DE19715215C1

DE19715215C1 - Kontaktloses Transpondersystem

Info

Publication number: DE19715215C1
Application number: DE1997115215
Authority: DE
Inventors: Robert Reiner; Peter Dr Striegel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2017-04-12
Also published as: WO1998047094A2; WO1998047094A3

Description

Die Erfindung betrifft ein kontaktloses Transpondersystem ge mäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein solches kontaktloses Transpondersystem ist z. B. in DE 195 01 004 A1 beschrieben. Das Transpondersystem, das beispiels weise ein Schlüssel-Schloßsystems einer Kfz-Schließanlage sein kann, wird dadurch gegen Mißbrauch gesichert, daß zur Verifizierung von geheimen, gerätespezifischen Codes, eine bidirektionale Datenübertragung zwischen Transponder und Kopfstation mittels kryptologischer Protokolle erfolgt, d. h. die Übereinstimmung der geräteinternen Codes zwischen Kopfstation und Transponder wird durch Austausch verschlüs selter Nachrichten überprüft und verifiziert.

Aus DE 35 37 319 A1 ist eine Anlage bekannt zum Aussenden hochfrequenter, elektromagnetischer Signale. Zur Reduzierung des Fernfeldes einer Rahmenantenne auf ein Minimum wird in einer der Windungen der Rahmenantenne eine besonders dimensio nierte Kondensatoranordnung eingesetzt.

Kontaktlose Transpondersysteme gewinnen, vor allem in Gestalt kontaktloser Chipkarten zunehmend beispielsweise in Verbin dung mit Sicherheitssystemen an Interesse. Ein wesentliches Merkmal dieser Systeme ist die kontaktlose Schnittstelle, die auch als kontaktloses Interface bezeichnet wird. Über diese Schnittstelle wird kontaktlos Energie von der Kopfstation auf den kontaktlosen Transponder übertragen. Außerdem dient diese Schnittstelle zur Übertragung von Information zwischen der Kopfstation und dem kontakt- und batterielosen Transponder. Für Abstände zwischen dem Endpunkt der Kopfstation und dem Transponder von typischerweise bis zu einem Meter erfolgt die Übertragung von Energie und Information im allgemeinen über ein Magnetfeld. In diesem Fall spricht man von einem magne tisch gekoppelten kontaktlosen Transpondersystem.

Zur Erzeugung des Magnetfelds für die Übertragung von Energie und Information von der Kopfstation zum Transponder ist am Endpunkt der Kopfstation eine auf den jeweiligen Anwendungs fall bzw. für die jeweilige Einsatzumgebung angepaßte Spule vorgesehen, die als Energie- und Sendespule (nachfolgend Energie-/Sendespule genannt) dient.

Die Energie-/Sendespule des kontaktlosen Transpondersystems unterliegt zum einem Zulassungsbestimmungen der einschlägigen nationalen und internationalen Zulassungsbehörden hinsicht lich einer Begrenzung der Feldstärken wie andererseits einer Selbstverpflichtung der Hersteller bezüglich der Bereitstel lung menschen-/umweltverträglicher Geräte zur Geringhaltung einer Belastung durch sogenannten "Elektrosmog". Die zulässi gen Feldstärkenwerte sind in Deutschland durch die Anforde rungen der Funkzulassung (z. B. ETS 300330) bzw. durch die Be dingung der medizinischen Unbedenklichkeit der erzeugten Feldstärken (Human Exposure (z. B. ENV 50166-2, DIN VDE 0848- 2)) bestimmt. Während die geforderte medizinische Unbedenk lichkeit der erzeugten Felder Anforderungen an die maximal zulässigen Feldstärken im gesamten Raum, und damit insbeson dere auch in unmittelbarer Nähe der Energie-/Sendespule stellt, legen die Funkzulassungen die maximale zulässige Feldstärke in einem verglichen mit den Abmessungen der allge mein üblichen Anordnungen von Energie-/Sendespulen relativ großen Abstand fest. Das Unterschreiten der für die medizini sche Unbedenklichkeit festgelegten Grenzwerte bereitet im allgemeinen allenfalls in unmittelbarer Umgebung des Leiters der Energie-/Sendespule ein Problem, während das Unterschrei ten der Grenzwerte der Funkzulassung, wesentlich problemati scher ist und die eigentliche Zulaßbarkeit festlegt.

