Пристрій для безконтактної передачі даних

1 Пристрій для безконтаїсгної передачі даних між пристроєм (1) передачі/прийому даних і щонайменше одним переносним носієм (2) даних, в якому пристрій (1) передачі/прийому даних містить - передавальний пристрій (4) для створення першого сигналу із попередньо заданою частотою, - приймальний пристрій (5) для прийому сигналу із попередньо заданою частотою, - трансформуючу імпеданс антену (6), зв'язану з передавальним пристроєм (4) і приймальним пристроєм (5), і - джерело енергії (3), і причому переносний носій (2) даних містить антену (8) для прийому або передачі індукованого сигналу і - зв'язаний з антеною (8) схемний пристрій (7) для обробки індукованого сигналу і формування сигналу, що передається на антену (6) пристрою передачі/прийому даних, причому антена (6) пристрою (1) передачі/прийому даних має імпеданс, що складається із не рівного нулю реактивного опору BF І ОМІЧНОГО опору втрат RF, КОЛИ жоден переносний носій (2) даних індуктивно не зв'язаний з антеною (6) 2 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з п 1, в якому між антеною (6) і передавальним пристроєм (4) або приймальним пристроєм (5) введено додатковий опір 3 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з п 2, в якому пристрій (1) передачі/прийому даних між антеною (6) і передавальним пристроєм (4) або приймальним пристроєм (5) містить узгоджувальну схему (10) 4 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з п 1 або 2, або 3, в якому антена і передавальний пристрій (4) або приймальний пристрій (5) з'єднані ЛІНІЄЮ зв'язку відомої довжини 5 Пристрій для безконтактної передачі даних між пристроєм (1) передачі/прийому даних і щонайменше одним переносним носієм (2) даних, причому, пристрій (1) передачі/прийому даних містить - передавальний пристрій (4) для створення першого сигналу із попередньо заданою частотою, - приймальний пристрій (5) для прийому другого сигналу із попередньо заданою частотою, - антену (6), зв'язану з передавальним пристроєм (4) і приймальним пристроєм (5) ЛІНІЄЮ (9) зв'язку невідомої довжини, яка має певний хвильовий опір, - узгоджувальну схему (10) зі щонайменше одним призначеним для обмеження добротності опором R між антеною (6) і передавальним пристроєм (4) або приймальним пристроєм (5) для узгодження імпедансу з хвильовим опором лінії (9) зв'язку, і в якому переносний носій (2) даних містить антену (8) для прийому або передачі індукованого сигналу і - зв'язаний з антеною (8) схемний пристрій (7) для обробки індукованого сигналу і формування сигналу, що передається на антену (6) пристрою передачі/прийому даних, причому, узгоджувальна схема (10) містить додатковий опір втрат 6 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з п 5, в якому сума опору для обмеження добротності і додаткового опору втрат вираховується за такою формулою : R UL FLT 2-В 7 Пристрій для безконтактної згідно з одним із пп 1-6, в якому тота переносного носія (2) даних редньо заданої частоти 8 Пристрій для безконтактної згідно з одним із пп 1-6, в якому передачі даних резонансна часнижча від попепередачі даних резонансна час О CO 1 Ю 57139 тота переносного носія (2) даних вища або дорівнює попередньо заданій частоті 9 Пристрій для безконтаїсгної передачі даних згідно з одним із пп 1-8, в якому схемний пристрій (7) виконано у вигляді інтегрального напівпровідникового чіпа 10 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з одним із пп 1-8, в якому схемний пристрій (7) виконано у вигляді конструктивного вузла на дискретних елементах 11 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з одним із пп 1-10, в якому зв'язок антени (6) пристрою (1) передачі/прийому даних з анте ною (8) носія даних здійснюється в зоні від 0 до 4 см 12 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з одним із пп 1-10, в якому зв'язок антени (6) пристрою (1) передачі/прийому даних з антеною (8) носія даних здійснюється в зоні від 0 до 15 см 13 Пристрій для безконтактної передачі даних згідно з одним із пп 1-10, в якому зв'язок антени (6) пристрою (1) передачі/прийому даних з антеною (8) носія даних здійснюється в зоні від 0 до 1 Винахід стосується пристрою для безконтактної передачі даних між пристроєм передачі/прийому даних і щонайменше одним переносним носієм даних Безконтактні системи ідентифікації з індуктивною передачею енергії і даних від пристрою передачі/прийому даних (COD = Card Operating Device) на переносний носій даних з використанням змінного магнітного поля використовуються, наприклад, у чіп-картках Така система описана у роботі Fmkenzeller, Klaus RFID-Handbuch, Carl Hanser Verlag Muenchen 1998, crop 183 - 205 При роботі чіп-карток з пристроєм передачі/прийому даних для створення змінного магнітного поля потрібна певна потужність Антеною для створення змінного магнітного поля в загальному випадку слугує (довільно) сформована петля із провідника За звичайних умов експлуатації вона має реактивний опір індуктивного характеру Цей індуктивний реактивний опір за допомогою узгоджувальної схеми, що складається із резисторів, конденсаторів і котушок індуктивності, компенсують, настроюючи таким чином антену на резонансну частоту Під настройкою на резонансну частоту слід розуміти, що реактивний опір дорівнює "0" і імпеданс визначається, в основному, лише опорами втрат Настройка антени на резонанс необхідна, коли у