ES2227310T3 - Unidad de transpondedor, unidad de transporte y tarjeta. - Google Patents

Abstract

Unidad de transpondedor que presenta un transpondedor (1) con una bobina de antena (3) con una inductancia LA y una resistencia RA, y con un condensador (4) de capacitancia CA conectado en paralelo con la bobina de antena, presentando dicha unidad de transpondedor un anillo de acoplamiento cerrado (5) con una bobina secundaria (7) que presenta una inductancia LS y que está acoplada por inducción a la bobina de antena (3), y con una bobina primaria de diámetro superior (6) que presenta una inductancia LP y que está conectada en serie y acoplada mediante inductancia mutua MPS con la bobina secundaria (7), caracterizada porque la inductancia mutua MSA que permite el acoplamiento de la bobina secundaria (7) con la bobina de antena (3) cumple la relación MSA = v[(RA/ù) (LP+LSñ2 MPS) ], en la que ù corresponde a la frecuencia de recepción del transpondedor (1) y ù2 ¿ 1 (LACA), y en la que ñ representa + si el sentido de enrollamiento de la bobina secundaria (7) coincide con el de la bobina primaria (6), y representa ¿ en caso contrario.

Description

Unidad de transpondedor, unidad de transporte y tarjeta.

Campo técnico

La presente invención se refiere a una unidad de transpondedor según la cláusula precaracterizadora de la reivindicación 1. Dichas unidades de transpondedor se utilizan para la identificación, en particular de objetos de diferentes tipos. Además, la presente invención se refiere a una unidad de transporte para el transporte de mercancías, que contiene una unidad de transpondedor y una tarjeta que, a su vez, contiene una unidad de transpondedor.

Técnica anterior

Las unidades de transpondedor, cada una de las cuales contiene un transpondedor con un circuito integrado y una antena de lazo integrados, por ejemplo, en una tarjeta, se conocen desde hace mucho tiempo (véase, por ejemplo, el documento US-A-5 800 763). Se utiliza una bobina de antena no sólo para la transmisión de señales mediante el transpondedor, sino también para proporcionar alimentación al circuito integrado cuando el transpondedor es leído por medio de un lector, ya que el componente magnético del campo electromagnético alterno que se origina a partir del lector induce una corriente alterna en la bobina de antena, y esta corriente alterna se rectifica y utiliza, por ejemplo, para cargar un condensador. Para asegurar que se transfiera suficiente energía aun cuando la distancia de lectura sea grande y la intensidad de campo sea proporcionalmente baja, la zona rodeada por la bobina de antena deberá ser lo más grande posible y su resistencia eléctrica deberá ser lo más pequeña posible. Un número relativamente elevado de espiras también constituye una ventaja fundamental para la transferencia de energía.

Es difícil cumplir estos requisitos. En particular, es difícil fabricar grandes bobinas con un número relativamente elevado de espiras y éstas no pueden fabricarse con máquinas convencionales, y los correspondientes transpondedores son grandes y voluminosos, resultando su empaquetamiento o incluso su encapsulación compleja y cara. Además, el número de espiras suele venir restringido o dictado en gran medida por otros requisitos.

Este tipo genérico de unidad de transpondedor se ha propuesto en el documento EP-B-0 657 836, en particular para la identificación de neumáticos de automóviles, proporcionándose en ésta un anillo de acoplamiento para reducir la dependencia de la transmisión de datos a la posición precisa del lector, una bobina primaria relativamente grande que sigue la circunferencia del neumático y una bobina secundaria acoplada débilmente por inducción a la bobina de la antena. Cuando se leen datos del transpondedor, el lector se acopla por inducción de forma directa y particular con la bobina primaria, mientras que la bobina secundaria aporta el otro acoplamiento con la bobina de la antena del transpondedor. Puesto que, si la distancia entre el lector y la bobina primaria no es demasiado grande, el acoplamiento del lector con la bobina primaria y, por lo tanto, con el transpondedor es suficiente para permitir la lectura, la zona espacial a través de la cual puede variar la posición relativa del lector es considerablemente mayor a la del caso de las unidades de transpondedor conocidas sin anillo de acoplamiento, debido a la mayor magnitud de la bobina primaria.

