EP1956680A1

EP1956680A1 - Aerial for near field reader and/or near field transponder

Info

Publication number: EP1956680A1
Application number: EP08075110A
Authority: EP
Inventors: Thomas Leipold; Josef Bernhard; Thomas VON DER GRÜN
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2008-08-13
Also published as: DE102007007703A1

Abstract

The antenna has two coils (11, 12) arranged in parallel from a main detection direction (HDR) and poled against each other such that magnetic fields (2) of the two coils form a common circular magnetic field. A third coil (13) is arranged between the two coils (11, 12), where the three coils are arranged in the form of an unclosed toroid coil. The coil (11) corresponds to the beginning of the toroid coil and the coil (12) corresponds to the end of the toroid coil. The three coils are formed of metallic conductors. The two coils (11, 12) are arranged on a carrier i.e. printed circuit board.

Description

Der Gegenstand der Erfindung betrifft einen Nahfeld-Reader und/oder Nahfeld-Transponder, welcher mit einer Antenne ausgerüstet ist bzw. mit einem Antennensystem versehen ist, welches insbesondere für den Fall geeignet ist, dass der Nahfeld-Transponder in oder auf einem metallischen Objekt angebracht ist.The subject invention relates to a near-field reader and / or near-field transponder, which is equipped with an antenna or is provided with an antenna system, which is particularly suitable for the case that the near-field transponder mounted in or on a metallic object is.

Induktiv gekoppelte Nahfeld-Reader und Nahfeld-Transpondersysteme im Frequenzbereich bis 30 MHz arbeiten nach dem Prinzip eines Transformators in welchem je eine Sendespule im Reader und eine Empfangsspule im Transponder über ein Magnetfeld miteinander induktiv gekoppelt sind und diese Spulen die Antennen des Nahfeld-Readers oder Nahfeld-Transponders bilden. Hierbei wird vom Reader Energie zum Transponder übertragen. Je nach Dimension und Abstand des Nahfeld-Readers vom Nahfeld-Transponder ändert sich der Kopplungsfaktor zwischen den Spulen und es wird mehr oder weniger Energie zum Transponder übertragen. Zusätzlich zur Energieübertragung oder mit Hilfe der Energieübertragung können auch Daten jeweils vom Nahfeld-Reader zum Nahfeld-Transponder oder vom Transponder zum Reader übertragen werden.Inductively coupled near-field readers and near-field transponder systems in the frequency range up to 30 MHz work according to the principle of a transformer in which one transmitting coil in the reader and one receiving coil in the transponder are inductively coupled to one another via a magnetic field and these coils are the antennas of the near field reader or near field Form transponders. The reader transmits energy to the transponder. Depending on the dimension and distance of the near field reader From the near-field transponder, the coupling factor between the coils changes and more or less energy is transferred to the transponder. In addition to energy transmission or with the aid of energy transmission, data can also be transmitted from the near field reader to the near field transponder or from the transponder to the reader.

Passive Transponder besitzen keine Batterie und versorgen sich ausschließlich aus dem Feld des Readers. Eine Datenkommunikation ist somit nur möglich, wenn ausreichend Energie aus dem Sendefeld zur Verfügung steht, d.h. der Kopplungsfaktor des Nahfeldsystems hoch ist. In herkömmlich induktiv gekoppelten Nahfeld-Readern und/oder -Transpondern sind die Spulen üblicherweise so ausgebildet, dass sie ein weitgehend homogenes Feld erzeugen. Insbesondere sind die Antennen eines Nahfeld-Transponders so ausgestattet, dass sie nur in einem weitestgehend homogenen Feld arbeiten. Dies erhöht in den meisten Fällen die Reichweite des Systems.Passive transponders have no battery and supply themselves exclusively from the field of the reader. Data communication is thus only possible if sufficient energy is available from the transmission field, i. the coupling factor of the near field system is high. In conventionally inductively coupled near-field readers and / or transponders, the coils are usually designed such that they produce a largely homogeneous field. In particular, the antennas of a near field transponder are equipped so that they work only in a largely homogeneous field. This will in most cases increase the range of the system.

Bei der Aufbringung eines Nahfeld-Transponders auf einer metallischen Oberfläche oder in einem Metallgegenstand, tritt eine drastische Verschlechterung des Kopplungsfaktors zwischen den Antennen auf. Diese Verschlechterung ist darauf zurückzuführen, dass ein zum Metall senkrecht stehendes Magnetfeld Wirbelströme hervorruft, welche gemäß der Lenz'schen Regel so verlaufen, dass sie dem Magnetfeld, welches sie hervorruft, entgegenwirken. Aufgrund dieser Wirbelströme können Antennen, welche eine homogene Feldstruktur erzeugen, kein Magnetfeld erzeugen, welches weit genug in ein Metallstück eindringen kann, um einen Transponder anzusprechen. Abhilfe kann ein ausreichend großer Abstand zwischen der Antenne und dem Metallstück oder der Metalloberfläche bringen. Je weiter die Antenne vom Metallstück entfernt ist, um so geringer ist der Effekt der Wirbelströme und umso höher der Koppelfaktor. Diese Anbringungsart besitzt den Nachteil, dass die Antenne leichter durch Fremdeinwirkung beschädigt werden kann.When applying a near-field transponder on a metallic surface or in a metal object, a drastic degradation of the coupling factor between the antennas occurs. This deterioration is due to the fact that a magnetic field perpendicular to the metal causes eddy currents which, according to Lenz's rule, run counter to the magnetic field which causes them. Because of these eddy currents, antennas that produce a homogeneous field structure can not produce a magnetic field that can penetrate far enough into a piece of metal to address a transponder. Remedy can be a sufficiently large distance between the antenna and the piece of metal or the metal surface. The further the antenna is away from the piece of metal, the lower the effect of the eddy currents and the higher the coupling factor. This type of attachment has the disadvantage that the antenna can be easily damaged by external influences.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Nahfeld-Reader und/oder Nahfeld-Transponder mit einer Antenne auszustatten, welche den Kopplungsfaktor zwischen einem Nahfeld-Reader und einem Nahfeld-Transponder erhöht, wobei eines der beiden Nahfeldelemente auf einer metallischen Oberfläche mit geringem Abstand zur Oberfläche oder innerhalb eines metallischen Volumen, welches nur durch einen Spalt zugänglich ist und ebenfalls einen geringen Abstand zur metallischen Umgebung aufweist, angebracht ist.The object of the present invention is to equip a near field reader and / or near field transponder with an antenna which increases the coupling factor between a near field reader and a near field transponder, wherein one of the two near field elements on a metallic surface with a small distance to Surface or within a metallic volume, which is accessible only through a gap and also has a small distance from the metallic environment attached.

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Antenne zur Verwendung in einem System, welches einen Nahfeld-Reader und/oder Nahfeld-Transponder aufweist, nach dem Hauptanspruch gelöst.The object is achieved by the antenna according to the invention for use in a system which has a near field reader and / or near field transponder, according to the main claim.

Die Antenne weist eine Hauptdetektionsrichtung und mindestens zwei Windungen auf. Eine Windung wird als erste und eine weitere Windung wird als zweite Windung gekennzeichnet. Des Weiteren sind die erste und die zweite Windung aus der Hauptdetektionsrichtung betrachtet nebeneinander angeordnet und gegeneinander gepolt, d.h. aus der Hauptdetektionsrichtung betrachtet, fließen die Elektronen in der ersten Windung im oder gegen den Uhrzeigersinn und in der zweiten Windung in der dazu entgegengesetzten Richtung, so dass die Magnetfelder der ersten und der zweiten Windung ein geschlossenes, ringförmiges Magnetfeld ausbilden.The antenna has a main detection direction and at least two turns. One turn is marked first and another turn is marked as second turn. Further, as viewed from the main detection direction, the first and second windings are juxtaposed and poled, ie, viewed from the main detection direction, the electrons flow clockwise or counterclockwise in the first winding and in the opposite direction in the second winding, so that the magnetic fields of the first and second windings form a closed, annular magnetic field.

Bei der Herstellung von Spulenanordnungen spielt auch der Begriff der wicklung eine Rolle. Eine Wicklung besteht dabei aus mindestens einer oder mehreren Windungen. Eine Spule besteht aus mindestens einer oder mehreren Wicklungen. D.h. insbesondere, dass eine sowohl eine Spule als auch eine Wicklung immer eine Windung umfassen. Ebenso können zwischen der ersten und der zweiten Windung weitere Windungen angeordnet sein.The term winding also plays a role in the production of coil arrangements. A winding consists of at least one or more turns. A coil consists of at least one or more windings. That in particular, that both a coil and a winding always comprise one turn. Likewise, further turns can be arranged between the first and the second turn.

