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Diese
Erfindung betrifft passive Radiofrequenztransponder
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Bei
passiven Radiofrequenztransponderanordnungen wird im Gegensatz zu
aktiven Transpondern, die eine Energiequelle wie beispielsweise
eine Batterie umfassen, Energie aus einem zu Ihrer Energieversorgung
verwendeten Abfragesignal abgeleitet. Dadurch sind passive Transponder
in der Herstellung relativ kostengünstig. Jedoch begrenzen das
nicht Vorhandensein einer eingebauten Energiequelle und die Notwendigkeit,
Energie aus dem Abfragesignal zu beziehen, den effektiven Betriebsbereich
derartiger Transponder für eine
gegebene Intensität
des Abfrageenergiefeldes. Umgekehrt muß für den Fall, daß ein großer Betriebsbereich
gefordert wird, der von der das Energiefeld erzeugenden Antenne
abgestrahlte Energiebetrag bis zum Punkt verstärkt werden, an dem bestimmte
Sicherheitsbestimmungen oder Gesetzmäßigkeiten verletzt werden könnten.
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Bereits
zuvor wurden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen
Impedanzanpassung, die zur Anpassung eines RF-Signalgenerators an
eine Last verwendet werden können,
vorgeschlagen, wie beispielsweise in der US-A-5,195,045 offenbart
ist. In dieser speziellen Druckschrift werden jedoch keine speziell bei
passiven Radiofrequenztranspondern angetroffenen Probleme im Detail
angesprochen. In der WO 90/15343 A wird eine passive Transponderanordnung
eines bei dem gegebenen Beispiel zur Lokalisierung eines Ziels in
der Form einer im Meer schwimmenden Person unter Verwendung von
im Hubschrauber befördertem
Gerät verwendeten
Typs offenbart. In der Beschreibung wird das Ziel einer Anpassung
der Antenne an den Transponder angegeben.
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In
der WO 97/36758 wird eine weitere Anordnung angegeben, bei der die
Antenne eines Transponders an den Transponder selbst angepaßt ist,
wobei jedoch bei dieser Anordnung eine Batterie als Stromquelle
verwendet wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine passive Radiofrequenztransponderanordnung
bereitzustellen, die in einem vergrößerten Bereich oder mit Energieversorgungsfeldern
geringerer Leistung als frühere
Transponder betrieben werden kann.
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Gemäß dieser
Erfindung wird eine passive Radiofrequenztransponderanordnung bereitgestellt,
welche umfaßt:
eine
Antenne, die ein Dipol oder gefalteter Dipol ist;
eine Transponderschaltung
mit einer komplexen Eingangsimpedanz, die eine Stromversorgungsschaltung,
die für
eine Versorgung mit von der Antenne empfangener Energie eingerichtet
ist, eine Logikschaltung und eine Modulatorschaltung zur Erzeugung
von Datensignalen für
eine Übertragung
durch die Antenne umfaßt;
und
zumindest zwei Impedanzanpassungselemente, wobei die Impedanzanpassungselemente
einen Kondensator, der in Parallelschaltung an der Antenne angeschlossen
ist, und eine Induktionsspule umfassen, die in Reihenschaltung zwischen
der Antennen- und der Transponderschaltung angeschlossen ist, wobei
der Kondensator und die Induktionsspule zusammen effektiv eine Impedanzanpassungsschaltung
zwischen der Antennen- und der Transponderschaltung definieren,
wobei die Antenne zumindest zwei Elemente umfaßt, wobei ein erstes Element
eine erste Länge
eines leitfähigen
Materials umfaßt
und die Induktionsspule, die integral mit dem ersten Element ausgebildet
ist, eine zweite Länge
eines leitfähigen
Materials umfaßt,
das zwischen dem ersten Element der Antenne und der Transponderschaltung
angeschlossen ist, wobei die Induktivität derselben durch die zweite
Länge bestimmt
ist.
