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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Transponder mit einer ersten Drosselspule und einer zweiten Drosselspule,
die in Reihe geschaltet sind, einem ersten Kondensator, einem zweiten
Kondensator und einem Schalter. Der Transponder umfasst weiter einen
ersten Schwingkreis und einen zweiten Schwingkreis, wobei der erste
Schwingkreis aus einer Parallelschaltung der Reihenschaltung aus
der ersten und aus der zweiten Drosselspule und dem ersten Kondensator
gebildet ist und wobei der erste Schwingkreis eine primäre Resonanzfrequenz
hat.
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Das Etikettieren von Artikeln zur
Identifikation und/oder zum Schutz vor Diebstahl ist bekannt. Zum Beispiel,
viele Artikel werden identifiziert, indem ein Barcode verwendet
wird, der codierte Information beinhaltet, die gelesen wird, indem
der Barcode durch das Sichtfeld eines Scanners hindurchgeführt wird.
Viele Artikel weisen auch einen Resonanztransponder oder ein Resonanzetikett
zur Verwendung bei der Diebstahlerkennung und -verhinderung auf.
In jüngerer
Zeit sind passive Resonanzetiketten entwickelt worden, die eindeutige oder
halbeindeutige Identifikationscodes zurücksenden. Diese Etiketten umfassen
typisch eine integrierte Schaltung (IS), die den Identifikationscode
speichert. Diese „intelligenten" Etiketten liefern
Information über
einen Artikel oder eine Person, welchem bzw. welcher das Etikett
zugeordnet ist, das in der Zone eines Abfrage- oder Lesegerätes erkannt
wird. Die Etiketten sind erwünscht,
weil sie schnell und aus einer Distanz abgefragt werden können. Die
US-A-5 446 447, US-A-5 430 441 und US-A-5 347 263 zeigen drei Beispiele
von solchen intelligenten Etiketten.
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Radiofrequenzidentifikation (RFID)-Etiketten
oder -Karten enthalten im allgemeinen eine Resonanzantennenschaltung,
die mit der IS elektrisch verbunden ist. Die IS ist im wesentlichen
ein programmierbarer Speicher zum Speichern von digital codierter
Information. Das Abfragegerät
(die Sendeantenne) erzeugt ein elektromagnetisches Feld mit der
Resonanzfrequenz des RFID-Etiketts. Wenn das Etikett in das Feld
des Abfragegerätes
eingebracht wird, wird in der Resonanzantennenschaltung des Etiketts
eine Wechselspannung induziert, die durch die IS gleichgerichtet
wird, um die IS mit einer internen Gleichspannung zu versorgen. Wenn
sich das Etikett in das Feld des Abfragegerätes bewegt, nimmt die induzierte
Spannung zu. Wenn die interne Gleichspannung einen Wert erreicht,
der einen richtigen Betrieb der IS gewährleistet, gibt die IS ihre gespeicherten
Daten ab. Zum Abgeben ihrer Daten erzeugt die IS eine Serie von Datenimpulsen
durch Zu- und Wegschalten eines Extrakondensators oder einer Extradrosselspule
in der Antennenschaltung für
die Dauer des Impulses, was die Resonanzfrequenz des Etiketts ändert, wobei
das Etikett gegenüber
der Betriebsfrequenz verstimmt wird. Das heißt, das Etikett erzeugt Datenimpulse,
indem es sich selbst verstimmt, was die Menge an Energie ändert, die
durch das Etikett verbraucht wird. Das Abfragegerät erfasst
den Energieverbrauch in seinem Feld und interpretiert die Änderungen
als Datenimpulse.
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Obgleich solche RFID-Etiketten oder
-Karten bekannt sind, gibt es noch technische Schwierigkeiten und
Beschränkungen,
die mit dem Betrieb von solchen Etiketten verbunden sind. Ein Problem
bei dem Versuch, mehrere RFID-Etiketten innerhalb einer Abfragezone
des Abfragegerätes
zu lesen, besteht darin, dass mehr als ein Etikett durch das Abfragegerät etwa zur
selben Zeit aktiviert werden können.
Wenn diese Etiketten nahe bei einander angeordnet sind, stören die
Felder, die durch ein Etikett erzeugt werden, die Felder, die durch
ein anderes Etikett erzeugt werden. Dieses Problem der gegenseitigen
Induktivität
ist bei RFID-Etiketten besonders signifikant, die ihre Information
durch Verstimmen senden, wie es oben beschrieben worden ist. Als eine
Konsequenz sinkt die effektive Lesedistanz für die Etiketten, und die Modulation
des Etiketts kann aufgrund der Tatsache, dass die Modulation davon
abhängig
ist, dass das Etikett in Resonanz ist (oder nahe bei derselben ist),
vollständig
ineffektiv werden. Somit kann dieses Verstimmen, das durch andere
Etiketten verursacht wird, das Lesen der gespeicherten Information
unmöglich
oder nahezu unmöglich
machen.
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Weitbereichslesezwecke erfordern
ein stark moduliertes AM-Feld. Ein hoher Grad an AM-Modulation wird
erzielt, indem in dem Magnetfeld der Antenne die größte Feldstörung hervorgerufen
wird. Eine maximale Feldstörung
(dargestellt durch eine maximale Amplitudendifferenz) wird erzielt,
wenn der Belastungseffekt des Etiketts nach jeder Feldstörung vollständig beseitigt
wird und wenn das Signal aus einem zu lesenden Etikett nicht mit
Rauschen oder Interferenz von anderen Etiketten her vermischt oder
gedämpft
wird. Daher können herkömmliche
Schemata, bei denen die Etiketten von ihrer Umgebung nicht effektiv
entkoppelt werden, eine Weitbereichsablesung nicht bewirken.
