundenen Richtungsantenne sendet Hochfrequenzenergie
auf einer Basisfrequenz von 915 MHz aus. Ein mobiler Funkempfänger, der
mit dem Funksender zusammengebaut ist, wird abgestimmt, um die Basisfrequenz
auf 1830 MHz zu verdoppeln, und wird mit der Richtungsantenne verbunden.
Das Signal aus dem Sender wird innerhalb des hörbaren Bereichs mit einer Tonfrequenz
moduliert. Wenn der Transponder von den übertragenen Signalen berührt wird,
erzeugt die Diode Obertöne
der Basisfrequenz. Die erste Harmonische (das Doppelte der Basisfrequenz) weist
eine hohe Energie auf und wird von dem Funkempfänger erkannt. Die Bergungsmannschaft
hört diese
als einen Ton und können
unter Zuhilfenahme der Richtungsantenne die Position des Lawinenopfers
bestimmen. Der große
Vorteil dieses Suchverfahrens ist die kurze Zeit, die gebraucht
wird, um die Lawinengegend abzusuchen.
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US-Patentschrift
4,656,478 offenbart einen Transponder, der dem obigen ähnlich ist.
Der Transponder umfasst einen dielektrischen Träger, eine Antenne und eine
Abdeckschicht. Die Antenne weist einen ausgeschnittenen Abschnitt
auf, dessen Kante eine leitfähige
Leitung definiert, die von einem passiven Bestandteil derart eingeschlossen
wird, dass eine Selbstinduktionsschleife gebildet wird. Die Selbstinduktionsschleife
zusammen mit der Kapazität
des passiven Bestandteils stellt einen Schaltkreis bereit, der bei
der Frequenz mitschwingt, bei der der Transponder seine Energie
empfängt.
Die Umwandlung der von dem Transponder bei der Basisfrequenz f0 empfangenen Energie mithilfe der Antenne
in eine Energie, die zur weiteren Übertragung durch den Transponder
bei einer Harmonischen der Frequenz f0 zur
Verfügung
steht, wird mit einem besseren Ergebnis erreicht, da das Paar Selbstinduktion – interne Kapazität des passiven
Bestandteils eine Erhöhung der
Spannung bewirkt, bei der die Umwandlung erzeugt wird. Die Erhöhung entspricht
dem Qualitätsfaktor
des Resonanzschaltkreises.
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US-Patentschrift
4,890,111 offenbart einen Transponder, der dem in der zuletzt genannten US-Patentschrift ähnlich ist.
Die Antennenelemente des Transponders werden durch ein Metallband
gebildet, das in einer planaren Schleife angeordnet ist, die den
ausgeschnittenen Abschnitt umgibt. Das Ergebnis dieser Anordnung
ist, dass die Kapazität
des Streukondensators, der durch die Antennenelemente und den Körper der
Person gebildet wird, die den Transponder trägt, bei gleichen Ausmaßen viel
geringer ist als in dem Transponder des Standes der Technik. Die
Anordnung reduziert den Einfluss, den der Streukondensator auf die
Resonanzfrequenz hat. Ein T-förmiger
Spalt, der in den Antennenelementen bereitgestellt wird, stellt
insofern einen Herstellungsvorteil bereit, als der Zugewinn des
Transponders von einem Transponder zu einem anderen konstanter ist als
wenn die Antenne keinen T-förmigen
Spalt aufweist.
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US-Patentschrift
5,223,851 betrifft einen Miniatur-Transponder, der eine magnetische
Antenne mit einer Spule aufweist, die mit einem integrierten Schaltkreis
verbunden ist. In Antwort auf ein Signal, das von der Antenne empfangen
wird, erzeugt der integrierte Schaltkreis ein Identifizierungssignal,
das an die Antenne zur weiteren Übertragung
zurückgesendet
wird. Ein Schlauch aus wärmeschrumpfendem
Material umgibt den Transponder und schützt ihn vor mechanischen Schocks.
Diese Lösung
unterscheidet sich grundsätzlich
von den beiden oben genannten aus zwei Gründen: Sie basiert auf einem Einzelfrequenzsystem
im Gegensatz zu einem harmonischen (verdoppelten) Frequenzsystem
und benutzt eine niedrige Frequenz im Gegensatz zu Mikrowellenfrequenzen.
