SE515984C2 - Transponder med impedansanpassad transmissionsledning - Google Patents

Description

lšlš 984 2 o I n o n I c ø n u u u co dielektrikum av plast införs mellan transpondern och foten, och därvid förkortas nämnda givna avstånd till ett praktiskt användbart avstånd.

Sökanden har funnit att ett problem uppstår om transpondern gjuts in i en skidkänga av plast. Den från transpondern utstrålade RF-effekten på den dubbla grundfrekven- sen minskar. Sökanden fann att sökutrustningen måste avstämmas till en lägre fre- kvens, jämfört med om transpondern satt klistrad på skidkängans utsida, för att den från transpondern utstrålade RF-effekten på den dubbla grundfrekvensen skulle de- tekteras med maximal signalstyrka. Detektering med maximal signalstyrka är nämli- gen kritisk i det fall transpondern befinner sig på stort avstånd från antennen, i vilket fall signalstyrkan vid mottagaren är låg. Den får nämligen inte bli så låg, att detekte- ringen av transpondern helt uteblir.

Det är önskvärt, att samma sökutrustning skall kunna användas för detektering av transpondrar som är klistrade på kängan, resp. för detektering av transpondrar som är inbyggda i kängan. Avstämning av sökutrustningen är inte praktiskt möjligt.

Uppfinningen syftar till att undanröja den ovan nämnda olägenheten med inlbyggda transpondrar. Detta åstadkoms med hjälp av de i patentkrav 1 angivna bestämning- arna.

Den fördel som ernås med uppfinningen är att närfältet till antennen väsentligen ej, eller endast i ringa grad, påverkas av omgivningen till antennen.

En annan fördel som ernås med uppfinningen är att det dielektrikum som omger transpondern koncentrerar RF-effekten till en transmissionsledning varigenom om- givningens påverkan på transpolnderns egenskaper reduceras.

Med dielektrikum avses i detta dokument ett material vars dielektricitetskonstant är större än 1. Genom att ändra transmissionsledningens geometri och de dielektriska egenskaperna av den omedelbara omgivningen till transmissionsledningen kan en optimal relation erhållas mellan de elektriska parametrarna för frekvenserna f och 2f.

Det är därigenom möjligt, att framställa transpondrar vilka är anpassade till varje gi- ven placering av transpondern, såsom t ex vid elleri en skidpjäxa, en jacka, en flyt- väst el. dyl. 515 est ~ ~ o w n r c n v v II Figurbeskrivning Figur 1 visar en plan vy av en transponder enligt en första utföringsform av uppfin- ningen, Figur 2 visar en sidovy av en transponder enligt en andra utföringsform av uppfin- ningen, Figur 3 visar en sidovy av en första montering av transpondrarna enligt figurerna 1 och 2, Figur 4 visar en sidovy av en andra montering av transpondrarna enligt figurerna 1 och 2, Figur 5 är ett elektriskt ekvivalensschema av en transponder enligt uppfinningen Figur 6visar ett förenklat kopplingsschema för transpondern enligt Figur 1, Figur 7 visar en transponder med M-formad slits, och Figur 8 är en partiell sidovy utmed symmetriaxeln A-Ai Figur 3, vilken sidovy sche- matiskt visar närfältet av RF-energifältet runt antennen.

Belysande utföringsformer Figur 1 visar en transponder med två antennelement 1, 2 och en diod 3. Antennele- menten 1, 2 bildar en antenn som i denna utföringsform är framställd av en metallfo- lie 4. Metallfolien har en T-formad slits med ett horisontellt avsnitt 5 och ett vertikalt avsnitt 6. Dioden är belägen över slitsens vertikala avsnitt 6. Den T-formade slitsen delar metallfolien i två huvudytor förbundna med varandra med en biyta 7. Antenne- lementet 1 är en del av den ena huvudytan, antennelementet 2 är en del av den and- ra huvudytan. Övriga delar av resp. huvudyta bildar tillsammans med biytan en transmissionsledning 8, som i denna utföringsform av transpondern är kortsluten.

Transmissionsledningen visas med enkel schraffrering, antennelementen med dub- bel schraffrering. Övergängsomrädet mellan antennelementen och transmissionsled- ningen är inte så skarpt som figuren visar. Dioden 3 är lödd mellan antennelementen.

Antennelementen har etsats, stansats eller på annat lä.mpligt sätt framställts ur me- tallfolien 4. Metallfolien 4 kan men behöver ej vara anbragt ett på ett underlag 9.