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Eine Möglichkeit zum Minimieren des
Problems, dass ein RFID-Etikett Felder erzeugt, welche benachbarte
Etiketten stören
oder nachteilig beeinflussen, ist in der US-A-6 208 235 bzw. in
der WO 98/43218 beschrieben. Bei dieser Möglichkeit enthält ein RFID-Transponder eine
integrierte Schaltung zum Speichern von Daten und eine Drosselspule,
die mit der integrierten Schaltung elektrisch verbunden ist. Die
Drosselspule umfasst eine erste Spule, die mit einer zweiten Spule
elektrisch verbunden ist. Ein Resonanzkondensator ist mit der integrierten
Schaltung und mit wenigstens einer der beiden Spulen elektrisch
verbunden, so dass der Resonanzkondensator und die wenigstens eine
mit ihm verbundene Spule eine erste vorbestimmte Resonanzfrequenz
haben. Ein Schalter, der eine erste Position und eine zweite Position
hat, ist zum wahlweisen Erlauben eines Stromflusses durch die zweite
Spule vorgesehen. Wenn der Schalter in der ersten Position ist,
induziert eine Beaufschlagung des Transponders mit einem externen
Feld mit oder nahe der ersten Resonanzfrequenz eine Spannung in
der Drosselspule und bewirkt, dass ein erster Strom durch die Drosselspule
in einer ersten Richtung fließt,
wodurch ein lokales Feld erzeugt wird. Wenn der Schalter in der
zweiten Position ist, induziert eine Beaufschlagung des Transponders
mit einem externen Feld mit oder nahe der ersten Resonanzfrequenz
eine Spannung in der Drosselspule und bewirkt das Fließen eines
ersten Stroms durch die erste Spule in einer ersten Richtung, wodurch
ein erstes lokales Feld erzeugt wird, und das Fließen eines
zweiten Stroms durch die zweite Spule in einer zweiten, entgegengesetzten
Richtung, wodurch ein zweites lokales Feld erzeugt wird. Eine Summe
des ersten und des zweiten lokalen Feldes nähert sich null.
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Diese Feldauslöschtechnik ist machbar, hat
aber einige Nachteile. Zum Beispiel, bei der Realisierung der Schaltung
wird eine Spule mit drei Windungen in Reihe mit einer Spule mit
einer Windung benutzt, was einen ungefähr dreimal stärkeren Stromfluss
in der Spule mit einer Windung erfordert. Das ist schwierig erreichbar,
insbesondere dann, wenn ein Schalter mit niedriger Impedanz parallel
an die Spule mit einer Windung angeschlossen werden muss. Die Feldauslöschtechnik
begrenzt auch die Flexibilität
des Entwurfes, weil die gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen
kritisch ist und empirisch eingestellt werden muss.
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Weiter, die US-A-4 040 053 offenbart
ein Transpondersystem mit gesicherter Synchronisation für ein Eisenbahnsignalsystem.
Das Transpondersystem umfasst eine Abfragestation, aus welcher ein
Abfragesignal kontinuierlich gesendet wird, und eine Antwortstation,
die auf das Abfragesignal hin mit Strom versorgt wird und wiederholt
ein codiertes Informationsantwortsignal zu der Abfragestation zurück sendet.
Die Synchronisation wird erreicht durch Starten jeder Informationsübertragung
mit Hilfe eines vorbestimmten Startsignals, das in der Abfragestation
als Ergebnis einer vorbestimmten Bitsequenz erzeugt wird, welche
aus der Antwortstation zurückgesendet
wird.
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Die Druckschrift US-A-5 701 121 offenbart
eine Vorrichtung aus einem Wandler und einem Abfragegerät, in welcher
das Abfragegerät
Energie und Information an den Wandler über ein Magnetfeld liefert.
Das Magnetfeld, das durch das Abfragegerät erzeugt wird, kann derart
moduliert werden, dass eine Identifikation, Kommentare oder andere
Information an einen passiven Stellantrieb geliefert wird, ohne
dass die Energie, die zu dem passiven Stellantrieb übertragen
wird, wesentlich reduziert wird.
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Die Patentschrift US-A-4 580 041
offenbart ein Identifikationssystem, das ein Lesegerät und ein
Identifiziergerät
umfasst, wobei das Identifiziergerät durch das Signal aus dem
Lesegerät
mit Strom versorgt werden kann und wobei der Strombedarf minimal
ist. Das Lesegerät
beinhaltet einen ersten Signalgenerator zum Erzeugen eines ersten
Signals, das durch eine Antenne abgestrahlt wird. Das Identifiziergerät beinhaltet
eine Antenne, die das erste Signal empfängt, zur Übertragung zu einem Signalmodulator,
der bewirkt, dass das Signal gemäß einem
vorab zugeordneten Code für
das Identifiziergerät
moduliert wird.