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US-Patentschrift
3,731,180 betrifft einen Frequenzumsetzer-Schaltkreis, dessen Endpunkte einer Diode
mit einer vordefinierten Länge
einer Übertragungsleitung
an einer kritischen Stelle verbunden sind, wodurch die Übertragung
eines Ausgangssignals bei einer gewünschten Frequenz ermöglicht wird,
die mit der Frequenz eines Eingangssignals in Beziehung steht. Die
vorbestimmte Länge
der Übertragungsleitung
und das aktive Element sind sowohl an der Eingangsfrequenz als auch
an der gewünschten
Ausgangsfrequenz resonant.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Der
menschliche Körper
fungiert als Wasseroberfläche,
die die empfangene HF-Energie reflektiert. Es ist wünschenswert,
dass die HF-Wellen, die
von dem Transponder auf der doppelten Basisfrequenz übertragen
werden, und die HF-Wellen, die von dem menschlichen Körper auf
der doppelten Basisfrequenz reflektiert werden, im Wesentlichen
miteinander in Phase liegen, so dass die zwei reflektierten HF-Wellen
einander konstruktiv verstärken.
Auf diese Weise ist die HF-Energie der empfangenen HF-Wellen auf
der doppelten Basisfrequenz maximal. Um dies zu erreichen, sollte
der Transponder in einem bestimmten, gegebenen Abstand von dem menschlichen
Körper
angeordnet werden. Mit der gegebenen Basisfrequenz ist dieser Abstand
lang. Er ist so lang, dass es in der Praxis unangemessen ist, einen
Luftraum zwischen dem Transponder und dem menschlichen Körper zu
haben. Gemäß US-Patentschrift
4,331,957 wird der Transponder an der Außenseite eines Skistiefels
aus Kunststoff geklebt, was von einem technischen Standpunkt aus
bedeutet, dass ein Dielektrikum aus Kunststoff zwischen dem Transponder
und dem Fuß angeordnet
wird und dadurch der gegebene Abstand auf einen praktisch zweckmäßigen Abstand
reduziert wird.
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Der
Anmelder hat herausgefunden, dass ein Problem auftritt, wenn der
Transponder in einem Skistiefel aus Kunststoff befestigt wird. Die
HF-Energie, die
aus dem Transponder auf der doppelten Basisfrequenz gesendet wird,
wird verringert. Der Anmelder hat herausgefunden, dass die Suchausstattung
auf eine im Vergleich niedrigere Frequenz abgestimmt werden muss
als wenn der Transponder an die Außenseite des Skistiefels geklebt
wird, so dass die HF-Energie, die aus dem Transponder auf der doppelten
Basisfrequenz gesendet wird, mit der maximalen Signalstärke erkannt
werden kann. Die Erkennung mit maximaler Signalstärke ist
nämlich
dann kritisch, wenn sich der Transponder in einem großen Abstand
von der Antenne befindet, in welchem Fall die Signalstärke an dem
Empfänger
gering ist. Sie darf nämlich
niemals so gering sein, dass die Erkennung des Transponders völlig ausgeschlossen
ist.
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Es
ist wünschenswert,
dass die gleiche Suchausstattung für die Erkennung von Transpondern,
die auf Stiefel geklebt sind, und für die Erkennung von Transpondern,
die in die Stiefel eingebaut sind, benutzt werden kann. Das erneute
Abstimmen der Suchausstattung ist in der Praxis nicht möglich.
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Ein
Nachteil bei den Transpondern der ersten beiden genannten US-Patentschriften ist,
dass sie gegenüber
der Umgebung der Antenne empfindlich sind. Insbesondere ihre jeweiligen
Impedanzen werden durch die Umgebungen der Antenne beeinflusst.
Eine variierende Antennenimpedanz führt zu einer verschlechterten
HF-Energie, die von dem Transponder an der ersten Harmonischen der
Basisfrequenz weiter übertragen
wird.
