ES2205899T3 - Etiqueta de identificacion por radiofrecuencia con un circuito resonante paralelo para desacoplar magneticamente la etiqueta de su entorno. - Google Patents

Etiqueta de identificacion por radiofrecuencia con un circuito resonante paralelo para desacoplar magneticamente la etiqueta de su entorno.

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ES2205899T3
ES2205899T3 ES99954895T ES99954895T ES2205899T3 ES 2205899 T3 ES2205899 T3 ES 2205899T3 ES 99954895 T ES99954895 T ES 99954895T ES 99954895 T ES99954895 T ES 99954895T ES 2205899 T3 ES2205899 T3 ES 2205899T3
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William F. Gallagher, Iii
Shinochiro Inui
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Abstract

Transpondedor (12) que incluye un primer inductor (221) y un segundo inductor (222) conectados en serie, un primer condensador (24), un segundo condensador (28), y un interruptor (30), comprendiendo el transpondedor (12): un primer circuito (20) resonante y un segundo circuito (34) resonante, en el que el primer circuito (20) resonante está formado a partir de una conexión paralela de (i) el primer y segundo inductor (221, 222) conectados en serie, y (ii) el primer condensador (24), teniendo el primer circuito (20) resonante una frecuencia resonante primaria, caracterizado porque el segundo circuito (34) está formado a partir de una conexión en serie del segundo condensador (28) y el interruptor (30), estando conectada la conexión en serie del segundo condensador (28) y el interruptor (30), en paralelo con el segundo inductor (222), estando conectado un extremo del segundo condensador (28) conectado en serie y el interruptor (30) a la conexión común entre el primer y segundo inductor (221,222) conectados en serie, en donde los valores del segundo inductor (222) y el segundo condensador (28) se seleccionan de tal manera que la frecuencia resonante del segundo circuito (34) es igual a la frecuencia resonante primaria del primer circuito (20) resonante.

Description

Etiqueta de identificación por radiofrecuecia con un circuito resonante paralelo para desacoplar magnéticamente la etiqueta de su entorno.
La invención se refiere a un transpondedor que incluye un primer inductor y un segundo inductor conectados en serie, un primer condensador, un segundo condensador y un interruptor. El transpondedor comprende además un primer circuito resonante y un segundo circuito resonante, estando formado el primer circuito resonante a partir de una conexión en paralelo del primer y segundo inductor conectados en serie, y el primer condensador, y teniendo el primer circuito resonante una frecuencia resonante primaria.
Se conoce el etiquetado de artículos para identificarlos o para protegerlos contra el robo. Por ejemplo, muchos artículos se identifican empleando un código de barras que comprende información codificada que se lee al pasar el código de barras dentro del campo de visión de un escáner. Muchos artículos también incluyen un transpondedor resonante o etiqueta resonante para utilizarla en la detección y prevención contra el robo. Más recientemente, se han desarrollado etiquetas resonantes pasivas que emiten códigos de identificación únicos o semiúnicos. Estas etiquetas incluyen normalmente un circuito integrado (CI) que almacena el código de identificación. Este tipo de etiquetas "inteligentes" proporciona información sobre un artículo o una persona con el o la cual está asociada la etiqueta, que se detecta en la zona de un interrogador o lector. Las etiquetas son deseables puesto que pueden interrogarse de forma rápida, y desde una cierta distancia. Los documentos US-A-5.446.447, US-A-5.430.441 y US-A- 5.347.263 describen tres ejemplos de este tipo de etiquetas inteligentes.
Las etiquetas o tarjetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) normalmente incluyen un circuito de antena resonante conectado eléctricamente con el CI. El CI es básicamente una memoria programable para almacenar información codificada digitalmente. El interrogador (antena de transmisión) crea un campo electromagnético en la frecuencia resonante de la etiqueta RFID. Cuando la etiqueta se coloca dentro del campo del interrogador, se induce una tensión alterna en el circuito resonante de la antena de la etiqueta, que es rectificada por el CI para dotar al CI con una tensión continua interna. Mientras la etiqueta se mueve dentro del campo del interrogador, aumenta la tensión inducida. Cuando la tensión continua interna alcanza un nivel que garantiza el correcto funcionamiento del CI, entonces el CI emite sus datos almacenados. Para emitir sus datos, el CI crea una serie de impulsos de datos encendiendo y apagando un condensador o inductor adicional a través del circuito de antena durante la duración del impulso, que cambia la frecuencia resonante de la etiqueta, desincronizando la etiqueta de la frecuencia operativa. Es decir, la etiqueta crea impulsos de datos al desincronizarse ella misma, lo que modifica la cantidad de energía consumida por la etiqueta. El interrogador detecta el consumo de energía en su campo e interpreta los cambios como impulsos de datos.
Aunque este tipo de etiquetas o tarjetas RFID son conocidas, aún existen dificultades y limitaciones técnicas asociadas con el funcionamiento de este tipo de etiquetas. Un problema asociado con el hecho de intentar leer múltiples etiquetas RFID dentro de una zona de interrogación del interrogador es que el interrogador puede activar más de una etiqueta aproximadamente al mismo tiempo. Cuando este tipo de etiquetas se encuentran próximas entre sí, los campos generados por una etiqueta pueden perturbar los campos generados por otra etiqueta. Este problema de inductancia mutua es especialmente significativo para las etiquetas RFDI que transmiten su información al desintonizarse, como se describió anteriormente. Como consecuencia, disminuye la distancia de lectura eficaz para las etiquetas y la modulación de la etiqueta puede resultar totalmente ineficaz debido al hecho de que este tipo de modulación depende de que la etiqueta esté en resonancia (o cercana a ésta). De esta manera, este tipo de desintonización ocasionada por otras etiquetas puede hacer que sea imposible o casi imposible la lectura de la información almacenada.
