ES2262212T3 - Transponedor de alta impedancia con modulador de retrodispersion mejorado para sistema de identificadcion electronica. - Google Patents

Abstract

Un transpondedor (20) para un sistema de identificación electrónica, incluidos en dicho transpondedor circuitos del transpondedor (24, 26, 28, 30) que poseen un modulador (30) y una entrada para los circuitos del transpondedor, estando alimentado dicho transpondedor mediante una señal de activación emitida por el sistema de identificación electrónica caracterizado porque la impedancia de entrada no reactiva de los circuitos del transpondedor en dicha entrada es de al menos 40051 cuando el modulador (30) se encuentra en un estado de ¿desconexión¿, y cuando el transpondedor se alimenta mediante dicha energía de activación.

Description

Transpondedor de alta impedancia con modulador de retrodispersión mejorado para sistema de identificación electrónica.

Esta invención se refiere a sistemas de identificación electrónica que incluyen un interrogador y una pluralidad de transpondedores. La invención se refiere más particularmente a los transpondedores que forman parte de tal sistema.

Los sistemas electrónicos conocidos del tipo mencionado se incluyen un interrogador que incluye un transmisor para transmitir una señal de interrogación a los transpondedores y un receptor para recibir una señal de respuesta de los transpondedores. Un microprocesador del interrogador identifica un transpondedor particular a partir de un flujo de datos de la señal de respuesta. Cada transpondedor comprende una antena y un circuito detector para recibir y captar energía de la señal de interrogación, para entregar un voltaje lo suficientemente alto a un condensador de almacenamiento, para alimentar unos circuitos moduladores y lógicos del transpondedor, cuyos circuitos lógicos generan a su vez el flujo de datos mencionado anteriormente. El flujo de datos se usa para modular la señal de activación a una profundidad de modulación de aproximadamente el 100% y devolver al interrogador una parte de la energía de la señal de activación, mediante lo que se conoce como modulación por retrodispersión. La antena del transpondedor consiste generalmente en una antena dipolo monoelemento de media longitud de onda que posee una impedancia en el punto de alimentación de 50\Omega a 100\Omega. Esta antena se adapta mediante una red de adaptación de impedancia adecuada a una baja impedancia de entrada de 126\Omega a 200\Omega del circuito detector.

En los sistemas conocidos, la distancia efectiva de la señal de respuesta retrodispersada supera con creces la distancia a la que la señal de activación puede alimentar a los transpondedores. El factor inhibidor es el voltaje que se requiere en el condensador para alimentar los circuitos moduladores y lógicos del transpondedor. El voltaje recuperado y, por tanto, el intervalo operativo que pueden obtenerse con los transpondedores de baja impedancia de entrada conocidos, especialmente aquellos que están provistos de un pequeño condensador de alimentación integrado y que pueden modular la señal de activación a una profundidad de modulación de aproximadamente el 100%, no resultan satisfactorios.

En el documento EP-A-0492569 se describe un transpondedor para un sistema de identificación electrónica. Hay una estación base conectada inductivamente a un soporte de datos. Un modulador del soporte de datos modula una primera señal generada por la estación base con una segunda señal desacoplando intermitentemente un carril de alimentación de energía de un circuito de sintonización del soporte de datos. Esto provoca un cambio en la carga en la antena de la estación base.

Un objeto de la presente invención consiste en proporcionar otro transpondedor con el que el solicitante cree que se pueden, al menos, mitigar los inconvenientes mencionados anteriormente.

De acuerdo con la invención, se proporciona un transpondedor para un sistema de identificación electrónica, incluidos en dicho transpondedor circuitos del transpondedor que poseen un modulador y una entrada para los circuitos del transpondedor, alimentándose dicho transpondedor mediante una señal de activación emitida por el sistema de identificación electrónica caracterizado porque la impedancia de entrada no reactiva de los circuitos del transpondedor en dicha entrada es de al menos 400\Omega cuando el modulador se encuentra en un estado de "desconexión", y cuando el transpondedor se alimenta mediante dicha señal de activación. Este transpondedor tiene el fin de mejorar el voltaje recuperado de la señal de interrogación y alimentación en vez de la optimización de la energía recuperada, como es el caso de los transpondedores de la técnica anterior.