Figur 2 visar en andra utföringsform av en transponder enligt uppfinningen. lJtföran- det är likartat det i Figur 1 visade med undantag för att biytan 7 är uppdelad i två bi- 00 c 515 984 4 u c . . n u ; n n o u n nu iytor 7A och 7B, vilka bildar en del av transmissionsledningen 8, som likströmsmässigt är öppen men som signalmässigt är kortsluten.

Enligt uppfinningen omges transpondern i Figurer 1 resp. 2 av ett dielektrikum 10.

För ernående av detta är monteras transpondern på ett första resp. andra sätt, så- som visas i Figurerna 3 resp. 4. l Figur 3 visas transpondern vara ingjuten i ett die- lektrikum, vilket kan men behöver ej vara bildat av två skikt, såsom antyds av den streckade linjen 11. l Figur 4 är transpondern monterad inuti ett hålrum i ett dielektri- kum 10. Monteringen sker t. ex. med ett lim, ett vidhäftande skikt på underlaget 9, eller på annat lämpligt sätt.

Anledningen till att omge hela transpondern med ett dielektriskt skikt beskrivs närma- re nedan.

Figur 5 visar ett elektriskt ekvivalensschema för transpondern 1 enligt uppfinningen.

Denna innefattar en mottagarantenn 13, ett första anpassningsnät 14 anslutet mellan mottagarantennen och dioden 3, ett andra anpassningsnät 15 anslutet mellan dioden 3 och en sändarantenn 16. Mottagarantennen mottar RF-effekt på grundfrekvensen f vilken matas till dioden 3 via det första anpassningsnätet 14. Dioden är ett olinjärt element som av den mottagna RF-effekten genererar ett stort antal övertoner av grundfrekvensen, däribland en i sammanhanget intressant överton på den dubbla grundfrekvensen 2f, vilken via det andra anpassningsnätet matas ut på en sän- darantenn 16. En så stor del som möjligt av den av mottagarantennen 13 mottagna RF-effekten på grundfrekvensen f skall tillföras dioden 3 och för detta ändamål finns det första anpassningsnätet 14 vilket anpassar mottagarantennens 13 impedans till diodens impedans.

För att förklara den tekniska bakgrunden till uppfinningen visar Figur 5 att transpon- dern 1 har två separata antenner 13 och 16 och två separata anpassningsnät 14, 15.

I praktiken är dessa två antenner en enda antenn. Likaledes är i praktiken de två an- passningsnäten ett enda anpassningsnät.

En så stor del som möjligt av den av dioden genererade RF-effekten på den dubbla grundfrekvensen 2f skall överföras till och utsändas av sändarantennen 16 och för detta ändamål anpassas sändarantennens impedans till diodens impedans med hjälp av det andra anpassningsnätet 15. Om dessa två RF-effektdelar, dvs den mottagna RF-effektdelen på f och den utsända på 2f, samtidigt är så stora som möjligt sägs 515 9st- ~ ~ ~ u u o n o n u nu transpondern vara optimerad och det är detta uppfinningen avser att åstadkomma; Träffas transpondern enligt uppfinningen av t ex 10 mW/mz absorberar mottagaren- tennen 13 antennen en del av denna effekt, t ex 0,01 mW. Det är dessa 0,01 mW som sedan utgör summan av alla övertoners effekter inklusive förluster. Det är den andel av dessa 0,01 mW som finns på frekvensen 2f som skall göras så stor som möjlig.

Som impedansanpassningsnät används enligt ett föredraget utförande av uppfin- ningen en transmissionsledning. Genom att använda en transmissionsledning erhålls flera frihetsgrader vid utformningen av transpondern samt kan omgivningens annars negativa påverkan på transponderns elektriska egenskaper utnyttjas konstruktivt.

Allmänt sett bestäms en transmissionslednings egenskaper av transmissionsledning- ens geometri, såsom transmissionsledningens form, längd, bredd och tjocklek, och omgivningens elektriska parametrar. Just omgivningens elektriska parametrar kan negativt påverka transmissionsledningenslantennens egenskaper.

Transmissionsledningen omges enligt uppfinningen av ett dielektrikum, som koncent- rerar de elektriska fältlinjerna till transmissionsledningen. Ju tätare de elektriska fält- linjerna ligger varandra inom ett område, desto mer RF-energi transporteras av transmissionsledningen i detta område. väsentligen all RF-energitransport sker inuti dielektriket vid denna utformning av anpassningsnätet. När transmissionsledningen helt omges av ett dielektrikum 10 kommer omgivningen utanför dielektriket knappast alls, eller endast i ringa grad, att påverka RF-energitransporten.

