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Die
Erfindung betrifft ein Lesegerät
in Verbindung mit einer Antenne für ein RFID-System mit den im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Merkmalen sowie die Verwendung eines Antennenmoduls in
einem RFID-System.
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RFID
(radio frequency identification) dient der kontaktlosen Identifizierung
von Objekten. Ein RFID-System besteht aus einem Lesegerät (Reader),
einem oder mehreren Antennenmodulen und aus einem vom Lesegerät lesbaren
Datenträger,
welcher als Transponder ausgebildet ist. Ein typischer RFID-Transponder
hat eine Koppelantenne, einen analogen Schaltkreis zum Empfangen
und Senden von Hochfrequenzsignalen, einen digitalen Schaltkreis
und einen Speicher, wobei sich der analoge Schaltkreis, der digitale
Schaltkreis und der Speicher auf einem elektronischen Mikrochip
befinden.
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Angeregt
durch das Lesegerät
erzeugt eine Antenne ein elektromagnetisches Feld, welches die Koppelantenne
des Transponders empfängt.
Dabei entsteht in der Koppelantenne ein Induktionsstrom, welcher
den Mikrochip des Transponders aktiviert. Bei einem passiven Transponder
wird durch den induzierten Strom ein Kondensator aufgeladen, welcher
den Mikrochip mit Strom versorgt. Bei einem aktiven Transponder
wird der Mikrochip durch den in der Koppelantenne induzierten Strom
aktiviert und danach durch eine eingebaute Batterie mit Strom versorgt.
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Die
Reichweite eines RFID-Systems hängt davon
ab, mit welcher Frequenz es betrieben wird. Je nach Anwendung und
Anbieter werden RFID-Systeme auf Frequenzen zwischen 125 KHz und
5,8 GHz betrieben. Die Reichweite steigt mit der Frequenz. Im Bereich
sehr hoher Frequenzen von mehr als 100 MHz bis in den Gigahertzbereich
werden mit passiven Transpondern Reichweiten von einigen Metern bis
zu einigen 10 Metern und bei Verwendung von aktiven Transpondern
auch noch mehr erreicht. Solche Systeme mit hoher Reichweite werden
als Long-Range RFID-Systeme bezeichnet. Vor allem damit befasst
sich die vorliegende Erfindung.
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Das
Lesegerät
eines Long-Range RFID-Systems beinhaltet ein Hochfrequenzmodul,
mit welchem sowohl Hochfrequenzsignale gesendet als auch am Transponder
reflektierte Signale empfangen werden. Der Energieaustausch bzw.
Signalaustausch zwischen dem Transponder und dem Lesegerät geschieht über die
Koppelantenne des Transponders und über eine an das Lesegerät angeschlossene
Sende/Empfangsantenne.
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Ein
im Mikrochip des Transponders gespeicherter Code steuert den Energieaustausch
zwischen der Koppelantenne und dem Mikrochip des Transponders durch
Lastmodulation. Das bedeutet, dass die Impedanz des Mikrochips zwischen
zwei elektrischen Zuständen
wechselt, wobei im einen Zustand der Energieaustausch zwischen der
Koppelantenne und dem Mikrochip maximiert wird – dann wird im Transponder
möglichst
viel Energie aus dem Feld der Antenne des Lesegerätes absorbiert –, wohingegen
im anderen Zustand der Energieaustausch zwischen der Koppelantenne
und dem Mikrochip des Transponders minimiert wird – dann wird
vom Transponder möglichst
wenig Energie aus dem Feld der Antenne des Lesegerätes aufgenommen,
stattdessen wird die auf den Transponder auftreffende Strahlung
an ihm reflektiert. Das vom Transponder reflektierte Signal wird
vom Lesegerät
empfangen und ausgewertet.
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Die Übertragung
der im Mikrochip des Transponders digital gespeicherten Information
erfolgt durch Modulation des reflektierten Signals, die dadurch
zustande kommt, dass der in dem Mikrochip gespeicherte Code die
Impedanz des Mikrochips nach einem durch den gespeicherten Code
bestimmten Taktschema zwischen den Zuständen Absorption und Reflektion
wechseln lässt.
Das Lesegerät
liest die Information anhand des mit dem reflektierten Signal übermittelten
Taktschemas.
