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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schreib- und/oder Lesevorrichtung,
ein Engergiezufuhrsystem und ein Kommunikationssystem zur Durchführung einer
Energiezufuhr für
einen drahtlosen Betrieb und eine drahtlose Kommunikation zwischen
zum Beispiel einem Geldautomaten, elektronischen Zahlungsmitteln,
einem automatischen Ticketsystem, einem Raumeintritt/Austrittmanagement System
oder einem Bezahltelefon im Nahbereich und einer drahtlosen Karte
für den
Nahbereich, wie zum Beispiel einer Geldkarte, einer Kreditkarte,
einem Passagierticket, einer Fahrkarte, einem Couponticket, einer
Kontrollkarte, einer IC Karte, einer Lizenz- oder einer Telefonkarte.
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Es
ist bereits bekannt, dass durch Verwendung von Licht oder einem
magnetischen Feld in einer berührungslosen
Weise elektrische Energie von der Energiezufuhrseite zu einer nahegelegenen drahtlosen
Karte (IC Karte) übertragen
werden kann.
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Zum
Beispiel offenbart das
Japanische
Patent mit der Nummer 26 26 882 (
JP-A-8-263609 ) eine Technik, bei
der eine Metallplatte auf eine Rückseite einer
spulenförmigen
Antenne angeordnet wird, um einen falschen Betrieb, wie z. B. das
Lesen von Kartendaten von einer Rückseite eines kontaktlosen Kartenlesers,
zu vermeiden, und insbesondere eine Technik um den Abstand zwischen
der Metallplatte und der spulenförmigen
Antenne einzustellen unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass sich die Resonanzfrequenz ändert, wenn die Metallplatte
bewegt wird.
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In
berührungslosen
Kartensystemen (drahtlosen Kartensystemen für den Nacbereich) sind Geldautomatenkarten,
Kreditkarten, Passiertickets, Fahrscheine u. Ä., die zur Verwendung an den
Eingängen
von Bahnhöfen,
in Bussen und Ausgängen/Eingängen vorgesehen
sind, als IC Karten ausgestaltet. Wenn der Anwender einer derartigen
IC Karte die IC Karte in einer kontaktlosen Weise durch einen Leser/Schreiber
führt,
der an dem Eingang eines Bahnhofs, eines Busses oder eines sonstigen Ausgangs/Eingangs
bereitgestellt ist, wird eine Energie zuführende Welle oder eine Kommunikationswelle
von einer Spule oder einer Antenne des Lesers und/oder des Schreibers
abgestrahlt und diese elektromagnetische Welle wird durch eine Spule
oder eine Antenne an der Kartenseite empfangen und induziert, um
einen Schaltkreis an der Kartenseite zu betätigen und ein Signal zu detektieren.
In diesem Fall sollte ein elektrisches Feld, das von der Spule oder
Antenne des Lesers und/oder des Schreibers abgestrahlt wird, die
Anforderungen des Wireless Telegraphy Act erfüllen (500 μ V/m bei einem Abstand von drei
Meter von dem Leser und/oder Schreiber).
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Allerdings
besteht hier das Problem, dass es schwierig ist der IC Karte ausreichend
Leistung zuzuführen,
da die zuvor erwähnte
Anforderung des Wireless Telegraphy Act (500 μV/m von dem Leser und/oder Schreiber)
bezüglich
des abgestrahlten elektrischen Feldes die obere Grenze der Stromstärke der
Spule oder Antenne für
den Leser und/oder den Schreiber und somit die obere Grenze für die Energiezufuhr
bestimmt. Das heißt,
es besteht das Problem, dass eine ausreichende Energiezufuhr von dem
Leser und/oder Schreiber zu der IC Karte bei einem gewünschten
Abstand von dem Leser und/oder Schreiber und das Unterdrücken eines
fernen Feldes, wie es in dem Wireless Telegraphy Act vorgeschrieben
ist, schwierig ist.
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Die
EP 0 693 733 A1 offenbart
eine Kommunikationsantenne
14,
16 für kurze
Distanzen, die ein Informationssignal innerhalb eines Regulierungsbereiches
des Radiogesetzes in zufriedenstellender Weise übertragen und empfangen kann.
Die Kommunikationsantenne für
kurze Distanzen ist mit einem Kartenleser bzw. -schreiber versehen
und ermöglicht es
dem Kartenleser bzw. -schreiber mit einer berührungslosen Informationskarte
zu kommunizieren ohne das er durch die Richtung der berührungslosen Informationskarte
beim Empfang begrenzt ist. Eine Ausführungsform der Antenne umfasst
eine Mehrzahl von magnetischen Polen, die auf einem Magnetelement
angeordnet sind, zu und von denen ein magnetischer Fluss übertragen
und empfangen wird. Eine Spule zum Übertragen und/oder Empfangen des
Informationssignals ist an zumindest einem der magnetischen Pole
montiert. Eine weitere Ausführungsform
der
EP 0 693 733 A1 umfasst
ein Gehäuse,
welches eine Öffnung
hat, von der und zu der ein magnetisches Feld übertragen und empfangen wird und
eine Spule die an dem Gehäuse
montiert ist, um das Informationssignal zu übertragen und/oder zu empfangen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
oben genannten Probleme werden mittels der vorliegenden Erfindung
durch eine Lese- oder Schreibvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, einem
Energiezufuhrsystem gemäß Anspruch
6 und einem Kommunikationssystem gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beansprucht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer schematischen Konfiguration eines
Energiezufuhr- und Kommunikationssystems zum drahtlosen Zuführen von
Energie und auch um drahtlose Kommunikation von einer Lese- oder
Schreibeinheit (Vorrichtung) gemäß der vorliegenden
Erfindung zu einer drahtlosen Nahbereichskarte (IC Karte) durchzuführen.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung
(System) zum drahtlosen Zuführen
von elektrischer Energie und zum Durchführen einer drahtlosen Kommunikation
zwischen der Lese- oder Schreibvorrichtung und der drahtlosen Nahbereichskarte
(IC Karte) gemäß der Erfindung.
