DE19715215C1 - Kontaktloses Transpondersystem - Google Patents
Kontaktloses TranspondersystemInfo
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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, A2n, W2n und I2n 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 (8)
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, A2n, W2n und I2n 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.
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, A2n, W2n und I2n 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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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WO1998047094A2 (de) | 1998-10-22 |
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