No obstante, puesto que la bobina secundaria sólo está acoplada débilmente a la bobina de la antena del transpondedor, la transmisión de energía del lector al transpondedor no es óptima en su conjunto y la única forma de asegurar que se transfiera una cantidad de energía adecuada a este último es utilizar intensidades de campo relativamente grandes, es decir, colocar el lector a corta distancia de la bobina primaria.

Descripción de la invención

La presente invención se basa en el objetivo de especificar una unidad de este tipo genérico de transpondedor, en la que se asegure una transferencia de energía adecuada al transpondedor, incluso con bajas intensidades de campo. Este objetivo se consigue mediante las características de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

En la unidad de transpondedor según la presente invención, la bobina secundaria del anillo de acoplamiento se acopla de forma estrecha y concreta con la bobina de la antena, de tal forma que el transpondedor recibe una cantidad relativamente grande de energía, incluso cuando las intensidades de campo son bajas, y proporciona un funcionamiento fiable, incluso a una gran distancia de lectura. Por el contrario, el propio acoplamiento de gran eficacia indica que las señales que se transmiten desde el transpondedor presentan una intensidad de campo suficiente como para obtener una respuesta fiable del lector a través de una zona espacial más amplia. Por lo tanto, no es necesario supervisar las posiciones relativas del transpondedor y el lector con el mismo grado de precisión.

Esto es importante, por ejemplo, en el caso de unidades de transporte según la presente invención con una unidad de transpondedor integrado según la presente invención, en las que el transpondedor también puede ser leído en puntos situados a una distancia relativamente grande del lector. No obstante, la unidad de transpondedor según la presente invención puede utilizarse de forma ventajosa en tarjetas, por ejemplo, en el formato de una tarjeta de crédito. El tamaño de la antena de lazo puede mantenerse relativamente reducido, facilitando así su fabricación o permite incluso su integración en el circuito integrado, y el transpondedor prefabricado es compacto y puede encapsularse con facilidad si se proporciona un anillo de acoplamiento, que puede estar integrado en la tarjeta, para mejorar considerablemente la transferencia de energía y la emisión de la señal, aumentando de ese modo la distancia de lectura máxima admitida.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, la presente invención será descrita en mayor detalle en relación con las Figuras, que ilustran sólo ejemplos de realizaciones y en las que:

la Figura 1 muestra esquemáticamente una unidad de transpondedor según la presente invención con un lector,

la Figura 2 muestra una vista en planta de una unidad de transporte según la presente invención y

la Figura 3 muestra una vista en planta de una tarjeta según la presente invención.

Formas de implementar la invención

La unidad de transpondedor presenta (Figura 1) un tipo conocido de transpondedor 1 con un circuito integrado 2 que presenta una resistencia interna R_{T} y una bobina de antena 3, cuyos extremos están conectados a unas conexiones del circuito integrado 2, a las que están conectados un rectificador y un condensador que se utiliza como almacén de energía. La bobina de la antena 3 presenta una inductancia L_{A} y una resistencia R_{A}. También se conecta un condensador 4 con una capacitancia C_{A} entre las conexiones del circuito integrado 2. Además, el circuito integrado 2 contiene una memoria digital no volátil para datos digitales, que se utiliza para determinar el asunto relacionado con éstos, así como un dispositivo de transmisión que también está conectado a las conexiones y por medio del cual es posible codificar y transmitir los datos. Por lo general, el transpondedor 1 está encapsulado (por ejemplo, en un envoltorio de plástico adecuado o en una tarjeta ISO).

