Устройство для бесконтактной передачи данных

 

Чтобы снизить потребление мощности переменного магнитного поля устройства передачи и приема данных, требуемое для работы по меньшей мере одного переносного носителя данных, предложено осуществить преднамеренное рассогласование импеданса антенны устройства передачи и приема данных. С этой целью в антенну вводится реактивное сопротивление, чтобы осуществить настройку антенны вне резонанса. Если требуется согласование антенного импеданса с волновым сопротивлением проводника неизвестной длины, то осуществляется преднамеренное повышение сопротивления потерь антенны, что и является достигаемым техническим результатом. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к устройству для бесконтактной передачи данных между устройством передачи и приема данных и по меньшей мере одним переносным носителем данных. Бесконтактные системы идентификации с индуктивной передачей энергии и данных от устройства передачи и приема данных на переносной носитель данных посредством переменного магнитного поля используются, например, в случае карточек с микросхемами (см., например, Klaus Finkenzeller: RFID-Handbuch, Carl Hanser Verlag, Muenchen, 1998, s.183-205). Для приведения в действие карточки с микросхемой с помощью устройства передачи и приема данных для выработки переменного магнитного поля необходима определенная мощность.

Антенна для выработки переменного магнитного поля в общем случае представляет собой проводящий контур любой произвольной формы. Он проявляет в обычных условиях работы индуктивное сопротивление. Это индуктивное сопротивление в нормальных условиях компенсируется согласующей схемой, состоящей из сопротивлений, конденсаторов и катушек, и тем самым антенна настраивается на резонансную частоту. Под настройкой на резонансную частоту понимается, что индуктивное сопротивление имеет значение, равное нулю, и что импеданс по существу составляют сопротивления потерь.

Настройка антенны в резонанс необходима, если в устройстве передачи и приема данных антенна и источник питания соединены кабелем неизвестной длины. Чтобы обеспечить независимость от длины кабеля антенна и источник питания должны быть согласованы с волновым сопротивлением проводника. Согласование антенны с волновым сопротивлением описано, например, в патенте США 5241160.

Режим работы в резонансе также применяется, если антенна непосредственно связана с источником энергии. Это, например, имеет место тогда, когда антенна и источник питания размещены на одной и той же проводящей плате.

Если в переменном магнитном поле нет переносного носителя данных, то при настройке антенны в резонанс протекает максимальный ток. Следствием этого максимального тока является максимальное магнитное поле.

Настройка в резонанс приводит также к высоким потерям в режиме холостого хода. Под режимом холостого хода понимается такое рабочее состояние устройства передачи и приема данных, при котором в действующем поле устройства передачи и приема данных нет переносного носителя данных. Зона действия устройства передачи и приема данных представляет собой такое расстояние от носителя данных до антенны, при котором переменное магнитное поле еще достаточно велико, чтобы осуществлять обмен данными с переносным носителем данных.

Переменное магнитное поле, которое вырабатывается протекающим через антенну током, особенно в устройствах передачи и приема данных с малыми дальностями действия (так называемые системы с сильной связью), в режиме холостого хода зачастую намного больше, чем действительно требуется.

Если переносной носитель данных находится в действующем поле, то он оказывает обратное воздействие на антенну. Это обратное действие проявляется в возникновении дополнительного импеданса в антенном контуре устройства передачи и приема данных. Если антенна настроена в резонанс, то это обратное действие максимально, т.е. проявляющийся в антенне дополнительный импеданс обуславливает снижение антенного тока и тем самым уменьшение магнитного поля. Это обратное действие тем больше, чем больше связь между антенной и переносным носителем данных. Связь в общем случае больше при меньших расстояниях между антенной и переносным носителем. В самом неблагоприятном случае переносной носитель данных может при приближении к антенне настолько сильно снизить ток, что достаточное снабжение энергией, осуществляемое между устройством передачи и приема данных и носителем данных, становится невозможным.

Чтобы гарантировать работу носителя данных в действующем поле устройства передачи и приема данных, при настройке антенны в резонанс должен поддерживаться соответственно высокий ток в режиме холостого хода. Тем самым гарантируется, что при наличии носителя данных в зоне действия напряженность магнитного поля, несмотря на обратное действие, еще достаточно высока, чтобы обеспечить достаточное энергоснабжение для носителя данных. Это означает то, что при помещении носителя данных в действующее поле ток, протекающий через антенну, достаточно велик. Это влечет за собой очень высокие потери, обусловленные высокой мощностью, требуемой для выработки переменного магнитного поля в режиме холостого хода.

Описанный выше способ работы при настройке антенны в резонанс проявляет еще большие недостатки, если система рассчитана на работу с несколькими носителями данных. Обратное действие нескольких носителей данных на антенный контур увеличивается соответственно числу носителей данных, находящихся в действующем поле антенны. Поэтому источники питания, обеспечивающие требуемую мощность для устройства передачи и приема данных, должны проектироваться с еще большими размерами. Это приводит к увеличению площадей для размещения и к дополнительным затратам.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать устройство для бесконтактной передачи данных, которое для выработки переменного магнитного поля при заданной зоне действия имеет наименьшее возможное потребление мощности.

Указанный результат достигается с помощью признаков, изложенных в пункте 1 или 5 формулы изобретения. Дальнейшие варианты развития изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с пунктом 1 формулы изобретения антенна устройства для передачи и приема данных, соответствующего изобретению, в схеме полного импеданса, т.е. в схеме, которая осуществляет преобразование импедансов, выполнена так, что реактивное сопротивление не равно нулю, если никакой переносной носитель данных не связан с антенной. Иными словами, это означает, что антенна не настроена в резонанс, если никакой переносной носитель данных не находится в зоне действия устройства передачи и приема данных.

Таким образом, за счет введения реактивного сопротивления в антенну ток, который необходимо поддерживать в режиме холостого хода, снижается по сравнению с известными устройствами. Следствием этого является снижение потерь холостого хода. Источник энергии по этой причине может проектироваться с меньшими размерами. Нет необходимости предусматривать дорогостоящие устройства охлаждения. Еще одно преимущество состоит в том, что вследствие уже имеющегося в режиме холостого хода реактивного сопротивления обратное действие на антенну при введении носителя данных снижается или может использоваться выгодным образом. Следствием этого, например, является то, что снижение тока из-за введения носителя данных в зону действия существенно меньше, чем падение тока в случае устройства передачи и приема данных, соответствующего известному уровню техники. Тем самым можно избежать проблемы, состоящей в том, что, вследствие введения носителя данных в действующее поле, ток в антенне может снизиться.