Die oben beschriebene Antennengeometrie unterscheidet sich von den herkömmlichen Antennengeometrien dadurch, dass sie im Gegensatz zu den eher homogenen Feldern von Längsspulen ein möglichst stark gekrümmtes Magnetfeld erzeugt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei Anbringung der Antenne in einem Metallvolumen der Spalt, welcher den Zugang zum Metallinneren ermöglicht, sehr klein gehalten werden kann.The antenna geometry described above differs from the conventional antenna geometries in that, in contrast to the more homogeneous fields of longitudinal coils, it generates a magnetic field that is as highly curved as possible. This results in the advantage that when mounting the antenna in a metal volume, the gap, which allows access to the metal interior, can be kept very small.

Die Erfindung besteht darin, die Antenne einen Nahfeld-Reader oder einem Nahfeld-Transponder zuzuordnen bzw. zu verbinden, wobei der Nahfeld-Reader und/oder der Nahfeld-Transponder auf einer metallischen Oberfläche befestigt oder eingelassen ist/sind oder innerhalb eines Gegenstands mit einer metallischen Umhüllung, wobei der Gegenstand einen dielektrischen oder permeablen Spalt aufweist oder in einem dielektrischen oder permeablen Spalt selbst anzubringen.The invention consists in assigning or connecting the antenna to a near-field reader or a near-field transponder, wherein the near-field reader and / or the near-field transponder are fastened or embedded on a metallic surface or within an object with a metallic enclosure, wherein the article has a dielectric or permeable gap or to attach itself in a dielectric or permeable gap.

Die Verwendung der Antenne auf einem Metallgegenstand bzw. in einem durch einen permeablen oder dielektrischen Spalt zugänglichen Metallgegenstand ermöglicht eine starke Verbesserung der Kommunikation zwischen einem Nahfeld-Reader und einem Nahfeld-Transponder, da die Antennengeometrie den Kopplungsfaktor erhöht.The use of the antenna on a metal object or in a metal object accessible through a permeable or dielectric gap enables a great improvement in the communication between a near-field reader and a near-field transponder, since the antenna geometry increases the coupling factor.

Zwar bildet jede geschlossene, stromdurchflossene Windung geschlossene ringförmige Magnetfeldlinien aus. Bei einer einfachen Windung oder einer Längsspule schließen sich die Magnetfeldlinien jedoch außerhalb der Leiterschleife. In der Erfindung erfolgt ein "Zwangsschluss" der ringförmigen Magnetfeldlinien in der zweiten, gegenpolarisierten Windung. Dadurch erfolgt eine "Führung" der Magnetfeldlinien und damit einhergehend eine engerer Radius der ringförmigen Magnetfeldlinien. Durch die Führung der Magnetfeldlinien ist es möglich, dass diese durch einen Spalt in der Metalloberfläche eines Metallstückes besser eindringen können und einen Nahfeld-Transponder mit gleicher Antenne, der in einem hinter dem Spalt liegenden metallfreien Volumen angebracht ist, mit Energie versorgen.Although each closed, current-carrying turn forms closed annular magnetic field lines. In a single turn or a longitudinal coil, however, the magnetic field lines close outside the conductor loop. In the invention, a "forced closure" of the annular magnetic field lines in the second, gegenpolarisierten turn. This results in a "guidance" of the magnetic field lines and, consequently, a narrower radius of the annular magnetic field lines. By guiding the magnetic field lines, it is possible that they can better penetrate through a gap in the metal surface of a piece of metal and provide a Nahfeld transponder with the same antenna, which is mounted in a lying behind the gap metal-free volume with energy.

Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Nahfeld-Reader oder Nahfeld-Transponder beruht darauf, dass aufgrund der Anordnung der Windungen ein inhomogenes Magnetfeld mit einem gekrümmten Magnetfeldlinienverlauf erzeugt wird, so dass das Magnetfeld weniger Wirbelströme auf einer Metalloberfläche erzeugt. Damit erhöht sich der Kopplungsfaktor der Übertragung zwischen den Nahfeldelementen.The basic principle of the near field reader or near field transponder according to the invention is based on the fact that due to the arrangement of the windings, an inhomogeneous magnetic field with a curved magnetic field line profile is generated, so that the magnetic field generates less eddy currents on a metal surface. This increases the coupling factor of the transmission between the near field elements.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Advantageous developments of the device are described in the dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist es, zwischen der ersten und zweiten Windung weitere Windungen anzuordnen, welche so gepolt sind, dass sie unter Stromfluss das Magnetfeld H, welches als ringförmiges Magnetfeld die erste und zweite Windung durchdringt, verstärkt und die Magnetfeldlinien innerhalb der Windungen führt. Dadurch werden zudem weniger Streufelder außerhalb der Windungen erzeugt.An advantageous development of the invention is to arrange further windings between the first and second windings, which are poled in such a way that, under current flow, they amplify the magnetic field H, which penetrates the first and second windings as an annular magnetic field, and guide the magnetic field lines within the windings , This will also reduce Stray fields generated outside the windings.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist es, dass die Windungsachsen der einzelnen Windungen im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Die Ebene ist dadurch festgelegt, dass sie senkrecht zur effektiven Windungsebene der ersten Windung steht und die Windungsachse der ersten Windung beinhaltet.A further advantageous development of the invention is that the winding axes of the individual windings lie substantially in one plane. The plane is defined by being perpendicular to the effective turn plane of the first turn and including the turn axis of the first turn.

Um die Begriffe Windungsachse und die effektive Windungsebene zu definieren, muss der Begriff des magnetischen Schwerpunktes geklärt werden. Der magnetische Schwerpunkt ist analog zum Massenschwerpunkt eines Objektes definiert, in dem Sinne, dass er den Punkt im Raum repräsentiert, an welchem die Strom durchflossene Windung das stärkste Magnetfeld ausbildet. Dieser Punkt kann selbst für beliebig komplizierte Windungsgeometrien, z.B. eine Windung, welche nicht komplett innerhalb einer einzigen Ebene liegt mit Hilfe von Rechner gestützten Methoden ermittelt werden. Die effektive Windungsebene wird so definiert, dass der Vektor des Magnetfeldes der stromdurchflossenen Windung im magnetischen Schwerpunkt die Normale dieser Ebene bildet und die Ebene den Schwerpunkt umfasst. Analog dazu ist die Windungsachse so definiert, dass sie durch den magnetischen Schwerpunkt führt und senkrecht auf der effektiven Windungsebene steht.In order to define the terms winding axis and the effective winding plane, the concept of the magnetic center of gravity must be clarified. The magnetic center of gravity is defined analogously to the center of gravity of an object, in the sense that it represents the point in space at which the current flowing through the winding forms the strongest magnetic field. This point can be satisfied even for arbitrarily complicated winding geometries, e.g. a turn that is not completely within a single plane using computer-aided methods. The effective winding plane is defined so that the vector of the magnetic field of the current-carrying winding in the magnetic center of gravity forms the normal of this plane and the plane comprises the center of gravity. Similarly, the winding axis is defined to pass through the magnetic center of gravity and perpendicular to the effective winding plane.

Der Vorteil, dass alle Windungsachsen in einer Ebene liegen, liegt darin, dass so die maximale magnetische Energie in einer Ebene, nämlich der Ebene der Windungsachsen konzentriert wird und somit die Inhomogenität des Magnetfeldes innerhalb dieser Ebene maximiert werden kann. Dadurch kann beim Auslesen oder Senden von Informationen mittels eines Nahfeld-Readers oder Nahfeld-Transponders ein hoher Kopplungsfaktor zumindest innerhalb der Ebene der Windungsachsen geschaffen werden.The advantage that all winding axes lie in one plane lies in the fact that the maximum magnetic energy is concentrated in one plane, namely the plane of the winding axes, and thus the inhomogeneity of the magnetic field within this plane can be maximized. As a result, when reading or sending information by means of a near field reader or near-field transponders a high coupling factor at least within the plane of the winding axes are created.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird dadurch realisiert, dass die Windungen in Form einer nicht geschlossenen Toroid-Spule angeordnet sind, wobei der Anfang der Toroid-Spule (erste Windung) der ersten Wicklung einer planaren Spulenanordnung und das Ende der Toroid-Spule (zweite Windung) der zweiten Wicklung einer planaren Spulenanordnung entspricht. Durch die Antennengeometrie einer nicht geschlossenen Toroid-Spule kann aufgrund der nahezu kreisrunden Symmetrie des durch die Windungen erzeugten Magnetfeldes der Toroid-Spule eine weitere Steigerung der Inhomogenität des Magnetfeldes außerhalb der nicht geschlossenen Toroid-Spule erreicht werden, und zwar in dem Sektor zwischen der ersten und der zweiten Windung in welchem die Magnetfeldlinien sich nicht innerhalb der Spule befinden, sondern durch den windungsfreien Raum erstrecken. Die Öffnung der Toroid-Spule sollte dabei in einer ersten Ausführung einen Winkel zwischen 90° und 270° umfassen, in einer weiteren Ausführung einen Winkel zwischen 170° und 190°, in Form eines Halbtoroids, aufweisen. Mit den unterschiedlichen Winkelbereichen kann der Halbtoroid in eine Vertiefung des Metallgegenstands eingelassen werden oder beispielsweise auch ein in eine Ecke eines eine metallische Umhüllung aufweisenden Gegenstandes eingelassene Antenne angesprochen werden, beziehungsweise die Antenne in der Ecke konstruiert werden.A further advantageous development of the invention is realized in that the windings are arranged in the form of a non-closed toroidal coil, wherein the beginning of the toroidal coil (first turn) of the first winding of a planar coil assembly and the end of the toroidal coil (second Winding) of the second winding of a planar coil assembly corresponds. Due to the antenna geometry of a non-closed toroidal coil, a further increase in the inhomogeneity of the magnetic field outside the non-closed toroidal coil can be achieved due to the nearly circular symmetry of the magnetic field generated by the windings of the toroidal coil, in the sector between the first and the second winding in which the magnetic field lines are not located inside the coil but extend through the draft-free space. The opening of the toroidal coil should in this case comprise an angle between 90 ° and 270 ° in a first embodiment, in another embodiment an angle between 170 ° and 190 °, in the form of a half-tide. With the different angular ranges, the half-toroid can be embedded in a recess of the metal object or, for example, an antenna let into a corner of an article having a metallic cladding can be addressed, or the antenna can be constructed in the corner.

