DE60312208T2

DE60312208T2 - Abstimmbare antennenschaltung, insbesondere für ein kontaktloses integriertes lesegerät

Info

Publication number: DE60312208T2
Application number: DE60312208T
Authority: DE
Inventors: Bruno Charrat
Original assignee: Inside Contactless SA
Current assignee: Inside Contactless SA
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: US7113139B2; AU2003292340A1; FR2847089B1; ATE355653T1; FR2847089A1; CN1711682B; US20050219132A1; DE60312208D1; CN1711682A; WO2004045074A1; EP1568130B1; EP1568130A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft induktive Antennenschaltungen, insbesondere für kontaktlose Lesegeräte für integrierte Schaltungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Antennenschaltung, die auf eine bestimmte Resonanzfrequenz abstimmbar ist, eine Antennenspule und justierbare Komponenten umfassend.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Abstimmen einer derartigen Antennenschaltung.
1 stellt schematisch ein kontakloses Lesegerät für integrierte Schaltungen RD dar, das mit einer Antennenschaltung 10 der oben genannten Art ausgestattet ist. Die Antennenschaltung 10 umfasst eine Spule L und justierbare Komponenten, hier zwei justierbare Kapazitäten CA1, CA2. Die Antennenschaltung empfängt ein Wechselspannungs-Erregungssignal Se der Frequenz F0, das das Lesegerät RD liefert, und erzeugt ein wechselndes Magnetfeld FLD. Dieses Magnetfeld erlaubt dem Lesegerät RD, durch induktive Kopplung mit kontaktlosen integrierten Schaltungen CIC1, CIC2, ... CICn zu kommunizieren, die selbst mit einer Antennenspule L1, L2, ... Ln ausgestattet sind. Die integrierten Schaltungen CIC1-CICn sind beispielsweise integrierte Schaltungen kontaktloser Chipkarten, integrierte Schaltungen kontaktloser elektronischer Etiketten („tags"), integrierte Schaltungen kontaktloser Abzeichen etc.
Die justierbaren Kapazitäten CA1, CA2 erlauben es, die Resonanzfrequenz der Antennenschaltung auf die Frequenz F0 des Erregungssignals abzustimmen, die beispielsweise entsprechend den Normen ISO 15693 und ISO 14443 13,56 MHz beträgt. Die Abstimmung der Antennenschaltung auf die Frequenz F0 erlaubt es, einen optimalen Kommunikationsabstand zwischen dem Lesegerät und den kontaktlosen integrierten Schaltungen zu erreichen.
Wenn auch diese Abstimmung im Allgemeinen zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Antennenschaltung erfolgt, ist diese doch danach Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen ausgesetzt, die ihre Resonanzfrequenz erheblich verstellen können. Die Anwesenheit metallischer Gegenstände in der Nähe der Antennenschaltung übt ebenfalls einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz aus. Die Antennenschaltung muss daher vor Ort erneut abgestimmt werden, um den Benutzungsbedingungen Rechnung zu tragen. Sie muss danach in regelmäßigen Abständen abgestimmt werden, wenn gewünscht wird, dass das Lesegerät RD einen optimalen Kommunikationsabstand aufweist.
Die Abstimmung der Antennenschaltung kann manuell erfolgen, diese Lösung erfordert jedoch den Einsatz qualifizierten Personals. Außerdem kann sich eine manuelle Abstimmung unter bestimmten Benutzungsbedingungen als schwierig erweisen. Betrachten wir beispielsweise ein Lesegerät für kontaktlose Abzeichen, dass der Zugangskontrolle zu Beförderungseinrichtungen im Hochgebirge (Sesselbahn, Seilschwebebahn ...) dient. Aufgrund der schlechten Wetterbedingungen und der sehr tiefen Temperaturen ist es schwierig, die Komponenten der Antennenschaltung von Hand mit Hilfe eines Schraubenziehers zu justieren.
In diesem Fall wird eine Antennenschaltung vorgesehen, die elektrisch abstimmbar ist und eine mitgeführte Einrichtung umfasst, die automatisch die Abstimmung der Antennenschaltung sicherstellt („Autotuning"), beispielsweise einmal täglich. Ein Beispiel einer derartigen Schaltung wird in der Schrift US-A-6 070 603 beschrieben.
2 zeigt eine elektrisch abstimmbare Antennenschaltung 20, die zu diesem Zweck Kapazitäten CA1, CA2 enthält, die elektrisch justierbar sind. Die Kapazität CA1 umfasst einen Kondensator CA1₀ in Parallelschaltung mit mehreren schaltbaren Kondensatoren CA1_i. Die Kapazität CA2 umfasst einen Kondensator CA2₀ in Parallelschaltung mit mehreren schaltbaren Kondensatoren CA2_j. Jede Kapazität CA1_i bzw. CA2_j ist mit Hilfe eines elektrischen Relais RL_j bzw. RL_j schaltbar, das mit der Kapazität in Reihe geschaltet ist. Die Relais RL_i werden durch Signale S_i gesteuert und die Relais RL_j werden durch Signale S_j gesteuert. Auf diese Weise bestimmt die Kombination der Signale S_i den Wert der Kapazität CA1 und die Kombination der Signale S_j den Wert der Kapazität CA2.
3 stellt Kurven der Phase j und der Impedanz Z der Antennenschaltung 20 dar, wenn diese ein Erregungssignal Se empfängt, das mit der Frequenz F0 von beispielsweise 13,56 MHz schwingt.
Die Abstimmung der Antennenschaltung auf die Frequenz F0 besteht theoretisch darin, ein bestimmtes Wertepaar der Impedanz Z und der Phase j zu finden, im Allgemeinen Z = 50W und j = 0°.
