-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Nahfeld-Funkkommunikation mit einer Funkkommunikationseinheit und einer Sendeantenne, die mit der Funkkommunikationseinheit verbunden ist, und mit einer Detektionseinheit.
-
Derartige Schaltungsanordnungen werden zur Erkennung von Objekten eingesetzt, die sich in der Nähe eines Wireless-Charging-Transmitters oder einer Nahfeld-Kommunikationseinrichtung befinden, wobei die Erkennung mittels eines NFC-Controllers (Nahfeldkommunikation = „Near Field Communication“) und eines weiteren Mikrocontrollers geschieht. Die Erfindung ist nicht auf Geräte zur drahtlosen Energieübertragung beschränkt, sondern für alle Geräte anwendbar, die eine Nahfeld-Kommunikationseinrichtung enthalten.
-
Nachfolgend werden die Begriffe Transmitter und Receiver sowohl für die drahtlose Energieübertragung als auch für die Nahfeldkommunikation benutzt, obwohl dafür unterschiedliche Schaltungsteile verantwortlich sind. Zudem ähneln sich die Techniken zur Energieübertragung und zur Kommunikation sehr stark. Um eindeutig unterscheiden zu können, welches Verfahren in der Beschreibung gemeint ist, werden nachfolgend die Begriffe WC-Transmitter und WC-Receiver für die Energieübertragung (Wireless Charging) und NFC-Transmitter und NFC-Receiver für die Nahfeldkommunikation benutzt.
-
Die drahtlose Energieübertragung zwischen einem Sendegerät (WC-Transmitter) und einem mobilen Empfangsgerät (WC-Receiver) geschieht typischerweise über zwei über ein magnetisches Wechselfeld gekoppelte Spulen. Die elektrische Energie wird im WC-Transmitter mit Hilfe einer Spule in magnetische Energie überführt, und die magnetische Energie wird dann in einer zweiten sich in räumlicher Nähe zur ersten befindlichen Spule wieder in elektrische Energie gewandelt. Dabei durchlaufen die Feldlinien des von der ersten Spule erzeugten magnetischen Feldes im Wesentlichen beide Spulen. Da die Koppelwirkung zwischen den beiden Spulen nicht vollständig ist, wirkt ein Teil des magnetischen Feldes auch in der Umgebung außerhalb der beiden Spulen. In dem Fall, dass in der Empfängerspule die induzierte Spannung zur Energiespeisung einer Last, z. B. zur Ladung einer Batterie, benutzt wird, entsteht ein Stromfluss in der Empfangsspule, der ebenfalls ein magnetisches Feld bewirkt, das dem von der Sendespule erzeugten Feld entgegengerichtet ist (Trafoprinzip). Dadurch, dass nun das resultierende magnetische Feld kleiner geworden ist, ist auch das magnetische Feld außerhalb der Spulenanordnung geringer. Als Resultat ist das magnetische Feld in der Spulenanordnung und außerhalb höher, wenn die Empfangsspule keinen Energietransport initiiert.
-
Zur Kommunikation zwischen WC-Receiver und WC-Transmitter muss der Transmitter nach dem Qi-Standard zuerst ein magnetisches Wechselfeld anlegen, das vom Receiver detektiert und unterschiedlich belastet wird. Durch die unterschiedliche zeitliche Belastung werden bit-weise Informationen an den WC-Transmitter übertragen und dort dekodiert. Damit kann der Transmitter feststellen, ob sich ein kompatibles Gerät in der Nähe der Sendespule befindet und Energie empfangen kann. Um ein kompatibles Gerät, das in die Nähe der Sendespule gebracht wird, möglichst schnell zu erkennen, erzeugt der WC-Transmitter zyklisch für eine bestimmte Zeit ein Magnetfeld und versucht, eine Antwort zu dekodieren. Konnte keine Antwort empfangen werden, wird das Magnetfeld wieder abgebaut und der Vorgang nach einer definierten Pausenzeit wiederholt. Dieses Abfrageverfahren nach der Kompatibilität ist im Qi-Standard vorgegeben und dort als digitales Ping bezeichnet. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass zyklisch Energie verbraucht wird, um das Vorhandensein eines WC-Receivers abzufragen, und dass zyklisch ein magnetisches Feld erzeugt wird, das auch außerhalb des Sendespulenbereiches eine beträchtliche Stärke hat und durch die dauerhafte Belastung möglicherweise sich in der Nähe befindliches menschliches Gewebe schädigt. Nationale und internationale Normen sehen hier einen Grenzwert vor, der durch dieses Verfahren überschritten werden könnte.