Anhand der vorgehenden Weiterbildung der Erfindung lässt sich die Hauptdetektionsrichtung sehr bildlich beschreiben. Unter der Annahme, dass der Öffnungswinkel des nicht geschlossenen Toroids 90° beträgt, ist die Hauptdetektionsrichtung durch die Winkelhalbierende des offenen Segmentes gegeben. Die Spulenanordnung in der Hauptdetektionsrichtung sollte dabei so angeordnet sein, dass die Windungsfläche einer auslesenden Spule senkrecht zum gekrümmten Magnetfeld der Toroid-Spule steht.Based on the preceding development of the invention, the main detection direction can be described very pictorially. Assuming that the opening angle of the non-closed toroid is 90 °, the main detection direction is given by the bisector of the open segment. The coil arrangement in the main detection direction should be arranged such that the winding surface of a readout coil is perpendicular to the curved magnetic field of the toroidal coil.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Toroid-Spule umfasst mindestens drei Windungen, wobei eine Windung symmetrisch zwischen der ersten und der zweiten Windung angeordnet ist. Der Vorteil liegt hierbei darin, dass mit einer geringen Anzahl von Windungen und einer einfach zu realisierenden Geometrie ein Magnetfeld in kreisförmiger Form ausgebildet wird. Die weitere Windung dient zur Führung der Magnetfeldlinien und reduziert dadurch die Streufelder außerhalb der Spule. Dadurch wird der Kopplungsfaktor erhöht.An advantageous development of the toroidal coil comprises at least three windings, one winding being arranged symmetrically between the first and the second windings. The advantage here is that with a small number of turns and an easy-to-implement geometry, a magnetic field is formed in a circular shape. The further turn serves to guide the magnetic field lines and thereby reduces the stray fields outside the coil. This increases the coupling factor.

Für niedrige Frequenzen (125kHz) kann es sinnvoll sein die Toroid-Spule mit einem permeablen Kern zu füllen, um die magnetische Flussdichte in der Spule zu erhöhen.For low frequencies (125kHz) it may be useful to fill the toroidal coil with a permeable core to increase the magnetic flux density in the coil.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass mindestens die erste und die zweite Windung aus der Hauptdetektionsrichtung betrachtet achtförmig zueinander angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Windungen sowohl durch einzelne Leiterbahnen als auch durch eine einzelne Leiterbahn, welche achtförmig geformt ist, ausgebildet werden. Der Vorteil liegt darin, dass unter minimalem Materialaufwand und durch einfache Konstruktionsweise eine Antenne zur Ausbildung eines "geführten" ringförmigen Magnetfeldes geschaffen wird.A particularly advantageous development of the invention is given by the fact that at least the first and the second winding viewed from the main detection direction are arranged eight-shaped to each other. In this embodiment, the windings can be formed both by individual tracks and by a single track which is eight-shaped. The advantage lies in the fact that an antenna is created for the formation of a "guided" annular magnetic field with a minimum of material and a simple design.

Weiterhin vorteilhaft ist die Ausbildung der Windungen als zwei S-Formen, wobei diese zu einer achtförmigen Struktur verbunden werden und beide Hälften z.B. auf zwei verschiedenen Ebenen einer Leiterplatte ausgeführt sind.Further advantageous is the formation of the windings as two S-shapes, which are connected to form an eight-shaped structure and both halves of e.g. are executed on two different levels of a printed circuit board.

Auch ist die vorteilhafte Weiterbildung sinnvoll, dass die erste Windung als Teil einer Spirale ausgebildet ist und auch die zweite Windung als Teil einer weiteren Spirale ausgebildet ist. Aus der Hauptdetektionsrichtung betrachtet sind nunmehr nicht nur die erste und die zweite Windung nebeneinander angeordnet, sondern auch die erste Spirale, welche die erste Windung umfasst, und die zweite Spirale, welche die zweite Windung umfasst, wobei die beiden Spiralen gegeneinander gepolt sind. Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Antennenvorrichtung möglichst flach sein soll (wie es bei Nahfeldsystemen häufig der Fall ist), so dass eine Verstärkung des Magnetfeldes nicht durch die Anordnung weiterer Windungen in der Tiefe, sondern nur innerhalb im Wesentlichen einer Ebene erfolgen kann. Dabei wird durch den zunehmenden Radius innerhalb der Windungen der Spirale der magnetische Schwerpunkt der Spirale im günstigsten Fall in der Mitte der ersten Windung, welche die innerste Windung der Spirale darstellt, ausgebildet.Also, the advantageous development makes sense that the first turn is formed as part of a spiral and also the second turn is formed as part of another spiral. Viewed from the main detection direction now not only the first and the second winding are juxtaposed, but also the first spiral, which comprises the first winding, and the second spiral, which comprises the second winding, wherein the two spirals are poled against each other. This arrangement is particularly advantageous when the antenna device is to be as flat as possible (as is often the case with near-field systems), so that an amplification of the magnetic field can not be done by the arrangement of further turns in depth, but only within substantially a plane , In this case, by the increasing radius within the turns of the spiral of the magnetic center of gravity of the spiral is formed in the best case in the middle of the first turn, which represents the innermost turn of the spiral.

Auch für die weiteren vorhergehenden vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist es von Vorteil, wenn zumindest die erste und die zweite Windung in derselben Ebene liegen.It is also advantageous for the further preceding advantageous developments of the invention if at least the first and the second winding lie in the same plane.

Für eine besonders einfache Anordnung ist es sinnvoll die Antenne aus genau zwei Windungen aufzubauen.For a particularly simple arrangement, it makes sense to build the antenna from exactly two turns.

Bei der geometrischen Form der Windungen selber ist es besonders vorteilhaft, wenn diese kreisförmig geschieht. Da mit einer solchen Symmetrie der magnetische Schwerpunkt im Kreismittelpunkt der Windung liegt, gesetzt dem Falle, dass der Kreis innerhalb einer Ebene liegt. Auch die Ausbildung der Windung als ein Polygon, insbesondere eines Rechteckes kann, abhängig von der Aufgabe oder dem Einsatz des Nahfeld-Readers vorteilhaft sein.In the case of the geometric shape of the turns themselves, it is particularly advantageous if they are circular. Since with such a symmetry the magnetic center of gravity lies in the center of the circle of the winding, set the case that the circle lies within a plane. The formation of the turn as a polygon, in particular a rectangle can be advantageous, depending on the task or the use of the near-field reader.

Durch mindestens die erste und die zweite Windung kann die Antenne selbstragend ausgebildet sein, so dass die Antenne direkt an einem anderen Gegenstand befestigbar ist. Alternativ hierzu werden mindestens die erste und zweite Windung auf einem gesonderten Träger angebracht.By at least the first and the second turn, the antenna may be self-supporting, so that the antenna is directly attachable to another object. Alternatively, at least the first and second turns are mounted on a separate carrier.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Antenne ist dadurch gegeben, dass durch mindestens die erste und die zweite Windung ein Träger gebildet wird, und die erste und zweite Windung durch z.B. Verkleben oder Verschmelzen an einer Oberfläche befestigt sind, so dass die Antenne ihren eigenen Träger bildet.A further advantageous embodiment of the antenna is provided in that a carrier is formed by at least the first and second windings, and the first and second windings are formed by e.g. Gluing or fusing are attached to a surface, so that the antenna forms its own support.

