KR20010043643A - 데이터의 무접촉 전송 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 하나 이상의 휴대용 데이터 캐리어의 동작을 위한 데이터 송신/수신 장치의 교번 자계를 형성하는데 필요한 파워를 줄이는데 있다. 이를 위해, 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나의 임피던스는 교번 자계의 임피던스는 완만하게 부정합된다. 리액턴스가 상기 안테나에 도입되어 상기 안테나를 공진에 동조시킨다. 상기 안테나 임피던스가 부지의 길이의 특성 임피던스에 적응되어야 하는 경우에, 상기 안테나의 손실 저항은 완만하게 증가한다.

Description

데이터의 무접촉 전송 장치 {DEVICE FOR THE CONTACTLESS TRANSMISSION OF DATA}
교번 자계에 의해 데이터 송신/수신 장치(COD - Card Operating Device)로부터 휴대용 데이터 캐리어로의 유도성 에너지- 및 데이터 전송 기능을 갖는 무접촉 식별 시스템은 예를 들어 칩카드에서 이미 이용되고 있다. 그런 종류의 시스템은 Finkenzeller, Klaus저, RFID-핸드북, 뮌헨 소재의 Carl Hanser 출판사의 1998년 발간, 183-205쪽에 기술되어 있다. 상기 데이터 송신/수신 장치를 통해 칩카드를 동작하기 위해서는 상기 교번 자계의 형성에 일정한 파워가 필요하다.
상기 교번 자계의 형성을 위한 안테나는 일반적으로 (임의적으로) 형성되는 루프 컨덕터이다. 이것은 일반적인 동작 조건에서 유도 리액턴스를 갖는다. 상기 유도 리액턴스는 정상적인 경우 저항, 커패시터, 코일로 이루어진 동조 회로를 통해 보상되므로 상기 안테나가 공진 주파수에 동조된다. 공진 주파수에의 동조라 함은 상기 유도 리액턴스가 0과 같은 값을 가지며 임피던스로서 여전히 손실 저항만이 남게된다는 것이다..
상기 안테나를 공진에 동조하는 것은, 상기 데이터 송신/수신 장치에서 상기 안테나와 에너지 원이 부지의 길이를 갖는 케이블에 의해 연결되어 있으면, 필요하게 된다. 상기 케이블 길이에 무관하도록 상기 안테나와 에너지 원이 상기 라인의 특성 임피던스에 동조되어야 한다. 상기 안테나를 상기 특성 임피던스에 동조하는 것은 예를 들어 US 5,241,160에 개시되어 있다.
동조된 동작은 상기 안테나가 직접 상기 에너지 원에 연결되는 경우에 이용되는 것이 일반적이기도 하다. 이는 예를 들어 상기 안테나와 상기 에너지 원이 같은 PCB에 배열되는 경우가 된다.
휴대용 데이터 캐리어가 교번 자계에 위치하지 않으면, 상기 안테나를 공진에 동조할 때 최대 전류가 흐르게 된다. 상기 최대 전류는 최소의 자계를 초래한다.
공진에 동조함으로써 그 결과 개로에서 큰 손실이 야기된다. 개로라 함은 하기에서 휴대용 데이터 캐리어가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 휴대용 데이터 캐리어가 위치하지 않는 상기 데이터 송신/수신 장치의 동작 상태이다. 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위는 상기 교번 자계가 휴대용 데이터 캐리어를 교환하기에 충분히 큰 상태에서 상기 데이터 캐리어와 안테나 사이의 거리이다.
상기 안테나를 지나는 전류를 통해 발생되는 교번 자계는 특히 개로에서 레인지가 좁은 데이터 송신/수신 장치에서 (소위 밀결합-시스템) 대개는 실제보다 훨씬 더 필요로하게 된다.
휴대용 데이터 캐리어가 작용 범위 안에 위치하면, 상기 데이터 캐리어는 상기 안테나에 반작용한다. 상기 반작용은 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나 회로에서 임피던스가 추가적으로 발생할 때 눈에띤다. 상기 안테나를 공진에 동조하면, 상기 반작용은 최대가 되는, 즉 상기 안테나 회로에서 발생하는 부가의 임피던스는 상기 안테나 전류를 감소시키며 그 외에도 상기 자계를 감소시킨다. 상기 반작용이 크면 클수록, 상기 안테나와 상기 휴대용 데이터 캐리어 사이의 결합이 강해진다. 상기 결합은 상기 안테나와 상기 휴대용 데이터 캐리어 사이의 거리가 작을 수록 커지는 것이 일반적이다. 최악의 경우에, 상기 휴대용 데이터 캐리어는 상기 안테나에 근접하는 경우에 상기 안테나를 지나는 전류를 상기 반작용에 근거하여 상당히 줄일 수 있으므로, 상기 데이터 송신/수신 장치와 상기 데이터 캐리어 사이에 충분한 에너지 공급이 더 이상 불가능해진다.
상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에서 상기 데이터 캐리어의 동작을 보장하기 위해, 상기 안테나를 공진에 동조할 때 충분히 큰 전류가 개로에서 유도되어야 한다. 그러므로 작용 범위에 있는 데이터 캐리어의 경우에 상기 자계 세기는 상기 반작용에도 불구하고 충분히 커서 상기 데이터 캐리어를 위한 충분한 파워를 받을 수 있게 된다. 이는 데이터 캐리어를 상기 작용 범위로 가져가면 상기 안테나를 지나는 전류가 충분히 커진다는 것과 다르지 않다는 것을 의미한다. 상기 개로에서 교번 자계의 형성을 위한 큰 파워를 통해 야기되면, 손실이 매우 커진다.
공진에 맞춰 상기 안테나를 설계할 때 전술한 효과는, 상기 시스템이 다수의 데이터 캐리어를 위해 설계되어 있는 경우에, 훨씬 더 상당히 단점으로 부각된다. 상기 안테나 회로에 대한 상기 다수의 데이터 캐리어의 반작용은 상기 작용 범위에 위치하는 데이터 캐리어의 수에 일치하게 배가 될 수 있다. 그러므로 상기 파워를 공급하는, 상기 데이터 송신/수신 장치의 에너지 원은 훨씬 더 커질 수밖에 없다. 이는 많은 자리 차지와 큰 비용이라는 점에서 눈에 띤다.
본 발명은 데이터 송신/수신 장치와 하나 이상의 휴대용 데이터 캐리어 사이에서 데이터를 무접촉 전송하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 데이터 송신/수신 장치 및 휴대용 데이터 캐리어의 개략적인 구성,
도 2a와 2b는 데이터 송신/수신 장치 및 휴대용 데이터 캐리어의 단순화된 선형 등가 회로,
도 3a은 휴대용 데이터 캐리어가 작용 범위에 위치하는 경우에서의 상기 데이터 송신/수신 장치의 등가 회로,
도 3b는 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 위치하는 휴대용 데이터 캐리어의 등가 회로,
도 4는 공진 주파수에 대한 하나 또는 그 이상의 휴대용 데이터 캐리어의 동작 전압의 규정값 그래프,
도 5는 상기 안테나와 상기 동조 회로 사이에 부가의 저항이 배열되어 있는 본 발명에 따른 데이터 송신/수신 장치의 등가 회로,
도 6은 상기 안테나와 상기 동조 회로 사이의 여러 저항에 대한 주파수 응답,
도 7은 상기 데이터 송신/수신 장치와 상기 데이터 캐리어 사이의 거리에 대한 자계 그래프,
도 8은 상기 안테나의 리액턴스 및/또는 실효 저항의 배열 위치가 다른 경우 파워 서플라이의 파워 소비를 나타낸다.
