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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder (radio
frequency identification) sowie einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer
solchen Antenne.
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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der draht- und kontaktlosen Kommunikation.
Sie liegt insbesondere auf dem Gebiet der funkbasierten Kommunikation
zum Zwecke der Identifikation von Gegenständen, Tieren, Personen etc.
sowie den hierfür
eingesetzten Transpondern und „Remote
Sensors".
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Wenngleich
prinzipiell auf beliebige kontaktlose Kommunikationssysteme anwendbar,
werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende
Problematik nachfolgend in Bezug auf RFID-Kommunikationssysteme
und deren Anwendungen erläutert.
RFID steht hierbei für "Radio Frequency identification".
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Bei
RFID-Systemen werden zwischen einer stationären oder mobilen Basisstation,
die oft auch als Lesegerät, „Reader" oder Schreib-/Lesegerät bezeichnet
wird, und einem oder mehreren Transpondern, die an den zu identifizierenden
Gegenständen, Tieren
bzw. Personen angebracht sind, Daten mit Hilfe von hochfrequenten
Funksignalen bidirektional übertragen.
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Der
Transponder, der auch als „Tag" oder „Label" bezeichnet wird,
weist regelmäßig eine
Antenne zum Empfangen des von der Basisstation abgestrahlten Funksignals
sowie eine mit der Antenne verbundene integrierte Schaltung (IC)
auf. Die integrierte Schaltung beinhaltet hierbei eine Empfangsschaltung
zum Empfangen und Demodulieren des Funksignals sowie zum Detektieren
und Verarbeiten der gesendeten Daten. Außerdem weist die integrierte
Schaltung einen Speicher zum Ablegen der für die Identifikation des entsprechenden
Gegenstandes erforderlichen Daten auf. Weiterhin kann der Transponder
einen Sensor z.B. zur Temperaturmessung, der z.B. ebenfalls Teil
der integrierten Schaltung ist, umfassen. Solche Transponder werden
auch als „Remote
Sensors" bezeichnet.
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RFID-Transponder
können überall dort
vorteilhaft eingesetzt werden, wo eine automatische Kennzeichnung,
Erkennung, Abfrage oder Überwachung
erfolgen soll. Mit Hilfe von solchen Transpondern sind Gegenstände wie
z.B. Behälter,
Paletten, Fahrzeuge, Maschinen, Gepäckstücke, aber auch Tiere oder Personen
individuell markierbar und kontaktlos sowie ohne Sichtverbindung
identifizierbar. Bei „Remote
Sen sors" können darüber hinaus
physikalische Eigenschaften bzw. Größen erfaßt und abgefragt werden.
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Auf
dem Gebiet der Logistik können
Container, Paletten und dergleichen identifiziert werden, um beispielsweise
im Verlauf ihres Transportes den aktuellen Aufenthaltsort zu bestimmen.
Bei „Remote
Sensors" kann z.B.
die Temperatur der transportierten Waren oder Güter regelmäßig gemessen und abgespeichert
und zu einem späteren
Zeitpunkt ausgelesen werden. Auf dem Gebiet des Plagiatschutzes können Gegenstände wie
z.B. integrierte Schaltungen mit einem Transponder versehen werden,
um unautorisierte Nachbauten zu verhindern. Im Handelsbereich können RFID-Transponder die vielfach auf
Produkten angebrachten Barcodes ersetzen. Weitere Anwendungen bestehen
z.B. im Kraftfahrzeugbereich bei Wegfahrsperren oder Systemen zur Überwachung
des Luftdrucks in Reifen sowie in Systemen zur Personen-Zugangskontrolle.
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Passive
Transponder verfügen
nicht über eine
eigenständige
Energieversorgung und entnehmen die für ihren Betrieb erforderliche
Energie dem von der Basisstation emittierten elektromagnetischen Feld.
Semi-passive Transponder weisen zwar eine eigene Energieversorgung
auf, verwenden die durch sie bereitgestellte Energie aber nicht
zum Senden/Empfangen von Daten, sondern beispielsweise zum Betreiben
eines Sensors.
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RFID-Systeme
mit passiven und/oder semi-passiven Transpondern, deren maximaler
Abstand von der Basisstation deutlich über einem Meter liegt, werden
in Frequenzbereichen betrieben, die insbesondere im UHF- oder Mikrowellenbereich
liegen.