El transpondedor puede incluir una antena conectada a dicha entrada. Los circuitos del transpondedor pueden incluir también una antena conectada a los circuitos moduladores y lógicos para generar un código de identificación. El modulador también puede estar conectado a la entrada, estando la antena conectada directamente a la entrada sin un circuito de adaptación de impedancia entre la antena y el modulador, siendo la impedancia del punto de alimentación sustancialmente igual a la impedancia de entrada.

Los circuitos del transpondedor pueden incluir un circuito multiplicador de voltaje, tal como un circuito doblador del voltaje.

Los circuitos del transpondedor están preferentemente integrados en un único chip. La integración puede realizarse utilizando la tecnología CMOS.

La antena puede comprender un dipolo multielemento de media longitud de onda. La antena puede comprender típicamente un dipolo de media longitud de onda de tres a cinco elementos. La antena puede comprender también un elemento reactivo inductivo para cancelar un componente reactivo capacitivo en dicha impedancia de entrada en una frecuencia operativa preferida. El elemento reactivo inductivo puede comprender, por ejemplo, una formación en bucle provista en o próxima al punto de alimentación de la antena.

En otra forma de realización, la antena puede comprender un dipolo de media longitud de onda en el que el punto de alimentación está adecuadamente descentrado, de forma que la impedancia en el punto de alimentación se aproxime a dicha impedancia de entrada. La antena puede ser, adecuadamente, más larga que media longitud de onda, para obtener un componente reactivo inductivo para cancelar un componente reactivo capacitivo en dicha impedancia de entrada en una frecuencia operativa preferida.

También según la invención, el modulador puede estar configurado para modular una señal de activación recibida a través de la antena con una señal de código de identificación a una profundidad de modulación menor del 80%.

La señal de código de identificación puede incluir un flujo de datos binarios y el modulador puede incluir unos medios de conmutación conectados que se controlarán mediante el flujo de datos, para conectar y desconectar un mecanismo de impedancia de una parte de entrada de los circuitos del transpondedor para cambiar la impedancia de entrada entre un primer valor en el que se adapta sustancialmente con la impedancia en el punto de alimentación de la antena y un segundo valor en el que es, como mucho el 80% del primer valor.

La profundidad de modulación es preferentemente de entre 20 el y el 40%, típicamente del orden del 30%.

Los medios de conmutación pueden incluir un dispositivo de conmutación activa tal como un transistor y el mecanismo de impedancia puede incluir una resistencia.

La invención también incluye un sistema de identificación electrónica que incluye un transpondedor tal como se describe anteriormente.

A continuación se describirá más detalladamente la invención únicamente a modo de ejemplo, haciendo referencia a los diagramas adjuntos en los que:

la figura 1 es un diagrama de bloques básico de un transpondedor de la técnica anterior;

la figura 2 es un diagrama de bloques básico de un transpondedor según la invención;

la figura 3 es un diagrama de bloques del transpondedor según la invención, que muestra más detalladamente el circuito detector que incluye un circuito doblador del voltaje;

la figura 4 es una representación esquemática de una antena que forma parte del transpondedor según la invención;

la figura 5 es una representación esquemática de otra antena que puede formar parte del transpondedor según la invención;

la figura 6 es un diagrama de bloques del transpondedor que muestra más detalladamente el circuito modulador; y

las figuras 7 a 9 son formas de onda en diversos puntos del circuito representado por el diagrama de bloques de la figura 6.

