DE69332198T2

DE69332198T2 - Bidirektionales-Kommunikationssystem mit Doppelresonanz-Antennenschaltung für RF-Anhänger

Info

Publication number: DE69332198T2
Application number: DE69332198T
Authority: DE
Inventors: Daniel Clifford Buck; David Frank Everett
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: EP0592224A1; US5317330A; DE69332198D1; EP0592224B1; JPH06204922A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Zweiwege-Kommunikationseinrichtungen, bei denen eine derartige Einrichtung passiv ist, und insbesondere Zweiwege-Kommunikationseinrichtungen, bei denen eine Einrichtung eine stationäre Einrichtung und die andere Einrichtung eine tragbare passive Einrichtung ist.
Wohlbekannt ist die Verwendung von Zweiwege-Kommunikationseinrichtungen, die ein stationäres Glied und ein tragbares passives Glied verwenden. Derartige tragbare passive Glieder sind allgemein Hochfrequenzetiketten (HF-Etiketten). Ein HF-Etikett verwendet Hochfrequenzenergie, um sich über eine Entfernung himweg einem Lesegerät gegenüber, das mehrere Zoll bis viele Fuß entfernt sein kann, zu identifizieren. Das Etikett kann an einem Behälter zum Frachtmanagement befestigt sein oder von einer Person zum Sicherheitszugang getragen werden. Es wird bevorzugt, daß das Etikett nicht nur extrem preiswert, sondern auch robust und zuverlässig ist.
Fig. 1 zeigt ein im Stand der Technik bekanntes typisches HF-Etikettensystem. Dabei sind ein Lesegerät 10 und ein Etikett 12 an einer Zweiwegekommunikation beteiligt. Leistung 14 wird in das Lesegerät 10 importiert und als HF-Energiesignal 16 zum Etikett 12 übertragen. Nach der Verarbeitung überträgt das Etikett 12 das HF-modulierte Signal 18, das vom Lesegerät 10 empfangen wird. Unter Verwendung dieses HF-modulierten Signals 18 erhält das Lesegerät 10 einen Etiketten-ID- Code 20, durch den es das Etikett 12 identifizieren kann.
Für Sicherheitszugangsanwendungen werden niederfrequente Etiketten mit einer unter einem MHz liegenden Frequenz bevorzugt. Derartige Etiketten haben den Vorteil, daß sie durch Körper hindurch arbeiten und sich bei ihnen leicht ein Takt erzeugen läßt. Für kurze Ablesebereiche in der Größenordnung von drei Fuß oder weniger, arbeitet ein derartiges Etikett ohne Batterie, wobei es nur die vom HF-Feld des Lesegeräts absorbierte Energie verwendet. Die Energie wird vom Lesegerät magnetostatisch auf das Etikett gekoppelt. Diese Ankopplung ist ein Nah feldphänomen, das analog zu einem Lufttransformator mit einem sehr niedrigen Ankopplungskoeffizienten ist.
Da in der Schaltung keine externe Stromversorgung von der Lesegerätsantenne zum Etikett und zurück zum Lesegerät vorliegt, ist der vom Etikett zum Lesegerät zuückkehrende Signalpegel viel kleiner als das vom Lesegerät übertragene Signal. Es hat sich herausgestellt, daß bei einem Lesebereich von drei Fuß das vom Etikett zum Lesegerät zurückkehrende Signal über 80 dB kleiner ist als das vom Lesegerät zum Etikett übertragene Signal. Diese große Signaldifferenz erfordert im Empfänger des Lesegeräts einen großen Dynamikbereich oder eine Frequenzumwandlung im Etikett, so daß die empfangene Frequenz beim Etikett sich von der übertragenen Frequenz unterscheidet. Die Frequenzumwandlung ermöglicht eine Front-end-Filterung der übertragenen Frequenz im Empfänger. Bei für den HF- Etikettenbetrieb erwünschten niedrigen Frequenzen ist die Frequenzumwandlung eine von einer digitalen Schaltung durchgeführte einfache Funktion. Dementsprechend ist ein Doppelfrequenz-HF-Etikettensystem erwünscht.
Die am Etikett empfangene Leistung kann extrem niedrig sein. Nicht selten liegt eine derartige Leistung unter 100 uW. Diese Leistung reicht jedoch aus, um eine digitale integrierte CMOS-Schaltung zu betreiben, solange eine relativ große Spannung im Bereich von über 3 Volt erzeugt wird. Um Leistung im Etikett zu sparen, sollte die zum Übertragen des Signals vom Etikett benötigte Spannung minimiert werden. Folglich besteht ein Bedarf an einem Antennenkreis, der aus dem Lesegerätsignal große Spannungen ableiten kann, aber Leistung bei der Übertragung des Rücksignals einsparen kann.
In GB-A-2 076 259 überträgt ein stationäres Glied ein Signal mit einer ersten Frequenz (25 kHz) über ein Magnetfeld, und in einem tragbaren passiven Glied (Etikett) gespeicherte Daten werden mit einer zweiten Frequenz (200 kHz) über ein Magnetfeld zurückübertragen. Im Etikett besteht ein Parallelschwingkreis aus einer als Empfangsantenne dienenden Spule plus einem Kondensator, während ein getrennter Serienschwingkreis aus einem Kondensator und einer als Sendeantenne dienenden Spule besteht. Der Parallelschwingkreis versorgt eine Vollwellengleichrichterbrücke, deren Ausgabe an einem positiven Gleichstrom-Versorgungsanschluß angelegt ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Zweiwege-Kommunikationssystem wie im folgenden Anspruch 1 definiert bereit.