Eine in der Praxis sinnvolle Ausführung ist es, mindestens die erste und zweite Windung auf einem gesonderten Träger anzubringen, wobei der Träger entweder durch eine Leiterplatte oder durch eine biegsame Folie gebildet wird.A practical design in practice is to attach at least the first and second turns on a separate carrier, wherein the carrier is formed either by a printed circuit board or by a flexible film.

Besonders vorteilhaft wird die Antenne dort eingesetzt, wo ein Nahfeld-Transponder durch einen Nahfeld-Reader angesprochen wird und zumindest eines der beiden Systeme mit einer Antenne gemäß der vorhergehenden Weiterbildungen ausgestattet ist, welche unter Stromfluss ein inhomogenes ringförmiges Magnetfeld generiert, wobei der Transponder auf einer metallischen Oberfläche oder in einem dielektrischen oder permeablen Spalt angebracht ist oder derart in einem Metallkörper angebracht ist, dass er von außen durch einen dielektrischen oder permeablen Spalt der wesentlich kleiner ist als die Abmessungen des Transponders selbst, zugänglich ist und nach dem Aufbau einer induktiven Kopplung eine vordefinierte Abarbeitung von Befehlen durch den Transponder erfolgt. Der Vorteil innerhalb dieses Verfahrens besteht darin, dass durch die Antennengeometrie ein höherer Kopplungsfaktor auf Metallflächen im Vergleich zu den bislang eingesetzten Antennengeometrien in Nahfeld-Readern und/oder Nahfeld-Transpondern geschaffen wird.Particularly advantageously, the antenna is used where a near field transponder is addressed by a near field reader and at least one of the two systems is equipped with an antenna according to the preceding developments, which under Current flow generates an inhomogeneous annular magnetic field, wherein the transponder is mounted on a metallic surface or in a dielectric or permeable gap or mounted in a metal body, that it is substantially smaller than the dimensions of the transponder by a dielectric or permeable gap from the outside itself, is accessible and after the establishment of an inductive coupling, a predefined execution of commands by the transponder takes place. The advantage of this method is that the antenna geometry provides a higher coupling factor on metal surfaces in comparison to the previously used antenna geometries in near field readers and / or near field transponders.

Die Antenne kommt insbesondere in einem erfindungsgemäßen System zum Einsatz. Dieses weist zumindest einen Nahfeld-Reader, einen Nahfeld-Transponder und einen Metallgegenstand auf. Sowohl Nahfeld-Reader als auch Nahfeld-Transponder umfassen jeweils eine Antenne, wobei mindestens eine Antenne die vorgenannten Merkmale aufweist und der Nahfeld-Reader oder Nahfeld-Transponder auf einer metallischen Oberfläche angeordnet oder in eine Vertiefung der metallischen Umhüllung eingelassen oder in einem Gegenstand mit metallischer Umhüllung (bzw. auch einem Metallgegenstand) angeordnet ist. Die Antennengeometrie ermöglicht einen hohen Kopplungsfaktor zwischen dem Nahfeld-Reader und dem Nahfeld-Transponder, obwohl die Antenne auf dem Metallgegenstand, oder im Falle dass der Metallgegenstand einen permeablen oder dielektrischen Spalt aufweist, auf einen im Metallgegenstand befindlichen Inhalt angeordnet ist. Im Gegensatz zu einer auf oder in einem Gegenstand angeordneten Antenne, welcher aus einer einfachen Leiterschleife, Wicklung oder Spule aufgebaut ist, werden bei der vorgeschlagenen Antennengeometrie die Magnetfeldlinien -wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben- einem Zwangsschluss unterworfen, und erzeugen so weniger Wirbelströme.The antenna is used in particular in a system according to the invention. This has at least one near field reader, a near field transponder and a metal object. Both near-field readers and near-field transponders each comprise an antenna, wherein at least one antenna has the aforementioned features and the near-field reader or near-field transponder disposed on a metallic surface or embedded in a recess of the metallic enclosure or in a metallic article Enclosure (or a metal object) is arranged. The antenna geometry allows for a high coupling factor between the near-field reader and the near-field transponder, even though the antenna is disposed on the metal article, or in case the metal article has a permeable or dielectric gap, on a content in the metal article. In contrast to an antenna arranged on or in an object, which is made up of a simple conductor loop, winding or coil, the magnetic field lines in the proposed antenna geometry-as described in the preceding sections-are forcedly closed, thus producing fewer eddy currents.

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Antenne dem Nahfeld-Transponder zugeordnet, wobei der Nahfeld-Transponder auf der metallischen Oberfläche oder im Gegenstand angeordnet ist. Die Antenne ist dabei vorzugsweise auf dem Träger des Nahfeld-Transponders angeordnet. Auf dem Nahfeld-Transponder sind beispielsweise Informationen hinsichtlich des Inhalt oder der Art und Beschaffenheit des Gegenstands gespeichert. Über eine mit Hilfe der Antenne hergestellte Verbindung zwischen dem Nahfeld-Transponder und dem Nahfeld-Reader wird diese Information mit einem sich außerhalb des Gegenstands befindenden Nahfeld-Reader abgerufen.Advantageously, the antenna according to the invention is associated with the near field transponder, wherein the near field transponder is arranged on the metallic surface or in the object. The antenna is preferably arranged on the carrier of the near-field transponder. For example, information about the content or type and nature of the item is stored on the near field transponder. About a made using the antenna connection between the near field transponder and the near field reader, this information is retrieved with a located outside the subject near field reader.

Der Nahfeld-Reader kann in der Variante, in welcher die erfindungsgemäße Antenne dem Nahfeld-Transponder zugeordnet ist, mit einer einfachen Antenne oder mit einer Antenne mit mindestens einer ersten und einer zweiten Windung im Wesentlichen "8"-förmig zueinander liegend ausgebildet sein. Bei letztgenannter erhöht sich der Kopplungsfaktor zwischen Nahfeld-Reader und Nahfeld-Transponder nochmals.In the variant in which the antenna according to the invention is assigned to the near-field transponder, the near-field reader can be designed to be substantially "8" -shaped relative to one another with a simple antenna or with an antenna having at least one first and one second turn. In the latter case, the coupling factor between near field reader and near field transponder increases again.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further advantageous developments of the invention are described in the further dependent claims.

Im folgenden soll anhand von Ausführungsbeispielen und erläuternden Figuren die Erfindung näher beschrieben werden. In den Figuren ist zu sehen:

Fig. 1: Nahfeldantenne nach dem Stand der Technik,
Fig. 2: Ausführung einer erfindungsgemäßen Antenne und deren Wirkung,
Fig. 3a,b,c,d: Verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antenne,
Fig. 4a,b: Ausführung der erfindungsgemäßen Antenne als Toroid-Spule,
Fig. 5a,b,c: Funktionsweise im Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Antenne;
Fig. 6a,b,c: Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Systems.

In the following, the invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments and illustrative figures become. In the figures you can see:

Fig. 1: Near field antenna according to the prior art,
Fig. 2: Embodiment of an antenna according to the invention and its effect,
Fig. 3a, b, c, d: Various embodiments of the antenna according to the invention,
Fig. 4a, b: Embodiment of the antenna according to the invention as a toroidal coil,
Fig. 5a, b, c: Functioning in the prior art and an antenna according to the invention;
Fig. 6a, b, c: Embodiment of the system according to the invention.

In Fig. 1 wird der Stand der Technik für Antennen oder Antennensysteme bei Nahfeldsystemen beschrieben. Zu sehen ist eine Spule 1, welche unter dem Stromfluss in Pfeilrichtung, ein Magnetfeld 2 ausbildet, welches insbesondere in der Spulenmitte 201 homogen, d.h. gleichförmig und gleichgerichtet, verläuft. Eine wesentliche Krümmung des Magnetfeldes 2 entlang der Magnetfeldlinien 201 findet erst in größerer Entfernung von der Spule 1 statt. Beim Eindringen des Magnetfeldes in einen metallischen Körper 3 durch einen dielektrischen oder permeablen Spalt 4, dringt das Magnetfeld 2 tief in den Spalt ein, krümmt sich an der Stelle 202 am stärksten, kann aber aufgrund der insgesamt geringen Krümmung des Magnetfeldes nicht wieder durch den Spalt entweichen, sondern trifft auf die metallische Oberfläche 3 und erzeugt dort Wirbelströme 301, welche ein Magnetfeld erzeugen, welches dem Magnetfeld 2 entgegenwirkt (Lenz'sche Regel). Aus Fig. 1 wird verständlich, warum die hier dargestellte Spule 1 oder eine andere Ausführung in Form einer Längsspule keine Verbesserung des Kopplungsfaktors in der Nähe metallischer Oberflächen bewirkt, sondern nur eine Verstärkung der Homogenität des Magnetfeldes 201 und der daraus resultierenden Reichweite des Magnetfeldes hervorruft, wodurch die generierten Wirbelströme 301 noch stärker werden.In Fig. 1 The prior art is described for antennas or antenna systems in near-field systems. A coil 1 can be seen, which under the current flow in the direction of the arrow forms a magnetic field 2 which, in particular in the coil center 201, runs homogeneously, ie uniformly and rectilinearly. A substantial curvature of the magnetic field 2 along the magnetic field lines 201 takes place only at a greater distance from the coil 1. When the magnetic field penetrates into a metallic body 3 through a dielectric or permeable gap 4, the magnetic field 2 penetrates deeply into the gap, curves most strongly at the point 202, but can not again pass through the gap due to the overall small curvature of the magnetic field Escape, but meets the metallic surface 3 and generates there eddy currents 301, which generate a magnetic field, which counteracts the magnetic field 2 (Lenz's rule). Out Fig. 1 it becomes understandable why the one presented here Coil 1 or another embodiment in the form of a longitudinal coil causes no improvement in the coupling factor in the vicinity of metallic surfaces, but only an increase in the homogeneity of the magnetic field 201 and the resulting range of the magnetic field causes, whereby the generated eddy currents 301 are even stronger.

