专利名称：具有无源电子数据载体的高频识别媒体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一按照权利要求1前序部分的具有无源电子数据载体的高频识别媒体，该高频识别媒体有一个接收天线，其用于接收运行能量，并且用于在一个所分配的具有发射天线的写入和读出站上的高频信号的无接触传输，该发射天线具有一个大于1MHz的载频fr。为了能够实现高的通信效率和传输效率，具有1MHz以上的系统脉冲或载频的高频是必须的。对此，Kaba Ag的Legic系统是一个例子。
与在遥远的区域内力求高的效率的高频无线传输完全不同，在这个识别媒体中仅在近场的二个方向上高的效率是必须的，然而在遥远的区域内效率和对此的相关的损耗被保持的非常小。这要求一个尽可能大的二天线的、写入和读出站的、识别媒体的以及天线特殊形状的耦合。
为了能够用这个无源的识别媒体通过接收天线实现一个完美的能量传输，并且为了能够在耦合区域内实现尽可能大的作用范围，使用了具有较高电感、也就是说具有多个线圈的接收天线，并且仅仅数据载体MI的固有电容相应地作为振荡电路的附加电容使用。可是在这个已知的识别媒体中还经常出现不同的显著的局限和问题-可能仅限制了载频的识别媒体的调谐。
-接收频率的非稳定性。
-接收频率的强大影响。这导致降低了作用范围和通信效率。
本发明的任务是建立一个识别媒体，其能够使这些问题得到根本的改善。通过按照权利要求1的识别媒体解决该任务，通过该识别媒体实现了更好的传输特性。
此外，与全部的发展趋势相反，通过具有较高电感的天线在识别媒体上或者在数据载体上不产生一个尽可能高的输入电压，而是完全相反降低输入电压和电感，也就是说天线的线圈匝数，并且通过插入一个附加的外部电容Ce，相应地大大提高了总电容，其大于数据载体MI的内部电容Ci。
因此，实现了多个单独优点，其组合得出很好的传输特性-识别媒体的接收频率可以更好并且更准确地调准到载波频率。
-接收频率几乎是不变的，并且很少依赖于外部影响。
-因此实现了通信的一个较高的并且不变的作用范围，并且实现了全部更好的天线效率。
从属权利要求涉及本发明的有益改进，其导致了传输特性的另外改善，以及使这个识别媒体的普遍使用成为可能。下面借助于实施例和附图进一步说明本发明。图示
图1．具有外部电容的按照本发明的识别媒体IM，图2．一个所分配的写入和读出站WR，图3．具有编码通信的识别媒体的附加例子，图4．具有双天线和所分配的外部电容的例子，图5．在涉及到载频的接收频率的作用下的通信特性，图6．接收频率对耦合的依赖关系，图7．通信的作用范围R和立体角W与天线的相对取向的影响，图8．在用线路作为天线的ISO卡体尺寸中识别媒体的一个例子，图9．具有一个手表形式的磁性天线的小的识别媒体，图10．作为识别媒体的一个小型的钥匙链。
图1和3示出了适合本发明的识别媒体IM的例子，图2示出了一个所分配的写入和读出站WR。图1的概括说明示出了一个具有无源电子数据载体MI的识别媒体IM，该数据载体包括一个信息处理机11、一个控制电子装置13和一个存储器12。具有电感L的接收天线15用于接收运行能量20a，并且用于在一个所分配的读出或者写入和读出站WR上的高频信号(20)的无接触传输。一个外部电容Ce同接收天线15并联，其中电容Ce大于数据载体MI的内部电容Ci。此外天线的电感L和外部电容Ce是如此调谐的，即实现识别媒体的固有频率f，其与载频fr相符。通过写入和读出站WR和其发射天线24确定载频fr。
按照图2的所分配的读出站、或者写入和读出站WR产生系统脉冲、载频fr，其通过发射天线24传输到识别媒体IM。此外，不仅能量20a，其对于识别媒体IM的运行是必需的，而且写入和读出站WR的数据20b传输到识别媒体IM上。为了能够实现高的通信效率，载频必须处于大于1MHz的范围，主要在5和20MHz之间，并且不超过30MHz。这关系到一个尽可能完美的传输以及其它等等，也就是说在近场必须实现一个强耦合，然而在遥远区域内应当反射尽可能低的功率。根据已说明的高频范围，该近场范围处在1和100米的数量级，并且因此处在一个对于识别媒体是重要的范围内。一个有益的载频例如处于13.56MHz的ISM频带，通过该频率，对于在几米内的传输距离可以实现最佳的传输特性。
与一般的发展方向相反，有意降低接收天线15的电感L，并且通过一个较大的外部电容Ce提高识别媒体的预先确定的电容Ci的适合本发明的原理导致通信效率KL重要改善。根据在接收天线15上降低的电感L，这尽管降低了输入电压。
这将在图5至7中以图说明。图5说明了通信效率对写入和读出站的载频fr和具有识别媒体的固有频率f的发射天线24和接收天线15一致的依赖关系。通信效率(或者通信能力或通信特性)是例如通信的作用范围R和立体角W，以及从接收天线15到天线24的场的相对位置的角范围W2，在该天线场中通信是可能的。
正如从图5中可以看出的，通信效率非常依赖于载频fr和接收频率f的一致，也就是说当二个固有频率f=fr一致时实现最佳耦合。随着f-fr差别的增加通信效率减小得非常利害，以致在百分之几的偏差情况下已经产生不足的通信效率KL。
二个天线频率f和fr的一致，也就是说实现识别媒体的一个固有频率f，其与写入和读出站WR的一个给出的发射频率fr相符，迄今由于不同的原因是几乎不可能的。
图6示出了固有频率f对天线耦合AK或者二个天线间隔依赖关系。此外，随着耦合AK的增加，例如10％，一个以前的识别媒体的固有频率f1下降得非常利害。与此相对，适合本发明的新天线的频率特性曲线f2示出了很小的下降，例如仅1至3％。也就是说通过按照曲线f2的稳定的新天线比通过按照曲线f1的不稳定以前的天线可以更好地实现例如±2％的允许公差范围。因此，通过该新天线实现了非常高的天线效率(R,W,W2)。
在具有识别媒体IM的通信内，在具有写入和读出站WR的天线24的场力线H并且具有一个可以获得的作用范围R和一个可能的立体角W的图7中说明这是可能的。附加地这还依赖于场H中的接收天线15的相对位置随着在天线法线和场向H之间的角W2的增加，通信效率减弱。根据该新的适合本发明的接收天线15实现较高的R、W、W2的值。
在下面的用于13.56MHz的载频比较例和用于一个以前的和一个新的识别媒体的ISO形式(参见图8)的识别媒体的比较例中说明这．因此，在耦合状态中实现固有频率f=fr，识别媒体的固有频率在无载状态中被调整到下面值以前的天线f1=16.5±1.5MHz新的天线f2=13.6±0.3MHz对于识别媒体的的固有频率f适合这个关系(2π·f)2·L·C=1。
以前的识别媒体C=Ci=16pFL=6μH圈数 N=5至6新识别媒体C=Ci+Ce=16pF+100至300pFL=1.2至0.5μH圈数 N=2至3按照图6中曲线f1以前的天线的耦合AK的强大依赖关系产生于耦合中的数据载体MI的内部电容Ci的强大依赖关系。
这个依赖关系随着相对较大的外部电容Ce降低得非常利害，其中该电容不依赖于在按照图6的曲线f2的新天线中的耦合AK。
因此，首先具有较高容量的稳定的外部电容Ce比内部电容Ci大几倍，例如大5至10倍。
因此，实现了识别媒体的振荡电路的非常高的品质因数Q=fr/B(振荡频率/带宽)。首先该品质因数至少为50。
在以前的识别媒体中，通过不同的影响引起天线频率f的非稳定性或者改变通过数据载体的内部电容Ci的改变，其除了耦合强度的已估计的依赖关系外，也通过环境影响、外加场、场中的导体、寄生电容和老化作用影响。此外，还出现内部电容Ci的高的损耗率(质量不好)以及Ci值的相对大的生产扩散。所有这些影响和Ci值的改变在以前的识别媒体中表明固有频率相应的改变。
在按照本发明天线中，通过具有较高容量、稳定性并且具有大部分准确定义的和可选择的电容值的外部电容Ce消除了这些影响，并且因此实现了相应稳定的、已定义的和可选择的频率f，正如已阐明的，这导致了高的通信效率KL。
根据按照本发明的方案，也实现了关于识别媒体的设计和生产的重要优点。因为，固有频率f是可非常准确定义的并且也是可以测量的，相应地可以非常准确地调谐固有频率到载频fr。固有频率f的所要求的额定值的调整是很准确并且简单可行，因为附加的外部电容Ce具有一个准确定义的和稳定的值，该值是可以任意选择。因此，也以简单的方式抵消了在集成电路的生产中Ci值的相对较大的扩散。此外例如对于仅一个天线模型(关于天环线圈的尺寸和数量)来说通过选择不同的外部电容值简单实现了识别根据的相应不同要求的固有频率f。
由于天线线圈N的数目必须是整数的，并且给出数据载体MI的内部电容Ci，对此，在以前的识别媒体中固有频率f的所要求的额定值的实现在生产中是非常难的并且是可能不准确的。
图3说明了用于编码通信的识别媒体的一个例子。数据载体MI首先形成为ASIC芯片16，这里包含一个用于存储接收能量并且用于消除发射间断的穿心电容器17、一个电压调节器3、一个脉冲处理器4，一个接收解调器5、一个发射解调器6和一个编码和通信逻辑7以及一个已说明的EEPROM存储器12，该存储器首先至少具有256字节。通过从写入和读出站WR到识别媒体IM的脉冲调制(Puls-Pausenmodulation)并且通过在从IM到WR的反方向中的加载调制可以实现在写入和读出站WR与识别媒体IM之间的有利的能量和数据传输。
具有访问和授权功能的如此的识别媒体对于不同的设备和使用或者对于不同的申请是已知的，例如作为一个公司(电子密钥)的确定范围和时间管理的进入措施，作为仪器例如数据设备的访问媒体，或者也作为用于获得功率的有效措施系统。因此，具有很高的传输效率和传输能力的按照本发明的识别媒体特别适合于关于功能可靠性和数据安全性、可监控性、防止滥用等等的高要求的应用。对此，在识别媒体IM与写入和读出站WR之间使用一个编码的通信，例如，当写入和读出站在每个识别过程中产生一个新的识别数据，并且将其发射到识别媒体IM时，该数据在哪与一个固定的存储的已译成密码的代码32(在图3中)逻辑连接，并且以编码的形式送回到写入和读出站，在哪译出并且检查该信息，接着在WR和IM之间进行一个同步通信。
此外，为了满足同步高的安全要求，这个识别媒体还能够与一个身份的编码功能组合。为此，可以使用例如PIN代码或者仿生的数据编码。例如从指纹或者手指、手和头的几何学确定身分的仿生数据，并且为了身分识别和证明一个授权载体的目的该仿生数据与相应的在数据载体MI中存储的代码33(图3)比较。
仅使识别媒体有较高的通信能力成为可能的另外非常重要的应用在于，数据载体MI的存储器12的数据结构，对此，在一个可分段的申请数据场ADF中可以使用多个互不依赖的申请。因此，由于按照本发明的识别媒体的较高的通信效率，在一定程度上实现了其许多倍的功能。
图4示出了具有接收天线的识别媒体的另外一个例子，该天线形成为具有二个环线圈15.1和15.2的双天线。这里，第一个天线环线圈15.1用于接收供给数据载体的电磁场能量20a，以及用于接收写入和读出站WR的数据20b。第二个天线环线圈15.2用于发射数据20b到写入和读出站WR。天线部分15.1和15.2适应于数据载体MI的内部电容Ci1和Ci2。如此确定并接于每个天线部分15.1和15.2的外部电容Ce1和Ce2，即二个天线环线圈的天线频率是相同的，并且在二个相同的分电感的情况下这意味着Ce1+Ci1=Ce2+Ci2。
图8a和b示出了作为特别常用尺寸的具有印刷电路板上导线26的ISO卡体格式28(85×54mm)的一个识别媒体，该导线用作天线15。对此，天线环线圈可以与外部电容Ce并且与载体29(嵌入物)上的数据载体MI成为一体，并且因此形成一个可特别合理生产的单元。例如一个陶瓷电容器可以用作外部电容Ce，该陶瓷电容器有非常简单的比如仅0.3至0.5mm厚的制造方法并且具有在MHz频率范围内的较高质量。
图9和10示出了小型(30)识别媒体的例子，其中，接收天线15的直径DA应当尽可能地完全利用随时可供使用的位置，因此天线的面积FA几乎与识别媒体的的全部面积一致。在以前的具有30mm和更少、例如仅10mm的天线直径的小型识别媒体中，实现完美的通信性能和高的作用范围是特别困难的。由于附加的外部电容Ce与天线15的相应减小的电感L的按照本发明的组合，与以前相比需要相应小的环线圈圈数，或者与以前小相比可以用较小的天线面积工作是可能的。因此，象用以前相对较大的ISO型式卡体一样，可以用象钥匙、钥匙链、纪念品等等的小的识别媒体实现大约相同的通信作用范围。因此可以开辟全新的应用。
图9示出了例子，在该例子中接收天线形成为具有一个棒形的铁氧体和一个电子线圈的磁性天线19。在这个例子中，在手表带36上有一个识别媒体。
图10的小型识别媒体表示一个垂饰品37，例如一个钥匙链。可是，该识别媒体也可以与一个钥匙组合，例如组合在钥匙柄上，或者以另外方式结合一个支架。一个非常小的识别媒体的例子形成例如环状，其在比赛过程中为了识别信鸽的目的可以固定在信鸽的脚下。
对于按照图9和10的小型的识别媒体，当天线环线圈的圈数相应地减小到例如少于一半时，在13.56MHz的载频fr情况下例如使用50-150pF的外部电容。
本发明的一个特别有益的改进在于，在发射方也以类似方式稳定载频fr，也就是说使写入和读出站WR的发射天线24不依赖于外界电容的影响。虽然载频fr本身已经比识别媒体的固有频率f更稳定，可是，通过载频fr的进一步稳定可以象在识别媒体中一样以相同的意义再次显著改善通信性能KL，并且特别提高了作用范围。
原则上载频fr遭受象已经说明的相同的影响通过环境中电容的改变，例如通过人体的接近和金属元件的接近，通过生产公差和电容的老化等等。载频fr的所希望的额定值的准确调整迄今要求一个复杂的调谐。
通过在发射天线24上也使用同在接收天线15中的相同原理，实现了这个稳定和改善。正如在图2中作为变量说明的，附加电容Cz并接于发射天线，并且该天线的电感相应地变小，因此发射天线24的积L·C保持不变。首先附加电容Cz更好地选择比涉及发射天线的基点的写入和读出站WR的已存在的等效电容(也就是说没有附加电容)大。附加电容可以有利地是存在的等效电容的2到5倍。
这个附加电容Cz包括一个具有可选择的准确定义的并且稳定的C值的标准元件。因此，除了复杂的单调谐外，可以以简单的方式连续生产载频fr的所希望的额定值。
一个特别有益的并且普遍可使用的发射天线24可以形成为片状天线，例如作为一个在塑料支架上的宽的线路的形式的天线环线圈(类似于图8的例子中的很小的天线15)。
作为例子用仅一个具有60cm的直径和25mm面宽(以适合的形式园的、椭圆的、矩形的等等)的线路环线圈可以实现直到1m和更多的作用范围R。使直到1m和更多的作用范围成为可能。
通过Cz值(作为串联分量)的简单选择可以直接调整每个所希望的载频fr，除了迄今必须的复杂的实验工作和调谐工作。
在本专利申请范围内使用了以下的标记3 电压调节器4 脉冲处理器5 接收解调器6 发射解调器7 编码和通信逻辑11 信息处理机12 存储器13 控制电子装置15 IM的接收天线15.1,15.2 双天线16 ASIC芯片17 穿心电容器19 磁性天线20 高频通信20a能量传输20b数据传输24 发射天线WR26 线路板上的线路28 ISO卡体29 支架，嵌入物30 小型32 编码33 身分仿生编码功能，36 手表带37 垂饰品IM 识别媒体MI 电子数据载体WR 读出站或者写入和读出站fr 载频，WR的系统脉冲f IM的频率Q=fr/B IM的品质因数H 场线方向KL 通信效率，通信能力，通信特性R 通信作用范围W 用于通信的立体角W2 场向H和天线法线之间的角DA 发射天线15的直径FA 天线15面积AK 天线耦合(间隔)Df 公差范围f-frN 线圈圈数L 电感Ce 外部电容Ci 内部电容Cz 24的附加电容ADF申请数据场
权利要求
1．具有无源的电子数据载体MI的高频识别媒体IM，其中该数据载体包含信息处理机(11)、控制电子装置(13)和存储器(12)，并且该高频识别媒体具有接收天线(15)，其用于接收运行能量(20a)并且用于一个所分配的写入和读出站WR上的高频信号(20)的无接触传输，其中该写入和读出站具有发射天线(24)，该高频识别媒体具有至少1MHz的载频fr，通过发射天线确定该载频，其特征在于，一个外部电容Ce与接收天线(15)并接，其中电容Ce大于数据载体MI的内部电容Ci。
2．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，通过写入和读出站WR的发射天线(24)确定载频fr，通过下面的关系式确定频率f以及识别媒体IM的接收天线(15)的外部电容Ce和电感L(2π·f)2·L·(Ci+Ce)=1，其中fr=f±3％。
3．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，数据载体MI具有一个用于存储接收能量的穿心电容器(17)、一个电压调节器(3)、一个脉冲处理器(4)、一个接收解调器(5)、一个发射解调器(6)、一个编码和通信逻辑(7)以及一个EEPROM存储器(12)。
4．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，数据载体形成为具有一个至少256字节的EEPROM存储器(12)的ASIC芯片(16)。
5．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，载频fr在1和30MHz之间，主要在5和20MHz之间。
6．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，载频fr相应于13.56MHz的ISM频带。
7．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，外部电容Ce至少5倍于数据载体MI内部电容Ci。
8．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，外部电容Ce在100pF和300pF之间。
9．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，IM谐振电路的品质因数Q=fr/B(谐振频率/带宽)至少为50。
10．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，外部电容Ce包括一个具有最高0.5mm厚的陶瓷电容器。
11．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，接收天线(15)形成为线路板上的线路(26)。
12．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，天线环线圈(15)相应于ISO卡体格式(28)。
13．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，天线环线圈(15)与外部电容Ce并且与支架(29)(嵌入物)上的数据载体MI集成为一体。
14．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，在小型的识别媒体(30)中接收天线(15)的直径为最高3cm。
15．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，接收天线通过一个中间抽头形成为具有各一个外部电容(Ce1,Ce2)的双天线(15.1,15.2)，其中使用了适合于接收能量(20a)与数据的天线环线圈和用于发射数据的另外的天线环线圈。
16．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，接收天线形成为具有一个棒形的铁氧体和一个电子线圈的磁性天线(19)。
17．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，通过脉冲调制进行从写入和读出站WR到识别媒体IM的数据传输，并且通过加载调制进行反方向的数据传输。
18．按照权利要求1的识别媒体，其特征在于，对写入和读出站WR与识别媒体IM之间的通信(20)进行编码(32)。
19．按照权利要求18的识别媒体，其特征在于，存储器(12)具有一个用于多个互不依赖的申请的可分段的申请数据场ADF。
20．按照权利要求18的识别媒体，其特征在于，数据载体MI包含一个象PIN代码或者仿生数据代码的附加身份编码功能(33)。
21．按照权利要求1的具有所分配的写入和读出站的识别媒体，其特征在于，写入和读出站WR具有一个发射天线(24)，其并联一个附加电容Cz。
22．按照权利要求21的识别媒体，其特征在于，附加电容Cz至少同涉及没有附加电容Cz的发射天线(24)的基点的写入和读出站WR的等效电容一样大。
23．按照权利要求21的识别媒体，其特征在于，附加电容Cz二至五倍于涉及没有附加电容Cz的发射天线(24)的基点的写入和读出站WR的等效电容
24．按照权利要求21的识别媒体，其特征在于，发射天线(24)形成为片状天线，并且主要具有仅一个天线环线圈。
全文摘要
高频识别媒体IM具有无源的电子数据载体MI,其中该数据载体包含信息处理机、控制电子装置和存储器,以及该高频识别媒体具有接收天线(15),其用于接收运行能量,并且用于一个所分配的写入和读出站WR上的高频信号(20)的无接触传输,其中该写入和读出站WR具有发射天线(24)。为了能够实现高的天线效率,通过发射天线确定的载频fr超过1MHz。一个外部电容与接收天线(15)并接,其中电容Ce大于数据载体MI的内部电容Ci,特别地甚至大了几倍。因此,特别是对于小的识别媒体实现了更好的识别媒体。
文档编号G06K7/00GK1226984SQ98800608
公开日1999年8月25日 申请日期1998年2月20日 优先权日1997年3月7日
发明者J·罗彻尔, A·吕迪叙利 申请人:卡巴闭锁系统公开股份有限公司