具有無源電子數據載體的高頻識別媒體的製作方法
2023-12-03 07:06:46 2
專利名稱：具有無源電子數據載體的高頻識別媒體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一按照權利要求1前序部分的具有無源電子數據載體的高頻識別媒體，該高頻識別媒體有一個接收天線，其用於接收運行能量，並且用於在一個所分配的具有發射天線的寫入和讀出站上的高頻信號的無接觸傳輸，該發射天線具有一個大於1MHz的載頻fr。為了能夠實現高的通信效率和傳輸效率，具有1MHz以上的系統脈衝或載頻的高頻是必須的。對此，Kaba Ag的Legic系統是一個例子。
與在遙遠的區域內力求高的效率的高頻無線傳輸完全不同，在這個識別媒體中僅在近場的二個方向上高的效率是必須的，然而在遙遠的區域內效率和對此的相關的損耗被保持的非常小。這要求一個儘可能大的二天線的、寫入和讀出站的、識別媒體的以及天線特殊形狀的耦合。
為了能夠用這個無源的識別媒體通過接收天線實現一個完美的能量傳輸，並且為了能夠在耦合區域內實現儘可能大的作用範圍，使用了具有較高電感、也就是說具有多個線圈的接收天線，並且僅僅數據載體MI的固有電容相應地作為振蕩電路的附加電容使用。可是在這個已知的識別媒體中還經常出現不同的顯著的局限和問題-可能僅限制了載頻的識別媒體的調諧。
-接收頻率的非穩定性。
-接收頻率的強大影響。這導致降低了作用範圍和通信效率。
本發明的任務是建立一個識別媒體，其能夠使這些問題得到根本的改善。通過按照權利要求1的識別媒體解決該任務，通過該識別媒體實現了更好的傳輸特性。
此外，與全部的發展趨勢相反，通過具有較高電感的天線在識別媒體上或者在數據載體上不產生一個儘可能高的輸入電壓，而是完全相反降低輸入電壓和電感，也就是說天線的線圈匝數，並且通過插入一個附加的外部電容Ce，相應地大大提高了總電容，其大於數據載體MI的內部電容Ci。
因此，實現了多個單獨優點，其組合得出很好的傳輸特性-識別媒體的接收頻率可以更好並且更準確地調準到載波頻率。
-接收頻率幾乎是不變的，並且很少依賴於外部影響。
-因此實現了通信的一個較高的並且不變的作用範圍，並且實現了全部更好的天線效率。
從屬權利要求涉及本發明的有益改進，其導致了傳輸特性的另外改善，以及使這個識別媒體的普遍使用成為可能。下面藉助於實施例和附圖進一步說明本發明。圖示
圖1．具有外部電容的按照本發明的識別媒體IM，圖2．一個所分配的寫入和讀出站WR，圖3．具有編碼通信的識別媒體的附加例子，圖4．具有雙天線和所分配的外部電容的例子，圖5．在涉及到載頻的接收頻率的作用下的通信特性，圖6．接收頻率對耦合的依賴關係，圖7．通信的作用範圍R和立體角W與天線的相對取向的影響，圖8．在用線路作為天線的ISO卡體尺寸中識別媒體的一個例子，圖9．具有一個手錶形式的磁性天線的小的識別媒體，圖10．作為識別媒體的一個小型的鑰匙鏈。
圖1和3示出了適合本發明的識別媒體IM的例子，圖2示出了一個所分配的寫入和讀出站WR。圖1的概括說明示出了一個具有無源電子數據載體MI的識別媒體IM，該數據載體包括一個信息處理機11、一個控制電子裝置13和一個存儲器12。具有電感L的接收天線15用於接收運行能量20a，並且用於在一個所分配的讀出或者寫入和讀出站WR上的高頻信號(20)的無接觸傳輸。一個外部電容Ce同接收天線15並聯，其中電容Ce大於數據載體MI的內部電容Ci。此外天線的電感L和外部電容Ce是如此調諧的，即實現識別媒體的固有頻率f，其與載頻fr相符。通過寫入和讀出站WR和其發射天線24確定載頻fr。
按照圖2的所分配的讀出站、或者寫入和讀出站WR產生系統脈衝、載頻fr，其通過發射天線24傳輸到識別媒體IM。此外，不僅能量20a，其對於識別媒體IM的運行是必需的，而且寫入和讀出站WR的數據20b傳輸到識別媒體IM上。為了能夠實現高的通信效率，載頻必須處於大於1MHz的範圍，主要在5和20MHz之間，並且不超過30MHz。這關係到一個儘可能完美的傳輸以及其它等等，也就是說在近場必須實現一個強耦合，然而在遙遠區域內應當反射儘可能低的功率。根據已說明的高頻範圍，該近場範圍處在1和100米的數量級，並且因此處在一個對於識別媒體是重要的範圍內。一個有益的載頻例如處於13.56MHz的ISM頻帶，通過該頻率，對於在幾米內的傳輸距離可以實現最佳的傳輸特性。