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Vorzugsweise
umfaßt
die komplexe Eingangsimpedanz der Transponderschaltung eine negative
Reaktanzkomponente.
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Zweckmäßiger Weise
ist der Kondensator zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß der Antenne
in Parallelschaltung mit Eingangsanschlüssen der Transponderschaltung
angeschlossen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfassen das zumindest ein Antennenelement und die Induktionsspule
eine leitfähige
metallische Folie.
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Zweckmäßiger Weise
ist der Kondensator durch sich überlappende
benachbarte Elemente der Antenne gebildet, die durch eine elektrische
Schicht getrennt sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfassen das zumindest eine Antennenelement und die Induktionsspule
einen metallischen Draht.
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Vorzugsweise
ist der Kondensator aus einer Länge
eines Drahtes gebildet, der mit einem Element der Antenne verbunden
ist und um ein anderes Element derselben gewunden ist.
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Die
Transponderanordung kann eine Betriebsfrequenz im Bereich von 440
bis 930 MHz und einen Betriebsbereich von zumindest 1m für eine effektive
abgestrahlte Leistung einer Lesevorrichtung umfassen, die den Transponder
mit nicht mehr als 500 mW versorgt.
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Zur
Herstellung kostengünstiger
Transponder benötigen
Konstrukteure ein einfaches Antennensystem, mit dem eine alle elektronischen
Komponenten enthaltende integrierte Transponderschaltung verbunden ist.
Derartige Komponenten umfassen typischerweise Gleichrichterdioden,
Speicherkondensatoren, einen Modulator, einen internen Oszillator
mit niedriger Frequenz, einen Speicher und eine Logikschaltung.
Bei typischen Konstruktionen werden eine spannungsverdoppelnde Gleichrichterschaltung
zur Entnahme der Betriebsleistung und eine Rückstreuungsmodulation zur Weiterleitung
der Daten des Transponders zur Lesevorrichtung verwendet. Diese
Art des Aufbaus führt
lediglich zu einer Gleichrichterschaltung und dazu, daß der Modulator
eine Radiofrequenzanregung erfährt,
während
andere Teile bei einer relativ niedrigen vom Oszillator erzeugten
Frequenz arbeiten.
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In
den verschiedenen Ländern
ist die Verwendung des Radiospektrums innerhalb ihrer Grenzen gemäß regionaler
Pläne reguliert.
Gemäß diesen
Plänen
ist die Stärke
der im Hoheitsgebiet zulässigen
Energieversorgungsfelder häufig
begrenzt. Mit bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird beabsichtigt, einen Betrieb von
Transpondern in einem vernünftigen
Bereich im Verhältnis
zur Quelle des Energieversorgungsfeldes der Lesevorrichtung auch
in solchen Gebieten zu ermöglichen,
in welchen nur sehr niedrige Intensitäten des Energieversorgungsfeldes
zugelassen sind.
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Um
den Energietransfer zum Energieversorgungsfeld über die Antenne zur Gleichrichterschaltung
zu maximieren, wird idealerweise eine Anpaßschaltung zwischen den elektronischen
RF-Komponenten (Gleichrichtervorrichtungen, Modulatoren und Energiespeicher)
und der Antenne benötigt.
Mit Hilfe der Anpaßschaltung
soll die aktuelle komplexe Eingangsimpedanz der elektronischen Komponenten
des Transponders in die konjuguiert-komplexe Im pedanz der Antenne
umgewandelt werden. Bei herkömmlichen
Konstruktionen kann dies unter Verwendung von Übertragungsleitungen oder Kombinationen
aus Induktionsspulen und Kondensatoren erreicht werden. Aufgrund
der hohen für
die Induktionsspulen und Kondensatoren benötigten Werte und der niedrigen
bei der Herstellung integrierter Schaltungen erreichten Herstellungstoleranzen
sowie der Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Nominalwerte
derartiger Komponenten, ist es nicht wirtschaftlich praktikabel,
diese Komponenten in die elektronisch integrierte Schaltung miteinzubeziehen.