Des Weiteren ist die Hauptdetektionsrichtung HDR gekennzeichnet. Bei einer Spule 1 oder einer Längsspule ist die Hauptdetektionsrichtung durch die Spulenachse definiert.Furthermore, the main detection direction HDR is indicated. In a coil 1 or a longitudinal coil, the main detection direction is defined by the coil axis.

Mit Hilfe des Ausführungsbeispiels in Fig. 2 soll anhand einer einfachen Antennengeometrie demonstriert werden, wie die schematische erfindungsgemäße Antennengeometrie eine Verbesserung des Kopplungsfaktors zwischen einem Nahfeld-Reader und einem, auf einer Metalloberfläche oder in einem dielektrischen oder permeablen Spalt angebrachten, Nahfeld-Transponder bewirkt. Zu sehen ist die erste Windung 11 und die zweite Windung 12 (in diesem Falle als Antenne eines Nahfeld-Readers oder aktiven Nahfeld-Transponders dargestellt), welche gegeneinander gepolt sind, was durch die, in den Windungen 11 und 12 eingezeichneten, Pfeile dargestellt ist. Unter Stromfluss bilden die Windungen ein Magnetfeld 2 aus, welches eine ringförmige Form aufweist und sowohl die erste Windung 11 und die zweite Windung 12 durchsetzt. Dabei ist zu beachten, dass aufgrund des starken Gradienten und der starken Krümmung des Magnetfeldes 2, ein inhomogenes Magnetfeld ausgebildet wird. Dies ist durch die zwei eingezeichneten exemplarischen Magnetfeldlinien 211 und 212 angedeutet: Die Magnetfeldlinie 211 durchstößt die Windungen 11 und 12 nahezu mittig und weist eine Stärke auf, welche größer ist als die Stärke der Magnetfeldlinie 212 in den Windungsebenen. Hierbei durchstößt die Magnetfeldlinie 212 auch die erste Windung 11 und zweite Windung 12, allerdings liegen die Durchstoßungspunkte durch die Windungsebenen der ersten und zweiten Windung 11 und 12 nicht mittig, sondern näher am Windungsrand A,A'.With the help of the embodiment in Fig. 2 shall be demonstrated on the basis of a simple antenna geometry, as the schematic antenna geometry according to the invention causes an improvement of the coupling factor between a near field reader and a mounted on a metal surface or in a dielectric or permeable gap near field transponder. The first turn 11 and the second turn 12 (shown in this case as the antenna of a near-field reader or active near-field transponder) poled against each other are shown by the arrows drawn in the turns 11 and 12 , Under current flow, the windings form a magnetic field 2 which has an annular shape and passes through both the first turn 11 and the second turn 12. It should be noted that due to the strong gradient and the strong curvature of the magnetic field 2, an inhomogeneous magnetic field is formed. This is indicated by the two illustrated example magnetic field lines 211 and 212: The magnetic field line 211 pierces the turns 11 and 12 almost centrally and has a thickness which is greater than that Strength of the magnetic field line 212 in the winding planes. Here, the magnetic field line 212 also pierces the first turn 11 and second turn 12, but the piercing points are not centered by the turn planes of the first and second turns 11 and 12, but closer to the turn edge A, A '.

In Fig. 2 sind die Windungen 11 und 12, jeweils für sich betrachtet, in einer Ebene ausgeführt, d.h. die effektiven Windungsebenen der Windungen 11 und 12 umfassen die Windungen jeweils komplett. Die Windungsachsen der Windungen 11 und 12 liegen in Fig. 2 in derselben Ebene, wobei die Ebene der Windungsachsen senkrecht zur effektiven Windungsebene der Windungen 11 und 12 steht. In Fig. 2 ist die Ebene der Windungsachsen die Blattebene.In Fig. 2 are the turns 11 and 12, each considered in a plane, that is, the effective winding planes of the turns 11 and 12 include the turns completely. The winding axes of the turns 11 and 12 lie in Fig. 2 in the same plane, wherein the plane of the winding axes is perpendicular to the effective winding plane of the turns 11 and 12. In Fig. 2 the plane of the winding axes is the leaf level.

Die Hauptdetektionsrichtung HDR ist in Fig. 2 eingezeichnet. Allerdings ist die Hauptdetektionsrichtung bei der dargestellten Ausführungsform der Antenne in Fig. 2 nicht eindeutig definiert. Die Hauptdetektionsrichtung liegt entweder in der eingezeichneten Richtung oder in der dazu entgegengesetzten Richtung. Verallgemeinert kann man sagen, dass die Hauptdetektionsrichtung bei jeder rotationssymmetrischen Anordnung der Windungen nicht eindeutig festgelegt ist. Das bedeutet im Falle von 2 Windungen eine Rotationssymmetrie von 180°, im Falle von 3 Windungen eine Rotationssymmetrie von 120°, usw. In Antennengeometrien ohne Rotationssymmetrie kann die Hauptdetektionsrichtung eindeutig festgelegt werden. Die Hauptdetektionsrichtung liegt hierbei auf der Winkelhalbierenden zwischen der ersten Windung 11 und der zweiten Windung 12.The main detection direction HDR is in Fig. 2 located. However, in the illustrated embodiment, the main detection direction is the antenna in FIG Fig. 2 not clearly defined. The main detection direction is either in the direction shown or in the opposite direction. In general, one can say that the main detection direction is not clearly defined for each rotationally symmetric arrangement of the windings. This means in the case of 2 turns a rotational symmetry of 180 °, in the case of 3 turns a rotational symmetry of 120 °, etc. In antenna geometries without rotational symmetry, the main detection direction can be clearly defined. The main detection direction is on the bisector between the first turn 11 and the second turn 12.

Im folgenden soll darauf eingegangen werden wie es die Antennengeometrie der Windungen 11 und 12 erlaubt einfache Gesetzmäßigkeiten der Physik zur Hilfe zu nehmen, um einen besseren Kopplungsfaktor zwischen einem Nahfeld-Reader und Nahfeld-Transponder, wobei sich der Nahfeld-Transponder auf einer Metalloberfläche 3 oder in einem dielektrischen oder permeablen Spalt 4 befindet, zu erzeugen. Aufgrund der starken Krümmung der Magnetfeldlinien 211 und 212 können diese sowohl in den Spalt eindringen als auch wieder austreten, so dass das Integral des Magnetfeldes über die Spaltfläche gleich null ist. Das bedeutet, dass es energetisch oftmals günstiger ist, durch eine geringe Anpassung der Krümmung der Magnetfeldlinie den Spalt wieder zu verlassen, als durch eine weitere Aufkrümmung des Magnetfeldes eine Magnetfeldlinie zu haben, welche senkrecht auf der metallischen Oberfläche steht und daher Wirbelströme hervorruft. Selbst wenn einige der Magnetfeldlinien, in diesem beispielhaften Falle die Magnetfeldlinie 212, aufgebogen werden und senkrecht auf der Metalloberfläche stehen, so ist es immer noch möglich das die Magnetfeldlinie 211 in den Spalt eindringt, da der Radius der Magnetfeldlinie 211 kleiner als der der Magnetfeldlinie 212 ist. Dies ist also nur aufgrund der starken Inhomogenität des ringförmigen Magnetfeldes möglich. Hierbei sei noch darauf hingewiesen, dass ringförmig keineswegs eine Beschränkung auf ein kreisrundes Magnetfeld bedeuten muss, sondern auch ellipsenförmige Magnetfeldlinien einschließt.The following will be discussed as it the antenna geometry of turns 11 and 12 allows simple laws of physics to be used to provide a better coupling factor between a near field reader and near field transponder with the near field transponder on a metal surface 3 or in a dielectric or permeable gap 4 , to create. Due to the strong curvature of the magnetic field lines 211 and 212, they can both penetrate into the gap and exit again, so that the integral of the magnetic field across the gap surface is equal to zero. This means that it is energetically often cheaper to leave the gap by a slight adjustment of the curvature of the magnetic field line, as to have by a further curvature of the magnetic field, a magnetic field line which is perpendicular to the metallic surface and therefore causes eddy currents. Even if some of the magnetic field lines, in this exemplary case the magnetic field line 212, are bent and perpendicular to the metal surface, it is still possible that the magnetic field line 211 penetrates into the gap, since the radius of the magnetic field line 211 is smaller than that of the magnetic field line 212 is. This is possible only because of the strong inhomogeneity of the annular magnetic field. It should be pointed out that annularly in no way has to mean a restriction to a circular magnetic field, but also includes elliptical magnetic field lines.