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Ausgehend
von US-A 4,656,478, die einen Transponder offenbart, der, wenn er
durch HF-Energie einer ersten Frequenz f getroffen wird, HF-Energie
bei der doppelten Frequenz 2f weiter überträgt, kann das durch die Erfindung
zu lösende
Problem wie folgt formuliert werden: Wie kann bewerkstelligt werden,
dass der Transponder durch seine Umgebungen nicht beeinflusst wird
und gleichzeitig maximale HF-Energie auf der doppelten Frequenz
2f weiter ausstrahlt.
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Dies
wird mit dem Transponder nach Anspruch 1 erreicht.
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Der
Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird, besteht darin, dass
das Dielektrikum, das den Transponder umgibt, die HF-Energie auf
die Übertragungsleitung
konzentriert, wodurch der Einfluss der Umgebung auf die Eigenschaften
des Transponders reduziert wird.
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Ein
weiterer Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird, besteht darin,
dass das nahe Umfeld der Antenne im Wesentlichen nicht, oder nur
in einem geringen Maße,
von der Umgebung der Antenne beeinflusst wird.
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In
diesem Dokument bedeutet der Ausdruck Dielektrikum ein Material,
dessen dielektrische Konstante größer als 1 ist. Durch Verändern der
Geometrie der Übertragungsleitung
und der dielektrischen Eigenschaften der unmittelbaren Umgebung
der Übertragungsleitung
kann eine optimale Beziehung zwischen den elektrischen Parametern
für die
Frequenzen f und 2f erreicht werden. Auf diese Weise ist es möglich, Transponder
herzustellen, die an jede gegebene Positionierung des Transponders
angepasst werden, zum Beispiel in oder auf einem Skistiefel, einer
Jacke, Rettungsweste oder dergleichen.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 stellt
eine zweidimensionale Ansicht eines Transponders gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung dar,
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2 stellt
eine zweidimensionale Ansicht eines Transponders gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung dar,
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3 stellt
eine Seitenansicht einer ersten Art und Weise zur Befestigung von
Transpondern gemäß 1 und 2 dar,
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4 stellt
eine Seitenansicht einer zweiten Art und Weise zur Befestigung von
Transpondern gemäß 1 und 2 dar,
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5 ist
ein elektrisches Äquivalenzdiagramm
eines Transponders gemäß der Erfindung,
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6 stellt
ein vereinfachtes Verbindungsdiagramm für den Transponder gemäß 1 dar,
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7 stellt
einen Transponder mit einem M-förmigen
Spalt dar, und
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8 ist
eine Teilseitenansicht mit den Symmetrielinien A-A und B-B, wobei die Seitenansicht das
Nahfeld des HF-Energiefeldes um die Antenne schematisch darstellt.
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ERLÄUTERNDE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 stellt
einen Transponder mit Antennenelementen 1, 2 und
eine Diode 3 dar. Die Antennenelemente 1, 2 bilden
eine Antenne, die in dieser Ausführungsform
aus einer Metallfolie 4 hergestellt ist. Die Metallfolie 4 weist
einen T-förmigen
Spalt mit einem waagerechten Abschnitt 5 und einem senkrechten
Abschnitt 6 auf. Die Diode befindet sich über dem
senkrechten Abschnitt 6 des Spalts. Der T-förmige Spalt
teilt die Metallfolie in zwei Hauptoberflächen, die durch eine Zusatzoberfläche 7 zusammengefügt sind.
Das Antennenelement 1 ist ein Teil einer der Hauptoberflächen, das
Antennenelement 2 ist ein Teil der anderen Hauptoberfläche. Die
anderen Teile der jeweiligen Hauptteile bilden zusammen mit der Zusatzoberfläche eine Übertragungsleitung 8,
die in dieser Ausführungsform
des Transponders kurzgeschlossen ist.
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Die Übertragungsleitung
ist mit einer einfachen Kreuzschraffierung dargestellt, die Antennenelemente
mit doppelter Kreuzschraffierung. Der Übergangsbereich zwischen den
Antennenelementen und der Übertragungsleitung
ist nicht so scharf wie in den Figuren dargestellt. Die Diode 3 wird
zwischen den Antennenelementen angelötet. Die Antennenelemente werden
geätzt,
gestanzt oder auf andere geeignete Weise aus der Metallfolie 9 hergestellt.
Die Metallfolie 4 kann, muss jedoch nicht, auf einer Unterlage 9 angeordnet
werden.