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Ohne
ein Abstimmungsnetz weist eine typische elektronische Schaltung
beispielsweise eine Eingangsimpedanz von 8,86 – j29,67 Ohm auf, während ein
Dipol eine Impedanz von ungefähr
72-j0 aufweist. An der Verbindung zwischen einer Antenne und der
elektronischen Schaltung würde
die Unausgewogenheit der Impedanzen zu einer unmittelbaren Reflexion
von 70% der Eingangsleistung und nicht zu einer Umwandlung in vom
Transponder verwertbarer Energie führen. Zur Kompensation müßte das
Energieversorgungsfeld um einen Faktor von mehr als 3,3 verstärkt werden,
um verglichen mit einer gut abgestimmten Situation dieselbe Energie
zu den Gleichrichterdioden zu liefern.
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung Bezug genommen,
die beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
angegeben ist, in welchen:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung ist, in der die Hauptkomponenten
einer herkömmlichen
Lesevorrichtung und eines passiven Transponders gezeigt sind;
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2 die
Verbindung zwischen einer Antenne und einer Gleichrichterschaltung
des Transponders mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Anpaßschaltung zeigt;
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3 schematisch
ein Verfahren zur Herstellung einer Anpaßschaltung zur Bestimmung der
komplexen Impedanz der Gleichrichterschaltung zeigt;
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4 eine
zur Bestimmung der komplexen Eingangsimpedanz der Gleichrichterschaltung
verwendete Testvorrichtung zeigt;
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5 ein
Smith-Diagramm zeigt, das die Transformation der komplexen Impedanz
der Gleichrichterschaltung in die Ausgangsimpedanz eines Signalgenerators
mit Hilfe der Komponenten der Anpaßschaltung veranschaulicht.
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6 eine
erfindungsgemäße Anpaßschaltung
in einer schematischen Form zeigt;
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7 ein
Smith-Diagramm zeigt, das die Transformation der komplexen Impedanz
der Gleichrichterschaltung eines Transponders in die Impedanz einer
Antenne mit Hilfe der Komponenten der Anpaßschaltung zeigt;
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8a bis 8c eine
erste Ausführungsform
einer Transponderanordnung gemäß der Erfindung
mit einer Dipolantenne mit einer integrierten Anpaßschaltung
zeigen;
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9 einen
Labortestaufbau zur Messung der Leistungsfähigkeit der Transponderanordnung
zeigt;
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10 eine
zweite Ausführungsform
einer Transponderanordnung gemäß der Erfindung
zeigt;
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11 eine
Graphik ist, die anzeigt, welche Leistung von einer in einem 915
MHz Energieversorgungsfeld mit 500 mW oder 30W in unterschiedlichen
Bereichen angeordneten Dipolantenne entnehmbar ist; und
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12 eine
die Ausgangsspannung in Abhängigkeit
von der Frequenz einer Antennenanordnung mit einer integrierten
Anpaßschaltung
gemäß der Erfindung
wiedergebende Graphik ist.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In 1 ist
die typische Anordnung einer Schaltung für einen Transponder und einen
Abfragesender oder ein Lesesystem gezeigt, das auf dem Empfang von
Leistung durch den Transponder aus dem Energieversorgungsfeld der
Lesevorrichtung zur Energieversorgung des Transponders basiert.
Diese Art von Transponder wird „passiv" genannt, da sie keine Energiequelle
enthält
und zum Betrieb Leistung aus dem Energieversorgungsfeld entnimmt.
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Mit
Bezugnahme auf 1 wird ein Radiofrequenzsignal
von einem bei der gewünschten
Betriebsfrequenz des Transponders bzw. Trägerfrequenz betriebenen Oszillator 10 in
einem Leistungsverstärker 12 verstärkt und über eine
Sendeantenne 14 abgestrahlt. Damit wird ein Energieversorgungsfeld 8 erzeugt.