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3 zeigt
den Zusammenhang zwischen einer Energiezufuhrwelle und einer modulierten
Welle zur Datenübertragung
gemäß der Erfindung.
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4 zeigt
den Zusammenhang zwischen einer Antenne für einen Leser und/oder Schreiber, die
in der Schreib-Lesevorrichtung vorgesehen ist und der IC Karte gemäß der Erfindung.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Antenne für den Leser und/oder
Schreiber, die an dem Leser und/oder Schreiber gemäß der Erfindung
vorgesehen ist.
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6 ist
eine Darstellung zur Erläuterung der
Prinzipien des Synthetisierens von magnetischen Feldern in sowohl
der vertikalen Richtung als auch einer seitlichen Richtung in der
ersten Ausführungsform
der Antenne für
einen Leser und/oder Schreiber.
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7 ist
eine Darstellung einer simulierten Feldstärke mit einem vertikalen Abstand
von einer Antenne für
einen Leser und/oder Schreiber gemäß der ersten Ausführungsform.
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8 ist
eine Darstellung einer simulierten Feldintensität in einer Position, die drei
Meter seitwärts
von der Antenne des Lesers und/oder Schreibers der ersten Ausführungsform
beabstandet ist.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Antenne des
Lesers und/oder Schreibers, die an der Lese- und/oder Schreibvorrichtung
gemäß der Erfindung
vorgesehen ist.
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10 ist
eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der zweiten Ausführungsform
der Antenne des Lesers und/oder Schreibers, die an der Lese- und/oder Schreibvorrichtung
gemäß der Erfingung vorgesehen
ist.
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11 ist
eine Darstellung einer simulierten elektrischen Feldintensität in einem
Abstand von drei Meter von einer Circular-Loop Antenne und/oder
eines Schreibers, die an einer leitenden Platte („Leiterplatte") angeordnet ist.
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12 ist
eine Darstellung einer simulierten elektrischen Feldintensität in einem
Abstand von drei Meter von einer Rectangular-Loop Antenne eines
Lesers und/oder Schreibers, die an einer leitenden Platte angeordnet
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung und deren Verwendung anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Zuerst
wird ein Energiezufuhrsystem für
den Betrieb mit berührungslosen
Karten und eine Antenne, die hierfür in einem Leser und/oder Schreiber
von beispielsweise einem Geldautomaten, einem automatischen Ticketsystem
oder Raumeingangs- bzw. Ausgangskontrollsystemen verwendet wird,
beschrieben, sowie eine geeignete berührungslose Karte, wie beispielsweise
eine Geldautomatenkarte, eine Kreditkarte, ein Passagierticket,
Fahrausweise, Coupontickets, Kontrollkarten, IC Karten, Lizenz- oder
Telefonkarten, Autobahngebührkarten
u. Ä. zur Verwendung
in den Geldautomaten, den automatischen Ticketsystemen, den Raumeingangs- bzw. Ausgangskontrollsystemen,
etc.
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1 ist
eine Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Energiezufuhr-
und Kommunikationssystems zur Zuführung von Energie und auch
zur Durchführung
von Kommunikation von einer Lese und/oder Schreibeinheit (Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung)
zeigt, die zum Beispiel an einem Ticketprüfeingang, in einem Bus, an
einem Eingang/Ausgang oder in einem vorbestimmten Platz vorgesehen
ist, zu einer berührungslosen
Karte 2 (drahtlose Karte für den Nahbereich: IC Karte),
welche durch den Leser und/oder Schreiber in einer kontaktfreien
Weise hindurchgeführt
wird oder in nahen Kontakt mit dem Leser und/oder Schreiber gebracht wird.
Die berührungslose
Karte (drahtlose Karte für den
Nahbereich: IC Karte) 2 dient als eine Geldautomatenkarte,
Kreditkarte, Passagierticket, Fahrausweis o. Ä., während sie an dem Leser und/oder Schreiber
vorbeigeführt
wird, der an einem Ticketprüfeingang
vorgesehen ist, in einem Bus oder an einem Eingang/Ausgang, wobei
die IC Karte von ihrem Anwender in einer berührungsfreien Weise, zum Beispiel
in einem Abstand von etwa bis zu 20 cm von der Lese- und/oder Schreibeinheit 1 gehalten
wird, um drahtlos Informationen auf die Geldautomatenkarte, Kreditkarte,
Passagierticket, Fahrausweis o. Ä.
zu oder von dem Leser und/oder Schreiber zu übertragen und/oder zu empfangen.
Die berührungsfreie Karte
(drahtlose Karte für
den Nahbereich: IC Karte) 2 kann auch verwendet werden
ohne mit dem Leser und/oder Schreiber 1 in Berührung zu
geraten, in einer ungefähr
fixierten Position in einem vergleichsweise konstanten Abstand h
von einigen wenigen Zentimetern oder weniger von dem Leser und/oder Schreiber.
In diesem Fall, in dem die Abmessungen einer Kartenantenne 201,
die auf die drahtlose Karte 2 für den Nachbereich aufgeformt
ist, größer als
die Abmessungen einer R/W Antenne 101 gemacht werden, die
an der Lese- und/oder Schreibereinheit 1 vorgesehen ist,
werden sowohl Leistungszuführungen
als auch Übertragungen
und/oder der Empfang von Kommunikation unter Verwendung von elektromagnetischen
Wellen (drahtlos) stabil erreicht, die aus einer Energiezufuhrwelle
und einer modulierten Welle für
die Datenkommunikation zwischen der Antenne des Lesers und/oder
Schreibers 101 und der Kartenantenne 201 bestehen,
selbst wenn die Kartenantenne 201 etwas von der Antenne
des Lesers und/oder Schreibers 101 abweicht.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung
(System) zur drahtlosen Zuführung
von elektrischer Leistung und zum Durchführen der Übertragung und/oder des Empfangens
der Kommunikation von Informationen in einer drahtlosen Weise zwischen
der Lese- und/oder Schreibeinheit (Vorrichtung) 1 und der
berührungslosen
Karte 2 (drahtlose Karte für den Nahbereich: IC Karte)
gemäß der Erfindung.