-
Weiterhin könnten aber auch gegen Magnetfelder empfindliche Geräte durch die zyklische Energiezufuhr geschädigt werden, wie das z. B. bei Kreditkarten, Chipkarten, Magnetstreifenkarten o.ä. der Fall sein könnte.
-
Ein anderes Verfahren ist die Detektion eines Objektes, das in die Nähe der Sendespule gebracht wird, durch kapazitive oder induktive oder optische Näherungssensoren. Hierbei beginnt erst die zyklische Energiezufuhr, nachdem erkannt wurde, dass sich ein Objekt in der Nähe der Sendespule befindet. Die Qi-Spezifikation macht auch einen Vorschlag, die Verstimmung der Resonanzfrequenz zu nutzen, um ein Gerät in der Nähe zu erkennen. Dieses Verfahren ist dort als analoges Ping bezeichnet und führt der Sendespule ein kurzes Hochfrequenzsignal in Resonanzfrequenz der Sendespule ohne einen Empfänger mit niedriger Energie zu. Befindet sich kein Objekt, das die Resonanzfrequenz verstimmt, in Nähe der Sendespule, hat die Spannung an der Sendespule ihren Nominalwert für die Resonanzfrequenz. Ist die Resonanzfrequenz durch magnetisches Material, wie es bei einem Qi-Receiver immer der Fall ist, verstimmt, so hat auch die Spannung an der Sendespule einen anderen Wert, was von einem Mikrocontroller detektiert wird. Danach erfolgt erst die Phase des digitalen Pings. Die Messung durch das Testsignal ist energetisch so gering, dass der Empfänger dadurch nicht aufgeweckt wird, und auch nicht mit der Lastmodulation des Sendesignals beginnt. Da durch dieses analoge Ping oder die Näherungssensoren nicht erkannt wird, ob es sich um ein kompatibles Gerät für den Empfang von Energie oder um ein Fremdobjekt handelt, besteht weiterhin die Gefahr, dass das Objekt durch die zyklische Energiezufuhr des nachfolgenden digitalen Pings beschädigt wird. Weiterhin könnten auch in diesem Fall Grenzwerte für das zulässige Magnetfeld überschritten werden.
-
Da zunehmend zusätzlich zur Energieübertragung zwischen der Ladestation und dem mobilen Gerät eine Nahfeldkommunikation gefordert wird, kann die Objekterkennung mit den Elementen der Nahfeldkommunikation kombiniert werden. Insbesondere die Antenne für die Nahfeldkommunikation kann hierbei benutzt werden. Eine bekannte Methode der Objekterkennung prüft zuerst, ob ein Objekt erkannt wird, dann wird geprüft, ob es sich um eine kompatible Karte mit Nahfeldkommunikation, z. B. Kreditkarte oder Zutrittskarte, handelt, und erst wenn sichergestellt ist, dass es sich nicht um eine solche Karte handelt, wird die Kompatibilität der Energieübertragung geprüft (digitales Ping). Dadurch wird sichergestellt, dass eine Nahfeldkommunikationskarte nicht durch einen Energieimpuls zerstört wird. Der Nachteil der Überschreitung von nationalen oder internationalen Grenzwerten für das magnetische Feld besteht aber weiterhin durch die laufende Abfrage nach einem Objekt. Insbesondere in China gilt ein sehr niedriger Grenzwert für die Störaussendung innerhalb von Elektrofahrzeugen.
-
Eine weitere Methode zur Objekterkennung nutzt die Eigenschaft, dass eine Verstimmung der Nahfeldantenne durch ein sich in der Nähe befindliches Objekt gemessen wird. Durch eine Annäherung eines kapazitiv oder induktiv wirksamen Materials an die NFC-Antenne wird sie in ihren elektrischen Eigenschaften verstimmt, wobei sich die Verstimmung in einer im Vergleich zur nicht verstimmten Antenne unterschiedlichen Spannung an der NFC-Sendeantenne auswirkt.
