EP1595225A1 - Transponderschaltung - Google Patents

Transponderschaltung

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Publication number
EP1595225A1
EP1595225A1 EP03762675A EP03762675A EP1595225A1 EP 1595225 A1 EP1595225 A1 EP 1595225A1 EP 03762675 A EP03762675 A EP 03762675A EP 03762675 A EP03762675 A EP 03762675A EP 1595225 A1 EP1595225 A1 EP 1595225A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
transponder circuit
circuit according
high quality
transponder
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03762675A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Ostertag
Rüdiger HÜTTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HUETTER, RUEDIGER
OSTERTAG, THOMAS
Original Assignee
IQ-Mobil GmbH
IQ Mobil GmbH
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 IQ-Mobil GmbH, IQ Mobil GmbH filed Critical IQ-Mobil GmbH
Publication of EP1595225A1 publication Critical patent/EP1595225A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
    • G06K19/0723—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips the record carrier comprising an arrangement for non-contact communication, e.g. wireless communication circuits on transponder cards, non-contact smart cards or RFIDs

Definitions

  • the invention relates to a transponder circuit with a high quality resonator and a demodulator.
  • the AM-modulated signal emitted by a transmitting and receiving device after its demodulation has a frequency corresponding to the resonance frequency of the resonator of high quality for excitation of the resonator of high quality.
  • transponders for identification tasks.
  • the known systems (see Finkenzeller, "RFID-Handbuch", 2nd edition, Hanser Verlag, Kunststoff, 2000, ISBN 3-446-21278-7) either require high field strengths of the reading device or a battery for the supply of the necessary semiconductor circuits.
  • the SAW transponders which are also known, are fixed in the transferable data already during manufacture.
  • the transponder circuit With the transponder circuit, data and / or measured values can be called up and / or updated wirelessly.
  • the high quality resonator is used to match an input impedance to the load impedance of the semiconductor circuit.
  • Possible but not exclusive applications of this invention are ID transmitters, energy self-sufficient sensor systems or storage for data, e.g. for the measuring system described in DE 0019621354.
  • DE 19535543 A1 relates, for example, to a radio interrogation system of this type in which a broadband transmitter and receiver and an identification and / or sensor arrangement serving as a transponder with high-quality resonators are provided, the resonators being of such a high quality that they store energy in them takes place. The energy is temporarily stored until the interference frequencies of the interrogation pulse have subsided. Depending on the frequency range and the size to be detected, different types of resonators are used. Corresponding converters are also provided in order to convert the signal from the antenna of the transponder into an input variable suitable for the respective resonators.
  • DE 19844142 C2 discloses a programmable RF block for mobile radio applications, with individually adjustable passive components, such as resonators, being provided for setting a mechanically tunable adaptation network.
  • the adjustment network is adjusted by assigning an adjustable passive component to an electric micromotor that can be controlled by a programmable control unit, and the characteristic values of the resonators can be set mechanically by shifting the earthing point.
  • the resonators consume electrical energy during the actual adjustment period.
  • US 6219532 B1 relates to impedance matching circuits of a matching network between the antenna and the transmitting and receiving device of a mobile radio device.
  • a first and a second impedance matching circuit have different impedances, each of the circuits working in such a way that an impedance from the antenna side corresponds to an impedance from the transmitting and receiving circuit side.
  • the invention has for its object to provide the power supply for a semiconductor circuit with which a transponder can be realized, in which the problems mentioned do not occur.
  • the transponder circuit additionally has a rectifier, an energy store and a semiconductor circuit which are connected downstream of the resonator and the input impedance of the high quality resonator is matched to the load impedance of the semiconductor circuit in such a way that a supply voltage for the semiconductor circuit is achieved by the impedance transformation is obtained in energy storage.
  • a basic idea of the invention is therefore to enable a suitable matching between the input impedance of the high-quality resonator and the load impedance of the semiconductor circuit, i.e. the impedances of various special components of the transponder circuit are matched.
