DE69302052T2

DE69302052T2 - Elektromagnetisches Detektor System

Info

Publication number: DE69302052T2
Application number: DE69302052T
Authority: DE
Inventors: Paulus Rebers
Original assignee: Nederlandsche Apparatenfabriek NEDAP NV
Current assignee: Nederlandsche Apparatenfabriek NEDAP NV
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2013-07-15
Also published as: NL9201270A; CA2100614A1; EP0579332A1; ATE136388T1; EP0579332B1; DE69302052D1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Detektorsystem mit mindestens einer Quellenschaltung und mindestens einer durch die Quellenschaltung gesteuerten Antennenkonfiguration, die zwei im wesentlichen in einer Ebene oder in in kurzem Abstand voneinander liegenden parallelen Ebenen angeordnete Schleifenantennenspulen zur Erzeugung eines Detektorfeldes in einer Detektorzone umfaßt sowie mehrere mit einer Schleifenantennenspule versehene Responder, die in der Detektorzone mittels des Detektorfeldes detektierbar sind.
In HF-Systemen zur Ladendiebstahlsdetektion werden zur Zeit üblicherweise 8-förmige Antennen verwendet. 8-förmige Antennen haben den Vorteil, daß die Feldstärke bei kurzer Entfernung (bis etwa zur halben Höhe) verglichen mit der Feldstärke bei großer Entfernung relativ groß ist, so daß die Antenne weniger anfällig für systemexterne Interferenz ist als beispielsweise 0-förmige Antennen. Der Nachteil bei 8-förmigen Antennen besteht darin&sub1; daß die Feldlinien auf halber Höhe vertikal ausgerichtet sind. Auf dieser Höhe kreuzt ein vertikal ausgerichtetes Etikett keine Feldlinien und wird daher, im Gegensatz zu einem Etikett auf anderer Höhe, nicht detektiert.
Die Position eines Etiketts jedoch, das an einem in einer Hosentasche (ca. halbe Höhe) mitgeführten Gegenstand angebracht ist, ist üblicherweise vertikal; folglich wird das Etikett nicht detektiert. Das Phänomen, daß das Etikett auf Hosentaschenhöhe den Durchgang ohne Erfolgen einer Detektion passieren kann, wird gemeinhin als Hosentascheneffekt bezeichnet. Dieser Effekt tritt bei einer ein Drehfeld erzeugenden Antennenkonfiguration nicht auf. Eine solche Antennenkonfiguration ist beispielsweise in EP-A-0 186 483 offenbart. Die bekannte Antennenkonfiguration weist zwei Schleifenantennen auf, die von zwei Sendern separat gesteuert sind. Verglichen mit der Situation, in der eine Antenne verwendet wird, erfordert diese Konfiguration für dieselbe Feldstärke die doppelte Übertragungsleistung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu überwinden und generell ein einfach und dennoch zuverlässig betreibbares Detektorsystem zu schaffen, das insbesondere für die Ladendiebstahlsdetektion geeignet ist.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein elektromagnetisches Detektorsystem des oben beschriebenen Typs dadurch gekennzeichnet, daß die eine Schleifenantennenspule der Antennenkonfiguration Teil eines Reihenresonanzkreises ist und daß die andere Schleifenantennenspule Teil eines Parallelresonanzkreises ist, wobei die Reihen- und Parallelresonanzkreise dieselbe Resonanzfrequenz haben und miteinander verbunden sind, um ein zusammengesetztes Antennennetzwerk zu bilden, das mit der Quellenschaltung verbunden ist, und wobei die Reihen- und Parallelresonanzkreise derart bemessen sind, daß die frequenzabhängigen Teile der Impedanzen einander im wesentlichen ausgleichen, so daß das zusammengesetzte Antennennetzwerk eine im wesentlichen frequenzunabhängige Impedanz hat.
Es folgt eine nähere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, welche zeigen:
Fig. 1 schematisch eine 8-förmige Antenne mit dem durch sie gebildeten Detektorfeld,
Fig. 2 schematisch ein Beispiel eines Parallelresonanzkreises,
Fig. 3 schematisch die Impedanzveränderung der Schaltung von Fig. 1 in Abhängigkeit von der Frequenz,
Fig. 4 schematisch ein Beispiel eines Reihenresonanzkreises,