-
Die Nahfeldkommunikation zu passiven NFC-Receivern, also eines NFC-Receivers ohne eigene Stromversorgung z. B. durch eine Batterie, geschieht dadurch, dass der NFC-Controller über seinen Sendeverstärker ein Hochfrequenzsignal der Arbeitsfrequenz aussendet und die Receiverschaltung bitweise die Empfangsantenne mit einer Last belastet oder bitweise die Resonanzfrequenz verstimmt, wobei diese Belastungen oder Verstimmungen an der Sendeantenne der NFC-Schaltung durch die Rückwirkung als Spannungsänderungen messbar sind. Befindet sich der NFC-Receiver weit entfernt von der NFC-Sendeantenne, z. B. 3 cm, sind die Änderungen relativ klein. Ein NFC-Receiver, der sich unmittelbar an der Sendeantenne befindet, verursacht dagegen größere Spannungsschwankungen an der Sendeantenne. Typische NFC-Sendeschaltkreise detektieren die Spannungsschwankungen nicht direkt an der Antenne, sondern die Spannung am Ausgang des Leistungsverstärkers oder es wird die Spannung nach dem ersten Filter auf den Schaltkreis zurückgeführt. An dieser Stelle sind die Spannungsschwankungen noch geringer als direkt an der Antenne. Daher muss der Sendeverstärker eine relativ hohe Leistung abgeben, damit die Schwankungen am ersten Filter noch erkannt werden können. Um die Spannungsschwankungen in einem definierten Bereich zu halten, kann der NFC-Transmitter die Leistung der von der Sendeantenne abgestrahlten Hochfrequenz regeln, was bedeutet, dass bei Nichtvorhandensein eines NFC-Receivers die Leistung auf ein Maximum erhöht wird, um sicherzustellen, dass ein Receiver in weitest möglichem Abstand noch erkannt werden kann. Damit ein NFC-Receiver bei Annäherung an die Sendeantenne mit möglichst wenig Zeitverzögerung erkannt wird, muss der Transmitter in kurzem Abstand, z. B. mehrere Male pro Sekunde, immer wieder Hochfrequenzsignale aussenden, um zu detektieren, ob sich ein Receiver in der Nähe befindet. Durch die hohe Energie und die kurzen Abstände der Testsignale entsteht eine Umweltbelastung durch magnetische und elektromagnetische Felder, die gesetzlich vorgegebene Grenzwerte überschreiten könnten.
-
US 2012/0214411 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Detektion der Anwesenheit eines NFC-Tags durch Anlegen eines magnetischen Feldes und Erkennung einer Feldänderung durch Belastung des magnetischen Feldes durch die Empfangsspule eines NFC-Tags. Falls eine Änderung des magnetischen Feldes erkannt wurde, erfolgt eine Abfrage durch Kommunikation mit höherer Leistung. Eine Erkennung eines Gegenstands, der keinem NFC-Tag entspricht, ist dort nicht vorgesehen.
-
US 9,281,706 B2 beschreibt ein drahtloses Ladesystem für Geräte, die zur Nahfeldkommunikation (NFC) geeignet sind und durch die Ladeenergie beschädigt werden könnten. Zum Schutz von solchen NFC-Tags wird die Präsenz und Eigenschaften von in der Nähe befindlichen NFC-Tags durch Kommunikation mit den Tags abgefragt und eine hohe Sendeenergie zum drahtlosen Laden nur dann verwendet, wenn vom Empfänger die Eignung für die hohe Sendeenergie bestätigt wurde.
-
EP 3 664 253 A1 offenbart ein Gerät und Verfahren zur drahtlosen Leistungsübertragung für das induktive Laden von Geräten beispielsweise nach dem Qi-Standard. Zur Detektion von NFC-Empfängern ist eine zusätzliche NFC-Leseeinheit in dem Ladegerät vorhanden, so dass die Objektdetektion nicht ausschließlich durch Erkennung einer Resonanzverschiebung des Ladesignals der Qi-Sendespule erfolgen muss.
-
US 2021/0376882 A1 offenbart ein Gerät und Verfahren zum drahtlosen induktiven Laden von Geräten, bei dem zunächst die Anwesenheit eines Gerätes in der Nähe der Sendespule mit einem digitalen Ping abgefragt wird. Wenn ein NFC-Tag erkannt wurde, wird in einer Identifikations- und Konfigurations-Phase die maximal zulässige Ladeleistung abgestimmt, um eine Überlastung des NFC-Tags beim drahtlosen Laden zu verhindern.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Schaltungsanordnung zu schaffen, die sowohl die Ausgangsleistung begrenzt, als auch die Erkennung bei niedriger Ausgangsleistung gewährleistet.