Eine Vorrichtung zur Messung der Phase j und der Impedanz Z ist jedoch im Allgemeinen zu kostspielig und sperrig, um eine mitgeführte Vorrichtung bilden zu können.
So besteht die mitgeführte Vorrichtung, die die automatische Abstimmung der Antennenschaltung sicherstellt, wie in 4 dargestellt, im Allgemeinen aus einem einfachen Iosmeter TMR, das zwischen der Antennenschaltung 20 und dem Lesegerät RD angeordnet ist, und einer Abstimmvorrichtung TC1, die die Signale S_i, S_j zur Steuerung der Relais der Antennenschaltung abgibt. Das Iosmeter misst den Anteil an stehenden Wellen und die Vorrichtung TC1 stimmt die Antennenschaltung derart ab, dass der Anteil an stehenden Wellen bei der Frequenz F0 minimal ist.
Dieses Abstimmverfahren ist einfach und wenig Kostspielig, leidet aber an einer mittelmäßigen Genauigkeit. Der Anteil an stehenden Wellen bietet tatsächlich eine Angabe, die, obwohl aussagekräftig, angesichts der gesammelten Erfahrungen für die Erzielung einer zuverlässigen und präzisen Abstimmung alleine jedoch als unzureichend angesehen werden kann. Außerdem ist eine Justierung der Antennenschaltung auf der Grundlage des Anteils an stehenden Wellen langwierig und schwer zu finden. Zahlreiche Kombinationen der Signale Si, Sj müssen getestet werden, bevor die als optimal angesehene Kombination gefunden ist.
So zielt die vorliegende Erfindung auf ein Abstimmungsverfahren für eine Antennenschaltung ab, das präziser ist, als das oben beschriebene herkömmliche Verfahren.
Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere auf ein Abstimmungsverfahren ab, das von einer einfach und kostengünstig herzustellenden, mitgeführten Vorrichtung ausgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung zielt ebenfalls auf eine Abstimmungsschaltung ab, die leicht abgestimmt werden kann.
Um diese Ziele zu erreichen, besteht die Idee der vorliegenden Erfindung darin, in eine Antennenschaltung ein Filter oder einen Phasenschieber zu integrieren, an dessen Anschlüssen eine Spannung erscheint, deren Amplitude eine aussagekräftige Angabe bildet, die ausgenutzt werden kann, um die Antennenschaltung präzise abzustimmen, wenn die Amplitude des Erregungssignals bekannt ist. Wenn die Amplitude des Erregungssignals nicht bekannt ist, sieht die vorliegende Erfindung vor, an den Anschlüssen des Filters zwei Spannungen zu messen und die Antennenschaltung derart abzustimmen, dass diese beiden Spannungen ein bestimmtes Amplitudenverhältnis und eine bestimmte Phasenverschiebung aufweisen.
Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung eine Antennenschaltung vor, die auf eine bestimmte Resonanzfrequenz abstimmbar ist, eine Antennenspule und justierbare Komponenten umfassend, sowie ein Filter, das integraler Bestandteil der Antennenschaltung ist und mindestens einen Abgreifpunkt einer elektrischen Spannung aufweist, deren Amplitude eine aussagekräftige Information zur Abstimmung der Antennenschaltung bildet.
In einer Ausführungsform ist das Filter am Eingang der Antennenschaltung angeordnet.
In einer Ausführungsform weist das Filter eine p-Struktur auf.
In einer Ausführungsform ist das Filter ein LC-Element.
In einer Ausführungsform umfasst das Filter eine Induktivität in Reihenschaltung und zwei Kapazitäten in Parallelschaltung.
In einer Ausführungsform umfasst die Antennenschaltung einen mitgeführten Messkreis, der mindestens am Abgreifpunkt der elektrischen Spannung an das Filter angeschlossen ist.
In einer Ausführungsform weist das Filter zwei Abgreifpunkte zweier elektrischer Spannungen auf, deren Amplitudenverhältnis eine aussagekräftige Information für die Abstimmung der Antennenschaltung ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Antennenschaltung einen mitgeführten Messkreis, der an die beiden Abgreifpunkte der beiden elektrischen Spannungen angeschlossen ist.
In einer Ausführungsform umfasst der Messkreis Amplitudenmessmittel, die zwei Gleichspannungs- oder -stromsignale abgeben, die zur Amplitude der elektrischen Spannungen proportional sind.
In einer Ausführungsform umfasst der Messkreis Mittel zur Messung der Phasenverschiebung zwischen den beiden elektrischen Spannungen.
In einer Ausführungsform liefern die Mittel zur Messung der Phasenverschiebung ein Gleichspannungs- oder -stromsignal, das zur Phasenverschiebung zwischen den beiden elektrischen Spannungen proportional ist.
In einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Messung der Phasenverschiebung ein logisches Gatter, das am Eingang aus den beiden elektrischen Spannungen hervorgegangene Signale empfängt, und Mittel zur Erstellung eines Gleichspannungs- oder -stromsignals, das zum Tastverhältnis eines Signals proportional ist, das vom logischen Gatter abgegeben wird.
In einer Ausführungsform umfasst die Antennenschaltung eine mitgeführte Abstimmungsvorrichtung, die zur Einstellung der justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart, dass die beiden elektrischen Spannungen ein bestimmtes Amplitudenverhältnis aufweisen, eingerichtet ist.
In einer Ausführungsform ist die Abstimmungsvorrichtung dafür eingerichtet, die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart einzustellen, dass die beiden elektrischen Spannungen die gleiche Amplitude haben.
In einer Ausführungsform ist die mitgeführte Abstimmungsvorrichtung dafür eingerichtet, die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart einzustellen, dass die beiden elektrischen Spannungen ebenfalls eine bestimmte Phasendifferenz aufweisen.