Die Ausführungsform
von 2 zeigt das Ausführen von sowohl der Zuführung von
Leistung als auch der Übertragung
und/oder dem Empfang von Kommunikation unter Verwendung von elektromagnetischen
Wellen (drahtlos), bestehend aus einer Leistungszuführungswelle
und einer modulierten Welle für
die Datenkommunikation, die in 3 dargestellt
sind, zwischen der Antenne des Lesers und/oder Schreibers, die in
der Lese- und/oder Schreibereinheit 1 vorgesehen ist und
der Kartenantenne 201, die an der drahtlosen Karte 2 für den Nahbereich
angeformt ist. Obwohl eine Energiezufuhrwelle und eine Signalwelle
in derartigen ASK Modulationssystemen verschiedene Frequenzkomponenten
hinsichtlich der Frequenzregion haben, variiert nur die Amplitude
der Energiezufuhrwelle mit der Signalgeschwindigkeit in Bezug auf den
Zeitbereich. Mit anderen Worten, eine modulierte Welle, die aus
dem Multiplizieren der Signalwelle mit der Energiezufuhrwelle resultiert,
sieht nur wie die Auf- und Abfluktuationen der Amplitude der Energiezufuhrwelle
hinsichtlich von Zeitbereichen aus. Obwohl es denkbar ist die Energiezufuhrwelle
und die Signalwelle über
separate Antennen zu übertragen, wobei
die modulierte Welle drahtlos übertragen
werden soll, sieht die erfindungsgemäße Konfiguration vor, dass
die Feldintensität
innerhalb der Anforderungen des Radiogesetzes begrenzt ist (500 μ V/m bei einem
Abstand von 3 Meter) und dass diese modulierte Welle über eine
einzelne Antenne (Antenne des Lesers und/oder Schreibers) 1 übertragen
wird, um die berührungsfreie
Karte zu vereinfachen (drahtlose Karte für den Nahbereich: IC Karte 2).
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Somit
ist die Lese- und/oder Schreibeinheit 1 mit einer Energiezufuhrquelle 105 zur
Erzeugung einer Spannung bei einer hohen Frequenz von 13,56 MHz
versehen; einer Kodierschaltung 107 zum Kodieren von Übertragungsdaten 106 die
zur Übertragung
zu der drahtlosen Karte 2 für den Nahbereich eingegeben
wurden; einem Modulator 108 zum Überlagern (Multiplizieren)
einer Amplitudenmodulation (Amplitude Shift Keying modulation) auf
(durch) die Hochfrequenzspannung von 13,56 MHz, die von der Energiezufuhrquelle 105 erzeugt
wird, unter Verwendung des Signals, das durch die Kodierschaltung 107 kodiert
wird; einen Übertragungsverstärker 109 zum
Verstärken
des Signals, das durch den Modulator 108 ASK-moduliert
auf die Hochfrequenzspannung von 13,56 MHz wird; eine anpassende
Schaltung (Energiezufuhrschaltung) 102 umfassend einen Kondensator 104 zum
Koppeln des Signals durch induktives Koppeln 103, welches über den Übertragungsverstärker 109 verstärkt wurde,
um eine Impedanzanpassung durchzuführen, um so Reflektion zu vermeiden;
der Antenne des Lesers und/oder Schreibers 101 zur Erzeugung
von elektromagnetischen Wellen um Energie zuzuführen und Daten zu der Karte 2 zu übertragen,
abhängig
von dem Ausgang der anpassenden Schaltung 102 und zum Empfangen von
Daten, die von einer elektromagnetischen Welle von der Kartenantenne 201 der
drahtlosen Karte 2 für den
Nahbereich gesendet werden; einer Filterschaltung 110 um
die Signale, die von der R/W Antenne 101 empfangen werden,
in der Anpassschaltung 102 anzupassen und um Rauschkomponenten
von dem Signal zu entfernen, das von der Induktionskopplung 103 erzeugt
wird; einem Empfangsverstärker 111 um ein
Signal zu verstärken,
welches durch die Filterschaltung 110 erhalten wird; einem
Demodulator 112 zum Demodulieren des Signals, welches durch
den Empfangsverstärker 111 verstärkt wird
unter Verwendung des Hochfrequenzspannungssignals von 13,56 MHz,
welches von der Energiezufuhrschaltung 105 erhalten wird;
und einer Dekodierschaltung 113 zum Dekodieren des Signals,
das von dem Demodulator 112 demoduliert wird und zum Ausgeben
desselben als Empfangsdaten 114. Die Übertragungsdaten 106 und
die Empfangsdaten 114 werden mit einem Hostcomputer 115 über ein
Netzwerk verbunden.