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2 stellt
eine zweite Ausführungsform
eines Transponders gemäß der Erfindung
dar. Die Ausführungsform ähnelt der
in 1 dargestellten, mit dem Unterschied, dass die
Zusatzoberfläche 7 in zwei
Zusatzoberflächen 7A und 7B geteilt
ist, die ein Teil der Übertragungsleitung 9 sind,
die für
Gleichstrom offen, jedoch für
Signale kurzgeschlossen ist.
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Gemäß der Erfindung
sind die Transponder in 1 beziehungsweise 2 von
einem Dielektrikum 10 eingeschlossen. Um dies zu erreichen,
werden die Transponder auf eine erste beziehungsweise zweite Art
und Weise befestigt, wie in 3 beziehungsweise 4 dargestellt.
In 3 wird der Transponder als Guss in ein Dielektrikum
dargestellt, der aus zwei Schichten gefertigt sein kann, jedoch
nicht sein muss, wie durch die gestrichelte Linie 11 angezeigt wird.
In 4 ist der Transponder im Inneren eines Hohlraums
in einem Dielektrikum 10 befestigt. Die Befestigung wird
zum Beispiel mittels Klebstoff, einer Klebeschicht auf der Unterlage 9 oder
auf eine andere geeignete Weise durchgeführt.
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Der
Grund für
das Einschließen
des ganzen Transponders mit der dielektrischen Schicht wird weiter
unten detaillierter beschrieben.
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5 stellt
ein elektrisches Äquivalenzdiagramm
für den
Transponder 1 gemäß der Erfindung dar.
Es umfasst eine Empfängerantenne 13,
ein erstes Anpassungsnetzwerk 14, das zwischen der Empfängerantenne
und der Diode 3 verbunden ist, und ein zweites Anpassungsnetzwerk 15,
das zwischen der Diode 3 und einer Senderantenne 16 verbunden ist.
Die Empfängerantenne
empfängt
HF-Energie auf der Basisfrequenz f, die zu der Diode 3 durch
das erste Anpassungsnetzwerk 14 gespeist wird. Die Diode
ist ein nichtlineares Element, das aus der empfangenen HF-Energie
eine große
Anzahl von Harmonien der Basisfrequenz erzeugt, von denen die Harmonie
der doppelten Basisfrequenz 2f, die in dieser Verbindung von Interesse
ist, durch das zweite Anpassungsnetzwerk an die Senderantenne 16 ausgegeben
wird. Der größtmögliche Teil
der HF-Energie, die von der Empfängerantenne 13 auf
der Basisfrequenz empfangen wird, soll zu der Diode 3 geliefert werden,
wobei zu diesem Zweck das erste Anpassungsnetzwerk 19 dient,
das die Impedanz der Empfängerantenne 13 an
die Impedanz der Diode anpasst.
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Um
den Stand der Technik der Erfindung zu erklären, zeigt 5,
dass der Transponder 1 zwei getrennte Antennen 13 und 16 und
zwei getrennte Anpassungsnetzwerke 14, 15 aufweist.
In der Praxis bilden diese zwei Antennen eine einzige Antenne. Auf ähnliche
Weise sind die zwei Anpassungsnetzwerke in der Praxis ein einziges
Anpassungsnetzwerk.
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Der
größtmögliche Teil
der HF-Energie, die von der Diode auf der doppelten Basisfrequenz
2f erzeugt wird, soll zu der Senderantenne 16 geliefert und
dadurch gesendet werden, wobei zu diesem Zweck mithilfe des zweiten
Netzwerkes 15 die Impedanz der Senderantenne an die Impedanz
der Diode angepasst wird. Wenn diese zwei HF-Energie-Teile, das
heißt,
der Teil der HF-Energie, der auf f empfangen wird, und der Teil,
der auf 2f übertragen
wird, zur gleichen Zeit so groß wie
möglich
sind, dann wird der Transponder für optimiert gehalten, und genau
dies beabsichtigt die Erfindung zu erreichen. Wenn zum Beispiel
der Sender durch 10 mW/m2 getroffen wird, dann
absorbiert die Empfängerantenne 13 einen
Teil dieser Energie, zum Beispiel 0,01 mW. Es sind genau diese 0,01
mW, die dann die Summe aller Inklusivverluste der Energien der Harmonischen
bilden. Es ist dieser Teil dieser 0,01 mW, die auf der Frequenz 2f
liegen, der so groß wie
möglich
gemacht werden muss.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird eine Übertragungsleitung
als Impedanzanpassungsnetzwerk benutzt. Durch die Benutzung einer Übertragungsleitung
können
mehrere Grade bezüglich
der Gestaltungsfreiheit des Transponders erhalten werden und der
anderenfalls negative Einfluss der Umgebungen auf die elektrischen
Eigenschaften des Transponders kann konstruktiv genutzt werden.