Durch den Energiebedarf des kontaktlosen Transponders einer seits und die Bedingungen der maximal zulässigen Feldstärken andererseits wird, insbesondere bei festgelegter Transponder konfiguration, die Funktionsreichweite des gesamten kontakt losen Transpondersystems begrenzt.

Vielfach besteht der Wunsch, die durch das kontaktlose Trans pondersystem erzielbare maximale Reichweite zu vergrößern, d. h. das räumliche Gebiet in dem zuverlässig eine Funktion gewährleistet ist, zu erweitern. Dieser Wunsch steht in un mittelbarer Konkurrenz zur Absenkung des Energiebedarfs des Transponders, der heutzutage bereits soweit abgesenkt ist, wie dies aus technologischen Gründen möglich ist. Anderer seits ist eine Leistungserhöhung zu Erweiterung des Funk tionsumfangs des kontaktlosen Transpondersystems durch eine Änderung der Transponderkonfiguration, d. h. insbesondere durch eine Vergrößerung der Empfangsspule des Transponders in die Praxis nicht umsetzbar, weil auch hier bereits sämtliche Reserven ausgeschöpft sind bzw. die Chipkartenabmessungen ge mäß ISO 7816-1 festgelegt und nicht ohne weiteres änderbar sind.

Die Erzeugung höherer magnetischer Feldstärken mittels der herkömmlichen, allgemein üblichen Energie-/Sendespulen und damit einer Erweiterung des Funktionsumfangs des Transponder systems ist andererseits nicht statthaft, da die durch die vorstehend aufgezeigten Anforderungen (Funkzulassung, Human Exposure) vorgegebenen Grenzwerte im allgemeinen bereits vollständig ausgenützt sind.

Eine ideale Energie-/Sendespule ist eine solche, die in einem definierten räumlichen Gebiet die zum Betrieb des Transpon ders bzw. die zum Datenaustausch mit dem Transponder notwen dige magnetische Feldstärke so erzeugt, daß in diesem Gebiet die Feldstärke möglichst homogen ist, während außerhalb von diesem Gebiet möglichst weder magnetische noch elektrische Felder erzeugt werden, d. h. insbesondere keine Energie in Form eines elektromagnetischen Wellenfelds mit Fernfeldwir kung abgestrahlt wird. Ein Material zur Trennung zwischen dem räumlichen Gebiet, in welchem die Funktion des kontaktlosen Transpondersystems gewährleistet sein soll und dem restlichen Raum außerhalb dieses Gebiets steht nicht zur Verfügung.

Die bei der eingangs genannten DE 35 37 319 vorgesehene Kon densatoranordnung ist deswegen problematisch, weil Kondensato ren in die Wicklungen der Sende-/Empfangsspule bzw. -antenne eingeschleift werden müssen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht angesichts dieses Standes der Technik darin, ein kontaktloses Transpon dersystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, dessen Fernfeldwirkung so stark wie möglich verrin gert ist, ohne die beabsichtigte Nahfeldwirkung ungünstig zu beeinflussen, wobei auf die Beschaltung mit zusätzlichen Kon densatoren verzichtet werden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Demnach sieht die Erfindung im wesentlichen eine oder mehrere Kompensationsspulen, die an die Energie-/Sendespule gekoppelt sind, vor, um deren Fernfeldkomponenten so stark wie möglich abzuschwächen.

Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Maßnahme darin, daß beabstandet zur Energie-/Sendespule wenigstens eine Kompensa tionsspule angeordnet ist, wobei die Stromflußrichtung durch die Kompensationsspule entgegengesetzt zur Stromflußrichtung in der Energie-/Sendespule gewählt ist, und daß der Abstand zwischen Energie-/Sendespule und Kompensationsspule so ge wählt ist, daß die Wirksamkeit der Energie-/Sendespule im räumlichen Gebiet, der für den Betrieb des kontaktlosen Transpondersystems vorgesehene ist, im wesentlichen keine Kompensation der Feldkomponenten und im Fernfeld eine Kompen sation der Feldkomponeten erreichbar ist.

Die Kompensationsspule weist wenigstens eine Windung zur Er zeugung von Fernfeldkomponenten zur Kompensierung der Fern feldkomponenten der Energie-/Sendespule auf, und besonders bevorzugt mehrere derartige Windungen.

