JP4203923B2 - 非接触型トランシーバシステムにおける伝送装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は非接触型トランシーバシステム読取装置に配置されかつ携帯型非接触目標物に向かって電磁信号を放射するように作られた電磁信号送信アンテナに関し、さらに詳細には非接触型トランシーバシステムによって発射される電磁信号に用いる変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触の目標物と非接触型トランシーバシステム間の情報の交換は、一般に非接触の目標物に配置された第１アンテナと、非接触型トランシーバシステムに配置された第２アンテナとの間の遠隔の電磁的接続によって行われる。さらに、目標物には、無線周波数（ＲＦ）部品、マイクロプロセッサおよび／またはメモリなどを含む電子チップへ接続される第１アンテナをはじめとする電子モジュールが装着され、メモリでは、非接触型トランシーバシステムに提供すべき情報と論理機能は送信すべき情報を編集し、かつ受信した情報を処理する必要がある。
【０００３】
チケットまたはクレジット形式カードである非接触目標物は様々な分野でますます使用されつつあるシステムである。例えば、輸送部門において使い捨て非接触チケットおよび非接触スマートカードは一時的な利用者および常用利用者両者に対する支払い手段として発達した。同じことが電子財布にもいえる。多くの企業が非接触スマートカードを利用する社員の確認手段として開発してきた。
【０００４】
現在、通常、読取装置と呼ばれる非接触型トランシーバシステムと非接触スマートカード間のデータ伝送は、ＩＳＯ（国際標準化機構）標準に従っている。最も広く行き渡っている標準化の中で、標準化ＩＳＯ１４４４３はスマートカードから読取装置の間およびその逆の間の無線通信を介するデータ伝送に関係する。この標準はタイプ「Ａ」伝送プロトコルおよびタイプ「Ｂ」伝送プロトコルとして知られている２つの伝送プロトコルをカバーしている。これらの２つの非接触のデータ伝送プロトコルＡおよびＢは、一方では読取装置からカードへ、および他方ではカードから読取装置への無線周波数（ＲＦ）通信に使用される変調方法において異なっている。ここでは読取装置からカードへ伝送される信号のみを取り扱う。
【０００５】
読取装置からカードへの方向のデータ伝送では、プロトコルＢは放射された信号の１０パーセントまたは伝送されたデータによる電磁搬送波の１０パーセントの変調率に伴う振幅変調をもたらす。一方、プロトコルＡでは、電磁搬送波が伝送されたデータによって、その振幅の１００パーセントで変調される。いずれの場合においても、放射された周期的な電磁搬送波の振幅は、第１の時間間隔ｔ１の間、初期設定で最大になり、次に、第２の時間間隔の間は、前者のケースでは変調の間、最大振幅がほぼ８２パーセントに等しくなるのに対して、後者のケースでは、最大振幅は０パーセントに等しくなる。
【０００６】
現在、ますます増大する数の標準化は、非接触読取装置がタイプＡおよびＢの伝送プロトコルと互換性を有することが求められている。標準となる電磁搬送周波数は両プロトコルにおいて共通であり、１３．５６ＭＨｚにほぼ等しい。
【０００７】
読取装置に対する主要な性能基準の１つは、電磁放射場の範囲ができるだけ大きくなければならないことである。そのため、製造業者は電源の増大以外の手段によってそれらの伝送システムの範囲を広げるよう試みている。ただし、範囲を拡大することにより、読取装置の近くに置かれたカードを飽和状態にしたり、破壊したりする危険性があってはならない。
この性能基準を満たす要因の１つは、高い過電圧比を有するアンテナの使用である。共振周波数において、電磁搬送波源であるインダクタンス端子の実効電圧は、回路端子の電圧のＱ倍にほぼ等しくなる。ここで、Ｑは過電圧係数である。この方法では、アンテナの高過電圧比が高いほど、その放射場の範囲は広くなる。
