JP4198819B2 - 無接点伝送システム用アンテナ共振回路装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナ共振回路を含む基地局とトランスポンダとの間でデータ及び／又はエネルギーを無接点伝送するシステムのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基地局は電磁場を介してデータ及びエネルギーをトランスポンダに送信する。最大伝送効率は、アンテナ共振回路の共振周波数が伝送周波数に同調されたときに実現される。伝送周波数は基地局内の発生器によって決められ、トランスポンダ共振回路の共振周波数もこの伝送周波数に同調される。
【０００３】
欧州特許EP 0625 832 A1号明細書には、アンテナ共振回路が接続可能なキャパシタンスを用いて自動的に固定伝送周波数に同調されるデータ及びエネルギーの無線伝送用システムが記載されている。
アンテナ共振回路の脱調は、共振回路の素子の温度誘起ドリフト現象、或いは、製造関連のばらつきに起因して発生する。その結果として、共振回路の共振周波数は、伝送周波数に正確に同調しなくなり、アンテナ電流は低下し、伝送電界強度も減少する。このような脱調は、データ及びエネルギーのトランスポンダへの正確な伝送を阻害する可能性があり、或いは、基地局とトランスポンダとの間で許容され得る距離を実質的に短縮するおそれがある。これらの機能的な制約を回避するため、小さい公差を有する構成部品が使用されるか、或いは、システムは手動で再同調される必要がある。伝送周波数の自動同調用の複雑な回路も採用される。信頼性のある伝送を保証する別の可能性は、システムの動作電力を増大することである。しかし、アンテナ駆動回路を更に強靱にする必要があり、他の選択肢と同様に、この解決法はシステムのコストを増大させる。
【０００４】
基地局のアンテナ共振回路の共振周波数が伝送周波数に正確に同調されたとき、アンテナ共振回路のインピーダンスは実際のオーム性抵抗だけにより構成されるので、最大電流に達し、最大電界強度が得られる。実現可能な最大電流は、アンテナドライバ回路及び電源によって制限される。通常、公的な規制が最大電界強度に関して課される。アンテナ共振回路は、許容範囲内のデータ及びエネルギー伝送に要求される電界強度に達する。許容範囲は、共振周波数が信頼性のある伝送を損なうことなく伝送周波数から離れる範囲を表す。アンテナ共振回路の共振周波数の許容される伝送周波数からの偏差には限度がある。共振回路の共振周波数がこの許容範囲を外れるとき、データ及びエネルギーは伝送され得ない。
【０００５】
アンテナ共振回路がより高いパワーで動作されるとき、アンテナ共振回路が同調されるならば、電流及び最大電界強度が増加する。伝送周波数からの偏差に関する共振周波数の許容範囲は、低いパワーで動作するアンテナ共振回路よりも高いパワーで動作するアンテナ共振回路の方が広い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高いパワーのためには強固なドライバ回路が要求される。このために余分な費用が生ずるだけではなく、高いパワーで動作するアンテナ共振回路は、アンテナ共振回路が同調されたときにより強い電磁場を発生させるので、公的な規制を侵害する可能性がある。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、共振周波数又は伝送周波数の脱調とは無関係に、許容範囲内で実質的に一定かつ適切な電界強度を発生させることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的は、アンテナ共振回路を含む基地局とトランスポンダとの間でデータ及び／又はエネルギーを無接点伝送するシステムのための装置において、請求項１に記載されているように、伝送信号の半波長内の電圧が限界値を超えたときに、上記電圧を制限するため共振回路素子に並列接続されていることを特徴とする装置により達成される。
【０００９】
信頼性のある伝送は、アンテナ共振回路が伝送周波数に同調されたときに確保される。データ及びエネルギーの伝送は、アンテナ共振回路がシステムの伝送周波数に正確に同調されていないときでも実現可能である。上記の許容範囲とは、このように共振周波数が伝送周波数に対する正確な同調からの外れても依然として伝送が実現可能であるような逸脱の範囲を表す。
【００１０】
より大きいパワーで動作される共振回路は、共振時に強い電界強度に達する。しかし、このような電界強度の増加は、要求された電界強度に達している場合には必要ではなくなる。電界強度がそれ以上増加することを回避するため、必要な電界強度に達した後、電圧が制限される。これらのシステムは、通常、電圧制限によって抑制される振幅変調を利用するので、電圧は半波長だけで制限される。このような制限は、アンテナ共振回路の素子に並列接続され半波長中の電圧を制限する装置によって実現される。この制限の結果として、アンテナ電流は、限界値に達した後に著しくは増加しなくなり、アンテナ共振回路の共振周波数が外れる場合に、電界強度が非常に強くなり、信頼性のあるデータ及びエネルギーの伝送が実現可能になるが、公的な規制は侵害しない。アンテナ電流は限界値に達したとき、それ以上増加しないので、アンテナドライバ回路は比例的に拡大する必要はない。結果として得られた電界強度は、許容範囲内に収まる電圧制限の範囲で一定に保持される。かくして、共振周波数がデータ及びエネルギーのトランスポンダへの伝送が実現可能な範囲内の伝送周波数から逸脱することとは無関係に、一定の電界強度が得られる。
