EP0898763A1 - Hochfrequenz identifikationsmedium mit passivem elektronischem datenträger - Google Patents

Hochfrequenz identifikationsmedium mit passivem elektronischem datenträger

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EP0898763A1
EP0898763A1 EP98902919A EP98902919A EP0898763A1 EP 0898763 A1 EP0898763 A1 EP 0898763A1 EP 98902919 A EP98902919 A EP 98902919A EP 98902919 A EP98902919 A EP 98902919A EP 0898763 A1 EP0898763 A1 EP 0898763A1
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EP
European Patent Office
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identification medium
medium according
antenna
identification
capacitance
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98902919A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Locher
Andres RÜDISÜHLI
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Dormakaba Schweiz AG
Original Assignee
Kaba Schliessysteme AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kaba Schliessysteme AG filed Critical Kaba Schliessysteme AG
Publication of EP0898763A1 publication Critical patent/EP0898763A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G06K7/08—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by means detecting the change of an electrostatic or magnetic field, e.g. by detecting change of capacitance between electrodes

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency identification medium with a passive electronic data carrier according to the preamble of claim 1, with a receiving antenna for receiving operating energy and for the contactless transmission of HF signals to an assigned writing and reading station with a transmitting antenna which has a carrier frequency fr of more than 1 MHz.
  • a receiving antenna for receiving operating energy and for the contactless transmission of HF signals to an assigned writing and reading station with a transmitting antenna which has a carrier frequency fr of more than 1 MHz.
  • High frequencies with a system clock or carrier frequency of over 1 MHz are necessary in order to achieve high communication and transmission performance.
  • An example of this is the Legic system from Kaba AG.
  • the tuning of the identification medium to the carrier frequency is only possible to a very limited extent.
  • the object of the invention is to provide an identification medium which has significant improvements with regard to these problems. This object is achieved with an identification medium according to claim 1, with which much better transmission properties can now be achieved.
  • the highest possible input voltage on the identification medium or on the data carrier is not generated by antennas with high inductance, but on the contrary, the input voltage and inductance, i.e. the number of turns of the antenna is reduced and the total capacity is correspondingly increased by inserting an additional external capacitance Ce, which is greater than the internal capacitance Ci of the data carrier MI.
  • the receiver frequency of the identification medium can be set much better and more precisely to the carrier frequency.
  • the receiver frequency is largely constant and is less dependent on external influences.
  • Fig. 1 an inventive identification medium IM with external capacity
  • Fig. 2 is an associated write and read station WR
  • Fig. 3 shows another example of an identification medium with coded communication
  • Fig. 4 shows an example with a double antenna and assigned external capacities
  • Fig. 6 shows the dependence of the receiver frequency on the coupling
  • Fig. 9 shows a small identification medium with a ferrite antenna in the form of a bracelet
  • Fig. 10 shows a small-sized key chain as an identification medium.
  • FIGS. 1 and 3 show examples of identification media IM according to the invention and FIG. 2 shows an assigned writing and reading station WR.
  • the schematic representation of FIG. 1 shows an identification medium IM with a passive electronic data carrier MI, which contains a processor 11, control electronics 13 and a memory 12.
  • a receiving antenna 15 with inductance L is used to receive operating energy 20a and for the contactless transmission of RF signals (20) to the assigned reading or writing and reading station WR.
  • An external capacitance Ce is connected in parallel with the receiving antenna 15, this capacitance Ce being greater than the internal capacitance Ci of the data carrier MI.
  • the inductance L of the antenna and the external capacitance Ce are matched in such a way that a natural frequency f of the identification medium is reached which corresponds to the carrier frequency fr.
  • the carrier frequency fr is determined by the writing and reading station WR and its transmitting antenna 24.
  • the assigned reading station or writing and reading station WR generates the system clock, the carrier frequency fr, which is transmitted to the identification media IM by the transmitting antenna 24. Both the energy 20a, which is required for the operation of the identification medium IM, and the data 20b from the read and write station WR are transferred to the Identification medium IM transmitted.
  • the carrier frequency In order to achieve high communication performance, the carrier frequency must be in the range above 1 MHz, preferably between 5 and 20 MHz and not above 30 MHz. This is due, among other things, to the fact that the best possible transmission, ie strong coupling must be achieved in the close range, while as little power as possible should be emitted in the far range.
  • this near-field range is of the order of magnitude between one and 100 meters and thus in a range that is important for identification media.
  • a favorable carrier frequency is, for example, in the ISM band of 13.56 MHz, with which optimal transmission properties can be achieved for communication distances of up to several meters.
  • FIG. 5 illustrates the dependence of the communication power KL on the correspondence of the carrier frequency for the writing and reading station and the transmitting antenna 24 with the natural frequency f of the identification medium and the receiving antenna 15.
  • the communication services are, for example, the range R and the solid angle W of the communication and the angular range W2 of the relative position of the receiving antenna 15 to the field of the antenna 24, in which communication is possible.
  • FIG. 6 shows the dependence of the natural frequency f on the antenna coupling AK or on the distance of the two antennas.
  • the natural frequency fl of a previous identification medium drops very sharply with increasing coupling AK, e.g. at 10%.
  • the frequency response f2 of a new antenna according to the invention shows a significantly smaller drop by e.g. only 1 to 3%. That a permissible tolerance range Df of e.g. ⁇ 2% can be achieved much better with the stable new antenna according to curve f2 than with the unstable previous antenna according to curve fl.
  • Df e.g. ⁇ 2%
  • the stable external capacitance Ce with high quality is therefore preferably chosen to be several times larger than the internal capacitance Ci, e.g. 5 to 10 times larger.
  • This quality factor Q should preferably be at least 50.