приймально-передавальному пристрої антена і джерело енергії з'єднані кабелем невідомої довжини Для унезалежнення від довжини кабелю антену і джерело енергії слід настроїти на хвилевий опір кабелю Настройка антени на хвилевий опір описана, наприклад, у патенті США 5,241,160 Роботу в резонансі використовують також зазвичай, коли антена безпосередньо з'єднана з джерелом енергії Це буває, наприклад, у випадках, коли антена і джерело енергії розміщені на одній і тій же друкованій платі Коли у змінному магнітному полі переносний носій даних відсутній, при настройці антени на резонанс протікає максимальний струм Наслідком цього максимального струму є максимальне магнітне поле Наслідком настройки на резонанс є великі втрати на холостому ході Під холостим ходом надалі мається на увазі режим роботи пристрою передачі/прийому даних, при якому в робочому полі пристрою передачі/прийому даних відсутній переносний носій даних Робочою зоною пристрою передачі/прийому даних є така відстань від носія даних до антени, при якій напруженості змінного магнітного поля ще достатньо для обміну даними з переносним носієм даних Змінне магнітне поле, створене струмом, що протікає в антені, особливо у пристроях передачі/прийому даних з малою дальністю (так звані Closed Coupling - Systeme, системи закритого зв'язку) часто набагато сильніше, ніж дійсно потрібне Коли переносний носій даних перебуває у робочому полі, він чинить зворотну дію на антену Ця зворотна дія проявляється виникненням додаткового імпедансу у антенному контурі пристрою передачі/прийому даних Якщо антена настроєна в резонанс, то ця зворотна дія максимальна, тобто, додатковий імпеданс, що виникає у антенному контурі, викликає зменшення струму в антені, а, отже, і зменшення магнітного поля Ця зворотна дія тим більша, чим сильніший зв'язок між антеною і переносним носієм даних У загальному випадку зв'язок між антеною і переносним носієм даних тим більший, чим менша відстань між ними Внаслідок цієї зворотної дм у несприятливому випадку при наближенні носія даних до антени струм може зменшитися настільки, що більше не забезпечується достатнє енергопостачання між пристроєм передачі/прийому даних і носієм даних Тому для забезпечення роботи носія даних у робочому полі пристрою передачі/прийому даних при настройці антени в резонанс має підтримуватися великий струм на холостому ході Таким чином буде гарантовано, що при введенні носія даних у робочу зону напруженість магнітного поля, не зважаючи на зворотну дію, ще досить висока, щоб забезпечити достатню передачу енергії на носій даних Це означає ніщо інше, як достатньо великий струм у антенному контурі при введенні носія даних у робочу зону пристрою Результатом є високі втрати енергії, викликані високою потужністю, необхідною для створення змінного магнітного поля на холостому ході Недоліки описаного підходу до настройки антени в резонанс стають ще більш помітними, коли система розрахована для роботи з кількома носіями даних Зворотна дія кількох носив даних на антенний контур посилюється ВІДПОВІДНО ДО КІЛЬ 57139 кості носіїв даних, що перебувають у робочому полі Тому джерело енергії для пристрою передачі/прийому даних має бути розрахованим на ще більшу потужність Це суттєво відбивається на потребі площі для розміщення його елементів, а також на коштах Тому задача цього винаходу полягає у розробці пристрою для безконтактної передачі даних, який для створення змінного магнітного поля при заданій робочій зоні споживає якомога меншу потужність Задача вирішена шляхом здійснення ознак п 1 чи п 5 формули винаходу Вдосконалення винаходу є предметом додаткових пунктів формули винаходу Згідно З пунктом 1 винаходу, антена пристрою передачі/прийому даних в частині схеми, що сприймає трансформацію імпедансу, виконана таким чином, що реактивний опір не дорівнює "0", коли жоден носій даних не зв'язаний індуктивно з антеною Іншими словами, антена не настроєна в резонанс, коли у робочій зоні пристрою передачі/прийому даних відсутній переносний носій даних Таким чином, шляхом введення реактивного опору в антенний контур струм, який має підтримуватися у режимі холостого ходу, зменшується порівняно з рівнем техніки Завдяки цьому, зменшуються втрати на холостому ході Джерело енергії може бути розрахованим на меншу потужність Відпадають проблеми із витратним охолоджувальним пристроєм Додаткова перевага полягає в тому, що, завдяки наявності реактивного опору в режимі холостого ходу, зворотна дія вставленого носія даних на антенний контур може бути зменшена або використана Внаслідок цього зменшення струму при введенні носія даних у робоче поле значно менше, ніж у пристроях передачі/прийому даних згідно з рівнем техніки Таким чином, може бути усунена проблема зменшення струму в антені внаслідок введення носія даних у робоче поле Реактивний опір може мати як індуктивний, так і ємнісний характер Є навіть можливість розрахувати зворотну дію чіп-карток на антенний контур таким чином, що, наприклад, в разі трьох носив даних, що мають працювати у діапазоні х см, досягається певне збільшення струму в антені Для цього реактивний опір має бути ВІДПОВІДНИМ ЧИНОМ розрахований Реактивний опір може бути визначений лише шляхом витратного обрахунку моделей Завдяки запропонованому націленому внесенню реактивного опору в антенний контур, потужність, споживана пристроєм передачі/прийому даних для створення