DE60102713T2

DE60102713T2 - Punktuelle messvorrichtung eines hochfrequenz-magnetfeldes mit konstanter amplitude und frequenz

Info

Publication number: DE60102713T2
Application number: DE60102713T
Authority: DE
Inventors: Jacky Bouvier; Philippe Geoffroy
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Zarbana Digital Fund LLC
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: EP1320759A1; FR2814242B1; JP2004510135A; US20030184288A1; WO2002025295A1; EP1320759B1; AU2001290047A1; US7573263B2; FR2814242A1; JP4593876B2; DE60102713D1; US20070126423A1; US7429859B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Messung von Magnetfeldern.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur punktuellen Messung eines Radiofrequenz-Magnetfelds mit konstanter Amplitude und Frequenz.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf kontaktlose Kartenleser anwendbar und insbesondere für Lesegeräte für Komponenten mit integrierter Spule.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es gestattet das Magnetfeld zu messen, das unter anderem von kontaktlosen Kartenlesern erzeugt wird, insbesondere für Systeme, bei denen das Feld in etwa 10^–3 Tesla beträgt.
Nach Kenntnis des Erfinders ist für diesen Anwendungsfall keines der bisher vorgeschlagenen Systeme vollständig zufriedenstellend. FR 2 780 222 A beschreibt ein System mit induktiver Kopplung, um binäre Daten zu übertragen. JP 01 080872 A offenbart eine Meßvorrichtung für die Verteilung eines elektrischen Stroms einer Antenne. Diese Vorrichtung kann auch zur Messung eines Radiofrequenz-Magnetfelds verwendet werden und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungsgesteuerter Oszillator derart gesteuert wird, daß die Ausgangsfrequenz von der Amplitude des in einer primären Antenne empfangenen Magnetfelds abhängt. GB 2 154 328 A beschreibt eine Vorrichtung zur Messung des Stromverbrauchs. Ein spannungsgesteuerter Oszillator wird derart gesteuert, daß die Ausgangsfrequenz von der Amplitude eines Magnetfelds abhängt, das in einer Hallsonde empfangen wird, und proportional zum Strom in einem Kabel ist.
Das zuvor genannte Ziel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch einen Vorrichtung zur Messung eines Radiofrequenz-Magnetfelds erreicht, die dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem gemeinsamen Träger folgendes umfaßt:

– eine Spule, die eine primäre Empfangsantenne bildet,
– einen spannungsgesteuerten Oszillator, der in der Weise gesteuert wird, daß seine Ausgangsfrequenz von der Amplitude des Magnetfelds abhängt, das in der die Empfangsantenne bildenden Spule empfangenen wird,
– eine Absorptionsmodulationslast, die mit dem Ausgang des Oszillators verbunden ist,
– eine sekundäre Antenne, die auf das Magnetfeld anspricht, das durch die Absorptionsmodulation beeinflußt ist, die aus der Versorgung der Last durch den spannungsgesteuerten Oszillator resultiert, und
– Mittel zur Nutzbarmachung des auf der sekundären Antenne verfügbaren Signals.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Träger durch eine Karte aus nicht-magnetischem Material gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung auf dem Träger einen integrierten Chip, der die primäre Antenne, den spannungsgesteuerten Oszillator und die Absorptionsmodulationslast zusammenfaßt.
Weitere Eigenschaften, Ziele und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden sowie mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung, die nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind, und in denen 1 schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt und 2 eine detaillierte Ansicht der aus der primären Antenne, dem spannungsgesteuerten Oszillator und der Modulationslast gebildeten Einheit darstellt.
In der beigefügten 1 ist schematisch unter 1 die Erregerwicklung eines kontaktlosen Kartenlesers und unter 10 eine aus nicht-magnetischem Material bestehende und einen Träger bildende Karte, die die Gruppe von Komponenten trägt, die die Meßvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung bilden, dargestellt.
Typischerweise aber nicht einschränkend ist die Erregerwicklung 1 dazu ausgebildet ein Radiofrequenz-Magnetfeld mit einer Amplitude von etwa 10^–3 Tesla bei einer Frequenz von 13,56 MHz auszusenden.
Typischerweise aber nicht einschränkend hat der die Karte 10 bildende Träger die Abmessungen 55 × 85 mm.
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau im folgenden genauer beschrieben wird, besteht zum einen aus einem Sensor 20 mit geringen Abmessungen, der in das Magnetfeld der Erregerwicklung 1 eingeführt wird und der geeignet ist Informationen über die empfangene Energie nach außen zu übertragen, und zum anderen aus Mitteln 30, die es gestatten diese Informationen zu verarbeiten, um die Größe des Magnetfelds zu verstärken, zu berechnen und in direkter Ablesung auf einer Anzeige 36 die Größe des Magnetfelds an genau der Stelle, an der sich der Sensor 20 befindet, anzuzeigen.
Der Sensor 20 wird gebildet:

– zum einen aus einem elektronischen Chip 21 mit kleinen Abmessungen (beispielsweise 1,4 mm Seitenlänge), der eine integrierte Spule, die eine primäre Empfangsantenne AP bildet, einen VCO oder spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Frequenz vom Magnetfeld abhängt, in dem der Chip 21 sich befindet, und einer Absorptionsmodulationsvorrichtung MA, die es gestattet die Frequenzinformation des VCO nach außen zu übertragen, umfaßt;
– zum anderen aus einer Antenne 22, die aus mehreren Windungen, beispielsweise 2, eines elektrischen Leiters gebildet und eng um den elektronischen Chip 21 gewickelt ist und die eine sekundäre Antenne bildet.

Vorzugsweise wird die Absorptionsmodulationsvorrichtung MA aus einem Widerstand Rmod gebildet, der mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators verbunden ist. Außerdem ist letzterer vorzugsweise dafür ausgebildet ein Frequenzsignal zwischen 500 und 15000 Hz auszusenden.
Die Übertragungsfunktion Magnetfeld/Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird zuvor im Labor geeicht.
Das Nutzbarmachungsmittel 30 ist mit dem Ausgang der sekundären Antenne 22 verbunden. Somit erhalten die Nutzbarmachungsmittel 30 ein Signal, dessen Grundfrequenz der Sendefrequenz der Erregerwicklung entspricht und dessen Amplitude im Takt der durch den spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten Frequenz moduliert ist, wobei diese Frequenz charakteristisch für die auf dem Chip 21 empfangene Amplitude des Magnetfelds ist.
Die Nutzbarmachungsmittel für das auf der sekundären Antenne 22 verfügbare Signal können in zahlreichen Varianten realisiert werden.
Entsprechend der bestimmten aber nicht einschränkenden Ausführungsform, die in der beigefügten 1 dargestellt ist, umfassen diese Nutzbarmachungsmittel:

– einen Amplitudendemodulator 31, der an den Ausgang des Sensors 20 angeschlossen ist, genauer an den Ausgang der sekundären Wicklung 22, wobei der Demodulator 31 eine Frequenzinformation mit niedrigem Pegel in der Größenordnung von einigen Millivolt liefert,
– einen RC-Filter 32, der mit dem Ausgang des Demodulators 31 verbunden ist,
– eine Verstärkereinheit 33, die mit dem Ausgang des Filters 32 verbunden ist und die einen ausreichenden Verstärkungsfaktor hat zur Auslösung
– eines Komparatorsystems 34, das am Ausgang ein Frequenzsignal mit Logikpegel erzeugt, der kompatibel ist mit
– Bearbeitungsmitteln 35, die vorzugsweise einen Standardmikrocontroller einsetzen, wie beispielsweise der Mikrocontroller MC68HC11 von Motorola.