Aufgrund der stärkeren Krümmung kann eine Erhöhung des Kopplungsfaktors hervorgerufen werden, da bei geeignetem Abstand der Windungen 11 und 12 zueinander und geeignetem Spalt 4 die Magnetfeldlinien 211 und 212 wie oben beschrieben, eine Kopplung zwischen einem Nahfeld-Reader und einem Nahfeld-Transponder ohne Wirbelstromverluste geschaffen wird.Due to the greater curvature, an increase in the coupling factor can be caused because with a suitable distance of the windings 11 and 12 to each other and suitable gap 4, the magnetic field lines 211 and 212 as described above, a coupling between a near field reader and a near field transponder without Eddy current losses is created.

In den Fig. 3a, 3b, 3c und 3d sind verschiedene Ausführungsformen für einen Nahfeld-Reader oder Nahfeld-Transponder gegeben.In the Fig. 3a, 3b . 3c and 3d There are various embodiments for a near field reader or near field transponder.

In der Fig. 3a wird eine Antenne gezeigt, welche aus der Hauptdetektionsrichtung betrachtet achtförmig ausgebildet ist und durch die zwei Windungen 11 und 12 gebildet wird. Die beiden Windungen können entweder durch eine gemeinsame oder durch zwei getrennte Leiterbahnen realisiert werden. Wichtig hierbei ist nur, dass die Windungen 11 und 12 aus der Hauptdetektionsrichtung betracht gegeneinander gepolt sind, wie es in Fig. 3a durch die Pfeile angedeutet ist. Hierbei ist klar zu erkennen, dass die Windungen 11 und 12 jeweils kreisförmig ausgebildet sind. Des Weiteren ist auch eine polygone und insbesondere rechteckige Ausführung der Windungen möglich.In the Fig. 3a an antenna is shown, which is eight-shaped viewed from the main detection direction and is formed by the two windings 11 and 12. The two windings can be realized either by a common or by two separate tracks. Important here is only that the turns 11 and 12 from the main detection direction considered poled against each other, as in Fig. 3a indicated by the arrows. It can be clearly seen that the turns 11 and 12 are each formed circular. Furthermore, a polygonal and in particular rectangular design of the turns is possible.

In Fig. 3b wird eine vorteilhafte Weiterbildung der Anntennenform der Fig. 3a dargestellt. Hierbei sind zwei Wicklungen 110 und 120, welche aus mehreren Windungen aufgebaut sind dargestellt, wobei die erste Windung 11 und die zweite Windung 12 die innerste Windung der jeweiligen Wicklung sind und in die äu-ßerste Windung der jeweils anderen Wicklung übergehen. Es ist zu erkennen, dass die Wicklungen aus zwei S-förmigen Elementen 111 und 121 aufgebaut sind, welche über die Verbindungselemente 1100 und 1200 zu einer Achtform verbunden werden. Dabei können beispielsweise die beiden Elemente 111 und 121 auf unterschiedlichen Lagen, die beispielsweise als Folien ausgebildet sind, einer Leiterplatte befestigt werden und mit Kontaktierungen 1100 und 1200 verbunden werden, damit Strom durch die Windungen geleitet werden kann und ein ringförmiges Magnetfeld ausgebildet wird.In Fig. 3b is an advantageous development of Anntennenform the Fig. 3a shown. Here, two windings 110 and 120, which are constructed of a plurality of windings are shown, wherein the first winding 11 and the second winding 12 are the innermost turn of the respective winding and pass into the outermost turn of the other winding. It can be seen that the windings are constructed of two S-shaped elements 111 and 121, which are connected via the connecting elements 1100 and 1200 to form a figure eight. In this case, for example, the two elements 111 and 121 are mounted on different layers, which are formed, for example, as foils, a circuit board and are connected to contacts 1100 and 1200, so that current is passed through the windings can and an annular magnetic field is formed.

In der Fig. 3c ist eine andere Antennengeometrie dargestellt. Die Antenne besteht aus zwei Spiralen 110 und 120, welche aus einer einzigen Leiterbahn ausgebildet sind. Die beiden Spiralen 110 und 120 sind dabei über die Stelle 130 miteinander verbunden. Des Weiteren ist die erste Windung 11 und die zweite Windung 12 sichtbar, welche jeweils die innerste Windung der jeweiligen Spiralen 110 und 120 bilden. Bei Anschluss einer Stromquelle fliesst Strom entlang der Windung 11 entlang der Spule 110 und über die Verbindung 130 in die Spirale 120 und letztendlich in die Windung 12. Dabei werden die Spiralen 110 und 120 von den Stromträgern in entgegengesetzter Richtung durchlaufen.In the Fig. 3c another antenna geometry is shown. The antenna consists of two spirals 110 and 120, which are formed from a single conductor track. The two spirals 110 and 120 are connected to each other via the point 130. Furthermore, the first turn 11 and the second turn 12 are visible, which respectively form the innermost turn of the respective spirals 110 and 120. When a current source is connected, current flows along the winding 11 along the coil 110 and via the connection 130 into the coil 120 and finally into the winding 12. The spirals 110 and 120 are passed through by the current carriers in the opposite direction.

Die in Fig. 3c dargestellte Antennenform kann mit Hilfe einer sehr flachen Anordnung der Windungen realisiert werden. Das ringförmige Magnetfeld der Windungen 11 und 12 wird hierbei durch die zusätzlichen Windungen der Spiralen 110 und 120 verstärkt, wobei der magnetische Schwerpunkt einer jeden Spirale im angestrebten günstigen Fall innerhalb der Windungsmitten der Windungen 11 und 12 liegt. Durch die zusätzlichen Windungen der Spiralen 110 und 120 verstärkt sich der ringförmige Charakter des ausgebildeten Magnetfeldes mit zunehmender Krümmung und Inhomogenität.In the Fig. 3c illustrated antenna shape can be realized by means of a very flat arrangement of the windings. The annular magnetic field of the turns 11 and 12 is in this case amplified by the additional turns of the coils 110 and 120, wherein the magnetic center of gravity of each spiral in the desired favorable case within the winding centers of the turns 11 and 12 is located. The additional turns of the spirals 110 and 120 increase the annular character of the magnetic field formed with increasing curvature and inhomogeneity.

In Fig. 3d ist eine weitere einfache Antennengeometrie dargestellt. Hierbei ist eine zusätzlich zur ersten Windung 11 und zur zweiten Windung 12, weitere Windung 13 angebracht, welche sich symmetrisch zwischen der ersten und zweiten Windung befindet. Die drei Windungen 11,12,13 werden in den mit Pfeilen gekennzeichneten Richtungen von Strom durchflossen, derart, dass die zusätzliche Windung 13 das ringförmige Magnetfeld der ersten Windung 11 und zweiten Windung 12 verstärkt. Dies bedeutet insbesondere, dass es ringförmige Magnetfeldlinien gibt, welche alle drei Windungsebenen durchstossen.In Fig. 3d another simple antenna geometry is shown. In this case, in addition to the first turn 11 and the second turn 12, further turn 13 is mounted, which is located symmetrically between the first and second turn. The current flows through three turns 11, 12, 13 in such a way that the additional turn 13 amplifies the annular magnetic field of the first turn 11 and second turn 12. This means in particular that there are annular magnetic field lines which pierce all three winding levels.