Fackmannen inser att andra faktorer än omgivningen påvekar transmissionsled- ningens impedans, såsom avståndet mellan transmissionsledningens ledare och di- elektricitetskonstanten av det material som omger transmissionsledningen. Likaså påverkar avståndet mellan ett dielektrikum och en transmissionsledning en transmis- sionslednings impedans. Genom att välja lämplig tjocklek, bredd, längd och dielektri- citetskonstant av diele-ktriket 10 och genom att omsluta transmissionsledningen med dielektriket 10 optimeras nämnda RF-effektdelar samt reduceras omgivningens in- verkan på transmissionsledningens impedans. Byts diod måste transmissionsled- ningens egenskaper ändras, så att dess impedans överensstämmer med diodens impedans och antennens impedans.

Figur 6 visar ett ekvivalent elektriskt kopplingsschema för en föredragen utförings- form av transpondern enligt uppfinningen. En dipolantenn med antennelementen 1, 2 515 984 6 o ø o o - o c u u v aa matas av transmissionsledningen 8, vilken på konventionellt sätt visas vara bildad av två ledare. En diod 3 förbinder antennelementen med varandra. Ett kortslutnings- stycke 18 förbinder transmissionsledningens ledare med varandra. Transmissions- ledningen 8 har en karaktäristisk impedans ZO och dioden en impedans ZL. Detta kopplingsschema motsvarar utförandet enligt Figur 1. Transmissionsledningen kan liknas vid ett gamma-matchningssystem. Genom att ändra kortslutningsstyczkets pla- cering utmed de två ledarna varieras impedansanpassningen. De dubbelt schraffera- de ytorna av an.tennelementen 1, 2 i Figur 6 motsvaras av de dubbelt schraffrerade antennelementen i Figur 1, medan transmissionsledningen 8 i Figur 6 motsvaras av de övriga enkelt schrafferade folieytorna i Figur 1. Genom att tex. variera bredden och längden av den horisontella slitsen 5 (Figur 1) och genom att omge transmis- sionsledningen med ett dielektrikum påverkas transmissionsledningens elektriska längd och därmed även impedansanpassningen av systemet diod-anntenn. l Figurerna 1 och 2 visas slitsen 5 ha formen av ett T. T-formen är lämplig ur tillverk- ningsteknisk synpunkt. Ett T är också symmetriskt vilket innebär att RF- energifördelningen på en T-formad antenn blir symmetrisk. Formen av slitsen är inte väsentlig för uppfinningen. I alternativa utföranden av reflektorn är slitsen C-, O-, M-, V-, W-, L-formad eller har annan form. Sökanden har funnit att slitsens längd påver- kar transmissionsledningens impedans kraftigare än slitsens bredd. Figur 7 visar en transponder med M-formad slits.

Betrakta Figur 6. Om kortslutningsstycket 18 ändras så att det har likströmsavbrott kommer antennelementen1, 2 att matas av en transmissionsledning 8 som lik- strömsmässigt är öppen, men som signalmässigt är kortsluten. Ett sådant utförande motsvarar transpondern enligt Figur 2, vilken i övrigt fungerar på samma sätt som transpondern i Figur 1. Antennelementen 1,2 i Figur 6 visas vid de dubbelt schraffe- rade folieytorna i Figur 2. Övriga enkelt schrafferade folieytor i Figur 2 motsvarar en öppen transmissionsledning.

Uppfinningen gör det möjligt, att separera transponderns funktion som antenn från transponderns funktion som anpassningsenhet. Transponderns funktion som antenn och dess funktion som anpassningsenhet påverkas därigenom på olika sätt av om- givningen. Som beskrivits ovan påverkas, efter det att transmissionsledningen omgi- vits av ett dielektrikum, ej impedansanpassningsfunktionen. I nämnda amerikanska patent påverkades emellertid antennens impedans av omgivningen. Den i problem- 515 984- 7 beskrivningen ovan refererade frekvensändringen som inträffade när transpondern monterades i en skidkänga av plast har sökanden funnit bero just på omgivningens påverkan av transponderns impedansegenskaper. Den berodde ej på att de reflekte- rade och direkta RF-vågorna på den dubbla grundfrekvensen var ur fas med varand- ra, vilket sökanden först förmodade. Sökanden har efter otaliga experiment och upp- ställande av olika teoretiska modeller kommit fram till föreliggande uppfinning som förklarar orsaken till den nämnda frekvensförskjutningen. l utförandet enligt Figurerna 1 och 2 är antennelementen och transmissionsledningen på en fördelaktigt sätt hopbyggda med varandra samtidigt som antenn- och anpass- ningsfunktionerna hålls separerade.