Dieser Mikrocontroller 35 ist in der Weise programmiert, daß er ausgehend von der Frequenzinformation mittels der zuvor genannten Übertragungsfunktion die Größe des am Chip 21 vorliegenden Magnetfelds quasi punktuell berechnet.
Das Programm des Mikrocontrollers 35 verwaltet ebenso das Anzeigen der Größe des Magnetfelds, vorzugsweise in Gauß ausgedrückt, in Echtzeit auf einer Anzeige 36. Diese ist vorzugsweise vom Flüssigkristalltyp und auf dem Kartenträger 10 integriert. Allerdings kann die Anzeige gegebenenfalls auch auf ein außerhalb der Trägerkarte 10 liegendes Modul ausgelagert werden.
Die vorliegende Erfindung kann im gesamten Einsatzbereich der Messung von Radiofrequenz-Magnetfeldern mit konstanter Frequenz und Amplitude, insbesondere zur Einstellung der Erregerwicklungen 1, mit denen kontaktlose Kartenleser auf kurze Entfernung ausgerüstet sind, Anwendung finden.
In der beigefügten 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Chips 21 dargestellt, der die primäre Antenne AP, den spannungsgesteuerten Oszillator VCO und die Modulationslast MA integriert.
In diesem Beispiel wird die am Ausgang der primären Antenne AP verfügbare Wechselspannung durch einen Gleichrichter R gleichgerichtet und durch einen Kondensator C gefiltert, um eine Gleichspannung VDD zu liefern. Diese versorgt den spannungsgesteuerten Oszillator VCO und steuert diesen mittels einer durch VDD versorgten resistiven Teilerbrücke R1/R2. Der Modulationswiderstand Rmod ist in Reihe mit dem Hauptleitungsweg eines Schalttransistors T geschaltet und an VDD angeschlossenen. Der Transistor T wird durch den Ausgang des VCO (genannt "FOUT" in 2) gesteuert.
Der durch den Modulationswiderstand Rmod fließende Gleichstrom wird mit der Frequenz des VCO zerhackt, wobei diese Frequenz von der Amplitude des in der primären Spule AP empfangenen Felds abhängt. Dadurch wird der in der primären Antenne AP fließende 13,56 MHz Wechselstrom moduliert.
Da die primäre AP und sekundäre 22 Antenne eng gekoppelt sind, induziert dieser Strom in der sekundären Antenne 22 eine elektromotorische Kraft (EMK). Diese EMK kommt zu der durch die Erregerwicklung 1 des Lesegeräts induzierten hinzu.
Die resultierende EMK ist daher eine Wechselspannung mit 13,56 MHz, deren Amplitude schwach mit der Frequenz des VCO moduliert wird.
Der Modulationswiderstand Rmod muß einen hinreichend kleinen Wert haben, um einen Strom zu erzeugen, der es gestattet eine detektierbare EMK zu erhalten, er sollte allerdings nicht zu klein sein, damit die den VCO versorgende zurückgewonnene Gleichspannung nicht beeinträchtigt wird. Er kann beispielsweise 20 kΩ betragen.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gerade beschriebene bestimmte Ausführungsform eingeschränkt.
Jede Vorrichtung, die fähig ist, elektrischen Strom aufzunehmen, kann zur Modulation verwendet werden. Beispielsweise kann ein Stromgenerator den Widerstand ersetzen.

Claims

Vorrichtung zur Amplitudenmessung eines Radiofrequenz-Magnetfelds, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem gemeinsamen Träger (10) folgendes umfaßt: – eine Spule, die eine primäre Empfangsantenne bildet, – einen spannungsgesteuerten Oszillator, der in der Weise gesteuert wird, daß seine Ausgangsfrequenz von der Amplitude des Magnetfelds abhängt, das in der die Empfangsantenne bildenden Spule empfangenen wird, – eine Absorptionsmodulationslast, die mit dem Ausgang des Oszillators verbunden ist, – eine sekundäre Antenne (22), die auf das Magnetfeld anspricht, das durch die Absorptionsmodulation beeinflußt ist, die aus der Versorgung der Last durch den spannungsgesteuerten Oszillator resultiert, und – Mittel (30) zur Nutzbarmachung des auf der sekundären Antenne (22) verfügbaren Signals.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) durch eine Karte aus nicht-magnetischem Material gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen integrierten Chip auf dem Träger umfaßt, der die primäre Antenne, den spannungsgesteuerten Oszillator und die Absorptionsmodulationslast zusammenfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Anzeige (36) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsmodulationslast durch einen Widerstand gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsmodulationslast einen Stromgenerator umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Antenne durch einige Windungen eines elektrischen Leiters gebildet wird, der eng um die aus der primären Spule, dem spannungsgesteuerten Oszillator und der Absorptionsmodulationslast gebildete Gruppe gewickelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Nutzbarmachung einen Demodulator (31) umfassen, der an den Ausgang der sekundären Antenne (22) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie am Ausgang des Demodulators einen Filter (32) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Nutzbarmachung einen Verstärker (33) mit hohem Verstärkungsfaktor umfassen, um ein Komparatorsystem (34) anzustoßen, das am Ausgang ein Frequenzsignal mit logischem Pegel erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Nutzbarmachung einen programmierten Mikrocontroller umfassen, um aus der am Ausgang der sekundären Antenne (22) verfügbaren Information eine für die Größe des magnetischen Felds charakteristische Information zu berechnen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die primäre Antenne bildende Spule (AP) einen Gleichrichter (R) treibt, der eine Gleichspannung (VDD) liefert, die den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) versorgt, diesen steuert und die Modulationslast (MA) versorgt, die in Reihe mit einem Schalttransistor (T) verbunden ist, der durch den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) gesteuert ist.