Fig. 5 schematisch die Impedanzveränderung der Schaltung von Fig. 4 in Abhängigkeit von der Frequenz,
Fig. 6 schematisch ein Beispiel einer kombinierten Schaltung mit einem Parallelresonanzkreis und einem Reihenresonanzkreis,
Fig. 7 schematisch die Spannungsveränderung über die Schaltung von Fig. 6 in Abhängigkeit von der Frequenz,
Fig. 8 schematisch ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Antennenkonfiguration zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System, und
Fig. 9 schematisch ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Antennenkonfiguration zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System.
Fig. 1 zeigt eine 8-förmige Antenne 1, die, wie dies bei Ladendiebstahlsdetektorsystemen üblich ist, im wesentlichen vertikal positioniert ist, um in einer Detektorzone, die sich üblicherweise in der Nähe eines Ausganges befindet, ein Detektorfeld M zu bilden. In der Detektorzone können Detektoretiketten, die sich eventuell noch an von Kunden mitgenommenen Gegenständen befinden und auch als Responder oder Transponder bezeichnet werden, detektiert werden. Diese Responder weisen einen Resonanzkreis auf, der auf die Frequenz des Detektorfeldes abgestimmt ist und dessen Spule wenigstens teilweise als Schleifenantenne ausgebildet ist. In Fig. 2 sind bei 2 und 3 zwei Responder schematisch angedeutet.
Üblicherweise sind Antennen als Parallelschaltungen gesteuert (s. Fig. 2), die eine Resonanzfrequenz fo, welche durch die (Antennen)-Spule L1, den Kondensator C1 bestimmt ist, und einen Q-Faktor, der durch den Widerstand R und das Verhältnis L1/C1 bestimmt ist. Der Q-Faktor erhöht den Antennenstrom relativ zu dem Senderstrom, eine negative Folge davon jedoch ist eine stark schwankende Impedanz Z1 der Parallelschaltung, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Bei den Frequenzen f1 und f2 hat die Größe der Impedanz um 30% abgenommen. Der Abstand zwischen f1 und f2 nimmt mit zunehmendem Q-Faktor gemäß folgender Gleichung ab:
Die in Fig. 4 gezeigte Reihenschaltung, die einen Widerstand R, einen Kondensator C2 und eine Spule L2 aufweist, stellt eine Alternative dar. Diese Reihenschaltung hat eine in Fig. 5 gezeigte Impedanzschwankung Z2, die derjenigen der Parallelschwankung entgegengesetzt ist; bei f1 und f2 hat die Größe der Impedanz relativ zu der Impedanz bei der Resonanzfrequenz fo um 40% zugenommen. In beiden Fällen bestimmt der Q-Faktor das Verhältnis der magnetischen Energie in der Spule, d.h. der Feldstärke, und der verfügbaren Senderleistung; mit anderen Worten, die Effizienz.
Eine frequenzabhängige Impedanz stellt besonders dann ein Problem dar, wenn der Sender einen gewissen Abstand von der Antenne hat, so daß zwischen Sender und Antenne eine Übertragungsleitung (beispielsweise ein Koaxialkabel) angeordnet werden muß. Ein dazwischen befindliches Übertragungsleitungsstück bewirkt, daß die von dem Sender (Quelle) "gesehene" Impedanz noch stärker frequenzabhängig ist. Die auf diese Weise in dem Kabel gebildeten stehenden Wellen führen zu Störresonanzen.
Erfindungsgemäß kann durch Anordnen der beiden Netzwerktypen der Fign. 2 und 4 in Reihe mit demselben Gütefaktor Q und derselben Resonanzfrequenz und mit demselben, beispielsweise gemeinsamen, Belastungswiderstand eine konstante Impedanz realisiert werden. Fig. 6 zeigt ein schematisches Beispiel. In der in Fig. 6 gezeigten Schaltung ist die Parallelschaltung von L1 und C1 und die Reihenschaltung von L2 und C2 gebildet.
Bei diesem Beispiel gilt, daß:
L1/C1 = R²/Q²
und
L2/C2 = R² x Q² = L1/C1 x Q&sup4;
wobei
L1 x C1 = L2 x C2 = (1/2πfo)²