El anillo de acoplamiento 5, que presenta aislamiento conductor respecto del transpondedor, contiene una bobina primaria 6 y una bobina secundaria 7 conectadas en serie, formando conjuntamente una disposición de bucle cerrado de conducción. Como se describirá en mayor detalle a continuación, en muchos casos resulta beneficioso que cada bobina presente sólo bajas inductancias propias, y también es deseable que el anillo de acoplamiento 5 presente una baja resistencia. Si no existen otros criterios de diseño que impongan requisitos diferentes, entonces resulta ventajoso que cada una de las bobinas contenga sólo una espira, en gran parte porque esto simplifica sumamente la fabricación. En general, esto es posible en el caso de la bobina primaria, mientras que en el de la bobina secundaria a menudo es necesario que estén presentes dos o más espiras para obtener un acoplamiento adecuado con la bobina de la antena del transpondedor 1.

La bobina secundaria 7 se enrolla preferentemente en sentido contrario a la bobina primaria 6. Asimismo, la bobina secundaria 7 puede disponerse de forma ventajosa en relación con la bobina primaria 6, de tal forma que el acoplamiento inductivo mutuo se aproxime a cero. Por ejemplo, es posible disponer ambas bobinas esencialmente en un plano, de tal forma que la zona rodeada por la bobina secundaria 7 se solape en parte con la zona rodeada por la bobina primaria 6 y forme en parte el complemento de esta zona, es decir, de la zona situada fuera de la bobina primaria 6.

La bobina primaria 6 puede presentar un diámetro relativamente grande (por ejemplo, de 300 mm o más), mientras que la bobina secundaria 7 presenta preferentemente un diámetro que se corresponde de modo aproximado al de la antena de lazo 3 (por ejemplo, alrededor de 50 mm). Las dimensiones y formas precisas de las bobinas no son cruciales, pero la bobina primaria 6 deberá ser considerablemente más grande que la bobina secundaria 7, mientras que su forma y sus dimensiones deberán corresponderse de modo aproximado a las de la bobina de la antena 3, en cuya proximidad inmediata también se halla instalada. En sentido estricto, deberá conseguirse que la inductancia mutua entre la bobina secundaria 7 y la bobina de la antena 3 alcance una magnitud que viene dictada por una relación que se describirá y comentará más adelante, en beneficio de una transferencia de energía óptima hasta el transpondedor 1.

Asimismo, el lector 8 presenta una bobina de antena 9 que está conectada a las conexiones de un circuito 10. Este circuito contiene un generador, que proporciona una tensión CA V_{R} a una frecuencia \omega que por lo general se halla en la banda de los MHz y se corresponde con la frecuencia de recepción del transpondedor 1, así como un receptor, que recibe y decodifica las señales que se originan en el transpondedor y que son recibidas por la bobina de la antena 8. La tensión CA V_{R} ocasiona una correspondiente corriente alterna I_{R} en la bobina de la antena 9.

Las tensiones y corrientes de los diversos bucles la bobina de la antena del lector, la bobina primaria y la bobina secundaria del anillo de acoplamiento, así como el circuito de la antena del transpondedor- se describen a continuación por medio de las siguientes ecuaciones:

(1a)j\omega L_{R}I_{R}-j\omega (M_{RP}\pm M_{RS})I_{C}-j\omega M_{RA}I_{A} = V_{R}

(1b)-j\omega (M_{RP}\pm M_{RS})I_{R} + j\omega (L_{P}+L_{S}\pm 2M_{PS})I_{C}- j\omega (M_{PA}\pm M_{SA})I_{A} = 0

(1c)-j\omega M_{RA}I_{R}-j\omega (M_{PA}\pm M_{SA})I_{C}+[R_{A}+j\omega L_{A}R_{T}/(1+j\omega C_{A}R_{T})]I_{A} = 0