  • a broadband signal is used to excite the resonator.
  • a two-tone signal can also be used to excite the resonator.
  • the frequency of the excitation signal tracks the resonance frequency of the resonator (tracking).
  • a quartz is preferably used for the high quality resonator. It is also expedient that a piezoelectric resonator is provided as a high quality resonator.
  • a piezoelectric resonator made of langasite, gallium orthophosphate or lithium niobate can be used.
  • the specific implementation of the necessary high quality resonator is not critical as long as the high quality requirement is met. Preferred further designs of the high quality resonator are:
  • the stored data are used for the calibration of sensors.
  • Fig. 1 shows a reader (1) with an integrated transceiver (2) and (3) and a transponder (12).
  • the radio connection between the reader (1) and the transponder (12) takes place via the antenna of the reader (4) and the antenna of the transponder (13).
  • the signal to the demodulator (7) and then the resonator becomes higher Quality (8) fed to its vibration excitation.
  • a rectifier (9), an energy store (10) and a semiconductor circuit (11) are connected downstream of the resonator (8).
  • the signal is then fed back to the antenna of the transponder (13) via a backscatter modulator (6).
  • the information from the transponder is read out in two steps.
  • an AM-modulated carrier frequency is transmitted by the transmitter (2).
  • the modulation signal serves to excite the high quality resonator (8).
  • the AM modulation frequency corresponds to the resonance frequency of the resonator. Due to the high quality, an impedance transformation takes place, whereby a relatively high supply voltage required for the semiconductor circuit (11) is obtained in the energy store (10). At this point in time, the semiconductor circuit is operated in the idle state, which results in a very low current consumption, which is synonymous with a high impedance.
  • the semiconductor circuit (1 1) can send the user data back to the receiving device (3) via the known backscatter modulation circuit (6).
  • the high quality of the resonator (8) requires excitation with the exact resonance frequency. Due to manufacturing tolerances or detuning from external influences (e.g. temperature or aging), this resonance frequency is initially not exactly known.
  • the resonator can be excited in a broadband manner, as described in DE 19535543, although only a small part of the modulation energy is available for the excitation.
  • the reader and the antenna of the transponder can thus be designed to be broadband, which means that in the event of a disturbance, an undisturbed frequency can be used.
  • Such interference can be caused, for example, by third-party devices operating on the same frequency or by the radio field conditions (multipath reception).
  • Another advantage is the possibility of adapting the transponder and the reading device to the carrier frequency that is best suited for the intended purpose without impairing the basic function. This allows one to Size or range optimized antenna are used or the regulatory conditions at the site are taken into account.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transponderschaltung mit einem Resonator hoher Güte und einem Demodulator. Das von einem Sende- und Empfangsgerät ausgesendete AM-modulierte Signal weist nach dessen Demodulation eine der Resonanzfrequenz des Resonators hoher Güte entsprechende Frequenz zur Anregung des Resonators hoher Güte auf. Die Transponderschaltung weist zusätzlich einen Gleichrichter, einen Energiespeicher und eine Halbleiterschaltung auf, welche dem Resonator nachgeschaltet sind. Die Eingangsimpedanz des Resonators hoher Güte ist an so die Lastimpedanz der Halbleiterschaltung angepasst, dass durch die Impedanztransformation eine Versorgungsspannung für die Halbleiterschaltung im Energiespeicher gewonnen wird. Mit der Transponderschaltung können Daten und/oder Messwerte berührungslos über Funk abgerufen und/oder aktualisiert werden. Mögliche Anwendungen sind ID-Geber, energieautarke Sensorsysteme oder Speicher für Daten beispielsweise für Messsysteme.

Description

TRANSPONDERSCHALTUNG
Die Erfindung betrifft eine Transponderschaltung mit einem Resonator hoher Güte und einem Demodulator. Dabei weist das von einem Sende- und Empfangsgerät ausgesendete AM-modulierte Signal nach dessen Demodulation eine der Resonanzfrequenz des Resonators hoher Güte entsprechende Frequenz zur Anregung des Resonators hoher Güte auf.