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In
solchen passiven/semipassiven RFID-Systemen mit relativ großer Reichweite
kommt zur Datenübertragung
von einem Transponder zur Basisstation im allgemeinen ein Rückstrahlverfahren („Backscattering") zum Einsatz, im
Zuge dessen ein Teil der von der Basisstation beim Transponder ankommenden
Energie reflektiert (rückgestrahlt)
wird. Hierbei wird das von der Basisstation abgestrahlte Trägersignal
in der integrierten Schaltung des Transponders entsprechend den
an die Basisstation zu übertragenden
Daten moduliert und mittels der Transponder-Antenne reflektiert.
Solche Transponder werden als rückstreubasierte
Transponder bezeichnet.
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Um
bei rückstreubasierten
Transpondern eine möglichst
große
Reichweite zu erzielen, ist es erforderlich, einen möglichst
hohen Anteil der von der Basisstation beim Transponder ankommenden
Energie der integrierten Empfangsschaltung des Transponders zuzuführen. Leistungsverluste
jeglicher Art sind hierbei zu minimieren. Hierzu sind einerseits Transponder-Antennen
mit einem relativ breiten Empfangsfrequenzbereich erforderlich.
Solche relativ breitbandigen Antennen können darüber hinaus den Vorteil bieten,
die Anforderungen mehrerer nationaler oder regionaler Regulierungsbehörden mit
nur einem Antennentyp zu erfüllen.
Andererseits ist die von der Transponder-Antenne aufgenommene Energie
möglichst
ungeschmälert
der integrierten Empfangsschaltung zuzuführen, die üblicherweise eine kapazitive
Eingangsimpedanz, d.h. eine Impedanz mit negativem Imaginärteil aufweist.
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Aus
der
DE 103 93 263
T5 ist eine Antenne für
ein RFID-System bekannt, die eine Planarwendelstruktur mit zwei
Zweigen aufweist. Ausgehend von einem zentralen Bereich erstrecken
sich die beiden Zweige jeweils wendelförmig nach außen. Die
Eingangsimpedanz dieser Antenne ist ebenfalls kapazitiv.
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Nachteilig
ist hierbei, dass die Impedanz dieser Antenne stark vom konjugiert
komplexen Wert der Impedanz des Chipeingangsschaltkreises abweicht
und deshalb zwischen Antenne und Chip ein zusätzlicher, separater Anpassungsschaltkreis
mit einer Spule und einem Kondensator erforderlich ist. Aufgrund
von parasitären
Widerständen
dieser Bauelemente kommt es transponderseitig zu Leistungsverlusten,
die nachteiligerweise die Reichweite reduzieren. Weiterhin schränkt der
separate Anpassungsschaltkreis die Freiheit bei der Platzierung
des Chips ein und verursacht aufwendigere und daher kostenintensivere
Implementierungen des Transponders.
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Aus
dem in Electronics Letters, Vol. 41, No. 20, 29. September
2005 auf den Seiten 1091-1092 erschienenen Artikel „Broadband
RFID tag antenna with quasi-isotropic radiation Pattern" von C. Cho, H. Choo
und I. Park ist eine Antenne für ein UHF-RFID-System bekannt, die zwei geknickte
Dipole und ein Doppel-T-Anpassungsnetzwerk
aufweist. Der Flächenbedarf
dieser Antenne beträgt
79 mm × 53
mm. Für
die Reichweite des RFID-Systems ist ein Bereich von 1,7 m bis 2,4
m angegeben.
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Bei
vielen Anwendungen steht für
die Antenne jedoch nur eine kleinere Fläche zur Verfügung. Für manche
Anwendungen sowie für
eine einfache Herstellung der Antenne auf einem Band sind darüber hinaus
längliche
Antennen mit einer relativ kleinen Breite bis ca. 35 mm und einer
Länge von
bis zu 100 mm vorteilhaft. Außerdem
erfordern viele Anwendungen eine größere Reichweite.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Antenne für
einen rückstreubasierten
RFID-Transponder mit einer integrierten Empfangsschal tung (IC) zum
Empfangen eines spektral in einem Betriebsfrequenzbereich liegenden Funksignals
anzugeben, die einfachere und kostengünstigere Implementierungen
sowie größere Reichweiten
ermöglicht
und dennoch einen sehr breitbandigen Empfang von hochfrequenten
Funksignalen erlaubt und eine möglichst
omnidirektionale Richtcharakteristik aufweist. Es ist weiterhin
die Aufgabe der Erfindung, einen einfach und kostengünstig zu
realisierenden rückstreubasierten
RFID-Transponder anzugeben, der eine größere Reichweite bei einem sehr
breitbandigen, omnidirektionalen Empfang von hochfrequenten Funksignalen
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Antenne und einen rückstreubasierten RFID-Transponder
mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 25.