【００１１】
本発明による配置は回路指数Ｑのリミッタであると考えてもよい。その理由は、共振回路素子に加えられる電圧が制限されるとき、共振回路の回路指数Ｑは本質的に小さくなるからである。直列共振回路の回路指数Ｑは、共振回路素子の両端の電圧が共振時の発生器の電圧に対する比に依存する。並列共振回路の場合、回路指数Ｑは、共振回路素子を流れる電流が共振の際に印加される電流に対する比に依存する。共振回路が高いＱを有するとき、共振の増大は僅かな脱調の場合に小さくなり、得られる電界強度は瞬時に減少するので、信頼性のあるデータ及びエネルギーの伝送は保証されなくなる。この比は、共振回路がより低いＱを有するときに変化する。
【００１２】
本発明による制限装置は、上記の方式でアンテナ直列共振回路で使用される。アンテナ並列共振回路の場合、制限装置は好ましくは、共振回路素子を流れる電流を制限すべく共振回路素子に直列接続される。
低いＱを有する共振回路の別の利点は、脱調中に生じる相対偏移が小さくなるので、負荷変調をより広い範囲で行うことができる点である。頻繁に使用されるエンベロープ復調は拡大された範囲で使用することができる。その理由は、共振回路のＱが低いため、偏移は高いＱを有する共振回路の場合よりも大きい脱調の程度に応じて発生するからである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１には、共振回路１と、発生器２と、復調器３と、共振回路１の素子に並列接続された制御可能制限装置４と、制御ユニット５とが概略的に示されている。共振回路１は発生器２により駆動され、制限装置４は半波長の電圧を制限し、回路指数Ｑを低下させる。制限装置４は、共振回路のキャパシタ又はコイルに並列接続することができる。直列共振回路の場合、装置の一つの端子が共振コイルと共振回路キャパシタとの間の基準点に接続される。
【００１４】
制限装置４は、持続的に調節される制限値を有し、この制限値に基づいて制限を実行する。これらの制限値は、例えば、降伏電圧又は構成部品のスレッショルド電圧に基づいて固定される。
制限装置が制御ユニット５によって制御されるとき、電圧制限用の制限値は動作中に変更可能である。関連した構成部品の基準点の電圧は、共振回路１の回路指数Ｑに関与するので、制御ユニット５によるその電圧の測定と、制限値の計算された変更後、回路指数Ｑは変化する。
【００１５】
復調器３は、基準点に与えられ、トランスポンダ（図示しない）によって変調された信号を受信する。アンテナ共振回路は、例えば、トランスポンダ（図示しない）からのデータを受信する。
トランスポンダは、伝送されるべきデータに応じてアンテナ共振回路に負荷をかける。このデータは振幅変調された形式でアンテナ共振回路に現れる。振幅変調された信号は、例えば、ピーク値整流器を用いて復調される。復調は半波長でも行えるが、半波長に限定されないことに注意する必要がある。かくして送信されたデータは図示されない処理ユニットに供給される。
【００１６】
制限装置４は、最も正確な制限を行うため、すなわち、アンテナ電流又は共振回路の電圧が許容範囲の全域に亘って一定になるように、最小の許容範囲を有する共振回路１の共振回路素子を介して切り換えられる。
図２は、共振回路の共振増大を制限の有無に分けて示す図である。電界強度は縦軸にプロットされている。直線４は、信頼性のある伝送のため要求される電界強度を表す。アンテナ共振回路の共振周波数の伝送周波数からの偏差の百分率が横軸にプロットされている。アンテナ共振回路の共振周波数が伝送周波数に同調されたとき、システムは０％の許容度を有する。曲線１は、許容度±２％の場合に要求された電界強度を正確に達成する所定の駆動パワー及び共振回路指数Ｑとに対し成立する。偏差がより大きい場合、電界強度は直線４によって表される要求された電界強度よりも低下する。曲線２は、より高いパワーで駆動されるアンテナ共振回路の電界強度変化を表す。曲線２のシステムの伝送周波数に同調する際に実現され得る最大電界強度は、曲線１の電界強度の最大値よりも明らかに大きいので、伝送が実現可能な許容範囲は曲線２の場合よりも拡がる。したがって、要求された電界強度を実現するため、共振回路は、曲線１の共振回路と同じ程度に正確に伝送システムに同調させる必要はない。伝送周波数に正確に同調された共振回路の場合、この駆動パワーにおいて、電界強度は非常に大きいので法的に課された制限値を超える可能性がある。この点に関する要求条件は、大きい電界強度に対応した電流を駆動するより大きいドライブ回路を使用することである。このような大きい電界強度を回避し、かつ、より強固なドライブ回路の使用を回避するため、共振回路の共振回路素子の電圧は制限される。
【００１７】
電圧制限の結果は曲線３の信号変化によってあらわあれる。電界強度は必要な電界強度に達した後、それ以上増加させる必要がないので、電圧はこの限界値に達した後に制限され、その結果として、一定かつ適切な電界強度が電圧制限の範囲全域で得られる。最大値を実現するため要求される大きいアンテナ電流は、この場合に要求されない。この制限装置の利点は、システムは曲線２の場合に要求される大電流で動作される必要が無く、それにも係わらず、この制限によって曲線２の許容範囲を拡大することができることである。
【００１８】
したがって、このようなシステムでは、より広い許容範囲を備えた構成部品を使用することが可能である。この制限装置のため要する費用は非常に少ない。システムのコストは、この制限装置によって削減される。同時に、この共振回路が伝送周波数に同調するかどうかとは無関係に、一定電界強度がこの範囲内で達成される。