Es ist bekannt, für Identifizierungsaufgaben Transponder einzusetzen. Die bekannten Systeme (vlg. Finkenzeller, "RFID-Handbuch", 2. Auflage, Hanser Verlag, München, 2000, ISBN 3-446-21278-7) benötigen entweder hohe Feldstärken des Lesegerätes oder eine Batterie für die Versorgung der notwendigen Halbleiterschaltungen. Die ebenfalls bekannten OFW-Transponder sind in den übertragbaren Daten bereits bei der Herstellung unveränderlich festgelegt.
Mit der Transponderschaltung können Daten und/oder Messwerte berührungslos über Funk abgerufen und/oder aktualisiert werden. Der Resonator hoher Güte dient dabei zur Anpassung einer Eingangsimpedanz an die Lastimpedanz der Halbleiterschaltung. Mögliche, aber nicht ausschließliche Anwendungen dieser Erfindung sind ID-Geber, energieautarke Sensorsysteme oder Speicher für Daten, z.B. für das in DE 0019621354 beschriebene Messsystem.
Die DE 19535543 A1 betrifft beispielsweise ein solches Funkabfragesystem, in dem ein breitbandiges Sende- und Empfangsgerät und eine als Transponder dienende Identifizierungs- und/oder Sensoranordnung mit Resonatoren hoher Güte vorgesehen sind, wobei die Resonatoren eine so große Güte besitzen, dass eine Energiespeicherung in ihnen stattfindet. Dabei wird die Energie solange zwischengespeichert, bis die Störfrequenzen des Abfrageimpulses abgeklungen sind. Dazu werden je nach Frequenzbereich und zu detektierender Größe unterschiedliche Resonatortypen verwendet. Weiterhin sind entsprechende Wandler vorgesehen, um das Signal von der Antenne des Transponders in eine für die jeweiligen Resonatoren geeignete Eingangsgröße umzusetzen. Die DE 19844142 C2 offenbart einen programmierbaren HF-Block für Mobilfunkanwendungen, wobei zur Einstellung eines mechanisch abstimmbaren Anpassungsnetzwerkes u.a. individuell einstellbare passive Bauteile, wie z.B. Resonatoren, vorgesehen sind. Die Einstellung des Anpassungsnetzwerkes erfolgt dadurch, dass jeweils einem einstellbaren passiven Bauteil ein, durch eine programmierbare Steuereinheit ansteuerbarer, elektrischer Mikromotor zugeordnet ist, wobei die Kennwerte der Resonatoren durch Verschieben des Erdungspunktes mechanisch eingestellt werden können. Die Resonatoren verbrauchen während der eigentlichen Einstellzeitdauer elektrische Energie.
Die US 6219532 B1 betrifft Impedanzanpassungsschaltungen eines Anpassungsnetzwerkes zwischen Antenne und Sende- und Empfangseinrichtung eines Mobilfunkgerätes. Dabei haben eine erste und eine zweite Impedanzanpassungsschaltung unterschiedliche Impedanzen, wobei jede der Schaltungen so arbeitet, dass eine Impedanz von der Seite der Antenne einer Impedanz von der Seite der Sende- und Empfangsschaltung entspricht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energieversorgung für eine Halbleiterschaltung anzugeben, mit der ein Transponder realisiert werden kann, bei dem die genannten Probleme nicht auftreten.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Transponderschaltung zusätzlich einen Gleichrichter, einen Energiespeicher und eine Halbleiterschaltung aufweist, welche dem Resonator nachgeschaltet sind und die Eingangsimpedanz des Resonators hoher Güte an die Lastimpedanz der Halbleiterschaltung so angepasst ist, dass durch die Impedanztransformation eine Versorgungsspannung für die Halbleiterschaltung im Energiespeicher gewonnen wird.