Реактивное сопротивление может быть как индуктивным, так и емкостным. Существует даже возможность обеспечить обратное действие карточки на антенну таким образом, чтобы для заданных условий работы, например когда три носителя данных должны работать в зоне на расстоянии х, осуществлялось определенное повышение тока антенны. С этой целью необходимо соответствующим образом выбирать величину реактивного сопротивления. Реактивное сопротивление может быть определено только путем математического моделирования, требующего большого объема вычислений. Мощность, требуемая от устройства передачи и приема данных для выработки переменного магнитного поля и для энергоснабжения носителя данных, может быть существенно снижена за счет предложенного целенаправленного введения реактивного сопротивления в антенный контур.

В одном из вариантов осуществления изобретения возможна также комбинация обоих решений. Это означает, что антенна устройства передачи и приема данных может иметь как реактивное сопротивление, т.е. быть не настроенной в резонанс, так и дополнительное сопротивление потерь. Посредством этого дополнительного сопротивления потерь, которое находится между антенной и схемой согласования, достигается то, что ток в режиме холостого хода устройства передачи и приема данных снижается, и тем самым снижаются потери холостого хода. За счет такого дополнительно предусмотренного сопротивления потерь вновь снижается обратное действие носителя данных, находящегося и магнитном поле устройства передачи и приема данных, на антенну. Обратное действие, обусловленное возникновением импеданса в антенном контуре устройства передачи и приема данных, проявляется также в снижении тока, протекающего через антенну, следствием которого является снижение напряженности магнитного поля. Однако падение тока проявляется в существенно меньшей степени, чем в случае устройства передачи и приема данных, известного из предшествующего уровня техники. Обусловленная незначительным падением тока при введении носителя данных в действующее поле требуемая напряженность магнитного поля остается достаточно большой, хотя источник энергии устройства передачи и приема данных может иметь меньшие размеры и вырабатывать меньший ток в антенне.

В другом варианте осуществления устройство передачи и приема данных, антенна которого имеет индуктивное сопротивление и дополнительное сопротивление, включенное между антенной и передающим устройством или приемным устройством, содержит устройство согласования, включенное между антенной и передающим устройством или приемным устройством.

В других вариантах осуществления в решениях, в которых обеспечивается снижение мощности источника энергии в устройстве передачи и приема данных с помощью реактивного сопротивления в антенне, используется соединение известной длины, которое связывает антенну с передающим устройством или соответственно приемным устройством. При применении соединения, например кабеля известной длины, нет необходимости предусматривать схему согласования.

Согласно пункту 5 формулы изобретения схема согласования имеет дополнительно к сопротивлению, которое служит для ограничения добротности, также дополнительное сопротивление потерь. Схема согласования, которая содержит по меньшей мере сопротивление для ограничения добротности, а также конденсаторы и/или катушки, включена между антенной и передающим устройством или соответственно приемным устройством приема. Схема служит для согласования полного импеданса с волновым сопротивлением проводника неизвестной длины. С помощью этих мер обеспечивается тот же самый эффект и те же самые преимущества, что и описанные выше. И в данном варианте обратное действие носителя данных, находящегося в поле устройства передачи и приема данных, на антенну снижается. Следствием этого является то, что в режиме холостого хода может поддерживаться меньший ток, чем соответствующий ток в решениях, известных из предшествующего уровня техники.

Предпочтительное решение состоит во введении реактивного сопротивления в антенну устройства передачи и приема данных. С использованием данного принципа можно обеспечить наиболее низкие токи в режиме холостого хода. При этом, разумеется, следует исходить из того, что исходные условия для всех вариантов одинаковы. Это означает, что устройство передачи и приема данных рассчитано на использование с определенным количеством носителей данных и что зона действия, в которой возможен обмен данными между по меньшей мере одним носителем данных и устройством передачи и приема данных, соответствует предварительно определенному расстоянию от антенны.

Преимущество всех описанных выше принципов решения состоит в том, что за счет снижения требуемого тока в антенне, оконечный каскад источника энергии (источника переменного напряжения) может рассчитываться на меньшие мощности, следствие чего является снижение затрат. Еще одно преимущество состоит в том, что схема, включенная между источником энергии и антенной, не требует дополнительных схемных элементов, по сравнению с решениями, известными из предшествующего уровня техники. Конструктивные элементы только рассчитываются иным образом.

Передача энергии посредством индуктивной связи использует только магнитное поле в ближней зоне антенны. С этим неизбежно связано излучение электромагнитных волн. Излучаемая мощность при этом прямо пропорциональна квадрату тока в антенне. Это означает, что снижение тока в антенне дополнительно снижает эффективную излучаемую мощность. Тем самым облегчается соблюдение норм, ограничивающих допустимые уровни излучения. Эта проблематика рассматривается более подробно ниже.

В вариантах решений, в которых между антенной и схемой согласования вводится дополнительное сопротивление, определяется сумма сопротивления ограничения добротности и дополнительного сопротивления потерь по следующей формуле: Вычисление по этой формуле, которое учитывает выполнение устройства передачи и приема данных (число носителей данных, зону действия), дает наибольшее снижение мощности в режиме холостого хода. Устройство передачи и приема данных работает тогда надежно во всех рабочих условиях. Снижение (ограничение) тока в антенне устройства передачи и приема данных до неблагоприятных значений при выполнении его в соответствии с указанной формулой исключается.

Резонансные частоты переносного носителя данных могут устанавливаться либо равными предварительно заданной рабочей частоте устройства передачи и приема данных, либо больше или меньше, чем заданное значение рабочей частоты. В предпочтительном варианте осуществления резонансная частота переносного носителя данных устанавливается выше заданной частоты. Находящаяся в переносном носителе данных схема запитывается напряжением, получаемым посредством индуцированного сигнала, который возникает в антенне носителя данных при внесении носителя данных в действующее поле устройства передачи и приема данных. Для этого используется превышение резонансной частоты, обеспечиваемое последовательным колебательным контуром, состоящим из емкости и индуктивности антенны носителя данных. Способ работы поясняется более подробно ниже со ссылками на чертежи.