  • the external capacitance Ce with high quality, constancy and with precisely defined and selectable capacitance values, and thus a correspondingly constant, defined and selectable frequency f is achieved, which, as explained, relates to the high communication performance KL leads.
  • the concept according to the invention also achieves great advantages with regard to the design and production of identification media. Since the natural frequency f is much more precisely defined and also measurable, it can also be matched much more precisely to the carrier frequency fr. The setting of a desired setpoint for the natural frequency f is possible much more precisely and easily, since the additional external capacitance Ce has a precisely defined and constant value, which can be selected as desired.
  • FIG. 3 illustrates an example of an identification medium for coded communication.
  • the data carrier MI preferably in the form of an ASIC chip 16, here contains a backup capacitor 17 for storing the received energy and for bridging transmission pauses, a voltage regulator 3, a clock processor 4, a reception demodulator 5, a transmission modulator 6 and a coding and communication logic 7 and a writable EEPROM memory 12, which preferably has at least 256 bytes.
  • An advantageous energy and data transmission between the writing and reading station WR and the identification medium IM can be achieved by pulse modulation (pulse-pause modulation) by the writing and Reading station WR to the identification medium IM and by load modulation in the opposite direction from IM to WR.
  • identification media with access and authorization functions are known for different systems and applications or for different applications, e.g. as access cards for certain areas of a company (electronic keys), for time management, as access media for devices, e.g. of data systems, or as prepaid card systems for purchasing services.
  • the identification media according to the invention with significantly higher transmission powers and capabilities are therefore particularly suitable for applications with high requirements with regard to functional and data security, monitorability, prevention of misuse, etc.
  • coded communication between the identification medium IM and the read / write station WR is used, e.g. by the writing and reading station generating new initialization data with each identification process and sending them to the identification medium IM, which are linked there with a permanently stored encryption code 32 (in FIG. 3) and sent back in coded form to the writing and reading station, where this information is decrypted and checked and then there is a synchronized communication between WR and IM.
  • the identification medium can also be combined with a personal coding function in order to meet particularly high security requirements.
  • a PIN code or biometric data codes can be used for this.
  • Personal biometric data are determined, for example, from fingerprints or finger, hand and head geometry and compared with the corresponding codes 33 (FIG. 3) stored in the data carrier MI for the purpose of personal identification and verification of an authorized carrier.
  • Another very important application which is only possible with identification media with a high level of communication capability, consists in a higher data organization of the memory 12 of the data carrier MI, wherein several independent applications can be written into a segmentable application data field ADF. Thanks to the higher communication performance of the identification medium according to the invention, a multiplication of its functions is achieved.
  • FIG. 4 shows a further example of an identification medium with a receiving antenna, which is designed as a double antenna with two loops 15.1 and 15.2.
  • the first antenna loop 15.1 serves to receive the electromagnetic field energy 20a for feeding the data carrier and to receive the data 20b of the writing and reading station WR.
  • the second antenna loop 15.2 is used to send data 20b to the write and read station WR.
  • the antenna parts 15.1 and 15.2 correspond to the inner capacitances Cil and Ci2 of the data carrier MI.
  • FIGS. 8a and b show, as a particularly frequently used size, an identification medium in ISO card format 28 (85 ⁇ 54 mm) with conductor tracks 26 on a circuit board, which serve here as transmitting antenna 15.
  • the antenna loops can be integrated with the external capacitance Ce and with the data carrier MI on a carrier 29 (inlet) and thus form a unit which can be produced particularly efficiently.
  • external capacity Ce can For example, a ceramic capacitor in a very flat design, for example only 0.3 to 0.5 mm thick and with high quality in the MHz frequency range can be used.
  • FIGS. 9 and 10 show examples of identification media with a small format (30), the diameter DA of the receiving antenna 15 should use the available space as completely as possible, so that the antenna area FA corresponds almost to the total area of the identification medium.
  • identification media with antenna diameters of 30 mm and less, e.g. even of only 10 mm, it is particularly difficult to achieve good communication properties and long ranges.
  • small identification media such as keys, key fobs, tokens etc., the same communication ranges can be achieved as with previous relatively large ISO format cards. This enables completely new applications to be opened up.
  • FIG. 9 shows an example in which the receiving antenna is designed as a ferrite antenna 19 with a rod-shaped ferrite and an electrical winding.
  • the identification medium is worn on a bracelet 36.
  • the small format identification medium of Figure 10 represents a tag
  • this identification medium could also be combined with a key, for example on the key handle, or be assigned to a carrier in another form.
  • An example of a very small Identification media form eg rings, which can be attached to the foot of racing pigeons for the purpose of identifying the pigeons during races.
  • a particularly advantageous development of the invention consists in also stabilizing the carrier frequency fr on the transmitter side in an analog manner, i.e. to make the transmitting antenna 24 of the writing and reading station WR more independent of external capacitive influences.
  • the carrier frequency fr itself is already much more stable than the natural frequency f of the identification medium, further stabilization of the carrier frequency for the communication properties KL in the same sense as for the identification medium can significantly improve the range R in particular.
  • the carrier frequency fr is also subject to the same influences as already explained: due to capacitive changes in the environment, e.g. by approaching the human body and metallic elements, by manufacturing tolerances and aging of components etc.
  • the exact setting of a desired target value for the carrier frequency fr has hitherto required a complex coordination.
  • This stabilization and improvement is achieved by applying the same principle as in the receiving antenna 15 to the transmitting antenna 24.
  • an additional capacity Cz switched on parallel to the transmitting antenna and its inductance reduced accordingly, so that the product L. C of the transmitting antenna 24 remains constant.
  • the additional capacity Cz is preferably chosen to be larger than the existing replacement capacity of the writing and reading station WR based on the base point of the transmitting antenna (ie without additional capacity).