Eine Grundidee der Erfindung besteht also darin, eine geeignete Abstimmung zwischen der Eingangsimpedanz des Resonators hoher Güte und der Lastimpedanz der Halbleiterschaltung zu ermöglichen, d.h. es erfolgt eine Abstimmung der Impedanzen verschiedener spezieller Bauteile der Transponderschaltung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Anregung des Resonators ein breitbandiges Signal verwendet wird. Ebenso kann auch ein Zweitonsignal zur Anregung des Resonators verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenz des Anregungssignals der Resonanzfrequenz des Resonators nachgeführt (Tracking). Als Güte Q wird bekanntlich der Kehrwert der Dämpfung d eines Schwingkreises bezeichnet (Q = 1/d). Ein Schwingkreis hoher Güte weist demnach eine kleine Dämpfung auf.
Vorzugsweise wird für den Resonator hoher Güte ein Quarz verwendet. Zweckmäßig ist es auch, dass als Resonator hoher Güte ein piezoelektrischer Resonator bereitgestellt wird. Dabei kann ein piezoelektrischer Resonator aus Langasit, Galliumorthophosphat oder Lithiumniobat verwendet werden. Die konkrete Ausführung des notwendigen Resonators hoher Güte ist nicht maßgeblich, solange die Anforderung an die hohe Güte erfüllt wird. Bevorzugte weitere Ausführungen des Resonators hoher Güte sind:
Quarze
LC-Schwingkreise
Keramikresonatoren
Leitungsresonatoren dielektrische Resonatoren akustische Resonatoren
Antennen
Stimmgabel Schwinger mechanische Schwinger ferri magnetische Resonatoren oder mit magnetostatischen Wellen arbeitende Resonatoren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die gespeicherten Daten zur Kalibrierung von Sensoren verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, welche in schematischer Darstellung ein Funkabfragesystem mit einem Sende-/Empfangsgerät und einer batterielosen Transponderschaltung als abzufragendes Element darstellt.
Fig. 1 zeigt ein Lesegerät (1 ) mit integriertem Sende- und Empfangsgerät (2) und (3) sowie einen Transponder (12). Die Funkverbindung zwischen Lesegerät (1 ) und Transponder (12) erfolgt über die Antenne des Lesegerätes (4) und die Antenne des Transponders (13). Nach einer Antennenanpassung des Transponders (5) wird das Signal dem Demodulator (7) und anschließend dem Resonator hoher Güte (8) zu dessen Schwingungsanregung zugeführt. Dem Resonator (8) nachgeschaltet sind ein Gleichrichter (9), ein Energiespeicher (10) und eine Halbleiterschaltung (1 1 ). Anschließend wird das Signal über einen Backscatter Modulator (6) zur Antenne des Transponders (13) zurückgeführt.
Das Auslesen der Informationen des Transponders erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird vom Sendegerät (2) eine AM-modulierte Trägerfrequenz ausgesendet. Nach der Demodulation (7) dient das Modulationssignal zur Anregung des Resonators hoher Güte (8). Die AM-Modulationsfrequenz entspricht der Resonanzfrequenz des Resonators. Durch die hohe Güte findet eine Impedanztransformation statt, wodurch im Energiespeicher (10) eine für die Halbleiterschaltung (1 1 ) notwendige relativ hohe Versorgungsspannung gewonnen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Halbleiterschaltung im Ruhestand betrieben, womit eine sehr geringe Stromaufnahme entsteht, was gleichbedeutend mit einer hohen Impedanz ist.
Nach Abschaltung der Modulation, aber weiterhin vorhandenem Träger, kann die Halbleiterschaltung (1 1 ) die Nutzdaten über die bekannte Backscatter Modulationsschaltung (6) an das Empfangsgerät (3) zurücksenden.