본 발명의 목적은 교번 자계를 형성하기 위해 설정된 작용 범위에서 가능한 한 작게 파워를 소비하는 데이터의 무접촉 전송 장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 제 1 항 또는 제 5 항의 특징으로 달성된다. 또 다른 구성은 상기 종속항으로부터 도출된다.
본 발명에 의거하여 제 1 항에 따르면 전체 임피던스에서, 즉 임피던스 변환을 실시하는 회로에서 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나는, 휴대용 데이터 캐리어가 상기 안테나에 유도적으로 연결되어 있지 않으면, 상기 리액턴스가 0과 같지 않도록 실시되어 있다. 다시 말해서, 이는 휴대용 데이터 캐리어가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 위치하지 않으면 상기 안테나를 공진에 동조하지 않는다는 것을 의미한다.
그와 같이, 개로의 경우에 유도되어야 하는 전류는 상기 안테나에 리액턴스를 제공함으로써 종래 기술에 비해 감소될 수 있다. 이는 개방 손실을 더 작게한다. 공급되는 파워는 그 때문에 더 작아질 수 있다. 복잡한 냉각 장치를 고려할 필요가 없다. 또 다른 장점으로는 상기 개로에 이미 제공된 리액턴스 때문에 데이터 캐리어를 제공할 때 상기 안테나에 대한 상기 데이터 캐리어의 반작용은 줄어들거나 유리하게 이용될 수 있다. 이는 예를 들어 상기 전류 감소는 종래 기술에 따른 데이터 송신/수신 장치에서의 전류 강하보다 상기 데이터 캐리어를 작용 범위에 제공할 때 훨씬 더 작아지게 한다. 데이터 캐리어를 상기 작용 범위에 제공하기 때문에 상기 전류가 안테나에서 감소되는 문제가 그와 같이하여 회피될 수 있다.
상기 리액턴스는 유도성이 될 수도 있고 용량성이 될 수도 있다. 심지어는 상기 안테나에 대한 카드의 반작용을 조정하여, 계획한 설계에 대해, 예를 들어 x cm의 범위에서 동작해야 하는 3개의 데이터 캐리어에 대해 상기 안테나 전류가 일정하게 커질 수 있는 가능성도 존재한다. 이를 위해 상기 리액턴스의 크기는 알맞게 되어야 한다. 상기 리액턴스는 복잡한 시뮬레이션 계산을 통해서만 검출될 수 있다. 상기 교번 자계를 형성하기 위해 또는 상기 데이터 캐리어에 에너지를 공급하기 위해 상기 데이터 송신/수신 장치가 필요로 하는 파워는 리액턴스를 상기 안테나 회로로 목적한대로 제공하는 조치를 통해 감소될 수 있다.
본 발명에서 상기 양 해결책의 결합 해결책 역시 가능하다. 이는 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나가 리액턴스를 가질 수 있는, 즉 공진에 동조되지 않을뿐만 아니라 부가의 손실 저항을 가질 수도 있음을 의미한다. 예를 들어 상기 안테나와 동조 회로 사이에 위치하는 부가의 손실 저항을 통해, 상기 전류는 상기 데이터 송신/수신 장치의 개로에서 감소되므로 상기 개방 손실이 감소될 수 있다. 상기 부가의 손실 저항을 제공하여, 다시 상기 데이터 송신/수신 장치의 자계에 위치하는 데이터 캐리어의 상기 안테나에 대한 반작용이 감소된다. 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나 회로에서 임피던스의 발생을 통해 야기된 반작용은 상기 자계 세기의 감소를 가져오는 상기 안테나를 통해 상기 전류를 줄일 때에도 눈에 띤다. 그러나 상기 전류 강하는 종래 기술에 따른 데이터 송신/수신 장치에서보다 헐씬 덜 강하게 된다. 데이터 캐리어를 상기 작용 범위에 제공할 때 적은 전류 강하를 통해 야기되면, 상기 교번 자계의 필요한 세기는, 상기 데이터 송신/수신 장치의 공급 에너지가 더 작아질 수 있으므로 상기 장치가 상기 안테나를 지나는 더 작은 전류를 이용할 수도 있다할지라도, 충분히 커진다.
본 발명의 또 다른 구성에서, 유도 리액턴스 및 상기 안테나와 상기 송신 장치나 상기 수신 장치 사이에 부가의 저항을 가지는 안테나를 포함하는 상기 데이터 송신/수신 장치는 상기 안테나와 상기 송신 장치나 상기 수신 장치 사이에 동조 회로 장치를 갖는다.
본 발명의 또 다른 구성에서 상기 데이터 송신/수신 장치의 파워 서플라이의 파워 감소가 상기 안테나에서 리액턴스에 의해 야기되는 변형예가 상기 안테나와 상기 송신 장치나 상기 수신 장치를 연결시키는 주지의 길이를 가지는 연결부를 갖는다. 주지의 길이의 연결부, 예를 들어 케이블을 이용할 때 동조 회로를 제공할 필요가 없다.
제 5 항에 따르면, 상기 동조 회로는 질을 제한하는데 이용되는 저항에 덧붙여 부가의 손실 저항을 갖는다. 적어도 상기 질을 제한하는 저항 및 커패시터 및/또는 코일로 이루어지는 동조 회로 장치는 상기 안테나와 상기 송신 장치나 상기 수신 장치 사이에 설치된다. 상기 동조 회로 장치는 부지의 길이의 라인의 상기 특성 임피던스에 상기 전체 임피던스를 일치시키는데 이용된다. 그러한 조치로 동일한 효과와 동일한 장점은 위에서 이미 설명한 것처럼 얻어진다. 이 경우에도 상기 데이터 송신 및/또는 수신 장치의 자계에 위치하는 데이터 캐리어의 상기 안테나에 대한 반작용은 줄어든다. 그 결과는 상기 종래 기술에 비해 감소된 전류가 상기 개로에서 유도될 수 있다는 것이다.
선호되는 해결책은 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나에 리액턴스를 제공하는데 있다. 이런 해결책으로 상기 개로에서 전류는 가장 낮아질 수 있다. 이 때 모든 변형예에 대한 주변 조건이 동일하다는데에 근거하는 것은 당연하다. 이는 상기 데이터 송신/수신 장치가 일정 수의 데이터 캐리어를 위해 설계되어 있으며 하나 이상의 상기 데이터 캐리어와 상기 데이터 송신/수신 장치 사이에 데이터를 교환할 수 있는 작용 범위가 상기 안테나로부터 설정된 거리를 취하는 것을 의미한다.
지금까지 설명된 모든 해결책의 장점은 필요한 안테나 전류의 감소를 통해 상기 파워 서플라이의 최종단(교류 전압원)의 크기는 더 작은 파워를 위해 정해진다는데 있다. 그 때문에 비용이 절감될 수 있다. 또 다른 장점으로는 상기 파워 서플라이와 안테나 사이에 회로 장치가 상기 종래 장치에 비해 별도의 회로 요소를 필요로하지 않는다는데 있다. 상기 소자는 단지 다른 크기를 가질 수 있다.