En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un transpondedor 10 la técnica anterior. El transpondedor 10 comprende una antena dipolo de media longitud de onda 12 que posee una impedancia en el punto de alimentación Z_{AIN} del orden de 50\Omega a 100\Omega, típicamente 73\Omega. Entre la antena 12 y los circuitos detector y modulador 16 se proporciona una red de adaptación 14 para adaptar la impedancia de la antena a la impedancia de entrada Z_{DIN} de los circuitos detector y modulador, que es típicamente del orden de 125\Omega a 200\Omega. El detector y el modulador están conectados a los circuitos lógicos 18. El detector capta energía de una señal de interrogación recibida para acumular un voltaje en un condensador de almacenamiento, para accionar los circuitos lógicos y el circuito modulador. El intervalo operativo de un interrogador (que no se muestra) y los transpondedores 10 depende del voltaje recuperado por el circuito detector y almacenado en el condensador.

El intervalo operativo de los sistemas de la técnica anterior con la antena de baja impedancia mencionada anteriormente (73\Omega) y los circuitos detector y modulador de baja impedancia de entrada (125\Omega a 200\Omega) no resulta satisfactorio. Además, la red de adaptación 14 contribuye a aumentar el coste del transpondedor conocido. Además, como se muestra en la figura 9, en los transpondedores de la técnica anterior que utilizan una modulación del 100%, el voltaje acumulado en el condensador de almacenamiento cae intermitentemente por debajo de un valor mínimo exigido en el condensador.

En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques del transpondedor 20 según la invención. El transpondedor 20 comprende una antena de alta impedancia 22 (Z_{AIN} > 400\Omega) conectada directamente a circuitos del transpondedor de alta impedancia de entrada que incluyen los circuitos detector y modulador 24. Los circuitos detector y modulador 24 están conectados a los circuitos lógicos 26.

Aumentando la impedancia de entrada Z_{TIN} de los circuitos detector y modulador 24, el voltaje recuperado también aumenta. La relación se determina mediante la fórmula en la que:

V = \sqrt{PxZ_{TIN}}

P = la energía de la señal; y

Z_{TIN} = la impedancia de entrada de los circuitos del transpondedor.

Además, el voltaje aumenta aún más al proporcionar un circuito multiplicador del voltaje consistente en un circuito doblador del voltaje 28 (que se muestra en la fig 3). El circuito doblador del voltaje 28 funciona del siguiente
modo.

Durante un medio ciclo positivo S_{INP1} de la señal de interrogación, la corriente S_{IN} fluye a través del condensador C_{1} y el diodo D_{2} para cargar el condensador de almacenamiento C_{2} hasta el voltaje de pico del medio ciclo S_{INP1}. Durante un medio ciclo negativo S_{INN}, la corriente fluye a través del diodo D_{1} para cargar a la inversa el condensador C_{1} hasta el voltaje de pico del medio ciclo negativo S_{INN}. Durante el siguiente medio ciclo positivo S_{INP2}, el voltaje acumulado en el condensador C_{1} se suma al voltaje del medio ciclo positivo S_{INP2} para cargar el condensador C_{2} hasta el voltaje de pico a pico de la señal S_{IN}.

La impedancia de entrada Z_{TIN} se determina, entre otros, mediante la impedancia de resistencias, inductancias y capacitancias parásitas; la impedancia de los diodos rectificadores D_{1} y D_{2} cuando no están conduciendo; la resistencia directa de los diodos D_{1} y D_{2} cuando están conduciendo; la impedancia entregada por los circuitos lógicos 26; y la impedancia del modulador 30, cuando se encuentra en un estado de alta impedancia.

Al aumentar la impedancia Z_{TIN}, también se aumenta el voltaje recuperado. La impedancia Z_{TIN} puede aumentarse en aproximadamente un orden de magnitud en comparación con los circuitos detectores conocidos, hasta aproximadamente 1200\Omega a 1800\Omega mediante la integración adecuada del modulador 30, el circuito doblador de voltaje 28 y los circuitos lógicos 26 en un único chip 32.