  • the additional capacity can advantageously be two to five times as large as the existing replacement capacity.
  • This additional capacity Cz consists of a standard component with selectable, precisely defined and constant C values. In this way, a desired target value for the carrier frequency fr can be produced in a simple manner, without complex individual adjustments.
  • a particularly advantageous and universally applicable transmission antenna 24 can be designed as a film antenna, e.g. as an antenna loop in the form of a wide conductor track on a plastic carrier (analogous to the much smaller antenna 15 in the example from FIG. 8).
  • ranges of up to 1 m and more can be achieved with just one conductor track loop with a diameter of 60 cm and a track width of 25 mm (in a suitable shape: round, oval, rectangular, etc.), enabling ranges R to 1 m and more.
  • any desired carrier frequency fr can be set directly - without the need for time-consuming experimentation and tuning.

Abstract

Das Hochfrequenz-Identifikationsmedium IM mit passivem elektronischem Datenträger MI enthält einen Prozessor, eine Steuerelektronik und einen Speicher sowie eine Empfangsantenne (15) zum Empfang von Betriebsenergie und zur berührungslosen Übertragung von HF-Signalen (20) an eine zugeordnete Schreib- und Lesestation WR mit einer Sendeantenne (24). Die durch die Sendeantenne bestimmte Trägerfrequenz fr liegt über 1 MHz, um hohe Kommunikationsleistungen erreichen zu können. Eine externe Kapazität Ce ist parallel zur Empfangsantenne (15) geschaltet, wobei die Kapazität Ce grösser ist als die interne Kapazität Ci des Datenträgers MI, vorzugsweise sogar mehrfach grösser. Dadurch werden wesentlich bessere Kommunikationsleistungen vor allem auch für kleine Identifikationsmedien erreicht.

Description

HOCHFREQENZ IDENTIFIKATIONSMEDIUM MIT PASSIVEM ELEKTRONISCHEM DATENTRÄGER
Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Identifikationsmedium mit passivem elektronischem Datenträger gemäss Oberbegriff von Patentanspruch 1, mit einer Empfangsantenne zum Empfang von Betriebsenergie und zur berührungslosen Übertragung von HF Signalen an eine zugeordnete Schreib- und Lesestation mit einer Sendeantenne, welche eine Trägerfrequenz fr von mehr als 1 MHz aufweist. Hohe Frequenzen mit Systemtakt bzw. Trägerfrequenz von über 1 MHz sind notwendig, um hohe Kommunikations- und Übertragungsleistungen erreichen zu können. Ein Beispiel dazu ist das System Legic von Kaba AG.
Ganz im Gegensatz zu HF-Funkübertragungen, wo hohe Leistungen im Fernbereich angestrebt sind, ist bei diesen Identifikationsmedien eine hohe Übertragungsleistung in beiden Richtungen nur im Nahfeld notwendig, während die Leistung im Fernbereich - und damit auch die entsprechenden Verluste - sehr klein zu halten sind. Dies erfordert eine möglichst starke Koppelung der beiden Antennen, von Schreib- und Lesestation und von Identifikationsmedium, sowie eine spezielle Gestaltung der Antennen.
Um mit diesen passiven Identifikationsmedien eine gute Energieübertragung mit der Empfangsantenne auffangen und damit eine möglichst grosse Reich- weite im Koppelungsbereich erreichen zu können, werden Empfangsantennen mit hoher Induktivität, d.h. mit vielen Windungen, und entsprechend als zugeordnete Kapazität des Schwingkreises wird nur die Eigenkapazität des Datenträgers MI eingesetzt. Bei diesen bekannten Identifikationsmedien treten jedoch immer noch verschiedene erhebliche Beschränkungen und Probleme auf:
Die Abstimmung des Identifikationsmediums auf die Trägerfrequenz ist nur sehr beschränkt möglich.
Nichtkonstanz der Empfängerfrequenz - Starke Einflüsse auf die Empfängerfrequenz
Dies führt zu reduzierter Reichweite und Kommunikationsleistung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Identifikationsmedium zu schaffen, welches bezüglich dieser Probleme wesentliche Verbesserungen aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Identifikationsmedium gemäss Patentanspruch 1, mit welchem nun wesentlich bessere Übertragungseigenschaften erreicht werden.
Dazu wird - entgegen dem ganzen Entwicklungstrend - nicht eine möglichst hohe Eingangsspannung am Identifikationsmedium bzw. am Datenträger durch Antennen mit hoher Induktivität erzeugt, sondern ganz im Gegenteil die Eingangsspannung und die Induktivität, d.h. die Windungszahl der Antenne reduziert und entsprechend die Gesamtkapazität durch Einfügen einer zusätzlichen externen Kapazität Ce, welche grösser ist als die interne Kapazi- tat Ci des Datenträgers MI, stark erhöht.
Damit werden mehrere Einzelvorteile erreicht, deren Kombination wesentlich bessere Übertragungseigenschaften ergibt:
Die Empfängerfrequenz des Identifikationsmediums kann viel besser und genauer auf die Trägerfrequenz eingestellt werden. Die Empfängerfrequenz ist weitgehend konstant und weniger von äusse- ren Einflüssen abhängig.
Damit werden eine höhere und konstante Reichweite R der Kommunikation und insgesamt bessere Kommunikationsleistungen erreicht.
Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung, welche zu weiteren Verbesserungen der Übertragungseigenschaften führen, sowie einen universelleren Einsatz dieser Identifikationsme- dien ermöglichen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren weiter erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein erfindungsgemässes Identifikationsmedium IM mit externer Kapazität
Fig. 2 eine zugeordnete Schreib- und Lesestation WR
Fig. 3 ein weiteres Beispiel eines Identifikationsmediums mit codierter Kommunikation
Fig. 4 ein Beispiel mit Doppelantenne und zugeordneten externen Kapazitäten
Fig. 5 die Kommunikationseigenschaften in Funktion der Empfängerfre- quenz in bezug auf die Trägerfrequenz
Fig. 6 die Abhängigkeit der Empfängerfrequenz von der Koppelung
Fig. 7 die Reichweite R und den Raumwinkel W der Kommunikation und den Einfluss der relativen Orientierung der Antennen Fig. 8 ein Beispiel eines Identifikationsmediums in ISO Kartengrösse mit Leiterbahnen als Antenne
Fig. 9 ein kleines Identifikationsmedium mit Ferritantenne in Form eines Armbands
Fig. 10 einen kleinformatigen Schlüsselanhänger als Identifikationsmedium.
Die Figuren 1 und 3 zeigen Beispiele von erfindungsgemässen Identifikationsmedien IM und Figur 2 eine zugeordnete Schreib- und Lesestation WR. Die schematische Darstellung von Figur 1 zeigt ein Identifikationsmedium IM mit passivem elektronischem Datenträger MI, welcher einen Prozessor 11, eine Steuerelektronik 13 und einen Speicher 12 enthält. Eine Empfangsantenne 15 mit Induktivität L dient zum Empfang von Betriebsenergie 20a und zur berührungslosen Übertragung von HF-Signalen (20) an die zugeordnete Lese- bzw. Schreib- und Lesestation WR. Zur Empfangsantenne 15 ist eine externe Kapazität Ce parallel geschaltet, wobei diese Kapazität Ce grösser ist als die interne Kapazität Ci des Datenträgers MI. Dabei sind die Induktivität L der Antenne und die externe Kapazität Ce so abgestimmt, dass eine Eigenfrequenz f des Identifikationsmediums erreicht wird, welche der Trägerfrequenz fr entspricht. Die Trägerfrequenz fr wird durch die Schreib- und Lesestation WR und deren Sendeantenne 24 bestimmt.
Die zugeordnete Lesestation, bzw. Schreib- und Lesestation WR nach Figur 2 erzeugt den Systemtakt, die Trägerfrequenz fr, welche mit der Sendeantenne 24 an die Identifikationsmedien IM übertragen wird. Dabei wird sowohl die Energie 20a, welche zum Betrieb des Identifikationsmediums IM benötigt wird, als auch die Daten 20b von der Schreib- und Lesestation WR auf das Identifikationsmedium IM übertragen. Um hohe Kommunikationsleistungen erreichen zu können, muss die Trägerfrequenz im Bereich über 1 MHz liegen, vorzugsweise zwischen 5 und 20 MHz und nicht über 30 MHz. Dies hängt u.a. damit zusammen, dass eine möglichst gute Übertragung, d.h. eine starke Kop- pelung im Nahbereich erreicht werden muss, während im Fernbereich möglichst wenig Leistung abgestrahlt werden soll. Mit dem angegebenen Hochfrequenzbereich liegt dieser Nahfeldbereich in der Grössenordnung zwischen einem und 100 Metern und damit in einem Bereich, welcher für Identifikationsmedien wichtig ist. Eine günstige Trägerfrequenz liegt z.B. im ISM-Band von 13.56 MHz, mit welchem für Kommunikationsabstände bis zu mehreren Metern optimale Übertragungseigenschaften erreicht werden können.
Das erfindungsgemässe Prinzip, entgegen der allgemeinen Entwicklungsrichtung, die Induktivität L der Empfangsantenne 15 bewusst zu reduzieren und die vorgegebene Kapazität Ci des Identifikationsmediums durch eine grössere externe Zusatzkapazität Ce zu erhöhen, führt insgesamt zu einer wesentlichen Verbesserung der Kommunikationsleistung KL. Dies trotz reduzierter Eingangsspannung, entsprechend der reduzierten Induktivität L an der Empfangsantenne 15.
Dies wird illustriert in den Figuren 5 bis 7. Figur 5 illustriert die Abhängigkeit der Kommunikationsleistung KL von der Übereinstimmung von Trägerfrequenz fr der Schreib- und Lesestation und der Sendeantenne 24 mit der Ei- genfrequenz f des Identifikationsmediums und der Empfangsantenne 15. Die Kommunikationsleistungen (bzw. Kommunikationsfähigkeit oder Kommunikationseigenschaften) sind z.B. die Reichweite R und der Raumwinkel W der Kommunikation sowie der Winkelbereich W2 der relativen Lage von Empfangsantenne 15 zum Feld der Antenne 24, in welchem die Kommunikation möglich ist. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, hängt die Kommunikationsleistung sehr stark von der Übereinstimmng von Trägerfrequenz fr und Empfängerfrequenz f ab, d.h. eine optimale Koppelung wird erreicht bei Übereinstimmung beider Eigenfrequenzen: f = fr. Mit zunehmender Differenz f - fr nimmt die Kommuni- kationsleistung sehr rasch ab, so dass schon bei wenigen Prozenten Abweichung ungenügende Kommunikationsleistungen KL resultieren.
Diese Übereinstimmung der beiden Antennenfrequenzen f und fr, d.h. die Realisierung einer Eigenfrequenz f des Identifikationsmediums, welche einer gegebenen Senderfrequenz fr der Schreib- und Lesestation WR entspricht, war bisher aus verschiedenen Gründen kaum möglich.