유도성 결합에 의한 에너지 전송은 상기 안테나의 근방계만을 이용한다. 그러나 전자파의 방사 역시 그것과 연관되어 있는 것은 피할 수 없다. 이 때 방사되는 파워는 상기 안테나 전류의 제곱에 직접 비례한다. 이는 상기 안테나 전류의 감소는 효과적으로 파워 방사를 줄일 수도 있음을 의미한다. 그 때문에, 상기 방사를 제한하는 규정치의 준수가 쉬워진다. 이런 문제는 나중에 설명된다.
부가의 저항이 상기 안테나와 상기 동조 회로 사이에 설치되어 있는 변형예에서 상기 질을 제한하는 저항과 부가적인 저항의 합이 하기의 식에 따라 계산된다:
상기 데이터 송신/수신 장치에 대한 설계를 (데이터 캐리어의 수, 작용 범위) 고려하는 상기 식에 따른 계산에 의해 상기 개로에서 파워 감소가 최대가 된다. 상기 데이터 송신/수신 장치는 모든 동작 상태에서 신뢰성을 가지고 동작한다. 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나에서 양호하지 않은 값으로 상기 전류가 떨어지는 것은 상기 식에 따른 평가 시에 나타나지 않는다.
상기 휴대용 데이터 캐리어의 공진 주파수는 상기 데이터 송신/수신 장치의 설정된 동작 주파수에 같게 측정될 수도 있지만 상기 설정된 동작 주파수보다 더 클수도 작을 수도 있다. 선호되는 실시예에서 상기 휴대용 데이터 캐리어의 공진 주파수는 설정된 주파수 위에 놓인다. 상기 휴대용 데이터 캐리어에 위치하는 회로 장치는 상기 데이터 캐리어 안테나에서 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 상기 데이터 캐리어를 제공할 때 발생되는 유도 신호를 통해 전압을 공급받는다. 이를 위해 상기 공진 첨예도는 커패시터와 상기 데이터 캐리어 안테나의 코일로 이루어지는 직렬 공진 회로를 통해 이용된다. 그 효과는 나중에 도면과 관련하여 상세하게 설명된다.
상기 휴대용 데이터 캐리어에서 상기 회로 장치는 반도체 집적 회로로서 또는 개별 회로로서 실시될 수 있다. 휴대용 데이터 캐리어로서 칩카드, 다양한 대상에 대한 안전 레이블 또는 식별 장치가 될 수 있다. 그러나 상기 휴대용 데이터 캐리어는 예를 들어 승용차 안에 장착될 수 있으므로, 일정한 거리 구간의 이용에 대한 지불이 이루어지는 것도 생각해 볼 수 있다.
본 발명에 따른 데이터 송신/수신 장치와 상기 데이터 캐리어 안테나는 0과 1m 사이의 범위에서 서로 결합될 수 있다. 바람직하게는 상기 데이터 송신/수신 장치는 상기 안테나들이 0과 1m 사이의 범위에서 결합하도록 설계되어 있다. 소위 CD-1-포맷의 데이터 캐리어는(체크 카드, ISO에서 정해짐) 0과 몇 센티미터 사이의 범위에서 데이터 캐리어와 데이터 송신/수신 장치를 연결한다. 상기 데이터 송신/수신 장치는 밀결합-시스템이라는 이름으로 공지되어 있다.
0과 15cm 의 범위에서 상기 데이터 송신/수신 장치의 설계 시에 상기 시스템은 Proximity-System이라는 이름 하에 공지되어 있다. 0과 1m 사이의 범위에서 상기 데이터 송신/수신 장치는 Vicinity-System이라 일컫는다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 그에 국한되지 않으며, 오히려 안테나/데이터 캐리어의 크기 관계에 의존적이다.
본 발명은 도 1 내지 도 8에 의해 상술된다.
도 1에는 데이터 송신/수신 장치(1)와 휴대용 데이터 캐리어(2)가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 데이터 송신/수신 장치(1)는 파워 서플라이(3), 수신 장치(5) 및 송신 장치(4)를 갖고 있다. 상기 전송 장치(4)뿐만 아니라 상기 수신 장치(5)도 안테나(6)에 연결되어 있다. 상기 안테나(6)는 가장 단순한 경우에는 임의의 형태인 루프 컨덕터가 된다. 상기 송신 장치(4)뿐만 아니라 상기 수신 장치(5)도 상기 파워 서플라이(3)에 연결되어 있다. 상기 송신 장치(4)는 특히 수정 진동자, 발진기, 변조기 및 파워 최종단을 가지는 것이 일반적이다. 상기 수신 장치(5)는 예를 들어 대역 필터, 증폭기 및 복조기로 이루어진다. 상기 송신 장치(4)의 정확한 구성뿐만 아니라 상기 수신 장치(5)의 정확한 구성도 본 발명의 사상에 중요하지 않기 때문에, 그에 대하여 상술하지는 않는다.
상기 휴대용 데이터 캐리어(2)는 데이터 캐리어-안테나(8)와 회로 장치(7)를 갖는다. 상기 회로 장치(7)는 예를 들어 반도체 집적 회로로서 또는 개별 회로로서도 실시될 수 있다. 상기 회로 장치(7)는 예를 들어 상기 회로 장치(7)와 데이터 캐리어 안테나(8)를 연결시키는 동조 회로를 가질 수도 있다. 그 외에도 상기 회로 장치(7)는 변조기, 복조기, 마이크로프로세서 또는 메모리도 포함할 수 있다. 상기 회로 장치(7)의 정확한 구성은 본 발명에 중요하지 않기 때문에, 그에 대하여 상술하지는 않는다.
상기 데이터 송신/수신 장치의 작용은 다음과 같다: 상기 송신 장치(4)는 앞으로 동작 주파수(f0)로 불리는 설정 주파수를 가지는 신호를 발생시킨다. 상기 신호는 상기 송신 장치(4)로부터 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나로 제공된다. 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 위치하면, 상기 안테나(6)로부터 발생된 신호가 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)로 전송되고, 거기에서 상기 데이터 캐리어 안테나(8)에 의해 유도 전압으로 변환된다. 상기 유도 전압은 상기 회로 장치(7)의 동작 전압을 관리하며 상기 회로 장치(7)에 의해 준비된, 보내려는 정보를 포함하고 있다.
그 반대의 경우에 신호가 상기 회로 장치(7)로부터 상기 데이터 캐리어 안테나(8)로 전송되고, 일정한 주파수로 상기 데이터 캐리어 안테나(8)로부터 전송되는 상기 신호가 상기 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)에서 전압을 유도한다. 상기 신호는 상기 수신 장치(5)에 공급되며 거기에서 처리된다.