Im Allgemeinen werden die Eigenschaften einer Übertragungsleitung durch die
Geometrie der Übertragungsleitung
bestimmt, wie durch die Form, Länge,
Breite, Dicke der Übertragungsleitung
und die elektrischen Parameter der Umgebungen. Nur die elektrischen
Parameter der Umgebungen können
die Übertragungsleitung/Antenneneigenschaften
negativ beeinflussen.
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Die Übertragungsleitung
wird gemäß der Erfindung
von einem Dielektrikum umgeben, das elektrische Feldlinien auf die Übertragungsleitung
konzentriert. Je näher
die elektrischen Feldlinien innerhalb eines Bereichs zueinander
liegen, desto mehr HF-Energie wird von der Übertragungsleitung in diesem
Bereich transportiert. In dieser Gestaltung des Anpassungsnetzwerks
findet im Wesentlichen der gesamte Transport von HF-Energie in dem
Dielektrikum statt. Wenn die Übertragungsleitung
von einem Dielektrikum 10 vollständig umgeben ist, beeinflussen
die Umgebungen außerhalb
des Dielektrikums den Transport von HF-Energie kaum oder nur in
geringem Maße.
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Der
Fachmann erkennt, dass außer
den Umgebungen andere Faktoren die Impedanz der Übertragungsleitung beeinflussen,
wie der Abstand zwischen den Leitern der Übertragungsleitung und die Dielektrizitätskonstante
des Materials, das die Übertragungsleitung
umgibt. Auf ähnliche
Weise beeinflusst der Abstand zwischen dem Dielektrikum und einer Übertragungsleitung
die Impedanz einer Übertragungsleitung.
Durch Auswählen
von geeigneten Dicken, Längen
und der Dielektrizitätskonstante
des Dielektrikums 10 und durch Umgeben der Übertragungsleitung
mit dem Dielektrikum 10 werden die HF-Energie-Teile optimiert
und der Umgebungseinfluss auf die Impedanz der Übertragungsleitung reduziert.
Wenn die Diode verändert
wird, dann müssen die
Eigenschaften der Übertragungsleitung
derart verändert
werden, dass ihre Impedanz mit der Impedanz der Diode und der Impedanz
der Antenne übereinstimmt.
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6 stellt
ein elektrisches Äquivalenz-verbindungsdiagramm
für eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Transponders gemäß der Erfindung dar.
Eine Dipolantenne mit den Antennenelementen 1, 2 wird
von einer Übertragungsleitung 8 gespeist, die
auf herkömmliche
Weise aus zwei Leitern gebildet wird. Eine Diode 3 verbindet
die Antennenelemente miteinander. Ein Kurzschlussstück 18 verbindet
die Leiter der Übertragungsleitung
miteinander. Die Übertragungsleitung 8 weist
eine charakteristische Impedanz Z0 und die
Diode eine Impedanz ZL auf. Dieses Verbindungsdiagramm
entspricht der Ausführungsform
gemäß 1.
Die Übertragungsleitung
kann mit einem Gamma-Anpassungssystem verglichen werden. Durch Verändern der
Position des Kurzschlussstücks
entlang der zwei Leiter kann die Impedanzanpassung variiert werden.
Die doppelt kreuzschraffierten Oberflächen der Antennenelemente 1, 2 in 6 entsprechen
den doppelt kreuzschraffierten Antennenelementen in 1,
während die Übertragungs-leitung 8 in 6 anderen,
einfach kreuzschraffierten Folienoberflächen in 1 entspricht.
Zum Beispiel durch Variieren der Breite und der Länge des
waagerechten Spalts 5 (1) und durch
Umgeben der Übertragungsleitung
mit einem Dielektrikum werden die elektrische Länge der Übertragungsleitung und dadurch
sogar die Impedanzanpassung des Antennensystems der Diode beeinflusst.