Схема на переносном носителе данных может быть выполнена в виде интегральной полупроводниковой микросхемы или схемы на дискретных элементах. В качестве переносных носителей данных могут использоваться карточки с микросхемами, защитные маркеры для различных предметов или устройства идентификации. Также возможен вариант, когда переносные носители данных встраиваются, например, в легковые автомобили, что обеспечивает возможность оплаты за пользование определенными участками трасс.

Соответствующее изобретению устройство передачи и приема данных и антенна носителя данных могут связываться друг с другом на расстоянии в пределах от 0 до 1 м. Предпочтительно устройство передачи и приема данных выполняется так, чтобы антенны связывались друг с другом на расстоянии в пределах от 0 до 1 см. В случае носителей данных в так называемом формате CD-1 (карточки контроля, выполненные в стандарте ISO (Международной организации стандартизации)) носитель данных и устройство передачи и приема данных связываются друг с другом в зоне от 0 до нескольких сантиметров. Такие устройства передачи и приема данных известны как "системы с сильной связью".

При выполнении устройства передачи и приема данных для работы в диапазоне от 0 до 15 см такие системы известны как "системы ближней связи". В диапазоне от 0 до 1 м устройства передачи и приема данных определяются как "системы для связи в окрестности". Область применения изобретения не ограничивается данными пределами и зависит в большей степени от соотношения размеров антенны и носителя данных.

Изобретение поясняется ниже со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее: фиг.1 - схема устройства передачи и приема данных и переносного носителя данных; фиг. 2а-2b - упрощенные линейные эквивалентные схемы устройства передачи и приема данных и переносного носителя данных; фиг. 3а - эквивалентная схема устройства передачи и приема данных, когда переносной носитель данных находится в зоне действия; фиг.3b - эквивалентная схема переносного носителя данных, который находится в зоне действия устройства передачи и приема данных; фиг. 4 - нормированная характеристика рабочего напряжения одного или нескольких переносных носителей данных выше резонансной частоты; фиг. 5 - эквивалентная схема устройства передачи и приема данных, когда между антенной и схемой согласования включено дополнительное сопротивление; фиг.6 - иллюстрация влияния на частотную характеристику различных сопротивлений между антенной и схемой согласования.

фиг. 7 - представление характеристики магнитного поля в зависимости от расстояния от переносного носителя данных до устройства передачи и приемa данных;
фиг. 8 - представление приема мощности источника энергии при различной величине омического сопротивления и/или реактивного сопротивления антенны.

На фиг.1 представлена схема устройства 1 передачи и приема данных и переносного носителя 2 данных. Устройство 1 передачи и приема данных содержит источник 3 энергии, а также приемное устройство 5 и передающее устройство 4. Передающее устройство 4 и приемное устройство 5 связаны с антенной 6. Антенна 6 в простейшем случае представляет собой проводящий контур любой формы. Передающее устройство 4 и приемное устройство 5 связаны с источником 3 энергии. Как правило, передающее устройство 4 содержит кварцевый генератор, генератор сигналов, модулятор и оконечный каскад мощности. Приемное устройство 5 содержит полосовой фильтр, усилитель и демодулятор. Так как конкретные схемы построения передающего устройства 4 и приемного устройства 5 для изобретения несущественны, то они не будут рассматриваться более подробно.

Переносной носитель 2 данных содержит антенну 8 носителя данных, а также схемное устройство 7. Схемное устройство 7 может быть выполнено в виде интегральной полупроводниковой микросхемы или в виде схемы с дискретными компонентами. Схемное устройство 7 может содержать, например, схему согласования, которая соединяет схемное устройство 7 с антенной 8 носителя данных. Кроме того, схемное устройство 7 может содержать модулятор, демодулятор, микропроцессор и, дополнительно, память. Так как конкретная схема построения схемного устройства 7 для изобретения несущественна, то она не будет рассматриваться более подробно.

Устройство передачи и приема данных работает следующим образом.

Передающее устройство 4 вырабатывает сигнал с предварительно определенной частотой, которая далее называется рабочей частотой f₀. Этот сигнал от передающего устройства 4 передается к антенне 6 устройства передачи и приема данных. Если переносной носитель 2 данных находится в зоне действия устройства 1 передачи и приема данных, то выработанный антенной 6 сигнал будет передаваться к переносному носителю 2 данных, где он преобразуется антенной 8 переносного носителя данных в индуцированное напряжение. Это индуцированное напряжение обеспечивает как рабочее напряжение схемного устройства 7, так и содержит передаваемую информацию, которая обрабатывается схемным устройством 7.

В обратном случае сигнал передается от схемного устройства 7 к антенне 8 носителя данных, причем этот сигнал с определенной частотой, передаваемый антенной 8 носителя данных, индуцирует напряжение в антенне 6 устройства 1 передачи и приема данных. Этот сигнал передается в приемное устройство 5 и там обрабатывается.

На фиг. 2а представлена эквивалентная схема устройства 1 передачи и приема данных. Сама антенна проявляет индуктивное сопротивление. На фиг.2b представлена упрощенная линейная эквивалентная схема переносного носителя 2 данных. Источник 3 энергии и вся схема между источником энергии и антенной 6 устройства 1 передачи и приема данных могут быть сведены к эквивалентному источнику напряжения U_F0 (напряжению источника, определяемому во временной области как U_F0*sin(2πft)) и к импедансу Z_FA. Внутренний импеданс может состоять из любого взаимного соединения сопротивлений R, индуктивностей L и емкостей С. Антенна 6 моделируется как индуктивность L_F и сопротивление потерь R_LF. Эквивалентный источник напряжения U_FO и внутренний импеданс Z_FA, а также индуктивность L_F и сопротивление потерь R_LF антенны 6 включены по схеме последовательного соединения друг с другом. Эквивалентная схема на фиг. 2а воспроизводит устройство 1 передачи и приема данных в состоянии, в котором в пределах его зоны действия нет переносного носителя данных. Это означает, что отсутствует связь между антенной устройства передачи и приема данных и антенной переносного носителя данных.