Der Transponder besteht aus einer Antenne 16 und einer
an der Antenne befestigten elektronischen Schaltung 36. Die
elektronische Schaltung umfaßt
alle funktionalen Komponenten des Transponders, wie beispielsweise eine
Leistungsentnahmeschaltung oder einen Leistungsgleichrichter 18 zur
Entnahme von Leistung aus dem Energieversorgungsfeld, einen Modulator 20 zum
Senden von Daten vom Transponder zurück zur Lesevorrichtung und
eine Logikschaltung 22, die einen internen Oszillator mit
niedriger Frequenz, der typischerweise bei 10 kHz arbeitet, einen
Speicher und eine Steuerungslogikschaltung umfaßt.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird beabsichtigt, die Umwandlung von
aus dem Energieversorgungsfeld entnommener Leistung zu verstärken, um
die für
den Betrieb des Transponders notwendige Betriebsspannung zu liefern,
da dieser Parameter die größte Auswirkung
auf den mit einem Transponder für
eine gegebene Leistung des Energieversorungsfeldes erreichbaren
Betriebsbereich hat.
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Unter
Verwendung von allgemein bekannten Strahlungsgleichungen beträgt die Leistung
am Ausgang der Transponderantenne
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Diese
Leistung wird dem Transponder bei der von den Eigenschaften der
Antenne abhängigen
Impedanz zugeführt.
Beispielsweise weist ein Dipol eine Impedanz von 72+j0 Ohm auf,
während
ein gefalteter Dipol eine Impedanz von 300+j0 Ohm aufweist.
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Die
an den Anschlüssen
der Antenne verfügbare
RMS-Spannung beträgt:
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Die
oben angegebenen Gleichungen betreffen die Situation, in der die
gesamte verfügbare
Leistung in Spannung umgewandelt wird und nicht aufgrund einer Impedanzfehlanpassung
verlorengeht.
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Gemäß der obigen
Gleichungen ist die Beziehung zwischen der abgegebenen Spannung
und dem Bereich
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Der
tatsächliche
Betriebsstrom für
die elektronische Schaltung in einem Transponder der fraglichen Art
ist gewöhnlich
sehr klein und beträgt
beispielsweise 10 μA
bei 1,5 Volt, woraus sich ein äquivalenter
Lastwiderstand von 150 kΩ ergibt.
Durch Bereitstellen einer praktischen Anpaßschaltung zur Anpassung dieser
Impedanz – von
den Gleichrichterdioden des Leistungsgleichrichters aus gesehen – an die
Impedanz der Transponderantenne, ist die Abgabe viel höherer Betriebsspannungen
und damit die Vergrößerung des
Bereichs, in dem der Transponder für ein gegebenes Energieversorgungsfeld
betrieben werden kann, möglich.
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In 2 ist
eine typische Leistungsgleichrichterschaltung gezeigt, die in einem
Transponder zur Versorgung der äquivalenten
Last 24 des Transponders mit einer ausreichenden Spannung
und einem ausreichenden Strom verwendet werden kann. Eine geeignete
Anpaßschaltung
bzw. Netz 26 wandelt die Impedanz der Antenne in die konjugiert
komplexe Impedanz der äquivalenten
Last gemäß der Transformation
durch die Impedanzen der Gleichrichterdioden D1 und D2 und eines
Energiespeicherkondensators C um.
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Mit
hochentwickelten Netzanalysatoren und umfangreichen mathematischen
Gleichungen ist es möglich,
geeignete Werte für
die Anpaßschaltung
zu berechnen. Jedoch ist auch ein viel einfacheres praktisches Verfahren
zur Bestimmung dieser Werte möglich.
