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Der
Gegenstand der Erfindung betrifft einen Nahfeld-Reader und/oder Nahfeld-Transponder,
welcher mit einer Antenne ausgerüstet
ist bzw. mit einem Antennensystem versehen ist, welches insbesondere
für den
Fall geeignet ist, dass der Nahfeld-Transponder in oder auf einem
metallischen Objekt angebracht ist.
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Induktiv
gekoppelte Nahfeld-Reader und Nahfeld-Transpondersysteme im Frequenzbereich bis
30 MHz arbeiten nach dem Prinzip eines Transformators in welchem
je eine Sendespule im Reader und eine Empfangsspule im Transponder über ein Magnetfeld
miteinander induktiv gekoppelt sind und diese Spulen die Antennen
des Nahfeld-Readers oder Nahfeld-Transponders bilden. Hierbei wird
vom Reader Energie zum Transponder übertragen. Je nach Dimension
und Abstand des Nahfeld-Readers vom
Nahfeld-Transponder ändert
sich der Kopp lungsfaktor zwischen den Spulen und es wird mehr oder
weniger Energie zum Transponder übertragen. Zusätzlich zur
Energieübertragung
oder mit Hilfe der Energieübertragung
können
auch Daten jeweils vom Nahfeld-Reader
zum Nahfeld-Transponder oder vom Transponder zum Reader übertragen
werden.
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Passive
Transponder besitzen keine Batterie und versorgen sich ausschließlich aus
dem Feld des Readers. Eine Datenkommunikation ist somit nur möglich, wenn
ausreichend Energie aus dem Sendefeld zur Verfügung steht, d. h. der Kopplungsfaktor des
Nahfeldsystems hoch ist. In herkömmlich
induktiv gekoppelten Nahfeld-Readern und/oder -Transpondern sind
die Spulen üblicherweise
so ausgebildet, dass sie ein weitgehend homogenes Feld erzeugen.
Insbesondere sind die Antennen eines Nahfeld-Transponders so ausgestattet,
dass sie nur in einem weitestgehend homogenen Feld arbeiten. Dies erhöht in den
meisten Fällen
die Reichweite des Systems.
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Bei
der Aufbringung eines Nahfeld-Transponders auf einer metallischen
Oberfläche
oder in einem Metallgegenstand, tritt eine drastische Verschlechterung
des Kopplungsfaktors zwischen den Antennen auf. Diese Verschlechterung
ist darauf zurückzuführen, dass
ein zum Metall senkrecht stehendes Magnetfeld Wirbelströme hervorruft,
welche gemäß der Lenz'schen Regel so verlaufen,
dass sie dem Magnetfeld, welches sie hervorruft, entgegenwirken.
Aufgrund dieser Wirbelströme
können
Antennen, welche eine homogene Feldstruktur erzeugen, kein Magnetfeld
erzeugen, welches weit genug in ein Metallstück eindringen kann, um einen
Transponder anzusprechen. Abhilfe kann ein ausreichend großer Abstand
zwischen der Antenne und dem Metallstück oder der Metalloberfläche bringen.
Je wei ter die Antenne vom Metallstück entfernt ist, um so geringer
ist der Effekt der Wirbelströme
und umso höher
der Koppelfaktor. Diese Anbringungsart besitzt den Nachteil, dass
die Antenne leichter durch Fremdeinwirkung beschädigt werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Nahfeld-Reader
und/oder Nahfeld-Transponder mit einer Antenne auszustatten, welche
den Kopplungsfaktor zwischen einem Nahfeld-Reader und einem Nahfeld-Transponder, wobei eines
der beiden Nahfeldelemente auf einer metallischen Oberfläche mit
geringem Abstand zur Oberfläche
oder innerhalb eines metallischen Volumen, welches nur durch einen
Spalt zugänglich
ist und ebenfalls einen geringen Abstand zur metallischen Umgebung
aufweist, angebracht ist, erhöht.
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Die
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Antenne eines Nahfeld-Readers
oder Nahfeld-Transponders nach dem Hauptanspruch gelöst.
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Die
Antenne weist eine Hauptdetektionsrichtung und mindestens zwei Windungen
auf. Eine Windung wird als erste und eine weitere Windung wird als
zweite Windung gekennzeichnet. Des Weiteren sind die erste und die
zweite Windung aus der Hauptdetektionsrichtung betrachtet nebeneinander
angeordnet und gegeneinander gepolt, d. h. aus der Hauptdetektionsrichtung
betrachtet, fließen
die Elektronen in der ersten Windung im oder gegen den Uhrzeigersinn
und in der zweiten Windung in der dazu entgegengesetzten Richtung,
so dass die Magnetfelder der ersten und der zweiten Windung ein
geschlossenes, ringförmiges
Magnetfeld ausbilden.