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Die
berührungsfreie
Karte (drahtlose Karte für
den Nahbereich: IC Karte) 2 ist mit der Kartenantenne 201 versehen,
um die elektromagnetischen Wellen zu empfangen, die von der Antenne
des Lesers und/oder Schreibers 101 der Lese- oder Schreibeinheit 1 erzeugt
werden, um eine Energiezuführung
und eine Datenübertragung
zu überreichen,
und zum Erzeugen einer elektromagnetischen Welle, die schaltungsmodulierten Übertragungsdaten
entspricht; einem drahtlosen Chip 202 der eine Anpassungs-
und Rektifizierungsschaltung 203 aufweist, um die Leistung
von 13,56 MHz zu Rektifizieren, die von der Kartenantenne 201 empfangen
wird und um die übertragenen
und/oder empfangenen Signale impedanzmäßig anzupassen; einer Energiezufuhrschaltung 204 zum
Zuführen
einer konstanten Gleichstromenergiezufuhr 205 von etwa
2 bis 5 V in etwa 5 mW von der rektifizierten, induzierten Spannung
von der Anpass- und Rektifizierungsschaltung 203; einer
Taktextraktschaltung 206 zum Extrahieren eines Taktsignals
von dem Empfangssignal, das von der Anpass- und Rektifizierungsschaltung 203 erhalten
wird; einer LPF Schaltung 207 zum Entfernen von Rauschkomponenten
von dem Empfangssignal, welches von der Anpass- und Rektifizierungsschaltung 203 erhalten
wird; einer Wellenform-Formschaltung 208 zum Formen der
Wellenform des Empfangssignals, welches von der LPF Schaltung 207 erhalten wird;
und einer Schaltungsmodulationsschaltung 209 zum Schaltungsmodulieren
eines Übertragungssignals,
um das modulierte Signal der Anpass- und Rektifizierungsschaltung 203 zuzuführen, für Zwecke
des Anpassen und zum Zuführen
des angepassten Signals zu der Kartenspule 201; und einem
Chip 210 umfassend eine CPU (CPU + interface) die eine
Frequenz teilende Schaltung 211 aufweist, um ein Signal zu
erzeugen, welches auf der Basis des Taktsignals in Frequenzen aufgeteilt
ist, welches Taktsignal von der Taktextraktschaltung 206 extrahiert
wird, des drahtlosen Chips 202 und zum Betreiben eines
Mikrocomputers 214; einer Dekodierschaltung 212 zum Dekodieren
des Signals, welche von der Wellenform-Formschaltung 208 des drahtlosen
Chips 202 erhalten wird und zum eingeben dieses Signals
in den Mikrocomputer (CPU) 214 als dekodierte Daten (Empfangsdaten);
einer Kodierschaltung 216 zum Kodieren von Übertragungsdaten,
die von dem Mikrocomputer 214 erhalten werden und zum Eingeben der
kodier ten Daten zu der Schaltungsmodulationsschaltung 209 des
drahtlosen Chips 202; und dem Mikrocomputer (CPU) 214 von
H8 oder Ähnlichem, mit
einem eingebauten Speicher zum Speichern von Informationen als eine
Karte, zum Verarbeiten von Übertragungs-
und/oder Empfangsdaten und zum Übertragen
von Daten zu und von dem Speicher und zum Empfangen der stabilen
Energiezufuhr 205 von der Energiezufuhrschaltung 204 des
drahtlosen Chips 202.
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Die
Verwendung der Antenne des Lesers und/oder Schreibers 101 und
der Kartenantenne 201 zur Zuführung von Energie über eine
elektromagnetische Welle (drahtlos) ist dazu gedacht, die Effizienz einer
Energiezufuhr durch elektromagnetische Induktion unter Verwendung
einer magnetischen Kopplung zu verbessern. Wenn eine spiralförmige Antenne 201 an
der drahtlosen Karte 2 für den Nahbereich angeformt
ist, besteht ein Vorteil darin, dass die drahtlose Karte 2 für den Nahbereich
einer Verformung widersteht. Sowohl die Antenne des Lesers und/oder Schreibers 101 als
auch die Kartenantenne 201 können die Form einer Spule haben.
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Wie
es oben beschrieben wurde, wird in dem drahtlosen Kartensystem für den Nahbereich
durch ein Bewegen der berührungsfreien
Karte 2 (drahtlose Karte für den Nahbereich: IC Karte)
in die Nähe
des Lesers und/oder Schreibers 1 um beispielsweise eine
vergleichsweise konstante Distanz h von etwa einigen wenigen Zentimetern
oder weniger, Energie drahtlos zugeführt und außerdem wird eine Übertragung
bzw. ein Empfang von Informationen (Kommunikation) drahtlos zwischen
der Lese- und/oder Schreibeinheit 1 und der berührungsfreien
Karte 2 erreicht. Somit wird in dem drahtlosen Kartensystem
für den
Nahbereich eine Energiezufuhrwelle oder eine Kommunikationswelle
von der Antenne des Lesers und/oder Schreibers 101 abgestrahlt
und diese elektromagnetische Welle wird empfangen und induziert durch
die spiralförmige
oder spulenförmige
Antenne 201 an der Kartenseite, um die Schaltung der Kartenseite
zu betreiben und um ein Signal zu detektieren.
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Wenn
nun in dem drahtlosen Kartensystem für den Nahbereich, die berührungsfreie
Karte (drahtlose Karte für
den Nahbereich: IC Karte 2) nahe zu dem Leser und/oder
Schreiber 1 gebracht wird, in eine vergleichsweise konstante
Distanz h von etwa einigen wenigen Zentimetern oder weniger, und
wie in 4 gezeigt verwendet wird, ist die spiralförmige Antenne 101,
die in dem Leser und/oder Schreiber 101 verwendet werden
soll, durch Formen über
ein isolierendes Substrat 101a konfiguriert, wobei eine spiralförmige oder
spulenförmige
Antenne 101b eines Filmleiters eine äußere rechtwinklige Form hat, deren äußerste Abmessungen
25 mm–75
mm betragen. In diesem Fall ist dies ausreichend klein relativ zu
einer Wellenlänge
von 22 m, die durch eine Dienstfrequenz von 13,56 MHz bestimmt wird
und die Stromverteilung an der Antenne wird als ausreichend gleichförmig angesehen.
Als ein Ergebnis wird ein starkes elektrisches Feld und ein starkes
magnetisches Feld in den seitlichen und vertikalen Richtungen der
Antenne erzeugt.
