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Vorrichtung
zur Kommunikation mit Transpondern über Nahfeld-Antennen
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sieh auf das technische Gebiet der
Elektrotechnik, insbesondere auf die Nachrichtentechnik und Datenübertragungstechnik.
Vorgestellt wird eine Vorrichtung zur Kommunikation mit Transpondern über Nahfeld-Antennen,
und deren Ansteuerschaltung. Die Vorrichtung erfüllt Aufgaben zur passiven Energie-Versorgung
von Transpondern und zum Aufbau einer optimalen Kommunikationsstrecke
zwischen dem Lese- oder
Schreibgerät
und dem Transponder in einem zur induktiven Übertragung geeignetem Frequenzbereich
vorzugsweise Radio-Frequenzbereich (RF). Kernaufgabe ist die störungsarme
Erfassung von Transpondern innerhalb eines Messfeldes mithilfe mehrerer
schaltbarer Nahfeld-Antennen.
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Stand der
Technik
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Zur
Sicherung und Kennzeichnung oder logistischen Überwachung von Produkten und
Dokumenten werden im zunehmenden Maß elektronische Komponenten
eingesetzt. RFID- (Radio
Frequenz Identifikations-)-Einrichtungen sind miniaturisierte Komponenten
mit beispielsweise in CMOS-Technologie hergestellte integrierten
Halbleiterschaltkreisen an deren Hauptanschlüsse Antennen zur Informationsübertragung
und eventuell auch zur Energieversorgung kontaktiert sind. Das Auslesen
der RFID-Einrichtungen infolge kurz als Transponder bezeichnet erfolgt
vorzugsweise über
Radiowellen aus kurzer Distanz.
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Induktiv
arbeitende Transponder benötigen eine
Antennenspule aus zumindest einer Windung, die unterschiedliche
Form aufweist. Beispielsweise ist die Spule kreisförmig, spiralförmig, oval,
oder drei- und viereckig mit zumeist abgerundeten Ecken. Eine ähnlich gestaltete
Antennenspule ist an der Kommunikationsvorrichtung zum Auslesen
oder Beschreiben der Transponder erforderlich. Bei ausreichender Nähe der beiden
Spulen kann der Transponder genug Energie aufnehmen und die Datenkommunikation
durchführen.
Dies geschieht durch Modulation des magnetischen Feldes.
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Die
meisten Transponder-Kommunikations-Vorrichtungen weisen nur eine
Antenne zur Energieversorgung eines oder mehrerer Transponder auf.
Eine gute Übersicht über den
Stand der Technik bietet das RFID-Handbuch von Klaus Finkenzeller, Verlag
Hanser, 3. Auflage. Dabei werden fast nur Lesemodule mit einer Antenne
beschrieben. Es gibt bekannte Anwendungen für mehrere Antennen. Beispielsweise
zeigt Patent DE 199 53 334 ein Verfahren zum Betrieb mehrerer fernauslesbarer
Identifikationsmarken. Dabei ist die Anpassung der Transponder-Kommunikations-Vorrichtung
an verschiedene Radio- Sendefrequenzen
durch alternativ wählbare Schwingkreise
und eine Verzögerungseinrichtung vorzugsweise
als Funkenstrecke zwischen empfangenem und ausgesandtem Signal vorgesehen.
Häufigste
bestehende Anwendung ist das Kommunizieren mit so genannten 1-bit-Tags. Das sind fest
abgestimmte Resonanzschwingkreise deren Vorhandensein oder Nichtvorhandensein
im Lesegerätumfeld
detektiert wird. So können
zum Deaktivieren magnetisierbare 1-bit-Tags durch mehrere einander
gegenüber
angeordnete Spulen in so genannten Schleusen zur Diebstahlssicherung
erfasst werden. Anordnungen mit drei Spalten und drei bis vier Zeilen mit
je einer Spule sind am häufigsten.
Das ist im genannten RFID-Handbuch
unter Kap.3.1.4 grob beschrieben. Dabei ist eine gleichzeitige Ansteuerung mit
schwachem Wechselstrom vorgesehen. Eine Alternative dazu stellt
die Verwendung einer Spule mit zumindest einem dritten Abgriff dar.
Dies geschieht vorwiegend um mehr als eine LC-Resonanzfrequenz über beispielsweise verschiedene
Windungszahl zu generieren. Die Selektion verschieden abgestimmter Transponder
ist dabei innerhalb derselben Antennenvorrichtung möglich. Die
RFID-Reader-Antenne auf Gebrauchsmuster
DE 203 14 83 zeigt Gestaltungen der
Antennen-Spulen aus Leiterplattenmaterial.