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Es ist demgemäß das Ziel der Erfindung, einen
alternativen Transponder zu schaffen, der die Erzeugung von Feldern
verhindert, welche nahe gelegene RFID-Etiketten oder Resonanzkarten
oder -etiketten stören
oder nachteilig beeinflussen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Schaffung
eines Transponders, wobei der zweite Schwingkreis aus einer Reihenschaltung
des zweiten Kondensators und des Schalters gebildet ist. Die Reihenschaltung
aus dem zweiten Kondensator und dem Schalter ist zu der zweiten
Drosselspule parallel geschaltet. Insbesondere ist ein Ende der
Reihenschaltung aus dem zweiten Kondensator und dem Schalter mit
der gemeinsamen Verbindung zwischen der ersten Drosselspule und
der dazu in Reihe geschalteten zweiten Drosselspule verbunden. Die
Werte der zweiten Drosselspule und des zweiten Kondensators sind
so gewählt,
dass die Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises gleich der
primären
Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises ist. Wenn der Schalter
offen ist, hat daher der zweite Schwingkreis eine minimale oder
keine Auswirkung auf den Transponder, und der erste Schwingkreis
ist bei der primären
Resonanzfrequenz in Resonanz, wenn der Transponder mit einem externen
Feld mit oder nahe der primären
Resonanzfrequenz beaufschlagt wird. Wenn der Schalter geschlossen
ist, bildet der zweite Schwingkreis einen Parallelschwingkreis hoher
Impedanz, der bewirkt, dass der Stromfluss bei der primären Resonanzfrequenz
blockiert oder minimiert wird, wodurch verhindert wird, dass der
Transponder irgendeine signifikante Menge an Energie dem externen
Feld entzieht und bei der primären
Resonanzfrequenz in Resonanz ist. Der Transponder ist dadurch von
seiner Umgebung entkoppelt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
2–5 definiert.
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Die vorstehende Zusammenfassung sowie
die folgende ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
werden besser verständlich,
wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
Zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen Ausführungsformen
gezeigt, die gegenwärtig
bevorzugt werden. Es dürfte
jedoch klar sein, dass sich die Erfindung nicht auf die gezeigten
präzisen
Anordnungen und Instrumentalitäten
beschränkt.
In den Zeichnungen ist:
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1 ein
Ersatzschaltbild gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und zeigt ein Abfragegerät und ein
Etikett in einem Zustand, in welchem das Etikett in der Lage ist,
bei seiner primären
Resonanzfrequenz in Resonanz zu sein;
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2 ein
Ersatzschaltbild gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und zeigt ein Abfragegerät und ein
Etikett in einem Zustand, in welchem das Etikett von seiner Umgebung
entkoppelt ist und nicht in der Lage ist, bei seiner primären Resonanzfrequenz
in Resonanz zu sein;
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3 eine
erste Ausführungsform
einer Gehäusekonfiguration
für das
Etikett nach den 1 und 2; und
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4 eine
zweite Ausführungsform
einer Gehäusekonfiguration
für das
Etikett nach den 1 und 2.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine gewisse Terminologie wird hier
lediglich der Zweckmäßigkeit
halber verwendet und ist nicht als eine Beschränkung der vorliegenden Erfindung
zu verstehen. In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszahlen zum
Bezeichnen derselben Elemente in allen Figuren verwendet.
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Die 1 und 2 sind Ersatzschaltbilder
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die 1 und 2 sind Darstellungen derselben
Schaltung, aber in unterschiedlichen Zuständen. Die Schaltungsanordnung
nach den 1 und 2 wird im einzelnen beschrieben,
gefolgt von einer Erläuterung
der Arbeitsweise der Schaltbilder. Die Ausführungsform der Erfindung, die
hier beschrieben wird, wird bei Radiofrequenzidentifikation (RFID)-Etiketten
oder -Transpondern benutzt.
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1 ist
ein elektrisches Ersatzschaltbild eines RFID-Lesegerätes oder – Abfragegerätes (im
folgenden "Abfragegerät 10") und einer RFID-Resonanzvorrichtung
oder eines RFID-Resonanzetiketts oder -transponders (im folgenden „Transponder 12"). Das Abfragegerät 10 hat
eine Spannungsquelle 14, die mit einer Sendespule oder
-antenne 16 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes
elektrisch verbunden ist. Die Antenne 16 wird hauptsächlich durch
eine Induktivität
LO definiert, hat aber auch in einem Ersatzreihenwiderstand
RO und eine Ersatzreihenkapazität CO, die zusammen eine RLC-Reihenschaltung
bilden. Diese Bauelemente bilden eine Stromschleife, die als Schleife
O bezeichnet ist und einen Stromfluss IO hat.
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Das Abfragegerät 10 und der Transponder 12 kommunizieren
durch induktive Kopplung, die in 1 als
gegenseitige Induktivität
MOT gezeigt ist. Abfragegeräte, die
mit einem Resonanzetikett oder -transponder durch induktive Kopplung
kommunizieren, sind bekannter Stand der Technik. Zum Beispiel, Abfragegeräte sind in
den US-Patenten Nr. 3 752 960, 3 816 708 und 4 580 041 beschrieben,
die alle für
Walton erteilt worden sind und die alle in ihre Gesamtheit durch
Bezugnahme hier einbezogen werden. Demgemäß ist das Abfragegerät 10 nicht
im einzelnen gezeigt oder beschrieben. Es mag ausreichen zu sagen,
dass das Abfragegerät 10 ein
elektromagnetisches Feld mit oder nahe der Resonanzfrequenz des
Transponders 12 aufbaut. Wenn der Transponder 12 nahe
genug bei dem Abfragegerät 10 ist,
so dass er sich innerhalb des elektromagnetischen Feldes befindet,
wird in dem Transponder 12 eine Spannung induziert. Wenn
sich der Transponder 12 in das Feld bewegt, das durch das
Abfragegerät 10 erzeugt
wird, nimmt die induzierte Spannung zu, bis ein Spannungswert innerhalb
des Transponders 12 erreicht ist, der ausreicht, um den
Transponder 12 mit Strom zu versorgen und der Vorrichtung
zu gestatten, gemäß ihrem
gewünschten
Zweck zu arbeiten, wie es ausführlicher
im folgenden beschrieben ist. Das Abfragegerät 10 kann körperlich
als ein Paar intelligenter Sockel (nicht dargestellt) realisiert
werden, als ein RFID-Handscanner (nicht gezeigt) oder auf irgendeine
andere Art und Weise.