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Von
den Radiofrequenzingenieuren wurden über viele Jahre die von Philip
Smith vor 1932 erfundenen und von Analog Instruments verkauften „Smith
Charts" (Markenzeichen)
genannten graphischen Rechendiagramme verwendet. Die Verwendung
dieser Diagramme ist Radioingenieuren, die als Teil ihrer Ausbildung über ihre
Anwendungsweise unterrichtet wurden, geläufig.
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Das
Smith-Diagramm zeigt graphisch, wie Impedanzen von einer bestimmten
komplexen Quellimpedanz in eine komplexe Lastimpedanz umgewandelt
werden. Das Diagramm funktioniert bei allen Impedanzen. Im allgemeinen
wird eine Referenzimpedanz gewählt
und es werden alle im Diagramm abgebildeten Werte auf diese Impedanz
nominiert, wobei alle Punkte als Verhältnisse abgebildet sind.
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Aufgrund
der Eigenschaften der die Dioden D1 und D2 und den Kondensator C
umfassenden Gleichrichterschaltung 18, die verglichen mit
der äquivalenten
Last 24 dominieren, und der relativ hohen Impedanz des
Modulators 20 (typischerweise 10 kΩ, wenn er eingeschaltet ist
und 1 MΩ,
wenn er ausgeschaltet ist) liegt die Impedanz der Gleichrichterschaltung
und somit die effektive Eingangsimpedanz der Transponderschaltung von
der Anpaßschaltung 26 aus
betrachtet in der unteren Hälfte
des Smith-Diagramms im „negativen
Reaktanzsektor" (siehe 5).
Mit anderen Worten ist die Eingangsimpedanz komplex und umfaßt eine
positive reale Komponente und eine negative imaginäre Komponente.
Der Abgleich erfolgt durch Bewegen dieser Impedanz in den „positiven
Reaktanzsektor" mit
Hilfe einer Reihenübertragungsleitung
oder einer Induktionsspule, worauf eine Übertragung derselben auf die
Quellenimpedanz mit Hilfe eines Kondensators erfolgt. Dieser Prozeß erfordert
zwei präzise
Elemente, wobei das erste zur Bewegung der Impedanz zu einem Übergangspunkt
oder Zwischenimpedanzwert im richtigen Teil des Sektors und das
zweite zur Bewegung derselben vom Übergangspunkt zur Last benötigt werden.
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In 3 ist
das Konzept der notwendigen Schaltung gezeigt, die einen parallelen
Kondensator CL und eine Übertragungsleitung 28 umfaßt. Es gibt
andere Wege zum Abgleich, jedoch ist es der primäre Zweck der Erfindung, eine
praktische Art einer Anpassung des Transponderchips an die Antenne
zu liefern und daher sollte die Anpaßschaltung von der Konstruktion
der Antenne umfaßt
sein, wobei vorzugsweise dieselben bei der Antenne verwendeten Materialien
zur Minimierung der Herstellungskosten verwendet werden. Da im Smith-Diagramm
die Verwendung einer Übertragungsleitung
oder einer Induktionsspule zur Übertragung
vom negativen in den positiven Sektor zugelassen ist, können Testmessungen
korrekt unter Verwendung einer Übertragungsleitung
durchgeführt
werden und dann praktisch unter Verwendung einer Induktionsspule
implementiert werden. Zum Zweck der Bestimmung der tatsächlichen
Eingangsimpedanz der Transponderschaltung in einem Meßlabor können bei
einer anderen Impedanz als der der eventuellen Antennenschaltung
arbeitende Testgeräte
verwendet werden und sobald die korrekte Eingangsimpedanz der Transponderschaltung bestimmt
wur de, kann eine neue Anpaßschaltung
zur Anpassung an jede beliebige gewählte Antennenimpedanz verwendet
werden.