Figur 6 zeigt die Abhängigkeit der Eigenfrequenz f von der Antennekoppe- lung AK bzw. von der Distanz der beiden Antennen. Die Eigenfrequenz fl eines bisherigen Identifikationsmediums sinkt dabei sehr stark mit zunehmender Koppelung AK, z.B. um 10%. Demgegenüber zeigt der Frequenzverlauf f2 einer erfindungsgemässen neuen Antenne einen wesentlich kleineren Abfall um z.B. nur 1 bis 3%. D.h. ein zulässiger Toleranzbereich Df von z.B. ± 2% kann mit der stabilen neuen Antenne gemäss Kurve f2 viel besser erreicht werden als mit der instabilen bisherigen Antenne gemäss Kurve fl. Mit der neuen Antenne werden somit wesentlich höhere Kommunikationsleistungen (R, W, W2) erreicht.
Dies illustriert Figur 7 mit den Feldlinien H der Sendeantenne 24 der Schreib- und Lesestation WR und mit einer erzielbaren Reichweite R und einem möglichen Raumwinkel W innerhalb denen Kommunikation mit dem Identifikationsmedium IM möglich ist. Zusätzlich hängt dies noch von der relativen Lage der Empfangsantenne 15 im Feld H ab: Mit zunehmendem Winkel W2 zwischen Antennennormaler und Feldrichtung H nimmt die Kommunikationsfähigkeit ab. Mit den neuen erfindungsgemässen Empfangsantennen 15 werden viel höhere Werte von R, W, W2 erreicht.
Dies wird am folgenden Vergleichsbeispiel für eine Trägerfrequenz fr von 13.56 MHz und Identifikationsmedien im ISO-Format (siehe Fig. 8) für ein bisheriges und ein neues Identifikationsmedium illustriert. Damit im Koppelungszustand eine Eigenfrequenz f = fr erreicht wird, müssen die Eigenfrequenzen der Identifikationsmedien im unbelasteten Zustand auf folgende Werte eingestellt werden:
für eine bisherige Antenne fl = 16.5 ± 1.5 MHz für eine neuen Antenne f2 = 13.6 ± 0.3 MHz
Für die Eigenfrequenzen f der Identifikationsmedien gilt die Beziehung (2π . f)2 • . C = 1. Daraus ergeben sich z.B. folgende Werte:
Identifikationsmedium bisher C = Ci = 16 pF L = 6 μH
Windungszahl N = 5 bis 6
Identifikationsmedium neu C = Ci + Ce = 16 pF + 100 bis 300 pF
L = 1.2 bis 0.5 μH Windungszahl N = 2 bis 3
Die starke Abhängigkeit von der Koppelung AK der bisherigen Antennen gemäss Kurve fl in Figur 6 entsteht aus einer starken Abhängigkeit der internen Kapazität Ci des Datenträgers MI von der Koppelung. Diese Abhängigkeit wird mit der relativ grossen externen Kapazität Ce, welche unabhängig ist von der Koppelung AK bei der neuen Antenne gemäss Kurve f2 in Fig. 6 sehr stark reduziert.
Vorzugsweise wird die stabile externe Kapazität Ce mit hoher Güte deshalb mehrfach grösser gewählt als die interne Kapazität Ci, z.B. 5 bis lOmal grös- ser.
Damit wird auch ein wesentlich höherer Gütefaktor Q = fr/B (Resonanz- frequenz/Bandbreite) des Schwingkreises des Identifikationsmediums erreicht. Vorzugsweise soll dieser Gütefaktor Q mindestens 50 betragen.
Die Nichtkonstanz bzw. die Änderungen der Antennenfrequenz f bei bisheri- gen Identifikationsmedien wird durch verschiedene Einflüsse bewirkt:
Durch Änderung der internen Kapazität Ci des Datenträgers, welche neben der erwähnten Abhängigkeit von der Koppelungsintensität auch durch Umgebungseinflüsse, Fremdfelder, Leiter im Feld, parasitäre Kapazitäten und Alterungseffekte beeinflusst wird. Dazu kommen noch der hohe Verlustfaktor (schlechte Güte) der internen Kapazität Ci sowie relativ grosse Produktionsstreuungen der Ci-Werte. All diese Einflüsse und Änderungen der Ci-Werte ergeben entsprechende Änderungen der Eigenfrequenz f bei bisherigen Identifikationsmedien.
Diese Einflüsse werden bei der erfindungsgemässen Antenne durch die externe Kapazität Ce mit hoher Güte, Konstanz und mit genau definierten und wählbaren Kapazitätswerten zu einem sehr grossen Teil aufgehoben und damit eine entsprechend konstante, definierte und wählbare Frequenz f erreicht, was wie erläutert zu den hohen Kommunikationsleistungen KL führt. Mit dem erfindungsgemässen Konzept werden auch grosse Vorteile hinsichtlich Konzeption und Produktion von Identifikationsmedien erreicht. Da die Eigenfrequenz f viel genauer definiert und auch messbar ist, kann sie entsprechend auch viel genauer auf die Trägerfrequenz fr abgestimmt werden. Die Einstellung eines gewünschten Sollwerts für die Eigenfrequenz f ist viel genauer und einfacher möglich, da die zusätzliche externe Kapazität Ce einen genau definierten und konstanten Wert aufweist, welcher beliebig wählbar ist. Damit werden auch die relativ grossen Streuungen der Ci-Werte bei der Herstellung von integrierten Schaltungen auf einfache Art kompensiert. Zudem können z.B. auch mit nur einem Antennen-Design (bezüglich Grosse und Anzahl der Antennenschlaufen) durch Wahl verschiedener externer Kapazitätswerte entsprechend verschiedene gewünschte Eigenfrequenzwerte f des Identifikationsmediums einfach realisiert werden.
Da die Anzahl Antennenwindungen N ganzzahlig sein muss und die interne Kapazität Ci des Datenträgers MI gegeben ist, ist dagegen die Realisierung eines gewünschten Sollwerts für die Eigenfrequenz f bei bisherigen Identifikationsmedien in der Produktion nur sehr schwer und ungenau möglich.