Es kann ein Zweiwege-Kommunikationssystem bereitgestellt werden mit einem stationären Glied und einem tragbaren passiven Glied, das eine Schaltung zum Speichern und Übertragen codierter Informationen aufweist. Das stationäre Glied überträgt ein Signal mit einer ersten Frequenz über ein Magnetfeld. Das tragbare passive Glied überträgt von seiner Schaltung gespeicherte codierte Informationen mit einer zweiten Frequenz ebenfalls über ein Magnetfeld. In dem tragbaren passiven Glied ist ein Antennenkreis vorgesehen, der parallel mit der Empfangsfrequenz schwingt und in Serie mit der Sendefrequenz schwingt.
Der Parallelschwingkreis des Antennenkreises leitet Leistung von dem von dem stationären Glied übertragenen Signal ab. Der Parallelschwingkreis stellt eine hohe Impedanz dar, die zu einer großen Spannung bei einem kleinen Stromfluß führt. Der Serienschwingkreis über trägt die codierten Informationen mit einer zweiten Frequenz, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet. Der Serienschwingkreis stellt eine kleine Impedanz dar, die zu einem großen Strom bei einer kleinen angelegten Spannung führt. Durch die Serienresonanz wird der Effekt des übertragenen Signals auf das Empfangssignal minimiert, was simultane Sende- und Empfangsoperationen von dem tragbaren passiven Glied durch denselben Antennenkreis ermöglicht.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines HF- Etikettensystems des Standes der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Zweiwege- Kommunikationssystems, das den Sender des Lesegeräts und die Etikettenempfangs- und -sendeschaltung zeigt;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Doppelfrequenz-Antennenkreises; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform des Doppelfrequenz- Antennenkreises der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 stellt eine typische Lesegerätsendeschaltung und Etikettenempfangs- und -sendeschaltung dar. In Fig. 2 überträgt das Lesegerät 22 ein Signal mit einer ersten Frequenz. Der Lesegerätsender 24 erzeugt einen Strom mit einer gewünschten Frequenz. Die Spulenantenne 26 erzeugt ein Magnetfeld mit der gewünschten Frequenz.
Wenn sich das Etikett 28 dem Lesegerät 22 nähert, wird das von der Spulenantenne 26 erzeugte Magnetfeld von einer Induktionsantenne 30 empfangen. Die Schaltung im Etikett 28 leitet Leistung aus diesem empfangenen Signal ab und erzeugt eine durch Vr dargestellte empfangene Spannung. Diese empfangene Spannung wird zum Betreiben des Etikettensenders 32 verwendet, der ein Signal mit einer zweiten Frequenz erzeugt. Dieses Signal wird vom Etikett 28 mit Hilfe einer Induktionsantenne 30 übertragen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei mögliche Konfigurationen des Doppelfrequenz-Antennenkreises. In Fig. 3 ist das Etikett 34 mit einer Sende- und Empfangsantenne 36 gezeigt, die in paralleler Ausrichtung auf einen ersten Kondensator 38 bereitgestellt ist. Die Antenne 36 und der Kondensator 38 sind so ausgelegt, daß sie mit der Frequenz des Empfangssignals parallel schwingen. Ein zweiter Kondensator 40 ist in serieller Ausrichtung auf die parallele Kombination aus Kondensator 38 und Antenne 36 vorgesehen. Solange eine Lastimpedanz 42 bei der Frequenz des empfangenen Signals wesentlich größer ist als die Impedanz des Kondensators 40, geht am Kondensator 40 wenig Spannung verloren. Die empfangene Spannung ist so groß, daß sie den Sender 44 antreiben kann, der ein die codierten Informationen enthaltendes Signal mit einer Frequenz erzeugt, die niedriger ist als die des vom Etikett 34 empfangenen Signals.
In dem Doppelfrequenz-Antennenkreis von Fig. 3 erzeugt der durch die Antenne 36 und den ersten Kondensator 38 gebildete Parallelschwingkreis eine hohe Impedanz, die bei der Etikettenempfangsfrequenz eine große Spannung und einen kleinen Stromfluß erzeugt. Der durch die parallele Kombination aus Antenne 36 und Kondensator 38 in serieller Ausrichtung auf den Kondensator 40 gebildete Serienschwingkreis stellt eine niedrige Impedanz dar, die bei der Etikettensendefrequenz zu einem großen Strom mit einer kleinen angelegten Spannung führt. Durch Verwendung des Doppelresonanzantennenkreises von Fig. 3 überträgt die Antenne 36 ein Signal codierter Informationen mit einer Frequenz, die kleiner ist als die Frequenz des Signals, das sie empfängt.