In einer Ausführungsform ist die Abstimmungsvorrichtung dafür eingerichtet, die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart einzustellen, dass die beiden elektrischen Spannungen eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst die Abstimmungsvorrichtung einen Mikroprozessor, der ein erstes Signal empfängt, das der Amplitude einer der beiden elektrischen Spannungen entspricht, ein zweites Signal, das der Amplitude der anderen elektrischen Spannung entspricht, und ein drittes Signal, das der Phasendifferenz zwischen den beiden elektrischen Spannungen entspricht, wobei der Mikroprozessor an die Antennenschaltung Signale zur Steuerung der justierbaren Komponenten abgibt.
In einer Ausführungsform empfängt die Antennenschaltung während der Abstimmung der Antennenschaltung durch die Abstimmungsvorrichtung ein Erregungssignal, das von einem kontaktlosen Lesegerät für integrierte Schaltungen abgegeben wird.
In einer Ausführungsform umfassen die justierbaren Komponenten elektrisch schaltbare Kapazitäten.
In einer Ausführungsform umfasst die Antennenschaltung justierbare Komponenten, die jeweils eine Kapazität, eine an die Kathode der Kapazität angeschlossene Diode und einen Schaltertransistor umfassen, um eine Vorspannung an die Anode der Diode anzulegen oder nicht anzulegen, derart, dass die Kapazität in der Antennenschaltung wirksam ist oder unwirksam.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein kontaktloses Lesegerät für integrierte Schaltungen, eine erfindungsgemäße Antennenschaltung umfassend.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Abstimmung einer Antennenschaltung, die eine Antennenspule und justierbare Komponenten umfasst, auf eine bestimmte Resonanzfrequenz, die folgenden Schritte umfassend: Einbinden eines Filters in die Antennenschaltung derart, dass der Filter inte graler Bestandteil der Antennenschaltung ist, Anlegen eines Erregungssignals an die Antennenschaltung, Abgreifen mindestens einer ersten elektrischen Spannung an einem Anschluss des Filters, Justierung der justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart, dass die erste elektrische Spannung eine bestimmte Amplitude aufweist.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte: Abgreifen einer zweiten elektrischen Spannung an einem anderen Anschluss des Filters; Einstellen der justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart, dass die beiden elektrischen Spannungen ein bestimmtes Amplitudenverhältnis aufweisen.
In einer Ausführungsform werden die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart eingestellt, dass die beiden elektrischen Spannungen die gleiche Amplitude aufweisen.
In einer Ausführungsform werden die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart eingestellt, dass die beiden elektrischen Spannungen ebenfalls eine bestimmte Phasendifferenz aufweisen.
In einer Ausführungsform werden die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung derart eingestellt, dass die beiden elektrischen Spannungen eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.
In einer Ausführungsform werden die beiden elektrischen Spannungen mit Hilfe einer mitgeführten Messschaltung gemessen, die dauernd mit dem Filter verbunden ist.
In einer Ausführungsform ist das Filter am Eingang der Antennenschaltung angeordnet.
In einer Ausführungsform weist das Filter eine p-Struktur auf.
In einer Ausführungsform ist das Filter ein LC-Element.
In einer Ausführungsform umfasst das Filter eine Induktivität in Reihenschaltung und zwei Kapazitäten in Parallelschaltung.
In einer Ausführungsform erfolgt die Abstimmung der Antennenschaltung mit Hilfe einer mitgeführten Abstimmungsvorrichtung, die dauernd mit dem Filter verbunden ist.
In einer Ausführungsform erfolgt die Abstimmung der Antennenschaltung mit Hilfe einer mitgeführten Abstimmungsvorrichtung, die einen Mikroprozessor umfasst, der derart programmiert ist, dass er die Antennenschaltung periodisch abstimmt.
In einer Ausführungsform empfängt die Antennenschaltung während ihrer Abstimmung ein Erregungssignal, das von einem kontaktlosen Lesegerät für integrierte Schaltungen abgegeben wird.
In einer Ausführungsform umfassen die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung elektrisch schaltbare Kapazitäten.
In einer Ausführungsform erfolgt die Abstimmung der Antennenschaltung mit Hilfe justierbarer Komponenten, die jeweils eine Kapazität, eine an die Kathode der Kapazität angeschlossene Diode und einen Schaltertransistor umfassen, um eine Vorspannung an die Anode der Diode anzulegen oder nicht, derart, dass die Kapazität in der Antennenschaltung wirksam ist oder unwirksam.
Diese Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, sowie weitere, werden in der folgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Antennenschaltung als nichteinschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die entsprechenden beigefügten Zeichnungen im Einzelnen deutlicher dargestellt werden. Es zeigen:
die oben beschriebene 1 schematisch ein kontaktloses Lesegerät, das mit einer abstimmbaren Antennenschaltung ausges tattet ist,
die oben beschriebene 2 eine abstimmbare Antennenschaltung, die elektrisch justierbare Komponenten umfasst,
die oben beschriebene 3 Phasen- und Impedanzkurven einer Antennenschaltung,
die oben beschriebene 4 eine herkömmliche abstimmbare Antennenschaltung, die mit einer automatischen Abstimmvorrichtung versehen ist,
5 ein kontaktloses Lesegerät, das eine erfindungsgemäße Antennenschaltung und eine erfindungsgemäße automatische Abstimmungsvorrichtung aufweist,
6 den Schaltplan einer Messschaltung, die in 5 als Block dargestellt ist,
7 den Schaltplan einer anderen Messschaltung, die in 5 als Block dargestellt ist,
8A bis 8D Steuerungsdiagramme elektrischer Signale, die die Arbeitsweise der Messschaltung der 7 zeigen,
9 ist das Schaltbild einer erfindungsgemäßen justierbaren Komponente,
10A und 10B sind Kurven, die die Arbeitsweise der justierbaren Komponente der 9 zeigen.