Figur 3 illustriert ein Beispiel eines Identifikationsmediums für codierte Kommunikation. Der Datenträger MI, vorzugsweise als ASIC-Chip 16 ausgebildet, enthält hier einen Stützkondensator 17 zur Speicherung der empfangenen Energie und zur Überbrückung von Sendepausen, einen Spannungsregler 3, eine Taktaufbereitung 4, einen Empfangsdemodulator 5, einen Sendemodulator 6 und eine Codierungs- und Kommunikationslogik 7 sowie einen beschreibbaren EEPROM-Speicher 12, welcher vorzugsweise mindestens 256 Byte aufweist. Eine vorteilhafte Energie- und Datenübertragung zwischen Schreib- und Lesestation WR und Identifikationsmedium IM kann erreicht werden durch Pulsmodulation (Puls-Pausenmodulation) von der Schreib- und Lesestation WR zum Identifikationsmedium IM und durch Belastungsmodulation in der Gegenrichtung von IM zu WR.
Solche Identifikationsmedien mit Zugangs- und Berechtigungsfunktionen sind für verschiedene Anlagen und Anwendungen bzw. für verschiedene Applikationen bekannt, z.B. als Zutrittskarten für bestimmte Bereiche einer Firma (elektronische Schlüssel), für die Zeitwirtschaft, als Zugangsmedien für Geräte, z.B. von Datenanlagen, oder auch als Wertkartensysteme zum Bezug von Leistungen. Die erfindungsgemässen Identifikationsmedien mit wesentlich höheren Übertragungsleistungen und -Fähigkeiten eignen sich deshalb besonders für Anwendungen mit hohen Anforderungen bezüglich Funktions- und Datensicherheit, Überwachbarkeit, Verhinderung von Missbrauch usw. Dazu wird eine codierte Kommunikation zwischen Identifikationsmedium IM und Schreib- Lesestation WR eingesetzt, z.B. indem die Schreib- und Lesestation bei jedem Identifikationsvorgang neue Initialisierungsdaten erzeugt und an das Identifikationsmedium IM sendet, welche dort mit einem fest gespeicherten Verschlüsselungscode 32 (in Fig. 3) verknüpft und in codierter Form an die Schreib- und Lesestation zurückgesendet werden, wo diese Information entschlüsselt und geprüft wird und worauf anschliessend eine synchronisierte Kommunikation zwischen WR und IM stattfindet.
Das Identifikationsmedium kann zusätzlich noch mit einer persönlichen Codierungsfunktion kombiniert sein, um besonders hohen Sicherheitsanforderungen zu genügen. Dazu können z.B. ein PIN-Code oder biometrische Daten- codes eingesetzt werden. Persönliche biometrische Daten werden z.B. aus Fingerabdrücken oder Finger-, Hand- und Kopfgeometrie ermittelt und mit den entsprechenden, im Datenträger MI gespeicherten Codes 33 (Fig. 3) verglichen zwecks persönlicher Identifikation und Verifikation eines berechtigten Trägers. Eine weitere sehr wichtige Anwendung, welche erst mit Identifikationsmedien von hoher Kommunikationsfähigkeit möglich wird, besteht in einer höheren Datenorganisation des Speichers 12 des Datenträgers MI, wobei in einem segmentierbaren Applikationsdatenfeld ADF mehrere voneinander unabhängige Applikationen einschreibbar sind. Damit wird dank der höheren Kommunikationsleistung des erfindungsgemässen Identifikationsmediums quasi eine Vervielfachung seiner Funktionen erreicht.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Identifikationsmediums mit einer Empfangsantenne, welche als Doppelantenne mit zwei Schlaufen 15.1 und 15.2 ausgebildet ist. Hier dient die erste Antennenschlaufe 15.1 zum Empfang der elektromagnetischen Feldenergie 20a zur Speisung des Datenträgers sowie zum Empfang der Daten 20b der Schreib- und Lesestation WR. Die zweite Antennenschlaufe 15.2 dient zum Senden von Daten 20b an die Schreib- und Lesestation WR. Den Antennenteilen 15.1 und 15.2 entsprechen die inneren Kapazitäten Cil und Ci2 des Datenträgers MI. Die jeder Antennenschlaufe 15.1 und 15.2 parallel geschalteten externen Kapazitäten Cel und Ce2 werden so dimensioniert, dass die Antennenfrequenzen beider Antennenschlaufen gleich sind, und bei gleichen Teilinduktivitäten Ll, L2 bedeutet dies: Cel + Cil = Ce2 + Ci2.
Die Figuren 8a und b zeigen als besonders häufig verwendete Grosse ein Identifikationsmedium in ISO-Kartenformat 28 (85 x 54 mm) mit Leiterbahnen 26 auf einer Leiterplatte, welche hier als Sendeantenne 15 dienen. Dabei können die Antennenschlaufen mit der externen Kapazität Ce und mit dem Datenträger MI auf einem Träger 29 (Inlet) integriert sein und so eine besonders rationell herzustellende Einheit bilden. Als externe Kapazität Ce kann z.B. ein Keramikkondensator in sehr flacher Bauweise von z.B. nur 0.3 bis 0.5 mm Dicke und mit hoher Güte im MHz-Frequenzbereich Verwendung finden.