Det är det möjligt att göra antennen fysiskt liten, tex. mindre än halva våglängden för grundfrekvensen f, varvid realdelen av antennens impedans minskar och får en ökande reaktiv komponent.

Genom att anordna en transmissionsledning som impedansanpassningsorgan kan antennens impedans anpassas till diodens impedans och antennens reaktiva kom- ponent kan elimineras.

Med uppfinningen är det möjligt att dimensionera en transponder till olika yttre om- givningar och till olika storlekar samtidigt som omgivningens inverkan på transpon- dern reduceras. Genom den nämnda separeringen av antennfunktionen från an- passningsfunktionen kan den nämnda RF-effektoptimeringen åstadkommas genom att påverka transmissionsledningen, inte antennen.

Samtidigt med att dielektrikumet anordnas runt transmissionsledning-en påverkas RF- effektanpassningen. I en situation där transpondern bärs nära människokroppen tjänstgör människokroppen som en reflektor för infallande RF-effekt. l synnerhet re- flekteras av transpond-ern generierad och utsänd RF-effekt på dubbla grundfrekven- sen 2f. Denna reflekterade RF-effekt på dubbla grundfrekvensen kan, genom val av lämplig tjocklek på dielektriket 10, bringas att väsenttigen ligga i fas med av den av från transpondern direktutsträlade RF-effekten på den dubbla grundfrekvensen 2f.

Detta ökar fältstyrkan vid transpondern och är känt från den nämnda amerikanska patentet. Sådan fältstyrkeökning kombinerad med sättet att enligt föreliggande upp- finning påverka effektanpassningen med en transmissionsledning och reducera om- 934 8 sms u u I' u - n m | u o 0 I I H givningens påverkan på energitransporten i transmissionsledningen ger en transpon- der med överlägsna elektriska egenskaper.

Det bör omnämnas, att transmissionsledningen 8 kan, men behöver inte, tjänstgöra som DC-återföringsledning för av dioden likriktad RF-ström. l den ovanstående speciella beskrivningsdelen har det elektriska fältet runt transmis- sionsledningen beaktats. I det fall dielektrikumet omsluter enbart transmissionsled- ningen, men inte antennen, förekommer koppling mellan antennens närfält och an- tennens omgivning. Allmänt för antenner gäller att en antenns närfält är relaterat till våglängden. Vid frekvenserna 917 MHz och 1834 MHz år närfältet i storleksordning- en ca 6 resp. 3 cm. Nämnda koppling yttrar sig så, att antennens impedans varierar.

Som exempel kan nämnas att om antennen befinner sig nära ett elektriskt ledande föremål uppstår en impedansändring som beror av avståndet till det elektriskt ledan- de föremålet. En sådan impedansändring är ej önskvärd, ty den motverkar antennens anpassning till dioden och anpassningsnätet. Den varierande antennimpedansen skapar ett problem som är likartat det i problembeskrivningen ovan, nämligen att sökutrustningen måste avstämmas till en annan frekvens för att kunna detektera den av transpondern återutsända signalen. Såsom redan påpekats, är det inte praktiskt möjligt att utföra sådan avstämning. Uppfinningen råder bot på detta förhållande ge- nom att omsluta antennen med ett dielektrikum så utformat att omgivningens inver- kan på antennens närfält reduceras. RF-energiförlusteri antennens närfält kan därvid hållas låga, innebärande att antennens verkningsgrad blir god. Figur 8 visar att när antennen omges av ett dielektrikum koncentreras fältlinjerna inuti dielektriket, vilket innebär att större delen av den lagrade RF-energin existerar inuti dielektriket. Utanför dielektriket är fältlinjerna glesare, vilket innebär att där är energiutbytet med elektriskt ledande föremål som befinner sig i antennens närfält mycket litet. Omgivningen på- verkar således inte antennens närfälti någon större grad. Energitransporten i anten- nens fjärrfält påverkas inte av dielektriket. Det bör påpekas att fältlinjerna är symmet- riska runt symmetraxeln B-B i Figur 8 ehuru de inte utritats upptill i figuren.