На фиг. 2b антенна 8 носителя данных моделирована сопротивлением потерь R_LT и индуктивностью L_T. Сопротивление R_LT и катушка L_T соединены друг с другом последовательно. Схемное устройство 7, которое может быть выполнено в виде интегральной полупроводниковой микросхемы, можно представить в упрощенном виде как состоящее из сопротивления потерь R_T и включенной параллельно ему емкости С_т. Схемное устройство 7 подключено параллельно к антенне 8 носителя данных. На фиг.2b переносной носитель данных изображен в состоянии, когда отсутствует связь между антеннами устройства передачи и приема данных и другого переносного носителя данных. Переносной носитель 2 данных проявляет, ввиду величины емкости С_T, преимущественно емкостные свойства.

Полный импеданс антенного контура можно записать в виде следующего равенства:
Z_F=R_F+j•B_F=Z_FA+R_LF+j•ω•L_F.

В случае согласования или в случае резонанса мнимая часть этого импеданса равна нулю.

Полный импеданс последовательного колебательного контура носителя данных равен:

На фиг.3а и 3b представлены эквивалентные схемы устройства 1 передачи и приема данных и соответственно переносного носителя данных, когда они связаны друг с другом, т.е. когда переносной носитель 2 данных находится в зоне действия устройства 1 передачи и приема данных. Вследствие связи антенны 6 с антенной 8 носителя данных, ввиду действия закона намагничивающей (магнитодвижущей) силы, возникают напряжения индукции последовательно к индуктивностям. При этом U_TF является напряжением, индуцированным током I_F поля в катушке карточки, a U_FT представляет собой напряжение, индуцированное в антенной катушке током I_T носителя данных. Эту взаимосвязь можно выразить следующим образом:
U_FT=-jω•M•I_T
U_TF=jω•M•I_F,
где ω - круговая частота (= 2πf),
j - мнимая единица,
М - взаимная индукция.

Из взаимной индукции М и собственных индуктивностей обеих катушек можно определить коэффициент связи К в следующем виде:
коэффициент связи:

При минимальном удалении между антенной и носителем данных коэффициент связи будет иметь максимальное значение 1. При бесконечном удалении коэффициент связи равен нулю.

В соответствии с первой формой выполнения изобретения предусматривается свободный выбор импеданса антенного контура 6, причем согласование с волновым сопротивлением проводника между антенной 6 и источником 3 энергии не требуется. Это означает, что антенна 6 и источник 3 энергии определенным образом связаны друг с другом и поэтому полный импеданс антенного контура может иметь реактивную составляющую. Под определенной связью антенны 6 с источником 3 энергии может пониматься использование кабеля известной длины или непосредственное соединение расположенных рядом друг с другом антенны и устройства передачи и приема, так что проводник между антенной 6 и источником 3 энергии минимален.

В принципе, в зависимости от требуемых свойств системы, различные расстройки могут привести к минимизации мощности.

Существует возможность выбрать реактивную составляющую сопротивления таким образом, что для самого неблагоприятного случая (когда максимально возможное число переносных носителей данных находится в пределах действующего поля) ток в антенне, обусловленный обратным действием переносного носителя 2 данных на антенну 6, повышается настолько, что режим работы осуществляется без каких-либо проблем. Это означает, что в режиме холостого хода ток через антенну 6 минимален и несколько повышается вследствие введения каждого носителя 2 данных. Ток согласуется с потребностями на основе обратного действия носителя 2 данных. Если носители 2 данных проявляют резонансную частоту, которая лежит выше частоты, заданной для устройства 1 передачи и приема данных, то такая оптимизация определяется как индуктивное рассогласование антенного контура.

Величина индуктивного сопротивления, которое обуславливает автоматическое повышение антенного тока при вводе носителя данных в действующее поле, может быть определена только путем требующего больших вычислительных затрат математического моделирования. Способ действия можно пояснить следующим образом.

Если при индуктивной настройке полного импеданса Z_F антенного контура устройства передачи и приема данных в действующее поле вводится карточка, то преимущественно емкостной импеданс Z_T последовательного контура носителя данных проявляется в антенном контуре устройства передачи и приема данных в качестве индуктивного импеданса Z_FT. Так как вклад преобразованного импеданса Z_FT намного меньше, чем импеданс Z_F антенного контура, то обратное действие на антенный ток очень мало. Поэтому антенный ток при наличии носителя данных в действующем поле снижается лишь незначительно относительно величины антенного тока, когда в действующем поле нет носителя данных.

Если, однако, в действующем поле устройства передачи и приема данных находится несколько носителей данных, то импедансы носителей данных связываются между собой. Вследствие такой связи импедансов носителей данных их импеданс Z_T изменяется, причем при сильной связи носителей данных между собой соответственно предпочтительно проявляется индуктивный его характер. Такой преимущественно индуктивный импеданс проявляется в антенном контуре как емкостной импеданс Z_FT. При индуктивной настройке полного импеданса антенного контура емкостной импеданс Z_FT частично компенсирует индуктивный импеданс Z_F, так что для самого неблагоприятного случая сильной связи носителей данных друг с другом и максимальном удалении носителей данных относительно устройства считывания возникает увеличение тока в антенном контуре.

Если полный импеданс Z_F антенного контура устройства передачи и приема данных имеет емкостную настройку, то при введении носителя данных может быть установлено повышение тока. Преимущественно емкостной импеданс Z_T носителя данных проявляется в антенном контуре вновь как преимущественно индуктивный импеданс. Емкостная настройка антенного контура и индуктивный импеданс, который за счет наличия носителя данных трансформируется в антенном контуре, частично компенсируются, так что возможно некоторое повышение тока. Емкостной импеданс антенного контура может быть установлен таким образом, что для максимального удаления носителя данных проявляется наибольшее повышение тока.

Если в зону действия устройства передачи и приема данных вводится большое количество носителей данных, то эти носители данных связываются друг с другом, так что они проявляются в антенном контуре как емкостной импеданс. Так как преобразованный импеданс носителей данных намного меньше, чем полный импеданс антенного контура, то на антенный ток вновь оказывается лишь очень малое обратное действие. Отсечка антенного тока при значительном приближении носителей данных к устройству передачи и приема данных, однако, не может иметь места.