In Fig. 4a wird eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Antennengeometrie dargestellt. Die Antenne bzw. Spule 200 ist in Form eines nicht-geschlossenen Toroids ausgebildet, wobei die erste Windung 11 den Anfang und die zweite Windung 12 das Ende der nicht-geschlossenen Toroid-Spule bildet. Geschlossene Toroid-Spulen bilden in ihrem Inneren ein Magnetfeld, welches im Außenbereich der Spule nahezu null ist, da die Magnetfeldlinien nicht aus der Spule entweichen können. Sie werden insbesondere in solchen Fällen eingesetzt, in welchen zwar ein Magnetfeld erzeugt werden soll, dieses jedoch von seiner Umwelt stark abgeschirmt ist.In Fig. 4a a further advantageous embodiment of the antenna geometry is shown. The antenna or coil 200 is in the form of a non-closed toroid, wherein the first winding 11 forms the start and the second winding 12 forms the end of the non-closed toroidal coil. Closed toroidal coils form in their interior a magnetic field, which is almost zero in the outer region of the coil, since the magnetic field lines can not escape from the coil. They are used in particular in those cases in which, although a magnetic field is to be generated, but this is strongly shielded from its environment.

Eine nicht-geschlossene Toroid-Spule bildet im Außenraum ein stark gekrümmtes Feld aus, welches aus der ersten oder zweiten Windung austritt und, um die Magnetfeldlinien wieder zu schliessen, am anderen Ende der Spule wieder eintritt. Das Magnetfeld im Außenraum ist stark inhomogen und gekrümmt und ist daher als Antennenstruktur gemäß der eingangs formulierten Aufgabe der Erfindung eines Nahfeld-Readers oder Nahfeld-Transponders geeignet. Insbesondere durch die Verwendung einer zweiten nicht-geschlossenen Toroid-Spule auf der entgegengesetzten Nahfeld-Transponderseite oder Nahfeld-Readerseite kann eine geschlossene Toroid-Spule mit einem Spalt erzeugt werden.A non-closed toroidal coil forms in the outer space of a highly curved field, which emerges from the first or second turn and, to close the magnetic field lines, re-enters the other end of the coil. The magnetic field in the outer space is highly inhomogeneous and curved and is therefore suitable as an antenna structure according to the initially formulated object of the invention of a near field reader or near field transponder. In particular, by using a second non-closed toroidal coil on the opposite near-field transponder side or near-field reader side, a closed toroidal coil can be produced with a gap.

Abhängig von der Anwendung der Spule können verschiedene Öffnungswinkel des nicht-geschlossenen Sektors der Toroid-Spule verwendet werden. Die Öffnungswinkel können zwischen 90° bis 270° betragen, vorteilhafter Weise wird jedoch ein Öffnungswinkel von 170° bis 190° angestrebt, d.h. ein Halbtoroid.Depending on the application of the coil, different opening angles of the non-closed sector of the toroidal coil can be used. The opening angle may be between 90 ° to 270 °, but advantageously an opening angle of 170 ° to 190 ° is desired, i. a half-toroid.

Die halbtoroidförmige Antennenstruktur wird insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt, wenn sowohl der Nahfeld-Reader als auch der auf einer Metalloberfläche oder in einem durch einen dielektrischen oder permeablen Spalt geschlossenen Metallkörper oder in einem dielektrischen oder permeablen Spalt einer Metalloberfläche aufgebrachten Nahfeld-Transponder eine solche Antennenstruktur aufweisen. Dies erhöht den Kopplungsfaktor in hohem Maße.The half-toroidal antenna structure is advantageously used in particular when both the near field reader and the near field transponder mounted on a metal surface or in a metal body closed by a dielectric or permeable gap or in a dielectric or permeable gap of a metal surface have such an antenna structure. This greatly increases the coupling factor.

In Fig. 4b wird eine Anordnung einer Toroid-Spule 200 und einer einfachen Spule 21 gezeigt. Um einen magnetischen Fluß durch die Spule 21 zu erhalten, müssen die Magnetfeldlinien 2 der Toroid-Spule 200 die Windungsfläche 22 der Spule 21 durchsetzen. Der maximale magnetische Fluß ergibt sich, wenn das Magnetfeld 2 die Windungsfläche 22 senkrecht durchsetzt. Durch die Verwendung einer Toroid-Spule statt der einfachen Spule 21, deren sämtliche Windungen aufgrund der geometrischen Form bei geeigneter Ausrichtung immer senkrecht zum Magnetfeld stehen, lässt sich aufgrund der höheren Windungszahl eine größere Spannung in der Spule induzieren.In Fig. 4b An arrangement of a toroidal coil 200 and a simple coil 21 is shown. In order to obtain a magnetic flux through the coil 21, the magnetic field lines 2 of the toroidal coil 200 must pass through the winding surface 22 of the coil 21. The maximum magnetic flux results when the magnetic field 2 passes through the winding surface 22 vertically. By using a toroidal coil instead of the simple coil 21, whose all turns are always perpendicular to the magnetic field due to the geometric shape with suitable orientation, can be due to the higher number of turns induce a larger voltage in the coil.

Auch für die anderen in den Ansprüchen beschriebenen Antennengeometrien für Nahfeldsysteme ist es vorteilhaft, wenn sie sowohl im Nahfeld-Reader als auch im Nahfeld-Transponder eingesetzt werden.It is also advantageous for the other antenna geometries for near field systems described in the claims if they are used both in the near field reader and in the near field transponder.

In den Fig. 5 wird auf die Funktionsweise einer Antenne eingegangen, welche in einem Metallkörper, welcher über einen Spalt 4 zugänglich ist, angeordnet ist. In Fign. 5 erzeugt eine nicht dargestellte Antenne, vorzugsweise eine erfindungsgemäße Antenne, ein Magnetfeld 2. Die Richtung des Magnetfeldes 2 in die Zeichenebene ist gemäß Lehrbuchkonvention durch einen Kreis mit einem Punkt markiert, die Richtung aus der Zeichenebene heraus durch einen Kreis mit Kreuz markiert. Die abgebildete Antenne in den Fign. 5 zeigt eine Wechselwirkung mit der nichtdargestellten Antenne über das Magnetfeld 2 auf.In the Fig. 5 is dealt with the operation of an antenna, which in a metal body, which is accessible via a gap 4, is arranged. In FIGS. 5 generates an antenna, not shown, preferably an antenna according to the invention, a magnetic field 2. The direction of the magnetic field 2 in the drawing plane is marked according to textbook convention by a circle with a point, the direction of the drawing plane out by a circle marked with a cross. The pictured antenna in the FIGS. 5 shows an interaction with the unillustrated antenna via the magnetic field 2.

In Fig. 5a ist die Spule 21 vom durch den Spalt 4 ragenden Magnetfeld 2 zweimal durchsetzt. Da die Polarisation jedoch in unterschiedliche Richtungen zeigt, ist der magnetische Fluß durch die Spule gleich Null und es wird keine Spannung in der Spule 21 induziert.In Fig. 5a the coil 21 is penetrated twice by the magnetic field 2 projecting through the gap 4. However, since the polarization is pointing in different directions, the magnetic flux through the coil is zero and no voltage is induced in the coil 21.

In Fig. 5b ist die Spule 21 vom durch den Spalt 4 ragenden Magnetfeld 2 nur einmal durchsetzt. Dadurch wird in der Spule 21 eine Spannung induziert. Dabei ist die induzierte Spannung maximal, wenn das Magnetfeld 2 die Spule 21 senkrecht durchsetzt.In Fig. 5b is the coil 21 penetrated by the gap 4 projecting magnetic field 2 only once. As a result, a voltage is induced in the coil 21. In this case, the induced voltage is maximum when the magnetic field 2 passes through the coil 21 perpendicular.

In Fig. 5c wird eine erfindungsgemäße Antenne mit zwei Windungen 11 und 12 eingesetzt. Beide Windungen werden vom durch den Spalt 4 ragenden Magnetfeld 2 mit jeweils unterschiedlicher magnetischer Polarisation durchsetzt und es wird, im Vergleich zur Darstellung in Fig. 5b, eine höhere Spannung induziert, was mit einem besseren Koppelfaktor gleichzusetzen ist. Eine erfindungsgemäße Antenne kann diese Aufgabe effizienter erfüllen als gewöhnliche Spulenantennen. Dies liegt unter anderem daran, dass das Magnetfeld einer Nahfeld-Readerantenne in der Nahfeld-Transponderantenne geschlossen wird. Die starke Krümmung lässt sich am besten durch eine Kombination zweier erfindungsgemäßer Antennen realisieren.In Fig. 5c an antenna according to the invention with two turns 11 and 12 is used. Both windings are interspersed by protruding through the gap 4 magnetic field 2, each with different magnetic polarization and it is compared to the representation in Fig. 5b , induces a higher voltage, which is equivalent to a better coupling factor. An antenna according to the invention can perform this task more efficiently than ordinary coil antennas. This is partly because the magnetic field a near field reader antenna in the near field transponder antenna is closed. The strong curvature can best be realized by a combination of two antennas according to the invention.