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Bei
der Herstellung von Spulenanordnungen spielt auch der Begriff der
Wicklung eine Rolle. Eine Wicklung besteht dabei aus mindestens
einer oder mehreren Windungen. Eine Spule besteht aus mindestens
einer oder mehreren Wicklungen. D. h. insbesondere, dass eine sowohl
eine Spule als auch eine Wicklung immer eine Windung umfassen. Ebenso
können
zwischen der ersten und der zweiten Windung weitere Windungen angeordnet
sein.
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Die
oben beschriebene Antennengeometrie unterscheidet sich von den herkömmlichen
Antennengeometrien dadurch, dass sie im Gegensatz zu den eher homogenen
Feldern von Längsspulen
ein möglichst
stark gekrümmtes
Magnetfeld erzeugt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei Anbringung
der Antenne in einem Metallvolumen der Spalt, welcher den Zugang
zum Metallinneren ermöglicht,
sehr klein gehalten werden kann.
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Zwar
bildet jede geschlossene, stromdurchflossene Windung geschlossene
ringförmige
Magnetfeldlinien aus. Bei einer einfachen Windung oder einer Längsspule
schließen
sich die Magnetfeldlinien jedoch außerhalb der Leiterschleife.
In der Erfindung erfolgt ein „Zwangsschluss" der ringförmigen Magnetfeldlinien
in der zweiten, gegenpolarisierten Windung. Dadurch erfolgt eine „Führung" der Magnetfeldlinien
und damit einhergehend eine engerer Radius der ringförmigen Magnetfeldlinien.
Durch die Führung
der Magnetfeldlinien ist es möglich,
dass diese durch einen Spalt in der Metalloberfläche eines Metallstückes besser
eindringen können
und einen Nahfeld-Transponder mit gleicher Antenne, der in einem hinter
dem Spalt liegenden metallfreien Volumen angebracht ist, mit Energie
versorgen.
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Das
Grundprinzip der erfindungsgemäßen Nahfeld-Reader
oder Nahfeld-Transponder beruht darauf, dass aufgrund der Anordnung
der Windungen ein inhomogenes Magnetfeld mit einem gekrümmten Magnetfeldlinienverlauf
erzeugt wird, so dass das Magnetfeld weniger Wirbelströme auf einer Metalloberfläche erzeugt.
Damit erhöht
sich der Kopplungsfaktor der Übertragung
zwischen den Nahfeldelementen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist es, zwischen der ersten
und zweiten Windung weitere Windungen anzuordnen, welche so gepolt
sind, dass sie unter Stromfluss das Magnetfeld H, welches als ringförmiges Magnetfeld
die erste und zweite Windung durchdringt, verstärkt und die Magnetfeldlinien
innerhalb der Windungen führt.
Dadurch werden zudem weniger Streufelder außerhalb der Windungen erzeugt.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist es, dass die
Windungsachsen der einzelnen Windungen im Wesentlichen in einer
Ebene liegen. Die Ebene ist dadurch festgelegt, dass sie senkrecht
zur effektiven Windungsebene der ersten Windung steht und die Windungsachse
der ersten Windung beinhaltet.
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Um
die Begriffe Windungsachse und die effektive Windungsebene zu definieren,
muss der Begriff des magnetischen Schwerpunktes geklärt werden.
Der magnetische Schwerpunkt ist analog zum Massenschwerpunkt eines
Objektes definiert, in dem Sinne, dass er den Punkt im Raum repräsentiert,
an welchem die Strom durchflossene Windung das stärkste Magnetfeld
ausbildet. Dieser Punkt kann selbst für beliebig komplizierte Windungsgeometrien, z.
B. eine Windung, welche nicht komplett innerhalb einer einzigen
Ebene liegt mit Hilfe von Rechner gestützten Methoden ermittelt werden.
Die effektive Windungsebene wird so definiert, dass der Vektor des
Magnetfeldes der stromdurchflossenen Windung im magnetischen Schwerpunkt
die Normale dieser Ebene bildet und die Ebene den Schwerpunkt umfasst.
Analog dazu ist die Windungsachse so definiert, dass sie durch den
magnetischen Schwerpunkt führt
und senkrecht auf der effektiven Windungsebene steht.