도 2a에는 데이터 송신/수신 장치(1)의 등가 회로가 도시되어 있다. 상기 안테나 자체는 유도 리액턴스를 갖는다. 도 2b에는 휴대용 데이터 캐리어(2)의 간단한 선형 등가 회로가 도시되어 있다. 상기 파워 서플라이(3) 및 상기 파워 서플라이와 상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6) 사이의 전체 접속이 등가 전압원(UF0) (소스 전압,의 시간 범위에서) 및 내부 임피던스(ZFA)로 변형될 수 있다. 상기 내부 임피던스는 임의적으로 상호 접속된 저항(R), 코일(L) 및 커패시터(C)로 이루어질 수 있다. 상기 안테나(6)는 코일(LF)과 손실 저항(RLF)으로 모형화되어 있다. 상기 등가 전압원(UF0)과 내부 임피던스(ZFA) 및 상기 안테나(6)의 코일(LF)과 손실 저항(RLF)이 직렬로 결선되어 있다. 도 2a의 등가 회로는 휴대용 데이터 캐리어가 상기 작용 범위에 없는 상태에서의 상기 데이터 송신/수신 장치(1)를 보여주고 있다. 이는 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나와 휴대용 데이터 캐리어의 안테나 사이에 결합(coupling)이 없음을 의미한다.
도 2b에는 코일(LT)과 손실 저항(RLT)으로 이루어지는 데이터 캐리어 안테나(8)가 모델로서 도시되어 있다. 상기 코일(LT)과 상기 손실 저항(RLT)은 직렬로 결선되어 있다. 예를 들어 반도체 집적 회로로서 실시될 수 있는 회로 장치(7)는 간단하게 손실 저항(RT)과 그에 병렬로 연결된 커패시턴스(CT)로 이루어진다. 상기 회로 장치(7)는 상기 데이터 캐리어 안테나(8)에 병렬로 연결되어 있다. 도 2b에도 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)는 상기 데이터 송신/수신 장치나 다른 휴대용 데이터 캐리어의 안테나들 사이에 결합이 없는 상태에 있다. 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)는 상기 커패시터(CT)의 크기 때문에 주로 용량성 작용을 갖는다.
상기 안테나 회로의 전체 임피던스 등식은 다음과 같다:
상기 동조의 경우에 또는 공진의 경우에 상기 임피던스의 무효분은 0이다.
상기 데이터 캐리어의 직렬 공진 회로의 전체 임피던스는 다음과 같다:
도 3a와 도 3b에는 상기 데이터 송신/수신 장치(1) 또는 휴대용 데이터 캐리어(2)의 등가 회로가 결선되어 있는 경우로서, 즉 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)가 상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 작용 범위에 위치하는 경우로서 도시되어 있다. 상기 안테나(6)와 상기 데이터 캐리어 안테나(8)의 결선 때문에, 유도 전압이 자속 법칙에 근거하여 상기 코일에 대해 직렬로 발생한다. 이 때 UTF는 카드 코일에서 필드 전류(IF)에 의해 유도되는 전압이며, UFT는 안테나 코일에서 상기 데이터 캐리어 전류(IT)에 의해 유도되는 전압을 의미한다. 이런 관계는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다:
상기 식에서
ω: 각주파수(=2πf)
ｊ: 허수부
M: 상호 인덕턴스이다.
상기 양 코일의 상호 인덕턴스와 자기 인덕턴스로부터 결합 계수(k)가 정의될 수 있다:
결합 계수:
상기 안테나와 데이터 캐리어 사이에 거리가 최소인 경우 상기 결합 계수는 최대 1이 될 수 있다. 거리가 무한대인 경우 상기 결합 계수는 0이 된다.
본 발명의 제 1 의 실시예에 따라 상기 안테나 회로(6)의 임피던스는 자유롭게 선택될 수 있으며, 상기 안테나(6)와 상기 파워 서플라이(3) 사이의 라인의 특성 임피던스에 동조될 필요성은 없다. 즉, 상기 안테나(6)와 상기 파워 서플라이(3)는 정의된대로 연결되어 있으며 그 때문에 상기 안테나 회로의 전체 임피던스는 무효분을 가질 수도 있다. 상기 안테나(6)와 상기 파워 서플라이(3) 사이의 규정된 접속부(defined connection)라 함은 주지의 길이를 가지는 케이블이거나 또는 안테나와 송신 또는 수신 장치 사이의 직접 병렬 배열된 접속부가 될 수도 있으므로, 상기 안테나(6)와 상기 파워 서플라이(3) 사이의 라인은 최소가 된다.
기본적으로, 필요한 시스템 특성에 따라서 다양한 부정합들이 파워 최소화를 가져올 수도 있다.
(상기 휴대용 데이터 캐리어의 최대 가능한 수가 작용 범위에 위치하는) 최악의 경우에 상기 안테나(6)에 대한 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)의 반작용 때문에 상기 안테나 전류는 동작 상에 문제가 없을 정도로 커진다. 이는 상기 개로에서 상기 전류가 상기 안테나(6)를 통해 최소화되고 각각의 데이터 캐리어(2)의 제공을 통해 약간 커지는 것과 다르지 않음을 의미한다. 상기 전류는 상기 데이터 캐리어(2)의 반작용 때문에 수요에 맞춰진다. 상기 데이터 캐리어(2)가 미리 정해진 데이터 송신/수신 장치(1)의 공진 주파수 위에 있는 공진 주파수를 취하면, 상기 최적화는 상기 안테나 회로의 유도성 부정합이라 한다.
데이터 캐리어가 상기 작용 범위에 제공될 때 상기 안테나 전류의 자동 상승을 야기하는 상기 유도 리액턴스의 크기는 복잡한 시뮬레이션 계산을 통해서만 찾을 수 있다. 그 작용은 다음에서 상술한다:
상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나 회로(ZF)의 전체 임피던스의 유도성 동조 시에 카드가 상기 작용 범위에 삽입되면, 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나 회로에서 상기 데이터 캐리어의 직렬 공진 회로의 주로 용량성 임피던스(ZT)가 유도 임피던스(ZFT)로서 나타난다. 변환된 임피던스(ZFT)의 값은 상기 안테나 회로의 임피던스(ZF)보다 훨씬 더 작기 때문에, 상기 안테나 전류에 대한 반작용은 매우 작기만 하다. 그러므로 상기 작용 범위에 있는 데이터 캐리어에서 상기 안테나 전류는 데이터 캐리어가 상기 작용 범위에 위치하지 않는 경우 안테나 전류에 비해 단지 약간 감소된다.
그러나 다수의 데이터 캐리어가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 삽입되면, 상기 임피던스는 상기 데이터 캐리어들을 결합시킨다. 상기 데이터 캐리어의 임피던스의 결합을 통해 그 임피던스(ZT)가 변하게 되고, 이것은 상기 데이터 캐리어의 결합이 강한 경우 그들 사이에 주로 유도성 작용을 갖게 된다. 주로 유도성인 상기 임피던스는 상기 안테나 회로에서 용량성 임피던스(ZFT)로서 나타난다. 상기 안테나 회로의 전체 임피던스의 유도성 동조 시에 상기 용량 임피던스(ZFT)는 부분적으로 유도 임피던스(ZF)를 보상하므로, 상기 데이터 캐리어 사이의 결합이 강한 상태의 최악의 경우 및 판독 장치에 대한 상기 데이터 캐리어의 거리가 최대인 경우 상기 안테나 회로에서 전류 상승이 나타난다.