En este caso, \pm representa + si el sentido de enrollamiento de la bobina secundaria 7 coincide con el de la bobina primaria 6, y representa -si el sentido de enrollamiento es el contrario. V_{R} es, como se ha indicado, la tensión de salida del lector 8, que se aplica a la bobina de antena 9 del mismo, y L_{X} representa la inductancia del bucle X, siendo X = R la bobina de antena 9 del lector 8 y X = P,S,A, la bobina primaria 6 y la bobina secundaria 7 del anillo de acoplamiento 5 y la bobina de antena 3 del transpondedor 1, denotando I_{X} del mismo modo la corriente del bucle X y cumpliéndose X = R,C,A, donde C denota el anillo de acoplamiento 5. Como se ha indicado, R_{A} es la resistencia de la bobina de antena 3 del transpondedor 1, R_{T} es la resistencia de entrada del circuito del transpondedor 2 y C_{A} es la capacitancia del condensador 4. M_{XY} denota la inductancia mutua de las respectivas bobinas X,Y = R,P,S,A. Las resistencias eléctricas del anillo de acoplamiento 5 y de la bobina de antena 9 del lector 8 se ignoran en las ecuaciones. V_{T}, la tensión que es crucial para la transferencia de energía hasta el circuito del transpondedor 2 y que se aplica a su entrada, viene proporcionada por:

(2)V_{T} = R_{T}/(1+j\omega C_{A}R_{T}) \times I_{A}

Si las inductancias mutuas relativamente pequeñas M_{RA} y M_{PA} se ignoran, entonces (1a)-(1c) se simplifica de la siguiente forma:

(3a)j\omega L_{R}I_{R}-j\omega (M_{RP}\pm M_{RS})I_{C} = V_{R}

(3b)-j\omega (M_{RP}\pm M_{RS})I_{R} + j\omega (L_{P} + L_{S}\pm 2M_{PS})I_{C} - j\omega (\pm M_{SA})I_{A} = 0

(3c)-j\omega (\pm M_{SA})I_{C} + [R_{A} + j\omega L_{A} + R_{T}/(1 + j\omega C_{A}R_{T})]I_{A} = 0

Ignorar M_{RA} por lo general no resulta crucial, puesto que el acoplamiento directo entre la bobina de antena 9 del lector 8 y la bobina de antena 3 del transpondedor 1 apenas ejerce influencia sobre la optimación de los otros parámetros, o incluso mejora ligeramente el acoplamiento global. La función de transferencia entre la bobina de antena 9 del lector 8 y la del circuito del transpondedor 2 obtenida a partir de las ecuaciones (2) y (3) adopta la siguiente forma:

|V_{T}/I_{R}| = \omega|M_{RP}\pm M_{RS}|/

\surd\{[\omega^{2}M_{SA}C_{A}- (L_{P}+L_{S}\pm 2M_{PS})/M_{SA} \times (R_{A}/R_{T}-\omega^{2}L_{A}C_{A}+1)] ^{2}

(4) + [\omega M_{SA}/R_{T} + (L_{P} + L_{S}\pm 2M_{PS})/M_{SA}\times (\omega L_{A}/R_{T} + \omega C_{A}R_{A})]^{2}\}

Se supone que la frecuencia \omega corresponde aproximadamente a la frecuencia de resonancia \omega_{r} del circuito resonante que se crea mediante la bobina de antena 3 del transpondedor 1 y el condensador 4, es decir:

(5)\omega^{2}\approx \omega_{r}{}^{2} = 1/(L_{A}C_{A})

y la resistencia de entrada R_{T} del circuito del transpondedor 2 es muy elevada. Entonces, con una buena aproximación:

(6)|V_{T}/I_{R}| = |M_{RP}\pm M_{RS}|/\{C_{A}\surd [\omega^{2}M_{SA}{}^{2} + (R_{A}/M_{SP})^{2} (L_{P}+L_{S}\pm 2M_{PS})^{2}]\}

siendo [V_{T}/I_{R}] un máximo cuando

(7)M_{SA} = \surd [(R_{A}/\omega)(L_{P}+L_{S}\pm 2M_{PS})]

La bobina secundaria 7 y la bobina de antena 3 se han diseñado (y determinado su posición mutua) de tal forma que la relación (7) se cumple de la forma más precisa posible. Las discrepancias en torno a esta relación deberán ser lo más pequeñas posible, y en ningún caso deberá [V_{T}/I_{R}] diferir en más de un factor 1/\surde del valor máximo. El acoplamiento mutuo entre la bobina primaria 6 y la bobina secundaria 7 deberá ser lo más pequeño posible y deberá satisfacer la relación M_{PS}\leq(L_{P}+L_{S})/100.