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Der
Vorteil, dass alle Windungsachsen in einer Ebene liegen, liegt darin,
dass so die maximale magnetische Energie in einer Ebene, nämlich der Ebene
der Windungsachsen konzentriert wird und somit die Inhomogenität des Magnetfeldes
innerhalb dieser Ebene maximiert werden kann. Dadurch kann beim
Auslesen oder Senden von Informationen mittels eines Nahfeld-Readers oder Nahfeld-Transponders
ein hoher Kopplungsfaktor zumindest innerhalb der Ebene der Windungsachsen
geschaffen werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird dadurch realisiert,
dass die Windungen in Form einer nicht geschlossenen Toroid-Spule angeordnet
sind, wobei der Anfang der Toroid-Spule (erste Windung) der ersten
Wicklung einer planaren Spulenanordnung und das Ende der Toroid-Spule (zweite
Windung) der zweiten Wicklung einer planaren Spulenanordnung entspricht.
Durch die Antennengeometrie einer nicht geschlossenen Toroid-Spule
kann aufgrund der nahezu kreisrunden Symmetrie des durch die Windungen
erzeugten Magnetfeldes der Toroid-Spule eine weitere Steigerung
der Inhomogenität
des Magnetfeldes außerhalb
der nicht geschlossenen Toroid-Spule erreicht werden, und zwar in
dem Sektor zwischen der ersten und der zweiten Windung in welchem
die Magnetfeldlinien sich nicht innerhalb der Spule befinden, sondern
durch den windungsfreien Raum erstrecken. Die Öffnung der Toroid-Spule sollte
dabei in einer ersten Ausführung einen
Winkel zwischen 90° und
270° umfassen,
in einer weiteren Ausführung
einen Winkel zwischen 170° und
190°, in
Form eines Halbtoroids, aufweisen. Mit den unterschiedlichen Winkelbereichen
kann beispielsweise auch ein in eine Ecke eines metallischen Gegenstandes
eingelassene Antenne angesprochen werden, beziehungsweise die Antenne
in der Ecke konstruiert werden.
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Anhand
der vorgehenden Weiterbildung der Erfindung lässt sich die Hauptdetektionsrichtung
sehr bildlich beschreiben. Unter der Annahme, dass der Öffnungswinkel
des nicht geschlossenen Toroids 90° beträgt, ist die Hauptdetektionsrichtung
durch die Winkelhalbierende des offenen Segmentes gegeben. Die Spulenanordnung
in der Hauptdetektionsrichtung sollte dabei so angeordnet sein,
dass die Windungsfläche
einer auslesenden Spule senkrecht zum gekrümmten Magnetfeld der Toroid-Spule
steht.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Toroid-Spule umfasst mindestens drei
Windungen, wobei eine Windung symmetrisch zwischen der ersten und der
zweiten Windung angeordnet ist. Der Vorteil liegt hierbei darin,
dass mit einer geringen Anzahl von Windungen und einer einfach zu
realisierenden Geometrie ein Magnetfeld in kreisförmiger Form
ausgebildet wird. Die weitere Windung dient zur Führung der Magnetfeldlinien
und reduziert dadurch die Streufelder außerhalb der Spule. Dadurch
wird der Kopplungsfaktor erhöht.
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Für niedrige
Frequenzen (125 kHz) kann es sinnvoll sein die Toroid-Spule mit
einem permeablen Kern zu füllen,
um die magnetische Flussdichte in der Spule zu erhöhen.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gegeben,
dass mindestens die erste und die zweite Windung aus der Hauptdetektionsrichtung
betrachtet achtförmig
zueinander angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die
Windungen sowohl durch einzelne Leiterbahnen als auch durch eine
einzelne Leiterbahn, welche achtförmig geformt ist, ausgebildet
werden. Der Vorteil liegt darin, dass unter minimalem Materialaufwand
und durch einfache Konstruktionsweise eine Antenne zur Ausbildung
eines "geführten" ringförmigen Magnetfeldes
geschaffen wird.
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Weiterhin
vorteilhaft ist die Ausbildung der Windungen als zwei S-Formen,
wobei diese zu einer achtförmigen
Struktur verbunden werden und beide Hälften z. B. auf zwei verschiedenen
Ebenen einer Leiterplatte ausgeführt
sind.