Con el fin de aumentar la impedancia de entrada Z_{TIN}, es necesario reducir los efectos de los componentes capacitivos y las resistencias en paralelo con la entrada, para reducir la capacitancia de la unión de los diodos D_{1} y D_{2} y para aumentar la impedancia del modulador 30. La impedancia de los circuitos lógicos 26 puede aumentarse considerablemente, desde 15.000\Omega hasta más de 300.000\Omega, usando la tecnología CMOS más reciente para la fabricación de la oblea de circuitos integrados. Sin embargo, el que más contribuye a la baja impedancia i de entrada (125\Omega a 200\Omega) del transpondedor conocido es el circuito modulador, que se conecta directamente más allá de la entrada. Los siguientes que más contribuyen son los diodos D_{1} y D_{2} mencionados anteriormente.

Si se eleva la impedancia de entrada Z_{TIN} del chip 32, no será necesario que el modulador 30 pase corrientes tan altas como los moduladores conocidos. Esto posee la ventaja de permitir un dispositivo semiconductor activo modulador (véase T_{1} en la figura 6), que a su vez hace que se reduzcan las capacitancias parásitas y que aumente la resistencia, aumentando así Z_{TIN} aún más.

La impedancia de entrada Z_{TIN} puede elevarse varios miles de ohmios aumentando la resistencia directa insaturada de los diodos D_{1} y D_{2} y garantizando un equilibrio ideal entre el condensador de almacenamiento C_{2} y el condensador de acoplamiento C_{1}. Se ha descubierto que una impedancia de entrada Z_{TIN} del orden de 1200\Omega a 1800\Omega, proporcionaría buenos resultados.

Para facilitar la adaptación de la antena 22, la impedancia de entrada Z_{TIN} del chip 32 puede mantenerse deliberadamente como capacitiva.

Con el fin de explotar las ventajas de la mayor impedancia de entrada del transpondedor, también se requiere una fuente de señales de alta impedancia. En lugar de usar el enfoque convencional de una antena de baja impedancia combinada con una red de transformación de impedancia 14 para adaptar la impedancia de entrada del chip tal como se muestra en la figura 1, la invención usa una antena de alta impedancia 22 que se conecta directamente a los circuitos detector y modulador 24 del chip 32, sin necesidad de una red de adaptación.

La antena 22 puede comprender un dipolo multielemento de media longitud de onda. La impedancia en el punto de alimentación Z_{AIN} de tal antena la da la ecuación

Z = 73 \ x \ n^{2}

en la que n es el número de elementos del mismo diámetro.

Así, una antena dipolo de cuatro elementos tendrá una impedancia en el punto de alimentación de aproximadamente 1170\Omega, mientras que un dipolo de cinco elementos tendrá una impedancia en el punto de alimentación de aproximadamente 1825\Omega. Usando una antena dipolo de múltiples hilos, la impedancia en el punto de alimentación Z_{AIN} puede adaptarse con mucha precisión a la impedancia de entrada del detector Z_{TIN} sin necesidad de redes de adaptación o de transformación de la impedancia.

En la figura 4 se muestra una típica antena dipolo de cinco elementos 22,1 y la adición de un bucle en horquilla 34 conectado al otro lado del punto de alimentación 36 para proporcionar una adaptación resistiva pura en la frecuencia operativa, mediante la introducción de una reactancia inductiva adecuada de una magnitud igual a la de la reactancia de entrada capacitiva mencionada anteriormente en Z_{TIN} de los circuitos del transpondedor.

En la figura 5 se muestra otra forma de realización de una impedancia en el punto de alimentación Z_{AIN} relativamente alta designada como 22,2. La antena 22,2 es un dipolo plegado de media longitud de onda con una alimentación descentrada. La impedancia Z_{AIN} la da la impedancia en el punto de alimentación central multiplicada por el cuadrado de la actual proporción en el centro de la antena a la actual proporción en el punto de alimentación real. Haciendo la antena ligeramente más larga que media longitud de onda, la impedancia Z_{AIN} será inductiva, para cancelar la reactancia de entrada capacitiva mencionada anteriormente en Z_{TIN} de los circuitos del transpondedor.