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Das Abfragesignal, das durch das
Abfragegerät 10 erzeugt
wird, ist vorzugsweise ein insgesamt kontinuierliches Signal, im
Gegensatz zu einem periodischen oder impulsweisen Signal. Die Abfragezone
ist der Bereich innerhalb des elektromagnetischen Feldes, in welchem
eine Spannung in dem intelligenten Transponder 12 erzeugt
wird, die ausreicht, um den Transponder 12 mit Strom zu
versorgen. Somit wird die Größe der Abfragezone
durch die Stärke
des elektromagnetischen Feldes festgelegt, wenigstens zum Teil.
Das Abfragegerät 10 kann
allgemein Übertragungen
aus einer Vielzahl von Transpondern 12 erkennen (und somit
deren zugeordnete Artikel), die sich innerhalb der Abfragezone befinden.
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Intelligente Vorrichtungen oder Transponder
sind allgemein bekannt und bei einer Vielfalt von Verwendungen einsetzbar.
Das US-Patent Nr. 5 430 441 (Bickley et al.) offenbart ein Transponderetikett
, welches ein digital codiertes Signal auf ein Abfragesignal hin
sendet. Das Etikett in Bickley et al. umfasst ein starres Substrat,
das aus mehreren die lektrischen Schichten und leitfähigen Schichten
aufgebaut ist, und enthält
eine integrierte Schaltung, die gänzlich in ein Loch in dem Substrat
eingebettet ist und mit leitfähigen
Folienleiterbahnen durch punktweises Bonden verbunden ist. Der körperliche
Aufbau des Transponders 12 wird weiter unten mit Bezug
auf die 3 und 4 beschrieben.
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Der Transponder 12 nach
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Antennenschaltung 20,
die mit einer integrierten Schaltung (IS) 18 elektrisch verbunden
ist. Die Antennenschaltung 20 umfasst einen Schwingkreis,
der bei einer vorbestimmten Radiofrequenz (RF) in Resonanz ist,
die einer Radiofrequenz des Abfragegerätes 10 entspricht,
wie es im folgenden näher
erläutert
ist.
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Die Antennenschaltung 20 kann
ein oder mehrere induktive Elemente umfassen, die mit einem oder mehreren
kapazitiven Elementen elektrisch verbunden sind. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird die Antennenschaltung 20 durch die Kombination aus
einem einzelnen induktiven Element, einer Drosselspule oder einer
Spule 22 (LT), gebildet, das mit
einem kapazitiven Element oder Primärresonanzkondensator 24 (CT) in einer Reihenstromschleife liegt, die
als Schleife 1 bezeichnet ist. Die Drosselspule 22 besteht
tatsächlich
aus zwei Spulen, die in Reihe verdrahtet sind, wie es ausführlich in 2 gezeigt ist. Die Drosselspule 22 und
der Resonanzkondensator 24 (CT)
sind zu der IS 18 parallel geschaltet.
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Dem einschlägigen Fachmann ist klar, dass
die Betriebsfrequenz der Antennenschaltung 20 von den Werten
der Drosselspule 22 und des Resonanzkondensators 24 abhängig ist.
Die Größe der Drosselspule 22 und
der Wert des Kondensators 24 werden auf der Basis der gewünschten
Resonanzfrequenz der Antennenschaltung 20 bestimmt. In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Transponder 12 so aufgebaut, dass
er mit 13,56 MHz arbeitet. Es wird zwar bevorzugt, dass der Transponder 12 bei
etwa 13,56 MHz in Resonanz ist, der Transponder 12 könnte jedoch
so aufgebaut sein, dass er bei anderen Frequenzen in Resonanz ist, und
die präzise
Resonanzfrequenz des Transponders 12 soll keine Beschränkung der
vorliegenden Erfindung bedeuten. Dem einschlägigen Fachmann dürfte somit
klar sein, dass die Antennenschaltung 20 bei Radiofrequenzen
arbeiten kann, die von 13,56 MHz verschieden sind, und tatsächlich bei
anderen Frequenzen wie beispielsweise Mikrowellenfrequenzen.
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Ein Widerstand 26 (RT) ist in Reihenschaltung mit der Drosselspule 22 gezeigt,
der einen Ersatzreihenwiderstand der Drosselspule 22 aufgrund
von Stromverlusten darstellt. Darüber hinaus weist die Antennenschaltung 20 zwar
ein einzelnes induktives Element auf, nämlich die Drosselspule 22,
und einen einzelnen Kondensator 24; es könnten jedoch
mehrere Drosselspulen- und Kondensatorelemente verwendet werden. Zum
Beispiel, Schwingkreise mit mehreren Elementen sind in der elektronischen
Sicherheits- und Überwachungstechnik
bekannt, wie sie beispielsweise in der US-A-5 103 210 mit dem Titel „Activatable/Deactivatable Security
Tag for Use with an Electronic Security System" beschrieben ist. Es wird zwar eine
bevorzugte Antenne beschrieben, dem einschlägigen Fachmann ist anhand dieser
Offenbarung jedoch klar, dass irgend eine Einrichtung zum Koppeln
von Energie in die/aus der IS 18 verwendet werden kann.
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Gemäß 2, auf die nun Bezug genommen wird, umfasst
der Transponder 20 auch einen zweiten Stromschleifenpfad,
Schleife 2. Die Schleife 2 umfasst einen Sekundärkondensator 18 (CSW) in Reihe mit einem Schalter 30 (S1). Ein Widerstand 32 (RSW) ist in Reihe geschaltet mit dem Kondensator 28 und
dem Schalter 30 gezeigt. Der Widerstand 32 repräsentiert
einen Ersatzreihenwiderstand dieser Bauelemente aufgrund von Stromverlusten.