상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나 회로의 전체 임피던스(ZF)가 용량적으로 동조되면, 상기 데이터 캐리어를 삽입할 때 전류 상승이 조정된다. 상기 데이터 캐리어의 주로 용량성인 임피던스(ZT)는 상기 안테나 회로에서 다시 주로 유도성인 임피던스로서 나타난다. 상기 안테나 회로의 용량성 동조와 상기 데이터 캐리어를 통해 상기 안테나 회로로 변환되어 들어오는 유도성 임피던스가 부분적으로 보상되므로, 전류 상승이 가능해진다. 상기 안테나 회로의 용량성 임피던스는 조정될 수 없으므로, 상기 데이터 캐리어의 거리가 최대인 경우 전류 상승이 최대가 된다.
더 많은 수의 데이터 캐리어가 상기 데이터 전송/수신 장치의 작용 범위에 삽입되면, 상기 데이터 캐리어들이 다시 서로 결합하므로, 이들은 안테나 회로에서 용량 임피던스로서 나타난다. 상기 데이터 캐리어의 변환된 임피던스가 상기 안테나 회로의 전체 임피던스보다 훨씬 더 작기 때문에, 상기 안테나 전류에 대한 반작용이 다시 작아진다. 그러나 상기 데이터 캐리어가 상기 데이터 전송/수신 장치에 강하게 접근할 때 상기 안테나 전류의 감소가 나타날 수 없다.
상기 데이터 캐리어 사이의 결합 원리가 하기에서 설명된다.
어느 정도까지 최적화가 가능한지가 주로 시스템 특성의 조건에 의해 야기된다. 상기 시스템 특성은 상기 데이터 캐리어와 상기 데이터 송신/수신 장치 사이에서 데이터 교환이 문제없이 이루어져야 하는, 상기 작용 범위에 있는 많은 데이터 캐리어와 데이터 캐리어와 데이터 송신/수신 장치 사이의 결합이 이루어질 수 있어야 하는, 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나에 대한 최대 거리로부터 정해진다. 상기 최적화 포텐셜은 소위 밀결합 시스템에서 최대가 된다.
상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나의 파워 소비를 최적화하기 위해 다음과 같은 주변 조건을 유념해야 한다. 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)의 회로 장치(7)가 자체 파워 서플라이를 가지지 않기 때문에, 상기 회로 장치(7)에 필요한 동작 전압(UT)은 상기 데이터 송신/수신 장치에 의해 유도된 신호를 통해 상기 데이터 캐리어 안테나에서 이용되어야 한다. 이 경우 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)의 커패시터(CT)와 코일(LT)의 직렬 공진 회로를 통해 소위 공진 첨예도가 이용된다.
다수의 데이터 캐리어(2)가 상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 작용 범위에 위치하면, 상기 데이터 캐리어(2)는 상기 안테나(6)에 결합될 뿐만 아니라 서로간에 결합될 수 있다. 서로 간의 상기 결합을 통해 각각의 데이터 캐리어 공진 회로의 공진 주파수가 떨어진다. 상기 공진 주파수가 떨어지면 질수록, 그 만큼 상기 데이터 캐리어는 서로 강하게 결합하는, 즉 양 데이터 캐리어 사이의 거리는 더 가까워지고, 작용 범위에 있는 데이터 캐리어가 더 많아진다. 최악의 경우에, 데이터 캐리어의 상기 공진 주파수는 상기 데이터 캐리어 사이의 결합 때문에 1/√N만큼 감소되고, 이 경우 N은 상기 데이터 캐리어의 수이다. 상기 최악의 경우는 상기 데이터 캐리어 안테나들이 0cm의 간격을 가지며 상기 코일은 서로 합동이 되면 발생하게 된다. 이는 실제로는 발생하지 않는데, 왜냐하면 상기 안테나가 일반적으로 하우징에서 예를 들어 칩카드의 경우에 플라스틱 케이스에 의해 에워싸여 있기 때문이다.
다수의 데이터 캐리어 간의 결합 시에 상기 공진 주파수의 하강의 관계는 도 4에 도시되어 있다. 이를 위해 상기 데이터 캐리어(2)의 회로 장치(7)의 입력에 인가되는 전압(UT)이 상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)을 통해 상기 데이터 캐리어 안테나(8)에서 유도되는 전압(UTF)에서 규정되어 있다. 데이터 캐리어의 동작에 유리한 점은 UT와 UTF사이의 비는 1보다 더 크다는 것이다. 이 경우에 그 거리가 그에 상응하게 더 커지면 상기 회로 장치(7)의 충분한 전압 공급이 보장된다. 상기 데이터 송신/수신 장치가 정확하게 하나의 데이터 캐리어를 위해 설계되면, 상기 데이터 캐리어의 공진 주파수가 상기 데이터 송신/수신 장치의 공진 주파수(f0)에 동조되는 것이 이상적이다. 이 경우에, UT와 UTF사이의 비는 최대가 된다. 상기 데이터 송신/수신 장치를 다수의 카드에 맞게 설계하면, 공진 첨예도가 부분적으로만 이용된다.
이를 위해 모든 데이터 캐리어의 공진 주파수는 제공된 주파수(f0) 위에 있다. 데이터 캐리어가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 위치하면, UT와 UTF사이의 비는 도 4에서 포인트 1에 위치한다. 제 2 의 데이터 캐리어가 상기 작용 범위에 삽입되면, 상기 양 데이터 캐리어가 서로 결합하고 양 데이터 캐리어의 공진 주파수는 떨어진다. 이 경우, 예를 들어 도면의 포인트 2에 도달이 이루어진다. 이 포인트는 이미 설정 주파수(f0) 아래에 위치한다. 상기 포인트 2의 위치는 상기 양 데이터 캐리어 사이의 결합이 얼마나 강한지 여부에 의존적이다. 이는 상기 양 데이터 캐리어 사이의 거리에 따른다. 그러므로 포인트 2는 그려진 선에서 좌로 또는 우로 움직일 수 있다. 또 다른 제 3 의 데이터 캐리어가 상기 작용 범위에 삽입되면, 모든 데이터 캐리어의 상기 공진 주파수가 설정된 주파수(f0) 아래로 떨어지고 포인트 3에의 도달이 이루어진다. 상기 포인트 역시, 3개의 데이터 캐리어 간의 결합이 어떤지 여부에 따라서, 그려진 선을 따라서 이동될 수 있다.
완전한 공진 첨예도의 이용은 (UT와 UTF사이의 비가 최대가 된다) 다수의 카드에 의해 동작하는 경우에는 불가능한데, 왜냐하면 상기 카드의 수와 그 결합에 따라서 다른 동작 상태들이 존재할 수 있기 때문이다. 그러므로 상기 데이터 캐리어의 공진 주파수가 설정된 주파수(f0) 위에서 동조하는 것이 유리하다. 이는 데이터 캐리어의 임피던스의 무효분이 용량성이라는 점과 같은 의미이다. 각각의 데이터 캐리어는 가능한 전압 오버슈트의 단지 일부를 받게된다. 도 4에 도시된 예에서 상기 전압 오버슈트는 2개의 데이터 캐리어의 결합 시에도 여전히 존재한다.