Die Figuren 9 und 10 zeigen Beispiele von Identifikationsmedien mit kleinem Format (30), wobei der Durchmesser DA der Empfangsantenne 15 den zur Verfügung stehenden Platz möglichst vollständig ausnützen sollte, so dass die Antennenfläche FA fast der Gesamtfläche des Identifikationsmediums entspricht. Bei derartigen kleinformatigen Identifikationsmedien mit Antennendurchmessern von 30 mm und weniger, z.B. auch von nur 10 mm, ist es beson- ders schwierig, gute Kommunikationseigenschaften und hohe Reichweiten zu erreichen. Dank der erfindungsgemässen Kombination mit der zusätzlichen externen Kapazität Ce und der entsprechend reduzierten Induktivität L der Antenne 15 werden entsprechend weniger Schlaufenwindungen benötigt als bisher, bzw. ist es möglich, mit kleineren Antennenflächen arbeiten zu können als bisher. Damit können mit kleinen Identifikationsmedien wie Schlüssel, Schlüsselanhänger, Jetons etc. etwa gleiche Kommunikationsreichweiten erzielt werden wie mit bisherigen relativ grossen ISO Format Karten. Dadurch können ganz neue Anwendungen erschlossen werden.
Figur 9 zeigt ein Beispiel, bei dem die Empfangsantenne als Ferritantenne 19 mit einem stabförmigen Ferrit und einer elektrischen Wicklung gebildet ist. In diesem Beispiel wird das Identifikationsmedium an einem Armband 36 getragen.
Das kleinformatige Identifikationsmedium von Figur 10 stellt einen Anhänger
37 dar, z.B. einen Schlüsselanhänger. Dieses Identifikationsmedium könnte aber auch mit einem Schlüssel, z.B. am Schlüsselgriff kombiniert sein oder in anderer Form einem Träger zugeordnet werden. Ein Beispiel eines sehr klei- nen Identifikationsmediums bilden z.B. Ringe, welche am Fuss von Brieftauben befestigt werden können zwecks Identifikation der Tauben bei Wettflügen.
Für diese Identifikationsmedien in kleinem Format nach Figur 9 und 10 werden bei einer Trägerfrequenz fr von 13.56 MHz z.B. externe Kapazitäten Ce von 50 - 150 pF eingesetzt bei einer entsprechenden Reduktion der Windungszahl der Antennenschlaufen auf z.B. weniger als die Hälfte.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, auch die Trägerfrequenz fr auf der Senderseite in analoger Weise zu stabilisieren, d.h. die Sendeantenne 24 der Schreib- und Lesestation WR von äusseren kapazitiven Einflüssen unabhängiger zu machen. Obwohl die Trägerfrequenz fr an sich schon wesentlich stabiler ist als die Eigenfrequenz f des Identifikationsmediums, so können doch durch weitere Stabilisierung der Trägerfrequenz fr die Kommunikationseigenschaften KL im gleichen Sinne wie beim Identifikationsmedium nochmals wesentlich verbessert werden und insbesondere die Reichweite R erhöht werden.
Auch die Trägerfrequenz fr unterliegt im Prinzip den gleichen Einflüssen wie schon erläutert: durch kapazitive Änderungen in der Umgebung z.B. durch Annäherung des menschlichen Körpers und von metallischen Elementen, durch Herstellungs-Toleranzen und Alterung von Komponenten etc. Auch die genaue Einstellung eines gewünschten Sollwerts der Trägerfrequenz fr erforderte bisher eine aufwendige Abstimmung.
Durch Anwendung des gleichen Prinzips wie bei der Empfangsantenne 15 auch auf die Sendeantenne 24 wird diese Stabilisierung und Verbesserung erreicht. Wie in Fig. 2 als Variante illustriert, wird eine Zusatzkapazität Cz parallel zur Sendeantenne zugeschaltet und deren Induktivität entsprechend verkleinert, so dass das Produkt L . C der Sendeantenne 24 konstant bleibt. Die Zusatzkapazität Cz wird vorzugsweise eher grösser gewählt als die bestehende Ersatzkapazität der Schreib- und Lesestation WR bezogen auf den Fusspunkt der Sendeantenne (d.h. ohne Zusatzkapazität). Die Zusatzkapazität kann mit Vorteil zwei- bis fünfmal so gross sein wie die bestehende Ersatzkapazität.
Diese Zusatzkapazität Cz besteht aus einem Standard Bauelement mit wähl- baren genau definierten und konstanten C -Werten. Damit kann ein gewünschter Sollwert der Trägerfrequenz fr auf einfache Art sereinmässig hergestellt werden ohne aufwendige Einzelabstimmungen.
Eine besonders vorteilhafte und universell einsetzbare Sendeantenne 24 kann als Folienantenne ausgebildet sein, z.B. als eine Antennenschlaufe in Form einer breiten Leiterbahn auf einem Kunststoffträger (analog der viel kleineren Antenne 15 im Beispiel von Fig. 8).
Als Beispiel: mit nur einer Leiterbahn-Schlaufe mit einem Durchmesser von 60 cm und einer Bahnbreite 25 mm (in geeigneter Form: rund, oval, recht- eckförmig usw.) können Reichweiten R bis 1 m und mehr erreicht werden, ermöglicht Reichweiten R bis 1 m und mehr.
Durch einfache Wahl des Cz Wertes (als Serienkomponeneten) kann jede gewünschte Trägerfrequenz fr direkt eingestellt werden - ohne bisher notwendige aufwendige Versuchs- und Abstimmungsarbeiten.