Die Drosselspule 22 umfasst tatsächlich, wie oben erläutert, zwei
Spulen, die in Reihe verdrahtet sind, wie es ausführlich in 2 gezeigt ist. Die Schleife 2 umfasst
den Sekundärkondensator 28 (CSW), eine der beiden Spulen der Drosselspule 22 und
deren Ersatzwiderstand (ausführlicher
in 2 gezeigt), den Widerstand 32 (RSW) und den Schalter 30 (S1). In 1 ist
der Schalter 30 (S1) offen oder
AUS, und die Schleife 2 hat keinen nachteiligen Einfluss
auf den Betrieb des Schwingkreises, der durch die Drosselspule 22 (LT) und den Kondensator 24 (CT) gebildet ist.
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2 zeigt
die Ersatzschaltung in einem Zustand, in welchem der Schalter 30 (S1) geschlossen oder EIN ist. 2 zeigt auch die Drosselspule 22 mehr
im einzelnen, die aus zwei Drosselspulen 221 (L1T) und 222 (L2T) besteht, welche in Reihe verdrahtet sind.
Die Drosselspulen 221 (L1T) ist die primäre Spule, und die Drosselspule 222 (L2T) ist
die sekundäre
Spule. Der sekundäre
Kondensator 28 (CSW) liegt in Reihe
mit dem Schalter 30 (S1), das heißt er ist
mit der Verbindung zwischen den beiden Drosselspulen 221 (L1T) und 222 (L2T) verbunden.
Die Drosselspulen 221 (LIT) und 222 (L2T) sind über
eine gegenseitige Induktivität
M12 miteinander gekoppelt. Die Reihenkombination
der beiden Drosselspulen liegt parallel zu dem primären Resonanzkondensator 24 (CT). Der Widerstand 26 von 1 ist in 2 durch Ersatzwiderstände 26, und 262 dargestellt, die den Drosselspulen 221 bzw. 222 entsprechen.
Die Schleife 2 ist deutlicher in 2 gezeigt
und enthält
den Kondensator 28 (CW), die Drosselspule 222 (L2T), den
Widerstand 262 (R2T),
den Widerstand 32 (RSW) und den Schalter 30 (S1). Wenn der Schalter 30 geschlossen
ist, ist ein Parallelschwingkreis 34 mit dem Kondensator 28 (CSW) und der Drosselspule 222 (L2T) gebildet. Die Impedanz des Parallelschwingkreises 34 ist,
wie oben erläutert,
ideal unendlich. Ohmsche Verluste in den Bauelementen und in dem
Schalter 30 (S1) begrenzen jedoch
die maximale Impedanz, die realisiert werden kann, und werden durch
den Widerstand 262 (R2T)
und den Widerstand 32 (RSW) nachgebildet.
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Nachdem der Aufbau des Abfragegerätes 10 und
des Transponders 12 dargelegt worden ist, wird nun die
Theorie des Betriebes der beiden Ersatzschaltungen beschrieben.
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Wenn die Resonanzfrequenz eines Transponders
weit weg von dessen primärer
Resonanzfrequenz oder Grundfrequenz, hier 13,56 MHz, gelegt ist,
wird der Transponder 12 wenig oder keinen Belastungseffekt für das Abfragegerät 10 haben
und wird wenig oder keinen Effekt für ein Feld haben, das bei der
primären
Resonanzfrequenz in Resonanz ist. Noch wichtiger, der Tansponder 12 wird
wenig oder keinen Belastungseffekt für andere Transponder in seiner
unmittelbaren Nähe
haben. Der Transponder wäre
so von seiner Umgebung entkoppelt oder „vor ihr verborgen".
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Ein Schwingkreis kann wahlweise kurzgeschlossen
oder geöffnet
werden, je nachdem, wie er geschaltet ist. Ein Reihenschwingkreis
bildet einen Kurzschluss bei seiner Resonanzfrequenz, wo hingegen
ein Parallelschwingkreis einen offenen Stromkreis bei seiner Resonanzfrequenz
bildet. Die vorliegende Erfindung benutzt einen zweiten Schwingkreis
mit hoher Impedanz (ideal mit unendlicher Impedanz), der den Kondensator 28 (CSW) und die Drosselspule 222 (L2T) umfasst, um einen offenen Stromkreis
bei der Resonanzfrequenz des Transponders zu bilden. Der Schalter 30 (S1) muss in der Schließ- oder EIN-Position (2) sein, um den offenen
Stromkreis zu bilden. Durch den offenen Stromkreis wird L1T von CT getrennt,
wodurch verhindert wird, dass der Transponder 12 bei der
primären
Resonanzfrequenz in Resonanz ist. Wenn der Schalter S1 geschlossen
ist, fließt
wenig bis kein Strom in der Schleife 1 (I1)
oder der Schleife 2 (I2). (Die Beschreibung
hier geht von idealen Bedingungen aus. In der Praxis sind I1 und I2 nicht null,
sind aber vernachlässigbare
Werte.) Da kein Strom in einem offenen Stromkreis fließt, entnimmt
der Transponder 12 keine Energie aus dem umgebenden elektromagnetischen
Feld und erzeugt keine Störungen
in dem Feld, die ein Lesegerät
verwirren könnten. Wenn
somit der Parallelschwingkreis hoher Impedanz eingeschaltet ist,
verbraucht der Transponder 12 wenig oder keine Energie
und hat so wenig oder keinen Einfluss auf die Systemempfängerantenne
und ist im wesentlichen aus der magnetischen Umgebung entfernt.