змінного магнітного поля, достатнього для живлення носія даних і обміну даними, може бути значно зменшена В одній із форм виконання винаходу можливе також комбінування обох рішень Це означає, що антенний контур пристрою передачі/прийому даних може як містити реактивний опір, тобто не бути настроєним в резонанс, так і містити додатковий опір втрат Завдяки цьому додатковому опорові втрат, розміщеному, наприклад, між антеною і узгоджувальною схемою, досягається зменшення струму в режимі холостого ходу пристрою передачі/прийому даних, тобто, зменшення втрат холостого ходу Завдяки наявності додаткового опору втрат, зменшується також зворотна дія носія даних, введеного у робоче поле пристрою передачі/прийому даних, на антенний контур Хоча зворотна дія, зумовлена введенням імпедансу в антенний контур пристрою передачі/прийому даних, проявляється також у зменшенні струму в антені, з яким пов'язане зменшення напруженості магнітного поля Одначе, зменшення струму не таке значне, як у пристроях передачі/прийому даних згідно з рівнем техніки Завдяки меншому спаду струму при введенні носія даних у робоче поле, напруженість змінного магнітного поля залишається достатньою, хоча блок живлення пристрою передачі/прийому даних може бути розрахований на меншу потужність, бо в антену може бути поданий менший струм В ІНШІЙ формі здійснення винаходу у пристрої передачі/прийому даних, антена якого містить реактивний опір індуктивного характеру, а між антеною і передавальним пристроєм і приймальним пристроєм ввімкнено додатковий опір, між антеною і передавальним пристроєм і приймальним пристроєм ввімкнено узгоджувальну схему У ІНШІЙ формі здійснення винаходу застосовано варіанти рішення, в яких для зменшення потужності джерела енергії пристрою передачі/прийому даних в антенний контур введений реактивний опір, а зв'язок між антеною і передавальним пристроєм і приймальним пристроєм виконано провідниками відомої довжини При використанні лінії зв'язку, наприклад, кабелю відомої довжини, не потрібна узгоджувальна схема Згідно З пунктом 5 формули винаходу, узгоджувальна схема додатково до опору, що обмежує добротність, містить додатковий опір втрат Узгоджувальна схема, яка складається щонайменше із одного резистора для обмеження добротності, а також конденсаторів і котушок індуктивності, встановлена між антеною і передавальним пристроєм і приймальним пристроєм Узгоджувальна схема служить для узгодження загального імпедансу з хвилевим опором провідників невідомої довжини За допомогою цього рішення отримуються такі ж ефекти і досягаються такі ж переваги, що й описано вище При цьому зменшується також зворотна дія введеного у робоче поле пристрою передачі/прийому даних носія даних на антену Наслідком є зменшений порівняно з рівнем техніки струм у режимі холостого ходу Перевагу має рішення, яке полягає у внесенні реактивного опору у антену пристрою передачі/прийому даних За допомогою цього принципового рішення досягаються найнижчі значення струму у режимі холостого ходу Самозрозуміло при цьому, що загальні умови для всіх варіантів однакові Це означає, що пристрій передачі/прийому даних розрахований на певну КІЛЬКІСТЬ носив даних, а робоча зона, в якій можливий обмін даними між щонайменше одним носієм даних і пристроєм передачі/прийому даних, розміщена на попередньо заданій відстані від антени Перевага всіх описаних досі принципових рішень полягає в тому, що, завдяки зменшенню необхідного струму в антені, вихідний каскад джерела змінної напруги може бути розрахований на 57139 меншу потужність Результатом є зменшення витрат Інша перевага полягає в тому, що схема між вихідним каскадом передавача і антеною не потребує ніяких додаткових елементів порівняно з рівнем техніки Конструктивні елементи лише розраховані ІНШИМ ЧИНОМ Для передачі енергії через індуктивний зв'язок використовується лише ближнє магнітне поле антени Одначе, з ним неодмінно зв'язане випромінювання електромагнітних хвиль При цьому випромшена потужність прямо пропорційна квадрату струму в антені Це означає, що зменшення струму в антені одночасно зменшує випромінювану потужність Завдяки цьому полегшується дотримання норм, що обмежують випромінювання Ця проблематика буде пояснена нижче У варіанті рішення, згідно з яким між антеною і узгоджувальною схемою введено додатковий опір, сума опору для обмеження добротності і додаткового опору втрат вираховується за такою формулою L ) L F LT F R 2-B Розрахунок за цією формулою, яка враховує параметри пристрою передачі/прийому даних (КІЛЬКІСТЬ носив даних, робоча зона), дає найбільше зниження потужності на холостому ході Тоді пристрій передачі/прийому даних у всіх режимах працює надійно Зниження (= обмеження) струму в антені до несприятливого значення при розрахунку за цією формулу може не наставати Резонансні частоти переносних носив даних можуть бути попередньо задані або рівними робочій частоті пристрою передачі/прийому даних, або бути більшими чи меншими від неї, У переважній формі здійснення винаходу резонансна частота переносних носив даних вибирається більшою від попередньо заданої робочої частоти Розміщений на носи даних схемний пристрій отримує напругу живлення він індукованого сигналу, що виникає при введенні носія даних у робоче поле пристою передачі/прийому даних Для цього використовується резонансне підсилення послідовним коливальним контуром, що складається