Las aplicaciones de lectura a larga distancia requieren un campo de amplitud modulada altamente modulado. Un alto grado de modulación AM se obtiene proporcionándole la máxima perturbación de campo al campo magnético de la antena. La perturbación de campo máxima (representada por una diferencia de amplitud máxima) se obtiene cuando se elimina completamente el efecto de carga de la etiqueta después de cada perturbación de campo, y cuando la señal de una etiqueta que se va a leer no está mezclada con o atenuada por ruido o interferencia de otras etiquetas. De esta manera, para la lectura a larga distancia no pueden proporcionarse los esquemas convencionales que no desacoplan eficazmente las etiquetas de su entorno.
En los documentos US-A-6.208.235 y WO 98/43218, se describe, respectivamente, un enfoque para minimizar el problema de una etiqueta RFID que genera campos que perturban o afectan a las etiquetas contiguas. En este enfoque, un transpondedor RFID incluye un circuito integrado para almacenar datos y un inductor conectado eléctricamente al circuito integrado. El inductor incluye una primera bobina conectada eléctricamente a una segunda bobina. Un condensador resonante está conectado eléctricamente al circuito integrado y a al menos una de la primera y segunda bobinas, de tal manera que el condensador resonante y la al menos una bobina conectada tienen una primera frecuencia resonante predeterminada. Se proporciona un interruptor que tiene una primera posición y una segunda posición para permitir de forma selectiva que la corriente fluya a través de la segunda bobina. Cuando el interruptor se encuentra en la primera posición, la exposición del transpondedor a un campo externo en o junto a la primera frecuencia resonante induce una tensión en el inductor y hace que una primera corriente fluya a través del inductor en una primera dirección, generando con ello un campo local. Cuando el interruptor se encuentra en la segunda posición, la exposición del transpondedor a un campo externo en o junto a una primera frecuencia resonante induce una tensión en el inductor y hace que una primera corriente fluya a través de la primera bobina en una primera dirección, generando con ello un primer campo local y una segunda corriente que va a fluir a través de la segunda bobina en una segunda dirección opuesta, generando con ello un segundo campo local. Una suma del primer y segundo campo local se aproxima a cero.
Esta técnica de cancelar el campo es factible pero tiene algunas desventajas. Por ejemplo, la implementación del circuito utiliza una bobina de tres vueltas en serie con una bobina de una vuelta que requiere aproximadamente un flujo de corriente tres veces mayor en la bobina de una vuelta. Esto es difícil de conseguir, especialmente cuando debe conectarse un interruptor de baja impedancia a través de la bobina de una vuelta. La técnica de cancelar el campo también limita la flexibilidad del diseño ya que el acoplamiento mutuo entre las bobinas es crítico, y debe ajustarse de forma empírica.
Además, el documento US-A-4.040.053 describe un sistema de transpondedor con sincronización garantizada para un sistema de señalización de las vías férreas. El sistema de transpondedor comprende una estación interrogadora, a partir de la cual se transmite de forma continua una señal de interrogación, y una estación respondedora que se activa como respuesta a la señal de interrogación y retransmite repetidamente una señal de respuesta de información codificada a la estación de interrogación. La sincronización se consigue comenzando cada transmisión de información por medio de una señal de inicio predeterminada generada en la estación interrogadora como resultado de una secuencia de bits predeterminada retransmitida desde la estación respondedora.
El documento US-A-5.701.121 describe un dispositivo transductor e interrogador en el que el interrogador proporciona potencia e información al transductor a través de un campo magnético. El campo magnético producido por el interrogador puede modularse de tal manera que proporcione la identificación, comentarios u otra información al actuador pasivo sin reducir sustancialmente la potencia transferida al actuador pasivo.
El documento de patente US-A-4.580.041 describe un sistema de identificación que comprende un lector y un identificador, en el cual el identificador puede alimentarse mediante la señal del lector, y en el que los requisitos de potencia son mínimos. El lector incluye un primer generador de señales para generar una primera señal que se emite por medio de una antena. El identificador incluye una antena que recibe la primera señal para transmitirla a un modulador de señales que funciona para modular la señal de acuerdo con un código asignado previamente para el identificador.
De forma correspondiente, el objeto de la invención es proporcionar un transpondedor alternativo que evite que se generen campos que perturben o afecten a etiquetas RFID cercanas o tarjetas o etiquetas resonantes.
La presente invención cumple con este objeto al proporcionar un transpondedor en el que el segundo circuito se forma a partir de una conexión en serie del segundo condensador y el interruptor. La conexión en serie del segundo condensador y el interruptor se conecta en paralelo al segundo inductor. De forma específica, un extremo del segundo condensador y el interruptor conectados en serie se conecta a la conexión común entre el primer y segundo inductor conectados en serie. Los valores del segundo inductor y el segundo condensador se seleccionan de tal manera que la frecuencia resonante del segundo circuito es igual a la frecuencia resonante primaria del primer circuito resonante. De esta manera, cuando el interruptor está abierto, el segundo circuito tiene un efecto mínimo o ningún efecto sobre el transpondedor y el primer circuito resonante resuena en la frecuencia resonante primaria cuando el transpondedor está expuesto a un campo externo en o cerca de la frecuencia resonante primaria. Cuando el interruptor está cerrado, el segundo circuito define un circuito resonante paralelo de alta impedancia que funciona para bloquear o minimizar el flujo de corriente en la frecuencia resonante primaria, impidiéndole con ello al transpondedor extraer cualquier cantidad significativa de potencia del campo externo y resonar en la frecuencia resonante primaria. Con ello, el transpondedor se desacopla de su entorno.