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RFID-Systeme
sind in der Produktion zur Steuerung und Überwachung von Produktionsprozessen,
in der Logistik zur Steuerung und Überwachung von Warenströmen und
in der Lagerhaltung zur Kontrolle des Warenbestandes und seiner
Veränderung
verbreitet. Bei der Identifikation von Waren, die nicht vereinzelt,
sondern im Pulk, z. B. auf Paletten angeliefert werden, ist es schwierig,
alle Gegenstände
zu erfassen. Versuche haben ergeben, dass die Erfassungsquote bei
der Identifikation von Waren auf Paletten sehr stark schwankt. Unter
sehr ungünstigen
Umständen
kann es sogar geschehen, dass überhaupt
keine Erfassung möglich
ist. Eine geringere Erfassungsquote mag hinnehmbar sein, wenn es nur
darum geht, die Art einer Ware auf einer Palette zu bestimmen, nicht
aber ihre Menge. Grundsätzlich besteht
jedoch das Ziel, Gegenstände,
die im Pulk angeliefert werden, vollständig zu erfassen. Dabei hat
man es mit folgenden Schwierigkeiten zu tun:
Die Energieübertragung
zwischen dem Lesegerät und
dem Transponder folgt den Gesetzen der Ausbreitung elektromagnetischer
Wellen. Die Abstrahlung sowie der Empfang findet über Antennen
statt. Die vom Lesegerät
zu empfangende Information steckt in dem am Transponder reflektierten
Signal.
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Das
am Transponder reflektierte Signal ist wegen der getakteten Lastmodulation
amplitudenmoduliert. Die Modulationsfrequenz beträgt typisch 200
KHz. Durch die Lastmodulation entstehen spektrale Signalanteile,
die sich in den Seitenbändern
neben dem Frequenzband des Sendesignals des Lesegerätes ausbilden.
In dem Seitenband steckt die Information, welche das Lesegerät empfangen
und lesen soll. Naturgemäß ist die
Leis tung, die im Seitenband übertragen
wird, deutlich kleiner als die des ursprünglichen unmodulierten Sendesignals.
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Aufgrund
der Ausbreitungsbedingungen nimmt die Signalstärke im Nahbereich einer Antenne mit
zunehmender Entfernung sehr stark ab. Das trifft für das vom
Lesegerät
gesendete Signal ebenso zu wie für
das vom Transponder reflektierte Signal. Das infolge von Reflektion
am Transponder zum Lesegerät
zurückkehrende
Signal hat die doppelte Wegstrecke zwischen Lesegerät und Transponder
zurückgelegt.
Das Lesegerät
empfängt
deshalb mit dem vom Transponder zurückkommenden Signal nur einen kleinen
Teil der ursprünglich
gesendeten Energie. Das bezeichnet man als Felddämpfung.
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Die
Koppelantenne auf einem Transponder kann im Verhältnis zur Wellenlänge des
zu übertragenden
Nutzsignals nur sehr klein sein. Dementsprechend ist ihre Wirkfläche ebenfalls
klein und schon deshalb ist der Teil der Energie, den die Koppelantenne
dem Feld der Sende-/Empfangsantenne entnehmen und reflektieren kann,
gering. Das bezeichnet man als die Reflektionsdämpfung.
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Da
der Gegenstand, an dem ein Transponder angebracht ist, eine beliebige
Orientierung haben kann, kann auch der Transponder eine beliebige
Orientierung zu der Sende-/Empfangsantenne des Lesegerätes haben.
Der Energieaustausch zwischen den am Lesegerät angeschlossenen Antennen
und der Koppelantenne des Transponders ist jedoch nur dann maximal,
wenn diese in ihrer Polarisation, d. h. in der Schwingungsebene
des elektrischen Feldes, übereinstimmen.
Ist das nicht der Fall, kommt es zu einer Signalabschwächung, die
als Polarisationsdämpfung
bezeichnet wird. Im ungünstigsten
Falle kann es zu einer vollständigen
Entkopplung zwischen den Antennen des Lesegerätes und des Transponders kommen.
Um das zu vermeiden, sind die Sende/Empfangsantennen an RFID-Lesegeräten üblicherweise
zirkular polarisiert. Bei zirkular-polarisierten Antennen werden
gleichzeitig zwei senkrecht zueinander stehende Schwingungsmoden
angeregt, die miteinander verkoppelt sind. Die Leistung teilt sich
im Sendebetrieb oder Empfangsbetrieb also auf diese beiden Schwingungsebenen
auf. Demgegenüber
ist die Koppelantenne des Transponders üblicherweise linear polarisiert.