із ємності і індуктивності антени носія даних Схемний пристрій на переносному носи даних може бути виконаний у вигляді напівпровідникового чіпа або у вигляді дискретної схеми Під переносними носіями даних можуть матися на увазі чіп-картки, етикетки безпеки для різних предметів або ж ідентифікаційні пристрої Одначе, можна уявити собі також, що переносні носи даних вмонтовано у легкові автомобілі, завдяки чому може бути обраховане використання певної ділянки дороги Винайдені пристрій передачі/прийому даних і антена носія даних у змозі встановлювати зв'язок у зоні від 0 до 1м Пристрій передачі/прийому даних виконаний переважно таким чином, що антени зв'язуються між собою у зоні від 0 до 1см В разі носив даних у так званому форматі CD-1 (чеккартки згідно з ISO) носи даних і пристрої передачі/прийому даних зв'язуються між собою у зоні від 0 до кількох сантиметрів Ці пристрої переда 8 чі/прийому даних ВІДОМІ під назвою системи закритого зв'язку (Closed Coupling - Systeme) При розрахунку пристрою передачі/прийому даних на робочу зону від 0 до 15см система відома під назвою системи із зазором (ProximitySystem) При робочій зоні від 0 до 1м пристрої передачі/прийому даних називаються системами близькості (Vicinity-System) Одначе, область застосування винаходу обмежується не цим, вона більше залежить від співвідношення антена/носій даних Нижче винахід детальніше пояснюється з використанням фігур 1 - 8 На них зображено фіг 1 Структурні схеми пристрою передачі/прийому даних, а також носія даних, фіг 2 а і б спрощені ЛІНІЙНІ еквівалентні схеми пристрою передачі/прийому даних, а також носія даних, фіг За еквівалентна схема пристрою передачі/прийому даних при введеному в робочу зону носи даних, фіг 36 еквівалентна схема носія даних, введеного в робочу зону пристрою передачі/прийому даних, фіг 4 Залежність нормованого значення робочої напруги від КІЛЬКОСТІ переносних носив даних, фіг 5 Еквівалентна схема винайденого пристрою передачі/прийому даних, що містить додатковий опір між антеною і узгоджувальною схемою, фіг 6 залежність частотної характеристики відопору між антеною і узгоджувальною схемою, фіг 7 Залежність напруженості магнітного поля від відстані між носієм даних і пристроєм передачі/прийому даних, фіг 8 Представлення потужності, споживаної джерелом змінної напруги, при різних значеннях активного опору і/або реактивного опору антени На фіг 1 схематично зображені пристрій 1 передачі/прийому даних і переносний носій 2 даних Пристрій 1 передачі/прийому даних містить джерело 3 енергії, передавальний пристрій 4 і приймальний пристрій 5 Як передавальний пристрій 4, так і приймальний пристрій 5 з'єднані з антеною 6 Антена 6 у найпростішому випадку виконана у вигляді довільним чином сформованої електропровідної петлі Як передавальний пристрій 4, так і приймальний пристрій 5 з'єднані з джерелом З енергії Як правило, передавальний пристрій 4 містить кварц, генератор, модулятор і потужний вихідний каскад Приймальний пристрій 5 складається, наприклад, із смугового фільтра, підсилювача і демодулятора Оскільки точна структура як передавального пристрою 4, так і приймального пристрою 5 не суттєві для ідеї винаходу, детальніше вони не описуються Переносний носій 2 даних містить антену 8 і схемний пристрій 7 Схемний пристрій 7 може бути виконаний, наприклад, у формі інтегрального напівпровідникового чіпа або також у формі дискретної схеми Схемний пристрій 7 може містити, наприклад, узгоджувальну схему, що з'єднує узгоджувальну схему 7 з антеною 8 носія даних Крім того, схемний пристрій 7 може містити модулятор, демодулятор, мікропроцесор або також запам'ятовуючий пристрій Оскільки точна конфігурація схемного пристрою 7 для винаходу не сут 57139 тєва, детальніше вона не описується Принцип дії пристрою передачі/прийому даних такий Передавальний пристрій 4 формує сигнал певної частоти, яка надалі називається робочою частотою fo Цей сигнал передається на антену 6 пристрою передачі/прийому даних Якщо у робочу зону пристрою передачі/прийому даних введений переносний носій даних 2, то сформований антеною 6 сигнал сприймається антеною 8 носія даних, в якій індукується напруга Ця індукована напруга забезпечує формування робочої напруги живлення схемного пристрою 7, а також одночасно містить інформацію, що підлягає передачі на носій даних Схемний пристрій 7 оброблює вказану інформацію При зворотному напрямку передачі інформації сформований схемним пристроєм 7 сигнал певної частоти подається на антену 8 носія даних, внаслідок чого у антені 6 пристрою передачі/прийому даних індукується напруга Ця напруга подається на приймальний пристрій 5 і оброблюється у ньому На фіг 2а зображена еквівалентна схема пристрою 1 передачі/прийому даних Сама антена має реактивний опір індуктивного характеру На фіг 26 зображена проста лінійна еквівалентна схема переносного носія даних 2 Джерело 3 енергії і всі схемні елементи між джерелом енергії і антеною пристрою 1 передачі/прийому даних можуть бути зведені до еквівалентного джерела напруги UFO (електрорушійна сила, в часі змінюється за виразом UFo*sin(27ift) і внутрішнього імпедансу ZFO Внутрішній імпеданс може складатися із будь-яким чином з'єднаних між собою опорів R, індуктивностей L і ємностей С Антена 6 моделюється індуктивністю I_F і опором втрат RLF Еквівалентне джерело напруги UFO І внутрішній імпеданс ZFA, a також індуктивність I_F