Las realizaciones preferidas de la presente invención se definen en las reivindicaciones dependientes 2-5.
El sumario anterior, así como la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención, se entenderán mejor si se leen en combinación con los dibujos adjuntos. Con el objetivo de ilustrar la invención, en los dibujos se muestran realizaciones que se prefieren actualmente. Ha de entenderse, sin embargo, que la invención no está limitada a las disposiciones e instrumentos precisos que se muestran. En los dibujos:
La figura 1 es un esquema de conexiones equivalentes según una realización preferida de la presente invención que muestra un interrogador y una etiqueta en un estado en el que la etiqueta es capaz de resonar en su frecuencia resonante primaria;
La figura 2 es un esquema de conexiones equivalentes según una realización preferida de la presente invención, que muestra un interrogador y una etiqueta en un estado en el que la etiqueta está desacoplada de su entorno y no es capaz de resonar en su frecuencia resonante primaria;
La figura 3 es una primera realización de una configuración de embalaje para la etiqueta de las figuras 1 y 2; y
La figura 4 es una segunda realización de una configuración de embalaje para la etiqueta de las figuras 1 y 2.
Descripción detallada de la invención
Aquí se utiliza determinada terminología sólo por conveniencia y no ha de tomarse como una limitación de la presente invención. En los dibujos, a través de las diversas figuras, se utilizan los mismos números de referencia para designar a los mismos elementos.
Las figuras 1 y 2 son esquemas de conexiones equivalentes de una realización preferida de la presente invención. Las figuras 1 y 2 son representaciones del mismo circuito, pero en estados diferentes. Los circuitos de las figuras 1 y 2 se describen de forma detallada, seguidos de una explicación de la teoría del funcionamiento de los esquemas de conexiones. La realización de la invención descrita aquí se utiliza con etiquetas o transpondedores de identificación por radiofrecuencia (RFID).
La figura 1 es un esquema de conexiones eléctricas equivalentes de un lector o interrogador RFID (en lo sucesivo, "interrogador 10") y un dispositivo, etiqueta o transpondedor RFID resonante (en lo sucesivo, "transpondedor 12"). El interrogador 10 incluye una fuente 14 de tensión conectada eléctricamente a una bobina o antena 16 del transmisor para generar un campo electromagnético. La antena 16 está definida básicamente por una inductancia L_{0}, pero también tiene una resistencia R_{0} y una capacitancia C_{0} en serie equivalentes, que juntas definen un circuito RCL en serie. Estos componentes definen un bucle de corriente denominado bucle 0 y que tiene un flujo I_{0} de corriente.
El interrogador 10 y el transpondedor 12 se comunican mediante un acoplamiento inductivo, mostrado en la figura 1 como inductancia M_{OT} mutua. Los interrogadores, que se comunican con una etiqueta o transpondedor resonante por medio de un acoplamiento inductivo se conocen de sobra en la técnica. Por ejemplo, los interrogadores se describen en las patentes estadounidenses 3.752.960, 3.816.708 y 4.580.041, todas concedidas a Walton, todas las cuales se incorporan aquí en su totalidad por medio de la referencia que se hace. De forma correspondiente, no se muestra o describe de forma detallada el interrogador 10. Basta con decir que el interrogador 10 establece un campo electromagnético en o junto a la frecuencia resonante del transpondedor 12. Cuando el transpondedor 12 está suficientemente cerca del interrogador 10 para estar dentro del campo electromagnético, se induce una tensión en el transpondedor 12. Mientras el transpondedor 12 se mueve en el campo creado por el interrogador 10, la tensión inducida aumenta hasta que se alcanza un nivel de tensión dentro del transpondedor 12 que es suficiente para poner en marcha el transpondedor 12 y permitir que el dispositivo funcione de acuerdo con su objetivo deseado, como se describirá posteriormente de forma más detallada. El interrogador 10 puede implementarse físicamente como un par de pedestales regulables (no mostrados), como un escáner RFID de mano (no mostrado) o de cualquier otra manera.
La señal de interrogación generada por el interrogador 10 es preferiblemente una señal generalmente continua, como contraposición a una señal periódica o por impulsos. La zona de interrogación es el área dentro del campo electromagnético en la que se induce una tensión en el transpondedor 12 inteligente suficiente para poner en marcha el transpondedor 12. De esta manera, el tamaño de la zona de interrogación se define, al menos parcialmente, por la potencia del campo electromagnético. El interrogador 10 generalmente puede detectar transmisiones de una pluralidad de transpondedores 12 (y, de esta manera, de sus artículos asociados) localizados dentro de la zona de interrogación.