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In 4 ist
ein Testaufbau zur Implementierung der Anordnung aus 3 gezeigt,
wobei ein bei der korrekten Frequenz arbeitender Signalgenerator 30 mit
einer eine 50 Ω Übertragungsleitung 28 und
einen variablen Kondensator CL, der mit
der integrierten Schaltung 36 verbunden ist, mit der die
Abstimmung erfolgen soll, aufweisenden Vorrichtung (Jig) verbunden
ist. Idealerweise wird ein Voltmesser 34 zur Messung der
an die äquivalente
Last 24 angelegten Spannung verwendet. Bei Systemen, in
welchen ein Spannungsausgang nicht verfügbar ist, wird der Betrieb
der Schaltung überwacht
und die Leistung vom Signalgenerator so lange reduziert, bis die
Schaltung nicht mehr funktioniert. Auf diese Weise kann die Effektivität der Anpaßschaltung quantitativ
geprüft
werden.
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Durch
Verwendung von Testanpaßschaltungen
mit unterschiedlich langen Übertragungsleitungen
und wobei in jedem Fall der variable Kondensator so abgestimmt wird,
daß die
zum Betrieb der Schaltung benötigte Leistung
des Signalgenerators minimiert ist oder dieselbe Spannung zur äquivalenten
Last zugeführt
wird, ist die empirische Bestimmung der korrekten Länge der Übertragungsleitung
und des vom Abstimmkondensator für
einen maximalen Energietransfer benötigten Wertes möglich. Dieses
Maximum tritt auf, wenn durch die Anpaßschaltung die Impedanz der
Gleichrichterschaltung auf die Quellenimpedanz des Generators abgestimmt ist.
Dieser Abgleichsprozeß ist
im Smith-Chart-Diagramm in 5 gezeigt.
Aus dem Wert des Abstimmkondensators und der Länge der optimalen Übertragungsleistung
kann die komplexe Eingangsimpedanz der Transponderschaltung für die Betriebsspannung
bestimmt werden.
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Ein
einfach herzustellendes Antennensystem kann gewählt werden. Dabei kann es sich
typischerweise um einen Dipol mit einer Impedanz von 72+0j Ω handeln.
Unter Verwendung des Smith-Charts und da nun die Impedanz der Gleichrichterschaltung
bekannt ist, kann basierend auf einem parallelen Kondensator C und einer
in Reihe geschalteten Induktionsspule L eine neue Abgleichsschaltung
aufgebaut werden, wie in 6 gezeigt ist. Die Werte dieser
Komponenten werden gemäß der Berechnung
aus dem Smith-Chart aus 7 berechnet. Durch Vornahme
einer kleinen Änderung
an den Werten der Induktionsspule und des Kondensators kann fast
jede Antennenkonstruktion mit dieser Schaltung bzw. diesem Netz
abgeglichen werden. Beispielsweise könnte es sich bei der Antenne
um einen verkürzten
Dipol oder eine andere elektrisch „kurze" Antenne handeln, deren komplexe Impedanz
mit dem oben genannten Abgleichsprozeß einfach angepaßt werden
kann.
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In 8 ist eine praktische Ausführungsform
einer Antennen-/Transponder-Anordnung gemäß der Erfindung gezeigt. In 8 sind die Komponenten der Anordnung gezeigt,
die auf einer integrierten Transponder-Chip-Schaltung 36 und
einer Dipolantenne mit einer nominalen Betriebsfrequenz von 915
MHz basiert.
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Die
Dipolantenne besteht aus einem aus einem dünnen metallischen 5 mm breiten
Folienstreifen hergestellten ersten und zweiten Schenkel 38 bzw. 45.
Beim Prototyp wurde zur Vereinfachung beim Löten eine verdünnte Kupferfolie
verwendet, jedoch können
statt dessen auch andere Metallfolien oder metallische Farben oder
andere Beschichtungen auf einem geeigneten Substrat verwendet werden.