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In 1 und 2 sind
die Spalte 5 mit einer T-Form dargestellt. Die T-Form ist
von einem herstellungstechnologischen Standpunkt betrachtet geeignet.
Auch ist ein T ist symmetrisch, was bedeutet, dass die HF-Energieverteilung
auf einer T-förmigen Antenne
symmetrisch ist. Die Form des Spalts ist für die Erfindung nicht von Bedeutung.
In alternativen Ausführungsformen
des Transponders sind die Spalte C-, O-, M-, V-, W-, L-förmig oder weisen eine andere
Form auf. Der Anmelder hat herausgefunden, dass die Länge des
Spaltes die Impedanz der Übertragungsleitung
in größerem Maße beeinflusst
als die Breite des Spalts. 7 stellt
einen Transponder mit M-förmigen
Spalten dar. Wenn, bezüglich 6,
das Kurzschlussstück 18 derart
verändert
wird, dass es eine Gleichstromunterbrechung aufweist, werden die Antennenelemente 1 und 2 von
einer Übertragungsleitung 8 versorgt,
die bezüglich
des Gleichstroms offen ist, jedoch bezüglich der Signale kurzgeschlossen
ist. Solch eine Ausführungsform
entspricht dem Transponder gemäß 2,
der den Rest betreffend auf die gleiche Weise funktioniert wie der
Transponder in 1. Die Antennenelemente 1, 2 in 6 sind
durch die doppelt kreuzschraffierten Folienoberflächen in 2 dargestellt.
Die anderen, einfach kreuzschraffierten Folienoberflächen in 2 entsprechen
einer offenen Übertragungsleitung.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Trennung der Funktion des Transponders als eine Antenne von
der Funktion des Transponders als eine Anpassungseinheit. Die Funktion
des Transponders als eine Antenne und seine Funktion als eine Anpassungseinheit werden
somit unterschiedlich durch die Umgebungen beeinflusst. Wie oben
beschrieben, wird die Impedanzanpassungsfunktion einer Übertragungsleitung, die
von einem Dielektrikum umgeben ist, nicht durch die Umgebungen beeinflusst.
In der US-Patentschrift 4,331,957 wird die Impedanz der Antenne
jedoch durch die Umgebungen beeinflusst. Bezüglich der Frequenzveränderungen,
auf die in der obigen Beschreibung des Problems Bezug genommen worden ist
und die auftreten, wenn der Transponder in einem Skistiefel aus
Kunststoff befestigt wird, hat der Anmelder herausgefunden, dass
diese nur von dem Umgebungseinfluss auf die Impedanzeigenschaften des
Transponders abhängen.
Dies hängt
nicht von den reflektierten und direkten HF-Wellen auf der doppelten
Harmonischen der Basisfrequenz ab, die zueinander phasenverschoben
sind, wie der Anmelder zunächst
angenommen hatte. Der Anmelder hat die vorliegende Erfindung nach
unzähligen
Experimenten und der Gestaltung unterschiedlicher theoretischer
Modelle entwickelt, die den Grund für die genannte Frequenzverschiebung
erklärt.
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In
der Ausführungsform
gemäß 1 und 2 werden
die Antennenelemente und die Übertragungsleitung
auf vorteilhafte Weise zusammengefügt, wobei die Antennen- und
die Anpassungsfunktion gleichzeitig getrennt gehalten werden.
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Dies
ermöglicht
die physikalisch kleine Herstellung der Antenne, zum Beispiel kleiner
als die Hälfte
der Wellen-länge
für die
Basisfrequenz f, wobei der tatsächliche
Teil der Impedanz der Antenne reduziert und ihr reaktiver Bestandteil
erhöht
wird.
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Durch
Anordnen einer Übertragungsleitung als
Impedanzanpassungseinrichtung kann die Impedanz der Antenne an die
Impedanz der Diode angepasst und der reaktive Bestandteil der Antenne
eliminiert werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Dimensionierung des Transponders für unterschiedliche äußere Umgebungen
und für
unterschiedliche Größen, wobei
gleichzeitig der Einfluss der Umgebungen auf den Transponder reduziert
wird. Durch die Trennung der Antennenfunktion von der Anpassungs-funktion
kann die HF-Energieoptimierung durch Einstellen der Übertragungsleitung
und nicht der Antenne erreicht werden.