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Wenn der Schalter S1 in
der offenen oder AUS-Position (1)
ist, hat der zweite Schwingkreis keinen Effekt, und der Transponder 12 ist
bei der primären
Resonanzfrequenz auf die normale Art und Weise in Resonanz.
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Der Schalter S1 kann
zwei verschiedene Funktionen erfüllen.
Erstens, der Schalter S1 kann in der offenen
Position platziert und gehalten werden, um zu gestatten, dass der
Transponder 12 bei Empfang des Primärresonanzfrequenzsignals aktivierbar
ist, oder er kann in die geschlossene Position versetzt und gehalten werden,
um den Transponder 12 permanent abzuschalten (d. h. den
Transponder 12 in Schlaf zu versetzen) und ihn dadurch
daran zu hindern, mit der Umgebung in Wechselwirkung zu treten.
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Zweitens, der Schalter S, kann wahlweise
zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position bewegt
werden, gemäß einem
gespeicherten Datenmuster (z. B. in dem IS-Chip 18 des
Transponders gespeicherte Identifikationsdaten), um die Antennenschaltung,
welche LT und CT aufweist,
abzustimmen oder zu verstimmen, so dass die gespeicherten Daten
zu dem Lesegerät
gesendet werden. Somit kann die vorliegende Erfindung den Schalter
S1 anstelle eines Modulationskondensators
verwenden, um die Antennenschaltung abzustimmen und zu verstimmen
und Daten zu einem Lesegerät
zu senden. In der Schalterschließposition, welches der Transponderzustand
während
der Modulation und während
der Verborgenheit ist, ist der Transponder 12 aus der Umgebung
im wesentlichen entfernt.
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Somit dient der Schalter S1 zwei Zwecken, wenn er in der geschlossenen
Position ist, und zwar wie folgt:
- (1) Er wird
benutzt, um den internen Code der IS 18 durch Amplitudenmodulation
auf den RF-Träger
aufzubringen, indem er vorübergehend
geschlossen wird und somit Information aus dem Transponder 12 kommuniziert.
Weitbereichslesezwecke erfordern ein stark moduliertes AM-Feld.
Dieses Schema schafft ein hohes Ausmaß an AM-Modulation durch Schaffung
der größten Störung in
dem Magnetfeld der Antenne durch wahlweises Beseitigen der Belastungswirkung,
die der Transponder 12 auf das Abfragegerät 10 hat.
- (2) Er wird verwendet, um den Transponder 12 von der
Umgebung zu entkoppeln und dadurch das Risiko zu minimieren, dass
der Transponder 12 benachbarte Transponder verstimmt oder
abschattet oder diese anderweitig störend beeinflusst. Der Transponder 12 ist
somit für
Umgebungen wie z. B. Einzelhandelsgeschäfte besonders geeignet, wo
viele etikettierte Artikel räumlich
eng beieinander sind und es erwünscht ist,
die Identitätscodes
von allen diesen Artikeln zu lesen. Nachdem der Code eines Artikels
gelesen worden ist, entfernt die Schalterschließposition den Transponder des
Artikels magnetisch (im Gegensatz zu körperlich) aus der Umgebung,
so dass er das Lesen von Transpondern in benachbarten Artikeln nicht
verstimmt, abschattet oder anderweitig stört.
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In beiden Fällen dient die Position des
Schalters S1 dazu, entweder (1) den offenen
Stromkreis mit dem zweiten Parallelschwingkreis zu bilden und dadurch
zu verhindern, dass der Transponder 12 bei seiner Resonanzfrequenz
in Resonanz ist, und um den Transponder 12 von seiner Umgebung
zu entkoppeln, oder (2) zu verhindern, dass der zweite Parallelschwingkreis
irgendeinen Einfluss auf den Transponder 12 hat, um dadurch
dem Transponder 12 zu gestatten, auf die normale Art und
Weise zu arbeiten, bei der es ihm erlaubt ist, bei seiner primären Resonanzfrequenz
in Resonanz zu sein.
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Gemäß
1, auf die nun Bezug genommen wird und
in der der Schalter
30 (S
1) offen
ist, ist die Kombination aus der Drosselspule
22 (L
T) und dem Kondensator
24 (C
T) bei einer Frequenz f
O in
Resonanz, die gegeben ist durch:
wobei gilt L
T =
L
1T + L
2T + M
12.
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Zum Erzielen der besten Modulation/Verborgenheit
in dem „Schalter
geschlossen"-Zustand
nach 2 sollte der Schaltungsentwurf
M12 (d. h. der gegenseitige Induktivität/Kopplung-Koeffizient
zwischen L1T und L2T)
sowie M02 (d. h. der gegenseitige Induktivität/Kopplung-Koeffizient
zwischen L0 und L2T)
minimieren. M12 kann minimiert werden durch
sorgfältige
Auslegung der geometrischen Orientierung der beiden Drosselspulen
L1T und L2T. Das
kann erreicht werden durch Verwendung von herkömmlichen Methoden zum Minimieren
der Kopplung zwischen zwei Spulenantennen durch optimale Überlappung
der Spulen. Da diese Methoden herkömmlich sind, erfolgt hier keine
weitere Beschreibung.
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In 2,
auf die nun Bezug genommen wird und in der der Schalter 30 (S1) geschlossen ist, ist die durch den Kondensator 28 (CSW) und die Drosselspule 222 (L2T) gebildete Parallelresonanzfrequenz gegeben durch:
-
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Die Frequenz des Parallelschwingkreises 34,
fPAR, wird so gewählt, dass sie gleich fO ist, wodurch die größte erzielbare Impedanzdifferenz
geschaffen wird sowie ein Kopplungskoeffizient, der gegen null geht.