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Die
erfindungsgemäße Antenne
beinhaltet a) zwei Antennenzweige, die sich von einem Anschlussbereich,
in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung
verbindbar sind, nach außen
erstrecken, b) einen bügelförmigen ersten
Leiterbahnabschnitt, der ausgestaltet ist, die Antennenzweige miteinander
zu verbinden, wobei c) jeder Antennenzweig einen mit dem Anschlussbereich verbundenen
U-förmigen
zweiten Leiterbahnabschnitt aufweist, und d) jeder Antennenzweig
einen mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt verbundenen und parallel
zum zweiten Leiterbahnabschnitt verlaufenden U-förmigen dritten Leiterbahnabschnitt
aufweist.
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Der
erfindungsgemäße rückstreubasierte RFID-Transponder
weist eine integrierte Empfangsschaltung mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz sowie
eine mit der integrierten Empfangsschaltung verbundene erfindungsgemäße Antenne
auf.
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Das
Wesen der Erfindung besteht darin, zwei U-förmige, parallel zueinander
verlaufende und miteinander verbundene (kontaktierte) Leiterbahnabschnitte
in jedem der beiden Antennenzweige anzuordnen. Dies ermöglicht Antennen
und Transponder, die nur eine sehr kleine, z.B. längliche
Fläche
in Anspruch nehmen und einfacher und kostengünstiger implementiert werden
können.
Gleichzeitig ermöglicht
eine solche Antenne größere Reichweiten
und erlaubt dennoch einen sehr breitbandigen und weitgehend richtungsunabhängigen Empfang
von hochfrequenten Funksignalen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie
der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu entnehmen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Antenne
sind die zweiten und dritten Leiterbahnabschnitte so ausgestaltet,
dass die Antenne eine Ein gangsimpedanz mit einem im Betriebsfrequenzbereich
induktiven Blindwiderstand aufweist, dessen Frequenzgang im Betriebsfrequenzbereich
einen Wendepunkt und/oder einen lokalen Maximalwert und/oder einen
lokalen Minimalwert aufweist. Hierzu wird vorzugsweise eine Bahnlänge entlang
der zweiten und dritten Leiterbahnabschnitte so gewählt, dass
diese Forderung an den Frequenzgang erfüllt ist. Dies ermöglicht sehr
große Reichweiten
und einen besonders breitbandigen und weitgehend richtungsunabhängigen Empfang
von hochfrequenten Funksignalen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die zweiten
und dritten Leiterbahnabschnitte jeweils stückweise gerade ausgestaltet.
Hierdurch läßt sich
bei einer vorgegebenen rechteckigen oder quadratischen Fläche eine
bessere Flächenausnutzung
durch die Antenne erreichen.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
ist der erste Leiterbahnabschnitt derart ausgestaltet, dass die
Antenne im Betriebsfrequenzbereich Werte einer induktiven Eingangsimpedanz
aufweist, die derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven
Eingangsimpedanz angenähert
sind, dass zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine
Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist. Vorzugsweise
ist der erste Leiterbahnabschnitt 24 derart ausgestaltet,
dass die Antenne im Betriebsfrequenzbereich Werte einer induktiven
Eingangsimpedanz aufweist, deren Realteil unterhalb von 35 Ohm liegt
und deren Imaginärteil betragsmäßig oberhalb
von 170 Ohm liegt. Auf diese Weise ergeben sich besonders hohe Reichweiten
sowie besonders einfach zu implementierende Transponder.
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Vorzugsweise
weist jeder Antennenzweig einen mäanderförmigen vierten Leiterbahnabschnitt auf,
der ausgestaltet ist, den Anschlussbereich mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt
des Antennenzweiges zu verbinden. Hierdurch kann vorteilhaft die
Gesamtlänge
der durch die Antenne belegten Fläche reduziert werden. Vorzugsweise
weisen die vierten Leiterbahnabschnitte hierbei eine dritte Bahnbreite
auf, die kleiner ist als eine erste Bahnbreite eines zweiten oder
dritten Leiterbahnabschnitts. Hierdurch lassen sich vorteilhaft
kleine Wirkwiderstandswerte der Antennenimpedanz erreichen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen RFID-Transponders
ist die integrierte Empfangsschaltung im Anschlussbereich der Antenne
angeordnet. Dies ermöglicht
sehr einfache Implementierungen des Transponders.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
jeder Antennenzweig eine dünne
leitfähige
Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und ist die integrierte Empfangsschaltung
auf diesem Substrat ausgebildet. Dies ermöglicht besonders einfache Implementierungen
des Transponders.