І опір втрат RLF антени 6 з'єднані послідовно Еквівалентна схема згідно з фіг 26 відображає пристрій 1 передачі/прийому даних у стані, коли у робочій зоні відсутній носій даних Це означає, що немає зв'язку між антеною 6 пристрою 1 передачі/прийому даних і антеною 8 носія даних На фіг 26 антена 8 носія даних змодельована з'єднаними послідовно опором RLT втрат і індуктивністю І_т Схемний пристрій 7, що може бути виконаний, наприклад, у формі інтегрального напівпровідникового чіпа, спрощено можна відобразити опором RT втрат і приєднаною паралельно до нього ємністю Ст Схемний пристрій 7 під'єднаний до антени 8 носія даних паралельно Зображений на фіг 26 переносний носій 2 даних також перебуває у стані, коли відсутній зв'язок з антеною пристрою передачі/прийому даних або іншого носія даних Внаслідок значної величини ємності Ст, реактивний опір носія 2 даних має переважно ємнісний характер Загальний імпеданс антенного контуру описується таким рівнянням Z F = RF + J*BF = Z F A + RLF + J*rol_F, В разі узгодження або в разі резонансу реактивна складова цього імпедансу дорівнює нулю Загальний імпеданс послідовного коливального контуру носія даних описується таким рівнянням 10 ZT Т = R T Т + J - B T J T = R I T L T + І-та-І_т + J T — 1 1/RT+j-ro-CT, На фіг За і 36 зображено еквівалентні схеми пристрою 1 передачі/прийому даних і носія 2 даних, коли вони перебувають у взаємозв'язку, тобто, коли переносний носій 2 даних введено у робочу зону пристрою 1 передачі/прийому даних На основі закону повного струму виникають зумовлені взаємозв'язком антени 6 пристрою передачі/прийому даних з антеною 8 носія даних індуковані напруги При цьому UTF напругою, індукованою у котушці картки струмом збудження IF, a UFT Є напругою, індукованою у антенній котушці струмом Іт носія даних Цей зв'язок можна відобразити такими формулами FT JW IVI Іт U T F = jra * M * I F Де ш кругова частота (= 2тгї), j уявна одиниця, М взаємна індуктивність За взаємною індуктивністю і власними індуктивностями обох котушок можна визначити коефіцієнт зв'язку k К LF-LT При мінімальній відстані між антеною і носієм даних коефіцієнт зв'язку може становити максимум 1 В разі нескінченного віддалення коефіцієнт зв'язку становить 0 Згідно З першою формою виконання винаходу, передбачений вільний вибір імпедансу контуру антени 6, причому, узгодження антени 6 і джерела З змінної напруги з хвильовим опором лінії зв'язку не потрібне Це означає конкретно, що антена 6 і джерело 3 змінної напруги певним чином з'єднані між собою і загальний імпеданс антенного контуру може мати реактивну складову Під з'єднанням певним чином можна розуміти як наявність між антеною 6 і джерелом 3 кабелю відомої довжини, так і безпосередній зв'язок між розміщеними поруч антеною і пристроєм передачі/прийому даних, коли лінія зв'язку має мінімальну довжину В принципі, незалежно від необхідних параметрів системи, різні неточності настройки можуть привести до зменшення потужності Є можливість задати параметри реактивної складової такими, що для найнесприятливішого випадку (максимально можлива КІЛЬКІСТЬ НОСИВ даних введена у робочу зону) завдяки зворотній дії переносних носив 2 даних на антену 6 струм у антені збільшується настільки, що можливий безперебійний обмін даними Це означає ніщо інше, як те, що на холостому ході струм у антені 6 мінімальний, а при введенні кожного наступного носія 2 даних він збільшується на певну величину На основі зворотної дії носив 2 даних струм узгоджується з потребою Коли носи 2 даних мають резонансні частоти, більші від резонансної частоти пристрою 1 передачі/прийому даних, така оптимізація називається індуктивною розстройкою антенного контуру Величина індуктивного реактивного опору, що зумовлює автоматичне збільшення антенного 12 11 57139 струму при введенні носія даних у робоче поле, ню між носієм даних і антеною пристрою передаможе бути визначена шляхом витратних розрахунчі/прийому даних, до якої має бути можливим ків на моделях Принцип дії може бути пояснений зв'язок між носіями даних і пристроєм передатаким чином чі/прийому даних Найбільший потенціал оптиміЯкщо при індуктивній настройці загального імзацп мають так звані системи закритого зв'язку педансу ZF антенного контуру пристрою переда(Closed Coupling Systeme) чі/прийому даних в робоче поле ввести картку, то Для оптимізацп потужності, споживаної антепереважно ємнісний імпеданс ZT ПОСЛІДОВНОГО коною пристрою передачі/прийому даних слід доливального контуру носія даних у антенному контримуватись також таких загальних умов Оскільки турі пристрою передачі/прийому даних проявиться схемний пристрій 7 переносного носія даних не як індуктивний імпеданс ZFT ОСКІЛЬКИ величина містить власного джерела енергії, необхідна для трансформованого імпедансу ZFT набагато менша, живлення схемного пристрою 7 робоча напруга ніж імпеданс ZF антенного контуру, зворотна дія на має бути сформована сигналом, індукованим приантенний струм незначна Тому при введенні в строєм передачі/прийому даних у антені носія даробочу зону пристрою передачі/прийому даних них При цьому використовується так зване резоодного носія даних антенний струм зменшується нансне підсилення послідовним коливальним лише незначною мірою порівняно зі струмом без контуром ємності Ст і індуктивності І_т переносного носія даних у робочій зоні носія 2 даних Коли ж у робоче поле пристрою передаКоли кілька