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Während ein
Dielektrikum um die Übertragungsleitung
angeordnet wird, wird gleichzeitig die HF-Energieanpassung beeinflusst.
In einer Situation, in der der Transponder nahe am menschlichen
Körper
getragen wird, fungiert der menschliche Körper als Transponder für die hereinkommende
HF-Energie. Insbesondere wird die HF-Energie reflektiert, die durch
den Transponder erzeugt und auf der doppelten Harmonischen 2f gesendet
wird. Diese reflektierte HF-Energie auf der doppelten Harmonischen
kann durch die Wahl einer geeigneten Dicke des Dielektrikums 10 dazu
gebracht werden, mit der HF-Energie, die aus dem Transponder auf
der doppelten Harmonischen 2f direkt ausgestrahlt wird, in Phase
zu liegen. Dies erhöht
die Feldstärke
des Transponders und ist aus der US-Patentschrift 4,331,957 bekannt. Solche
Feldstärkenerhöhungen,
kombiniert mit der erfindungsgemäßen Art
und Weise des (i) Beeinflussens der Energieanpassung mit einer Übertragungsleitung
und (ii) Reduzierens des Umgebungseinflusses auf den Energie-transport
in einer Übertragungsleitung,
stellen einen Transponder mit besseren elektrischen Eigenschaften
bereit.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass die Übertragungsleitung 8 als
Gleichstrom-Rückleitung
für den HF-Strom,
der von der Diode gleichgerichtet wird, dienen kann, aber nicht
muss.
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In
der obigen Beschreibung ist das elektrische Feld um die Übertragungsleitung
herum betrachtet worden. Wenn das Dielektrikum nur die Übertragungsleitung,
jedoch nicht die Antenne umgibt, dann tritt eine Kopplung zwischen
dem Nahfeld der Antenne und der Umgebung der Antenne auf. Im Allgemeinen
ist es bei Antennen so, dass das Nahfeld einer Antenne mit der Wellenlänge in Beziehung steht.
Mit den Frequenzen 917 MHz und 1834 MHz weist das Nahfeld eine Größe in der
Ordnung von etwa 6 beziehungsweise 3 cm auf. Die Kopplung funktioniert
derart, dass sich die Impedanz der Antenne verändert. Zum Beispiel kann man
erwähnen, dass,
wenn sich die Antenne in der Nähe
eines elektrisch leitenden Gegenstands befindet, eine Impedanzveränderung
auftritt, die von dem Abstand zu dem elektrisch leitenden Gegenstand
abhängt.
Solch eine Impedanzveränderung
ist nicht wünschenswert, da
sie der Anpassung der Antenne an die Diode und dem Anpassungsnetzwerk
entgegenwirkt. Die variierende Antennenimpedanz verursacht ein Problem, das
dem in der obigen Problembeschreibung ähnlich ist, nämlich dass
die Erkennungsausstattung auf eine andere Frequenz abgestimmt werden
muss, um das Signal erkennen zu können, das von dem Transponder
weiter übertragen
wird. Wie vorher aufgezeigt wurde, ist es in der Praxis nicht möglich, solch
eine erneute Abstimmung durchzuführen.
Die Erfindung überwindet
dieses Problem durch das Umgeben der Antenne mit einem Dielektrikum,
das derart gestaltet ist, dass der Umgebungseinfluss auf das Nahfeld
der Antenne reduziert wird. Die HF-Energieverluste in dem Nahfeld
der Antenne können
dadurch gering gehalten werden, was bedeutet, dass der Grad der
Effizienz der Antenne gut ist. 8 zeigt,
dass, wenn die Antenne von einem Dielektrikum umgeben ist, die Feldlinien
innerhalb des Dielektrikums konzentriert werden, was bedeutet, dass
innerhalb des Dielektrikums ein großer Teil der gespeicherten
HF-Energie existiert. Außerhalb
des Dielektrikums liegen die Feldlinien weiter auseinander, was
bedeutet, dass der Energieaustausch zwischen den elektrisch leitenden
Gegenständen
in dem Nahfeld der Antenne sehr gering ist. Folglich beeinflussen
die Umgebungen das Nahfeld der Antenne nicht in großem Maße. Der Energietransport
in dem Fernfeld der Antenne wird durch das Dielektrikum nicht beeinflusst.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Feldlinien um die
Symmetrieachsen B-B in 8 symmetrisch sind, obwohl sie
nicht auf den oberen Teil der Figur gezeichnet sind.