도 5에는 제 2 의 해결책에 따른 본 발명에 따른 데이터 송신/수신 장치(1)의 등가 회로가 도시되어 있다. 상기 데이터 송신/수신 장치는 안테나(6)를 가지며, 상기 안테나는 실효 저항(RF)과 코일(LF)로 이루어진다. 상기 실효 저항(RF)과 상기 코일(LF)은 직렬로 배열되어 있다. 상기 안테나(6)에 병렬로 동조 회로(10)가 접속되어 있으며 상기 동조 회로는 임의적으로상호 접속된 커패시터(C)와 코일(L)로 이루어진다. 이 실시예에서 상기 동조 회로(10)는 2개의 커패시터(C1, C2)로 이루어진다. 그 외에도 상기 동조 회로(10)는 상기 안테나(6)의 저항(RF)에 연결된 저항(R)을 갖는다. 상기 저항(R)은 상기 질의 제한에 이용된다. 상기 동조 회로(10)의 커패시터(C2)는 한 편으로는 상기 동조 회로(10)의 저항(R)에 연결되고 다른 한 편으로는 상기 안테나(6)의 코일(LF)에 연결되어 있다. 상기 커패시터(C1)는 상기 저항(R)과 커패시터(C2) 사이의 접속점에 연결되어 있다. 상기 커패시터(C1)의 다른 단자는 라인(9)에 그리고 상기 안테나(6)의 코일(LF)에 연결되어 있다. 상기 라인(9)은 상기 동조 회로(10)를 파워 서플라이(3)와 내부 임피던스(RW)에 연결하는 예를 들어 부지의 길이를 가지는 케이블이 될 수 있다. 부지의 길이의 라인은 이 때 일정한 특성 임피던스를 가지며, 상기 특성 임피던스는 예를 들어 50옴에 달한다. 상기 내부 임피던스(RW)는 순수한 저항이며 상기 라인(9)의 특성 임피던스에 맞춰진다. 상기 동조 회로(10)는 상기 안테나(6)를 상기 라인(9)의 특성 임피던스에 동조시키는 과제를 맡는 즉, 상기 동조 회로(10) 및 안테나(6)는 공진에 동조한다. 상기 안테나(6)의 유도 리액턴스는 상기 동조 회로(10)의 커패시터(C1, C2)를 통해 보상된다. 상기 내부 저항(RW)은 상기 송신 장치나 상기 수신 장치의 회로 장치를 간단하게 그리고 있다. 상기 동조 회로(10)의 저항(R)은 상기 질을 제한하는데 첨가되어, 제공된 주파수의 변조에 필요한 대역폭이 얻어진다.
본 발명의 사상에 의거하여 상기 시스템 조건에 따라서 (상기 데이터 캐리어의 수, 상기 작용 범위의 거리) 상기 안테나(6)의 저항(RF)과 저항(R) 사이에 부가적인 손실 저항이 첨가된다. 이는 상기 동조 회로(10)의 저항(R)이 상승한다는 것과 다르지 않음을 의미한다. 상기 저항(R)의 상승은 그 경우 파워 수요를 줄이게 한다.
최적의 저항(R)에 대한 평가 식은 다음과 같다(설정된 주파수(f0)에서 벗어나는 공진 주파수를 가지는 카드에도 유효하다, 즉 BT＞＞ 0 또는 BT＜＜ 0, 부가로 RT＜ ｜BT｜):
kmin와 kmax는 상기 식에서 상기 시스템 조건에 의해 정해지는 기능 한계이다(즉, 레인지).
그 작용은 다음과 같다. 상기 데이터 송신/수신 장치에 의해 또는 상기 안테나에 의해 발생된 자계는 소위 상기 파워 서플라이의 주기적인 단락을 통해 야기되는 소위 필드 갭을 갖는다. 상기 필드 갭은 휴대용 데이터 캐리어로 데이터를 전송하는데 이용된다. 상기 파워 서플라이의 단락 때문에 상기 안테나(6), 상기 동조 회로(10 및 라인(9) 그리고 내부 저항(RW)이 공진 회로를 형성한다. 그러므로 상기 안테나(6)를 지나는 전류 또는 교번 자계는 상기 필드 갭 내에서 감쇠된다. 상기 감쇠 속도는 상기 질을 통해 정해진다. 상기 공진 회로의 질이 높으면, 상기 안테나 전류나 자계는 단지 서서히 감쇠한다. 그러나 상기 안테나 전류나 상기 자계는, 상기 동조 회로(7)가 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)에서 상기 정보를 평가하기 위해, - 상기 필드 갭의 길이와 관련하여 - 정해진 시간 동안에 일정한 값에 미달할 필요성이 있다. 그러므로 상기 질은, 상기 감쇠 과정이 적절하게 이루어질 수 있도록, 정해져야 한다. 실제로 이는 상기 질이 예를 들어 10과 30 사이의 값에서 제한되는 것과 다르지 않음을 의미한다. 이미 언급한 것처럼, 상기 질은 상기 저항(R)을 통해 상기 동조 회로(10)에서 정해진다. 상기 질(Q)은 다음과 같이 계산된다:
상기 동조 회로(10)의 저항(R)이 커지면, 상기 질은 떨어진다. 그 결가 작은 질이 가지는 장점으로는 상기 데이터 캐리어(2)와 데이터 송신/수신 장치(1)에 대한 데이터 전송이 빠르게 이루어질 수 있다는 것이다.
유도성 에너지 전송을 위한 자계의 발생을 제한하는 규정값들은 매우 협소한 주파수 대역에서만 높은 자계의 발생을 허용한다. 상기 주파수 대역은 일반적으로 수용할만한 데이터 전송율에 대해 너무 협소하다. 즉, 변조 시에 발생하는 측대파는 협소한 주파수 대역 위에 위치하며 훨씬 더 작은 진폭을 가져야 한다 (→규정).
상기 측대파의 제한은 다음을 통해 가능해진다:
- 상기 안테나 전류의 일반적인 감소
- 특수한 변조 방법
- 여과 효과(높은 Ω).
여과 효과를 통한 상기 측대파의 제한은 단지 제한적으로 가능하며, 이는 정보도 여과되기 때문이다.
본 발명의 장점은 부가의 저항의 상기 주파수 응답에 대한 작용을 나타내는 도 6에 의거하여 이해된다. y축은 상기 안테나 전류 또는 자계(H)의 진폭이며, x축은 주파수(f)이다. 도 6에는 10과 30 사이의 질을 가지는 종래 기술에 따른 데이터 송신/수신 장치에서의 주파수 응답 그래프가 도시되어 있다. 상기 주파수 응답은 상기 주파수에 대한 상기 안테나 전류 또는 자계의 진폭의 포락선을 그리고있다. 종래 기술에 따른 상기 주파수 응답은 설정된 주파수(f0)에서 높은 진폭을 가지며 대칭적으로 양측에서 떨어지고 있다. 작은 질은 평평한 주파수 응답을, 즉 주파수 측대파의 불량한 필터링을 초래한다. 매우 높은 질은 f0를 중심으로 측대파를 여과하며 f0에서 주파수 응답 중 최대값을 갖는다. 상기 데이터 캐리어와 상기 데이터 송신/수신 장치 사이에서 교환되는 실제 정보는 측대파에서 설정된 주파수(f0)를 중심으로 대칭적으로 전송된다. 제공된 주파수(f0)가 예를 들어 13.56MHz이면, 상기 정보가 예를 들어 측대파 ±100kHz에서 전송된다. 상기 측대파의 진폭은 상기 질을 통해 제한된다. 상기 규정값의 준수는 일부는 상기 질의 여과 작용을 통해 이루어지지만 보다 많은 부분은 상기 안테나 전류의 감소를 통해 이루어진다. 종래 기술에 따른 장치에 있어서 상기 전류 감소를 통해 상기 자계가 더 작은 레인지에서 여전히 충분하게 되어, 데이터 캐리어와 데이터 송신/수신 장치 사이에서 데이터가 전송될 수 있다.