Die Werte für
L2T, M02 und M12 sind gegeben, da die Spulengeometrie gegeben
ist und ein Messwert des Gesamtwertes von L2T gewonnen
werden kann.
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Die Gleichung kann somit für CSW gelöst
werden. Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung ist bei der Feldauslöschtechnik,
die in der US-A-6,208,235 beschrieben ist, die gegenseitige Kopplung
zwischen den Spulen kritisch und muss empirisch eingestellt werden.
Der Kapazitätswert
(CSW) wird für die Bedingungen des schlimmsten
Falles bestimmt, der eintritt, wenn der Transponder 12 in
einer maximal erfassbaren Distanz von der Antenne ist. In dieser
Distanz ist die gegenseitige Kopplung zwischen der Antenne und dem
Transponder 12 auf einem Minimum, und die totale Induktivität wird durch
die Induktivität
des Transponders 12 dominiert. Das heißt, die gegenseitige Induktivität des Transponders 12 und
der Antenne ist kleiner als die Induktivität der Transponderspule.
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Vorzugsweise ist die IS 18, die zur
Datenspeicherung vorgesehen ist, eine passive Vorrichtung, die durch
die in der Antennenschaltung 20 durch das Abfragegerät 10 induzierte
Spannung mit Strom versorgt wird. Das heißt, wenn der Transponder 12 nahe
genug bei dem Abfragegerät 10 ist,
so dass er sich innerhalb des elektromagnetischen Feldes befindet,
liefert die in der Drosselspule 22 induzierte Spannung
Strom zu der IS 18 an einem Antenneneingang (nicht gezeigt) der
IS 18. Die IS 18 richtet intern die induzierte Wechselspannung an
dem Antenneneingang gleich, um eine interne Gleichspannungsquelle
zu schaffen. Wenn die interne Gleichspannung einen Wert erreicht,
der einen richtigen Betrieb der IS 18 gewährleistet, gibt die IS 18 einen in
dem programmierbaren Speicher gespeicherten Digitalwert an einem
Modulationsausgang (nicht dargestellt) der IS 18 ab.
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Ein Verfahren zum Senden der in der
IS 18 gespeicherten Daten zu einem Lesegerät (nicht dargestellt) beinhaltet,
wie oben dargelegt, die Verwendung eines Modulationskondensators,
der an den Modulationsausgang der IS 18 und an die Antennenschaltung 20 angeschlossen
ist. Gemäß diesem
Verfahren schalten die Datenausgangsimpulse an dem Modulationsausgang
einen Modulationskondensator in die Antennenschaltung 20 ein
und aus derselben weg durch Herstellen und Unterbrechen von Masseverbindungen,
um die Gesamtkapazität
der Schaltung 20 gemäß den gespeicherten
Daten zu ändern,
was wiederum die Resonanzfrequenz der Schaltung 20 ändert, die
dadurch von der ersten vorbestimmten Resonanzfrequenz auf eine vorbestimmte
höhere
oder niedrigere Frequenz verstimmt wird. Somit werden Datenimpulse
des Transponders 12 durch das Abstimmen und Verstimmen
des Antennenschwingkreises 20 erzeugt, so dass die Antennenschaltung 20,
statt dass sie ein einfaches einzelnes Frequenzantwortsignal zurückleitet,
ein Signal zurückleitet,
das ein Paket von vorprogrammierter Information enthält. Selbstverständlich können, was
dem einschlägigen Fachmann
ohne weiteres klar sein wird, andere geeignete Modulationseinrichtungen
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Bei der vorliegenden
Erfindung kann, wie oben dargelegt, der Schalter S1 statt
eines Modulationskondensators verwendet werden, um die Antennenschaltung
abzustimmen und zu verstimmen und Daten zu einem Lesegerät zu senden.
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Das Paket von Information (Datenimpulse)
wird durch eine Empfangsschaltungsanordnung (nicht dargestellt)
empfangen und verarbeitet, welche üblicherweise dem Abfragegerät 10 zugeordnet
ist. Das heißt,
die Empfangsschaltungsanordnung erfasst die Änderungen in dem Energieverbrauch
innerhalb des elektromagnetischen Feldes des Abfragegerätes 10,
um das Digitaldatenwertausgangssignal der IS 18 zu bestimmen. Bei Bedarf
werden die Daten durch das Abfragegerät 10 oder durch eine
diesem zugeordnete Schaltungsanordnung decodiert, um eine Identifikation
oder eine andere Information über
einen Artikel oder eine Person, welchem bzw. welcher der Transponder 12 zugeordnet
ist, bereitzustellen. Es wird gegenwärtig bevorzugt, eine passive
IS 18 zu verwenden, die durch die in der Antennenschaltung 20 induzierte
Spannung mit Strom versorgt wird. Andere Einrichtungen zur Stromversorgung
der IS 18 wie zum Beispiel eine Batterie liegen jedoch im Rahmen
der vorliegenden Erfindung.
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Die IS 18 kann auch einen Stromrückleit-
oder Masseausgang (nicht dargestellt) und einen oder mehrere zusätzliche
Eingänge
(nicht dargestellt) haben, die zum Programmieren der IS 18 (d. h.
zum Speichern oder zum Verändern
des darin gespeicherten Digitalwertes) auf herkömmliche Art und Weise benutzt
werden. Die IS 18 umfasst in der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform
128 Bit eines nichtflüchtigen
Speichers. Dem einschlägigen
Fachmann ist selbstverständlich
klar, dass die IS 18 entweder eine größere oder eine kleinere Speicherkapazität haben
könnte.