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Sind
die Spulen bzw. Rahmenantennen nicht optimal zueinander positioniert,
sodass das Magnetische Feld der erzeugenden Spule bzw. Rahmenantenne
nicht in ausreichender Weise die Spule des Transponders durchdringt,
versagt die Kommunikation. Folglich können mehrere Spulen räumlich getrennt
zum Einsatz kommen um verschiedene räumliche Positionen abzudecken.
Dabei kommt es aber aufgrund der Superposition zur Überlagerung
der Einzelfelder. Kommunikation mit mehreren Transpondern erfolgt über vordefinierte
Zeitfenster oder durch Zufallszahl generierte Zeitfenster mit Antiblockierschutzeinrichtungen
im Zeitbereich. Oder aber durch Trennung im Träger-Frequenzbereich (mehrere
Sendekanäle)
oder durch Trennung im Modulationsbereich (z.B. unterschiedliche
Modulationsfrequenzen bei Frequenz- oder Phasenmodulation). Multiplexen
von verschiedenen Antennen wird schon öfter angewendet. Nachteilig
jedoch sind das Streufeld, die Wechselwirkung der Antennen und die
fehlende Möglichkeit
des eindeutigen räumlich
zugeordneten Erfassens von mindestens zwei benachbarten Transpondern.
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Aufgabe der Erfindung
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Werden
mehrere Nahfeld-Antennen eingesetzt, können mehrere Transponder erfasst
werden. Dadurch ergibt sich die Problematik, zu ermitteln, welche
Antenne mit welchem Transponder kommuniziert. Als Beispiel seien
elektronisch mit mehreren Transpondern ausgestattete Dokumente genannt, wobei
im Regelfall nur ein Transponder mit der Transponder-Kommunikationsvorrichtung
des Lesegerätes
kommunizieren darf, da sich ansonsten das System blockiert. Gleichzeitig
soll aber eine eindeutige Zuordnung räumlich verteilten Transponder
ermöglicht
werden, sodass entweder die beliebige Lage (Orientierung) gleichermaßen ausgestatteter Dokumente
ein eindeutiges Erfassen der Transponder ermöglicht oder aber Dokumente
mit unterschiedlicher Transponder-Ausstattung durch stets die gleiche
ungefähre
Lage erfasst werden können, oder
aber eine Kombination aus beliebiger Lage und beliebigem Dokument
möglich
wird. Die Aufgabe der Erfindung soll ein Detektieren und zeitliches
Abfragen der einzelnen Transponder hintereinander ermöglichen.
Das gleichzeitige Abfragen soll vermieden werden. Das komplizierte
Hantieren mit elektronisch ausgestatteten Dokumenten soll vereinfacht werden,
sodass das ansonsten notwendige Umdrehen, Verschieben oder Rotieren
des Dokumentes wegfällt.
Störende
oder Feld verzerrende Umgebungseinflüsse durch metallische oder
magnetische oder elektrisch leitende Materialien, wie Folien, Metallklammern
sollen ebenfalls durch die gegenständliche Erfindung bestmöglich ausgeschaltet
werden.
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Das Schutzbegehren
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Zur
Lösung
dieser Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung zur Kommunikation
mit Transpondern über
Nahfeld-Antennen vorgeschlagen wobei mindestens zwei elektrisch
verkoppelte Nahfeld-Antennen vorgesehen sind, die Verbindungs-Einrichtungen
zu mindestens einem Frequenzgenerator einer Sende- und Empfangseinheit
aufweisen, und deren Anschusspaare weitere Verbindungs-Einrichtungen zum
Kurzschließen
oder niederohmigen verbinden aufweisen.
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Durch
die Induzierten Ströme
in der kurzgeschlossenen Nahfeld-Antenne (Spule) wird laut Induktionsgesetz
(Biot-Savart) ein magnetisches Feld generiert, welches gleich groß und gegensinnig
zum Feld ist, das durch den Frequenz-Generator mithilfe der aktiven
Spule erzeugt wurde. Dadurch erhält
ein Transponder einen räumlich
scharf getrennten Feldwirkungsbereich innerhalb der aktiv gespeisten
Nahfeld-Antenne. Ein Transponder außerhalb würde ohne der passiven und kurzgeschlossenen
Reaktions-Spule unter Umständen
noch zur Kommunikation ausreichend mit Feldenergie versorgt und
damit auf die Kommunikation stören.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden diese Störungen
aber auch Fremd- oder Umgebungseinflüsse durch metallische Teile
optimal ausgeschaltet. Somit werden Effekte durch Gegeninduktivität, Feldverzerrung
aufgrund bewusst eingesetzter passiver Antennen weitestgehend kompensiert.