-
Die Aufgabe wird mit der Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Es wird vorgeschlagen, dass die Detektionseinheit mit der Sendeantenne zum direkten Abgriff der Antennenspannung verbunden ist und die Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Sendeleistung der Sendeantenne in einer Detektionsphase, in der eine Detektion der Anwesenheit eines Objektes in der Nähe der Sendeantenne durch Aussendung eines Hochfrequenzsignals mit der Sendeantenne und Messen und Auswerten der Antennenspannung mit der Detektionseinheit erfolgt, und zur Nahfeldkommunikation mit einem detektierten Objekt in einer Erkennungsphase mit einer größeren Sendeleistung als in der Detektionsphase zur Erkennung, ob sich das Objekt zur Nahfeld-Funkkommunikation eignet, eingerichtet ist.
-
Für die Detektion wird die höhere Spannung an der Sendeantenne direkt abgegriffen und nicht die vor einer Anpassungsschaltung der Sendeantenne vorgelagerte Leistung (z. B. als Strom und/oder Spannungswert). Damit kann die Abfrage bei der Detektion mit deutlich verringerter Leistung erfolgen, um dennoch ein auswertbares Signal zu erhalten.
-
Zusätzlich kann die Schaltungsanordnung zur Messung und Auswertung des Signals der Sendeantenne mit der an der Sendeantenne angeschlossenen Funkkommunikationseinheit ausgebildet sein. Damit erfolgt die weitere Kommunikation und Regelung nach der Detektionsphase wie herkömmlich mit der Funkkommunikationseinheit, wobei dann ggf. eine höhere Leistung verwendet werden kann, als in der Detektionsphase. Dies kann davon abhängen, ob ein empfindliches Objekt in der Nähe der Sendespule detektiert wurde oder nicht.
-
Zusätzlich zur Rückführung der Spannung am ersten Filter in den NFC-Sendeschaltkreis kann auch das Signal direkt an der Sendeantenne, das wesentlich höher ist, auf einen Eingang eines weiteren Mikrocontrollers oder auf einen separaten Eingang des die Funktionalität der Detektionseinheit und Funkkommunikationseinheit implementierenden Mikrocontrollers geführt werden.
-
Unter einem Mikrocontroller im Sinne der vorliegenden Erfindung wird jede geeignete Signaldatenverarbeitungseinheit verstanden, die programmierbar bzw. hardcodiert ist. Dazu zählen auch Field-Programmable-Gate-Arrays FPGAs, Mikroprozessoren und dergl.
-
Die Funkkommunikationseinheit kann einen Sendesignalverstärker, ein nachfolgendes Filter und eine nachfolgende Anpassschaltung haben, die mit der Sendeantenne verbunden ist. Die Funkkommunikationseinheit kann bei einer solchen Ausgestaltung zur Messung und Auswertung der Signalspannung am Eingang der Anpassschaltung an der Verbindung zwischen Filter und Anpassschaltung eingerichtet sein. Damit greift die Detektionseinheit auf die höhere Spannung der Sendeantenne zurück, während die Funkkommunikationseinheit die Leistung am Eingang der Anpassschaltung abgreift und auswertet. Dies hat den Vorteil, dass im Ladebetrieb eine Verstimmung der Sendeantenne durch Betrieb der direkt hierauf zurückgreifenden Detektionseinheit vermieden wird.
-
Die Detektionseinheit kann zur Detektion von Objekten aus einer gemessenen Spannungsänderung an der Sendeantenne eingerichtet sein. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Detektionseinheit einen Spitzenwertdetektor zur Messung von Spannungsspitzenwerten der Signalspannung an der Sendeantenne hat. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau und eine einfache und zuverlässige Auswertung der Antennenleistung.
-
Die Detektionseinheit kann zur Messung von positiven und negativen Halbwellen der Signalspannung an der Sendeantenne eingerichtet sein. Dies gelingt beispielsweise mit Hilfe von zwei Dioden, die in unterschiedlicher Durchlassrichtung geschaltet sind, oder mit einem Gleichrichter (z. B. Brückengleichrichter). Denkbar ist es, jeweils eine Diode in Durchlassrichtung an den positiven und negativen Anschluss der Sendeantenne anzuschließen und beide Signale getrennt voneinander einem jeweiligen Analog-Digital-Wandler zuzuführen.
-
Zusätzlich können spannungsbegrenzende Bauelemente zum Schutz der nachfolgenden Bauelemente, wie insb. Analog-Digital-Wandler, vor Überspannung vorgesehen sein. Dies lässt sich z. B. mit Zener-Dioden realisieren.