Im Gegensatz zum Doppelresonanzkreis von Fig. 3 überträgt der in Fig. 4 gezeigte Doppelresonanzantennenkreis der vorliegenden Erfindung ein Signal codierter Informationen mit einer höheren Frequenz als das empfangene Signal. Bei dem Doppelantennenkreis von Fig. 4 ist das Etikett 46 mit einer Antenne 48 versehen, die das vom Lesegerät erzeugte Signal empfängt. Der Kondensator 50 ist in paralleler Ausrichtung auf die Antenne 48 vorgesehen, um den Parallelkreis zu bilden. Die parallele Kombination aus dem Kondensator 50 und der Antenne 48 wird in serieller Ausrichtung auf die Sendeantenne 52 vorgesehen, um den Serienkreis des Doppelresonanzkreises zu bilden.
In der Konfiguration von Fig. 4 fließt der ganze Sendestrom durch die Antenne 52. Nur ein Teil des Stroms verläuft jedoch durch die Antenne 48. Da der größte Teil der empfangenen Spannung an der Antenne 48 entwickelt wird, trennen die Antennen 48 und 52 die Empfangs- beziehungsweise Sendefunktion. Solange die Empfangslastimpedanz 54 wesentlich größer ist als die Impedanz der Antenne 52, geht an der Antenne 52 wenig Spannung verloren.
Der durch die Antenne 48 und den Kondensator 50 gebildete Parallel Schwingkreis stellt eine hohe Impedanz dar, die bei der Etikettenempfangsfrequenz zu einer großen Spannung bei kleinem Stromfluß führt. Der durch die parallele Kombination aus Empfangsantenne 48 und Kondensator 40 in serieller Ausrichtung auf die Antenne 52 gebildete Serienschwingkreis stellt eine niedrige Impedanz dar, die bei der Etikettensendefrequenz zu einem großen Strom mit einer kleinen angelegten Spannung führt. Dadurch kann der Sender 56 ein Signal mit einer Frequenz übertragen, die höher ist als die vom Lesegerät empfangene.
Bei der Konfiguration der beiden Fig. 3 und 4 kann der Antennenkreis modifiziert werden, indem die Lastimpedanz 42, 54 so angeordnet wird, daß sie nur mit den Parallelschwingkreisen verbunden ist. Durch eine derartige modifizierte Konfiguration entfällt der an dem Serienelement auftretende Spannungsabfall. Das empfangene Signal wird jedoch eine starke Sendekomponente aufweisen, die gefiltert werden muß, damit eine derartige Konfiguration ordnungsgemäß arbeitet.
Der vorliegende Doppelresonanz-Antennenkreis verringert bei der Produktion des Etiketts sowohl die Kosten als auch die Größe. Da derartige Etiketten allgemein eine planare Form aufweisen, gestattet die Verwendung eines einzelnen Antennenkreises, daß das Etikett allgemein die Größe einer Kreditkarte aufweist. Durch die Verwendung des Doppelkreises und der einzelnen Antenne wird das Problem verhindert, daß die Empfangsantenne und die Sendeantenne miteinander reden.
Es wurde eine Simulation des Doppelresonanzantennenkreises von Fig. 2 durchgeführt. Diese Simulation zeigte, daß sich der übertragene Strom vom Etikettensender 32 wenig auf die empfangene Spannung Vr auswirkt. Dies gilt selbst dann, wenn der auf den Sender zurückzugehende Strom in der Antennenspule so groß ist wie der Antennenspulenstrom von dem empfangenen Signal. Bei dem simulierten Antennenkreis erzeugt der Lesegerätsender 24 einen Strom von 50 mA und erzeugt eine Frequenz von 175 kHz. Der Etikettensender 32 erzeugt einen Strom von 500 uA und arbeitet bei einer Frequenz von 87,5 kHz. Die Werte der übrigen Elemente in der Simulation sind neben dem jeweiligen Element in Fig. 2 gezeigt. Bei der Simulation des Doppelantennenkreises von Fig. 2 variierte die empfangene Spannung aufgrund des übertragenen Stroms um weniger als 5%. Es ist somit praktisch, die Sende- und Empfangsfunktion auf dem selben Kreis vorzusehen.
Der vorliegende Doppelresonanzantennenkreis kann auch in jedem Kommunikationssystem verwendet werden, das ein aktives Glied und mindestens ein passives Glied aufweist. Bei einem derartigen Kommunikationssystem leiten die passiven Glieder ihre Betriebsleistung von dem von dem aktiven Glied erzeugten Magnetfeld ab. Der in den passiven Gliedern bereitgestellte Parallelschwingkreis schwingt mit der Sendefrequenz des aktiven Glieds und leitet Betriebsleistung von dem Magnetfeld des aktiven Glieds ab. Diese Betriebsleistung wird zum Senden eines Signals unter Verwendung des Serienschwingkreises des passiven Glieds verwendet.
Der vorliegende Doppelresonanzantennenkreis kann weiterhin in einem Kommunikationssystem mit zwei aktiven Gliedern verwendet werden. Bei einem derartigen Kommunikationssystem schwingt der Parallelschwingkreis jedes aktiven Glieds mit der Frequenz der Sendefrequenz des anderen aktiven Glieds. Durch die Verwendung des Doppelresonanzkreises können simultane Sende- und Empfangsoperationen durch eine einzelne Antenne in jedem Glied durchgeführt werden. Ein derartiges Kommunikationssystem ist ideal zum Einsatz in Walkie-Talkies und in Spielzeugen geeignet.
In der obigen Patentschrift sind bestimmte bevorzugte Praktiken und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargelegt worden, dabei ist jedoch zu verstehen, daß die Erfindung möglicherweise innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche auf andere Weise verkörpert wird.