Der Schenkel 38 ist 80 mm lang, während der Schenkel 40 100
mm lang ist, wobei sich die Streifen jedoch um 20 mm überlappen, wenn
sie zusammengefügt
sind, so daß jedes
Bein der Antenne eine effektive Länge von 80 aufweist. Am innersten
Ende 42 des Beins 38 ist eine Induktionsspule
befestigt, die eine aus einem 0,5 mm breiten Folienband gebildete
Schleife 44 umfaßt.
Die Schleife ist auf sich selbst zurückgefaltet und die Gesamtlänge derselben beträgt daher
21 mm. Die Schleife weist ein freies Ende 46 auf, das mit
einem Eingangsanschluß des
Transponder-Chips 36 verbunden ist, wie im nachfolgenden
beschrieben ist.
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Eine
weitere Komponente der Anordnung bildet ein Streifen aus einem dielektrischen
Band 48, das 20 mm lang und zumindest 5 mm breit ist.
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Wie
in den 8b und 8c gezeigt
ist, ist das dielektrische Band 48 am inneren Endabschnitt 42 des
Beins 38 des Dipols befestigt und der entsprechende Endabschnitt 50 des
Beins 40 ist darauf positioniert. Die Enden 42 und 50 der
jeweiligen Beine 38 und 40 gelangen nicht in elektrischen
Kontakt miteinander und somit wird zwischen ihnen ein Kondensator
mit einem durch die Fläche
der überlappenden
Abschnitte der Folienstreifen und die Dicke des dielektrischen Bandes 48 und
dessen Dielektrizitätskonstante
bestimmten Wert definiert. Das freie Ende 46 der Schleife 44 ist
angelötet
oder auf andere Weise mit dem Eingangsanschluß 52 der integrierten
Transponder-Chip-Schaltung 36 verbunden, während ein
zweiter Eingangsanschluß 54 des Transponders
mit dem Bein 40 des Dipols in der Nähe der Überlappungszone mit dem Bein 38 verbunden
ist. Die gesamte Anordnung ist vorzugsweise an einem Substrat in
der Form eines Streifens 56 beispielsweise aus Papier oder
aus einem dünnen
Kunststofffilmmaterial befestigt, um die Anordnung mechanisch robust
zu machen. Eine einen Kunststoff oder auf Epoxy basierenden Klebstoff
umfassende Schutzschicht 58 kann auf dem zentralen Abschnitt
der Anordnung aufgebracht werden, um ihre Festigkeit und Witterungsbeständigkeit
zu erhöhen.
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Bei
dieser Anordnung wird die integrierte Transponderschaltung effektiv
mit einer Dipolantenne mit einer zwischen einem Bein des Dipols
und dem Transpondereingangsanschluß in Serie angeschlossenen
Induktionsspule und einem zwischen den beiden Beinen des Dipols
angeschlossenen Kondensator verbunden. Die Schaltung ist schematisch
in 6 gezeigt.
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Der
besagte Transponder weist eine nominale Betriebsspannung von 1,5V
auf und bezieht ungefähr 10μA. Die effektive
Eingangsimpedanz des Transponder-Chips an seinen Eingangsanschlüssen 52 und 54 wurde
vor der internen Gleichrichterschaltung des Transponders mit einem
Wert von 8,86-j29.67 Ω gemessen. Bei
915MHz waren eine Induktionsspule mit einem Wert von ungefähr 9 nH
und ein Kondensator mit einem Wert von ungefähr 6 pF zur Herstellung der
notwendigen Impedanzanpassung an den 72 Ohm Dipol erforderlich und
die oben beschriebenen physikalischen Abmessungen der Antenne-/Transponder-Anordnung
wurden so berechnet, daß sich
diese Werte ergeben.