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1 ein
RFID-System mit einem erfindungsgemäßen Transponder;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Antenne;
und
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3 einen
Frequenzgang der Eingangsimpedanz einer Antenne gemäß 2.
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1 zeigt
schematisch ein Beispiel eines RFID-Systems. Das RFID-System 10 weist
eine Basisstation 11 und mindestens einen erfindungsgemäßen Transponder 15 auf.
Mit Hilfe von hochfrequenten Funksignalen tauscht die Basisstation 11 kontaktlos
und bidirektional Daten mit dem oder den Transpondern 15 aus.
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Die
Basisstation 11 weist mindestens eine Antenne 12 zum
Senden und Empfangen von Funksignalen in einem Betriebsfrequenzbereich
fB, eine mit der/den Antenne(n) verbundene Sende-/Empfangseinheit 13 zum
Senden und Empfangen von Daten sowie eine mit der Sende-/Empfangseinheit verbundene
Kontrolleinheit 14 zum Steuern der Sende-/Empfangseinheit 13 auf.
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Der
rückstreubasierte,
passive oder semi-passive Transponder 15 weist eine Antenne 16 zum
Empfangen des spektral im Betriebsfrequenzbereich fB liegenden Funksignals
und eine mit der Antenne verbundene Empfangsschaltung 17 zum
Demodulieren des empfangenen Funksignals und zum Detektieren der
darin enthaltenen Daten auf. Die Empfangsschaltung 17 ist
hierbei Teil einer in 1 nicht dargestellten integrierten
Schaltung (IC), z.B. eines ASICs (application specific integrated
circuit) oder eines ASSPs (application specific standard product),
die außerdem
regelmäßig einen
Speicher zum Ablegen der für
eine Identifikation der entsprechenden Gegenstände erforderlichen Daten aufweist.
Gegebenenfalls beinhaltet der Transponder 15 bzw. die integrierte
Schaltung weitere in 1 nicht dargestellte Komponenten
wie z.B. einen Sensor zur Temperaturbestimmung. Solche Transponder
werden auch als „Remote
Sensors" bezeichnet.
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Nachfolgend
wird davon ausgegangen, dass der Betriebsfrequenzbereich fB im UHF-Frequenzband
liegt, und zwar in einem Frequenzbereich zwischen ca. 840 MHz und
ca. 960 MHz. Alternativ kann sich der Betriebsfrequenzbereich auch
im nahezu weltweit verfügbaren
ISM-Band (industrial, scientific, medical) zwischen 2,4 und 2,5 GHz
erstrecken. Weitere alternative Betriebsfrequenzbereiche liegen
bei 315 MHz, 433 MHz bzw. 5,8 GHz.
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Aufgrund
von unterschiedlichen aktuellen Anforderungen der Regulierungsbehörden bzgl.
der im Frequenzbereich zwischen 840 und 960 MHz maximal zulässigen Sendeleistungen
werden im Lesebetrieb Reichweiten von ca. 5 m für den europäischen Markt (500 mW ERP) und
ca. 11 m für
die USA (4 W EIRP) angestrebt.
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Die
integrierte Empfangsschaltung 17 bzw. der Eingangsschaltkreis
des IC weist eine komplexwertige Eingangsimpedanz Z1 mit einem Realteil (Wirkwiderstand)
R1 und einem Imaginärteil
(Blindwiderstand) X1 auf. Der Wirkwiderstand R1 ist hierbei zur
Minimierung von Leistungsverlusten vorzugsweise relativ klein. Der
Blindwiderstand X1 ist regelmäßig kapazitiv
(X1 < 0) und insbesondere
bei kleinen Werten des Wirkwiderstandes R1 betragsmäßig größer als
der Wirkwiderstand: |X1| > R1.
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Von
der Anmelderin entwickelte integrierte Empfangsschaltungen 17 weisen
Eingangsimpedanzen Z1 mit Wirkwiderständen R1 im Bereich von ca. 4
... 35 Ohm und kapazitiven Blindwiderständen X1, deren Absolutwerte über ca.