Claims

Zweiwege-Kommunikationssystem mit einem stationären Glied (22) und einem tragbaren passiven Glied (48), wobei das tragbare passive Glied eine Schaltung zum Speichern und Übertragen codierter Informationen aufweist, wobei das stationäre Glied ein Signal mit einer ersten Frequenz über ein Magnetfeld und das tragbare passive Glied von der Schaltung in dem tragbaren passiven Glied gespeicherte codierte Informationen mit einer zweiten Frequenz über ein Magnetfeld überträgt, wobei das System einen in dem tragbaren passiven Glied vorgesehenen Antennenkreis (48, 50, 52) aufweist, der folgendes umfaßt:

(a) einen Parallelschwingkreis (48, 50) mit einer Empfangsantenne (48) zum Ableiten von Betriebsleistung von dem Signal mit einer ersten Frequenz zur Verwendung in der in dem tragbaren passiven Glied (46) vorgesehenen Schaltung, wobei der Parallelschwingkreis einen Kondensator (50) in paralleler Ausrichtung auf eine Induktorspule umfaßt, wobei die Induktorspule als Empfangsantenne für das tragbare passive Glied dient; und

(b) einen Serienschwingkreis (48, 50, 52) mit einer Sendeantenne (52) zum Übertragen der von der Schaltung in dem tragbaren passiven Glied gespeicherten codierten Informationen mit einer zweiten Frequenz, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet, wobei der Serienschwingkreis eine zweite Induktorspule (52) in serieller Ausrichtung auf die parallele Kombination aus der ersten Induktorspule (48) und dem Kondensator (50) umfaßt, wobei die zweite Induktorspule als Sendeantenne für das tragbare passive Glied dient.