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Auch
ist die vorteilhafte Weiterbildung sinnvoll, dass die erste Windung
als Teil einer Spirale ausgebildet ist und auch die zweite Windung
als Teil einer weiteren Spirale ausgebildet ist. Aus der Hauptdetektionsrichtung
betrachtet sind nunmehr nicht nur die erste und die zweite Windung
nebeneinander angeordnet, sondern auch die erste Spirale, welche
die erste Windung umfasst, und die zweite Spirale, welche die zweite
Windung umfasst, wobei die beiden Spiralen gegeneinander gepolt
sind. Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die
Antennenvorrichtung möglichst
flach sein soll (wie es bei Nahfeldsystemen häufig der Fall ist), so dass
eine Verstärkung
des Magnetfeldes nicht durch die Anordnung weiterer Windungen in
der Tiefe, sondern nur innerhalb im Wesentlichen einer Ebene erfolgen kann.
Dabei wird durch den zunehmenden Radius innerhalb der Windungen
der Spirale der magnetische Schwerpunkt der Spirale im günstigsten
Fall in der Mitte der ersten Windung, welche die innerste Windung
der Spirale darstellt, ausgebildet.
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Auch
für die
weiteren vorhergehenden vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung
ist es von Vorteil, wenn zumindest die erste und die zweite Windung
in derselben Ebene liegen.
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Für eine besonders
einfache Anordnung ist es sinnvoll die Antenne aus genau zwei Windungen aufzubauen.
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Bei
der geometrischen Form der Windungen selber ist es besonders vorteilhaft,
wenn diese kreisförmig
geschieht. Da mit einer solchen Symmetrie der magnetische Schwerpunkt
im Kreismittelpunkt der Windung liegt, gesetzt dem Falle, dass der
Kreis innerhalb einer Ebene liegt. Auch die Ausbildung der Windung
als ein Polygon, insbesondere eines Rechteckes kann, abhängig von
der Aufgabe oder dem Einsatz des Nahfeld-Readers vorteilhaft sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung
der Antenne ist dadurch gegeben, dass durch mindestens die erste
und die zweite Windung ein Träger
gebildet wird, mit welchem die Antenne an einem anderen Gegenstand
befestigt wird. Bei dieser Trägerform werden
die erste und zweite Windung durch z. B. Verkleben oder Verschmelzen
mit einer Oberfläche
an dieser befestigt, so dass die Antenne ihren eigenen Träger bildet.
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Eine
in der Praxis sinnvolle Ausführung
ist es, mindestens die erste und zweite Windung auf einem geson derten
Träger
anzubringen, wobei dieser Träger
wiederum mit einem Gegenstand befestigt wird. Dies ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn der Träger
entweder durch eine Leiterplatte oder durch eine biegsame Folie
gebildet wird.
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Wie
bereits in der Einleitung beschrieben, findet die Antenne insbesondere
auf metallischen Oberflächen
oder innerhalb eines Metallgegenstandes Anwendung. Die vorteilhafte
Weiterbildung der Erfindung besteht darin, sie auf einer metallischen Oberfläche zu befestigen
oder innerhalb eines Metallgegenstandes, welcher einen dielektrischen
oder permeablen Spalt aufweist oder in einem dielektrischen oder
permeablen Spalt selbst anzubringen.
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Besonders
vorteilhaft wird die Antenne dort eingesetzt, wo ein Nahfeld-Transponder
durch einen Nahfeld-Reader angesprochen wird und zumindest eines
der beiden Systeme mit einer Antenne gemäß der vorhergehenden Weiterbildungen
ausgestattet ist, welche unter Stromfluss ein inhomogenes ringförmiges Magnetfeld
generiert, wobei der Transponder auf einer metallischen Oberfläche oder
in einem dielektrischen oder permeablen Spalt angebracht ist oder
derart in einem Metallkörper
angebracht ist, dass er von außen
durch einen dielektrischen oder permeablen Spalt der wesentlich
kleiner ist als die Abmessungen des Transponders selbst, zugänglich ist
und nach dem Aufbau einer induktiven Kopplung eine vordefinierte
Abarbeitung von Befehlen durch den Transponder erfolgt. Der Vorteil
innerhalb dieses Verfahrens besteht darin, dass durch die Antennengeometrie
ein höherer
Kopplungsfaktor auf Metallflächen
im Vergleich zu den bislang eingesetzten Antennengeometrien in Nahfeld-Readern und/oder Nahfeld-Transpondern
geschaffen wird.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren
abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
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Im
folgenden soll anhand von Ausführungsbeispielen
und erläuternden
Figuren die Erfindung näher
beschrieben werden. In den Figuren ist zu sehen:
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1 Nahfeldantenne
nach dem Stand der Technik,
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2 Ausführung einer
erfindungsgemäßen Antenne
und deren Wirkung,
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3a,
b, c, d Verschiedene Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Antenne,
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4a,
b Ausführung
der erfindungsgemäßen Antenne
als Toroid-Spule,
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5a,
b, c Funktionsweise im Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Antenne.
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In 1 wird
der Stand der Technik für
Antennen oder Antennensysteme bei Nahfeldsystemen beschrieben. Zu
sehen ist eine Spule 1, welche unter dem Stromfluss in
Pfeilrichtung, ein Magnetfeld 2 ausbildet, welches insbesondere
in der Spulenmitte 201 homogen, d. h. gleichförmig und
gleichgerichtet, verläuft.
Eine wesentliche Krümmung
des Magnetfeldes 2 entlang der Magnetfeldlinien 201 findet
erst in größerer Entfernung
von der Spule 1 statt. Beim Eindringen des Magnetfeldes
in einen metallischen Körper 3 durch
einen dielektrischen oder permeablen Spalt 4, dringt das
Magnetfeld 2 tief in den Spalt ein, krümmt sich an der Stelle 202 am
stärksten,
kann aber aufgrund der insgesamt geringen Krümmung des Magnetfeldes nicht wieder
durch den Spalt entweichen, sondern trifft auf die metallische Oberfläche 3 und
erzeugt dort Wirbelströme 301,
welche ein Magnetfeld erzeugen, welches dem Magnetfeld 2 entgegenwirkt
(Lenz'sche Regel).
Aus 1 wird verständlich,
warum die hier dargestellte Spule 1 oder eine andere Ausführung in
Form einer Längsspule keine
Verbesserung des Kopplungsfaktors in der Nähe metallischer Oberflächen bewirkt,
sondern nur eine Verstärkung
der Homogenität
des Magnetfeldes 201 und der daraus resultierenden Reichweite
des Magnetfeldes hervorruft, wodurch die generierten Wirbelströme 301 noch
stärker
werden.
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Des
Weiteren ist die Hauptdetektionsrichtung HDR gekennzeichnet. Bei
einer Spule 1 oder einer Längsspule ist die Hauptdetektionsrichtung
durch die Spulenachse definiert.
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Mit
Hilfe des Ausführungsbeispiels
in 2 soll anhand einer einfachen Antennengeometrie
demonstriert werden, wie die schematische erfindungsgemäße Antennengeometrie
eine Verbesserung des Kopplungsfaktors zwischen einem Nahfeld-Reader und
einem, auf einer Metalloberfläche
oder in einem dielektrischen oder permeablen Spalt angebrachten, Nahfeld-Transponder
bewirkt. Zu sehen ist die erste Windung 11 und die zweite
Windung 12 (in diesem Falle als Antenne eines Nahfeld-Readers
oder aktiven Nahfeld-Transponders dargestellt), welche gegeneinander
gepolt sind, was durch die, in den Windungen 11 und 12 eingezeichneten,
Pfeile dargestellt ist. Unter Stromfluss bilden die Windungen ein
Magnetfeld 2 aus, welches eine ringförmige Form aufweist und sowohl
die erste Windung 11 und die zweite Windung 12 durchsetzt.
Dabei ist zu beachten, dass aufgrund des starken Gradienten und
der starken Krümmung
des Magnetfeldes 2, ein in homogenes Magnetfeld ausgebildet
wird. Dies ist durch die zwei eingezeichneten exemplarischen Magnetfeldlinien 211 und 212 angedeutet:
Die Magnetfeldlinie 211 durchstößt die Windungen 11 und 12 nahezu
mittig und weist eine Stärke
auf, welche größer ist
als die Stärke
der Magnetfeldlinie 212 in den Windungsebenen. Hierbei
durchstößt die Magnetfeldlinie 212 auch die
erste Windung 11 und zweite Windung 12, allerdings
liegen die Durchstoßungspunkte
durch die Windungsebenen der ersten und zweiten Windung 11 und 12 nicht
mittig, sondern näher
am Windungsrand A, A'.
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In 2 sind
die Windungen 11 und 12, jeweils für sich betrachtet,
in einer Ebene ausgeführt, d.
h. die effektiven Windungsebenen der Windungen 11 und 12 umfassen
die Windungen jeweils komplett. Die Windungsachsen der Windungen 11 und 12 liegen
in 2 in derselben Ebene, wobei die Ebene der Windungsachsen
senkrecht zur effektiven Windungsebene der Windungen 11 und 12 steht.
In 2 ist die Ebene der Windungsachsen die Blattebene.