5 stellt ein Lesegerät RD kontaktloser integrierter Schaltungen dar, das eine erfindungsgemäße Antennenschaltung 30 umfasst und eine mitgeführte Abstimmungsvorrichtung TC2. Die Antennenschaltung 30 und die Abstimmungsvorrichtung TC2 können auf demselben Träger ausgeführt werden, beispielsweise derselben gedruckten Schaltungsplatte. Sie bilden dann eine globale Antennenschaltung, die automatische Abstimmungsmittel für die eigentliche Antennenschaltung umfasst.
Die erfindungsgemäße Antennenschaltung 30 umfasst eine Antennenschaltung 20 und ein Filter FP. Die Antennenschaltung 20 ist eine elektrisch abstimmbare Antennenschaltung, die elektrisch justierbare Komponenten umfasst. Ihr Aufbau ist beispielsweise der der weiter oben unter Bezug auf die 2 beschriebenen Antennenschaltung, deren Bezugszeichen übernommen wurden. Die Antennenschaltung 20 ist hier abgestimmt dargestellt in Form eines reinen Widerstandes Ra von 50W.
Das Filter FP ist hier an den Eingang der Antennenschaltung 20 angeschlossen und ist integraler Bestandteil der Antennenschaltung 30, wobei der Eingang des Filters FP den Eingang der Antennenschaltung 30 bildet. Ein Erregungssignal Se ist an die Antennenschaltung 30, also an den Eingang des Filters FP angelegt und wird durch den Filter FP der Antennenschaltung 20 übermittelt.
Zur Verdeutlichung wird im Folgenden die Antennenschaltung 20 mit „Teilantennenschaltung" bezeichnet, um sie von der Antennenschaltung 30 zu unterscheiden.
Das Filter FP ist hier ein p-Filter, das eine Drossel LF in Reihenschaltung und zwei Kapazitäten CF1, CF2 umfasst. Im Allgemeinen wird mit „Kapazität X" (wobei X beispielsweise CF1 oder CF2 ist) ein Kondensator bezeichnet, dessen Kapazität gleich X ist oder eine Gruppe von Kondensatoren in Reihen- und/oder Parallelschaltung, die eine resultierende Kapazität des Wertes X bildet.
Das Erregungssignal Se wird hier von einem kontaktlosen Lesegerät RD bereitgestellt, das einen Generator GEN eines Wechselspannungssignals mit einem inneren Widerstand in Reihe Ri von 50W umfasst.
Es wird hier davon ausgegangen, dass die erfindungsgemäße Antennenschaltung für Lesegeräte unterschiedlicher Herkunft bestimmt ist, deren elektrische Kenndaten nicht konstant sind, und es wird hier also die Nennamplitude Vnom des Erregungssignals Se als unbekannt angesehen. Die Nennamplitude Vnom ist die Amplitude des Signals Se, wenn der Generator GEN an eine Normlast, im Allgemeinen 50W, angeschlossen ist.
Unter diesen Bedingungen ist die Abstimmvorrichtung TC2 in zwei Abgreifpunkten P1, P2 zweier Spannungen V1, V2 mit dem Filter FP verbunden, die an Eingang des Filters FP (d. h. dem Eingang der Antennenschaltung 30) und am Ausgang des Filters FP (d. h. dem Eingang der Teilantennenschaltung 20) liegen. Der Punkt P1 liegt damit hier an einem Anschluss der Induktivität LF und an der Anode der Kapazität CF1 und der Punkt P2 liegt am anderen Anschluss der Induktivität LF und an der Anode der Kapazität CF2.
Erfindungsgemäß werden die Kapazitäten CF1, CF2 und die Induktivität LF beim Entwurf der Antennenschaltung 30 in folgender Weise bestimmt:

1) Die Teilantennenschaltung 20 wird auf die gewünschte Resonanzfrequenz, beispielsweise 13,56 MHz, abgestimmt und weist dann eine bestimmte Eingangsimpedanz Z0 und eine Phase j0 auf, im Allgemeinen 50W und 0°;
2) das Filter FP wird mit der Teilantennenschaltung 20 kombiniert, um die erfindungsgemäße Antennenschaltung 30 zu bilden und anschließend werden die Werte von CF1, CF2, LF durch theoretische Berechnung und/oder experimentell bestimmt. Die Werte von CF1, CF2, LF werden derart bestimmt, dass die Antennenschaltung 30 von ihrem Eingang aus betrachtet nach wie vor eine Impedanz Z0 von 50W und eine Phase j0 von 0° aufweist, trotz der Anwesenheit des Filters.

Nach den von der Anmelderin ausgeführten Untersuchungen lauten die Werte von CF1, CF2, LF bei einer Frequenz F0 von 13,56 MHz beispielsweise: CF1 = CF2 = 220 pF LF = 560 nH
Das Filter FP ist dann ein Tiefpassfilter mit der beabsichtigten Abstimmungsfrequenz F0, hier 13,56 MHz, als oberer Grenzfrequenz.
Nach der Bestimmung von CF1, CF2, LF wird das Amplitudenverhältnis und die Phasendifferenz zwischen den Spannungen V1 und V2 am Eingang und am Ausgang des Filters FP gemessen, wieder bei der Zielfrequenz F0. Mit einem p-Filter wird festgestellt, dass die Amplitude von V1 gleich der Amplitude von V2 ist und dass die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Spannungen 90° beträgt.
Sobald die Werte CF1, CF2, LF gefunden sind, sowie die Amplitudenverhältnisse und die Phasendifferenz zwischen V1 und V2, kann das Filter FP industriell hergestellt werden, vorzugsweise mit Qualitätskomponenten, und kann in alle erfindungsgemäßen Antennenschaltungen 30 eingebaut werden, die auf den Markt gebracht werden und die Teilantennenschaltungen 20 gleichen Aufbaus enthalten.