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Die
am RFID-Lesegerät
angeschlossene zirkular polarisierte Antenne empfängt unabhängig von der
axialen Ausrichtung des Transponders immer vertikale oder horizontale
Anteile des reflektierten Signals. Eine vollständige Polarisationsentkopplung zwischen
den Antennen wird dadurch vermieden. Da die Transponderantenne jedoch
linear polarisiert ist und nur eine Polarisationsebene ausnutzt,
kann sowohl auf dem Weg vom Lesegerät zum Transponder als auch
auf dem Weg zurück
zum Lesegerät
jeweils nur höchstens
die Hälfte
des ursprünglichen – zirkularen – Signals übertragen
werden. Somit verliert das vom Lesegerät ursprünglich ausgesandte Signal grundsätzlich jeweils
mindestens den halben Energieanteil (–3 dB), so dass die Polarisationsdämpfung für den Hinweg
und den Rückweg
grundsätzlich
mindestens –6
dB beträgt.
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Hinzu
kommt eine Schwächung
des vom Lesegerät
wieder empfangenen Signals dadurch, dass sich der Transponder nicht
in der Richtung des Maximums des Strahlungsdiagramms befindet. Um
dem zu begegnen, ist es bekannt, ein Lesegerät in Verbindung mit mehreren
Antennen zu verwenden, die z. B. übereinander angeordnet sind,
was die Wahrscheinlichkeit erhöht,
dass sich eine der Antennen in einer Höhe befindet, in welcher der
Transponder am Lesegerät
vorbeibewegt wird. Das Lesegerät
ist häufig ortsfest
angeordnet. Es ist bekannt, die übereinander angeordneten
Antennen nacheinander mit dem HF-Sende- und Empfangmodul des Lesegerätes zu verbinden,
so dass nacheinander jede der Antennen die Chance hat, auf den Transponder
anzusprechen. Die Nachteile der Felddämpfung, der Reflektionsdämpfung und
der Polarisationsdämpfung
wirken sich aber auch in diesem Fall aus.
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Je
nach dem, wie die Umgebung des RFID-Lesegerätes beschaffen ist, kommt es
zwischen dem Lesegerät
und dem Transponder nicht nur zu einer direkten Übertragung, sondern auch zu Übertragungswegen,
auf denen ungewollte Reflektionen an Hindernissen auftreten, die
sich in der Umgebung befinden. Die ungewollten Reflektionen überlagern
sich dem direkt übertragenen
Nutzsignal und können
dieses überdecken
oder abschwächen.
Störungen
durch solche Überlagerungen
werden als Interferenzstörungen
bezeichnet.
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Wenn
die Erfassungsquote eines RFID-Systems unzureichend ist, führt eine
Erhöhung
der Sendeleistung des Lesegerätes
meist nicht zum Erfolg, weil der Anteil der gewünschten Reflektionen und ein Übersprechen
zwischen benachbart angeordneten Er fassungssystemen, z. B. an Kassen
von Einkaufsmärkten
oder an Gates, dann ebenfalls zunehmen. RFID-Systeme arbeiten deshalb
im Allgemeinen an ihrer Empfindlichkeitsgrenze.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen,
wie unter den geschilderten Widrigkeiten beim Einsatz von RFID-Systemen
deren Erfassungsquote gesteigert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Lesegerät
in Verbindung mit wenigstens einer Antenne mit den im Anspruch 1
angegebenen Merkmalen. Eine auf demselben Erfindungsgedanken beruhende zweite
Lösung
der Aufgabe ist im Anspruch 2 angegeben. Ferner wird die Aufgabe
durch die Verwendung eines Antennenmoduls gemäß den Ansprüchen 17 und 18 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach
der ersten Lösung
der Aufgabe steht das Lesegerät
mit einer oder mehreren Antennen für das Senden und Empfangen
der HF-Signale in Verbindung, wobei wenigstens eine Antenne wenigstens zwei
lineare Polarisationsrichtungen oder Polarisationsebenen aufweist,
zwischen welchen umgeschaltet werden kann.