Принцип связи носителей данных друг с другом пояснен ниже.

То, до какой степени возможна оптимизация, зависит главным образом от требуемых свойств системы. Свойства системы определяются в зависимости от количества носителей данных в действующем поле, при котором обмен данными между носителем данных и устройством передачи и приема данных должен осуществляться без каких-либо проблем, а также от максимального расстояния до антенны устройства передачи и приема данных, при котором еще возможна связь между носителями данных и устройством передачи и приема данных. Потенциал оптимизации наибольший для так называемых систем с сильной связью.

Для оптимизации увеличения мощности антенны устройства передачи и приема данных дополнительно следует принимать во внимание следующие граничные условия. Так как схемное устройство 7 переносного носителя 2 данных не имеет собственного источника энергии, то необходимое для работы схемного устройства 7 рабочее напряжение U_T должно быть получено из сигнала, индуцированного устройством передачи и приема данных в антенне носителя данных. При этом используется так называемое резонансное усиление, обусловленное последовательным колебательным контуром, состоящим из емкости С_т и индуктивности L_T переносного носителя данных.

Если в действующем поле устройства 1 передачи и приема данных находятся несколько носителей 2 данных, то носители 2 данных связываются не только с антенной 6, но и между собой. За счет этой взаимной связи резонансная частота колебательного контура каждого носителя данных падает. Падение резонансной частоты тем сильнее, чем сильнее связаны друг с другом носители данных, т.е. чем меньше расстояние между обоими носителями данных и чем больше носителей данных находится в действующем поле. В самом неблагоприятном случае резонансная частота носителя данных, вследствие связи носителей данных друг с другом, может снизиться в 1/√N раз, где N - количество носителей данных. Самый неблагоприятный случай мог бы возникнуть тогда, когда антенны носителей данных находятся на расстоянии, равном нулю, а катушки совмещены наложением одна на другую. На практике это не имеет места, так как антенны, как правило, находятся в корпусе; например, в случае карточки с микросхемой, погружены в пластиковую оболочку.

Взаимосвязь падения резонансной частоты при взаимной связи нескольких носителей данных иллюстрируется с помощью фиг.4. Здесь напряжение U_T, которое приложено на входе схемного устройства 7 носителя 2 данных, нормировано напряжением U_TF, индуцированным посредством антенны 6 устройства 1 передачи и приема данных в антенне 8 носителя данных. Предпочтительным для работы носителя данных является случай, когда соотношение между U_T и U_TF больше, чем 1. В этом случае уже при соответственно увеличенных дальностях гарантируется достаточное напряжение питания схемного устройства 7. Если устройство 1 передачи и приема данных рассчитано точно на один носитель данных, то резонансная частота носителя данных в идеальном случае настроена на предусмотренную частоту f_o устройства передачи и приема данных. В этом случае соотношение между U_T и U_TF является наибольшим. Если устройство передачи и приема данных рассчитано на работу с множеством карточек, то резонансное усиление используется лишь частично.

С этой целью резонансная частота каждого носителя данных выбрана выше предусмотренной частоты f_o. Если носитель данных находится в действующем поле устройства передачи и приема данных, то соотношение между U_T и U_TF находится в точке 1 на фиг.4. Если в действующее поле вводится второй носитель данных, то оба носителя данных связываются один с другим, и резонансные частоты обоих носителей данных падают. В этом случае достигается, например, точка 2, показанная на фиг.4. Она находится уже ниже предварительно определенной частоты f_o. Положение точки 2 зависит от того, насколько сильна связь между обоими носителями данных. Это зависит существенным образом от расстояния между обоими носителями данных. Поэтому точка 2 может смещаться еще дальше влево или вправо по линии, показанной на чертеже. Если в действующее поле помещается третий носитель данных, то резонансная частота всех носителей данных продолжает изменяться дальше, ниже предварительно заданной частоты f_o, и будет достигнута точка 3, показанная на фиг.4. И эта точка может смещаться вдоль представленной на чертеже линии, в зависимости от величины связи трех носителей данных друг с другом.

Использование полного резонансного усиления (соотношение между U_T и U_TF максимально) при работе с несколькими карточками невозможно, потому что в соответствии с количеством карточек и их взаимной связью возникают другие рабочие состояния. Поэтому резонансная частота носителя данных предпочтительным образом настраивается на частоту выше заданной частоты f_o. Это одновременно означает, что и реактивная составляющая импеданса носителя данных имеет емкостной характер. Каждый носитель данных получает лишь часть возможного усиленного напряжения. В примере, показанном на фиг.4, усиление напряжения еще имеет место при наличии двух носителей данных.

На фиг. 5 представлена эквивалентная схема соответствующего изобретению устройства передачи и приема данных в соответствии со вторым решением. Устройство передачи и приема данных имеет антенну 6, которая вновь моделируется с помощью омического сопротивления R_F и индуктивности L_F. Омическое сопротивление R_F и индуктивность L_F включены последовательно. Параллельно антенне 6 включена схема согласования 10, которая может состоять из любого соединения емкостей С и индуктивностей L. На фиг.5 показана схема согласования с двумя емкостями С₁ и С₂. Схема 10 согласования также содержит сопротивление R, которое связано с сопротивлением R_F антенны 6. Сопротивление R служит для ограничения добротности. Конденсатор С₂ схемы 10 согласования связан, кроме того, с сопротивлением R схемы 10 согласования, а также с индуктивностью L_F антенны 6. Емкость C₁ подключена к точке соединения между сопротивлением R и емкостью C₂. Другой вывод емкости C₁ соединен с проводником 9, а также с индуктивностью L_F антенны 6. Проводник 9 может представлять собой, например, кабель неизвестной длины, который соединяет схему 10 согласования с источником 3 энергии и с внутренним импедансом R_w. Проводник неизвестной длины при этом имеет определенное волновое сопротивление, которое составляет, например, 50 Ом. Внутренний импеданс R_w является чисто омическим сопротивлением и согласован с волновым сопротивлением проводника 9. Задачей схемы 10 согласования является обеспечение согласования антенны 6 с волновым сопротивлением проводника 9, т.е. настройка антенны 6 со схемой согласования 10 в резонанс. Индуктивное сопротивление антенны 6 компенсируется за счет конденсаторов C₁ и С₂. Внутреннее сопротивление R_w моделирует схемы передающего устройства и приемного устройства в упрощенном виде. Сопротивление R схемы 10 согласования введено только для ограничения добротности, чтобы была обеспечена ширина полосы, требуемая для модуляции предусмотренной частоты.