その振幅の１００パーセントで放射された信号の変調を行うため、現在、通常使用される方法は、電磁搬送波が伝送されるのを停止する目的でプロトコルＡにより電磁場の分割に対応する時間の間、回路の端子の電圧源を切ることである。
【０００８】
実際には、発電機を切ることはアンテナの駆動回路のインピーダンスを著しく増大させるが、電圧をゼロに降下させる。これは回路に蓄積された負荷のためアンテナは放射を継続することになり、分割時間よりも長い間、鈍化されかつ揺動する放射電磁搬送波を生ずる。その結果、信号を分割する間、カードに向かって放射された電磁場の振幅はゼロにはならず、かつこのようにしてアンテナから放射された電磁場は、電磁搬送波の振幅の１００パーセントの振幅に対応しない。これは理論的な分割時間よりも短い時間の間に起き、振幅は放射信号の最大振幅の５パーセント以下になる。
【０００９】
従って、高い過電圧比を有するアンテナの使用はタイプＢの読取装置に適合する。このような読取装置に対して、電磁搬送波はその振幅の１０パーセントで変調され、一方で、タイプＡの読取装置とは十分な互換性がないため、つねに能動的である。さらに、高い過電圧比のアンテナで得られる小さな鈍化効果が、その振幅の１０パーセントで変調される波形にわずかに影響を与える。
【００１０】
両タイプの読取装置に適合するアンテナを使用するための第１の解決法は、低い過電圧比を有し、かつタイプＢの下での性能特性を犠牲にするが、タイプＡの要件に適合し得る減衰を備えるアンテナを使用することにある。
【００１１】
第２の解決法は、分割時間の間、放射電磁場がゼロになるようにアンテナの発射信号を鈍化させることができるバイポーラトランスジスタ付きの線形増幅器を使用することである。この解決法により、歩留まりを犠牲にするが、予期した減衰が得られる。大きな分極電流が必要であるけれども、回路の出力インピーダンスは定常である。回路の作製は複雑である。
【００１２】
第３の解決法は、損失を低減しかつタイプＢの読取装置の範囲を損なわないため、切換用に電界効果トランジスタを用いることである。このようなトランスジスタを使用して、回路を「開放」と「閉鎖」の位置の間で切り換えると、回路が継続的に開放である場合に示されるインピーダンスが増大することにより最大の放射電磁場を得ることが出来るが、タイプＡのプロトコルにおける波形は犠牲になる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、読取装置のアンテナから非接触型スマートカードに向かう電磁搬送波の伝送を、タイプＡのプロトコルの信号が放射される間、最高性能で行うことができる装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、読取装置のアンテナから非接触型スマートカードに向かう電磁搬送波の伝送を、タイプＡおよびＢのプロトコルの信号が放射される間、最高性能で行うことができる装置を提供することである。
従って、この発明の目的は、非接触な目標物に向けて電磁波を放射する非接触型トランシーバシステムにおける伝送装置であって、所定の搬送周波数の電磁波を発射する第１の時間間隔と、所定の搬送周波数の電磁波を分割する第２の時間間隔とが交互に設定された電磁波により搬送されるデータの発生手段を備えた伝送装置に関するものである。この発生手段を備えた伝送装置は、所定の搬送周波数よりも高く、かつ電磁波の放射場を所定値よりも大きく減衰させる周波数を有する電磁波を、第２の時間間隔の間に発生する。
この発明の目的、対象および特徴は添付図面とともに取り上げた時以下の記述によりいっそう明らかになるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