Om detta dielektrikum dessutom utformas så, att den reaktiva delen av antennens impedans och den reaktiva delen av diodens och anpassningsnätets impedans tar ut varandra kommer den energi som utstrålas på den dubbla sändarfrekvensen 2f att bli maximal. Reflektorn kommer därvid att vara i resonans. Genom att omgivningens inverkan på närfältet reduceras blir antennens impedans väsentligen konstant. Re- 515 sim 9 flektorns verkningsgrad blir därvid god. Resonansfrekvensen för reflektorn avstäms inte bara till dioden utan till dioden och till dielektriket. När ett dielektrikum anbringas runt antennen sjunker reflektorns resonansfrekvens, vilket i föreliggande fall ej är önskvärt, eftersom redan existerande sökutrustningar därvid måste avstämmas till den nya resonansfrekvensen, vilket ej är önskvärt av den i beskrivningens inledning angivna orsaken. Därför skall resonansfrekvensen avstämmas till diod och dielektri- kum. Då blir den av reflektorn återutstrålade RF-energin på den dubbla grundfre- kvensen 2f maximal.

Anpassningen av de reaktiva delarna av diodens och anpassningsnätets impedanser till den reaktiva delen av antennen sker genom att variera antennens dimensioner eller genom att variera tjockleken av dielektriket eller genom en kombination av des- sa åtgärder. För en given tjocklek av dielektriket måste alltså antennens dimensioner ändras. Omvänt gäller att för en given dimension av antennen måste dielektrikets tjocklek ändras. Ökas dielektrikets tjocklek över en viss gräns medför ytterligare ök- ning av tjockleken inte att närfältet blir ännu mer oberoende av den fysiska omgiv- ningen av antennen. Vad som i detta avsnitt sagts om anpassningen gäller för ett dielektrikum med en bestämd dielektricitetskonstant. Anpassningen kan också åstad- kommas genom val av dielektrikummaterial av annan dielektricitetskonstant.

Avstämningen av antennens resonansfrekvens till diodens och anpassningsnätets impedanser sker genom att variera dimensionerna för antennen, genom att variera anpassningsnätets impedans eller genom en kombination av dessa åtgärder. För en given antennstorlek varieras anpassningsnätets impedans. För ett givet anpass- ningsnät varieras antennens dimensioner. Det är också möjligt att anpassa den reak- tiva delen av antennens impedans till de reaktiva delarna av diodens och impe- dansnätets impedanser genom att byta dioden mot en nya diod med andra elektriska egenskaper.

En antenn med ett antennen omslutande dielektrikum kan omges av ett dielektriskt material utformat på det sätt som visas i Figur 1 och 2. En sådan antenn kan också vara monterad i ett skal av dielektriskt material på det sätt som visas i Figur 4.

Claims (1)

1. ...v D.) 5'%5 984 /0 Patentkrav Passiv transponder innefattande en antenn (1, 2) i form av en metallkropp med två huvudytor och en mellan huvudytorna kopplad diod (3), vilken transponder när den träffas av RF -effekt av en första frekvens f återutstrålar RF -effekt på den dubbla fre- kvensen 2f och ett antennen omgivande dielektrikum kännetecknad av en transmis- sionsledning (8) kopplad till antennen och dioden för anpasssning av diodens impe- dans till antennens impedans, samt ett dielektrikum som omger transmissionsled- ningen och som är så beskaffat att transmissionsledningen blir väsentligen oberoen- de av omgivningen till transpondern, vilket dielektrikum som omger antennen är så beskaffat att omgivningens inverkan på antennens närfalt reduceras, samt att trans- pondern har en resonansfrekvens som är avstämd till diodens och dielektrikernas im- pedanser. Passiv transponder enligt krav l, varvid metallkropparna innefattar två huvudytor (l, 2) av en metallfolie, vilka tillsammans bildar en antenn kännetecknad av att trans- missionsledningen innefattar dels en slits (5) av förutbestämd längd och bredd an- ordnad i huvudytorna, dels huvudytpartier (8) som omger slitsen och dels en lbiyta (7; 7A, 7B) av metallfolien anordnad mellan huvudytorna (1, 2). Passiv transponder enligt krav 2, kännetecknad av att anpassningen av diodens impedans till antennens impedans med transmissionslednigen sker genom val av längd och bredd av slitsen. Passiv transponder enligt krav l, kännetecknad av att den reaktíva delen av antennens impedans är väsentligen matchad till diodens impedans och till transmis- sionsledningens impedans för att optimera transponderns elektriska egenskaper. Passiv transponder enligt krav 1, kännetecknad av att dielektrikerna är så utforma- de, att den reaktíva delen av antennens impedans tar ut den reaktíva delen av diodens och transrnissionsledningens impedanser, varvid transpondern är i resonans. Passiv transponder enligt patentkrav l, kännetecknar! av att transpondern är monterad i ett hålrum i ett dielekrikurn, som omger transmissonsledningen och an- tennen och som bildar dels nämnda dielektrikum som omger antennen och dels nämnda dielektrikum som omger transmissionsledningen.