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Bei
der zweiten Lösung
der Aufgabe steht das Lesegerät
nicht mit einer Antenne mit zwei oder mehr als zwei linearen Polarisationsrichtungen
bzw. -ebenen in Verbindung, sondern mit zwei oder mehr als zwei
linear polarisierten Antennen, die sich in ihrer Polarisationsrichtung
bzw. -ebene unterscheiden und aufeinander folgend einzeln an das
Lesegerät anschließbar sind,
vorzugsweise an ein im Lesegerät vorhandenes
HF-Modul.
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In
beiden Fällen
kann das Lesegerät
sowohl beim Aussenden als auch beim Empfangen von Signalen aufeinanderfolgend
mit unterschiedlichen linearen Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen
betrieben werden. Das Umschalten zwischen unterschiedlichen linearen
Polarisationen ersetzt das bei Lesegeräten für RFID-Systeme bisher übliche Arbeiten
mit zirkular polarisierten Antennen. Das hat wesentliche Vorteile:
- • Da
auch die Koppelantenne der üblichen
Transponder eine lineare Polarisationsebene aufweist, treten bei
gleicher Ausrichtung der Koppelantenne des Transponders und der
beteiligten Sende- und Empfangsantennen des Lesegerätes keine Polarisationsverluste
auf.
- • Befindet
sich die Ausrichtung der Koppelantenne des Transponders in einer
Zwischenstellung zwischen zwei Ausrichtungen, zwischen welchen die Antenne
bzw. Antennen des Lesegerätes
aufeinanderfolgend umgeschaltet wird bzw. werden, dann tritt zwar
eine Signalabschwächung
auf, doch ist diese wesentlich geringer als im Falle von Lesegeräten mit
zirkular polarisierten Antennen. Kann im Lesegerät aufeinanderfolgend zwischen zwei
zueinander senkrechten Polarisationsebenen umgeschaltet werden,
dann ist die Koppelantenne des Transponders im ungünstigsten
Falle unter einem Winkel von 45° zu
den beiden Polarisationsebenen der Sende-/Empfangsantenne(n) im
Lesegerät
orientiert, so dass der Polarisationsverlust zu einer Signalabschwächung von
höchstens
3 dB führt,
das Signal durch Polarisationsverluste also höchstens um die Hälfte geschwächt wird.
Gegenüber
Lesegeräten
mit zirkular polarisierten Antennen wird die Empfindlichkeit erfindungsgemäß ungefähr verdoppelt.
Dadurch ergibt sich mit einem erfindungsgemäßen Lesegerät eine deutliche Steigerung
der Erfassungsquote in einem RFID-System.
- • Das
erfindungsgemäße Ergebnis
lässt sich
mit geringem Aufwand erreichen.
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Die
Aufgabe wird auch durch die Verwendung eines Antennenmoduls in einem
RFID-System gelöst, welcher
eine oder mehrere Antennen für
das Senden von Signalen, welche von einem Lesegerät des RFID-Systems
angeregt sind, und für
das Empfangen von Signalen hat, die von einem Transponder zurückkommen,
wenn
entweder wenigstens eine Antenne wenigstens zwei lineare Polarisationsrichtungen
aufweist und eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, durch welche
zwischen den Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen der wenigstens
einen Antenne umgeschaltet werden kann
oder wenn zwei oder
mehr als zwei linear polarisierte Antennen, die sich in ihrer Polarisationsrichtung
bzw. -ebene unterscheiden, durch eine Umschalteinrichtung aufeinander
folgend einzeln an das Lesegerät anschließbar sind.
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Diese
beiden Varianten entsprechen den Lösungen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 und weisen die
entsprechenden Vorteile auf.
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Vorzugsweise
wird im Antennenmodul zwischen zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen
bzw. -ebenen umgeschaltet. Es können aber
auch Antennen, bei denen zwischen mehr als zwei Polarisationsrichtungen
bzw. -ebenen umgeschaltet werden kann, und/oder mehr als zwei Antennen
mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung bzw. -ebene vorgesehen
sein, wodurch sich die Empfindlichkeit des RFID-Systems noch weiter
steigern lässt. Wenn
im Antennenmodul zwischen mehr als zwei Polarisationsrichtungen
bzw. -ebenen umgeschaltet werden kann, dann geschieht das vorzugsweise
zyklisch.