與一般的發展方向相反，有意降低接收天線15的電感L，並且通過一個較大的外部電容Ce提高識別媒體的預先確定的電容Ci的適合本發明的原理導致通信效率KL重要改善。根據在接收天線15上降低的電感L，這儘管降低了輸入電壓。
這將在圖5至7中以圖說明。圖5說明了通信效率對寫入和讀出站的載頻fr和具有識別媒體的固有頻率f的發射天線24和接收天線15一致的依賴關係。通信效率(或者通信能力或通信特性)是例如通信的作用範圍R和立體角W，以及從接收天線15到天線24的場的相對位置的角範圍W2，在該天線場中通信是可能的。
正如從圖5中可以看出的，通信效率非常依賴於載頻fr和接收頻率f的一致，也就是說當二個固有頻率f=fr一致時實現最佳耦合。隨著f-fr差別的增加通信效率減小得非常利害，以致在百分之幾的偏差情況下已經產生不足的通信效率KL。
二個天線頻率f和fr的一致，也就是說實現識別媒體的一個固有頻率f，其與寫入和讀出站WR的一個給出的發射頻率fr相符，迄今由於不同的原因是幾乎不可能的。
圖6示出了固有頻率f對天線耦合AK或者二個天線間隔依賴關係。此外，隨著耦合AK的增加，例如10％，一個以前的識別媒體的固有頻率f1下降得非常利害。與此相對，適合本發明的新天線的頻率特性曲線f2示出了很小的下降，例如僅1至3％。也就是說通過按照曲線f2的穩定的新天線比通過按照曲線f1的不穩定以前的天線可以更好地實現例如±2％的允許公差範圍。因此，通過該新天線實現了非常高的天線效率(R,W,W2)。
在具有識別媒體IM的通信內，在具有寫入和讀出站WR的天線24的場力線H並且具有一個可以獲得的作用範圍R和一個可能的立體角W的圖7中說明這是可能的。附加地這還依賴於場H中的接收天線15的相對位置隨著在天線法線和場向H之間的角W2的增加，通信效率減弱。根據該新的適合本發明的接收天線15實現較高的R、W、W2的值。
在下面的用於13.56MHz的載頻比較例和用於一個以前的和一個新的識別媒體的ISO形式(參見圖8)的識別媒體的比較例中說明這．因此，在耦合狀態中實現固有頻率f=fr，識別媒體的固有頻率在無載狀態中被調整到下面值以前的天線f1=16.5±1.5MHz新的天線f2=13.6±0.3MHz對於識別媒體的的固有頻率f適合這個關係(2π·f)2·L·C=1。
以前的識別媒體C=Ci=16pFL=6μH圈數 N=5至6新識別媒體C=Ci+Ce=16pF+100至300pFL=1.2至0.5μH圈數 N=2至3按照圖6中曲線f1以前的天線的耦合AK的強大依賴關係產生於耦合中的數據載體MI的內部電容Ci的強大依賴關係。
這個依賴關係隨著相對較大的外部電容Ce降低得非常利害，其中該電容不依賴於在按照圖6的曲線f2的新天線中的耦合AK。
因此，首先具有較高容量的穩定的外部電容Ce比內部電容Ci大幾倍，例如大5至10倍。
因此，實現了識別媒體的振蕩電路的非常高的品質因數Q=fr/B(振蕩頻率/帶寬)。首先該品質因數至少為50。
在以前的識別媒體中，通過不同的影響引起天線頻率f的非穩定性或者改變通過數據載體的內部電容Ci的改變，其除了耦合強度的已估計的依賴關係外，也通過環境影響、外加場、場中的導體、寄生電容和老化作用影響。此外，還出現內部電容Ci的高的損耗率(質量不好)以及Ci值的相對大的生產擴散。所有這些影響和Ci值的改變在以前的識別媒體中表明固有頻率相應的改變。
在按照本發明天線中，通過具有較高容量、穩定性並且具有大部分準確定義的和可選擇的電容值的外部電容Ce消除了這些影響，並且因此實現了相應穩定的、已定義的和可選擇的頻率f，正如已闡明的，這導致了高的通信效率KL。
根據按照本發明的方案，也實現了關於識別媒體的設計和生產的重要優點。因為，固有頻率f是可非常準確定義的並且也是可以測量的，相應地可以非常準確地調諧固有頻率到載頻fr。固有頻率f的所要求的額定值的調整是很準確並且簡單可行，因為附加的外部電容Ce具有一個準確定義的和穩定的值，該值是可以任意選擇。因此，也以簡單的方式抵消了在集成電路的生產中Ci值的相對較大的擴散。此外例如對於僅一個天線模型(關於天環線圈的尺寸和數量)來說通過選擇不同的外部電容值簡單實現了識別根據的相應不同要求的固有頻率f。
由於天線線圈N的數目必須是整數的，並且給出數據載體MI的內部電容Ci，對此，在以前的識別媒體中固有頻率f的所要求的額定值的實現在生產中是非常難的並且是可能不準確的。
圖3說明了用於編碼通信的識別媒體的一個例子。數據載體MI首先形成為ASIC晶片16，這裡包含一個用於存儲接收能量並且用於消除發射間斷的穿心電容器17、一個電壓調節器3、一個脈衝處理器4，一個接收解調器5、一個發射解調器6和一個編碼和通信邏輯7以及一個已說明的EEPROM存儲器12，該存儲器首先至少具有256位元組。通過從寫入和讀出站WR到識別媒體IM的脈衝調製(Puls-Pausenmodulation)並且通過在從IM到WR的反方向中的加載調製可以實現在寫入和讀出站WR與識別媒體IM之間的有利的能量和數據傳輸。
具有訪問和授權功能的如此的識別媒體對於不同的設備和使用或者對於不同的申請是已知的，例如作為一個公司(電子密鑰)的確定範圍和時間管理的進入措施，作為儀器例如數據設備的訪問媒體，或者也作為用於獲得功率的有效措施系統。因此，具有很高的傳輸效率和傳輸能力的按照本發明的識別媒體特別適合於關於功能可靠性和數據安全性、可監控性、防止濫用等等的高要求的應用。對此，在識別媒體IM與寫入和讀出站WR之間使用一個編碼的通信，例如，當寫入和讀出站在每個識別過程中產生一個新的識別數據，並且將其發射到識別媒體IM時，該數據在哪與一個固定的存儲的已譯成密碼的代碼32(在圖3中)邏輯連接，並且以編碼的形式送回到寫入和讀出站，在哪譯出並且檢查該信息，接著在WR和IM之間進行一個同步通信。
此外，為了滿足同步高的安全要求，這個識別媒體還能夠與一個身份的編碼功能組合。為此，可以使用例如PIN代碼或者仿生的數據編碼。例如從指紋或者手指、手和頭的幾何學確定身分的仿生數據，並且為了身分識別和證明一個授權載體的目的該仿生數據與相應的在數據載體MI中存儲的代碼33(圖3)比較。
僅使識別媒體有較高的通信能力成為可能的另外非常重要的應用在於，數據載體MI的存儲器12的數據結構，對此，在一個可分段的申請數據場ADF中可以使用多個互不依賴的申請。因此，由於按照本發明的識別媒體的較高的通信效率，在一定程度上實現了其許多倍的功能。
圖4示出了具有接收天線的識別媒體的另外一個例子，該天線形成為具有二個環線圈15.1和15.2的雙天線。這裡，第一個天線環線圈15.1用於接收供給數據載體的電磁場能量20a，以及用於接收寫入和讀出站WR的數據20b。第二個天線環線圈15.2用於發射數據20b到寫入和讀出站WR。天線部分15.1和15.2適應於數據載體MI的內部電容Ci1和Ci2。如此確定並接於每個天線部分15.1和15.2的外部電容Ce1和Ce2，即二個天線環線圈的天線頻率是相同的，並且在二個相同的分電感的情況下這意味著Ce1+Ci1=Ce2+Ci2。
圖8a和b示出了作為特別常用尺寸的具有印刷電路板上導線26的ISO卡體格式28(85×54mm)的一個識別媒體，該導線用作天線15。對此，天線環線圈可以與外部電容Ce並且與載體29(嵌入物)上的數據載體MI成為一體，並且因此形成一個可特別合理生產的單元。例如一個陶瓷電容器可以用作外部電容Ce，該陶瓷電容器有非常簡單的比如僅0.3至0.5mm厚的製造方法並且具有在MHz頻率範圍內的較高質量。
圖9和10示出了小型(30)識別媒體的例子，其中，接收天線15的直徑DA應當儘可能地完全利用隨時可供使用的位置，因此天線的面積FA幾乎與識別媒體的的全部面積一致。在以前的具有30mm和更少、例如僅10mm的天線直徑的小型識別媒體中，實現完美的通信性能和高的作用範圍是特別困難的。由於附加的外部電容Ce與天線15的相應減小的電感L的按照本發明的組合，與以前相比需要相應小的環線圈圈數，或者與以前小相比可以用較小的天線面積工作是可能的。因此，象用以前相對較大的ISO型式卡體一樣，可以用象鑰匙、鑰匙鏈、紀念品等等的小的識別媒體實現大約相同的通信作用範圍。因此可以開闢全新的應用。
圖9示出了例子，在該例子中接收天線形成為具有一個棒形的鐵氧體和一個電子線圈的磁性天線19。在這個例子中，在手錶帶36上有一個識別媒體。
圖10的小型識別媒體表示一個垂飾品37，例如一個鑰匙鏈。可是，該識別媒體也可以與一個鑰匙組合，例如組合在鑰匙柄上，或者以另外方式結合一個支架。一個非常小的識別媒體的例子形成例如環狀，其在比賽過程中為了識別信鴿的目的可以固定在信鴿的腳下。
對於按照圖9和10的小型的識別媒體，當天線環線圈的圈數相應地減小到例如少於一半時，在13.56MHz的載頻fr情況下例如使用50-150pF的外部電容。