Hier wird die Spannungsschwankung an der Parallelschaltung V1 durch die Impedanzschwankung der Schaltung bei der Frequenz bestimmt, als ob die Schaltung von einer Stromquelle gespeist würde. Daher ist die Spannungsschwankung von der Senderimpedanz unabhängig. Die Höchstspannung über die Schaltung V1 bei Resonanzfrequenz jedoch ist dieselbe wie bei nicht vorhandener Reihenschaltung. Die Schwankung der Spannung über die Reihenschaltung V2 ist entgegengesetzt, so daß die Gesamtspannung über die in Reihe geschalteten Netzwerke V1 und V2 konstant ist, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Für den Strom in der Reihenschaltung gilt ungefähr dasselbe wie für die Spannung über die Paralleischaltung. Ferner ergibt sich aus den Netzwerkvergleichen, daß:
- die Ströme in den beiden Spulen mehr oder weniger dieselbe Frequenzschwankung haben;
- der mittlere Energiegehalt I² x L gleich ist;
- die Phasendifferenz zwischen den beiden Spulenströmen bei allen Frequenzen 900 beträgt.
Ein auf diese Weise zusammengesetztes Antennennetzwerk bildet eine frequenzunabhängige Impedanz für den Sender.
Um Empfangslöcher als Folge einer falschen Feldausrichtung, wie sie beispielsweise für den Hosentascheneffekt verantwortlich sein kann, zu beseitigen, können magnetische Drehfelder verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist in der EP-A-0 186 483 von Senelco Limited angegeben.
Im wesentlichen wird ein magnetisches Drehfeld von zwei Magnetfeldem erzeugt, die:
1. räumlich senkrecht zueinander sind, und
2. relativ zueinander um 90º phasenverschoben sind.
Gemäß EP-A-0 186 483 wird ein Drehfeld mit zwei Antennen erzeugt, die separat von zwei Sendern gesteuert sind, die ihrerseits von einem Signal über ein 90º-Phasenverschiebungsnetzwerk gesteuert sind.
Alternativ kann ein Sender verwendet werden, dem sich ein Leistungsteiler und ein Phasenverschiebungsnetzwerk anschließen. In beiden Fällen ist die doppelte Übertragungskraft erforderlich, um mittels der beiden Antennen dieselbe Feldstärke zu erzielen wie mittels der einen Antenne.
Im Falle einer Empfängerantenne wird die Detektorempfindlichkeit für ein Feld in einer der beiden Ausrichtungen relativ zu der Empfindlichkeit mit einer Antenne durch den Leistungsteiler halbiert.
Eine Alternative zu einem Drehfeld besteht darin, die beiden Antennen abwechselnd zu erregen. Daraus ergibt sich letztendlich dieselbe Verringerung der Feldstärke bzw. Empfindlichkeit wie bei dem oben erwähnten Verfahren. Der Grund dafür, daß magnetische Drehfelder bei Ladendiebstahldetektorsystemen noch nicht verbreitet sind, liegt in der Kompliziertheit der zum Speisen der beiden Antennen erforderlichen Ausrüstung, wie in EP-A-0 186 483, und der Verringerung der Feldstärke oder Empfindlichkeit.
Die in dem in Fig. 6 gezeigten Impedanzausgleichnetzwerk vorgesehene und oben beschriebene Spule L2 erzeugt ein Magnetfeld, das gegenüber der Sendeantennenspule L1 um 90º phasenverschoben ist. Indem die Spule L2, wie in Fig. 8, gezeigt als zusätzliche Hufsantenne positioniert wird, wird auf einfache Weise ein magnetisches Drehfeld erzeugt.
In dem oben beschriebenen und in den Fign. 6 und 8 gezeigten Netzwerk wird die Resonanz der beiden Antennenspulen durch einen Widerstand gedämpft. Hier sind beide Antennen in demselben Ausmaß mit dem Sender oder Empfänger gekoppelt wie bei einer Antenne, anders als bei dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Kopplung in beiden Richtungen halbiert ist. In der Schaltung von Fig. 6 wird die verfügbare Energie sozusagen doppelt verwendet.
Auf diese Weise kombiniert die Erfindung die Verwendung eines Impedanzwandlungsnetzwerks und die verlustfreie Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenkonfiguration. Eine herkömmliche, abgeschirmte 8-förmige Antenne 4 ist als Spule L1 in eine Parallelschaltung integriert und bildet die Hauptantenne. Eine kleine 0-förmige Antenne 5 in der Mitte der 8-förmigen Antenne ist als Spule L2 in eine Reihenschaltung integriert und bildet die Hufsantenne.