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Die
Hauptdetektionsrichtung HDR ist in 2 eingezeichnet.
Allerdings ist die Hauptdetektionsrichtung bei der dargestellten
Ausführungsform der
Antenne in 2 nicht eindeutig definiert.
Die Hauptdetektionsrichtung liegt entweder in der eingezeichneten
Richtung oder in der dazu entgegengesetzten Richtung. Verallgemeinert
kann man sagen, dass die Hauptdetektionsrichtung bei jeder rotationssymmetrischen
Anordnung der Windungen nicht eindeutig festgelegt ist. Das bedeutet
im Falle von 2 Windungen eine Rotationssymmetrie von 180°, im Falle
von 3 Windungen eine Rotationssymmetrie von 120°, usw. In Antennengeometrien
ohne Rotationssymmetrie kann die Hauptdetektionsrichtung eindeutig
festgelegt werden. Die Hauptdetekti onsrichtung liegt hierbei auf
der Winkelhalbierenden zwischen der ersten Windung 11 und
der zweiten Windung 12.
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Im
folgenden soll darauf eingegangen werden wie es die Antennengeometrie
der Windungen 11 und 12 erlaubt einfache Gesetzmäßigkeiten
der Physik zur Hilfe zu nehmen, um einen besseren Kopplungsfaktor
zwischen einem Nahfeld-Reader und Nahfeld-Transponder, wobei sich
der Nahfeld-Transponder auf einer Metalloberfläche 3 oder in einem
dielektrischen oder permeablen Spalt 4 befindet, zu erzeugen.
Aufgrund der starken Krümmung der
Magnetfeldlinien 211 und 212 können diese sowohl in den Spalt
eindringen als auch wieder austreten, so dass das Integral des Magnetfeldes über die Spaltfläche gleich
null ist. Das bedeutet, dass es energetisch oftmals günstiger
ist, durch eine geringe Anpassung der Krümmung der Magnetfeldlinie den Spalt
wieder zu verlassen, als durch eine weitere Aufkrümmung des
Magnetfeldes eine Magnetfeldlinie zu haben, welche senkrecht auf
der metallischen Oberfläche
steht und daher Wirbelströme
hervorruft. Selbst wenn einige der Magnetfeldlinien, in diesem beispielhaften
Falle die Magnetfeldlinie 212, aufgebogen werden und senkrecht
auf der Metalloberfläche
stehen, so ist es immer noch möglich
das die Magnetfeldlinie 211 in den Spalt eindringt, da
der Radius der Magnetfeldlinie 211 kleiner als der der
Magnetfeldlinie 212 ist. Dies ist also nur aufgrund der
starken Inhomogenität
des ringförmigen
Magnetfeldes möglich.
Hierbei sei noch darauf hingewiesen, dass ringförmig keineswegs eine Beschränkung auf
ein kreisrundes Magnetfeld bedeuten muss, sondern auch ellipsenförmige Magnetfeldlinien
einschließt.
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Aufgrund
der stärkeren
Krümmung
kann eine Erhöhung des
Kopplungsfaktors hervorgerufen werden, da bei geeignetem Abstand
der Windungen 11 und 12 zueinander und geeignetem
Spalt 4 die Magnetfeldlinien 211 und 212 wie
oben beschrieben, eine Kopplung zwischen einem Nahfeld-Reader und einem
Nahfeld-Transponder ohne Wirbelstromverluste geschaffen wird.
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In
den 3a, 3b, 3c und 3d sind
verschiedene Ausführungsformen
für einen Nahfeld-Reader
oder Nahfeld-Transponder
gegeben.
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In
der 3a wird eine Antenne gezeigt, welche aus der Hauptdetektionsrichtung
betrachtet achtförmig
ausgebildet ist und durch die zwei Windungen 11 und 12 gebildet
wird. Die beiden Windungen können
entweder durch eine gemeinsame oder durch zwei getrennte Leiterbahnen
realisiert werden. Wichtig hierbei ist nur, dass die Windungen 11 und 12 aus
der Hauptdetektionsrichtung betracht gegeneinander gepolt sind,
wie es in 3a durch die Pfeile angedeutet
ist. Hierbei ist klar zu erkennen, dass die Windungen 11 und 12 jeweils
kreisförmig
ausgebildet sind. Des Weiteren ist auch eine polygone und insbesondere
rechteckige Ausführung
der Windungen möglich.