データは、読取装置からスマートカードに対し、現行基準に制約されて２通りのデータ伝送プロトコルであるタイプＡおよびＢにしたがう高周波信号により伝送される。タイプＡのプロトコルは、読取装置の放射電磁波を、その振幅の１００パーセントで変調する。周期的な搬送周波数の振幅は、第１の時間間隔の間は最大かつ一定となり、次いで第２の時間間隔の間はゼロになる。タイプＢのプロトコルは、読取装置の放射電磁波をその振幅の１０パーセントで変調する。搬送周波数の振幅は、第１の時間間隔の間は最大かつ一定となり、次いで第２の時間間隔の間はその最大振幅の１０パーセントに等しくなる。事実上の規格として、電磁搬送波の周波数は現在１３．５６ＭＨｚであり、これがこの明細書でこの値を基準値として選んだ理由である。しかし、電磁搬送波の周波数が異なってもこの発明の範囲から逸脱するものではない。
【００１５】
タイプＡのデータ伝送プロトコルにしたがって、１３．５６ＭＨｚの搬送周波数を分割することで、時間間隔ｔの間だけ、電磁搬送波が分割される。
このようにして読取装置のアンテナが放射した電磁場の包絡線を図１に示す。搬送波の周波数が１３．５６ＭＨｚに等しい間、放射電磁場１０は最大になる。周波数が分割されると、放射電磁場は、時間間隔ｔの終わりにゼロ以外の最小値に達するまで曲線１２に従って次第に減少する。時間間隔ｔの終わりに搬送波の周波数は再び１３．５６ＭＨｚに等しくなり、放射電磁場の振幅は周波数がその最大値１０に達するまで曲線１４に従って増大する。このように、搬送波の振幅から得られる変調は、最大振幅の１００パーセントにおける変調であるときは十分ではない。このような変調が得られるのは、放射電磁場の振幅の最小値（現在の規格は、最大振幅の５パーセント未満を要求する）が時間間隔ｔ内の一定時期の間に得られるためである。ところで、曲線１２によって表わされた搬送周波数を分割する場合には、放射電磁場を低下させることは、最大振幅の１００パーセントを変調するという点からは、満足な波形を得るために十分なものではない。
【００１６】
図２は、この発明にしたがった装置を用いた読取装置のアンテナが放射する電磁場の包絡線を示す。搬送周波数が１３．５６ＭＨｚに等しい間、放射電磁場２０は最大である。時間ｔの間に搬送波の振幅を分割するため、アンテナに向かって送信される信号の周波数は時間ｔの間における共振周波数の２倍になる。こうして、アンテナは２７．１２ＭＨｚの周波数を有する信号を受信するが、この周波数範囲はアンテナの帯域幅を外れるように定められているため、アンテナからは電磁場が放射されることはない。実際には、周波数変化の間に得られた放射電磁場は、有効時間ｔ’の間に著しく減衰する曲線２２に沿って、無視できる値に達するまで急速に減少する。電磁搬送波の周波数が１３．５６ＭＨｚである場合、アンテナが放射する電磁場２４は、その最大値２０に達するまで増大する。このようにして得られた波形は、最大振幅の１００パーセントを変調するという点からは、満足のいくものである。この結果は、アンテナの帯域幅を外れた周波数であって、分割される基本周波数より高い周波数で放射された信号を用いて得ることができる。
【００１７】
アンテナが放射する電磁場を、そのアンテナが受信する信号の周波数にしたがって図３に示す。この電磁場は共振周波数ｆ_Ｒで最大になる。周波数ｆ_１ 未満の周波数に対しては、放射電磁場の振幅は、共振周波数ｆ_Ｒにおける放射電磁場の振幅の５パーセント未満となる。同様に、ｆ_２ 超では、放射電磁場の振幅は、共振周波数ｆ _Ｒ で放射された電磁場の振幅の５パーセント未満となる。変化しやすい電磁場をプロトコルＡに従って申し分なく分割する間に発生する周波数において、アンテナが放射する電磁場の振幅は、放射電磁場の最大振幅の５パーセント未満でなければならない。従って、中断の間に発生する周波数は、所定値に等しい放射電磁場の減衰を生ずるようなものでなければならない。この所定値は３０ｄＢとすることが好ましい。分割中に発生する周波数はｆ_１未満であってゼロ以外か、又はｆ_２より大きいかのいずれかである。好適な実施例においては、共振周波数ｆ_Ｒの２倍以上となる。本発明の好適な実施例においては、分割中に発生する周波数は、共振周波数の２倍、即ち２７．１２０ＭＨｚに等しくなる。
【００１８】