носив 2 даних перебувають у рочі/прийому даних вводяться кілька носив даних, їх бочому полі пристрою 1 передачі/прийому даних, імпеданси зв'язуються між собою Внаслідок зв'язвони зв'язані не тільки з антеною 6, але й між соку імпедансів носив даних змінюється їх імпеданс бою Внаслідок цього зв'язку знижується резонанZT, причому, в разі сильного зв'язку між носіями сна частота коливального контуру кожного носія даних він має переважно індуктивний характер даних Зниження резонансних частот тим більше, Цей переважно індуктивний імпеданс проявляєтьчим сильніший зв'язок між носіями даних, тобто, ся у антенному контурі як ємнісний імпеданс ZFT чим менша відстань між носіями даних і чим більПри індуктивній настройці загального імпедансу ше носив даних розміщено у робочому полі У антенного контуру ємнісний імпеданс ZFT частково наинесприятливішому випадку резонансна частота компенсує індуктивний імпеданс ZF, внаслідок чого носія даних внаслідок зв'язку з іншими носіями для найбільш несприятливого випадку сильного даних може зменшитися у 1/VN, де N означає КІЛЬзв'язку між носіями даних і максимального віддаКІСТЬ носив даних Найнесприятливіший випадок лення носив даних від пристрою зчитування досянастає тоді, коли відстань між антенами носив дагається збільшення струму в антені них становить Осм і котушки розміщені одна над іншою з повним перекриттям На практиці так не В разі ємнісного характеру загального імпедабуває, оскільки антени, як правило, розміщені в нсу ZF антенного контуру пристрою передакорпусі, наприклад, у разі чіп-картки покриті плачі/прийому даних при введенні носія даних винистиковою оболонкою кає збільшення струму Переважно ємнісний імпеданс ZT НОСІЯ даних проявляється у антенному контурі знову як переважно індуктивний імпеданс Ємнісна настройка антенного контуру і індуктивний імпеданс, що трансформується від носія даних у антенний контур, частково компенсуються, внаслідок чого можливе підвищення струму Ємнісний імпеданс антенного контуру може бути встановлений таким, що для максимального віддалення носія даних досягається максимальне збільшення струму При введенні у робочу зону пристрою передачі/прийому даних кількох носив даних між ними знову встановлюється зв'язок, внаслідок чого вони проявляються у антенному контурі як ємнісний імпеданс Оскільки трансформований імпеданс носив даних набагато менший, ніж загальний імпеданс антенного контуру, він має незначний вплив на струм в антені Одначе, обмеження антенного струму при наближенні носив даних до пристрою передачі/прийому даних не відбувається Принцип зв'язку між носіями даних пояснюється нижче Ступінь оптимізацп зумовлений загалом необхідними параметрами системи Параметри системи визначаються КІЛЬКІСТЮ НОСИВ даних у робочому полі, при якій має забезпечуватися обмін даними між носієм даних і пристроєм передачі/прийому даних, а також максимальною відстан Характер зниження резонансної частоти при зв'язку кількох носив даних між собою наведено на фіг 4 При цьому напруга ІІт, прикладена до входу схемного пристрою 7 носія 2 даних, нормована напругою UTF, індукованою антеною 6 пристрою передачі/прийому даних у антені 8 носія даних При роботі з одним носієм даних відношення UT/UTF більше від одиниці В цьому разі уже при досить великій відстані забезпечується достатнє живлення схемного пристрою 7 Коли пристрій передачі/прийому даних розрахований точно на один носій даних, то в ідеальному випадку доцільно резонансну частоту носія даних вибирати рівною частоті fo пристрою передачі/прийому даних В цьому разі відношення UT/UTF найбільше В разі виконання пристрою передачі/прийому даних для роботи з кількома картками резонансне підсилення використовується лише частково Для цього резонансну частоту кожного носія даних вибирають більшою від частоти fo пристрою передачі/прийому даних Коли у робочому полі пристрою передачі/прийому даних перебуває один носій даних, відношення UT/UTF відображається точкою 1 на фіг 4 При введенні у робоче поле другого носія даних обидва носи даних зв'язуються між собою і резонансні частоти обох носив даних зменшуються Цей випадок може бути відображений точкою 2 на фіг 4 Вона лежить уже нижче від частоти fo Положення точки 2 залежить 57139 14 13 від того, наскільки сильним є зв'язок між обома зниження споживання енергії носіями даних Це залежить, головним чином, від Визначення оптимального значення опору R відстані між носіями даних Тому точка 2 може здійснюється за такою формулою (дійсна для одпереміщатися праворуч чи ліворуч по зображеній нієї картки, резонансна частота котрої відрізняєтьлінії При введенні у робоче поле ще одного, треся від частоти fo, тобто, Вт » 0 або Вт « 0, додаттього носія даних резонансна частота усіх трьох ково RT льовим опором лінії 9, тобто, настройка антени 6 з Стандарт) узгоджувальною схемою 10 на резонанс ІндуктивОбмеження бокових смуг можливе шляхом ний реактивний опір антени 6 компенсується кон- загального зменшення струму в антені, денсаторами Сі і Сг узгоджувальної схеми Внут- спеціального способу модуляції, рішній імпеданс Rw спрощено моделює схемні - фільтрування (висока добротність) пристрої передавача чи приймача Опір R узгоОбмеження бокових смуг шляхом фільтруванджувальної схеми введено для обмеження доброня можливе лише обмежено, оскільки інакше буде тності з метою забезпечення ширини смуги пропувідфільтрована інформація