Wenn die Antennenschaltung 30 nicht auf die Zielfrequenz, hier 13,56 MHz, abgestimmt ist, werden an den Anschlüssen des Filters FP Spannungen V1 und V2 mit anderen Amplituden und einer Phasendifferenz gefunden, die nicht gleich 90° ist. In diesem Fall kann die Abstimmung der Antennenschaltung 30 einfach durch Justieren der Komponenten der Teilantennenschaltung 20 derart, dass die Amplitude von V1 der Amplitude von V2 gleich wird und die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Spannungen gleich 90° wird, erfolgen. Sobald die Abstimmung auf die Frequenz F0 erreicht ist, verhält sich das Filter FP wie ein Draht mit einer Ausgangsspannung V2 gleich der Eingangsspannung V1 und einer gegenüber der Eingangsphase um 90° phasenverschobenen Ausgangsphase (± 90°).
Die erreichbare Präzision der Abstimmung ist höher, als die, die ein einfaches Iosmeter zu erhalten erlaubt.
Die Abstimmung der Antennenschaltung 30 wird hier durch die mitgeführte Vorrichtung TC2 in regelmäßigen Abständen sicher gestellt. Diese Vorrichtung umfasst im Wesentlichen eine Messschaltung MC und einen Mikroprozessor MP, der mit einem Programmspeicher MEM versehen ist.
Die Schaltung MC umfasst zwei Gleichrichter MC1, MC2 und eine Schaltung zur Messung der Phasendifferenz MC3. Die Schaltung MC1 empfängt am Eingang die Spannung V1 und gibt ein Gleichspannungs-Signal V1rms ab, das die Amplitude der Spannung V1 angibt. Die Schaltung MC2 empfängt am Eingang die Spannung V2 und gibt ein Gleichspannungssignal V2rms ab, das die Amplitude der Spannung V2 angibt. Die Schaltung MC3 empfängt am Eingang die Spannungen V1 und V2 und ein Gleichspannungssignal Vp, das die Phasendifferenz zwischen den Spannungen V1 und V2 angibt. Die Signale V1rms, V2rms und Vp werden über einen Analog-Digital-Wandler ADC, der die oben beschrieben Signale S_i, S_j abgibt, die für die Steuerung der justierbaren Komponenten der Teilantennenschaltung 20 sorgen, an den Mikroprozessor MP angelegt.
6 stellt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung MC1 oder MC2 dar. Die Spannung V1 oder V2 wird über einen Entkopplungskondensator Cd an die Kathode einer in Gegenrichtung vorgespannten Diode D1 angelegt, deren Anode an Masse angeschlossen ist, sowie an die Anode einer Diode D2, die in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Die Kathode der Diode D2 ist mit der Anode eines Kondensators C1 verbunden, deren Kathode an Masse angeschlossen ist, sowie an einen Spannungsteiler, der hier zwei Widerstände R1, R2 umfasst. Der Ausgang des Spannungsteilers R1, R2 bildet den Ausgang der Schaltung MC1 oder MC2 und stellt die Spannung V1rms oder V2rms bereit.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung MC3. Die Spannung V1 wird über einen Entkopplungskondensator Cd1 und einen Widerstand R3 in Reihe an einen ersten Eingang eines logischen Gatters XOR („Antivalenz"-Glied) angelegt. Die Spannung V2 wird über einen Entkopplungskondensator Cd2 und einen Widerstand R4 in Reihe an den zweiten Eingang des XOR-Gliedes angelegt. ### Außerdem ist der erste Eingang des XOR-Gliedes mit Gleichspannung vorgespannt, indem er an den mittleren Punkt eines Spannungsteilers angeschlossen ist, der zwei Widerstände R5, R6 in Reihe umfasst, wobei der Widerstand R5 eine Spannung Vcc empfängt und der Widerstand R6 an Masse angeschlossen ist. Ebenso ist der zweite Eingang des XOR-Gliedes mit Gleichspannung vorgespannt, indem er an den mittleren Punkt eines Spannungsteilers angeschlossen ist, der zwei Widerstände R7, R8 in Reihe umfasst, wobei der Widerstand R7 eine Spannung Vcc empfängt und der Widerstand R8 an Masse angeschlossen ist. Das XOR-Glied wird durch die Spannung Vcc gespeist und sein Ausgang gibt ein Signal Vx ab. Das Signal Vx wird an einen Tiefpassfilter angelegt, der beispielsweise einen Widerstand R9 in Reihe und einen Kondensator C2 umfasst, dessen Kathode an Masse anliegt. Der Ausgang des Filters liefert das Signal Vp.
Die 8A bis 8D stellen die Form der Signale V1, V2, Vx bzw. Vp dar, wenn die Spannungen V1 und V2 um 90° phasenverschoben sind. Die Spannungen V1, V2, wie sie an die mit Gleichspannung vorgespannten Eingänge des XOR-Gliedes angelegt sind, bilden logische Signale. So stellt der niedrige Wert der Spannungen V1, V2 (negative Halbperiode) die logische „0" dar und der hohe Wert (positive Halbperiode) die logische „1" (Vcc). Da die Signale V1, V2 um 90° phasenverschoben sind, ist das Ausgangssignal Vx ein logisches Signal der doppelten Frequenz gegenüber der von V1, V2 mit einem Tastverhältnis von 0,5. Unter diesen Bedingungen ist das Signal Vp gleich 0,5 Vcc. Das Signal Vp ist gleich 0, wenn die Signale V1, V2 gegenphasig sind und gleich Vcc, wenn diese Signale in Phase sind.