【００１９】
図３は、アンテナを形成する共振回路コイル３２と、電圧発生器３８によって駆動される共振回路キャパシタ３３とを含む共振回路３１の構成図である。ツェナーダイオード３７と、ツェナーダイオード３７に対して逆向きに接続されたダイオード３６とを有する制限回路３５は、本実施例によれば、共振回路コイル３２に並列接続される。共振回路コイル３２と共振回路キャパシタ３３の間の点は基準点３４を構成する。ツェナーダイオード３７の両端の電圧が降伏電圧に達するとき、一方の半波長の電圧が制限される。もう一方の半波長は、ダイオード３６がツェナーダイオード３７に対し逆向きに接続されているので制限されない。かくして、一定アンテナ電流が許容範囲の全域で達成される。
【００２０】
データは、図示されていないトランスポンダと基地局との間で交換される。データは伝送信号上で変調される。基地局によって受信された伝送信号が一方の半波長で制限されているとき、変調された情報は他方の半波長に依然として存在する。受信されたこの制限された伝送信号は復調器（図１）に供給される。
図４に示される制限装置４５は、ツェナーダイオード４７と、ツェナーダイオード４７に対し逆向きに接続されたダイオード４６とを含み、共振回路キャパシタ４３と並列接続され、キャパシタの両端の電圧を制限する。
【００２１】
図５に示された制限装置５５は、共振回路コイル５２と共振回路キャパシタ５３の間にある基準点５４と、接地５８との間に接続される。
図６に示された回路装置は、共振回路コイル６２と、共振回路キャパシタ６３と、発生器６９によって駆動される中間基準点６４とを備えたアンテナ共振回路とを含む。この回路装置は、電界効果トランジスタ６６及びダイオード６７を備えた制限装置６５を更に有し、電界効果トランジスタ６６は、半波長が制限される制限値を調節すべくマイクロプロセッサ６８によって駆動される。マイクロプロセッサ６８は、基準点６４の電圧を測定し、次に、回路指数Ｑの必要な低下を実現するため電圧に必要とされる制限値を計算し、許容範囲の幅を拡大する。
【００２２】
アンテナ並列共振回路（図示しない）は、例えば、共振回路素子と直列接続された定電流源を用いて制限される。また、直列共振回路用の制限装置を直列共振素子と直列接続すること、並びに、制限装置をアンテナ並列共振回路の共振回路素子に並列接続することが可能である。しかし、必要とされない過大なパワーは制限装置で消費され、基地局のドライバ回路の電流消費は最小限に抑えられない。
【００２３】
また、本発明による制限装置を具備したアンテナ共振回路は、データ及びエネルギーを結合されたデータキャリヤに無接点伝送するための読み出し装置に適用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電圧制限装置のブロック構成図である。
【図２】電圧制限の場合の信号波形図である。
【図３】コイルに並列に電圧制限を具備した回路装置の構成図である。
【図４】キャパシタに並列に電圧制限を具備した回路配置の構成図である。
【図５】接地に対する電圧制限用回路装置の構成図である。
【図６】電界効果トランジスタ、ダイオード及びマイクロプロセッサを含む電圧制限用回路配置の構成図である。
【符号の説明】
１ 共振回路
２ 発生器
３ 復調器
４ 制御可能制限装置
５ 制御ユニット

Claims (6)

1. アンテナ共振回路を含む基地局とトランスポンダとの間でデータを無接点伝送するシステムのための装置において、
   前記装置は、前記アンテナ共振回路の基準点の電圧を制御する制御手段を有し、
   前記制御手段は、前記基地局から受信した伝送信号の一方の半波長における第１の電圧を限界値によって制限するとともに、該伝送信号の他方の半波長における第２の電圧が前記トランスポンダに伝送するための変調信号を有するようにすることを特徴とする装置。
2. ツェナーダイオードと、上記ツェナーダイオードに対し逆向きに接続されたダイオードとを有し、
   制限されるべき上記半波長は上記ツェナーダイオードのスイッチング方向によって決められることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 制御可能抵抗及びダイオードを有し、
   上記制御可能抵抗はマイクロコントローラにより駆動され得る電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 上記アンテナ共振回路はアンテナ直列共振回路であり、
   上記装置は基準点と基準電位との間に接続され、
   上記基準点は上記共振回路素子の間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 上記アンテナ共振回路はアンテナ並列共振回路であり、
   限界値を超えたときに半波長の電流を制限するため共振回路素子に直列接続されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. データを無接点伝送するための読み出し装置において、
   請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の装置を具備したアンテナ共振回路を有することを特徴とする読み出し装置。

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