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In
diesem Fall, wenn die berührungsfreie Karte 2 mit
einer spiralförmigen
oder spulenförmigen Antenne 201 in
der vertikalen Richtung montiert ist und in einem Abstand h von
etwa einigen wenigen Zentimetern oder weniger zu dem Leser und/oder Schreiber
gebracht wird, kann die Energie zuführende Welle oder die Signalwelle übertragen
bzw. empfangen werden. Dieser Kommunikationsabstand kann sich auf
etwa bis zu 20 cm erhöhen,
abhängig von
den Fähigkeiten
des Systems. Wenn allerdings das abgestrahlte elektrische Feld innerhalb
der Anforderung des Radiogesetzes (500 μV/m bei einer Distanz von 3
m) beschränkt
ist, ist die obere Grenze der Stromstärke vorgegeben, die der spiralförmigen Antenne
oder Spuleinheit 101b für
den Leser und/oder Schreiber zugeführt werden soll, die obere Grenze
für die
Intensität
des magnetischen Feldes, das für
die Energiezufuhr nötig
ist, ist vorgegeben und somit ist auch die obere Grenze für die Energiezufuhr
vorgegeben.
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Daher
ist es wünschenswert,
dass die zu verwendende Antenne 101 in dem Leser und/oder Schreiber 1 die
Anforderungen des Radiogesetzes (500 μ V/m bei einer Distanz von 3
m) hinsichtlich des abgestrahlten elektrischen Feldes erfüllt und
darüber hinaus
eine ausreichende Energiezufuhr zu der berührungslosen Karte möglich macht
(drahtlose Karte für
den Nahbereich: IC Karte) 2.
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Im
Folgenden werden die Ausführungsformen
der Antenne 101 beschrieben, die an dem Leser und/oder
Schreiber 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist, welche die Anforderungen des Radiogesetzes
(500 μ V/m
bei einer Distanz von 3 m) hinsichtlich des abgestrahlten elektrischen
Feldes erfüllt
und darüber
hinaus eine ausreichende Energiezufuhr zu der IC Karte 2 möglich macht.
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Zuerst
wird eine erste Ausführungsform
der Antenne 101 beschrieben, die an dem Leser und/oder
Schreiber 1 gemäß der Erfindung
vorgesehen ist. 5 zeigt die erste Ausführungsform
der Antenne 101, die an dem Leser und/oder Schreiber 1 gemäß der Erfindung
vorgesehen ist. Als die erste Ausführungsform der Antenne 101,
die an dem Leser und/oder Schreiber 1 verwendet werden
soll, wird sie durch Formen an einem isolierenden Substrat 101a konfiguriert,
wobei die spiralförmige
oder spulenförmige
Antenne 101b eines Filmleiters eine äußere rechteckige Form hat,
deren äußerste Konturabmessungen
25 mm–75
mm betragen, und wobei an der Rückseite
dieses Substrats 101a eine leitende Platte (Metallplatte) 101c aus
Cu oder Ähnlichem
vorgesehen ist, die ein Spiegelbild 91 der Antenne 101b bei einer
nahen Distanz d gleich etwa 20 mm oder weniger zu der Antenne 101b bildet.
Die leitende Platte (Metallplatte) 101c ist geerdet um
das elektrische Potential zu stabilisieren. Die leitende Platte 101c ist vorzugsweise
aus einem Material hergestellt, aus dem leicht das Spiegelbild 91 geformt
werden kann und welches einen niedrigen Widerstand hat wie z. B. Cu
oder Al.
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Als
ein Ergebnis der Bereitstellung dieser leitenden Platte (Metallplatte) 101c,
um das Spiegelbild 91 der Antenne 101b an der
nahen Distanz von d = etwa 20 mm oder weniger zu der spiralförmigen oder spulenförmigen Antenne 101b zu
bilden, werden magnetische Felder bei Punkten in Distanzen von r1
und r3 von den Seiten der Antenne (Loop Antenne) 101b erzeugt,
die mit 13,56 MHz in einer verti kalen Richtung ausgestrahlt werden,
um einen Strom I dazu zu veranlassen durch die Antenne und die magnetischen
Felder an Punkten in Distanzen von r1' und r3' von den Seiten des Spiegelbildes 91 zu
strömen,
das in einem Abstand 2d von der Antenne (Loop Antenne) 101b gebildet
ist, wie es in 6 gezeigt ist.
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Das
magnetische Feld wird in einem Abstand von D [m] von oben von dem
Leser und/oder Schreiber mit einer Mess-Loop Antenne gemessen (eine quadratische
Loop Antenne deren Seiten jeweils 61,6 cm lang sind) und die Äquivalenz
der Feldintensität
(ωμSHz × AF) [dBuV/m]
wird erhalten, wie es in 7 gezeigt ist. 7 zeigt
mit der spiralförmigen oder
spulenförmigen
Antenne (Loop Antenne) 101b, deren maximale externe Abmessungen
30 mm × 30 mm
betragen, deren Anzahl von Windungen (T) 5 beträgt und wobei der Strom Is =
1,0 [Arms] ist, das Ergebnis der Simulation des Verhältnisses
zwischen der Distanz D [m] nach oben von dem Leser und/oder Schreiber
und der Feldintensität
[dBuV/m] an diesem Abstand hinsichtlich einem Fall, bei dem die
leitende Platte (Metallplatte) 101c abwesend ist und mit
Fällen,
bei denen die leitende Platte (Metallplatte) 101c vorhanden
ist und d = 5 mm, d = 20 mm und d = 50 mm ist. 7 zeigt,
das wenn die leitende Platte (Metallplatte) 101c vorhanden
ist, die Feldintensität auffälliger reduziert
ist, während
sich die nach oben gerichtete Distanz D erhöht, als wenn die leitende Platte
(Metallplatte) 101c abwesend ist. Wenn sich die Distanz
d zwischen der Loop Antenne 101b und der Metallplatte 101c von
50 mm auf 20 mm zu 5 mm verringert, wird die Feldintensität reduziert,
wenn die nach oben gerichtete Distanz D groß ist. Das Radiogesetz verlangt,
dass die Feldintensität
bei D = 3 [m] 54 [dBuV/m] beträgt.