In den Fig. 6 a bis c werden verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems schematisch dargestellt. Die Fig. 6a zeigt einen Querschnitt durch einen Metallgegenstand 30, welcher eine metallische Oberfläche 3,3' besitzt, wobei die Oberfläche die Elemente 4,4' aufweist. Der Spalt 4 ist durchgängig, d.h. er verbindet die aussenliegende metallische Oberfläche 3,3' mit dem im Inneren des Metallgegenstands 30 befindlichen Volumen 31. In dem Volumen 31 befindet sich ein nicht näher bestimmter Inhalt 32 des Metallgegenstands 30. Der Metallgegenstand 30 kann beispielsweise eine geschlossene Metallkiste mit oder ohne einem Deckel sein. Auch ein Gegenstand, welcher lediglich eine metallische Umhüllung aufweist könnte anstelle des Metallgegenstands 30 verwendet werden.In the Fig. 6 a to c Various embodiments of the system according to the invention are shown schematically. The Fig. 6a shows a cross section through a metal article 30, which has a metallic surface 3,3 ', wherein the surface has the elements 4,4'. The gap 4 is continuous, ie it connects the outer metallic surface 3,3 'with the volume 31 located in the interior of the metal object 30. In the volume 31 there is an unspecified content 32 of the metal object 30. The metal object 30 can, for example, a be closed metal box with or without a lid. Also, an article having only a metallic cladding could be used instead of the metal article 30.

Die Vertiefung 4' stellt keine direkte Verbindung zwischen dem Volumen 31 und der Oberfläche 3' her, sondern ist lediglich eine Aussparung in der metallischen Oberfläche 3'. Außerhalb des Metallgegenstands 30 befindet sich ein Nahfeld-Reader 40, mit einer Antenne in Form einer achtförmigen Wicklungsschleife.The depression 4 'does not establish a direct connection between the volume 31 and the surface 3', but is merely a recess in the metallic surface 3 '. Outside of the metal object 30 is a near-field reader 40, with an antenna in the form of an eight-shaped winding loop.

Zur Illustration der verschiedenen Ausführungsformen des Systems sind mehrere Nahfeld-Transponder eingezeichnet. Die Nahfeld-Transponder weisen dabei jeweils mindestens eine Antenne auf, welche auf dem Träger des jeweiligen Nahfeld-Transponders angeordnet ist und sich auf oder im Metallgegenstand 30 befinden.To illustrate the various embodiments of the system, several near field transponders are shown. The near-field transponders each have at least one antenna which is arranged on the carrier of the respective near-field transponder and is located on or in the metal object 30.

Der Nahfeld-Transponder 50 ist in der Vertiefung 4' angeordnet. Die dem Nahfeld-Transponder zugeordnete Antenne 500 ist ebenfalls in der Vertiefung 4' angeordnet. Der Nahfeld-Transponder 51 ist auf dem Inhalt 32 im Volumen 31 des Metallgegenstands 30 angeordnet. Aufgrund der abschirmenden Wirkung des Metalls des Metallgegenstands 30 ist eine Verbindung zwischen dem Nahfeld-Reader 40 und dem Nahfeld-Transponder 51, welcher eine Antenne 501 umfasst, lediglich durch den Spalt 4 herstellbar. Der Nahfeld-Transponder 52 ist direkt auf der metallischen Oberfläche 3 aufgebracht. Die Antenne 502 befindet sich auf einem Träger des Nahfeld-Transponders 52, welcher die metallische Oberfläche 3 kontaktiert. Durch den Träger des Nahfeld-Transponders 52 befindet sich zwischen der Antenne 502 und der metallischen Oberfläche ein geringer Spalt.The near-field transponder 50 is arranged in the depression 4 '. The antenna 500 associated with the near-field transponder is likewise arranged in the depression 4 '. The near-field transponder 51 is arranged on the content 32 in the volume 31 of the metal object 30. Due to the shielding effect of the metal of the metal object 30, a connection between the near-field reader 40 and the near-field transponder 51, which comprises an antenna 501, can be produced only through the gap 4. The near-field transponder 52 is applied directly to the metallic surface 3. The antenna 502 is located on a carrier of the near-field transponder 52, which contacts the metallic surface 3. The carrier of the near field transponder 52 has a small gap between the antenna 502 and the metallic surface.

Die Antenne 500 weist die in den Fign. 4a, 4b gezeigte halbtoroidiale Antennengeometrie auf, wobei diese so angeordnet ist, dass das Magnetfeld 2 der Fig. 4a sich außerhalb des Metallgegenstands 30 erstreckt. Die Antennen 501,502 weisen jeweils zwei Wicklungen auf, welche achtförmig -wie in den Fig. 2,3a,3b,5c schematisch dargestellt- ausgebildet sind.The antenna 500 has the in the FIGS. 4a, 4b shown half-toroidal antenna geometry, wherein this is arranged so that the magnetic field 2 of the Fig. 4a extends outside of the metal article 30. The antennas 501, 502 each have two windings, which are eight-shaped - as in the Fig. 2 . 3a . 3b . 5c are shown schematically.

In der Fig. 6b ist eine Verbindung zwischen dem Nahfeld-Reader 40 und dem Nahfeld-Transponder 50 illustriert. Das Magnetfeld 2 wird durch die eingezeichnete Magnetfeldlinie 213 angedeutet. Die Magnetfeldlinie wird in der Antenne 501 und der Antenne 400 stark gekrümmt, und kann aufgrund der starken Krümmung durch den Spalt 4 hindurchtreten. Im Gegensatz zu einfachen Antennen, welche lediglich eine Leiterschleife aufweisen und somit ein sehr homogenes Magnetfeld ausbilden, ist die Dichte des magnetischen Flusses -hier durch die Magnetfeldlinie 213 illustriert - innerhalb des Spaltes 4 stark erhöht, was sich in einem höheren Kopplungsfaktor zwischen dem Nahfeld-Reader 40 und dem Nahfeld-Transponder 50 niederschlägt.In the Fig. 6b a connection between the near field reader 40 and the near field transponder 50 is illustrated. The magnetic field 2 is indicated by the drawn magnetic field line 213. The magnetic field line is strongly curved in the antenna 501 and the antenna 400, and can pass through the gap 4 due to the large curvature. In contrast to simple antennas, which have only one conductor loop and thus form a very homogeneous magnetic field, For example, if the density of the magnetic flux -here illustrated by the magnetic field line 213-is greatly increased within the gap 4, this translates into a higher coupling factor between the near field reader 40 and the near field transponder 50.

In der Fig. 6c ist eine weitere Verbindung gezeigt. Der Nahfeld-Reader 41 ist mit dem Nahfeld-Transponder 50 über das Magnetfeld 2, illustriert durch die Magnetfeldlinie 214, verbunden. Die Antenne des Nahfeld-Readers 41 ist eine einfache Wicklungsschleife, wie sie beispielsweise in den Fign. 1, 5a, 5b dargestellt ist. Aufgrund der halbtoroidialen Ausführung der Antenne 500 des Nahfeld-Transponders 50 wird der magnetische Fluss in dem Torus geführt, so dass die aufgrund von Wirbelströmen auftretenden Verluste minimiert werden.In the Fig. 6c another connection is shown. The near field reader 41 is connected to the near field transponder 50 via the magnetic field 2, illustrated by the magnetic field line 214. The antenna of the near-field reader 41 is a simple winding loop, as for example in the FIGS. 1 . 5a, 5b is shown. Due to the semi-toroidal design of the antenna 500 of the near-field transponder 50, the magnetic flux is guided in the torus, so that the losses due to eddy currents are minimized.

Claims

Antenna for use in a system comprising a near field reader and / or a near field transponder, and the near field reader and / or the near field transponder on a metallic surface or in a metallic cladding having a dielectric or permeable gap, is disposed, and the antenna has a main detection direction and at least two turns, wherein a first and a second winding viewed from the main detection direction juxtaposed and poled against each other, such that the magnetic fields of the first and second winding at least partially form a common annular magnetic field ,

An antenna according to claim 1, characterized in that between the first and second winding at least one further turn is arranged and this forms a current flowing through the windings, a magnetic field which amplifies the annular magnetic field of the first and second windings.

Antenna according to one of claims 1 or 2, characterized in that the windings are arranged in the form of a non-closed toroidal coil, wherein the first winding corresponds to the beginning and the second winding to the end of the toroidal coil.

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the turns are formed from metallic interconnects.

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second winding are arranged on a carrier, wherein the carrier is preferably a printed circuit board.

Near field reader or near field transponder, which has an antenna for data exchange, characterized in that the antenna corresponds to one of claims 1-5.

Use of an antenna according to any one of claims 1-5 in the data exchange between a near field reader and a near field transponder.

System comprising a near-field reader and a near-field transponder each having an antenna and an object, wherein the object has a metallic surface and / or a metallic cladding and at least one antenna according to one of claims 1 to 5 is formed.

System according to claim 8, characterized in that the near field transponder comprises the at least one antenna according to one of claims 1 to 5.

Use of a system according to claim 9 for identifying the item or content of the item from information contained on the near field transponder.