상기 질을 줄일 경우, 본 발명에서 부가의 저항을 첨가함으로써 발생되는 경우와 같이, 상기 여과 효과가 악화된다. 이는 상기 주파수 응답이 설정된 주파수(f0)의 측면에서 보다 평평한 그래프를 가지는 것과 같음을 의미한다. 더 악화된 상기 여과 작용은 상기 부가의 저항(R)을 통한 안테나 전류의 제한 때문에 더 보상된다. 그러나 그와 동시에, 안테나 전류를 줄임으로써 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위의 레인지는 감소되지 않는다. 이는 데이터 캐리어를 삽입할 때 상기 자계는 종래 기술에 따른 장치에서 훨신 덜 심하게 떨어진다.
도 7에는 상기 데이터 송신/수신 장치와 데이터 캐리어 사이의 거리에 대한 자계 그래프가 도시되어 있다. 도 7에는 종래 기술에 따른 장치와 본 발명에 따른 데이터 송신/수신 장치 사이의 자계에 대한 비교가 도시되어 있다. 그래프 1과 2에는, 데이터 캐리어가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 위치하지 않는 경우에서 상기 자계의 세기가 도시되어 있다. 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나를 지나는 전류가 더 크기 때문에 종래 기술에 따른 상기 데이터 송신/수신 장치의 자계는 본 발명에 따른 장치에서보다 훨신 더 강하다. 그래프 1는 종래 기술에 따른 장치의 자계 그래프이며, 그래프 2는 본 발명에 따른 그래프이다.
상기 자계는, 상기 데이터 캐리어와 상기 데이터 송신/수신 장치 사이에 데이터 교환이 이루어지도록, 값(Hmin)을 초과해야 한다. 포인트 XAuslegung까지 상기 자계는 최소한 필요로하는 자기 Hmin보다 더 크거나 같아야 한다. 본 발명에 따른 상기 데이터 송신/수신 장치를 지나는 전류는, 상기 자계가 최대의 레인지(XAuslegung)를 필요로 하면 최소 자계 세기(Hmin)를 쉽게 넘어가도록, 정해진다. 그와 반대로 상기 개로에서는 상기 안테나를 지나는 전류가 크기 때문에 상기 자계가 종래 기술에 따른 데이터 송신/수신 장치에서는 훨씬 더 커진다. 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 데이터 캐리어가 삽입되면, 상기 안테나 전류의 결합 때문에 종래 기술에 따른 장치에서 매우 강하게 떨어지며, 이는 자기 소스-필드의 상당한 감소를 가져온다(그래프 1'). 상기 데이터 캐리어가 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나에 근접하게 되면, 상기 안테나 전류가 또 떨어지게 된다. 이는 상기 자계 세기가 떨어지게 만든다. 그러므로 하나 또는 그 이상의 다른 데이터 캐리어를 삽입할 때 상기 안테나 전류가 감소될 수 있는, 즉 상기 데이터 송신/수신 장치와 상기 데이터 캐리어 사이에 데이터 교환이 이루어질 수 없다.
그에 반해 상기 안테나와 상기 동조 회로 사이에 부가의 저항이 있기 때문에 상기 안테나를 지나는 전류는 훨씬 덜 강하게 떨어진다. 그러므로 상기 자계는 데이터 캐리어를 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 삽입할 때 데이터 캐리어가 없는 경우에서의 자계 그래프에 비해 단지 적게 감소된다. 상기 그래프(2')는 상기 작용 범위에 있는 데이터 캐리어의 자계 그래프로서 특히 작은 x에서 상기 그래프는 종래 기술에 따른 장치에서 자계 그래프보다 더 높이 있다.
본 발명은 한 예에 의해 이해될 수 있다. 휴대용 데이터 캐리어로서 예를 들어 다음의 변수를 가지는 칩카드가 이용된다. 상기 칩카드는 f0=13.56MHz의 동작 주파수를 가지며, 카드 크기는 약 8cm x 5cm이며, 상기 칩카드의 전체 임피던스의 복합 성분은 BT=-140V/A이며, 상기 칩카드의 공진 주파수는 약 16.5MHz이며, 상기 코일의 인덕턴스는 LT=3.5μH이다. 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나는 상기 칩카드의 공진 주파수와 유사한 크기를 갖는다. 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나의 인덕턴스는 LT=2.3μH이며, 상기 칩카드는 1cm까지의 범위에서 동작해야 한다. 이 경우 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나에 칩카드가 놓이면 결합 계수는 kmax=0.5이고 거리가 최대인 경우 kmin= 0.35이다. 최대로 3개의 칩카드가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 삽입될 수 있다. 상기 안테나에 의식적으로 첨가한 유도 리액턴스의 최적값을 검출하는 시뮬레이션을 통해 약 80V/A의 무효분에서 파워 서플라이의 이용가능한 최소 파워가 나타난다(유도성).
상기 파워 서플라이로부터 이용되는 파워의 상기 최소값은 0 내지 40Ω의 데이터 송신/수신 장치의 안테나의 임피던스의 실수부에 대해 거의 같고 작용 범위에 칩카드가 없는 경우에 약 10mW이다. 3개의 칩카드가 상기 데이터 송신/수신 장치의 작용 범위에 삽입되면, 상기 안테나가 소비하는 파워는 약 60mW이다.
변수가 동일한 경우 본 발명의 제 2 의 실시예에 따른 최적화가 실시되면, 즉 상기 안테나와 상기 동조 회로 사이에 부가의 저항이 삽입되면, 손실 저항이 최적으로 선택될 때 약 200mW의 파워가 필요하게 된다. 상기 부가의 손실 저항이 이 경우 위에서 언급한 식에 의해 계산될 수 있다.
상기 안테나가 공진에 동조하고 상기 손실 저항이 약 15Ω의 값을 가지게 되어 데이터 전송을 위해 필요 대역폭을 보장할 수 있는 종래 기술에 따른 장치에 있어서, 약 500mW가 제공되어야 한다.
상기 안테나와 상기 동조 회로 사이에 부가의 손실 저항에 의한 최적화를 위한 또 다른 예는 다음과 같다. 예를 들어 상기 변수를 가지는 칩카드가 이용되면(f0=13.56MHz, 카드 크기는 약 8cm x 5cm, BT=-170V/A, LT=3.5μH, LF=3.5μH 상기 데이터 송신/수신 장치의 동일 조건에서 필요로 하는 약간의 cm의 레인지: kmax=0.5, kmin=0.2), 최적의 손실 저항은 약 25Ω이 된다. 종래 기술에 따른 측정할 때 상기 저항(R)은 상기 질을 제한하기 위해 약 6Ω이 된다. 이 때 주의할 점은 상기 동조 회로의 커패시터(C1, C2)의 값들은 양 경우에, 상기 저항(R)의 설정 후에 계산되는 다른 값을 갖는다는 점이다.
상기 손실 저항의 상승의 간단한 회로 조치를 통해 상기 안테나 회로의 최대 파워 소비는 80mW로부터 30mW로 떨어진다. 그 때문에, 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나를 지나는 필요 전류가 80mA로부터 25mA로 떨어진다.