Los dispositivos o transpondedores inteligentes se conocen de forma general y pueden aplicarse a una amplia variedad de usos. El documento de patente estadounidense nº 5.430.441 (Bickley et al.) describe una etiqueta transpondedora que transmite una señal codificada digitalmente como respuesta a una señal de interrogación. La etiqueta de Bickley et al comprende un sustrato rígido construido a partir de una pluralidad de capas dieléctricas y capas conductivas e incluye un circuito integrado completamente encastrado dentro de un hueco del sustrato y está conectado mediante una orejeta a líneas de la lámina conductiva. La estructura física del transpondedor 12 se describe posteriormente en relación con las figuras 3 y 4.
El transpondedor 12 de la presente invención comprende un circuito 20 de antenas conectado eléctricamente a un circuito 18 integrado (CI). El circuito 20 de antenas comprende un circuito resonante que resuena a una frecuencia de radio (RF) predeterminada correspondiente a una frecuencia de radio del interrogador 10, como se explicará posteriormente de forma más detallada.
El circuito 20 de antenas puede comprender uno o varios elementos inductivos conectados eléctricamente a uno o varios elementos capacitivos. En una realización preferida, el circuito 20 de antenas está formado por la combinación de un único elemento inductivo, el inductor o la bobina 22 (L_{T}), conectado eléctricamente con un elemento capacitivo o con el condensador 24 resonante primario (C_{T}) en un bucle de corriente en serie, denominado Bucle 1. El inductor 22 está compuesto realmente por dos bobinas conectadas en serie, como se muestra de forma explícita en la figura 2. El inductor 22 y el condensador 24 resonante (C_{T}) están conectados en paralelo con el circuito 18 integrado.
Como es bien conocido por los expertos en la técnica, la frecuencia operativa del circuito 20 de antenas depende de los valores del inductor 22 y del condensador 24 resonante. El tamaño del inductor 22 y el valor del condensador 24 se determinan basándose en la frecuencia resonante deseada del circuito 20 de antenas. En una realización de la invención, el transpondedor 12 está construido para funcionar a 13,56 MHz. Aunque se prefiere que el transpondedor 12 resuene a aproximadamente 13,56 MHz, el transpondedor 12 podría estar construido para resonar a otras frecuencias y no se considera que la frecuencia resonante precisa del transpondedor 12 sea una restricción de la presente invención. De esta manera, resultará obvio para los expertos en la técnica que el circuito 20 de antenas puede funcionar a frecuencias de radio distintas de 13,56 MHz y, de hecho, a otras frecuencias, tales como frecuencias de microondas.
Se muestra un resistor 26 (R_{T}) conectado en serie con el inductor 22, que representa una resistencia en serie equivalente del inductor 22 debido a las pérdidas de potencia. Además, aunque el circuito 20 de antenas comprende un único elemento inductivo, es decir, el inductor 22, y un único condensador 24, también podrían emplearse múltiples elementos inductivos y capacitivos. Por ejemplo, en la técnica de vigilancia y seguridad electrónica se conocen circuitos resonantes de múltiples elementos, tales como los descritos en el documento US-A-5.103.210 titulado "Activatable / Deactivatable Security Tag for Use with an Electronic Security System". Aunque se describe una antena preferida, a partir de esta explicación resultará obvio para los expertos en la técnica que puede utilizarse cualquier medio para el acoplamiento de energía a / desde el CI 18.
Haciendo referencia a la figura 2, el transpondedor 20 también incluye una segunda ruta de bucle de corriente, Bucle 2. El Bucle 2 incluye un condensador 28 secundario (C_{SW}) en serie con un interruptor 30 (S_{1}). Un resistor 32 (R_{SW}) se muestra conectado en serie con el condensador 28 y el interruptor 30. El resistor 32 representa una resistencia en serie equivalente de estos componentes debido a las pérdidas de potencia. Como se explicó anteriormente, el inductor 22 está compuesto realmente por dos bobinas conectadas en serie, como se muestra de forma explícita en la figura 2. El Bucle 2 incluye el condensador 28 secundario (C_{SW}), una de las dos bobinas del inductor 22 y su resistencia equivalente (mostrada de forma más detallada en la figura 2), el resistor 32 (R_{SW}), y el interruptor 30 (S_{1}). En la figura 1, el interruptor 30 (S_{1}) está abierto o DESACTIVADO, y el Bucle 2 no afecta al funcionamiento del circuito resonante definido por el inductor 22 (L_{T}) y el condensador 24 (C_{T}).
La figura 2 muestra el circuito equivalente en un estado en el que el interruptor 30 (S_{1}) está cerrado o ACTIVADO. La figura 2 también muestra el inductor 22 de forma más detallada, el cual está compuesto por dos inductores 22_{1} (L_{1T}) y 22_{2} (L_{2T}), conectados en serie. El inductor 22_{1} (L_{1T}) es la bobina primaria y el inductor 22_{2} (L_{2T}) es la bobina secundaria. El condensador 28 secundario (C_{SW}) está en serie con el interruptor 30 (S_{1}), es decir, está conectado a la conexión entre los dos inductores 22_{1} (L_{1T}) y 22_{2} (L_{2T}). Los inductores 22_{1} (L_{1T}) y 22_{2} (L_{2T}) están acoplados a otro a través de una inductancia M_{12} mutua. La combinación en serie de las dos bobinas inductivas está conectada en paralelo con el condensador 24 resonante primario (C_{T}). El resistor 26 de la figura 1 se muestra en la figura 2 mediante resistores 26_{1} y 26_{2} equivalentes, correspondientes a los respectivos inductores 22_{1} y 22_{2}. El bucle 2 está definido de forma más clara en la figura 2 e incluye el condensador 28 (C_{SW}), el inductor 22_{2} (L_{2T}), el resistor 26_{2}(R_{2T}), el resistor 32(R_{SW}), y el interruptor 30 (S_{1}). Cuando el interruptor 30 está cerrado, se forma un circuito 34 resonante paralelo con el condensador 28 (C_{SW}) y el inductor 22_{2} (L_{2T}). Como se explicó anteriormente, la impedancia del circuito 34 resonante paralelo es, de forma ideal, infinita. Sin embargo, las pérdidas de resistencia en los componentes y en el interruptor 30 (S_{1}) limitan la impedancia máxima que puede desarrollarse, y están modeladas por el resistor 26_{2} (R_{2T}) y el resistor 32 (R_{SW}).