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In 9 ist
ein Aufbau zum Testen der Wirksamkeit der Anpaßschaltung dargestellt, die
zur Optimierung der Anpaßschaltung
Feineinstellungen zuläßt. Die
Transponder-Anordnung ist in einer festen Entfernung von der Sendeantenne 14 der
Lesevorrichtung aufgebaut und der Ausgang des Leistungsverstärkers 12 wird zur
Erzielung der Betriebsbedingungen des Transponders, d.h. einer Betriebsspannung
von zumindest 1,5V, variiert. Wenn optimale Bedingungen vorliegen,
kann die Anpaßschaltung
fein abgestimmt und die Leistung reduziert werden.
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In 10 ist
eine alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Antennen-/Transponder-Anordnung
gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
wird ein dünner
lackierter Draht mit einem Durchmesser von 0,4 mm anstelle von Folienstreifen
zur Herstellung der Antenne und der Komponenten zur Impedanzanpassung verwendet.
Wiederum wird eine Dipolantenne mit Beinen 60 und 62 mit
einer Länge
von 80 mm bereitgestellt. Das innere Ende 64 des Beins 60 endet
in einer Schleife 66 mit einer effektiven Länge von
21 mm und einem freien Ende 68, das mit dem Anschluß 52 des
Transponder-Chips 36 verbunden ist.
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Diese
Schleife definiert eine in Reihe mit dem Bein 60 und dem
Eingangsanschluß 52 des
Transponder-Chips verbundene Induktionsspule. Das andere Bein 62 ist
an einem Punkt 70 mit dem Eingangsanschluß 54 des
Transponder-Chips verbunden und erstreckt sich über den Anschluß 52 hinaus
und ist um das innere Ende 64 des Beins 60 in
die Form einer Spule 72 mit 10 Windungen zur Herstellung
eines parallelen Kondensators gewunden. Der zentrale Abschnitt der
Anordnung ist mit einer Schutzschicht 74 beispielsweise
aus Kunststoff oder Epoxyharz überdeckt.
Die Funktionsweise dieser Ausführungsform
ist im wesentlichen ähnlich der
in den 8a bis c gezeigten.
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Die
beschriebene kapazitive/induktive Anpaßschaltung liefert eine effektive
Impedanz für
die Gleichung
für die Umwandlung von Leistung
in Spannung von ungefähr
4500 Ohm. Unter Verwendung eines Signalgenerators mit einer Ausgangsimpedanz
von 50 Ohm zeigten Tests, daß unter
Bedingungen, bei welchen 11,2 mW (+10,5 dBm) zur Erzielung einer
Betriebsspannung von 1,5 Volt hinter der Transpondergleichrichterschaltung
erforderlich waren, nur 126 μW
(-9 dBm) erforderlich waren, wenn die oben beschriebene Abgleichsschaltung
verwendet wurde.
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Bei
einem Vergleich des Betriebs einer Transponderanordnung mit und
ohne Anpaßschaltung,
unter Verwendung einer Standarddipols in einer festen Entfernung
von der Sendeantenne 14, benötigte die Anordnung mit Anpaßschaltung
19 dB weniger an Strahlungsleistung für einen entsprechenden Betrieb.
Wie in 11 angegeben ist, in der die
von einer einen Transponder der relevanten Art versorgenden Dipolantenne verfügbare Leistung
gezeigt ist, wird ein sich innerhalb der Grenzen der europäischen Anforderungen
von 500 mW für
die effektive abgestrahlte Leistung (ERP) liegendes Energieversorgungsfeld
möglich,
das bei 915 MHz dennoch einen effektiven Betriebsbereich von 1,6
m aufweist. Wie in 12 gezeigt ist, beträgt die Bandbreite der
Anpaßschaltung
fast 100 MHz für
ein für
einen Betriebsbetrieb von 860-930 MHz ausgelegtes System. Dies bedeutet,
daß dieselbe
Schaltung erfolgreich auf unterschiedlichen Märkten mit unterschiedlichen
für Abfragesender
erforderlichen Frequenzen verwendet werden kann.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf die Verwendung einer Dipolantenne
beschrieben wurde, eignet sich die Erfindung auch zur Verwendung
bei gefalteten Dipolen.