상기 안테나에서 부가의 유도 리액턴스 또는 부가의 손실 저항의 최적값은 복잡한 최적화 계산을 통해서만 찾을 수 있으며, 상기 주변 조건은 상기 시스템 조건(최소와 최대 레인지, 카드의 수, 카드 특성, 사정에 따라서 설정된 안테나, 동작 주파수 등)을 통해 설정된다.
기본적으로 종래 기술에 따라 공진에 상기 안테나가 동조하는 것이 최악의 해결책으로서 증명된다. 필요로 하는 큰 레인지와 그에 관련된 큰, 안테나 코일의 파워를 가지는 시스템에서 최적화는 여전히 어려운데, 왜냐하면 발생하는 피할 수 없는 손실 저항이 최적으로 환산된 것보다 더 클 수 있기 때문이다.
도 8에는 시뮬레이션 계산의 결과가 도시되어 있다. 상기 개로에서 상기 파워 서플라이의 파워 소비의 등곡선들이, 즉 상기 데이터 송신/수신 장치의 안테나의 실효 저항 및/또는 유도 리액턴스의 크기가 다른 경우에서 도시되어 있다. x축은 상기 안테나 임피던스의 실수부이고, y축은 상기 안테나 임피던스의 허수부이다. 도시된 결과는 상기 데이터 전송/수신 장치의 설정된 주파수(f0) 위에 있는 데이터 캐리어의 공진 주파수에 있다.
종래 기술에 따른 장치에서 상기 안테나는 공진에 동조한다. 이는 상기 안테나의 임피던스가 실효분만을 가짐을 의미한다. 일반적으로 실효분은 종래 기술에 따른 안테나에서 작은 손실 저항으로 실현될 수 있다. 큰 파워 소비의 상기 포인트는 x축에 원점 근처에 위치한다. x축에서 우측으로 이동하면, 즉 상기 안테나의 손실 저항이 커지면, 파워가 점점 작게 필요하게 된다. 최소의 파워 소비는 위에서 설명한 식에 따라 계산되는 저항을 가지는 포인트 2에서 얻어진다. 상기 포인트 2를 넘어 x축에서 우측으로 이동하면, 즉 상기 손실 저항이 커지면, 상기 파워 소비 역시 개로에서 다시 상승하게 된다. x축 상의 한 점은 공진에 동조된 안테나에 일치한다.
본 발명의 제 1 의 해결책에 따라서 상기 안테나에 유도 리액턴스를 첨가하면, 즉 y축에서 위로 또는 아래로 움직이면, 상기 안테나의 실효 저항이 더 작아지면 상기 파워 소비는 포인트 1에서 최소의 파워 소비를 얻을 때가지 연속적으로 감소하게 된다. 1로 표시된 원호 안에서, 파워가 최소로 소비되는, 상기 안테나의 임피던스에 대한 값들에 도달하게 된다. 1로 표시된 포인트에서처럼 상기 유도 리액턴스의 값들이 그대로 있고 상기 안테나의 실효 저항이 예를 들어 부가의 손실 저항 위로 상승하면, 필요한 파워는 다시 상승하게 된다. 선호되는 실시예에서 상기 파워 최소화는 상기 안테나에서 리액턴스에 의해 이루어진다.
본 발명에 의해, 최소의 회로 비용으로, 하나 이상의 데이터 캐리어의 동작을 위해 데이터 송신/수신 장치의 교번 자계의 발생 시에 경제적인 파워 감소가 실시될 수 있다.
상기 최적화는 제시된 양 변형예에서 앞서의 시스템 특성에 근거한 최적화를 통해서만 찾을 수 있다. 상기 최적화 포텐셜은 소위 밀결합 시스템에 대해 최대가 된다.

Claims (13)

  1. 데이터 송신/수신 장치(1)와 하나 이상의 휴대용 데이터 캐리어(2) 사이에서 데이터를 무접촉 전송하기 위한 장치에 있어서,
    상기 데이터 송신/수신 장치(1)는 설정된 주파수를 가지는 제 1 의 신호를 발생하기 위한 송신 장치(4), 설정된 주파수를 가지는 신호를 수신하기 위한 수신 장치(5), 상기 송신 장치(4)와 상기 수신 장치(5)에 연결되어 있는 임피던스 변환되는 안테나(6) 및 파워 서플라이(3)를 가지며, 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)는 유도 신호의 수신 또는 송신을 위한 데이터 캐리어 안테나(8) 및 상기 데이터 캐리어 안테나(8)에 연결되어 유도 신호를 처리하고 상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)로 송신되는 신호를 발생하는 회로 장치(7)를 가지며, 휴대용 데이터 캐리어(2)가 유도적으로 상기 안테나(6)에 연결되어 있지 않은 경우에는 상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)가 0과 같지 않은 리액턴스(BF)와 손실 저항(RF)의 총 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나(6)와 상기 전송 장치(4) 또는 상기 수신 장치(5) 사이에 부가의 저항이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터 송신/수신 장치(1)는 상기 안테나(6)와 상기 전송 장치(4) 또는 상기 수신 장치(5) 사이에 동조 회로 장치(10)를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나(6)와 상기 전송 장치(4) 또는 상기 수신 장치(5)가 주지의 길이를 가지는 연결부에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 데이터 송신/수신 장치(1)와 하나 이상의 휴대용 데이터 캐리어(2) 사이에서 데이터를 무접촉 전송하기 위한 장치에 있어서,
    상기 데이터 송신/수신 장치(1)는 설정된 주파수를 가지는 제 1 의 신호를 발생하기 위한 송신 장치(4), 설정된 주파수를 가지는 제 2 의 신호를 수신하기 위한 수신 장치(5), 부지의 길이의 라인(9)에 의해 상기 송신 장치(4)와 상기 수신 장치(5)에 연결되어 있으며 라인의 실효 저항을 가지는 안테나(6), 상기 라인(9)의 실효 저항에 총 임피던스를 맞추기 위해 상기 안테나(6)와 상기 송신 장치(4) 또는 상기 수신 장치(5) 사이에 질을 제한하는 하나 이상의 저항(R)을 가지는 동조 회로 장치(10)를 가지며, 상기 휴대용 데이터 캐리어(2)는 유도 신호의 수신 또는 송신을 위한 데이터 캐리어 안테나(8) 및 상기 데이터 캐리어 안테나(8)에 연결되어 유도 신호를 처리하고 상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)로 송신되는 신호를 발생하는 회로 장치(7)를 가지며, 상기 동조 회로(10)가 부가의 손실 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 질을 제한하는 저항과 부가의 손실 저항의 합이 하기의 식에 따라
    계산되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휴대용 데이터 캐리어(2)의 공진 주파수가 설정된 주파수 아래에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휴대용 데이터 캐리어(2)의 공진 주파수가 설정된 주파수보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로 장치(7)가 집적된 반도체칩에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로 장치(7)가 개별적으로 실시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)와 상기 데이터 캐리어 안테나(8)의 결합이 0 내지 4cm의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)와 상기 데이터 캐리어 안테나(8)의 결합이 0 내지 15cm의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 송신/수신 장치(1)의 안테나(6)와 상기 데이터 캐리어 안테나(8)의 결합이 0 내지 1m의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
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