Die Hufsantenne schafft ein zusätzliches Horizontalfeld 6 in der Mitte. Das Horizontalfeld bildet gemeinsam mit dem Vertikalfeld der Hauptantenne, das ungefähr genauso groß ist, ein Drehfeld, wodurch die Detektion eines Etikettes in allen Richtungen möglich ist.
Da sich das Feld einer 0-förmigen Antenne bei Entfernungen, die größer als ihre Breite sind, weniger rasch vermindert als dasjenige einer genauso breiten 8-förmigen Antenne und da der Hosentascheneffekt nur in der Mitte auftritt, kann die Hilfsantenne bei einer vergleichbaren Feldstärke kleiner als die Hauptantenne sein.
Fig. 8 zeigt ferner eine hinter der Antennenkonfiguration positionierte Abschirmung 7. In der Abschirmung 7 hinter der Hufsantenne wird ein entgegengesetzter Strom induziert, der die Feldstärke bei großer Entfernung stark mindert, so daß bei einer Entfernung von beispielsweise 10 m dieser Strom nicht viel größer als derjenige der Hauptantenne ist. Wird die Symmetrie der Hauptantenne durch Metall in der Umgebung oder durch eine nicht-senkrechte Anordnung gestört, ist das weiter entfernte Feld der Hauptantenne sogar vorherrschend.
Bei dieser Konfiguration ist die Empfindlichkeit gegenüber Störfeldern von außerhalb des Systems somit trotz der verwendeten 0- förmigen Antenne mit derjenigen einer abgeschirmten 8-förmigen Antenne vergleichbar.
Eine alternative Antennenkonfiguration besteht aus einer Kombination aus zwei in einer Ebene angeordneten 8-förmigen Antennen, die mechanisch ein Ganzes bilden. Fig. 9 zeigt ein Beispiel. Die Verbindungspunkte der beiden Spulen L1 und L2 sind durch P2, P2 bzw. S1, S2 angezeigt.
Die Magnetfeldlinien von L1 und L2, die in Fig. 9 mit 7 bzw. 8 bezeichnet sind, ergeben ein Drehfeld, das über der gesamten Ebene außer in der Mitte eine senkrecht zu der Ebene verlaufende Komponente hat, so daß ein die Antenne parallel zu dieser Ebene passierendes Detektoretikett stets detektiert wird.
Bei die Antennenebene parallel passierenden Detektoretiketten haben symmetrische 8-förmige Antennen ein Empfangsloch in Form einer Ebene, die senkrecht zu der Antennenebene ist und diese an der Querverbindung schneidet. Ein Ein-Ebenen-System zweier unabhängiger 8-förmiger Detektorantennen hat ein Empfangsloch, das sich auf der Linie befindet, an der die beiden separaten Empfangslöcher sich schneiden. Diese Schnittlinie verläuft senkrecht zu der Antennenebene und schneidet die Antennenebene an der Verbindung der beiden Querverbindungen.
Wenn die Querverbindungen der beiden Antennen einander senkrecht schneiden, werden die beiden Spulen induktiv entkoppelt und können von der Schaltung von Fig. 6 über zwei Transformatorkopplungen k1,k2 als eine Parallel- und eine Reihenschaltung gesteuert werden. Dementsprechend sind die Magnetfelder der beiden 8-förmigen Antennen um 90º phasenverschoben, so daß sie sozusagen unabhängig als Detektorantenne funktionieren können. Ein Empfangsloch in Form einer Linie gewährleistet, daß ein Detektoretikett, das parallel zu der Antennenebene passiert, stets detektiert werden kann.
Folglich kombiniert diese Antennenkonfiguration die Vorteile einer 0-förmigen Antenne und einer 8-förmigen Antenne: 1) keine Empfangslöcher, bei denen ein parallel zu der Antennenebene ausgerichtetes Etikett undetektiert passieren kann, und 2) eine geringe Feldstärke bei großer Entfernung relativ zu einem starken Feld bei geringer Entfernung.
Nach dem Vorstehenden liegt es auf der Hand, daß für einen Fachmann verschiedene Modifizierungen naheliegend sind. Beispielsweise können die Resonanzschaltungen mehrere Spulen oder Kondensatoren aufweisen. Ferner kann eine Antennenkonfiguration wie die beschriebene beispielsweise in einer Horizontalposition oder anderer Ausrichtung verwendet werden. Wahlweise können die Antennenspulen über einen Transformator mit einer Schaltung gemäß Fig. 6 gekoppelt werden. Solche Modifizierungen werden als innerhalb des Rahmens der Erfindung liegend angesehen.