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Die
Erfindung lässt
sich mit beliebigen linear-polarisierten Antennen verwirklichen,
z. B. mit zwei gekreuzten Dipolantennen. Eine andere, besonders
günstige,
Möglichkeit
ist die Verwendung von Patch-Antennen, die den Vorteil haben, dass
sie sich gut auf Leiterplatten integrieren lassen und eine starke
Richtwirkung aufweisen.
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Wie
häufig
zwischen den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen
umgeschaltet wird, hängt
einerseits davon ab, wie viel Zeit für den Lesevorgang zur Verfügung steht
und wie viel Zeit benötigt
wird, um die auf dem Mikrochip des Transponders gespeicherte Information
vollständig
zu übertragen.
Das Umschalten der Polarisation soll nicht in die Zeitspanne fallen,
in welcher die Information in Form eines Datentelegramms übertragen
wird. In diesen Grenzen erhöht
ein häufigeres
Umschalten die Wahrscheinlichkeit, dass tatsächlich alle Objekte eines Pulks
von Objekten durch das Lesegerät
erfasst werden.
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Vorzugsweise
ist die Frequenz, mit welcher zwischen den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen
bzw. -ebenen umgeschaltet wird, veränderlich und voreinstellbar
oder wählbar
und kann dem gewählten
RFID-Übertragungsprotokoll,
den zu erfassenden Objekten, der zu erwartenden Geschwindigkeit
der Objekte und dem zu überwachenden
Areal angepasst werden. Die Umschaltung zwischen den verschiedenen
Polarisationszuständen
kann in einem gleich bleibenden Takt oder in einem veränderlichen
Takt erfolgen, also schneller werdend oder langsamer werdend oder
innerhalb von vorgegebenen oder wählbaren Grenzen abwechselnd
schneller und langsamer werdend. Das Arbeiten mit wechselnden Takten
hat den Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit steigt, dass von den
Transpondern ausgesandte Datentelegramme auch dann, wenn deren Länge unbekannt
ist, vom Lesegerät
erfasst werden.
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Für das Umschalten
zwischen den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen bzw. Polarisationsebenen
ist im Antennenmodul vorzugsweise ein Hochfrequenzumschalter vorgesehen,
z. B. ein PIN-Dioden oder FET-Umschalter. Der Hochfrequenzumschalter
ist vorzugsweise im Antennenmodul zu einer Baugruppe zusammengefasst.
Eine den Hochfrequenzumschalter steuernde Steuerschaltung ist vorzugsweise
im Antennenmodul integriert vorgesehen, kann aber auch in einem
externen Steuergerät enthalten
sein, welches mit dem Antennenmodul zu verbinden ist.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
dass das Umschalten der Polarisation mit dem Lesevorgang des Lesegerätes synchronisiert
wird. Der Lesevorgang besteht darin, dass das Lesegerät an die
angeschlossenen Antennen zyklisch, in vorbestimmten Zeitabständen, Hochfrequenzsignale
sendet, sogenannte Leistungsbursts, die dazu dienen, den oder die
Transponder zu aktivieren. Durch die Synchronisierung des Umschaltens
der Polarisation auf die vom Lesegerät ausgesandten Signale wird
das Risiko minimiert, dass die vom Transponder zurückkommenden
Antwortsignale durch Umschalten der Polarisation Datenverluste erleiden.
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Zum
Zwecke der Synchronisation liegt in der vom Lesegerät zur Umschalteinrichtung
führenden Leitung
vorzugsweise ein Abzweiger oder eine Auskoppeleinrichtung, welche
einen Teil des vom Lesegeräts
an das Antennenmodul zu übertragenden Sendesignals
auskoppelt und an eine Schaltung übermittelt, welche daraus ein
die Umschalteinrichtung betätigendes
Steuersignal bildet. Diese Schaltung weist vorzugsweise einen Entscheider
auf, welcher sperrt, wenn die Leistung des ausgekoppelten Teils
des Sendesignals unterhalb einer vorgegebenen Schwelle bleibt. Dadurch
wird sichergestellt, dass nur deutliche Sendesignale zu einem Umschalten
der Polarisation führen.