В соответствии с идеей изобретения, между сопротивлением R и сопротивлением R_F антенны 6 вводится дополнительное сопротивление потерь, зависящее от требований системы (числа носителей данных, дальности зоны действия). Это означает, что сопротивление R схемы 10 согласования, в числе прочего, значительно увеличивается. Это увеличение сопротивления R приводит к снижению потребляемой мощности.

Оценка оптимального сопротивления R дает следующую формулу (имеет силу для карточек, резонансная частота которых отклоняется от заданной частоты f_o, т.е. B_T>>0 или В_т<<0, дополнительно R_T<|B|:
,
k_min и k_max соответствуют границам функций, устанавливаемым требованиями системы (т.е. дальность действия).

Ниже поясняется функционирование в соответствии с данным способом.

Магнитное поле, сформированное устройством передачи и приема данных или соответственно его антенной, имеет так называемые провалы поля, которые вызываются периодическим коротким замыканием источника энергии. Эти провалы поля служат для обеспечения передачи данных к переносному носителю данных. Посредством короткого замыкания источника энергии антенна 6, схема 10 согласования, а также проводник 9 и внутреннее сопротивление R_w образуют колебательный контур. Поэтому ток через антенну 6 и соответственно переменное магнитное поле в этих провалах поля затухают. Скорость затухания определяется добротностью. Если добротность этого колебательного контура высока, то антенный ток и соответственно магнитное поле затухают медленно. Однако требуется, чтобы антенный ток и соответственно магнитное поле за определенное время - относительно длительности провала поля - уменьшились до величины, меньшей определенного значения, чтобы тем самым гарантировать, что схемное устройство 7 на переносном носителе 2 данных сможет оценить переданную информацию. Поэтому добротность должна быть установлена такой, чтобы можно было реализовать процесс затухания соответствующим образом. На практике это означает, что добротность находится в пределах от 10 до 30. Как упомянуто выше, добротность определяется сопротивлением R в схеме 10 согласования. Добротность Q рассчитывается следующим образом:

Если сопротивление R схемы 10 согласования увеличивается, то добротность снижается. Малая добротность имеет то преимущество, что передача данных к носителю 2 данных и к устройству 1 передачи и приема данных может происходить более быстро.

Нормы, которые ограничивают генерацию магнитных полей для индуктивной передачи энергии, позволяют генерировать сильные поля только в очень узкой полосе частот. Эта полоса частот в общем случае слишком мала для приемлемых скоростей передачи данных. Это означает, что боковые полосы, возникающие в процессе модуляции, находятся вне узкой полосы частот и поэтому должны иметь существенно меньшую амплитуду.

Ограничение боковых полос возможно путем
- общего ограничения антенного тока,
- применения специальных методов модуляции,
- применения фильтрации (высокой добротности).

Ограничение боковых полос путем фильтрации возможно лишь в ограниченной степени, поскольку в противном случае будет отфильтрована информация.

Преимущество изобретения поясняется с помощью фиг.6, которая иллюстрирует влияние дополнительного сопротивления на частотную характеристику. По оси у откладывается амплитуда антенного тока и соответственно напряженность Н магнитного поля, а по оси х - частота f. На фиг.6 представлена кривая частотной характеристики для устройства передачи и приема данных согласно предшествующему уровню техники при добротности в пределах от 10 до 30. Частотная характеристика воспроизводит огибающую амплитуды антенного тока и соответственно магнитного поля в зависимости от частоты. Частотная характеристика, соответствующая предшествующему уровню техники, имеет более высокую амплитуду на предусмотренной частоте f_o и спадает симметрично в обе стороны. Для низкой добротности получена более плоская частотная характеристика, т.е. плохая фильтрация частот в боковых полосах. Очень высокая добротность обеспечивает фильтрацию в некоторой степени боковых полос относительно частоты f_o и дает на частоте f_o явно выраженный максимум на частотной характеристике. Информация, которой обмениваются носитель данных и устройство передачи и приема данных, передается в боковой полосе симметрично относительно предусмотренной частоты f_o. Если эта предусмотренная частота f_o примерно равна 13,56 МГц, то информация передается в боковых полосах ±100 кГц. Амплитуда этих боковых полос ограничена добротностью. Соблюдение вышеупомянутых норм обеспечивается частично фильтрующим действием добротности, однако в большей степени - снижением тока в антенне. Снижение тока в устройстве, согласно предшествующему уровню техники, вызывает то, что магнитное поле распространяется только на малую дальность действия, чтобы обеспечить возможность передачи данных между носителем данных и устройством передачи и приема данных.

При уменьшении добротности, как это имеет место вследствие введения дополнительного сопротивления, согласно изобретению фильтрующее действие ухудшается. Это означает, что частотная характеристика приобретает более плоскую форму по обе стороны от заданной частоты f_o. Это более плохое фильтрующее действие более чем компенсируется ограничением антенного тока посредством дополнительного сопротивления R. Одновременно, однако, вследствие уменьшенного антенного тока дальность действия поля, создаваемого устройством передачи и приема данных, не снижается. Это вытекает из того, что при введении носителя данных магнитное поле уменьшается существенно менее сильно, чем в случае устройства, соответствующего предшествующему уровню техники.

На фиг. 7 представлена кривая характеристики магнитного поля в зависимости от расстояния между носителем данных и устройством передачи и приема данных. На фиг.7 представлено сравнение характеристики магнитного поля для устройства, соответствующего предшествующему уровню техники, и устройства передачи и приема данных, соответствующего изобретению. Кривые 1 и 2 иллюстрируют напряженность магнитного поля, когда в действующем поле устройства передачи и приема данных нет носителя данных. По причине большего тока, протекающего через антенну устройства передачи и приема данных, магнитное поле устройства передачи и приема данных, соответствующего предшествующему уровню техники, существенно сильнее, чем поле в устройстве, соответствующем изобретению. Кривая 1 иллюстрирует характеристику поля в устройстве, согласно предшествующему уровню техники, а кривая 2 - характеристику, соответствующую изобретению.