-
Weiterhin kann in die Versorgungsleitung für den Sendeverstärker ein Strombegrenzungswiderstand eingefügt werden, der bei Bedarf von einem Transistor überbrückt werden kann. So kann z. B. die Funkkommunikationseinheit einen Sendesignalverstärker haben, der mit einem zwischenschaltbaren Strombegrenzungswiderstand verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Sendeleistung durch Einschalten des Strombegrenzungswiderstandes eingerichtet ist.
-
Es kann eine zusätzliche Energieladeeinheit vorgesehen sein, die mit der Sendeantenne oder einer separaten Ladespulenanordnung verbunden und zur drahtlosen Übertragung von Energie an einen Empfänger eingerichtet ist. Damit kann beispielsweise eine NFC-Kommunikationseinheit und eine Qi-Ladeeinheit nebeneinander in der Schaltungsanordnung realisiert werden. Dabei ist denkbar, dass die Schaltungsanordnung zur Funkkommunikation mit einem in der Detektionsphase detektierten Objektes eingerichtet ist, wenn in der Erkennungsphase festgestellt wurde, dass das Objekt nicht zur Nahfeldkommunikation eingerichtet ist. Damit kann die Abstimmung des Ladevorgangs mit der Energieladeeinheit bspw. nach dem Qi-Standard erfolgen, wenn kein NFC-fähiges Gerät erkannt wurde.
-
Die Erkennung von Objekten kann nun in einem Ausführungsbeispiel folgendermaßen ablaufen:
- Zuerst wird der Strombegrenzungswiderstand nicht vom Transistor überbrückt. Der NFC-Sendeschaltkreis erzeugt wie üblich seine Hochfrequenz mit der maximalen Leistung, die jedoch durch den Widerstand in der Versorgungsleitung für den Sendeverstärker begrenzt ist. Über den Abgriff direkt von der Sendeantenne wird das Sendesignal auf Analog-Digital-Wandlereingänge des Mikrocontrollers gelegt, dort digitalisiert und im Mikrocontroller weiterverarbeitet. Sobald sich ein Gegenstand aus kapazitiv oder induktiv relevantem Material der Sendeantenne nähert, ist dies über die Spannungsänderung an der Sendeantenne erkennbar und vom Mikrocontroller auswertbar. Induktiv relevante Materialien sind z. B. ferromagnetische Stoffe wie Eisen oder Metallflächen, die Wirbelströme erzeugen oder Resonanzschaltkreise in einem NFC-Receiver. Kapazitiv relevante Materialien sind beispielsweise Kunststoffe oder der menschliche Körper.
-
Nachdem erkannt wurde, dass sich ein Gegenstand der Sendespule angenähert hat, erfolgt die Abfrage, ob dieser Gegenstand ein Gerät für den Nahfeldfunk ist, z. B. ein NFC-Gerät oder eine RFID-Karte. Dazu überbrückt der Transistor den Strombegrenzungswiderstand und der NFC-Schaltkreis versucht nun eigenständig eine Kommunikation mit dem Gegenstand aufzubauen. Ist dies nach entsprechender Zeit nicht möglich, geht das System wieder in den Low-Power-Zustand über, d. h. der Transistor öffnet und der Strombegrenzungswiderstand ist wieder aktiv, und der Schaltkreis versucht, die nächste Änderungen der Antennenspannung zu erkennen.
-
Die Reduktion der Ausgangsleistung kann auch über andere Methoden erreicht werden, z. B. kann zwischen dem Sendeverstärkerausgang und dem nachfolgenden Filter und/oder dem Filter und der Anpassschaltung ein zuschaltbares Dämpfungsglied angeordnet sein, das im Fall der benötigten kleineren Ausgangsleistung aktiviert werden kann.
-
Wenn der NFC-Transmitter in einem Gerät verbaut ist, das die drahtlose Aufladung von Mobilgeräten ermöglicht, und es wurde ein Gegenstand erkannt, der kein NFC-Gerät und keine RFID-Karte ist, dann kann mit einem digitalen Ping versucht werden, mit einem Empfangsgerät für den drahtlosen Energietransfer zu kommunizieren. Da bereits klar ist, dass der Gegenstand kein Nahfeldkommunikationsgerät ist, kann der Gegenstand auch nicht durch das Magnetfeld des digitalen Pings zerstört werden. Wenn das Gerät durch entsprechende Kommunikation sich als kompatibles Gerät für den drahtlosen Energietransfer identifiziert, beginnt nachfolgend die Energietransferphase.