本發明的一個特別有益的改進在於，在發射方也以類似方式穩定載頻fr，也就是說使寫入和讀出站WR的發射天線24不依賴於外界電容的影響。雖然載頻fr本身已經比識別媒體的固有頻率f更穩定，可是，通過載頻fr的進一步穩定可以象在識別媒體中一樣以相同的意義再次顯著改善通信性能KL，並且特別提高了作用範圍。
原則上載頻fr遭受象已經說明的相同的影響通過環境中電容的改變，例如通過人體的接近和金屬元件的接近，通過生產公差和電容的老化等等。載頻fr的所希望的額定值的準確調整迄今要求一個複雜的調諧。
通過在發射天線24上也使用同在接收天線15中的相同原理，實現了這個穩定和改善。正如在圖2中作為變量說明的，附加電容Cz並接於發射天線，並且該天線的電感相應地變小，因此發射天線24的積L·C保持不變。首先附加電容Cz更好地選擇比涉及發射天線的基點的寫入和讀出站WR的已存在的等效電容(也就是說沒有附加電容)大。附加電容可以有利地是存在的等效電容的2到5倍。
這個附加電容Cz包括一個具有可選擇的準確定義的並且穩定的C值的標準元件。因此，除了複雜的單調諧外，可以以簡單的方式連續生產載頻fr的所希望的額定值。
一個特別有益的並且普遍可使用的發射天線24可以形成為片狀天線，例如作為一個在塑料支架上的寬的線路的形式的天線環線圈(類似於圖8的例子中的很小的天線15)。
作為例子用僅一個具有60cm的直徑和25mm面寬(以適合的形式園的、橢圓的、矩形的等等)的線路環線圈可以實現直到1m和更多的作用範圍R。使直到1m和更多的作用範圍成為可能。
通過Cz值(作為串聯分量)的簡單選擇可以直接調整每個所希望的載頻fr，除了迄今必須的複雜的實驗工作和調諧工作。
在本專利申請範圍內使用了以下的標記3 電壓調節器4 脈衝處理器5 接收解調器6 發射解調器7 編碼和通信邏輯11 信息處理機12 存儲器13 控制電子裝置15 IM的接收天線15.1,15.2 雙天線16 ASIC晶片17 穿心電容器19 磁性天線20 高頻通信20a能量傳輸20b數據傳輸24 發射天線WR26 線路板上的線路28 ISO卡體29 支架，嵌入物30 小型32 編碼33 身分仿生編碼功能，36 手錶帶37 垂飾品IM 識別媒體MI 電子數據載體WR 讀出站或者寫入和讀出站fr 載頻，WR的系統脈衝f IM的頻率Q=fr/B IM的品質因數H 場線方向KL 通信效率，通信能力，通信特性R 通信作用範圍W 用於通信的立體角W2 場向H和天線法線之間的角DA 發射天線15的直徑FA 天線15面積AK 天線耦合(間隔)Df 公差範圍f-frN 線圈圈數L 電感Ce 外部電容Ci 內部電容Cz 24的附加電容ADF申請數據場
權利要求
1．具有無源的電子數據載體MI的高頻識別媒體IM，其中該數據載體包含信息處理機(11)、控制電子裝置(13)和存儲器(12)，並且該高頻識別媒體具有接收天線(15)，其用於接收運行能量(20a)並且用於一個所分配的寫入和讀出站WR上的高頻信號(20)的無接觸傳輸，其中該寫入和讀出站具有發射天線(24)，該高頻識別媒體具有至少1MHz的載頻fr，通過發射天線確定該載頻，其特徵在於，一個外部電容Ce與接收天線(15)並接，其中電容Ce大於數據載體MI的內部電容Ci。
2．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，通過寫入和讀出站WR的發射天線(24)確定載頻fr，通過下面的關係式確定頻率f以及識別媒體IM的接收天線(15)的外部電容Ce和電感L(2π·f)2·L·(Ci+Ce)=1，其中fr=f±3％。
3．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，數據載體MI具有一個用於存儲接收能量的穿心電容器(17)、一個電壓調節器(3)、一個脈衝處理器(4)、一個接收解調器(5)、一個發射解調器(6)、一個編碼和通信邏輯(7)以及一個EEPROM存儲器(12)。
4．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，數據載體形成為具有一個至少256位元組的EEPROM存儲器(12)的ASIC晶片(16)。
5．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，載頻fr在1和30MHz之間，主要在5和20MHz之間。
6．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，載頻fr相應於13.56MHz的ISM頻帶。