So entspricht die Suche des Mikroprozessors nach einer Phasendifferenz von 90° zwischen V1 und V2 hier der Suche eines Wertes von Vp gleich 0,5 Vcc, d. h. der Hälfte des Zahlenwertes voller Höhe Vpmax, der vom Wandler ADC bereitgestellt werden kann.
Zusammenfassend besteht die Abstimmung der Antennenschaltung durch den Mikroprozessor MP hier darin, die gute Kombination der Signale Si, Sj zu suchen, derart, dass V1rms = V2rms Vp = 0,5 Vpmax
Um die Arbeit des Mikroprozessors Mp zu vereinfachen und die Zeit der Suche nach der guten Kombination von Signalen Si, Sj zu verringern, ist es vorteilhaft, eine Korrespondenztabelle in den Speicher MEM zu laden, die dem Mikroprozessor erlaubt, die gesuchte Kombination schnell aufgrund der Werte V1rms, V2rms, Vp zu finden, die von der Messschaltung MC bereitgestellt werden.
Der Zeitraum, der zwei Abstimmungsvorgänge der Resonanzfrequenz der Antennenschaltung 30 voneinander trennt, kann vorab festgelegt sein und der Kontrolle des Mikroprozessors MP unterliegen. Die Abstimmungsvorgänge können auch der Kontrolle des Lesegerätes RD unterliegen, das dem Mikroprozessor MP ein Neustartsignal sendet, wenn ein Abstimmungsvorgang ausgeführt werden muss. Dieses Neustartsignal kann implizit sein und beispielsweise in einer zeitlichen Unterbrechung des Erregungssignals Se bestehen. In diesem Fall ist der Mikroprozessor dafür programmiert, einen neuen Abstimmungsvorgang zu veranlassen, wenn das Erregungssignal wieder erscheint.
Wie oben gesagt, kann die Teilantennenschaltung 20 entsprechend der 2 erfolgen, d. h. unter Verwendung der Relais RL_i, RL_j zur Ausbildung der elektrisch schaltbaren Komponenten, im Allgemeinen der schaltbaren Kapazitäten CA1i, CA2j.
Relais sind jedoch kostspielige und sperrige Vorrichtungen, die in der Antennenschaltung Umschaltstörungen verursachen können, sowie Störwiderstände erzeugen, die mit der Zeit eine Abschwächung des Antennensignals und/oder eine Verschiebung der Resonanzfrequenz herbeiführen können.
In einem optionalen, aber vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die schaltbaren Kapazitäten der Antennenschaltung mit Hilfe statischer Schalter, wie Bipolartransistoren oder MOS-Transistoren und einer Sperrdiode ausgeführt.
Die 9 zeigt eine schaltbare Komponente CA1i, CA2j, die nach diesem Konzept ausgeführt wurde. Die Komponente umfasst einen Kondensator C, dessen Kathode über eine Diode DA1 mit Masse verbunden ist, statt über ein elektrisches Relais an Masse angeschlossen zu sein. Wenn die Antennenschaltung das Erregungssignal Se empfängt, empfängt die Anode des Kondensators C eine Wechselspannung Vac.
Die Anodenspannung der Diode DA1 wird durch einen statischen Schalter SW vom Typ MOS- oder Bipolartransistor gesteuert, angesteuert durch eines der Signale Si oder Sj, die der Mikroprozessor abgibt. Der Schalter SW empfängt an einem Anschluss eine Gleichspannung V+ und sein anderer Anschluss ist über eine Diode DA2 mit der Anode der Diode DA1 verbunden. Die Spannung V+ wird so durch den Schalter SW abgegeben, wenn sich dieser im Zustand „ON" befindet, und wird über die Diode DA2 an die Anode der Diode DA1 angelegt. Diese zweite Diode DA2 ist relativ zur Spannung V+ in Durchlassrichtung geschaltet und relativ zur Spannung Vac in Sperrrichtung, was diese daran hindert, bis zum Schalter SW vorzudringen.
Es sei darauf hingewiesen, dass jedes andere Tiefpassbauteil an Stelle der Diode DA2 vorgesehen werden kann. So kann beispielsweise die Verwendung einer Drossel der Verwendung der Diode DA2 vorgezogen werden, um die Diode DA1 vorzuspannen und in Durchlassrichtung zu schalten.
Wenn der Schaltertransistor SW sich im Zustand OFF befindet, lädt sich der Kondensator C auf und weist seine Kathode eine negative Spannung auf. Die Diode DA1 sperrt, denn die Halbperioden der Spannung Vac, die an ihre Anode kopiert werden, liegen unter der Leitungsschwelle der Diode DA1, wie in 10A dargestellt.
Wenn der Schalter SW sich im Zustand ON befindet, lässt die Vorspannung V+ die Anodenspannung der Diode DA1 ansteigen. Die Diode DA1 wird leitend, denn die Halbperioden der Spannung Vac, die über den Kondensator C an ihre Anode kopiert werden, liegen über der Leitungsschwelle der Diode DA1, wie in 10B dargestellt.
So ist die erfindungsgemäße schaltbare Kapazität CA1i, CA2j in der Antennenschaltung wirksam, wenn der Schalter SW sich im Zustand ON befindet, und ist in der Antennenschaltung unwirksam, wenn der Schalter SW sich im Zustand OFF befindet. Da der Schalter SW von einem der Signale Si oder Sj gesteuert wird, ist die schaltbare Kapazität zu einer mit Hilfe eines Relais geschalteten Kapazität äquivalent, ohne die Nachteile eines Relais zu haben.
Dem Fachmann ist deutlich einsehbar, dass die vorliegende Erfindung verschiedener Ausführungs- und Anwendungsvarianten fähig ist.