скання, необхідної для модуляції Перевага винаходу пояснюється з викорисЗгідно З ідеєю винаходу, в залежності від витанням фіг 6, на якій зображено вплив додаткового мог до системи (КІЛЬКІСТЬ НОСИВ даних, розміри опору на частотну характеристику По осі Y відробочої зони) між опором R узгоджувальної схеми кладено амплітуду струму в антені або напруже10 і опором RF антени 6 вводиться додатковий ність магнітного поля Н, а по осі X - частоту f На опір Це означає, що, в залежності від обставин, фіг 6 зображено хід частотної характеристики в величина опору R узгоджувальної схеми 10 значно пристрої передачі/прийому даних згідно з рівнем збільшується Це збільшення опору R веде до техніки з добротністю від 10 до ЗО Частотна хараmax 16 15 57139 ктеристика відображає залежність амплітуди анпристрої згідно з рівнем техніки внаслідок значного тенного струму або магнітного поля від частоти зв'язку антенний струм суттєво зменшується, що Частотна характеристика має значний підйом на зумовлює значне зменшення напруженості магнітчастоті fo і симетрично спадає по обидва боки ного поля (крива 1') Наближення носія даних до Наслідком малої добротності є плоска частотна антени пристрою передачі/прийому даних веде до характеристика, тобто, погане фільтрування бокоподальшого зниження антенного струму Внаслівих смуг При дуже високій добротності краще фідок цього зменшується і напруженість магнітного льтруються бокові смуги поблизу частоти fo, частополя Тому при введенні одного або кількох додаттна характеристика має явно виражений максимум кових носив даних антенний струм обрізається, на частоті fo Власне інформація, обмін якою здійтобто, обмін даних між пристроєм передаснюють носій даних і пристрій передачі/прийому чі/прийому даних і носієм даних більше не можлиданих, передається у смузі частот, симетричній вий відносно частоти fo Якщо частота fo становить, На противагу цьому, завдяки додатковому наприклад 13,56МГц, то інформація передається, опору між антеною і уз годжу вальною схемою наприклад, у смузі частот ±1ООкГц Амплітуда сигструм в антені зменшується не в такій значній мірі налу в цій смузі частот обмежується добротністю Тому напруженість магнітного поля при введенні Дотримання стандарту можливе частково за рахуносія даних у робочу зону пристрою переданок фільтрування, але в основному - шляхом змечі/прийому даних зменшується мало порівняно з ншення струму в антені Одначе, зменшення струнапруженістю без носія даних Тому крива 2', що му у пристроях згідно з рівнем техніки викликає відображає хід напруженості магнітного поля з зменшення напруженості магнітного поля, внасліносієм у робочій зоні лежить - передовсім при мадок чого обмін даними між носієм даних і пристролих значеннях X - вище, ніж крива напруженості єм передачі/прийому даних можливий лише на магнітного поля пристрою згідно з рівнем техніки незначній відстані між ними (крива 1') При зменшенні добротності, яке у винаході Винахід детальніше пояснюється з викорисздійснюється шляхом введення додаткового опотанням прикладу Як переносні носи даних викориру, погіршується фільтрування Це означає пологе стовуються чіп-картки, що мають такі параметри, спадання частотної характеристики по обидва боробоча частота 13,56МГц, розміри близько 8см х ки від частоти fo Це гірше фільтрування більш ніж 5см, комплексна складова загального імпедансу компенсується обмеженням антенного струму становить Вт ~ -140В/А, резонансна частота бливнаслідок введення додаткового опору R Одначе, зько 16,5МГц, індуктивність котушки І_т ~ 3,5мкГн, одночасно внаслідок зменшення антенного струму Антена пристрою передачі/прийому даних має такі дальність дії робочого поля пристрою передаж розміри, як і антена чіп-картки Індуктивність чі/прийому даних не зменшується Це є результаантени пристрою передачі/прийому даних станотом того, що при введенні носія даних магнітне вить I_F ~ 2,ЗмкГн, чіп-картки мають працювати в поле зменшується у значно меншій мірі, ніж у призоні до 1см Максимальний коефіцієнт зв'язку стастроях згідно з рівнем техніки новить kmax - 0,5 при накладанні чіп-картки на антену, k m = 0,35 на максимальній відстані У робоm На фіг 7 зображено залежність напруженості чу зону пристрою передачі/прийому даних можуть магнітного поля від відстані між носієм даних і бути введені максимум три чіп-картки Моделюпристроєм передачі/прийому даних Тут наведено вання, за допомогою якого визначали оптимальне порівняння магнітних полів у пристроях згідно з значення свідомо внесеного індуктивного реактиврівнем техніки і згідно з винаходом Криві 1 і 2 зоного опору в антену, показало, що мінімум спожибражують напруженість магнітного поля за відсутваної потужності настає при індуктивній реактивній ності носія даних у робочому полі пристрою перескладовій близько 80І/А дачі/прийому даних Внаслідок більшого струму в антені пристрою передачі/прийому даних напруЦей мінімум споживаної від джерела енергії женість магнітного поля у пристрої згідно з рівнем потужності залишається майже постійним в діапатехніки вища, ніж у винайденому пристрої Крива 1 зоні значень активної складової імпедансу антени відноситься до пристрою згідно з рівнем техніки, а від 0 до 40Ом і становить для однієї чіп-картки в крива 2 відноситься до винайденого пристрою робочому полі близько 10мВт При введенні в робочу зону пристрою передачі/прийому даних трьох Для забезпечення обміну