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Vorzugsweise
weist die Schaltung weiterhin einen Pulsformer auf, welcher aus
dem ausgekoppelten Teil des Sendesignals, der die Schwelle des Entscheiders überwindet,
einen Rechteckimpuls formt. Mit diesem Rechteckimpuls lassen sich
definierte Schaltsignale erzeugen, insbesondere dadurch, dass ein
Flip-Flop oder ein Dualzähler
vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang der HF-Umschalteinrichtung
ver bunden ist. Ein Flip-Flop und ein Dualzähler können zwei diskrete Zustände annehmen,
mit denen die HF-Umschalteinrichtung umgeschaltet werden kann. Vorzugsweise
wird das Flip-Flop bzw. der Dualzähler durch die negative, abfallende
Flanke des Rechteckimpulses getriggert, so dass immer mit dem Abschluss
eines Lesevorganges die Polarisation umgeschaltet wird. Damit kann
sichergestellt werden, dass Einschwingvorgänge, welche dem Umschaltvorgang
folgen können,
abgeklungen sind, wenn die umgeschaltete Antenne vom Lesegerät beim nächsten Lesezyklus
aktiviert wird. Vom Umschaltvorgang verursachte Einschwingvorgänge führen deshalb
nicht zu einem Datenverlust beim Empfangen der von den Transpondern
kommenden Antwortsignale.
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Das
synchronisierte Umschalten der Polarisationsebenen der beteiligten
RFID-Antennen hat eine
Reihe von Vorteilen:
- • Es wird eine maximale Lesequote,
d. h. eine maximale Anzahl der erfolgreichen Lesevorgänge, während eines
Objektdurchlaufs durch ein Leseportal, erzielt.
- • Es
wird eine maximale Erfassungsquote, d. h. eine maximale Anzahl der
gelesenen Transponder während
eines Durchlaufs eines Stapels von Objekten durch ein Leseportal,
erzielt.
- • Die
Empfindlichkeit des RFID-Gesamtsystems wird deutlich erhöht.
- • Dadurch,
dass das Umschalten der Polarisation auf das Sendesignal synchronisiert
wird, erzielt man das optimale Taktschema unabhängig von der Art des verwendeten Übertragungsprotokolls.
- • Die
Synchronisierung ist unabhängig
von der Anzahl der verwendeten Antennen. Sie ist sowohl im einfachsten
Falle anwendbar, in welchem einem Lesegerät nur eine Antenne mit zwei
umschaltbaren Polarisationsrichtungen zugeordnet ist, als auch bei
Lesegeräten,
denen eine Vielzahl von Antennen oder Antennenanordnungen mit umschaltbarer
Polarisationsrichtung zugeordnet sind, welche zyklisch aktiviert
werden.
- • Aufgrund
der maximalen Erfassungsquote, die die Erfindung ermöglicht,
kann die zum Lesen notwendige Hochfrequenzleistung, die vom Lesegerät abgegeben
wird, minimiert werden, so dass die Strahlungsbelastung für die in
der Nähe
arbeitenden Personen ebenso minimiert wird wie ein unerwünschtes Übersprechen
zwischen benachbarten RFID-Systemen.
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Zweckmäßigerweise
werden das Lesegerät und
das wenigstens eine Antennenmodul als getrennte Geräte ausgebildet,
welche Schnittstellen haben, um sie miteinander zu verbinden. Es
ist aber auch möglich,
das Lesegerät
und das wenigstens eine Antennenmodul zu einer Einheit zusammenzufassen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung dienen die beigefügten
Zeichnungen, in welchen
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1 ein
RFID-System mit zwei linear polarisierten Antennen in gekreuzter
Anordnung zeigt,
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2 ein
RFID-System zeigt, welches für vier
Paare von linear polarisierten Antennen in gekreuzter Anordnung
ausgelegt ist, und
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3 ein
RFID-System zeigt, in welchem das Umschalten der Polarisation von
Sende- und Empfangsantennen im Antennenmodul mit den Lesevorgängen des
Lesegerätes
synchronisiert ist.
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1 zeigt
in einem RFID-Lesegerät 1 ein HF-Modul 2 und
ein damit verbundenes Antennenmodul 3, in welchem zwei
linear polarisierte Antennen 4 und 5 in rechtwinklig
gekreuzter Anordnung angeordnet sind. Zwischen den Antennen 4 und 5 kann durch
eine Umschalteinrichtung 6 umgeschaltet werden, insbesondere
durch einen Hochfrequenzschalter, welcher von einem Steuergerät 7 angesteuert wird,
welcher ein Steuersignal 8, z. B. ein Taktsignal, zur Betätigung der
Umschalteinrichtung 6 liefert. Das Antennenmodul 3 liefert
ausschließlich
linear polarisierte Sendesignale 9, welche an einer Koppelantenne 10 eines
Transponders reflektiert werden und als linear polarisierte Signale 11 zum
Lesegerät 1 zurückkehren.