So kann das erfindungsgemäße Verfahren lediglich eine Messung einer der Spannungen V1, V2 ohne Messung der Phase umfassen, wenn die Nennamplitude Vnom des Erregungssignals Se bekannt ist. Es sei beispielsweise angenommen, dass das Erregungssignal über einer Last von 50W eine Nennamplitude Vnom von 30V aufweist. Solange die Antennenschaltung nicht abgestimmt ist, sind die Spannung V1 am Eingang der Antennenschaltung oder die Spannung V2 am Ausgang des Filters nicht gleich 30V (beispielsweise findet sich V1 = 8V und V2 = 40V). Wenn die Antennenschaltung abgestimmt ist, findet sich V1 = V2 = 30V, denn das Filter verhält sich wie ein Draht von 50W.
Andererseits kann das erfindungsgemäße Verfahren mit anderen Arten von Filtern ausgeführt werden, Tiefpass, Hochpass, Bandpass, p-, T-Filter etc., die vorzugsweise Grenzfrequenzen aufweisen, die oberhalb oder unterhalb der beabsichtigten Abstimmungsfrequenz F0 liegen, die also vorzugsweise im Durchlassbereich des Filters liegen muss.
Andererseits ist der Begriff „Filter" im Rahmen der vorliegenden Erfindung keineswegs einschränkend und kann jede Art von Bauteil bezeichnen, beispielsweise einen abgestimmten Phasenschieber, der bei der beabsichtigten Abstimmungsfrequenz eine bestimmte Impedanz und Phase aufweist. Dieses in eine erfindungsgemäße Antennenschaltung eingebaute Bauteil ist vorzugsweise ein LC-Element ohne Widerstand, der das Antennensignal dämpfen könnte, obwohl Widerstände geringen Wertes aus verschiedenen anderen Gründen trotzdem vorgesehen werden können.
Je nach dem als „Filter" im Sinne der Erfindung verwendeten LC-Element können Spannungen V1, V2 erhalten werden, die bei der babsichtigten Abstimmungsfrequenz verschiedene Amplituden und eine andere Phasendifferenz, als 90° aufweisen. Das Amplitudenverhältnis und die Phasendifferenz der Spannungen V1 und V2 werden dann als Bezugswerte für die Abstimmung des erfindungsgemäßen Filters verwendet. Der Vorteil eines p-Filters vom LC-Typ jedoch besteht darin, eine Phasendifferenz von 90° zu bieten, die mit Hilfe eines einfachen Antvalenzgliedes festgestellt werden kann, wie oben beschrieben wurde.
Andererseits kann das erfindungsgemäße Verfahren, obwohl oben vorgeschlagen wurde, eine mitgeführte Vorrichtung TC2 vorzusehen, die automatisch die Abstimmung der Antennenschaltung 30 sicherstellt, an einer Antennenschaltung, die manuell justierbare Komponenten umfasst, ebenfalls manuell ausgeführt werden. Welches auch immer die Art der Ausführung ist, bietet das er findungsgemäße Verfahren den Vorteil, eine präzise Abstimmung einer Antennenschaltung zuzulassen, ohne aufwendige Messmittel, wie etwa Impedanz- und Phasenanalysatoren zu erfordern.

Claims

Antennenschaltung (30), die auf eine bestimmte Frequenz (F0) abstimmbar ist, umfassend eine Antennenspule (L) und justierbare Komponenten (CA1, CA2), dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Filter (FP) umfasst, das ein integraler Bestandteil der Antennenschaltung ist und mindestens einen Punkt (P1, P2) zur Abnahme einer elektrischen Spannung (V1, V2) umfasst, deren Amplitude eine aussagekräftige Information zur Abstimmung der Antennenschaltung bildet.
Antennenschaltung nach Anspruch 1, in welcher das Filter am Eingang der Antennenschaltung angeordnet ist.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 und 2, in welcher das Filter eine π-Struktur darstellt.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welcher das Filter ein LC-Element ist.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welcher das Filter eine Reiheninduktivität (LF) und zwei parallelgeschaltete Kapazitäten (CF1, CF2) umfasst.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen mitgeführten Messkreis (MC), der an ein Filter (FP) an mindestens einem Punkt (P1, P2) zur Abnahme der elektrischen Spannung (V1, V2) angeschlossen ist.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 und 6, in welcher das Filter zwei Punkte (P1, P2) aufweist zur Abnahme von zwei elektrischen Spannungen (V1, V2), deren Amplitudenverhältnis eine aussagekräftige Information für die Abstimmung der Antennenschaltung bildet.
Antennenschaltung nach Anspruch 7, umfassend einen mitgeführten Messkreis (MC), der an den zwei Punkten (P1, P2) zur Abnahme der zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) angeschlossen ist.
Antennenschaltung nach Anspruch 8, in welcher der Messkreis Mittel (MC1, MC2) zum Messen der Amplitude umfasst, wobei zwei Spannungs- oder Gleichstromsignale (V1rms, V2rms) proportional zur Amplitude der elektrischen Spannungen (V1, V2) bereitgestellt werden.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 8 und 9, in welcher der Messkreis Mittel (MC3) zum Messen der Phasendifferenz zwischen den zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) umfasst.
Antennenschaltung nach Anspruch 10, in welcher die Mittel (MC3) zum Messen der Phasendifferenz ein Spannungssignal (Vp) oder Gleichstromsignal bereitstellen, das proportional zur Phasendifferenz zwischen den zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) ist.