Claims

1. Elektromagnetisches Detektorsystem, versehen mit mindestens einer Quellenschaltung und mindestens einer durch die Quellenschaltung gesteuerten Antennenkonfiguration, die zwei im wesentlichen in einer Ebene oder in in kurzem Abstand voneinander liegenden parallelen Ebenen angeordnete Schleifenantennenspulen zur Erzeugung eines Detektorfeldes in einer Detektorzone umfaßt sowie mehrere mit einer Schleifenantennenspule versehene Responder, die in der Detektorzone mittels des Detektorfeldes detektierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Schleifenantennenspule der Antennenkonfiguration Teil eines Reihenresonanzkreises ist und daß die andere Schleifenantennenspule Teil eines Parallelresonanzkreises ist, wobei die Reihen- und Parallelresonanzkreise dieselbe Resonanzfrequenz haben und miteinander verbunden sind, um ein zusammengesetztes Antennennetzwerk zu bilden, das mit der Quellenschaltung verbunden ist, und wobei die Reihen- und Parallelresonanzkreise derart bemessen sind, daß die frequenzabhängigen Teile der Impedanzen einander im wesentlichen ausgleichen, so daß das zusammengesetzte Antennennetzwerk eine im wesentlichen frequenzunabhängige Impedanz hat.

2. Elektromagnetisches Detektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenresonanzkreis und der Parallelresonanzkreis denselben Gütefaktor Q haben.

3. Elektromagnetisches Detektorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenresonanzkreis und der Parallelresonanzkreis denselben Belastungswiderstand haben.