даними між носієм чіп-карток споживана антеною потужність станоданих і пристроєм передачі/прийому даних напрувить близько 60мВт женість магнітного поля мусить перевищувати значення H m Напруженість магнітного поля на m Якщо при таких же параметрах здійснити опвідрізку до розрахункової точки Хр03р має бути бітимізацію згідно з другим варіантом винаходу, льша або дорівнювати мінімально необхідному тобто, ввести між антеною і узгоджувальним призначенню H m Струм в антені пристрою передаm строєм додатковий опір, то при оптимально підічі/прийому даних згідно з винаходом розраховано браному опорі втрат потужність становить близько таким чином, щоб напруженість магнітного поля на 200мВт В цьому разі додатковий опір втрат обрамаксимальній дальності Хр03р трохи перевищувала ховується за наведеною вище формулою мінімально необхідне значення Нтщ На противагу У пристрої згідно з рівнем техніки, в якому анцьому внаслідок великого струму в антені на холотена настроєна в резонанс, а опір втрат, необхідстому ході напруженість магнітного поля в приний для забезпечення необхідної для передачі строї передачі/прийому даних згідно з рівнем техданих ширини смуги частот, становить близько ніки значно вища Коли у робоче поле пристрою 150м, споживана потужність становить близько передачі/прийому даних вводиться носій даних, у 500 м Вт 18 17 57139 Інший приклад оптимізацм за допомогою доданоі частоти fo пристрою передачі/прийому даних ткового опору між антеною і узгоджувальною схеВ пристрої згідно з рівнем техніки антена намою Якщо використовуються, наприклад, чіпстроєна на резонанс Це означає, що імпеданс картки з наведеними вище параметрами (fo = антени має лише активну складову Зазвичай ак13,56МГц, розміри близько 8см х 5см, Вт ~ тивні складові в антенах згідно з рівнем техніки 170В/А, І_т = 3,5мкГн, I_F = 3,5мкГн при такій же реалізуються за допомогою невеликих опорів антені пристрою передачі/прийому даних і дальновтрат Ця точка великої споживаної потужності сті дії кілька сантиметрів kmax = 0,5, ктщ = 0,2), то знаходиться на осі X поблизу початку осей коороптимальне значення опору втрат становить блидинат При подальшому зміщенні вздовж осі X зько 250м При розрахункові згідно з рівнем техніправоруч, тобто, при збільшенні опору втрат в анки значення опору R для обмеження добротності тені, потужність зменшується Мінімальна спожистановило б близько 60м При цьому слід мати на вана потужність досягається в точці 2, яка відповіувазі, що конденсатори Сі і C-z узгоджувальної дає опору, розрахованому за описаною вище схеми в обох випадках мають ІНШІ значення ємноформулою При подальшому переміщенні по осі X сті, ніж обчислені після визначення опору R через точку 2, тобто, при збільшенні опору втрат, потужність, споживана на холостому ході, знову Простим схемотехнічним рішенням - збільзростає Точка на осі X відповідає настройці антешенням опору втрат - потужність, споживана анни на резонанс тенним контуром, може бути знижена з 80мВт до 30мВт Завдяки цьому струм в антені зменшується Якщо, згідно з першим рішенням винаходу, з 80мА до 25мА вводити реактивну складову в антенний контур, тобто, якщо рухатися по осі Y угору або вниз, то Оптимальне значення додаткового активного при менших активних опорах в антенному контурі опору або додаткової індуктивної складової реакспоживана потужність безперервно спадає до мітивного опору в антені може бути знайдене шлянімального значення в точках, позначених індекхом витратних обчислень оптимуму, причому, засами 1 В колах навколо точок 1 досягаються знагальні умови задаються системними вимогами чення імпедансу антени, при яких споживана (мінімальна і максимальна дальність, КІЛЬКІСТЬ потужність найменша При полишенні мінімуму і карток, параметри карток, робоча частота і т д ) подальшому збільшенні активного опору в антенПринципово настройка антени на резонанс ному контурі споживана потужність знову зростає згідно з рівнем техніки виявилася невдалим ріУ переважній формі здійснення винаходу мінімізашенням В разі систем з великою дальністю дії і цію потужності здійснюють шляхом зміни реактивпов'язаною з цим значною потужністю антенного ного опору в антені контуру оптимізація значно утруднена, оскільки ІСТИННІ значення активних опорів можуть бути біВинахід дозволяє з мінімальними схемними льшими, ніж оптимально розраховані витратами досягти зменшення потужності при створенні змінного магнітного поля в пристрої пеНа фіг 8 представлено результат розрахунку редачі/прийому даних для роботи зі щонайменше моделі На ній зображено лінії однакового спожиодним носієм даних вання енергії на холостому ході, тобто, при різному розрахунку активного опору і/або індуктивного Оптимум в обох запропонованих варіантах реактивного опору антени пристрою передаможе бути знайдений лише шляхом оптимізацм на чі/прийому даних По осі X відкладено дійсну склаоснові заданих системних параметрів Найбільший дову імпедансу антени, а по осі Y - уявну складову потенціал для оптимізацм мають так звані системи імпедансу антени Наведені результати ДІЙСНІ ДЛЯ закритого зв'язку (Closed Coupling Systeme) резонансної частоти носія даних, більшій від зада 19 20 57139 ФІГ. 1 ело ене 3 ? ч 4 \ Передавальний пристрій Приймальний пристрій ФІГ. 2а ФІГ. 26 fo-x fo fo+x 21 57139 22 ФІГ. В ІА/м] ФІГ 7 розр Комп'ютерна верстка М Клюкш fr>fo Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна