(57)【要約】【課題】基地局から送出される高周波電磁界から電力を調達する回路において、電磁界の遠方界でも十分な電圧供給が保証され、かつ近傍界ではコンポーネントの損傷や故障が回避されるよう電力消費が制限されるように構成する。【解決手段】２つの接続端子ＡＰ１，ＡＰ２を備えたアンテナＡＴと、このアンテナＡＴにより電磁界から取り出される電力を制限するため各接続端子ＡＰ１，ＡＰ２間にループ接続された離調ユニットＤＥとが設けられている。そしてこの離調ユニットＤＥは、アンテナＡＴに生じる電磁界の電磁界強度に依存してインピーダンスが変化するコンポーネントＤ１，Ｄ２，ＣＶを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
後方散乱ベースのトランスポンダのために、基地局から送出される高周波電磁界から電力を調達する回路において、
２つの接続端子（ＡＰ１，ＡＰ２）を備えたアンテナ（ＡＴ）と、
該アンテナ（ＡＴ）により電磁界から取り出される電力を制限するため前記の接続端子（ＡＰ１，ＡＰ２）間にループ接続された離調ユニット（ＤＥ）とが設けられていて、
該離調ユニット（ＤＥ）は、アンテナ（ＡＴ）に生じる電磁界の電磁界強度に依存してインピーダンスが変化するコンポーネント（Ｄ１，Ｄ２，ＣＶ）を有することを特徴とする回路。
【請求項２】
前記電磁界の周波数は３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚの範囲にあり、たとえば４００ＭＨｚ〜２４５０ＭＨｚの範囲にある、請求項１記載の回路。
【請求項３】
前記コンポーネント（Ｄ１，Ｄ２，ＣＶ）のインピーダンスの変化は実質的にインピーダンスの虚数部の変化により引き起こされる、請求項１または２記載の回路。
【請求項４】
前記コンポーネントはバラクタダイオード（Ｄ１，Ｄ２，ＣＶ）である、請求項１から３のいずれか１項記載の回路。
【請求項５】
前記離調ユニット（ＤＥ）には、逆並列に接続されたとえば高いＱをもつ２つのバラクタダイオード（Ｄ１，Ｄ２）が含まれている、請求項１から４のいずれか１項記載の回路。
【請求項６】
前記離調ユニット（ＤＥ）には、バラクタ（ＣＶ）を電磁界強度に依存して制御するために設けられたバラクタ制御手段（ＶＳ）が含まれている、請求項４または５記載の回路。
【請求項７】
前記離調ユニット（ＤＥ）は、前記接続端子（ＡＰ１，ＡＰ２）の間に直列にループ接続された第１のコンデンサ（Ｃ１）とバラクタ（ＣＶ）と第２のコンデンサ（Ｃ２）と、前記バラクタ（ＣＶ）のために電磁界強度に依存する制御電圧（ＵＳ）を供給するバラクタ制御手段（ＶＳ）とを有している、請求項６記載の回路。
【請求項８】
前記アンテナ（ＡＴ）の接続端子（ＡＰ１，ＡＰ２）に接続された整流器（ＧＬ）の出力側に電圧制限回路（ＳＢ）が結合されている、請求項１から７のいずれか１項記載の回路。
【請求項９】
トランスポンダ（ＴＲ、ＴＲ１）たとえば受動形のトランスポンダに組み込まれている、請求項１から８のいずれか１項記載の回路。
【請求項１０】
前記トランスポンダ（ＴＲ、ＴＲ１）は基地局へのデータ伝送のための変調装置（ＭＥ，ＭＥ１）を有しており、該変調装置（ＭＥ，ＭＥ１）はアンテナが受信した電磁波を伝送すべきデータに依存して変調する、請求項９記載の回路。
【請求項１１】
前記変調装置（ＭＥ，ＭＥ１）は位相シフトキーイング変調のために構成されている、請求項１０記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、後方散乱ベースのトランスポンダたとえば受動形のトランスポンダのために、基地局から送出される高周波電磁界から電力を調達する回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の形式の回路はたとえば無接触形認識システム（ＲＦＩＤシステム）におけるトランスポンダやリモートセンサのために使用され、その目的は識別情報またはセンサ情報を無接触でトランスポンダまたはセンサから基地局または読み取りステーションへ伝送することである。以下でトランスポンダについて言及するときには、リモートセンサのこともいっしょに含むものとする。
【０００３】
トランスポンダまたはその送受信装置は通常、基地局へのデータ伝送のために能動的な送信機を利用できない。このような能動的でないシステムのことを、そのシステムが固有のエネルギー供給源をもっていなければ受動形システムと称し、固有のエネルギー供給源をもっていれば半受動形システムないしはセミパッシブシステムと称するが、このようなシステムにおいては、基地局の遠方界においてＵＨＦまたはマイクロ波と共働してデータ伝送を行うために通常、いわゆる後方散乱結合が用いられる。この目的で基地局から電磁波が送出され、この電磁波は基地局へ伝送すべきデータに応じてトランスポンダの送受信装置により何らかの変調方式で変調され反射される。このことは一般に送受信装置のインピーダンス変化によって行われ、このようにインピーダンスが変化することにより送受信装置に接続されたアンテナに作用が及ぼされる。
【０００４】
殊に受動形トランスポンダにおける伝送到達距離に対する要求は絶えず増大している。受動形トランスポンダにおいて高い伝送到達距離を実現するため、アンテナもしくはアンテナに接続された回路を整合させて設計する必要があり、また、アンテナが受信した交流信号を受け取る整流器は、最小電圧であっても十分な動作電圧に変換できなければならない。とはいえこのように感度が高いと、基地局の近傍界においてそこに生じている高いフィールド強度に起因して整流器あるいはその他の回路部分が損傷してしまうおそれがある。たとえば整流器が近傍界において過度に高い電圧を発生させると、その電圧は整流器の出力側において電圧調整器により制限されるが、このときに電圧調整器の構成次第ではこの調整器が整流器において電流の流れを増大させる可能性があり、そのような電流は整流器の最大出力を上まわり、それによって整流器が損傷してしまうおそれがある。
【０００５】
アンテナから近傍界において取り出される電力を制限するために、アンテナに接続された入力回路についていわゆる離調 detuning が行われる。このような不整合により反射電力成分が増大し、その結果、吸収電力成分が減衰する。
【０００６】
慣用のシステムの場合にはこのことは離調ユニットによって処理され、このユニットは振幅シフトキーイング（ＡＳＫ）を行う変調器を使用し、不整合のためアンテナに接続された回路部つまり入力部の入力インピーダンスの実数部を変化させる。この目的でＡＳＫ変調器は入力部に配置されるかまたは付加的な負荷抵抗として整流器出力側に配置される。このような回路構成はたとえばEP 1 211 635 A2 により知られている。しかしこのことは、入力インピーダンスにおいて虚数部よりも実数部の方が大きいことを前提とする。ＡＳＫ変調器はこの場合、ＡＳＫ変調制御信号に加えて離調ユニット内に配置されたコントローラにより制御され、このコントローラはアンテナを通して給電される電力に依存してＡＳＫ変調器の動作点を調整することにより適切な不整合を生じさせる。トランスポンダと基地局との間のデータ伝送に位相シフトキーイング（ＰＳＫ）変調が用いられるならば、このことは入力インピーダンスにおいて虚数部よりも実数部の方が小さいことを前提とする。したがって実数部を変化させることにより不整合を調整するためには、たとえばトランジスタなどのような回路手段を用いて入力部または整流器の出力側に低インピーダンスの経路を作り出す必要がある。このような低インピーダンスの回路手段は通常、比較的大きい寄生性を有しており、これによって通常動作中にそれ相応の損失が引き起こされ、これによって伝送到達距離が小さくなってしまう。このためデータ伝送のためには一般にＰＳＫ変調を、入力インピーダンスの実数部の変更すなわちＡＳＫ変調に基づく離調ユニットと組み合わせることはできない。
【０００７】
DE 196 29 291 A1 から、逆並列に接続された２つのダイオードを静電放電（Electrostatic-Discharge, ESD）保護のためにトランスポンダの入力回路に配置することが知られている。この場合、たとえばＥＳＤ妨害に起因して入力電圧がダイオード閾値電圧を超えると、これらのダイオードが導通状態になる。フィールド強度に依存する電力整合は行われない。
【特許文献１】EP 1 211 635 A2
【特許文献２】DE 196 29 291 A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の回路において、電磁界の遠方界でも十分な電圧供給が保証され、かつ近傍界ではコンポーネントの損傷や故障が回避されるよう電力消費が制限されるように構成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によればこの課題は、２つの接続端子を備えたアンテナと、該アンテナにより電磁界から取り出される電力を制限するため前記の接続端子間にループ接続された離調ユニットとが設けられていて、該離調ユニットは、アンテナに生じる電磁界のフィールド強度に依存してインピーダンスが変化するコンポーネントを有することにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の回路によれば離調ユニットは、アンテナのところに生じる電磁界のフィールド強度に依存してインピーダンスが変化するコンポーネントを有している。これによりたとえば、中程度のおよび弱いフィールド強度のときにはコンポーネントのインピーダンスを、電力の整合された動作を実現するトランスポンダの入力インピーダンスがアンテナ接続端子のところで生じるよう選定することができる。基地局の遠方界におけるフィールド強度の変化つまりはインピーダンスの変化は比較的わずかであり、それゆえそこでは全領域にわたりほぼ電力が整合されている。基地局の近傍界においてアンテナのところに生じるフィールド強度が著しく高まると、コンポーネントのインピーダンスが大きく変化し、その結果としてアンテナに接続された回路部の入力インピーダンスも大きく変化する。これによりアンテナの強い不整合を生じさせることができ、したがって電磁界から取り出される電力を著しく低減することができる。このようにして整流器などそこに接続されている回路部品に過大な電力が供給されてしまうことが回避される。遠方界ではアンテナは整合された状態で稼働され、そこに接続されている回路部品は電磁界から取り出し可能な電力を最大限に利用できる。
【００１１】
このような不整合の実現によれば、それによって達成可能な入力インピーダンスの実数部と虚数部の著しい変化に基づき、入力電力に依存してＡＳＫベースの離調ユニットよりも著しく効果的な電力低減を入力電力上昇時に行うことができる。その理由は、この場合にはＡＳＫベースの離調ユニットとは異なり入力インピーダンスの実数部も虚数部も変化するからである。ＡＳＫにおいて使用される変調器もしくは負荷抵抗は、入力部に配置したときには寄生特性により入力部の効率に悪影響を及ぼし、整流器の出力側に配置したときには遠方界特性の劣化を引き起こすものであるが、これを省くことができる。給電電力に応じて適切な不整合を設定するＡＳＫ変調器制御用の調整器も不要となる。全体としてこれによりいっそう簡単な設計が得られ、チップ面積が節約され、コストが低減され、さらに動作の安全性が著しく高まる。
【００１２】
請求項２記載の回路の実施形態によれば電磁界の周波数は３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚの範囲であり、たとえば４００ＭＨｚ〜２４５０ＭＨｚの範囲である。この周波数範囲であれば、フィールド強度に依存してインピーダンスを十分に変化させる慣用のコンポーネントが存在する。
【００１３】
請求項３記載の回路の実施形態によれば、コンポーネントのインピーダンスにおける変化は実質的にインピーダンスの虚数部の変化により引き起こされる。
【００１４】
請求項４記載の回路の実施形態によればコンポーネントはバラクタであり、たとえば高いＱをもつバラクタである。バラクタは、電圧に依存する容量をもち簡単に実現可能なもしくは簡単に集積可能なコンポーネントである。高いＱすなわち僅かな抵抗成分により、コンポーネントによって引き起こされる電力損失が最小化される。
【００１５】
請求項５記載の回路の実施形態によれば離調ユニットには２つのバラクタダイオードが含まれており、たとえば高いＱをもつ２つのバラクタダイオードが含まれており、これらは互いに逆並列に結線されている。このような結線を用いることで付加的に静電放電（ＥＳＤ）保護も実現される。
【００１６】
請求項６記載の回路の実施形態によれば離調ユニットにはバラクタ制御手段が含まれており、これはバラクタをフィールド強度に依存して制御するために設けられている。有利には請求項７記載の離調ユニットには第１のコンデンサとバラクタと第２のコンデンサが含まれており、これらはアンテナの接続端子間に直列にループ接続されている。この場合、バラクタに対しフィールド強度に依存する制御電圧を供給するためにバラクタ制御手段が設けられている。
【００１７】
請求項８記載の回路の実施形態によれば、アンテナの接続端子に接続された整流器の出力側に電圧制限回路が結合されている。この電圧制限回路はたとえば直列接続されたダイオードとして設けられていて、過電圧保護に対する付加的な保護手段を成しており、これによって動作の安全性と損傷からの保護性能が高められる。
【００１８】
請求項９記載の本発明の実施形態によれば、回路はトランスポンダ内に組み込まれる。有利にはトランスポンダは受動的であり、つまり固有のエネルギー供給源は設けられていない。
【００１９】
請求項１０記載の回路の実施形態によればトランスポンダはデータ伝送のための変調装置を有しており、この変調装置はアンテナにより受信された電磁波を伝送すべきデータに依存して変調する。有利には請求項１１記載の変調装置は位相シフトキーイング変調を行うように構成されている。入力インピーダンスの実数部は位相シフトキーイングの場合には振幅シフトキーイングの場合よりも著しく小さく、つまりＡＳＫ変調の場合のようなＡＳＫ変調器の動作点制御による慣用の離調は、この場合にはそのままでは不可能である。もちろん、本発明による回路を慣用のＡＳＫ変調と組み合わせることもできる。
【００２０】
次に、図面を参照しながら本発明の有利な実施形態について説明する。
【実施例】
【００２１】
図１には電磁界から電力を調達するための回路のブロック図が示されており、これは受動形トランスポンダＴＲに組み込まれる。
【００２２】
図示されている回路には、接続端子ＡＰ１，ＡＰ２を備えたアンテナＡＴと、これらの接続端子ＡＰ１とＡＰ２の間にループ接続された離調ユニットＤＥと、変調装置ＭＥと整流器ＧＬと電圧制限器ＳＢとが設けられている。この場合、離調ユニットＤＥは、同一の特性量の高いＱをもち逆並列接続された２つのバラクタダイオードＤ１，Ｄ２として構成されている。
【００２３】
アンテナＡＴは受動形トランスポンダＴＲを給電するため、図示されていない基地局により放射される電磁界から電力を取り出す。遠方界において電磁界から十分に電力を供給できるようにする目的で、接続端子ＡＰ１，ＡＰ２双方の間におけるトランスポンダの入力インピーダンスＺＥは、電力整合が行われるように選定されている。このための条件は、アンテナインピーダンスの虚数部が絶対値でみてトランスポンダの入力インピーダンスＺＥの虚数部と等しく、かつアンテナインピーダンスの実数部がトランスポンダの入力インピーダンスＺＥの実数部と等しいことである。この場合、バラクタダイオードＤ１，Ｄ２は、遠方界で適切な入力インピーダンスＺＥが生じるように選定されている。
【００２４】
逆並列接続された両方のバラクタダイオードＤ１，Ｄ２は、ここではアンテナＡＴにおける端子ＡＰ１，ＡＰ２の間でダイレクトにループ接続されているが、アンテナ入力回路の他の個所にループ接続してもよい。
【００２５】
アンテナのところに発生するフィールド強度ないしは電界強度が基地局の近傍界において強く増大すると、バラクタダイオードＤ１，Ｄ２の容量つまりはインピーダンスの虚数部が強く変化し、このことでたとえばトランスポンダの入力インピーダンスＺＥの虚数部が強く変化する。その結果、アンテナの不整合が引き起こされ、これによって電磁界から取り出される電力が減少する。このような作用はバラクタダイオードＤ１，Ｄ２の高周波特性に基づくものであり、これらのダイオードは利用される周波数範囲内では、所定の閾値電圧を超えると導通する慣用のダイオードとしてはもはや働かない。
【００２６】
これと同時にバラクタダイオードＤ１，Ｄ２は、ＥＳＤにより引き起こされる妨害電圧を逃がすためのＥＳＤ保護手段としての役割も果たす。なぜならばバラクタダイオードＤ１，Ｄ２は、妨害のない動作中に入力回路に電圧が発生しても導通状態にはならないからである。ＥＳＤ妨害耐性を最適化するためには、バラクタダイオードＤ１，Ｄ２に関して対称なレイアウトを選択するのがよい。
【００２７】
図２のダイアグラムには、図１の回路における入力インピーダンスの実数部と虚数部がフィールド強度に依存して示されている。この図からわかるように、入力インピーダンスの虚数部はフィールド強度が所定の値を超えると減少するのに対し実数部は増加し、そのあとほぼ一定に保たれる。入力インピーダンスＺＥの実数部と虚数部のこのような変化により、フィールド強度が上昇するときにＡＳＫベースの離調ユニットよりも著しく効果的な電力低減が引き起こされる。なぜならばこの場合には慣用の離調ユニットとは異なり入力インピーダンスＺＥの実数部も虚数部も変化するからである。とはいえ不整合に決定的な役割を果たすのは虚数部であり、その理由は虚数部は実数部よりも著しく大きく変化するからである。