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In 3b wird
eine vorteilhafte Weiterbildung der Anntennenform der 3a dargestellt. Hierbei
sind zwei Wicklungen 110 und 120, welche aus mehreren
Windungen aufgebaut sind dargestellt, wobei die erste Windung 11 und
die zweite Windung 12 die innerste Windung der jeweiligen
Wicklung sind und in die äußerste Windung
der jeweils anderen Wicklung übergehen.
Es ist zu erkennen, dass die Wicklungen aus zwei S-förmigen Elementen 111 und 121 aufgebaut
sind, welche über
die Verbindungselemente 1100 und 1200 zu einer
Achtform verbunden werden. Dabei können bei spielsweise die beiden Elemente 111 und 121 auf
unterschiedlichen Lagen, die beispielsweise als Folien ausgebildet
sind, einer Leiterplatte befestigt werden und mit Kontaktierungen 1100 und 1200 verbunden
werden, damit Strom durch die Windungen geleitet werden kann und
ein ringförmiges
Magnetfeld ausgebildet wird.
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In
der 3c ist eine andere Antennengeometrie dargestellt.
Die Antenne besteht aus zwei Spiralen 110 und 120,
welche aus einer einzigen Leiterbahn ausgebildet sind. Die beiden
Spiralen 110 und 120 sind dabei über die
Stelle 130 miteinander verbunden. Des Weiteren ist die
erste Windung 11 und die zweite Windung 12 sichtbar,
welche jeweils die innerste Windung der jeweiligen Spiralen 110 und 120 bilden.
Bei Anschluss einer Stromquelle fliesst Strom entlang der Windung 11 entlang
der Spule 110 und über
die Verbindung 130 in die Spirale 120 und letztendlich
in die Windung 12. Dabei werden die Spiralen 110 und 120 von
den Stromträgern
in entgegengesetzter Richtung durchlaufen.
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Die
in 3c dargestellte Antennenform kann mit Hilfe einer
sehr flachen Anordnung der Windungen realisiert werden. Das ringförmige Magnetfeld
der Windungen 11 und 12 wird hierbei durch die zusätzlichen
Windungen der Spiralen 110 und 120 verstärkt, wobei
der magnetische Schwerpunkt einer jeden Spirale im angestrebten
günstigen
Fall innerhalb der Windungsmitten der Windungen 11 und 12 liegt.
Durch die zusätzlichen
Windungen der Spiralen 110 und 120 verstärkt sich
der ringförmige
Charakter des ausgebildeten Magnetfeldes mit zunehmender Krümmung und
Inhomogenität.
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In 3d ist
eine weitere einfache Antennengeometrie dargestellt. Hierbei ist
eine zusätzlich zur
ersten Windung 11 und zur zweiten Windung 12, weitere
Windung 13 angebracht, welche sich symmetrisch zwischen
der ersten und zweiten Windung befindet. Die drei Windungen 11, 12, 13 werden
in den mit Pfeilen gekennzeichneten Richtungen von Strom durchflossen,
derart, dass die zusätzliche
Windung 13 das ringförmige
Magnetfeld der ersten Windung 11 und zweiten Windung 12 verstärkt. Dies
bedeutet insbesondere, dass es ringförmige Magnetfeldlinien gibt,
welche alle drei Windungsebenen durchstossen.
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In 4a wird
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
der Antennengeometrie dargestellt. Die Antenne bzw. Spule 200 ist
in Form eines nicht-geschlossenen
Toroids ausgebildet, wobei die erste Windung 11 den Anfang
und die zweite Windung 12 das Ende der nicht-geschlossenen
Toroid-Spule bildet. Geschlossene Toroid-Spulen bilden in ihrem
Inneren ein Magnetfeld, welches im Außenbereich der Spule nahezu
null ist, da die Magnetfeldlinien nicht aus der Spule entweichen
können.
Sie werden insbesondere in solchen Fällen eingesetzt, in welchen
zwar ein Magnetfeld erzeugt werden soll, dieses jedoch von seiner
Umwelt stark abgeschirmt ist.
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Eine
nicht-geschlossene Toroid-Spule bildet im Aussenraum ein stark gekrümmtes Feld
aus, welches aus der ersten oder zweiten Windung austritt und, um
die Magnetfeldlinien wieder zu schliessen, am anderen Ende der Spule
wieder eintritt. Das Magnetfeld im Aussenraum ist stark inhomogen
und gekrümmt
und ist daher als Antennenstruktur gemäß der eingangs formulierten
Aufgabe der Erfindung eines Nahfeld-Readers oder Nahfeld-Transponders geeignet.