Im Rahmen dieser Anmeldung werden folgende Bezeichnungen verwendet: 3 Spannungsregler 4 Taktaufbereitung Empfangsdemodulator
Sendemodulator
Codierung und Kommunikationslogik
11 Prozessor
12 Speicher
13 Steuerelektronik
15 Empfangsantenne von IM
15.1, 15.2 Doppelantenne
16 ASIC Chip
17 Stützkondensator
19 Ferritantenne
20 HF Kommunikation
20a Energieübertragung
20b Datenübertragung
24 Sendeantenne WR
26 Leiterbahn auf Leiterplatte
28 ISO Karte
29 Träger, Inlet
30 Kleinformat
32 Codierung
33 persönliche Codierungsfunktionen, biometrische
36 Armband
37 Anhänger
IM Identifikationsmedium
MI elektronischer Datenträger
WR Lese-, bzw. Schreib- und Lesestation fr Trägerfrequenz, Systemtakt von WR f Frequenz des IM
Q = fr/B Gütefaktor von IM
H Feldlinienrichtung KL Kommunikationsleistung, -Fähigkeit, -Eigenschaften
R Kommunikationsreichweite
W Raumwinkel für Kommunikation
W2 Winkel zwischen Feldrichtung H und Antennennormaler DA Durchmesser von Sendeantenne 15
FA Fläche von Antenne 15
AK Antennen-Koppelung (Distanz)
Df Toleranzbereich f - fr
N Windungszahl L Induktivität
Ce externe Kapazität
Ci interne Kapazität
Cz Zusatzkapazität zu 24
ADF Applikationsdatenfeld

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E
1. Hochfrequenz-Identifikationsmedium IM mit passivem elektronischem Datenträger MI, welcher einen Prozessor (11), eine Steuerelektronik (13) und einen Speicher (12) enthält sowie mit einer Empfangsantenne (15) zum Empfang von Betriebsenergie (20a) und zur berührungslosen Über- tragung von HF-Signalen (20) an eine zugeordnete Schreib- und Lesestation WR mit einer Sendeantenne (24), mit einer Trägerfrequenz fr von mindestens 1 MHz, welche Trägerfrequenz durch die Sendeantenne bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Kapazität Ce parallel zur Empfangsantenne (15) ge- schaltet ist und wobei die Kapazität Ce grösser ist als die interne Kapazität Ci des Datenträgers MI.
2. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz fr durch die Sendeantenne (24) der Schreib- und Lesestation WR bestimmt ist und dass die Frequenz f sowie die externe Kapazität Ce und die Induktivität L der Empfangsantenne (15) des Identifikationsmediums IM durch folgende Beziehung bestimmt wird: (2π . f)2 . L . (Ci + Ce) = 1, mit f r = f ± 3%.
3. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger MI einen Stützkondensator (17) zur Speicherung der empfangenen Energie, einen Spannungsregler (3), eine Taktaufbereitung (4), einen Empfangsdemodulator (5), einen Sendemodulator (6), eine Codierung und Kommunikationslogik (7) sowie einen EEPROM-Speicher (12) aufweist.
4. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger als ASIC-Chip (16) ausgebildet ist mit einem EEPROM- Speicher (12) von mindestens 256 Byte.
5. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz fr zwischen 1 und 30 MHz liegt, vorzugsweise zwischen 5 und 20 MHz.
6. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz fr dem ISM-Band von 13.56 MHz entspricht.
7. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kapazität Ce mindestens fünfmal so gross ist wie die interne Kapazität Ci des Datenträgers MI.
8. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kapazität Ce zwischen 100 pF und 300 pF beträgt.
9. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gütefaktor Q = fr/B (Resonanzfrequenz/Bandbreite) des IM Schwingkreises mindestens 50 beträgt.
10. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kapazität Ce aus einem Keramikkondensator mit höchstens 0.5 mm Dicke besteht.
11. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsantenne (15) als Leiterbahn (26) auf einer Leiterplatte gebildet ist.
12. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenschlaufen (15) dem ISO-Kartenformat (28) entsprechen.
13. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenschlaufen (15) mit der externen Kapazität Ce und mit dem
Datenträger MI auf einem Träger (29) (Inlet) integriert sind.
14. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Empfangsantenne (15) bei kleinformatigen Identifikationsmedien (30) höchstens 3 cm beträgt.
15. Identifikationsmediμm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsantenne als Doppelantenne (15.1, 15.2) mit je einer exter- nen Kapazität (Cel, Ce2) ausgebildet ist mit einem Mittelabgriff, wobei eine Antennenschlaufe für den Empfang von Energie (20a) und Daten und die andere Antennenschlaufe zum Senden von Daten eingesetzt ist.
16. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsantenne als Ferritantenne (19) mit einem stabförmigen Ferrit und einer elektrischen Wicklung ausgebildet ist.
17. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung von der Schreib- und Lesestation WR zum Identifikationsmedium IM durch Pulsmodulation erfolgt und in der Gegenrichtung durch Belastungsmodulation erfolgt.
18. Identifikationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation (20) zwischen Schreib- und Lesestation WR und Identifikaüonsmedium IM codiert ist (32).
19. Identifikationsmedium nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (12) ein segmentierbares Applikationsdatenfeld ADF für mehrere unabhängige Applikationen aufweist.
20. Identifikationsmedium nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger MI eine zusätzliche persönliche Codierungsfunktion (33) enthält wie einen PIN-Code oder einen biometrischen Datencode.
21. Identifikationsmedium nach Anspruch 1 mit zugeordneter Schreib- und Lesestation, dadurch gekennzeichnet, dass die Schreib- und Lesestation WR eine Sendeantenne (24) aufweist, welcher eine Zusatzkapazität Cz parallel zugeschaltet ist.
22. Identifikationsmedium nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkapazität Cz mindestens so gross ist wie die Ersatz-Kapazität der Schreib- und Lesestation WR bezogen auf den Fusspunkt der Sendeantenne (24) ohne Zusatzkapazität Cz.
23. Identifikationsmedium nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkapazität Cz zwei- bis fünfmal so gross ist wie die Ersatz- Kapazität der Schreib- und Lesestation WR bezogen auf den Fusspunkt der Sendeantenne (24) ohne Zusatzkapazität Cz.
24. Identifikationsmedium nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (24) als Folienantenne ausgebildet ist und vorzugsweise nur eine Antennenschlaufe aufweist.
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