-
Eine weitere Möglichkeit ist, dass sich der angenäherte Gegenstand als NFC-Gerät identifiziert, aus den übertragenen Daten aber hervorgeht, dass es sich um ein NFC-Gerät innerhalb eines drahtlosen Energieempfängers handelt. In diesem Fall beginnt ebenfalls der Energietransfer, eine Beschädigung des NFC-Empfängers durch das digitale Ping oder den Energietransfer ist aber ausgeschlossen, da solch ein Gerät für den Energietransfer ausgelegt und der NFC-Receiver daher konstruktiv geschützt sein muss. Zur Identifikation als NFC-Gerät innerhalb eines drahtlosen Energieempfängers können Daten aus einem Standard oder der Vergleich von Mustern der empfangenen Daten mit einem Satz aus charakteristischen Mustern, die im Speicher des Mikrocontrollers abgelegt sind, verwendet werden.
-
Wurde jedoch ein NFC-Gerät oder eine RFID-Karte ohne Energietransfermöglichkeit erkannt, so wird die Kommunikation mit überbrücktem Strombegrenzungswiderstand fortgesetzt und der Datenaustausch zu seinem eigentlichen Zweck, z. B. die Übertragung der Fahrzeugstartautorisierung, genutzt. Erst wenn diese Übertragung z. B. durch Entfernen der Autorisierungskarte abbricht, geht das System in die Low-Power-Erkennung eines Gegenstands zurück.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - Prinzip der Nahfeldkommunikation mit einem passiven Empfänger;
- 2 - Übertragungskurve ohne und mit Objekt in der Nähe;
- 3 - Schaltbild mit einer Low-Power-Objekterkennung;
- 4a - Elektromagnetische Emissionen einer herkömmlichen Schaltung;
- 4b - Elektromagnetische Emissionen der erfindungsgemäßen Low-Power-Erkennung.
-
1 zeigt das Prinzip der Nahfeldkommunikation zwischen einem NFC Transmitter 1 und einem passiven NFC Receiver 2. Der NFC Transmitter 1 hat eine Sendeeinheit 10, die einen Sendeverstärker 18 für die Übertragungsfrequenz beinhaltet, der von einer Versorgungsspannung UT versorgt wird. Am Gegentaktausgang TX und TX' dieser Einheit befindet sich ein Filter 11, das alle unerwünschten Frequenzanteile außerhalb der Nutzfrequenz wegschneidet. Dahinter befindet sich eine Anpassschaltung 12 für die Sendeantenne 13, die typischerweise als Schleifenantenne ausgeführt ist. Die Rückwirkung wird typischerweise am Ausgang des Filters 11 abgenommen und über die Leitungen RX und RX' auf die Sendeeinheit 10 zurückgeführt, wo die Auswertung geschieht. Die Ausgangsspannung am Sendeverstärker 18 beträgt typischerweise ca. 5 Vpp, die Spannung an der Sendeantenne 13 dagegen beispielsweise 40 Vpp, da die Anpassschaltung 12 aus Kondensatoren besteht und zusammen mit der Sendespule einen Schwingkreis bildet, der so ausgelegt ist, dass seine Resonanzfrequenz der Übertragungsfrequenz entspricht. Für die Energie- und Informationsübertragung wird das magnetische Feld genutzt, das vom Stromfluss der Sendeantenne 13 (z. B. Schleifenantenne) erzeugt wird. Das elektromagnetische Feld hat in diesem Bereich eine untergeordnete Rolle.
-
In der Nähe der Sendeantenne 13 befindet sich die Empfangsantenne 20 des NFC Receivers 2. Sie ist mit der Sendeantenne 13 über das magnetische Wechselfeld gekoppelt und induziert daher eine Spannung, die im NFC Receiver 2 einen Stromfluss hervorruft. Über einen Gleichrichter 21 wird die Elektronik 22 im NFC Receiver 2 mit Energie versorgt, womit der NFC Receiver 2 arbeitsbereit ist.