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Die
Erfindung sowie mögliche
Ausgestaltungen werden anhand der Figuren nachfolgend beschrieben.
Es zeigen:
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1 zeigt
das Prinzip der Vorrichtung 1 zur Kommunikation mit Transpondern
als Beispiel mit zwei Nahfeldantennen.
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2 zeigt
die Verwendung von gemultiplexten RF-Verstärkerausgangsstufen zur Antennenspeisung.
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3 zeigt
den Stand der Technik in Bezug auf Transponder-Lesegeräte mit nur
einer Nahfeldantenne.
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4 verdeutlicht
die Funktionsweise der Erfindung am Beispiel mit zwei Nahfeld-Antennen
an zwei Transpondern.
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5 zeigt
eine Anordnung mit Antennen in Form einer gedruckten Schaltung.
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6 zeigt
das Adressieren von einem Transponder mit zwei Nahfeldantennen.
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In 1 sind
die wesentlichen Merkmale der gegenständlichen Erfindung gezeigt.
Durch die Verwendung von mindestens zwei Nahfeld-Antennen 2,3 hier
als Spulen dargestellt, kann mindestens ein Transponder 15 von
der Kommunikationsvorrichtung 1 erfasst werden. Dazu wird über den
Frequenz-Generator 40 ein Wechselstrom in zumindest eine
der Nahfeld-Antennen 2,3 eingeprägt. Durch
die Verkoppelung wird zumindest einer der Transponder 15,16 durch
die Induktion mit ausreichend Energie versorgt, um ein Informationssignal
abzugeben. Hier wird entweder Spule 2 oder Spule 3 mit
dem Generator 40 der Sende-und Empfangseinrichtung 4 über die
Verbindungseinrichtungen 24,34 verbunden. Da die
Transponder-Antennen 16,17 in relativ naher Lage
zueinander als auch zu den Nahfeld-Antennen stehen, kann ungewollt durch
ausreichende Streufelder oder aufgrund von Umgebungseinflüssen verursachte
Feldverzerrungen, auch ausreichend Energie an jene Transponder-Antenne überkoppelt
werden, die der gespeisten Spule nicht direkt gegenüber liegt. Wird
das Anschlusspaar 31,32 bzw. 21,22 der
Spule aber, über
eine der Verbindungseinrichtungen 30, bzw. 20 kurzgeschlossen,
ergibt sich durch diese kurzgeschlossene Spule ein Reaktionsfeld,
welches die ungewollten Feldkomponenten an der zugeordneten Transponder-Antenne 17,16 unterdrückt. Durch
die Steuer-Elektronik 7 wird mithilfe der Steuersignale 23,33 zumindest
eine Nahfeld-Antenne 2,3 über die Verbindungseinrichtungen 24,34 an
den Frequenzgenerator geschaltet, und zumindest eine Transponder-Antenne 3,2 durch
die Verbindungseinrichtungen 30,20 kurzgeschlossen.
Ersteres dient der Kommunikation über die nächstgelegene Transponder-Antenne,
letzteres einer reaktiven Schirmung einer Transponder-Antenne. Durch
sequentielles Ansteuern kann folglich jeder einzelne Transponder
hintereinander angesprochen werden. Auch kann bei nicht exakt bekannter
Lage der Transponder-Antennen, durch Probieren oder systematisches
Erregen der Nahfeld-Antennen (2,3) die Position
ermittelt werden.
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2 zeigt
ein anderes Beispiel. Hier wird über
die Steuer-Elektronik 7 ein Multiplexer oder wahlfrei steuerbare
Schalter 24,34 der Frequenz-Generator 40 an
die Verstärker-Endstufen 41,42 geschaltet.
Die Schalter 20, 30 könnten prinzipiell entfallen,
wenn der Ausgang der Verstärker
ausreichend niederohmig ist. Bei Berücksichtigung der Impedanzanpassung
für die
Nahfeld-Antenne wird auch hier, wie im Beispiel aus 1 die
selektierte Antenne 16 angesprochen und Kommunikation mit
den anderen Antennen 17 unterbunden. Die Steuer-Elektronik 7 kann
manuelle Eingabe vorsehen, wie durch Schalter 11, durch
Taster 12, Tastaturen 13 oder Computermäuse 14.
Auch eine Auswerte-Elektronik 8 für die Antennen-Signale 10 oder
von sensorischen Erfassungssystemen 9 wie optische, magnetische,
kapazitive oder induktive Sensoren ist einsetzbar. So kann eine
Kamera, eine Zeilenkamera (Scanner) oder dergleichen Informationen
für die
Steuerelektronik bereitstellen. Diese Informationen dienen dann
der gezielten Ansteuerung der Nahfeldspule an jener Position, wo
sich der zu lesende Transponder befindet.
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Vergleicht
man 3 mit 4 so wird die Funktionsweise
der gegenständlichen
Erfindung sichtbar. In 3 ist eine Nahfeld-Antenne 3 zur Kommunikation
mit einem Transponder 15 vorgesehen. Ein zweiter Transponder
in ungünstiger
Lage würde
ebenfalls ausreichend Energie zur Kommunikation erhalten und schlimmstenfalls
die Kommunikation blockieren.
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Durch
die Anordnung, wie in 4 gezeigt, wird durch die Feldenergie
ein Gegenfeld Br erzeugt, welches dem hervorrufenden Feld B entgegengerichtet
ist. Dadurch resultiert im Nahfeld der unerwünschten Transponder-Antenne 15a keine
oder nur vernachlässige
Feldenergie. Das magnetische Wechselfeld B induziert in der Nahfeldantenne 3 eine Spannung.
Durch den Kurzschluss, treibt diese Spannung einen Strom welcher
durch seine Richtung ein Reaktionsfeld Br erzeugt. Die Summe der
Felder B und Br ist null. Der zweite Transponder 15a bleibt passiv.
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In 5 ist
eine Anwendung mit einer gedruckten Schaltung gezeigt, Leiterplattenmaterial 6, Folien
oder dünne
nicht leitende Schichten sind mit Leitermaterial überzogen.
Die Leiterbahnen werden in Spulenform angeordnet und mit den elektronischen
Komponenten verbunden.
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Dadurch
sind viele Möglichkeiten
an Nahfeldantennen-Designs möglich.
Diese in Matrizen-Form eine
bestimmte Fläche
dicht aneinandergereiht überziehen,
wodurch ein Erfassen vieler Transponder auf engem Raum schnell und
sicher möglich
wird.
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Grundsätzlich besteht
mit der Erfindung auch die Möglichkeit
eine Transponderantenne durch mehrere Nahfeld-Antennen der Kommunikations-Vorrichtung
anzusprechen, dies ist in 6 dargestellt.
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- 1
- Transponder-Kommunikations-Vorrichtung
- 2
- Nahfeldantenne
für eine
erste Transponder-Erfassungszone oder Richtung
- 2a
- Nahfeld-Teilbereichsantenne
für eine
erste Transponder-Teilerfassungszone
- 2b
- Nahfeld-Teilbereichsantenne
für eine
zweite Transponder-Teilerfassungszone
- 20
- niederohmige
Verbindungs-Einrichtung
- 21
- erster
Anschluss der Nahfeldantenne 2
- 22
- zweiter
Anschluss der Nahfeldantenne 2
- 23
- Steuersignal
- 24
- Verbindungs-Einrichtung
- 3
- Nahfeldantenne
für eine
weitere Erfassungszone oder Richtung
- 30
- niederohmige
Verbindungs-Einrichtung
- 31
- erster
Anschluss der Nahfeldantenne 3
- 32
- zweiter
Anschluss der Nahfeldantenne 3
- 33
- Steuersignal
- 3
- Verbindungs-Einrichtung
- 4
- Sende-
und Empfangseinheit
- 40
- Frequenz-Generator
- 41
- RF-Ausgangsverstärkerstufe 1
- 42
- RF-Ausgangsverstärkerstufe 2
- 5
- Leiterschleife
(bzw. Spule)
- 6
- Leiterplatten-Material
oder dünne
Leiterschicht-Träger
- 7
- Steuer-Elektronik
- 70
- Steuersignal
für den
Frequenzgenerator
- 71
- Steuersignal
für die
Antennen-Auswahl
- 72
- Steuersignal
für den
Antennen-Kurzschluss
- 8
- Auswerte-Elektronik
- 9
- Sensorische
Erfassungssystem (Optischer Sensor (CCD oder CMOS-Kamera, geführte
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- Zeilenkamera
(Scanner), Bildsensor), Magnetischer Sensor (Hallsensor, Reedkontakt,
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- Reed-Relais,
GMR oder dergl., Kapazitiver Sensor, Induktiver Sensor (z.B. Spule))
- 10
- Antennen-Signal
- 11
- Schalter
- 12
- Taste
- 13
- Tastatur
- 14
- Computermaus
- 15
- Transponder
(aktiv), 15a nicht aktivierter Transponder
- 16
- Transponder-Antenne
(aktiv)
- 17
- Transponder-Antenne
(passiv)