Se cree que al conectar la antena 22,2 directamente al chip 32, se evitarán los problemas en el patrón de radiación que surgen con las antenas con alimentación descentrada.

Se ha descubierto que con un transpondedor 20 según la invención, el intervalo operativo de un sistema de identificación puede aumentarse considerablemente en comparación con el de los sistemas convencionales. El coste de los transpondedores 20 también podría ser menor, debido a la eliminación de la red de adaptación 14.

En la figura 6 se muestra el modulador 30 más detalladamente. El modulador 30 es accionado por un flujo de datos (que se muestra en la figura 7) generado por los circuitos lógicos 16, y cuyo flujo de datos es característico del transpondedor. Tal como se afirma antes en la presente descripción, los circuitos moduladores y lógicos se alimentan con energía eléctrica mediante una carga acumulada por el circuito detector y multiplicador y almacenada en el condensador de alimentación C_{2}. El condensador C_{2} está preferentemente integrado con los demás componentes electrónicos del chip 32.

Como también se ha afirmado antes en la presente descripción, el modulador 30 controlado por el flujo de datos mencionado anteriormente modula la señal de activación recibida del interrogador, para devolver parte de esa energía de la señal de activación al interrogador, mediante lo que se conoce como modulación por retrodispersión. La profundidad de la modulación está determinada por la proporción entre una impedancia de entrada no adaptada Z_{TINU} del transpondedor a una impedancia de entrada adaptada Z_{TINM}.

La profundidad de la modulación mencionada anteriormente se obtiene mediante la adaptación de la impedancia de entrada del transpondedor Z_{TINM} cuando el modulador 30 está desconectado (es decir, cuando el flujo de datos es de alto nivel lógico) a la impedancia de la antena Z_{AIN}, de forma que esté disponible la máxima energía para el circuito detector, y proporcionando una adaptación incorrecta controlada de la impedancia de entrada Z_{TINM} del transpondedor cuando el flujo de datos es de bajo nivel lógico, de forma que una parte controlada de la energía de activación se devuelve o se dispersa de nuevo al interrogador.

El solicitante ha descubierto que una profundidad de modulación de entre el 20% y el 40% proporciona un compromiso aceptable entre, por una parte, una recuperación de señal eficaz por el interrogador del flujo de datos retrodispersado que transporta una señal de respuesta, y por otra parte, la captación adecuada por parte del transpondedor de energía procedente de la señal de activación que se va a almacenar en forma de voltaje en el condensador C_{2}.

En un primer ejemplo práctico la impedancia de la antena es de 463 ohmios con una inductancia de 11,7 nH a 915 MHz paralela a la misma. La resistencia R y el condensador C_{3} se seleccionan de forma que cuando el modulador esté "desconectado" (es decir, cuando el flujo de datos sea de alto nivel lógico), Z_{TINM} sea 463\Omega con una reactancia capacitiva de 2,54 pF a 915 MHz en paralelo con la misma. Cuando el flujo de datos es bajo y el modulador 30 se encuentra "conectado", el transistor T_{1} conmuta R_{2} a los circuitos del transpondedor, de forma que la impedancia no adaptada Z_{TINU} sea 148,9\Omega con una reactancia capacitiva de 2,27 pF a 915 MHz paralela a la misma. Esto produce una profundidad de modulación del orden del 30%.