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Daher
ist, wenn bei D = 3 [m] die Distanz d zwischen der Loop Antenne 101b und
der Metallplatte 101c auf 5 [mm] oder weniger gesetzt wird,
die Feldintensität
um zumindest 41 [dBuV/m] reduziert, verglichen mit dem Fall, wenn
die Metallplatte abwesend ist.
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Dann,
wenn z. B. die Distanz d zwischen der Loop Antenne 101b und
der Metallplatte 101c auf 5 [mm] oder weniger gesetzt wird,
und wenn die Distanz zwischen der Loop Antenne 101b und
der IC Karte 2 auf einige wenige Zentimeter oder weniger gesetzt
wird, ist es möglich
Energie von der Loop Antenne 101b zu der Kartenantenne 201 zuzuführen, bis
die Intensität
des elektrischen Feldes etwa 190 [dBuV/m] oder mehr beträgt. Wenn
z. B. die Distanz d zwischen der Loop Antenne 101b und
der Metallplatte 101c auf 20 [mm] gesetzt ist und wenn
die Distanz zwischen der Loop Antenne 101b und der IC Karte 2 auf
einige wenige Zentimeter oder weniger gesetzt wird, ist es möglich, Energie
von der Loop Antenne 101b zu der Kartenantenne 201 zuzuführen, bis
die Intensität
des Feldes etwa 180 [dBuV/m] oder mehr beträgt.
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Um
die Anforderung des Wireless Telegraphy Act (54 [dBuV/m] bei D =
3 [m]) bei der Abwesenheit der Metallplatte zu erfüllen, wird
es notwendig sein, die Feldintensität basierend auf der Energie,
die von der Loop Antenne 101b zu der Kartenantenne 201 zugeführt wird,
auf etwa 120 [dBuV/m] oder weniger zu verringern. Durch Installation
der Metallplatte 101c an der Rückseite der Loop Antenne 101b werden
allerdings, wie es oben angegeben wurde, die Anforderungen des Wireless
Telegraphy Act hinsichtlich der abgestrahlten Feldintensität (500 μ V/m bei
einer Distanz von 3 m) erfüllt
und es wird ausreichend Energie zu der IC Karte 2 zugeführt.
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Wie
es in 6 gezeigt ist werden außerdem durch die Bereitstellung
der leitenden Platte (Metallplatte) 101c, um das Spiegelbild 91 der
Antenne 101b in einer nahen Distanz von d = etwa 20 mm oder
weniger zu der spiralförmigen
oder spulenförmigen
Antenne 101b zu bilden, elektromagnetische Felder (im Wesentlichen
elektrische Felder) an Punkten in Distanzen von r1 und r3 von den
Seiten der Antenne (Loop Antenne) 101b mit 13,56 MHz in
einer Seitenrichtung ausgestrahlt, um einen Strom I dazu zu bringen
durch die Antenne zu fließen
und elektromagnetische Felder (im Wesentlichen elektrische Felder)
an Punkten in Distanzen von r1' und
r3' von den Seiten
des Spiegelbildes 91, das in einer Distanz von 2d von
der spiralförmigen
oder spulenförmigen Antenne
(Loop Antenne) 101b geformt wird, zu erzeugen. Somit ist
die Feldintensität
von [dBuV/m] in einer Position 3 [m] seitlich von der Loop Antenne 101b wie
sie in 8 gezeigt ist. 8 zeigt
außerdem,
das bei einer spiralförmigen
oder spulenförmigen
Antenne (Loop Antenne) 101b, deren maximale externe Abmessung
30 mm × 30
mm beträgt
und deren Anzahl von Windungen [T] = 5 beträgt, und wobei der Strom Is
= 1,0 [Arms] ist, das Ergebnis der Simulation der Beziehung der
Feldintensität
[dBuV/m] in einer Position 3 [m] seitlich von der Loop Antenne 101b zu
einem Winkel φ um
die Loop Antenne 101b im Vergleich zu einem Fall, in dem
die leitende Platte (Metallplatte) 101c abwesend ist und
zu Fällen,
in denen die leitende Platte (Metallplatte) 101c vorhanden ist
und d = 5 mm, d = 10 mm, d = 20 mm, d = 30 mm, d = 40 mm und d =
50 mm ist. Wie in 8 gezeigt, wo die leitende Platte
(Metallplatte) 101c vorliegt, wird die Feldintensität um ein
Minimum von 45 [dBuV/m] reduziert, selbst wenn d = 500 mm ist, verglichen
mit dem Fall, wenn die leitende Platte (Metallplatte) 101c abwesend
ist. Somit werden durch Bereitstellen der Metallplatte 101c an
der Rückseite
der Loop Antenne 101b die Anforderungen des Radiogesetzes
(54 [dBuV/m] an Feldintensität
bei D = 3 [m]) in der seitlichen Richtung eher als in der vertikalen Richtung
von der Loop Antenne 101b einfach erfüllt.
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Ähnliche
Werte hinsichtlich der Resultate der Simulationen hinsichtlich der
Feldintensität
bei der Abwesenheit und Anwesenheit der Metallplatte in den 7 und 8 wurden
durch Experimente bestätigt.
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Wie
es oben beschrieben wurde, wird durch Bereitstellen der Metallplatte 101c an
der Rückseite der
Loop Antenne 101b sichergestellt, dass das abgestrahlte
elektrische Feld die Anforderungen des Wireless Telegraphy Act (599
dBuV/m bei D = 3 m) in jeder Richtung der Loop Antenne 101b erfüllt und
das darüber
hinaus der Kartenantenne 201 der IC Karte 2 ausreichend
Energie zugeführt
wird.