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Wenn
dieses Dielektrikum ferner derart gestaltet wird, dass der reaktive
Teil der Impedanz der Antenne und der reaktive Teil der Diode und
die Impedanz des Anpassungsnetzwerks einander aufheben, dann ist
die Energie maximal, die auf dem Doppelten der Senderfrequenz 2f
ausgesendet wird. Aus diesem Grund ist der Transponder resonant.
Durch den Umgebungseinfluss des Nahfeldes, das reduziert wird, ist
die Impedanz der Antenne im Wesentlichen konstant. Die Effizienz
des Transponders ist folglich gut. Die Resonanzfrequenz für den Transponder
wird nicht nur auf die Diode abgestimmt, sondern auf die Diode und
das Dielektrikum. Wenn ein Dielektrikum um die Antenne angewendet
wird, verringert sich die Resonanzfrequenz des Transponders, was
in dem vorliegenden Fall nicht wünschenswert
ist, da die bereits existierende Erkennungsausstattung dadurch auf
die neue Resonanzfrequenz abgestimmt werden muss, was aufgrund der
in der Einleitung der Beschreibung gegebenen Gründe nicht wünschenswert ist. Folglich wird
die Resonanzfrequenz auf die Diode und das Dielektrikum abgestimmt.
In diesem Fall ist die HF-Energie maximal, die von dem Transponder
auf dem Doppelten der Basisfrequenz 2f weiter übertragen wird.
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Die
Anpassung der reaktiven Teile der Impedanz der Diode und des Anpassungsnetzwerkes
an den reaktiven Teil der Antenne tritt durch das Variieren der
Dimensionen der Antenne oder durch das Variieren der Dicke des Dielektrikums
oder einer Kombination dieser Handlungen auf. Für eine gegebene Dicke des Dielektrikums
muss die Antenne deshalb verändert
werden. Andersherum muss für
eine gegebene Dimension der Antenne die Dicke des Dielektrikums
verändert
werden. Wenn die Dicke des Dielektrikums über eine bestimmte Grenze hinaus
erhöht wird,
führt eine
weitere Erhöhung
der Dicke nicht dazu, dass das Nahfeld sogar noch unabhängiger von den
physikalischen Umgebungen der Antenne ist. Was in diesem Abschnitt
bezüglich
der Anpassung erwähnt
wurde, gilt für
ein Dielektrikum mit einer festgelegten dielektrischen Konstante.
Eine Anpassung kann auch durch Wählen
eines dielektrischen Materials stattfinden, das eine andere dielektrische
Konstante aufweist.
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Die
Anpassung der Resonanzfrequenz der Antenne an die Diode und der
Impedanzen des Anpassungsnetzwerkes findet durch Variieren der Dimensionen
für die
Antennen, durch Variieren der Impedanz des Anpassungsnetzwerkes
oder durch eine Kombination dieser Handlungen statt. Für eine gegebene
Antennengröße wird
die Impedanz des Anpassungsnetzwerkes variiert. Für ein gegebenes
Anpassungsnetzwerk werden die Dimensionen der Antenne variiert.
Es ist ebenfalls möglich,
den reaktiven Teil der Impedanz der Antenne an den reaktiven Teil
der Diode und an die Impedanzen des Anpassungsnetzwerkes durch Austauschen
der Diode gegen eine neue Diode mit anderen elektrischen Eigenschaften anzupassen.
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Bei
einer Antenne mit einer dielektrischen Umgebung kann die Antenne
von einem dielektrischen Material umgeben werden, das auf die Art
und Weise geformt ist, die in 1 und 2 dargestellt ist.
Solch eine Antenne kann ebenfalls in einem Gehäuse aus dielektrischem Material
auf die Art und Weise befestigt werden, die in 4 dargestellt
ist.