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Ersatzschaltungsmodelle für die 1 und 2 sind im folgenden angegeben:
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Eine mathematische Analyse von 1 (der Fall Schalter AUS)
und 2 (der Fall Schalter
EIN) ist im folgenden angegeben.
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Der Fall Schalter AUS
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Für
Schleife 0
für Schleife 1
unter Verwendung von (1)
und (2)
wenn Y definiert ist als
Y = inv(Z)
gilt für die Impedanz der Antenne
Z
ant_
aus
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Der Fall Schalter EIN
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Für
Schleife 0
Für Schleife 1
Für Schleife 2
unter Verwendung von (6),
(7) und (8)
wenn Y' definiert ist als Y' = inv(Z')
gilt für die Impedanz der Antenne
Z
ant_ein
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Die Konstanten, die für das Abfragegerät 10 (Antenne)
und für
den Transponder 12 (Etikett) in einer experimentellen Simulation
der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, sind folgende:
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3 ist
eine erste Ausführungsform
einer Gehäusekonfiguration
für den
Transponder 12, implementiert als ein Papieretikett, auf
dem sich alle Drosselspulen, Kondensatoren und die IS 18 befinden.
Die Gehäusekonfiguration
zeigt die Platzierung der vier Schlüsselkomponenten, Drosselspule 221 (L1T), Drosselspule 222 (L2T), Primärresonanzkondensator 24 (CT) und Sekundärkondensator (CSW).
Der Unterschichtleiter unter L2T kann helfen,
L2T mit einer weiteren Transponderspule
und der Antenne zu entkoppeln. Der Schalter 30 (S1) befindet sich vorzugsweise in der IS 18,
kann aber alternativ mit einem diskreten Transistor realisiert werden.
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In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Kondensatoren CT und CSW mit Aluminiumfolienbelägen hergestellt, die ein Dielektrikum
aus Polyethylen zwischen sich aufnehmen. Dieser Fabrikationsprozess
ist herkömmlich
und wird daher hier nicht im einzelnen beschrieben. Alternative Ausführungsformen
benutzen diskrete Chipkondensatoren, bei denen andere Typen von
Dielektrika (z. B. Keramik, Tantal) und/oder andere Typen von Formfaktoren,
nämlich
Oberflächenbefestigung,
verbleite oder als Dickfilm gedruckte Kondensatoren benutzt werden.
Einer der oder beide Kondensatoren können sich innerhalb eines IS-Chips
befinden. Wenigstens einer der Kondensatoren, z. B. CT,
kann eine „verteilte" Kapazität zwischen
den Spulen von L1T und L2T sein.
Eine verteilte Kapazität
wird aus Abschnitten von Drosselspulen gebildet, im Gegensatz zur
Verwendung eines diskreten Bauelements, was bekannter Stand der
Technik ist.
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In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden beide Drosselspulen L1T und L2T auf einer laminierten Aluminiumstruktur
geätzt.
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In einer alternativen Ausführungsform
wird wenigstens eine der Drosselspulen geätzt oder auf eine laminierte
Aluminiumstruktur gepresst. Diese Drosselspulen können sich
in derselben oder in unterschiedlichen Seiten der laminierten Struktur
befinden. Die andere Drosselspule kann mit einer diskreten Drosselspule
gepresst oder hergestellt werden. Die diskrete Drosselspule kann
einen oberflächenmontierbaren
oder verbleiten (Durchgangsloch) Formfaktor haben.
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Bei einer alternativen Ausführungsform
werden eine geätzte
oder gepresste Aluminiumfolie und eine diskrete Spule, die in einem
an der Oberfläche
befestigbaren Gehäuse
sein kann, verwendet. Diese Ausführungsform
bietet Flexibilität
in der geometrischen Orientierung der Spulen, was hilfreich ist
bei dem Minimieren der Kopplung zwischen den beiden Spulen. Bei
anderen alternativen Ausführungsformen
können
Permutationen von gepressten Spulen mit diskreten und/oder geätzten Spulen
verwendet werden. Alternativ können
diese Spulen mit Schleifen aus Kupfer- oder Aluminiumdraht ausgeführt sein.
Diese Technik wird gewöhnlich
für wieder
verwendbare Hart-Etiketten verwendet. Die Drosselspulen können auch
unter Verwendung von ferromagnetischen Materialien hergestellt werden.
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Aluminium ist das bevorzugte Material,
das bei der Herstellung der Drosselspulen und/oder der Kondensatorbeläge verwendet
wird, und zwar hauptsächlich
aus Kostengründen.
Wenn jedoch die Kosten kein Hauptgesichtspunkt sind, können andere
metallische Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
für die Drosselspulen
und/oder Kondensatorbeläge
verwendet werden. Zu solchen Werkstoffen gehören Kupfer, Zinn, Blei, Nickel,
Gold, Silber, Wolfram, Titan, Molybdän, Platin und Legierungen dieser
Metalle.
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4 ist
eine zweite Ausführungsform
einer Gehäusekonfiguration
für den
Transponder 12. In dieser Konfiguration ist die primäre Spule
L1T als eine Einzelschichtpapieretikettspule
realisiert. Die sekundäre
Spule L2T und die beiden Kondensatoren CT
und CSW sind auf eine Leiterplatte 36 aufgebracht.
Die sekundäre
Spule L2T hat ein hohes Q. Der Schalter 30 (S1) (nicht dargestellt) wird auch auf die
Leiterplatte 36 aufgebracht.