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Offensichtlich
erfüllt
eine Feldintensität
der modulierten Welle für
die Datenkommunikation, die von der Loop Antenne 101b abgestrahlt
wird, leicht die Anforderungen des Radiogesetzes (500 dBuV/m bei
D = 3 m), da sie geringer ist als die Energiezufuhrwelle.
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Im
Folgenden wird eine zweite Ausführungsform
der Antenne 101 beschrieben, die an dem Leser und/oder
Schreiber 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist. 9 zeigt
das Basiskonzept der zweiten Ausführungsform der Antenne 101,
die konfiguriert ist, indem eine spiralförmige oder spulenförmige Imageantenne
(Image Loop Antenna) 101d mit einer spiralförmigen oder
spulenförmigen
Antenne 101b in ihrer Spiegelbildposition verbunden wird. Wie
in 9 gezeigt, werden der Strom, der durch die Antenne 101b fließen soll
und der Strom, der durch die Imageantenne 101d fließen soll,
dazu veranlasst, in Richtung zu einander zu strömen. In dem eine derartige
Konfiguration verwendet wird, wird sichergestellt, dass die Imageantenne 101d die
selbe Funktion wie das Spiegelbild 190 ausführt, welches durch
die Metallplatte 101c in der ersten Ausführungsform
gebildet wird, nämlich
dass das abgestrahlte elektrische Feld die Anforderungen des Wireless
Telegraphy Act (500 dBuV/m bei D = 3 m) in jeder Richtung der Loop
Antenne 101b erfüllt
und das darüber
hinaus ausreichend Energie zu der Kartenantenne 201 der
IC Karte 2 zugeführt
wird. In diesem Fall ist es notwendig zu koordinieren, dass der
Hochfrequenzstrom von 13,56 MHz der durch die Antenne 101b strömt und der
Hochfrequenzstrom von 13,56 MHz der durch die Imageantenne 101d strömt, entweder
in selber Richtung und umgekehrter Phase sind oder in umgekehrter
Richtung und in selber Phase. Daher ist es notwendig die Spulenlängen zu
bestimmen, so dass der Hochfrequenzstrom von 13,56 MHz, der durch
die Antenne 101b fließen
soll, in Phase mit dem Hochfrequenzstrom von 13,56 MHz ist, der
durch die Imageantenne 101d fließen soll.
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10 ist
eine perspektivische Ansicht eines Beispiels, in dem die Antenne 101b und
die Imageantenne 101d von separaten Verstärkern 109a bzw. 109b angetrieben
werden. Durch Verwendung einer derartigen Konfiguration und die
Eingabe von Hochfrequenzsignalen mit denselben 13,56 MHz an die
Antriebsverstärker 109a und 109b werden
die Ströme,
die durch die Antennen 101b und 101d fließen, einfach
phasengleich gemacht.
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Wie
es oben beschrieben wurde erlaubt, während die erste Ausführungsform
die Erzeugung eines magnetischen Feldes an der Rückseite der Metallplatte 101c verhindert,
die zweite Ausführungsform
die Erzeugung eines ähnlichen
Magnetfeldes zu dem an der Vorderseite an der Rückseite der Imageantenne 101d.
Wenn dieses Magnetfeld Probleme verursacht, wird es notwendig sein,
eine leitende Platte bereitzustellen, wie beispielsweise eine Metallplatte
an der Rückseite
der Imageantenne 101d, um somit ein erzeugtes Magnetfeld
daran zu hindern, einen Bereich zu erreichen, der von der Rückseite
der Imageantenne 101d abgewandt ist.
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Während sowohl
die Zuführung
von Energie als auch die Übertragung
bzw. der Empfang von Kommunikation unter Verwendung von elektromagnetischen
Wellen (drahtlos) die in 3 gezeigt ist und aus einer
Energiezufuhrwelle und einer modulierten Welle für die Datenkommunikation besteht, zwischen
der Antenne 101 des Lesers und/oder des Schreibers, die
an der Lese- und/oder Schreibeinheit 1 vorgesehen ist und
der Kartenantenne 201, die an der IC Karte 2 angeformt
ist, in der ersten der zwei Ausführungsformen,
die oben erwähnt
wurde, beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auch effektiv
in der Zufuhr von Energie unter Verwendung einer elektromagnetischen
Welle, die nur aus einer Energiezufuhrwelle besteht. Für die Kommunikation in
diesem Fall wird die Übertragung
bzw. der Empfang unter Verwendung von Antennen durchgeführt, die
separat für
die Lese- und/oder Schreibeinheit 1 und die IC Karte 2 vorgesehen
sind.
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Als
nächstes
wird der Zusammenhang zwischen den Größen der Antenne 101b und
der Metallplatte 101c, welche die Anforderungen des Radiogesetzes
bei einer Distanz von 3 m erfüllt,
und der Distanz zwischen der Antenne 101b und der Metallplatte 101c beschrieben.
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11 zeigt
ein Ergebnis eines Experiments an einer elektrischen Feldintensität E, die
bei einer Distanz von 3 m von einem Leser und/oder Schreiber erzeugt
wurde, und welche von einer kreisförmigen Antenne 101b bereit
gestellt wurde, die einen Radius von a [m] hat und einer leitenden
Platte 101c, die an der Rückseite der Antenne 101b vorgesehen
ist, wenn a × tan φ [m] ist,
welches den Zusammenhang zwischen den Größen der Antenne 101b und
der Metallplatte 101c beschreibt, und die Distanz zwischen der
Antenne 101b und der Metallplatte 101c geändert wird.
Es sollte angemerkt werden, dass der Zusammenhang a × tan φ [m] ein
Verhältnis
der Distanz zwischen der Antenne 101b und der Metallplatte 101c zu
einer Abmessung von dem Teil der Metallplatte 101c darstellt,
welche sich weiter von dem Fußabdruck
der Antenne 101b erstreckt. 11 zeigt
auch ein Ergebnis eines Experiments hinsichtlich eines Produktes
eines Stroms, welcher durch die Antenne fließt und deren Anzahl von Windungen.