Dabei ist mit einer Polarisationsschwächung von nicht mehr als –3 dB zu
rechnen.
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2 zeigt
die Anordnung aus einem RFID-Lesegerät 1 und einem Antennenmodul 3 erweitert
auf vier Antennen mit umschaltbarer Polarisation, jede bestehend
aus zwei linear polarisierten Antennen 4 und 5 in
rechtwinklig gekreuzter Anordnung. Jede der vier Antennenanordnungen
kann durch einen HF-Umschalter 6 umgeschaltet werden. Der HF-Umschalter 6 ist
durch eine in das Antennenmodul integrierte Steuereinheit 7 steuerbar.
Alternativ kann die Steuereinheit 7 auch als eigenständiges Gerät außerhalb
des Antennenmoduls 3 angeordnet sein. Alternativ kann die
Polarisation der vier Antennenanordnungen auch durch einen gemeinsamen HF-Umschalter 6 umgeschaltet
werden.
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Das
Lesegerät 1 steuert
alle vier Antennenanordnungen 4, 5 an und hat
zu diesem Zweck vier Tore 12, die mit dem Eingang des HF-Umschalter 6 verbunden
werden können.
Die vier Tore 12 werden der Reihe nach von dem im Lesegerät 1 vorgesehenen
HF-Modul angesteuert und liefern in der über der Zeitachse 13 dargestellten
Reihenfolge Hochfrequenzsignale 9, welche über die
jeweilige Antennenanordnung 4, 5 zu einem Transponder übertragen werden,
von dessen Koppelantenne reflektiert werden und als linear polarisierte
Antwortsignale zum Lesegerät 1 zurückkehren.
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Die
Ansteuerung der vier Antennenanordnungen, welche jeweils aus zwei
linear polarisierten Antennen in gekreuzter Anordnung bestehen,
geschieht in Zeitabständen,
die z. B. durch die Wahl des RFID-Übertragungsprotokolls des Lesegerätes 1 festgelegt
sind. Innerhalb eines vom Übertragungsprotokoll
festgelegten Lesezyklus werden alle umschaltbaren Antennen bzw.
Antennenanordnungen einmal angesteuert. Wenn eines der vier Tore 12 des Lesegerätes 1 offen
und die an das offene Tor 12 angeschlossene Antennenanordnung 4, 5 aktiv
ist, sind die anderen drei Tore 12 und Antennen in dieser
Zeit passiv.
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3 zeigt
eine Abwandlung des in 2 dargestellten Systems. Die
Abwandlung ermöglicht es,
das Umschalten der Anordnung aus den Antennen 4, 5 des
Antennenmoduls 3 mit den vom Lesegerät 1 ausgelösten Lesevorgängen zu
synchronisieren. Ein Lesevorgang besteht aus einem sogenannten Energieburst
von bestimmter Länge,
das ist ein Hochfrequenzsignal, das die Aufgabe hat, Energie zu den
Transpondern zu übertragen,
um diese zu aktivieren, indem die Koppelantenne im jeweiligen Transponder
einen Teil der Energie des Energiebursts aufnimmt und damit einen
im Transponder vorgesehenen mikroelektronischen Schaltkreis (Chip)
aktiviert. Dieser schaltet dann in einem vorgegebenen Taktschema,
welches durch einen im Chip des Transponders gespeicherten Code
bestimmt ist, zwischen zwei elektrischen Zuständen hin und her, nämlich zwischen
Absorption und Reflektion. Im Zustand der Absorption wird die aufgenommene
Energie vollständig
absorbiert, im Zustand der Reflektion wird die von der Koppelantenne
des Transponders aufgenommene Energie reflektiert. Das reflektierte Signal
wird vom Antennenmodul empfangen und im Lesegerät anhand des vom Transponder
bestimmten Taktschemas, das im reflektierten Signal erkennbar ist
und die gewünschte
Information darstellt, ausgewertet.