Die hohe Güte des Resonators (8) erfordert eine Anregung mit der genauen Resonanzfrequenz. Durch Fertigungstoleranzen oder Verstimmung durch äußere Einflüsse (z.B. Temperatur oder Alterung) ist diese Resonanzfrequenz aber zunächst nicht exakt bekannt. Man kann den Resonator, wie in DE 19535543 beschrieben, breitbandig anregen, wobei allerdings nur ein geringer Teil der Modulationsenergie für die Anregung zur Verfügung steht. Alternativ ist es möglich, aus dem Backscatter-Signal ein Trackingsignal abzuleiten, womit die Modulationsfrequenz auf den Resonator abgestimmt und bei Bedarf nachgeführt werden kann (vgl. DE 0019621354).
Für die Funktion dieser Erfindung ist nur die Frequenz der AM-Modulation relevant. Somit können das Lesegerät sowie die Antenne des Transponders breitbandig ausgelegt werden, womit im Falle einer Störung auf eine ungestörte Frequenz ausgewichen werden kann.
Solche Störungen können beispielsweise durch auf gleicher Frequenz arbeitende Fremdgeräte oder durch die Funkfeldbedingungen (Multipath-Empfang) hervorgerufen werden. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Transponder sowie das Lesegerät ohne Beeinträchtigung der grundsätzlichen Funktion an die für den Einsatzzweck am besten geeignete Trägerfrequenz anzupassen. Dadurch kann eine auf Größe oder Reichweite optimierte Antenne verwendet werden oder den regulatorischen Bedingungen am Einsatzort Rechnung getragen werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Transponderschaltung mit einem Resonator hoher Güte (8) und einem Demodulator (7), wobei ein von einem Sende- und Empfangsgerät (2,3) ausgesendetes, AM-moduliertes Signal, welches nach dessen Demodulation eine der Resonanzfrequenz des Resonators hoher Güte (8) entsprechende Frequenz zur Anregung des Resonators hoher Güte (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transponderschaltung zusätzlich einen Gleichrichter (9), einen Energiespeicher (10) und eine Halbleiterschaltung (11) aufweist, welche dem Resonator nachgeschaltet sind und die Eingangsimpedanz des Resonators hoher Güte (8) an die Lastimpedanz der Halbleiterschaltung (11) so angepasst ist, dass durch die Impedanztransformation eine Versorgungsspannung für die Halbleiterschaltung (11) im Energiespeicher (10) gewonnen wird.
2. Transponderschaltung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung des Resonators ein breitbandiges Signal verwendet wird.
3. Transponderschaltung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung des Resonators ein Zweitonsignal verwendet wird.
4. Transponderschaltung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Anregungssignals der Resonanzfrequenz des Resonators nachgeführt wird (Tracking).
5. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein Quarz verwendet wird.
6. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein piezoelektrischer Resonator verwendet wird.
7. Transponderschaltung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein piezoelektrischer Resonator aus Langasit verwendet wird.
8. Transponderschaltung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein piezoelektrischer Resonator aus Galliumorthophosphat verwendet wird.
9. Transponderschaltung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein piezoelektrischer Resonator aus Lithiumniobat verwendet wird.
10. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch geken nzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein LC-Schwingkreis verwendet wird.
11. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein Keramikresonator verwendet wird.
12. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein Leitungsresonator verwendet wird.
13. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ein dielektrischer Resonator verwendet wird.
14. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte akustische Resonatoren verwendet werden.
15. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte eine Antenne verwendet wird.
16. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte Stimmgabel-Schwinger verwendet werden.
17. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte mechanische Schwinger verwendet werden.
18. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonator hoher Güte ferrimagnetische Resonatoren verwendet werden.
19. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch geken nzeichnet, dass als Resonator hoher Güte mit magnetostatischen Wellen arbeitende Resonatoren verwendet werden.
20. Transponderschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichne , dass die gespeicherten Daten zur Kalibrierung von Sensoren verwendet werden.
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