Habiendo definido la estructura del interrogador 10 y del transpondedor 12, ahora se describe la teoría de funcionamiento de los dos circuitos equivalentes.
Cuando la frecuencia resonante de un transpondedor se mueve lejos de su frecuencia resonante primaria o frecuencia fundamental, aquí 13,56 MHz, el transpondedor 12 tendrá poco o ningún efecto de carga en el interrogador 10, y tendrá poco o ningún efecto de carga en un campo que resuena a la frecuencia resonante primaria. Más importante, el transpondedor 12 tendrá poco o ningún efecto de carga en otros transpondedores que estén a una proximidad cercana. De esta manera, el transpondedor estaría desacoplado de su entorno o "cubierto".
Puede cortocircuitarse de forma selectiva y abrirse un circuito resonante dependiendo de la manera en que está conectado. Un circuito resonante en serie forma un cortocircuito en su frecuencia resonante, mientras que un circuito resonante paralelo forma un circuito abierto en su frecuencia resonante. La presente invención utiliza un segundo circuito resonante de alta impedancia (de forma ideal, impedancia infinita) que consta del condensador 28 (C_{SW}) y del inductor 22_{2} (L_{2T}) para formar un circuito abierto en la frecuencia resonante del transpondedor. El interruptor 30 (S_{1}) debe estar en la posición cerrada o ACTIVADA (figura 2) para formar el circuito abierto. El circuito abierto funciona para desconectar L_{1T} de C_{T}, impidiendo con ello que el transpondedor 12 resuene a la frecuencia resonante primaria. Cuando el interruptor S_{1} está cerrado, fluye poca o ninguna corriente al bucle 1 (I_{1}) o al bucle 2 (I_{2}). (La explicación presupone aquí condiciones ideales. En la práctica, I_{1} e I_{2} no son cero, pero son valores insignificantes). Puesto que en un circuito abierto no fluye ninguna corriente, el transpondedor 12 no extrae potencia del campo electromagnético circundante y no crea ninguna perturbación en el campo que pudiera confundir a un lector. De esta manera, cuando el circuito resonante paralelo de alta impedancia está activado, el transpondedor 12 consume poca o ninguna energía y, de esta manera, tiene poco o ningún efecto sobre la antena receptora del sistema, y básicamente se elimina del entorno magnético.
Cuando el interruptor S_{1} está en la posición abierta o DESACTIVADA (figura 1), el segundo circuito resonante no tiene ningún efecto, y el transpondedor 12 resuena a la frecuencia resonante primaria de la forma normal.
El interruptor S_{1} puede realizar dos funciones diferentes. Primero, el interruptor S_{1} puede estar colocado y mantenido en la posición abierta para permitirle al transpondedor 12 que pueda activarse al recibir la señal de frecuencia resonante primaria, o puede estar colocado y mantenido en la posición cerrada para cerrar el transpondedor 12 de forma permanente (es decir, colocar el transpondedor 12 en modo de suspensión) e impedir con ello que interfiera con el entorno.
Segundo, el interruptor S_{1} puede moverse de forma selectiva entre la posición abierta y la posición cerrada, de acuerdo con un modelo de datos almacenado (por ejemplo, datos de identificación almacenados en el chip 18 del CI del transpondedor) para sintonizar y desintonizar el circuito de antenas que se compone de L_{T} y C_{T}, de tal manera que los datos almacenados se transmiten al lector. De esta manera, la presente invención puede utilizar el interruptor S_{1}, en lugar de un condensador de modulación, para sintonizar y desintonizar el circuito de antenas y transmitir datos a un lector. En la posición cerrada del interruptor, que es el estado del transpondedor durante la modulación y durante el cubrimiento, el transpondedor 12 está básicamente eliminado de su entorno.
De esta manera, el interruptor S_{1} sirve para dos objetivos cuando está en la posición cerrada, que son los siguientes:
(1)
se utiliza para modular en amplitud el código interno del CI 18 en la portadora RF, cerrándolo momentáneamente, de ahí, comunicando información desde el transpondedor 12. Las aplicaciones de lectura a larga distancia requieren un campo AM altamente modulado. Este esquema proporciona una gran cantidad de modulación AM al proporcionarle la perturbación máxima al campo magnético de la antena, eliminando de forma selectiva el efecto de carga que el transpondedor 12 tiene en el interrogador 10.
(2)
se utiliza para desacoplar el transpondedor 12 del entorno, minimizando con ello el riesgo de que el transpondedor 12 desintonice o ensombrezca los transpondedores contiguos o interfiera de otra forma con éstos. De esta manera, el transpondedor 12 es particularmente adecuado para entornos, tales como almacenes de minoristas, en los que muchos artículos etiquetados están físicamente cercanos entre sí, y se desean leer los códigos de identidad de todos estos artículos. Tras la lectura del código del artículo, la posición cerrada del interruptor elimina magnéticamente (en lugar de físicamente) el transpondedor del artículo del entorno, de manera que no desintonizará o ensombrecerá la lectura de los transpondedores de los artículos adyacentes o interferirá de otra manera en ésta.