-
Weiterhin besitzt der NFC Receiver 2 ein zusätzliches Element 23, das über einen elektronischen Schalter 24 bitweise der Empfangsantenne 20 (auch als Empfangsspule bezeichnet) parallel geschaltet wird und diese dadurch belastet. Aufgrund der unterschiedlichen Belastung gibt es eine Rückwirkung auf die Sendeantenne 13. Dort erscheint das vom NFC Receiver 2 angelegte Bitmuster als Spannungsänderung an der Sendeantenne 13. Je weiter der NFC Receiver 2 von der Sendeantenne 13 entfernt ist, desto kleiner ist die Rückwirkung und desto kleiner ist das Kommunikationssignal. Damit die Stärke des Rückwirkungssignals in einem bestimmten Bereich liegt, kann beispielsweise der Sendeverstärker 18 seine Leistung ändern. Dies hat zum Vorteil, dass bei nahen NFC Receiver 2 für die Kommunikation nur eine geringe Leistung benötigt wird.
-
Im Diagramm in 2 wird gezeigt, dass die Schaltungsanordnung aus 1 nicht nur zur Kommunikation mit einem NFC Receiver 2 genutzt werden kann, sondern auch zur Detektion von Veränderungen im Resonanzkreis, wenn der Sendespule Gegenstände angenähert werden, die die Resonanzeigenschaften verändern. Dies können beispielsweise Gegenstände sein, deren Dielektrizität oder Permeabilität sich von der Umgebungsluft unterscheidet. Auch hierbei ändert sich die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems, was sich in einer veränderten Spannung an der Sendeantenne 13 und somit auch an der veränderten Spannung hinter dem Filter 11, an dem die Rückwirkung abgegriffen und der Auswertelektronik zugeführt wird.
-
Befindet sich kein Gegenstand in der Nähe der Sendeantenne 13, so befindet sich die Spannung U1 der Resonanzfrequenz fR an der Sendeantenne 13 in einem definierten Bereich mit einer unteren (Gu) und einer oberen (Go) Grenze. Für diesen Fall gilt die Resonanzkurve 1. Die obere Grenze kann auch unendlich sein, weil diese für die Objekterkennung nicht relevant ist. Nähert sich ein Gegenstand der Sendeantenne 13, z. B. eine Karte aus Kunststoff, so ändern sich durch die veränderte Dielektrizität die Resonanzeigenschaften, was in der veränderten Kurve 2 dargestellt ist, und die Spannung sinkt unter die untere Grenze Gu. Somit wurde das Objekt erkannt.
-
Ähnlich verhält es sich mit ferromagnetischem oder leitendem Material in der Nähe der Sendeantenne 13, oder mit dem Einbringen eines NFC Receiver 2 mit Schwingkreis bestehend aus der als Schleife ausgebildeten Empfangsantenne 20 mit einer parallel geschalteten Kapazität.
-
Dargestellt ist jeweils die Spannung an der Sendeantenne 13. Die Spannung am Abgriff RX/RX` geschieht noch vor dem Resonanzkreis und ist daher wesentlich geringer. Da die Ausgangsleistung des Senders (NFC-Transmitter 1) veränderbar ist, wird zur Detektion von Objekten eine hohe Ausgangsleistung gewählt, damit auch die Differenz in der Rückwirkung möglichst groß ist. Es kann aber auch mit kleineren Leistungen gesendet werden, dann ändern sich allerdings auch die zuvor beschriebenen Grenzwerte, die einen Bereich für den Normalfall ohne Objekt in der Nähe der Sendeantenne 13 beschreiben.
-
3 lässt eine verbesserte Schaltungsanordnung erkennen. Hier gibt es für die Detektion von Objekten noch einen weiteren Signalabgriff direkt an der Sendeantenne 13.
-
Dabei kann das Signal über einen aus zwei Dioden 16 gebildeten Peak-Detektor auf einen Analogeingang eines Mikrocontrollers 17 geführt werden. Zwei Dioden 16 sind deshalb vorteilhaft, um damit die Spitzen beider Halbwellen der Antennenspannung der Sendeantenne 13 auswerten zu können. Somit können auch Empfänger erkannt werden, die die Rückwirkung nur für eine Halbwelle verändern.
-
Die Signalführung von den Dioden 16 zu dem Analogeingang geschieht hochohmig, damit das Sendesignal sowohl bei der Objekterkennung als auch bei der Kommunikation mit dem NFC Receiver 2 möglichst wenig belastet wird, was die Kommunikation beeinträchtigen würde. Da durch den Anpasskreis die Sendeantenne 13 auf die Resonanzfrequenz abgestimmt ist, sind die Spannungen an der Sendeantenne 13 wesentlich höher als am Abgriff hinter dem Filter 11, der für die Messung der Rückwirkung für den Sendeschaltkreis benutzt wird. Dies ist insbesondere relevant, wenn der Sendeschaltkreis die Objekterkennung mit niedriger Leistung durchführt. Wenn die Kommunikation mit dem NFC-Receiver 2 bei höherer Leistung läuft, können an der Sendeantenne 13 Spannungen von 40Vpp oder mehr auftreten. Um den Analogeingang gegen diese Spannungen zu schützen, können an den Analogeingang spannungsbegrenzende Schutzbauteile, z. B. Zenerdioden, benutzt werden.