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Das
Sendesignal 9, der Energieburst, gelangt von einem der
Tore 12 des Lesegerätes 1 über eine
Leitung 14 zur HF-Umschalteinrichtung 6 und von
dort – je
nach Stellung der HF-Umschalteinrichtung 6 – zur Antenne 4 mit
der vertikalen Polarisation oder zur Antenne 5 mit der
horizontalen Polarisation. In der Leitung 14 liegt eine
Auskoppeleinrichtung 15, welche einen kleinen Teil des
Sendesignals 9 auskoppelt und einem Detektor 16 zuführt. Der
Ausgang des Detektors 16 ist mit einem Entscheider 17 verbunden,
in welchem eine Schwelle vorgebbar ist, welche die Leistung des
ausgekoppelten Teils des Sendesignals 9 überschreiten
muss, wenn daraus ein Steuersignal zum Umschalten der HF-Umschalteinrichtung 6 gebildet
werden soll. Der Entscheider 17 sperrt, wenn die Schwelle,
die vorzugsweise einstellbar ist, nicht erreicht wird. Wird die
Schwelle erreicht, wird das Signal durch einen Pulsformer 18 zu einem
Rechteckimpuls umgeformt. Der Pulsformer 18 und der Entscheider 17 können in
ein gemeinsames Bauteil integriert sein.
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Der
Rechteckimpuls triggert ein Flip-Flop, z. B. ein Toggel-Flip-Flop,
oder einen Dualzähler 19, welcher
zwischen zwei Zuständen „An" und „Aus" pendeln kann. Das
Ausgangssignal kann im Zustand „An" z. B. ein 5 Volt Spannungssignal und
im Zustand „Aus" z. B. 0 Volt sein.
Das Ausgangssignal des Flip-Flops oder Dualzählers 19 wird dem
Steuereingang der HF-Umschalteinrichtung 6 als Steuersignal zugeführt.
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Vorzugsweise
wird das Flip-Flop bzw. der Dualzähler 19 von der negativen
(abfallenden) Flanke des Rechteckimpulses getriggert, so dass stets mit
dem Ende des vom Lesegerät 1 ausgelösten Lesevorganges
die Polarisation der Antenne 4, 5 umgeschaltet
wird. Auf diese Weise besteht die größte Sicherheit, dass durch
den Umschaltvorgang nichts von der Information, die vom Transponder
zurückkommt,
verloren geht. Der Umschaltvorgang findet auf diese Weise in der
inaktiven Phase einer Antenne statt. Wenn die Antenne beim nächsten Lesezyklus des
Lesegerätes
aktiviert wird, befindet sie sich bereits in einem stabilen, eingeschwungenen
Zustand. Bitfehler, die durch Einschwingvorgänge beim Schalten auftreten
könnten,
wenn die positive Flanke des Rechteckimpulses zum Schalten herangezogen
würde,
werden vermieden, wenn – wie
es bevorzugt ist – die
negative, abfallende Flanke des Rechteckimpulses zum Schalten herangezogen
wird.
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Die
erfindungsgemäße Polarisationsumschaltung
kann bei allen Antennentypen bzw. Antennengruppen angewandt werden,
mit denen sich über mindestens
zwei Speisepunkte zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Polarisationen
anregen lassen, unabhängig
von der Bauart der Antenne, für
welche Dipole, Patchantennen, insbesondere Mikrostrip-Patchantennen,
und sonstige lineare Antennengruppen verwendet werden können.
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Die
Spannungsversorgung der am Umschaltvorgang beteiligten aktiven Komponenten
kann über
eine externe Spannungsquelle, aber auch mittels einer Einspeiseweiche
als eine Phantomspeisung erfolgen, bei welcher die Versorgung mit
Gleichspannung über
die Signalleitung erfolgt, auf welcher auch das Hochfrequenzsignal
zugeführt
wird.
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- 1
- Lesegerät
- 2
- HF-Modul
- 3
- Antennenmodul
- 4
- Dipolantenne
- 5
- Dipolantenne
- 6
- Umschalteinrichtung
- 7
- Steuergerät
- 8
- Taktsignal
- 9
- Sendesignal
- 10
- Koppelantenne
- 11
- reflektiertes
Signal
- 12
- Tore
des Lesegerätes
- 13
- Zeitachse
- 14
- Leitung
- 15
- Auskoppeleinrichtung
- 16
- Detektor
- 17
- Entscheider
- 18
- Pulsformer
- 19
- Flip-Flop
oder Dualzähler