La unidad de transporte según la presente invención, que se ilustra en la Figura 2 y presenta la correspondiente unidad de transpondedor (los principios de la cual se describen en la Figura 1), es un palet Euro que es un palet de madera estándar con un panel 11 de unas dimensiones aproximadas de 0,8 m x 1,2 m y que contiene un grupo de travesaños paralelos de base en la cara inferior. El transpondedor encapsulado 1, que comprende el circuito integrado 2 con el condensador 4 y la bobina de antena 3, está integrado en una esquina del panel 11. La bobina primaria 6 del anillo de acoplamiento se crea mediante una tira de acero o aluminio que rodea el panel 11. La bobina secundaria 7, que está conectada en serie con la bobina primaria, también está integrada en el panel 11 y está acoplada a la bobina de antena 3 del transpondedor 1, cumpliéndose de ese modo la relación (7). Como se ha descrito anteriormente con mayor detalle, el transpondedor 1 puede ser leído por un lector 8 que se halla en algún lugar próximo a la bobina primaria 6, de tal forma que no es necesario situar el transpondedor 1 con precisión respecto del lector 8.

Pueden utilizarse soluciones con un parecido esencial en muchas zonas, pero en particular, en el caso de las unidades de transporte, para el transporte de mercancías de todo tipo. De esta forma, la bobina primaria puede constar de un anillo, una tira o una forma similar encapsulada en un contenedor, fijada a su cara externa o montada en su interior mediante una percha de tintorería (compuesta por completo o en parte de metal), o bien puede constar de una tira metálica que mantiene unida una bala de algún tipo de material. En este caso, la bobina primaria diseñada es preferentemente y en esencia circunferencial a la unidad de transporte, es decir, es circunferencial en la zona de su cara externa (aunque puede estar rebajada), de tal forma que sus dimensiones se utilizan para crear una zona que es lo más grande posible y que está rodeada por la bobina primaria. Esto permite utilizar unidades de transpondedor según la presente invención para reconocer botellas, cubos, contenedores, artículos de tintorería, bultos de sustancias y muchos artículos más, siendo supervisada la circunferencia de éstos de forma relativamente fácil por medio de lectores.

La tarjeta 12, ilustrada en la Figura 3, que se compone de plástico y cuyo formato y configuración corresponden a los de una tarjeta de crédito o una tarjeta de débito, presenta un transpondedor 1 encapsulado integrado que utiliza una frecuencia de recepción de 13,56 MHz. La antena de lazo 3, que está integrada en el circuito integrado 2, es aproximadamente cuadrada y presenta unas dimensiones de 2,5 mm x 2,5 mm y 60 espiras. Su inductancia es L_{A} = 6 \muH y su resistencia es R_{A}= 20 \Omega. El condensador 4, que también está integrado en el circuito integrado 2, presenta una capacitancia de C_{A} = 23 pF. El anillo de acoplamiento 5 también está integrado en la tarjeta 12. La bobina primaria 6 del anillo de acoplamiento 5 sigue aproximadamente el borde de la tarjeta y presenta un tamaño de espira de 80 mm x 50 mm, mientras que su inductancia es L_{P} = 240 nH. La bobina secundaria 7, que está enrollada en sentido contrario, está situada dentro de la bobina primaria 6 y rodea el transpondedor 1. Ésta comprende tres espiras de 4 mm x 4 mm y tiene una inductancia de L_{S} = 65 nH.

Las inductancias mutuas son M_{PS} = 0,7 nH, M_{SA} = 189 nH y M_{PA} = 3,5 nH. M_{SA} corresponde exactamente a la relación (7).