-
Die zweite Änderung gegenüber einer herkömmlichen Schaltkreisbeschaltung kann ein Strombegrenzungswiderstand 14 in der Versorgungsleitung für den Leistungsverstärker, d. h. den Sendeverstärker 18 sein. Dieser kann mit einem Schalter 15, z. B. realisiert mit einem Transistor, überbrückt werden.
-
In der Objekterkennungsphase versucht der Sendechip mit größtmöglicher Sendeleistung eine Änderung der Spannung im Abgriffpunkt zu erkennen. Da der Strombegrenzungswiderstand in dieser Phase nicht überbrückt ist, bleibt die Ausgangsleistung stark begrenzt, was zur Folge hat, dass der Sendeschaltkreis ein mögliches Objekt nicht erkennt. Die Auswertung der Spannung wird in dieser Phase vom externen Mikrocontroller 17 übernommen. Hat dieser durch die Auswertung der Spannung an der Sendeantenne 13 ein Objekt erkannt, schaltet er den Sendeschaltkreis vom Erkennungsmodus in den Kommunikationsmodus und schaltet gleichzeitig den Transistor (Schalter 15) ein, damit die Ausgangsleistung nicht mehr begrenzt wird.
-
Von diesem Zeitpunkt an wird die komplette Nahfeld-Kommunikationssteuerung vom Sendeschaltkreis übernommen, d. h. der Mikrocontroller wertet das Analogsignal von der Antenne erst wieder aus, wenn die Kommunikation mit dem NFC-Receiver 2 z. B. durch Entfernen des NFC-Receivers 2 abgebrochen ist.
-
Die 4a und 4b zeigen das Frequenzspektrum der abgestrahlten Energie von der Sendeantenne 13. Gemessen wird dieses Spektrum mit einer Messantenne aus einiger Entfernung, z. B. 3m, vom Messobjekt. Gemessen wird auch nicht das magnetische Feld, das bei der Nahfeldkommunikation relevant ist und in der Entfernung der Messantenne aber keine Rolle mehr spielt. Vielmehr wird die Energie des elektromagnetischen Feldes gemessen, das Störungen in anderen Geräten verursachen kann. Das elektromagnetische Feld wird aber auch aus einem magnetischen Wechselfeld heraus generiert.
-
In 4a, das das Spektrum der typischen Schaltung zeigt, ist der Anteil der abgestrahlten Energie (Sendeenergie) bei der Nutzfrequenz 13,56 MHz hoch. Sie befindet sich im Bereich des hierfür relevanten Grenzwertes (E-Feld), was zur Folge hat, dass eine garantierte Einhaltung des Grenzwertes nicht möglich ist. Der Grenzwert (E-Feld) ist in dem Beispiel durch die chinesische Norm GB/T-18387-2017 über den Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz als elektrisches Feld in dbµV/m aufgetragen. Die von der beispielhaft untersuchten herkömmlichen Schaltung abgestrahlte Sendeenergie ist ebenso mit seinem elektrischen Feld in dBµV/m über den genannten Frequenzbereich aufgetragen (Auflösungsbandbreite „Resolution Bandwidth“ RBW = 9 kHz, Horizontaler maximaler Peak).
-
4b zeigt das Spektrum der Modifikation mit Leistungsbegrenzung. Hier ist zu sehen, dass die Leistung des von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung abgestrahlten elektromagnetischen Feldes (Sendeenergie) weit unterhalb des Grenzwertes (E-Feld) liegt, in diesem Fall ca. 25 dB unterhalb, womit die Einhaltung des Grenzwertes garantiert werden kann. Insbesondere ist dies für Märkte, in denen der Grenzwert für diesen Betriebszustand noch wesentlich geringer ist, als in durchschnittlichen Märkten von entscheidendem Vorteil.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 20120214411 A1 [0011]
- US 9281706 B2 [0012]
- EP 3664253 A1 [0013]
- US 20210376882 A1 [0014]