7．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，外部電容Ce至少5倍於數據載體MI內部電容Ci。
8．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，外部電容Ce在100pF和300pF之間。
9．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，IM諧振電路的品質因數Q=fr/B(諧振頻率/帶寬)至少為50。
10．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，外部電容Ce包括一個具有最高0.5mm厚的陶瓷電容器。
11．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，接收天線(15)形成為線路板上的線路(26)。
12．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，天線環線圈(15)相應於ISO卡體格式(28)。
13．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，天線環線圈(15)與外部電容Ce並且與支架(29)(嵌入物)上的數據載體MI集成為一體。
14．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，在小型的識別媒體(30)中接收天線(15)的直徑為最高3cm。
15．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，接收天線通過一個中間抽頭形成為具有各一個外部電容(Ce1,Ce2)的雙天線(15.1,15.2)，其中使用了適合於接收能量(20a)與數據的天線環線圈和用於發射數據的另外的天線環線圈。
16．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，接收天線形成為具有一個棒形的鐵氧體和一個電子線圈的磁性天線(19)。
17．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，通過脈衝調製進行從寫入和讀出站WR到識別媒體IM的數據傳輸，並且通過加載調製進行反方向的數據傳輸。
18．按照權利要求1的識別媒體，其特徵在於，對寫入和讀出站WR與識別媒體IM之間的通信(20)進行編碼(32)。
19．按照權利要求18的識別媒體，其特徵在於，存儲器(12)具有一個用於多個互不依賴的申請的可分段的申請數據場ADF。
20．按照權利要求18的識別媒體，其特徵在於，數據載體MI包含一個象PIN代碼或者仿生數據代碼的附加身份編碼功能(33)。
21．按照權利要求1的具有所分配的寫入和讀出站的識別媒體，其特徵在於，寫入和讀出站WR具有一個發射天線(24)，其並聯一個附加電容Cz。
22．按照權利要求21的識別媒體，其特徵在於，附加電容Cz至少同涉及沒有附加電容Cz的發射天線(24)的基點的寫入和讀出站WR的等效電容一樣大。
23．按照權利要求21的識別媒體，其特徵在於，附加電容Cz二至五倍於涉及沒有附加電容Cz的發射天線(24)的基點的寫入和讀出站WR的等效電容
24．按照權利要求21的識別媒體，其特徵在於，發射天線(24)形成為片狀天線，並且主要具有僅一個天線環線圈。
全文摘要
高頻識別媒體IM具有無源的電子數據載體MI,其中該數據載體包含信息處理機、控制電子裝置和存儲器,以及該高頻識別媒體具有接收天線(15),其用於接收運行能量,並且用於一個所分配的寫入和讀出站WR上的高頻信號(20)的無接觸傳輸,其中該寫入和讀出站WR具有發射天線(24)。為了能夠實現高的天線效率,通過發射天線確定的載頻fr超過1MHz。一個外部電容與接收天線(15)並接,其中電容Ce大於數據載體MI的內部電容Ci,特別地甚至大了幾倍。因此,特別是對於小的識別媒體實現了更好的識別媒體。
文檔編號G06K7/00GK1226984SQ98800608
公開日1999年8月25日 申請日期1998年2月20日 優先權日1997年3月7日
發明者J·羅徹爾, A·呂迪敘利 申請人:卡巴閉鎖系統公開股份有限公司