En ambos casos, la posición del interruptor S_{1} funciona para, o bien (1) formar el circuito abierto con el segundo circuito resonante paralelo, impidiendo con ello que el transpondedor 12 resuene a su frecuencia resonante y desacople el transpondedor 12 de su entorno, o bien (2) impedir que el segundo circuito resonante paralelo tenga cualquier tipo de influencia sobre el transpondedor 12, permitiéndole con ello al transpondedor 12 funcionar de forma normal en donde está permitido que resuene a su frecuencia primaria de resonancia.
Haciendo referencia a la figura 1, en la que el interruptor 30 (S_{1}) está abierto, la combinación del inductor 22 (L_{T}) y el condensador 24 (C_{T}) resuena a una frecuencia, f_{0}, dada por:
1
donde L_{T} = L_{1T} + L_{2T} + M_{12}.
Para alcanzar la mejor modulación / cubrimiento en el estado "cerrado del interruptor" de la figura 2, el diseño del circuito debería minimizar M_{12} (es decir, el coeficiente de inductancia mutua / acoplamiento entre L_{1T} y L_{2T}), así como M_{02} (es decir, el coeficiente de inductancia mutua / acoplamiento entre L_{0} y L_{2Y}). M_{12} puede minimizarse mediante una presentación cuidadosa de la orientación geométrica de las dos bobinas L_{1T} y L_{2T} inductivas. Esto puede conseguirse utilizando métodos convencionales para minimizar el acoplamiento entre las dos antenas de bobina a través del óptimo solapado de las bobinas. Puesto que este tipo de métodos es convencional, no se proporciona aquí una descripción adicional.
Haciendo referencia a la figura 2, en la que el interruptor 30 (S_{1}) está cerrado, la frecuencia resonante paralela formada por el condensador 28 (C_{SW}) y el inductor 22_{2} (L_{2T}) viene dada por:
2
La frecuencia del circuito 34 resonante paralelo f_{PAR} se selecciona para que sea igual a f_{0}, proporcionando con ello la mayor diferencia de impedancia que puede alcanzarse y un coeficiente de acoplamiento que se aproxima a cero. Se proporcionan los valores para L_{2T}, M_{02} y M_{12} puesto que se proporciona la geometría de la bobina y puede obtenerse una medición de la red L_{2T}. De esta manera, puede resolverse la ecuación para C_{SW}. En contraposición a la presente invención, en la técnica de anulación de campo descrita en el documento US-A-6.208.235, el acoplamiento mutuo entre las bobinas es crítico y debe ajustarse de forma empírica. El valor (C_{SW}) de capacitancia se determina para las condiciones del peor caso, que ocurre cuando el transpondedor 12 está a la máxima distancia que puede detectarse respecto a la antena. A esta distancia, el acoplamiento mutuo entre la antena y el transpondedor 12 está a un mínimo, y la inductancia total está dominada por la inductancia del transpondedor 12. Es decir, la inductancia mutua del transpondedor 12 y la antena es menor que la inductancia de la bobina del transpondedor.
Preferiblemente, el CI 18 proporcionado para almacenar datos, es un dispositivo pasivo que se pone en funcionamiento mediante la tensión inducida por el interrogador 10 en el circuito 20 de antenas. Es decir, cuando el transpondedor 12 está suficientemente cerca del interrogador 10 como para estar dentro del campo electromagnético, la tensión inducida en el inductor 22 proporciona potencia al CI 18 en una entrada de antena (no mostrada) del CI 18. El CI 18 rectifica internamente la tensión alterna inducida en la entrada de antena para proporcionar una fuente de tensión continua. Cuando la tensión continua interna alcanza un nivel que garantiza el correcto funcionamiento del CI 18, el Ci 18 funciona para emitir un valor digital almacenado en la memoria programable en una salida de modulación (no mostrada) del CI 18.
Como se explicó anteriormente, un método para transmitir los datos almacenados en el CI 18 a un lector (no mostrado) es a través del empleo de un condensador de modulación conectado a la salida de modulación del CI 18 y al circuito 20 de antenas. Según este método, los impulsos de emisión de datos en la salida de modulación conmutan un condensador de modulación dentro y fuera del circuito 20 de antenas, estableciendo y destruyendo conexiones básicas para modificar la capacitancia global del circuito 20 de acuerdo con los datos almacenados, lo que a su vez modifica la frecuencia resonante del circuito 20, desintonizándola de la primera frecuencia resonante predeterminada a una frecuencia más alta o más baja predeterminada. De esta manera, los impulsos de datos del transpondedor 12 se crean mediante la sintonización y desintonización del circuito 20 resonante de antenas, de tal manera que en lugar de que el circuito 20 de antenas emita una única señal simple de respuesta de frecuencia, emite una señal que contiene un paquete de información previamente programada. Por supuesto, como se entenderá por los expertos en la técnica, con la presente invención pueden utilizarse otros medios de modulación adecuados. Como se explicó anteriormente, la presente invención puede utilizar el interruptor S_{1}, en lugar de un condensador de modulación para sintonizar y desintonizar el circuito de antenas y para transmitir datos a un lector.