Zur Optimierung der erfindungsgemäß vorgesehen Kompensation von Fernfeldkomponenten der Energie-/Sendespule können auch mehrere Kompensationsspulen vorgesehen werden, wobei folgende Beziehung zwischen der Energie-/Sendespule und der bzw. den ihr zugeordneten Kompensationsspule(n) gilt:

wobei A₁ die von der Energie-/Sendespule umschlossene Fläche bezeichnet, wobei W₁ die Windungszahl der Energie-/Sendespule bezeichnet, I₁ den von der Energie-/Sendespule geführten Strom bezeichnet, A_2n, W_2n und I_2n die entsprechende Fläche, Windungszahl und den entsprechenden Strom der n-ten Kompensa tionsspule bezeichnen, und mit k die Anzahl der Kompensati onsspulen bezeichnet ist.

Um die Wirksamkeit der Energie-/Sendespule im räumlichen Ge biet, der für den Betrieb des kontaktlosen Transpondersystems vorgesehen ist, möglichst nicht oder zumindest wenig zu stö ren, ist die Kompensationsspule unter einem vorgegebenen Ab stand von der Energie-/Sendespule angeordnet, wobei dieser Abstand beispielsweise empirisch optimiert wird.

Das von der Kombination aus Energie-/Sendespule und Kompensa tionsspule(n) erzeugte Fernfeld wird durch die vorstehend an geführten erfindungsgemäßen Maßnahmen minimiert (Näherung "tiefe Frequenzen"), wobei die Kompensationswirkung vergli chen mit den Abmessungen dieser Spulenkombination in relativ geringerer Entfernung von dieser Kombination einsetzt.

Grundsätzlich bestehen zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Realisierung der Kompensationsspule(n), nämlich einer seits durch eine induktive Ankopplung der Kompensationsspule an die Energie-/Sendespule und andererseits durch eine galva nische Verbindung dieser beiden Spulen, die im übrigen bevor zugt allgemein kreisförmig gebildet sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel haft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kombination aus Ener gie-/Sendespule und Kompensationsspule mit galvani scher Ankopplung und koplanarer Anordnung der beiden Spulen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kombination aus Energie-/Sendespule und Kompensationsspule mit induk tiver Kopplung und koplanarer Anordnung der beiden Spulen,

Fig. 3 eine Kombination aus Energie-/Sendespule und vier Kom pensationsspulen mit galvanischer Kopplung und ko planarer Anordnung der Spulen, und

Fig. 4 eine Kombination aus Energie-/Sendespule und Kompensa tionsspule mit axial versetzter Anordnung und galvani scher Kopplung der Spulen.

In Fig. 1 ist die Energie-/Sendespule allgemein mit der Be zugsziffer 1 bezeichnet, während die ihr zugeordnete Kompen sationsspule allgemein mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist. Die Spulen 1 und 2 haben beide Kreisform, liegen konzentrisch z. B. in einer gemeinsamen Ebene und sind galvanisch miteinan der gekoppelt, wobei die Kompensationsspule 2 einen größeren Durchmesser hat als die Energie-/Sendespule 1. Die Konfigura tion der Spulen 1, 2 ist so getroffen, daß sie aus einer durchgehenden Drahtschleife gebildet sind, beginnend beim Aufgabepunkt 3 (9-Uhr-Position) der Energie-/Sendespule 1. An den Aufgabepunkt 3 schließt sich im Gegenuhrzeigersinn ver laufend eine 540°-Windung an, die bei 4 (3-Uhr-Position) ra dial nach außen geführt ist und im Gegenuhrzeigersinn erneut um 540° fortgesetzt ist, um daraufhin bei (3-Uhr-Position) 5 radial einwärts in den Bereich der Spule zu verlaufen, wo sie im Gegenuhrzeigersinn wiederum um 540° zum Aufgabepunkt 6 (9- Uhr-Position) zurückgeführt ist. Durch diese Konfiguration ist eine Energie-/Sendespule 1 mit drei Windungen und eine Kompensationsspule mit zwei Windungen gebildet, wobei die Windungen in den beiden Spulen 1, 2 so geführt sind, daß in ihnen entgegengesetzte Ströme fließen, wie durch Pfeile A und B schematisch gezeigt, so daß die Fernfeldwirkung der Spule 1 durch die Fernfeldwirkung der Spule 2 kompensiert wird.