【００２８】
離調ユニットＤＥの出力側において端子ＡＰ１とＡＰ２の間に変調装置ＭＥがループ接続されており、基地局へのデータ伝送のために入力信号から位相変調された出力信号を生成し、この出力信号はアンテナＡＴから後方散乱信号として放射され、基地局により受信される。
【００２９】
さらに変調装置ＭＥの出力側において端子ＡＰ１とＡＰ２の間に整流器ＧＬがループ接続されており、これはトランスポンダの電圧給電のために用いられる。整流器ＧＬの出力電圧は電圧制限器ＳＢにより制限され、これはダイオードの直列接続により実現することができる。
【００３０】
図３には、電磁界から電力を調達するための回路の代案が示されており、これも受動形トランスポンダＴＲ１に組み込まれる。
【００３１】
図示されている回路には、図１のところで説明した同じ参照符号の付された素子のほか、代替構成となる離調ユニットＤＥ１が含まれている。このユニットには第１のコンデンサＣ１とバラクタＣＶと第２のコンデンサＣ２が含まれており、これらは接続端子ＡＰ１とＡＰ２の間に直列にループ接続されている。
【００３２】
離調ユニットＤＥ１にはさらにＰＳＫ変調装置ＭＥ１が含まれており、これは基地局へのデータ伝送のため入力信号から位相変調された出力信号を生成し、アンテナＡ１から後方散乱信号として放射され、基地局により受信される。入力インピーダンスＺＥを変えて様々な位相状態を生成するため、変調装置ＭＥ１には可制御電圧源のかたちをとるバラクタ制御手段ＶＳが含まれており、この手段により伝送すべきデータに依存してバラクタの容量を変化させるためバラクタに制御電圧ＵＳが加えられる。
【００３３】
この種の変調方式の実施に適した装置はたとえば本出願人による先願のドイツ連邦共和国特許出願 10158442.3 に記載されており、これを本発明の参考文献とする。
【００３４】
データ伝送に加えてバラクタ制御手段は、バラクタＣＶをフィールド強度に依存して制御するために用いられる。アンテナＡＴにおけるフィールド強度に関するフィールド強度情報Ｓは、そのためにフィールド強度を適切に検出する図示されていない検出制御ユニットから変調装置ＭＥ１へ供給され、変調装置ＭＥ１はその情報に依存してＰＳＫ変調器の動作点を調整することにより適切な不整合を生じさせる。図１に示した回路とは異なりこの場合、バラクタ容量はフィールド強度に依存して自動的に設定されるのではなく、検出されたフィールド強度に依存してバラクタ制御手段ＶＳにより設定される。
【００３５】
図示の実施例では変調装置ＭＥ１は離調ユニットＤＥ１に組み込まれているが、このユニットとは別個に実装してもよい。
【００３６】
図示の回路によれば、基地局から送出される電磁波の近傍界および遠方界において損傷のない安全なトランスポンダの動作が可能となり、その際、トランスポンダにおいて用いられるＰＳＫ変調に基づき高い伝送到達距離と障害に対する高い安全性を実現することができる。
【００３７】
なお、図示されているトランスポンダの代わりに、ワイヤレスで電力の給電される他のコンポーネントにも本発明を組み込むことができ、たとえばリモートセンサなどにも組み込むことができる。
【００３８】
さらにこの場合、本発明にはセミパッシブないしは半受動形の適用事例も含まれ、それによればコンポーネントに必要とされる電力の一部分だけがワイヤレスでアンテナを介して供給される一方、残りの所要電力は別のやり方でカバーされる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】受動形トランスポンダＴＲに組み込まれており電磁界から電力を調達する回路のブロック図である。
【図２】図１の回路における入力インピーダンスの実数部と虚数部を入力電力に依存して示すダイアグラムである。
【図３】受動形トランスポンダＴＲに組み込まれており電磁界から電力を供給する回路のブロック図であり、ここでは電磁界強度に依存してバラクタを制御するために用いられるバラクタ制御手段が設けられている。
【符号の説明】
【００４０】
ＴＲ  トランスポンダ
ＡＴ  アンテナ
ＡＰ１，ＡＰ２  接続端子 
ＤＥ  離調ユニット
ＭＥ  変調装置
ＧＬ  整流器
ＳＢ  電圧制限回路
【図１】
2004222285.tif 000003
【図２】
2004222285.tif 000004
【図３】
2004222285.tif 000005