La bobina de antena del lector (no ilustrado) es circular, presenta un diámetro de 100 mm, y presenta cinco espiras. A través de ésta, circula una corriente alterna I_{R} \approx 100 mA, y la frecuencia de esta corriente alterna corresponde a la frecuencia de recepción de 13,56 MHz. La inductancia es L_{R} = 7 \muH. Las inductancias mutuas de la bobina de antena del lector y de las otras bobinas son M_{RP} = 71 nH, M_{RS} = 0,8 nH y M_{RA} = 3,5 nH. Si se utilizan las variables eléctricas mencionadas, (6) da por resultado el valor 86,2 V/A para [V_{T}/I_{R}]. Basándose en estas circunstancias, la distancia de lectura máxima admisible es de aproximadamente 50 mm.

Resulta evidente que las unidades de transpondedor según la presente invención pueden fijarse directamente a productos de todo tipo, tales como archivos, neumáticos de automóvil, etc. o pueden integrarse en éstos.

Lista de símbolos de referencia

1

Transpondedor

2

Circuito integrado

3

Bobina de antena

4

Condensador

5

Anillo de acoplamiento

6

Bobina primaria

7

Bobina secundaria

8

Lector

9

Bobina de antena

10

Circuito

11

Panel

12

Tarjeta

Claims (10)

1. Unidad de transpondedor que presenta un transpondedor (1) con una bobina de antena (3) con una inductancia L_{A} y una resistencia R_{A}, y con un condensador (4) de capacitancia C_{A} conectado en paralelo con la bobina de antena, presentando dicha unidad de transpondedor un anillo de acoplamiento cerrado (5) con una bobina secundaria (7) que presenta una inductancia L_{S} y que está acoplada por inducción a la bobina de antena (3), y con una bobina primaria de diámetro superior (6) que presenta una inductancia L_{P} y que está conectada en serie y acoplada mediante inductancia mutua M_{PS} con la bobina secundaria (7), caracterizada porque la inductancia mutua M_{SA} que permite el acoplamiento de la bobina secundaria (7) con la bobina de antena (3) cumple la relación M_{SA} = \surd[(R_{A}/\omega) (L_{P}+L_{S}\pm2 M_{PS}) ], en la que \omega corresponde a la frecuencia de recepción del transpondedor (1) y \omega^{2} \approx 1 (L_{A}C_{A}), y en la que \pm representa + si el sentido de enrollamiento de la bobina secundaria (7) coincide con el de la bobina primaria (6), y representa - en caso contrario.

2. Unidad de transpondedor según la reivindicación 1, caracterizada porque la inductancia mutua M_{PS} de la bobina primaria (6) y la bobina secundaria (7) y sus inductancias L_{P} y L_{S}, satisfacen la relación M_{PS} \leq (L_{P}+L_{S})/100.

3. Unidad de transpondedor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la bobina primaria (6) y la bobina secundaria (7) están dispuestas esencialmente en un plano y presentan sentidos de enrollamiento contrarios, y porque la zona que está rodeada por la bobina secundaria (7) se solapa en parte con la zona que está rodeada por la bobina primaria (6).

4. Unidad de transpondedor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la bobina secundaria (7) presenta un número mayor de espiras que la bobina primaria (6).

5. Unidad de transpondedor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la bobina primaria (6) tiene sólo una espira.

6. Unidad de transpondedor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el diámetro de la bobina de antena (3) es como máximo de 150 mm.

7. Unidad de transpondedor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el transpondedor (1) está encapsulado, y el anillo de acoplamiento (5) está dispuesto fuera del encapsulado.

8. Unidad de transporte que presenta una unidad de transpondedor integrada según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la bobina primaria (6) es circunferencial en la zona de la cara externa de la unidad de transporte.

9. Unidad de transporte según la reivindicación 8, caracterizada porque la unidad de transporte es un palet, un contenedor, una percha de tintorería o una bala.

10. Tarjeta con una unidad de transpondedor integrada según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el transpondedor (1) se encapsula incluyendo la bobina de antena (3), y el anillo de acoplamiento (5) se integra en la tarjeta.