Für die Anordnung von Fig. 1 gilt in Gleichung (1) W₁ = 3, W₂ = 2, und R₂ ≈ 1,22 × R₁.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Kombination aus Ener gie-/Sendespule und Kompensationsspule mit induktiver Kopp lung. Zu diesem Zweck ist die wiederum mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete kreisförmige Energie-/Sendespule 1 konzentrisch innerhalb der kreisförmigen Kompensationsspule 2 angeordnet, und der über die Aufgabepunkte 3, 6 in die Energie- /Sendespule 1 eingespeiste Strom wird induktiv auf die um fanggrößere Kompensationsspule 2 übertragen, in welcher ein Zweipol ZP angeordnet ist. Mit Hilfe des Zweipols ZP kann der Strom in der Kompensationsspule 2 für bestmögliche Kompensa tion im Fernfeld eingestellt werden.

Für die Anordnung von Fig. 2 gilt in Gleichung (1) W₁ = W₂ = 1.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer galvanischen Kopplung von Energie-/Sende- und Kompensationsspulen, und zwar einer Energie-/Sendespule 1 mit vier Kompensationsspulen 7, 8, 9, 10, die allgemein mit der Bezugsziffer 11 gemeinsam bezeichnet, kreuzartig radial außerhalb von der zentral ange ordneten Energie-/Sendespule in einer gemeinsamen Ebene mit dieser angeordnet sind, untereinander gleich große Durchmes ser, deutlich kleiner als der Durchmesser der Spule 1 aufwei sen und im Gegensatz zu dieser mehrere Windungen umfassen.

Fig. 4 zeigt eine axial versetzte Anordnung von zwei gleich großen, koaxialen kreisförmigen Energie-/Sende- und Kompensa tionsspulen 1, 2 mit Aufgabepunkten 12, 13, ebenfalls jeweils in Kreisform, wobei der Stromfluß wiederum durch Pfeile A, B bezeichnet ist.

Claims

1. Kontaktloses Transpondersystem mit einem kontaktlosen Transponder, einer Kopfstation und einer Schnittstelle zur Übertragung von Information und/oder Energie zwi schen dem Transponder und der Kopfstation, an deren End punkt wenigstens eine Energie-/Sendespule (1) vorgese hen ist, dadurch gekennzeichnet, daß beab standet zur Energie-/Sendespule (1) wenigstens eine Kompensationsspule (2, 11) angeordnet ist, wobei die Stromflußrichtung durch die Kompensationsspule (2, 11) entgegengesetzt zur Stromflußrichtung in der Energie- /Sendespule (1) gewählt ist, und daß der Abstand zwi schen Energie-/Sendespule (1) und Kompensationsspule (2, 11) so gewählt ist, daß die Wirksamkeit der Ener gie-/Sendespule (1) im räumlichen Gebiet, der für den Betrieb des kontaktlosen Transpondersystems vorgesehen ist, im wesentlichen keine Kompensation der Feldkompo nenten und im Fernfeld eine Kompensation der Feldkompo nenten erreichbar ist.

2. Kontaktloses Transpondersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (2, 11) wenigstens eine Windung auf weist.

3. Kontaktloses Transpondersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß fol gende Beziehung zwischen der Energie-/Sendespule (1) und der bzw. den zugeordneten Kompensationsspule(n) (1, 11) gilt:
wobei A₁ die von der Energie-/Sendespule (1) umschlos sene Fläche bezeichnet, wobei W₁ die Windungszahl der Energie-/Sendespule (1) bezeichnet, I¹ den von der Energie-/Sendespule (1) geführten Strom bezeichnet, A_2n, W_2n und I_2n die entsprechende Fläche, Windungszahl und den entsprechenden Strom der n-ten Kom pensationsspule (2, 11) bezeichnen, und mit k die An zahl der Kompensationsspulen (2, 11) bezeichnet ist.

4. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (2, 11) über eine Steuerschaltung an die Energie-/Sendespule (1) gekoppelt ist.

5. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (2, 11) induktiv mit der Energie- /Sendespule (1) gekoppelt ist.

6. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweipol (ZP) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe der Strom in der Kompensationsspule (2, 11) für bestmögliche Kom pensation bei der Betriebsfrequenz einstellbar ist.

7. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (2, 11) in Reihe zu der Energie- /Sendespule (1) geschaltet ist.

8. Kontaktloses Transpondersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie- /Sendespule (1) und die Kompensationsspule (2, 11) eine kreisförmige Form aufweisen.