Antennenschaltung nach Anspruch 11, in welcher die Mittel (MC3) zum Messen der Phasendifferenz einen logischen Torstromkreis (XOR) umfassen, der am Eingang Signale von den zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) empfängt und Mittel (R9, C2), um ein Spannungssignal (Vp) oder Gleichstromsignal bereitzustellen, das proportional zum zyklischen Verhältnis eines Signals (Vx), welches vom logischen Torstromkreis bereitgestellt wird, ist.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, umfassend eine mitgeführte Abstimmungsvorrichtung (TC2), die zur Justierung der justierbaren Komponenten der Antennenschaltung in einer Weise angeordnet ist, dass die elektrischen Spannungen (V1, V2) ein bestimmtes Amplitudenverhältnis aufweisen.
Antennenschaltung nach Anspruch 13, in welcher die Abstimmungsvorrichtung (TC2) angeordnet ist, um die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung in einer Weise zu justieren, dass die zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) die gleiche Amplitude haben.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 13 und 14, in welcher die mitgeführte Abstimmungsvorrichtung (TC2) angeordnet ist, um die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung in einer Weise zu justieren, dass die zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) auch eine bestimmte Phasendifferenz aufweisen.
Antennenschaltung nach Anspruch 15, in welcher die Abstimmungsvorrichtung (TC2) angeordnet ist, um die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung in einer Weise zu justieren, dass die zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, in welcher die Abstimmungsvorrichtung einen Mikroprozessor (MP) umfasst, der ein erstes Signal (V1rms) umfasst, das repräsentativ für die Amplitude einer der zwei elektrischen Spannungen ist, ein zweites Signal (V2rms), das repräsentativ für die Amplitude der anderen elektrischen Spannung ist und ein drittes Signal (Vp), das repräsentativ für die Phasendifferenz zwischen den zwei elektrischen Spannungen ist, wobei der Mikroprozessor der Antennenschaltung Signale (Si, Sj) zum Steuern der justierbaren Komponenten bereitstellt.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, in welcher die Antennenschaltung während der Abstimmung der Antennenschaltung durch die Abstimmungsvorrichtung ein Erregungssignal (Se) empfängt, das von einem kontaktlosen integrierten Lesegerät bereitgestellt wird.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, in welcher die justierbaren Komponenten elektrisch umschaltbare Kapazitäten (CA1, CA2) umfassen.
Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, umfassend justierbare Komponenten, die jeweils eine Kapazität (C) aufweisen, eine Diode (DA1), die an die Kathode der Kapazität angeschlossen ist und einen Schaltertransistor (SW), um eine Polarisationsspannung (V+) an der Anode der Diode (DA1) in einer Weise anzulegen oder nicht anzulegen, dass die Kapazität in der Antennenschaltung wirksam oder unwirksam ist.
Kontaktloses integriertes Lesegerät, umfassend eine Antennenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Verfahren zur Abstimmung einer Antennenschaltung (30) auf eine bestimmte Resonanzfrequenz (F0), umfassend eine Antennenspule (L) und justierbare Komponenten (CA1, CA2), dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: – Einbinden eines Filters (FP) in die Antennenschaltung (30) in einer Weise, dass das Filter ein integraler Bestandteil der Antennenschaltung ist, – Anlegen eines Erregungssignals (Se) an die Antennenschaltung, – Abnehmen von mindestens einer ersten elektrischen Spannung (V1, V2) an einer Klemme (P1, P2) des Filters – Justieren der justierbaren Komponenten (CA1, CA2) der Antennenschaltung in einer Weise, dass die erste elektrische Spannung (V1, V2) eine bestimmte Amplitude aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, umfassend die Schritte: – Abnehmen einer zweiten elektrischen Spannung (V1, V2) auf einer anderen Klemme (P2, P2) des Filters, – Justieren der justierbaren Komponenten (CA1, CA2) der Antennenschaltung in einer Weise, dass die zwei elektrischen Spannungen ein bestimmtes Amplitudenverhältnis aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 23, in welchem die justierbaren Komponenten (CA1, CA2) der Antennenschaltung in einer Weise justiert werden, dass die zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) die gleiche Amplitude haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 23 und 24, in welchem die justierbaren Komponenten (CA1, CA2) der Antennenschaltung in einer Weise justiert werden, dass die zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) auch eine bestimmte Phasendifferenz aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 25, in welchem die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung in einer Weise justiert werden, dass die zwei elektrischen Spannungen (V1, V2) eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, in welchem die zwei elektrischen Spannungen mittels eines mitgeführten Messkreises (MC), der dauernd an das Filter angeschlossen ist, gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, in welchem das Filter am Eingang der Antennenschaltung angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, in welchem das Filter eine π-Struktur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, in welchem das Filter ein LC-Element ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, in welchem das Filter eine Reiheninduktivität (LF) und zwei parallelgeschaltete Kapazitäten (CF1, CF2) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, in welchem die Abstimmung der Antennenschaltung mittels einer mitgeführten Abstimmungsvorrichtung (TC2), die dauernd an das Filter angeschlossen ist, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, in welchem die Abstimmung der Antennenschaltung mittels einer mitgeführten Abstimmungsvorrichtung (TC2), die einen programmierten Mikroprozessor zur zyklischen Abstimmung der Antennenschaltung umfasst, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 33, in welchem die Antennenschaltung während ihrer Abstimmung ein Erregungssignal (Se) empfängt, das von einem kontaktlosen integrierten Lesegerät (RD) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 34, in welchem die justierbaren Komponenten der Antennenschaltung elektrisch umschaltbare Kapazitäten (CA1, CA2) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 35, in welchem die Abstimmung der Antennenschaltung mittels justierbarer Komponenten ausgeführt wird, die jeweils eine Kapazität (C) aufweisen, eine Diode (DA1), die an die Kathode der Kapazität angeschlossen ist und einen Schaltertransistor (SW), um eine Polarisationsspannung (V+) an der Anode der Diode (DA1) in einer Weise anzulegen oder nicht anzulegen, dass die Kapazität in der Antennenschaltung wirksam oder unwirksam ist.