図４にブロック図の形式で示した電子装置は、本発明にしたがってデータ信号４２が２位置スイッチ４８を制御する好適な実施例を示す。第１の位置は、クロック４４の与える２７．１２０ＭＨｚに等しい周波数をもつ信号に相当する。第２の位置は、周波数分割器４６が発生させる１３．５６ＭＨｚの標準周波数に等しい周波数をもつ信号に相当する。上記手段は、プログラム可能な論理回路４０に含まれ、その出力信号５０は、２つの入力５２、５４を通じて電力交換階梯５６に加えられる。入力５２がプログラム可能な論理回路４０の出力信号に相当する一方で、他の入力５４は切換スイッチ５３により逆転された同一の出力信号である。電力交換階梯５６は、入力５２および入力５４のそれぞれに接続された２個の電界効果トランジスタを有している。これは、２つの入力５２、５４のうちの１つを通じて受信した周波数に対し、一方のトランスジスタを「開放」し、他方のトランスジスタを「閉鎖」するように切り換える。電力交換階梯５６からの両出力信号は、基本周波数の信号のみが通過することの出来るローパスフィルタ６２によって濾波される前に、２つの抵抗器５８、６０を通過する。フィルタ６２の出力後に、２つの信号がアンテナ６４により非接触型カードに向けて放射される。
【００１９】
【図面の簡単な説明】
【図１】 プロトコルＡにしたがって電磁搬送波を分割して得られる電磁場の包絡線を示す図である。
【図２】 本発明により放射された電磁場の包絡線を示す図である。
【図３】 アンテナの放射電磁場の振幅曲線を、受信信号の周波数に対して示す図である。
【図４】 本発明の伝送装置の機能を示すブロック図である。

Claims (9)

1. 非接触な目標物に向けて電磁波を放射する非接触型トランシーバシステムにおける伝送装置であり、
   所定の搬送周波数の電磁波を放射する第１の時間間隔と、前記所定の搬送周波数の電磁波を分割する第２の時間間隔とが交互に設定された電磁波により搬送されるデータの発生手段を備えた伝送装置において、
   前記データの発生手段は、
   前記所定の搬送周波数よりも高く、かつ前記電磁波の放射場を所定値よりも大きく減衰させる周波数を有する電磁波を、前記第２の時間間隔の間に発生する発生手段を備えることを特徴とする伝送装置。
2. 前記所定値が３０ｄＢ以下である請求項１に記載の伝送装置。
3. 前記第２の時間間隔の間に発生する電磁波の周波数が、
   アンテナから放射される電磁波の周波数であって、前記所定の搬送周波数で放射された電磁波の振幅の５％以上の大きさの振幅に相当する周波数よりも高い請求項２に記載の伝送装置。
4. 前記第２の時間間隔の間に発生する電磁波の周波数が、前記所定の搬送周波数の２倍の高さである請求項３に記載の伝送装置。
5. 前記発生手段が、
   前記第１の時間間隔の間に前記所定の搬送周波数を有する第１の信号と、前記第２の時間間隔の間に前記所定の搬送周波数の２倍の周波数を有する第２の信号とを、それぞれ供給すると共に、前記第１の信号と前記第２の信号とをデータ信号（４２）の制御により切り換えるプログラム可能な論理回路（４０）である請求項４に記載の伝送装置。
6. 前記所定の搬送周波数が１３．５６ＭＨｚである請求項５に記載の伝送装置。
7. 前記プログラム可能な論理回路（４０）が、
   ２７．１２ＭＨｚで動作するクロック（４４）と、
   前記クロック（４４）から供給される２７．１２ＭＨｚの周波数から、前記所定の搬送周波数である１３．５６ＭＨｚの周波数を供給する周波数分割器（４６）とを備える請求項６に記載の伝送装置。
8. 前記論理回路（４０）の出力により、一方が開放されると他方が閉鎖されるように制御される２個の電界効果トランジスタを有する電力交換階梯（５６）を備える請求項７に記載の伝送装置。
9. 前記データの伝送が、放射された電磁波の分割によりデータビットが生成されるＩＳＯ１４４４３のタイプＡのプロトコルに従って行われる請求項１〜８のいずれかに記載の伝送装置。

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