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.Info
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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.
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:
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:
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:
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}}
\hskip0.3cmk_{0T}: Coeficiente de acoplamiento entre L_{0} y L_{T} (dependiente de la distancia)
M_{01}= k_{01} \sqrt{L_{0}L_{1}}
\hskip0.5cmk_{01}: Coeficiente de acoplamiento entre L_{0} y L_{1} (dependiente de la distancia)
M_{02} = k_{02} \sqrt{L_{0}L_{2}}
\hskip0.4cmk_{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}}
\hskip0.4cmk_{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
Para el Bucle 1
utilizando (1) y
(2)
si se define Y como Y = inv
(Z)
La impedancia de la antena Z_{ant\_off} es
En caso del INTERRUPTOR ACTIVADO
Para el bucle 0
Para el bucle 1
Para el bucle 2
utilizando (6), (7) y
(8)
si Y' se define como Y' =
inv(Z')
La impedancia de la antena Z_{ant\_on} es,
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:
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
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:
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:
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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