Магнитное поле должно превысить значение Н_min, чтобы стал возможным обмен данными между носителем данных и устройством передачи и приема данных. Магнитное поле вплоть до точки Х_{проект ируемое} должно быть больше или равно наименьшему требуемому магнитному полю с напряженностью H_min. Ток, протекающий через устройство передачи и приема данных, соответствующее изобретению, устанавливается таким образом, что магнитное поле при требуемой максимальной дальности действия Х_{проек тируемое} легко превышает минимальную напряженность H_min магнитного поля. В противоположность этому, ввиду более высокого тока, протекающего через антенну в режиме холостого хода, магнитное поле в устройстве передачи и приема данных, соответствующем предшествующему уровню техники, значительно выше. Если в действующее поле устройства передачи и приема данных вводится носитель данных, то, вследствие связи, антенный ток в устройстве, соответствующем предшествующему уровню техники, очень сильно падает, следствием чего является сильное снижение магнитного поля (кривая 1'). Если носитель данных приближается к антенне устройства передачи и приема данных, то это вызывает дальнейшее падение антенного тока. Следствием этого является дальнейшее падение напряженности магнитного поля. При введении одного или нескольких дополнительных носителей данных может произойти отсечка антенного тока, т.е. обмен данными между устройством передачи и приема данных и носителем данных больше не возможен.

В противоположность этому, ввиду дополнительного сопротивления, включенного между антенной и схемой согласования, ток, протекающий через антенну, снижается в значительно меньшей степени. Поэтому магнитное поле при введении носителя данных в зону действия устройства передачи и приема данных уменьшается лишь незначительно относительно характеристики поля в отсутствие носителя данных. Поэтому кривая 2', соответствующая характеристике поля при наличии носителя данных в зоне действия, проходит, особенно в области малых расстояний х, выше, чем характеристика магнитного поля для устройства, соответствующего предшествующему уровню техники (кривая 1').

Изобретение поясняется с помощью примера. В качестве переносных носителей данных используются карточки с микросхемами, которые имеют, например, приведенные ниже параметры. Карточки с микросхемами имеют рабочую частоту f_o= 13,56 МГц, размеры карточки составляют примерно 8 см х 5 см, комплексная доля полного импеданса карточек с микросхемами равна примерно В_т≈-140 В/А, резонансная частота карточки с микросхемой составляет примерно 16,5 МГц, индуктивность катушки L_T≈3,5 мкГн. Антенна устройства передачи и приема данных имеет характеристики, подобные характеристикам антенны на карточке с микросхемой. Индуктивность антенны устройства передачи и приема данных составляет L_F≈2,3 мкГн, карточки с микросхемами должны работать в диапазоне дальностей до 1 см. Это дает коэффициент связи k_max=0,5 при наложении карточки с микросхемой на антенну устройства передачи и приема данных, k_min=0,35 на максимальном удалении. В зону действия устройства передачи и приема данных должны вводиться максимально три носителя данных. Моделирование, направленное на определение оптимального значения целенаправленно вводимого индуктивного сопротивления в антенну, дает минимальное значение предоставляемой мощности источника энергии при реактивной составляющей примерно 80 В/А (индуктивное сопротивление).

Этот минимум предоставляемой мощности источника энергии оставляет для действительной составляющей импеданса антенны в устройстве передачи и приема данных величину от 0 до 40 Ом и в случае отсутствия карточки с микросхемой в действующем поле составляет примерно 10 мВт. Если в зону действия устройства передачи и приема данных вводятся три карточки с микросхемами, то принимаемая от антенны мощность составляет примерно 60 мВт.

Если при аналогичных параметрах предпринять оптимизацию согласно второму решению, предусматриваемому изобретением, т.е. между антенной и схемой согласования ввести дополнительное сопротивление, то при оптимально выбранном сопротивлении потерь потребуется мощность, примерно равная 200 мВт. Дополнительное сопротивление потерь в этом случае рассчитывается по приведенной выше формуле.

В устройстве, соответствующем предшествующему уровню техники, в котором антенна настроена в резонанс и в котором сопротивление потерь составляет значение, примерно равное 15 Ом, для того чтобы обеспечить ширину полосы, требуемую для передачи данных, необходимо предоставить мощность около 500 мВт.

Еще одно дополнительное замечание по поводу оптимизации посредством дополнительного сопротивления потерь, включаемого между антенной и схемой согласования, состоит в следующем. Если, например, используются карточки с микросхемами, имеющими приведенные выше параметры (f_o= 13,56 МГц, размеры карточки примерно 8 см х 5 см, В_т≈-170 В/А, L_T≈3,5 мкГн, L_F≈3,5 мкГн при одинаковой антенне устройства передачи и приема данных, требуемые дальности действия порядка нескольких см: k_max=0,5, k_min=0,2), то оптимальное сопротивление потерь будет равно примерно 25 Ом. При проектировании в соответствии с предшествующим уровнем техники сопротивление R для ограничения добротности составило бы примерно 6 Ом. При этом следует иметь в виду, что значения номиналов конденсаторов C₁ и С₂ схемы согласования в обоих случаях различны и рассчитываются с учетом выбора сопротивления R.

За счет простых схемотехнических мер, состоящих в повышении сопротивления потерь, оказывается возможным снизить максимальную потребляемую мощность антенного контура с 80 мВт до 30 мВт. Вследствие этого падает необходимый ток, протекающий через антенну устройства передачи и приема данных с 80 мА до 25 мА.

Оптимальное значение дополнительного сопротивления потерь или соответственно дополнительного индуктивного сопротивления в антенне можно в каждом конкретном случае найти с помощью довольно емких вычислений оптимизации, причем граничные условия заданы требованиями системы (минимальная и максимальная дальность действия, количество карточек, свойства карточек, заданный конкретный тип антенны, рабочая частота и т.д.).

В принципе настройка антенны в резонанс, согласно предшествующему уровню техники, проявляется как неблагоприятное решение. В системах с большими требуемыми дальностями действия и связанными с этим большими мощностями антенной катушки, оптимизация возможна только с большими трудностями, потому что неизбежно проявляющиеся сопротивления потерь могут быть больше, чем вычисленные в качестве оптимальных.