4. Elektromagnetisches Detektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenkonfiguration eine 8-förmige Hauptantenne umfaßt und eine in der Mitte der oder in kurzem Abstand von der Ebene der Hauptantenne angeordnete, viel kleinere 0-förmige Hufsantenne, die im Betrieb das parallel zu der genannten Ebene der Hauptantenne gerichtete magnetische Feld in der Mitte der Hauptantenne zu einem magnetischen Drehfeld ergänzt.

5. Elektromagnetisches Detektorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenkonfiguration zwei im wesentlichen in einer Ebene angeordnete 8-förmige Antennen umfaßt, die relativ zueinander um 90º in der Ebene gedreht sind, wobei die eine 8-förmige Antenne mit dem parallelresonanzkreis und die andere 8-förmige Antenne mit dem Reihenresonanzkreis gekoppelt ist.

6. Elektromagnetisches Detektorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei 8-förmigen Antennen mechanisch ein Ganzes bilden, aber magnetisch entkoppelt sind durch Verwendung einer gemeinsamen Schleife mit zwei Sätzen sich quer zueinander erstreckender, symmetrisch angeordneter Querzweige mit Anschlußklemmen, wobei die Anschlußklemmen des einen Querzweiges über eine erste Transformatorkopplung mit dem Parallelresonanzkreis und die Anschlußklemmen des zweiten Querzweiges über eine zweite Transformatorkopplung mit dem Reihenresonanzkreis gekoppelt sind.

7. Elektromagnetisches Detektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenschaltung im Abstand von den Antennenspulen angeordnet und über ein relativ langes Kabel damit verbunden ist.

8. Antennenvorrichtung zur Verwendung in einem elektromagnetischen Detektorsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenvorrichtung zwei im wesentlichen in einer Ebene oder in in kurzem Abstand voneinander angeordneten Ebenen Schleifenantennenspulen umfaßt und daß die eine Antennenspule Teil eines Reihenresonanzkreises und die andere Antennenspule Teil eines Parallelresonanzkreises ist, wobei die Reihen- und Parallelresonanzkreise dieselbe Resonanzfrequenz haben und miteinander verbunden sind, um ein zusammengesetztes Antennennetzwerk zu bilden, wobei die Reihen- und Parallelresonanzkreise derart bemessen sind, daß das zusammengesetzte Antennennetzwerk eine im wesentlichen frequenzunabhängige Impedanz hat.

9. Antennenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenresonanzkreis und der Parallelresonanzkreis denselben Gütefaktor Q haben.

10. Antennenvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenresonanzkreis und der Parallelresonanzkreis denselben Belastungswiderstand haben.

11. Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenkonfiguration eine 8- förmige Hauptantenne umfaßt und eine in der Mitte der oder in kurzem Abstand von der Ebene der Hauptantenne angeordnete, viel kleinere 0-förmige Hilfsantenne, die im Betrieb das parallel zu der genannten Ebene der Hauptantenne gerichtete magnetische Feld in der Mitte der Hauptantenne zu einem magnetischen Drehfeld ergänzt.

12. Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenkonfiguration zwei im wesentlichen in einer Ebene angeordnete 8-förmige Antennen umfaßt, die relativ zueinander um 900 in der Ebene gedreht sind, wobei die eine 8-förmige Antenne mit dem Parallelresonanzkreis und die andere 8-förmige Antenne mit dem Reihenresonanzkreis gekoppelt ist.

13. Antennenvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei 8-förmigen Antennen mechanisch ein Ganzes bilden, aber magnetisch entkoppelt sind durch Verwendung einer gemeinsamen Schleife mit zwei Sätzen sich quer zueinander erstreckender, symmetrisch angeordneter Querzweige mit Anschlußklemmen, wobei die Anschlußklemmen des einen Querzweiges über eine erste Transformatorkopplung mit dem Paralleiresonanzkreis und die Anschlußklemmen des zweiten Querzweiges über eine zweite Transformatorkopplung mit dem Reihenresonanzkreis gekoppelt sind.