Insbesondere durch die Verwendung einer zweiten nicht-geschlossenen Toroid-Spule
auf der entgegengesetzten Nahfeld-Transponderseite oder Nahfeld-Readerseite
kann eine geschlossene Toroid-Spule mit einem Spalt erzeugt werden.
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Abhängig von
der Anwendung der Spule können
verschiedene Öffnungswinkel
des nicht-geschlossenen Sektors der Toroid-Spule verwendet werden.
Die Öffnungswinkel
können
zwischen 90° bis
270° betragen,
vorteilhafter Weise wird jedoch ein Öffnungswinkel von 170° bis 190° angestrebt,
d. h. ein Halbtoroid.
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Die
halbtoroidförmige
Antennenstruktur wird insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt,
wenn sowohl der Nahfeld-Reader als auch der auf einer Metalloberfläche oder
in einem durch einen dielektrischen oder permeablen Spalt geschlossenen
Metallkörper
oder in einem dielektrischen oder permeablen Spalt einer Metalloberfläche aufgebrachten
Nahfeld-Transponder eine solche Antennenstruktur aufweisen. Dies
erhöht
den Kopplungsfaktor in hohem Maße.
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In 4b wird
eine Anordnung einer Toroid-Spule 200 und einer einfachen
Spule 21 gezeigt. Um einen magnetischen Fluß durch
die Spule 21 zu erhalten, müssen die Magnetfeldlinien 2 der
Toroid-Spule 200 die Windungsfläche 22 der Spule 21 durchsetzen.
Der maximale magnetische Fluß ergibt sich,
wenn das Magnetfeld 2 die Windungsfläche 22 senkrecht durchsetzt.
Durch die Verwendung einer Toroid-Spule statt der einfachen Spule 21,
deren sämtliche
Windungen aufgrund der geometrischen Form bei geeigneter Ausrichtung
immer senkrecht zum Magnetfeld stehen, lässt sich aufgrund der höheren Windungszahl
eine größere Spannung
in der Spule induzieren.
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Auch
für die
anderen in den Ansprüchen
beschriebenen Antennengeometrien für Nahfeldsysteme ist es vorteilhaft,
wenn sie sowohl im Nahfeld-Reader als auch im Nahfeld-Transponder
eingesetzt werden.
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In
den 5 wird auf die Funktionsweise
einer Antenne eingegangen, welche in einem Metallkörper, welcher über einen
Spalt 4 zugänglich
ist, angeordnet ist. In 5 erzeugt
eine nicht dargestellte Antenne, vorzugsweise eine erfindungsgemäße Antenne,
ein Magnetfeld 2. Die Richtung des Magnetfeldes 2 in
die Zeichenebene ist gemäß Lehrbuchkonvention
durch einen Kreis mit einem Punkt markiert, die Richtung aus der
Zeichenebene heraus durch einen Kreis mit Kreuz markiert. Die abgebildete
Antenne in den 5 zeigt eine Wechselwirkung
mit der nichtdargestellten Antenne über das Magnetfeld 2 auf.
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In 5a ist
die Spule 21 vom durch den Spalt 4 ragenden Magnetfeld 2 zweimal
durchsetzt. Da die Polarisation jedoch in unterschiedliche Richtungen
zeigt, ist der magnetische Fluß durch
die Spule gleich Null und es wird keine Spannung in der Spule 21 induziert.
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In 5b ist
die Spule 21 vom durch den Spalt 4 ragenden Magnetfeld 2 nur
einmal durchsetzt. Dadurch wird in der Spule 21 eine Spannung induziert.
Dabei ist die induzierte Spannung maximal, wenn das Magnetfeld 2 die
Spule 21 senkrecht durchsetzt.
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In 5c wird
eine erfindungsgemäße Antenne
mit zwei Windungen 11 und 12 eingesetzt. Beide
Windungen werden vom durch den Spalt 4 ragenden Magnetfeld 2 mit
jeweils unterschiedlicher magnetischer Polarisation durchsetzt und
es wird, im Vergleich zur Dar stellung in 5b, eine
höhere
Spannung induziert, was mit einem besseren Koppelfaktor gleichzusetzen
ist. Eine erfindungsgemäße Antenne kann
diese Aufgabe effizienter erfüllen
als gewöhnliche
Spulenantennen. Dies liegt unter anderem daran, dass das Magnetfeld
einer Nahfeld-Readerantenne in der Nahfeld-Transponderantenne geschlossen wird.
Die starke Krümmung
lässt sich
am besten durch eine Kombination zweier erfindungsgemäßer Antennen
realisieren.