На фиг. 8 представлен результат математического моделирования. Показаны кривые одинаковой потребляемой мощности источника энергии в режиме холостого хода, т. е. при различных установленных значениях омического сопротивления и/или индуктивного сопротивления антенны устройства передачи и приема данных. По оси х отложена действительная составляющая антенного импеданса, а по оси у - мнимая составляющая антенного импеданса. Показанные результаты справедливы при резонансной частоте носителя данных, превышающей заданную частоту f_o устройства передачи и приема данных.

В случае устройства, согласно предшествующему уровню техники, антенна настроена в резонанс Это означает, что импеданс антенны имеет только действительную составляющую. Обычно действительные составляющие для антенны, соответствующей предшествующему уровню техники, реализуются с малыми сопротивлениями потерь. Эта точка высокого отбора мощности находится на оси х вблизи начала координат. При перемещении вправо по оси х, т.е. при повышении сопротивления потерь антенны, требуется все меньшая мощность. Минимальный отбор мощности достигается в точке 2, которой соответствует сопротивление, рассчитываемое по приведенной выше формуле. При дальнейшем перемещении от точки 2 по оси х вправо, т.е. при дальнейшем повышении сопротивления потерь, вновь происходит повышение отбора мощности в режиме холостого хода. Некоторая точка на оси х соответствует антенне, настроенной в резонанс.

Если в соответствии с первым решением согласно изобретению в антенну дополнительно внести индуктивное сопротивление, что соответствует перемещению по оси у вверх или вниз, то при малых омических сопротивлениях антенны отбор мощности постепенно уменьшается вплоть до достижения минимального отбора мощности в точках, обозначенных цифрами 1. В круговых областях, обозначенных цифрами 1, импеданс антенны достигает значений, при которых отбирается минимальная мощность. Если оставить значения индуктивных сопротивлений такими, как в круговых областях 1, и повышать дальше действительное сопротивление антенны, например, посредством дополнительного сопротивления потерь, то требуемая мощность вновь повышается. В предпочтительном варианте осуществления предпринимается минимизация мощности посредством реактивного сопротивления в антенне.

Изобретение дает возможность с минимальными схемотехническими затратами реализовать требующее меньших трат снижение мощности при выработке переменного магнитного поля устройства передачи и приема данных, необходимого для функционирования по меньшей мере одного носителя данных.

Оптимум в обоих предложенных вариантах может быть найден только путем оптимизации на основе вышеупомянутых требований системы. Потенциальные возможности оптимизации максимальны для так называемых сильно связанных систем.

Формула изобретения

1. Устройство для бесконтактной передачи данных между устройством передачи и приема данных (1) и по меньшей мере одним переносным носителем данных (2), при этом устройство передачи и приема данных (1) содержит передающее устройство (4) для выработки первого сигнала с заданной частотой, приемное устройство (5) для приема сигнала с заданной частотой, антенну (6) с преобразованным импедансом, которая связана с передающим устройством (4) и с приемным устройством (5), и источник энергии (3), а переносной носитель данных (2) содержит антенну (8) носителя данных, предназначенную для приема или передачи индуцированного сигнала, и схемное устройство (7), связанное с антенной (8) носителя данных и предназначенное для обработки индуцированного сигнала и выработки сигнала, который передается к антенне (6), устройство передачи и приема данных (1), причем антенна (6) устройства передачи и приема данных (1) имеет полный импеданс, состоящий из реактивного сопротивления B_F, не равного нулю, и омического сопротивления потерь R_F, если переносной носитель данных (2) не связан индуктивно с антенной (6).

2. Устройство для бесконтактной передачи данных по п. 1, отличающееся тем, что между антенной (6) и передающим устройством (4) или приемным устройством (5) предусмотрено дополнительное сопротивление.

3. Устройство для бесконтактной передачи данных по п. 2, отличающееся тем, что устройство передачи и приема данных (1) содержит схему согласования (10) между антенной (6) и передающим устройством (4) или приемным устройством (5).

4. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что антенна (6) и передающее устройство (4) или приемное устройство (5) связаны соединением известной длины.

5. Устройство для бесконтактной передачи данных между устройством передачи и приема данных (1) и по меньшей мере одним переносным носителем данных (2), при этом устройство передачи и приема данных (1) содержит передающее устройство (4) для выработки первого сигнала с заданной частотой, приемное устройство (5) для приема второго сигнала с заданной частотой, антенну (6), которая связана с передающим устройством (4) и с приемным устройством (5) проводником (9) неизвестной длины, характеризуемым волновым сопротивлением, схему согласования (10) по меньшей мере с одним сопротивлением (R) для ограничения добротности, включенную между антенной (6) и передающим устройством (4) или приемным устройством (5), предназначенную для согласования полного импеданса с волновым сопротивлением проводника (9), а переносной носитель данных (2) содержит антенну (8) носителя данных, предназначенную для приема или передачи индуцированного сигнала, и схемное устройство (7), связанное с антенной (8) носителя данных и предназначенное для обработки индуцированного сигнала и выработки сигнала, который передается к антенне (6) устройства передачи и приема данных (1), причем схема согласования (10) имеет дополнительное сопротивление потерь.

6. Устройство для бесконтактной передачи данных по п. 5, отличающееся тем, что сумма, состоящая из сопротивления ограничения добротности и дополнительного сопротивления потерь, определяется согласно следующей формуле:

7. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что резонансная частота переносного носителя данных (2) ниже заданной частоты.

8. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что резонансная частота переносного носителя данных (2) больше или равна заданной частоте.

9. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что упомянутое схемное устройство (7) выполнено в виде полупроводниковой интегральной микросхемы.

10. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что упомянутое схемное устройство (7) реализовано на дискретных элементах.

11. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что связь антенны (6) устройства передачи и приема данных (1) и антенны (8) носителя данных реализуется на расстоянии в пределах от 0 до 4 см.

12. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что связь антенны (6) устройства передачи и приема данных (1) и антенны (8) носителя данных реализуется на расстоянии в пределах от 0 до 15 см.

13. Устройство для бесконтактной передачи данных по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что связь антенны (6) устройства передачи и приема данных (1) и антенны (8) носителя данных реализуется на расстоянии в пределах от 0 до 1 м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8