En un segundo ejemplo práctico se usa una antena dipolo de media longitud de onda de tres elementos con una impedancia en el punto de alimentación de 680\Omega y una inductancia de 19 nH a 915 MHz paralela a la misma. La resistencia R y el condensador C_{3} se seleccionan de forma que cuando el modulador 30 se encuentra "desconectado", Z_{TINM} es 680\Omega en paralelo con 1,56 pF a 915 MHz. Cuando el modulador 30 se encuentra "conectado", la impedancia no adaptada Z_{TINU} es 475\Omega con 2,65 pF a 915 MHz en paralelo con la misma. Esto también produce una profundidad de modulación del orden del 30%.

En las figuras 7 a 9 se muestran, respectivamente, las formas de onda en los puntos X, Y y Z. Las formas de onda que se muestran en líneas discontinuas son las de los puntos correspondientes en los circuitos de los transpondedores de la técnica anterior utilizando una modulación del 100%.

Claims (12)

1. Un transpondedor (20) para un sistema de identificación electrónica, incluidos en dicho transpondedor circuitos del transpondedor (24, 26, 28, 30) que poseen un modulador (30) y una entrada para los circuitos del transpondedor, estando alimentado dicho transpondedor mediante una señal de activación emitida por el sistema de identificación electrónica caracterizado porque la impedancia de entrada no reactiva de los circuitos del transpondedor en dicha entrada es de al menos 400\Omega cuando el modulador (30) se encuentra en un estado de "desconexión", y cuando el transpondedor se alimenta mediante dicha energía de activación.

2. Un transpondedor según la reivindicación 1, que comprende una antena (22) que posee una impedancia en el punto de alimentación y que está caracterizado porque:

el modulador (30) está conectado a la entrada;

los circuitos del transpondedor incluyen un detector de señales (24) conectado a los circuitos moduladores (30) y lógicos (26) para generar un código de identificación;

la antena (22) está conectada directamente a la entrada de los circuitos del transpondedor sin un circuito de adaptación de impedancia entre la antena (22) y el modulador (30); y

la impedancia en el punto de alimentación de la antena (22) se adapta sustancialmente a dicha impedancia de entrada de los circuitos, del transpondedor cuando el modulador está en su estado de "desconexión".

3. Un transpondedor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque los circuitos del transpondedor incluyen un circuito multiplicador del voltaje (28).

4. Un transpondedor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los circuitos del transpondedor están integrados en un único chip (32).

5. Un transpondedor según la reivindicación 2, caracterizado porque la antena (22) es una antena dipolo multielemento.

6. Un transpondedor según la reivindicación 2, caracterizado porque la antena (22) es una antena dipolo de accionamiento descentrado.

7. Un transpondedor según una cualquiera de las reivindicaciones 2, 5 y 6, caracterizado porque el modulador (30) está dispuesto para modular dicha señal de activación recibida en dicha entrada a través de la antena (22) con el código de identificación a una profundidad de modulación menor del 80%.

8. Un transpondedor según una cualquiera de las reivindicaciones 2 y 5 a 7, caracterizado porque está dispuesto de tal forma que el código de identificación está contenido en una señal que incluye un flujo de datos binario, y porque el modulador (30) incluye medios de conmutación (T_{1}) conectados para que sean controlados por el flujo de datos para conmutar una disposición de impedancia (R_{2}) dentro y fuera de una parte de entrada de los circuitos del transpondedor (24, 26, 28, 30) para cambiar la impedancia de entrada entre un primer valor en el que se adapta sustancialmente a la impedancia en el punto de alimentación (Z_{AIN}) de la antena (22) y un segundo valor en el que es, como mucho, el 80% del primer valor para aplicar la modulación en dicha entrada.

9. Un transpondedor según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, caracterizado porque la profundidad de la modulación es de entre el 20% y el 40%.

10. Un transpondedor según la reivindicación 9, caracterizado porque la profundidad de la modulación es del orden del 30%.

11. Un transpondedor según la reivindicación 8, caracterizado porque los medios de conmutación incluyen un dispositivo de conmutación activo (T_{1}) y la disposición de impedancia incluye el resistor (R_{2}).

12. Un sistema de identificación electrónica que incluye un transpondedor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.