El paquete de información (impulsos de datos) se recibe y procesa mediante un sistema de circuitos de recepción (no mostrados), normalmente asociado con el interrogador 10. Es decir, el sistema de circuitos de recepción percibe los cambios en el consumo de energía dentro del campo electromagnético del interrogador 10 para determinar el valor de los datos digitales emitido desde el CI 18. Si fuera necesario, se decodifican los datos por medio del interrogador 10, o del sistema de circuitos asociado con éste, para proporcionar la identificación u otra información sobre un artículo o persona con él o la cual está asociado el transpondedor 12. Actualmente se prefiere utilizar un CI 18 pasivo que se hace funcionar mediante la tensión inducida en el circuito 20 de antenas. Sin embargo, otros medios para activar el CI 18, tales como una batería, están dentro del alcance de la presente invención.
El CI 18 puede incluir también una retribución de potencia o salida base (no mostradas) y una o varias entradas adicionales (no mostradas) que se utilizan para programar el CI 18 (es decir, almacenar o alterar el valor digital almacenado en éstas) de una forma convencional. En la realización actualmente preferida, el CI 18 comprende 128 bits de memoria no volátil. Por supuesto, resultará obvio a los expertos en la técnica que el CI 18 podría tener una capacidad de almacenamiento mayor o menor.
A continuación se proporcionan modelos de circuitos equivalentes para las figuras 1 y 2:
Modelos de circuitos equivalentes
3
R_{1T}: Resistencia de L_{1}, R_{2T}: Resistencia de L_{2},
N_{1}: Número de vueltas de L_{1}, N_{2}: Número de vueltas de L_{2}
L = \alphaN^{2} \alpha: Constante
L_{1} = \alphaN_{1}{}^{2}, L_{2} = \alphaN_{2}{}^{2},
M_{0T} = k_{0T} \sqrt{L_{0}L_{T}}
\hskip0.3cm
k_{0T}: Coeficiente de acoplamiento entre L_{0} y L_{T} (dependiente de la distancia)
M_{01}= k_{01} \sqrt{L_{0}L_{1}}
\hskip0.5cm
k_{01}: Coeficiente de acoplamiento entre L_{0} y L_{1} (dependiente de la distancia)
M_{02} = k_{02} \sqrt{L_{0}L_{2}}
\hskip0.4cm
k_{02}: Coeficiente de acoplamiento entre L_{0} y L_{2} (dependiente de la distancia)
k_{01} \approx k_{02}
M_{12} = k_{12} \sqrt{L_{0}L_{2}}
\hskip0.4cm
k_{01}: Coeficiente de acoplamiento entre L_{0} y L_{1} (dependiente de la estructura de la etiqueta).
A continuación se proporciona un análisis matemático de la figura 1 (en el caso del INTERRRUPTOR DESACTIVADO) y la figura 2 (en el caso del INTERRUPTOR ACTIVADO).
En caso del INTERRUPTOR DESACTIVADO
Para el bucle 0
4
Para el Bucle 1
5
utilizando (1) y (2)
6
si se define Y como Y = inv (Z)
7
La impedancia de la antena Z_{ant\_off} es
8
En caso del INTERRUPTOR ACTIVADO
Para el bucle 0
9
Para el bucle 1
10
Para el bucle 2
11
utilizando (6), (7) y (8)
12
si Y' se define como Y' = inv(Z')
13
La impedancia de la antena Z_{ant\_on} es,
14
Las constantes proporcionadas para el interrogador 10 (antena) y para el transpondedor 12 (etiqueta) en una simulación experimental de la presente invención son las siguientes:
Antena
C_{0} = 136,5 X 10^{-12}[F]
L_{0} = 1,0092 X 10^{-6}[H] determinada de tal manera que f_{0} es 13,56 MHz
Q_{0} = 70
R_{0} = \omegaL_{0} / Q_{0} = 1,228 [\Omega]
K_{0T} = k_{0T1} = 0,03
K_{0T2} = 0,03 ó 0,0
Etiqueta
C_{T} = 125,24 X 10^{-12}[F] determinada de tal manera que f_{0} es 13,56MHz
L_{T} = 1,10 X 10^{-6}[H]
Q_{T} = 80
R_{T} = \omegaL_{0} / Q_{0} = 1,1715 [\Omega]
K_{0T2}, C_{SW} y R_{SW} pueden cambiarse.
La figura 3 es una primera realización de una configuración de empaquetado para el transpondedor 12 implementado como una etiqueta de papel que tiene todos los inductores, condensadores y el CI 18 en la misma. La configuración de empaquetado muestra la colocación de los cuatro componentes claves, el inductor 22_{1}(L_{1T}), el inductor 22_{2}(L_{2T}), el condensador 24 resonante primario (C_{T}) y el segundo condensador resonante (C_{SW}). El conductor de capa inferior por debajo de L_{2T} puede ayudar a desacoplar L_{2T} con otra bobina de transpondedor y la antena. El interruptor 30 (S_{1}) se sitúa preferiblemente en el CI 18, pero de forma alternativa puede realizarse con un transistor distinto.