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Wie
aus 11 zu erkennen ist, erhöht sich die elektrische Feldintensität E, wenn
sich a × tan φ [m] erhöht, oder
das Produkt des Antennenstroms und deren Anzahl von Windungen sich
erhöht.
Somit wird verlangt, dass a × tan φ [m] 0,2
[m] oder weniger beträgt,
um eine elektrische Feldintensität
E in einer Distanz von 3 m von einem Leser und/oder Schreiber von
50 [mA × T]
oder mehr, von weniger als 54 dBuV/m oder weniger beizubehalten,
was durch das Radiogesetz vorgegeben ist.
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Während in 11 das
Experiment (Simulation) unter Verwendung von Größen a = 0,03, 0,05, 0,07, 0,10,
0,15 und 0,20 [m] durchgeführt
wurde, zeigen sich selbst bei Verwendung von Antennen anderer Größen im Wesentlichen
die selben Charakteristiken wie die von 11, wenn
die Länge
der Antennenleitung 3 cm–3
m beträgt,
da die Länge
der Antennenleitung vernachlässigbar
ist, verglichen zu der Wellenlänge
(22 m) (13,56 MHz) der Energiezuführungswelle, die mit dem Leser
und/oder Schreiber verwendet wird. Dies gilt ebenso für die Ergebnisse der
folgenden Experimente.
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12 zeigt
ein Ergebnis eines Experiments an einer elektrischen Feldintensität E die
in einer Distanz von 3 m von einem Leser und/oder Schreiber erzeugt
wurde, welcher mit einer rechteckigen Antenne 101b versehen
ist, die eine Seite von a [m] hat und eine leitende Platte 101c,
die an der Rückseite
der Antenne 101b vorgesehen ist, wenn a × tan φ [m], was
den Zusammenhang zwischen den Größen der Antenne 101b und
der Metallplatte 101c beschreibt, und die Distanz zwischen
der Antenne 101b und der Metallplatte 101c geändert wird. 12 zeigt
auch ein Ergebnis eines Experiments für verschiedene Produkte eines
Stroms, welcher durch die Antenne fließt, und deren Anzahl von Windungen.
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Wie
in 12 zu sehen ist, erhöht sich die elektrische Feldintensität E, wenn
sich a × tan φ [m] erhöht bzw.
das Produkt des Antennenstroms und deren Anzahl von Windungen sich
erhöht.
Somit wird verlangt, dass a × tan φ [m] 0,2
[m] oder weniger betragen muss, damit eine elektrische Feldintensität E in einer
Distanz von 3 m von einem Leser und/oder Schreiber von 50 [mA × T] oder
mehr, niedriger als 54 dBuV/m oder weniger beträgt, was durch das Radiogesetz
vorgeschrieben ist.
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Es
wird aus einem Vergleich der 11 und 12 erkannt
werden, dass die elektrische Feldintensität E sich nicht extrem ändert abhängig von
der Form der verwendeten Antenne, aber zu einer Fläche (durch
welche das Magnetfeld wirkt) in Beziehung steht, die aus der äußersten
Komponente der Antenne geformt wird. Somit muss in dem Fall von
anderen Antennenformen das a × tan φ [m] 0,2
[m] oder weniger an einem Querschnitt einer Stelle sein, wo die Distanz
zwischen der leitenden Plattenkante 101c und der äußersten
Komponente der Antenne 101b minimal ist.
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Mit
den Antennen, wie denen aus den 11 und 12,
wurde bestätigt,
dass eine zufriedenstellende magnetische Feldintensität in einer
Distanz von etwa 20 cm oder weniger von dem Leser und/oder Schreiber
auf der Basis ihres Antennenstrom und ihrer Anzahl von Windungen
erreicht werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es in einem Leser und/oder Schreiber, welcher Energie
zu einer IC Karte für
den Nahbereich überträgt unter Verwendung
einer elektromagnetischen Welle (drahtlos), möglich, Energie zuzuführen, welche
die Anforderungen des Radiogesetzes in jeder Richtung der Antenne
erfüllt
und darüber
hinaus die IC Karte für
den Nahbereich in einer stabilen Weise betreibt.
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Ebenfalls
gemäß der Erfindung
ist es in einem Energiezufuhrsystem, welches Energie von einem Leser
und/oder Schreiber zu einer IC Karte für den Nahbereich zuführt unter
Verwendung einer elektromagnetischen Welle (drahtlos), möglich, die IC
Energie zuzuführen,
welche die Anforderungen des Radiogesetzes in jeder Richtung der
Antenne erfüllt
und darüber
hinaus die IC Karte für
den Nahbereich in stabiler Weise betreibt.
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Ebenfalls
gemäß der Erfindung
ist es in einem Leser und/oder Schreiber, welcher Energie zu einer
IC Karte für
den Nahbereich zuführt
und mit dieser kommuniziert unter Verwendung einer elektromagnetischen
Welle (drahtlos), die von einer einzigen Antenne abgestrahlt wird,
möglich,
der IC Karte Leistung zuzuführen,
welche die Anforderungen des Radiogesetzes in jeder Richtung der
Antenne erfüllt
und die IC Karte für
den Nahbereich stabil betreibt, um hierdurch eine stabile Kommunikation
mit der IC Karte zu erreichen.
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Ebenfalls
gemäß der Erfindung
wird durch Bereitstellen einer leitenden Platte unter der Antenne ein
Abschirmeffekt erreicht, welcher sicherstellt, dass selbst wenn
ein Hochfrequenzelektronik-Schaltkreis weiter unter dem Hochfrequenzelektronik-Schaltkreis konfiguriert
ist ein stabiler Betrieb der elektronischen Schaltung nicht dem
schädlichen
Einfluss von elektromagnetischen Wellen (Rauschen) ausgesetzt ist.