En la realización preferida de la presente invención, los condensadores C_{T} y C_{SW} están fabricados con placas de láminas de aluminio que intercalan un dieléctrico de polietileno. El proceso de fabricación es convencional y, por tanto, no se describe aquí de forma más detallada. Las realizaciones alternativas emplean condensadores de chip distintos que utilizan otros tipos de dieléctricos (por ejemplo, cerámica, tantalio) y / u otros tipos de factores formales, es decir, condensadores impresos de soporte de superficie, de película gruesa o de película emplomada. Uno de los dos condensadores puede disponerse dentro de un chip del CI. Al menos uno de los condensadores, tal como C_{T}, puede ser una capacitancia "distribuida" entre las bobinas L_{1T} y L_{2T}. Una capacitancia distribuida se forma a partir de longitudes de inductores, en contraposición al empleo de un componente distinto, como es bien conocido en la técnica.
En la realización preferida de la presente invención, las dos bobinas L_{1T} y L_{2T} inductivas están grabadas en una estructura de aluminio laminada.
En una realización alternativa, al menos una de las bobinas inductivas está grabada o estampada en una estructura de aluminio laminada. Estas bobinas inductivas pueden disponerse en el mismo lado o en lados diferentes de la estructura laminada. La otra bobina inductora puede estar estampada o puede fabricarse con una bobina inductiva distinta. La bobina inductiva distinta puede tener una superficie montable, o factor de forma emplomado (agujero pasante).
Una realización alternativa utiliza una bobina de aluminio grabada o estampada y una bobina distinta que puede estar en un paquete de soporte de superficie. Esta realización ofrece flexibilidad en la orientación geométrica de las bobinas, que es útil al minimizar el acoplamiento entre las dos bobinas. Otras realizaciones alternativas pueden utilizar combinaciones de bobinas estampadas con bobinas distintas y / o grabadas. De forma alternativa, estas bobinas pueden estar realizadas con bucles de cable de cobre o aluminio. Esta técnica se utiliza comúnmente para etiquetas duras reutilizables. Las bobinas inductivas también pueden fabricarse utilizando materiales ferromagnéticos.
El aluminio es el material preferido para utilizarse en la construcción de las bobinas inductivas y / o las placas capacitadoras, principalmente por motivos de costes. Sin embargo, si el coste no es una preocupación principal, pueden utilizarse otros materiales metálicos con alta conductividad eléctrica para las bobinas inductivas y / o placas capacitadoras. Este tipo de materiales incluye cobre, estaño, plomo, níquel, oro, plata, tungsteno, titanio, molibdeno, platino y aleaciones de estos metales.
La figura 4 es una segunda realización de una configuración de empaquetado para el transpondedor 12. En esta configuración, la bobina L_{1T} primaria está implementada como una bobina de etiqueta de papel de una única capa. La bobina L_{2T} secundaria y los dos condensadores C_{T} y C_{SW} están colocados en una tarjeta 36 de circuito (PC) impreso. La bobina L_{2T} secundaria tiene un alto Q. El interruptor 30 (S_{1}) (no mostrado) también está colocado en la tarjeta 36 PC.

Claims (5)

1. Transpondedor (12) que incluye un primer inductor (22_{1}) y un segundo inductor (22_{2}) conectados en serie, un primer condensador (24), un segundo condensador (28), y un interruptor (30), comprendiendo el transpondedor (12):
un primer circuito (20) resonante y un segundo circuito (34) resonante, en el que el primer circuito (20) resonante está formado a partir de una conexión paralela de (i) el primer y segundo inductor (22_{1}, 22_{2}) conectados en serie, y (ii) el primer condensador (24), teniendo el primer circuito (20) resonante una frecuencia resonante primaria, caracterizado porque el segundo circuito (34) está formado a partir de una conexión en serie del segundo condensador (28) y el interruptor (30), estando conectada la conexión en serie del segundo condensador (28) y el interruptor (30), en paralelo con el segundo inductor (22_{2}), estando conectado un extremo del segundo condensador (28) conectado en serie y el interruptor (30) a la conexión común entre el primer y segundo inductor (22_{1}, 22_{2}) conectados en serie,
en donde los valores del segundo inductor (22_{2}) y el segundo condensador (28) se seleccionan de tal manera que la frecuencia resonante del segundo circuito (34) es igual a la frecuencia resonante primaria del primer circuito (20) resonante.
2. Transpondedor según la reivindicación 1, en el que la frecuencia resonante primaria es:
1
donde
L_{T} = L_{1T} + L_{2T} + M_{12}, y
L_{1T} es la inductancia del primer inductor (22_{1})
L_{2T} es la inductancia del segundo inductor (22_{2}),
M_{12} es la inductancia mutua entre el primer y el segundo inductor (22_{1}, 22_{2}), y C_{T} es la capacitancia del primer condensador (24).
3.Transpondedor según la reivindicación 2, en el que la frecuencia resonante paralela del segundo circuito (34) cuando el interruptor está cerrado es:
2
donde
L_{2T} es la inductancia del segundo inductor (22_{2}),
M_{12} es la inductancia mutua entre el primer y el segundo inductor (22_{1}, 22_{2})
M_{02} es la inductancia mutua entre el segundo inductor (22_{2}) y un inductor de una antena (16) de interrogación;
y
C_{SW} es la capacitancia del segundo condensador (28).
4. Transpondedor según la reivindicación 1, en el que el transpondedor (12) es un circuito de etiqueta inteligente de radiofrecuencia para una etiqueta RFDI.
\newpage
5. Transpondedor según la reivindicación 4, que además comprende:
un circuito (18) integrado conectado al primer circuito (20) resonante para emitir datos, provocando el estado cambiante del interruptor (30) que los datos se modulen y se transmitan desde el transpondedor (12) a un lector de interrogación.
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