170 Ohm liegen, auf. Der Betrag des Imaginärteils (|X1|) übersteigt
den Realteil (R1) damit deutlich: |X1| > 4·R1.
Bei fortschreitender Herstellungstechnologie von integrierten Schaltungen
und damit abnehmenden Strukturgrößen ist
von betragsmäßig weiter
zunehmenden kapazitiven Blindwiderständen X1 auszugehen.
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Die
Antenne 16 des Transponders 15 weist Antennenzweige
auf, die sich von einem Anschlussbereich, in dem die Antennenzweige
mit der Empfangsschaltung 17 verbunden (kontaktiert) sind,
nach außen
erstrecken. Vorzugsweise sind die Antennenzweige und die integrierte
Empfangsschaltung 17 auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele
der Antenne 16 beschrieben.
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2 zeigt
in einer Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne
für einen
rückstreubasierten
RFID-Transponder 15 gemäß der vorstehenden
Beschreibung.
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Die
Antenne 20 weist genau zwei Antennenzweige 21 und 22 auf,
die sich vom Anschlussbereich 23, in dem die Antennenzweige
mit der integrierten Empfangsschaltung 17 (1)
verbunden sind, nach außen
erstrecken. Die Zweige 21, 22 sind hierbei mittels
eines bügelförmigen Leiterbahnabschnitts 24 miteinander
verbunden. Jeder Antennenzweig 21, 22 weist einen
mit dem Anschlussbereich 23 verbundenen mäanderförmigen Leiterbahnabschnitt 25 auf,
einen mit dem Abschnitt 25 verbunde nen und sich daran anschließenden U-förmigen Leiterbahnabschnitt 26 und
einen weiteren, mit dem Abschnitt 26 verbundenen und sich
daran anschließenden
U-förmigen Leiterbahnabschnitt 27 auf,
der parallel zum Abschnitt 26 verläuft.
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Jeder
Schenkel des U-förmigen
Abschnitts 26 ist hierbei parallel zu einem jeweiligen,
benachbarten Schenkel des U-förmigen
Abschnitts 27 desselben Antennenzweiges angeordnet, so
dass die drei Schenkel des Abschnits 26 parallel und in
einem einheitlichen, festen (konstanten) Abstand d verlaufen zu
den drei Schenkeln des Abschnitts 27 desselben Antennenzweiges.
Außerdem
ist in jedem Zweig der Abschnitt 26 in einem vom Abschnitt 27 umfassten
Innenraum (Innenfläche)
angeordnet, wobei die Öffnungen
der beiden U-förmigen
Abschnitte in dieselbe Richtung zeigen.
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Bezeichnet
man die jeweils zwei Enden der U-förmigen Leiterbahnabschnitte 26 mit 26a und 26b und
diejenigen der U-förmigen
Abschnitte 27 mit 27a und 27b, so ist
in jedem Antennenzweig 21, 22 ein äußeres Ende 26b des
Abschnitts 26 mit einem äußeren Ende 27a des
Abschnitts 27 verbunden, so dass die U-förmigen Abschnitte 26, 27 desselben
Antennenzweiges an jeweils einem äußeren („ersten") Ende 26b, 27a elektrisch
leitend miteinander verbunden sind. Unter einem „äußeren" Ende ist hierbei dasjenige („erste") Ende des entsprechenden
Abschnitts zu verstehen, das ausgehend vom Anschlussbereich 23 entlang
der Leiterbahnabschnitte (im Sinne einer Wegstrecke) weiter entfernt
ist vom Anschlussbereich 23 als das jeweils andere, innere („zweite") Ende desselben
Abschnitts. Das „äußere" Ende entspricht
also jeweils dem (entlang der Abschnitte) vom Anschlussbereich 23 abgewandten
Ende.
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Weiterhin
ist in jedem Antennenzweig 21, 22 ein inneres
Ende 26a des Abschnitts 26 mit einem inneren Ende 27b des
Abschnitts 27 verbunden, so dass die U-förmigen Abschnitte 26, 27 desselben
Antennenzweiges am jeweils anderen, inneren („zweiten”) Ende 26a, 27b ebenfalls
elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Außerdem ist
in jedem Antennenzweig 21, 22 das innere Ende 26a sowie
das innere Ende 27b mit dem Anschlussbereich 23 verbunden,
und zwar über
ein äußeres, d.h.
vom Anschlussbereich 23 abgewandtes, Ende 25b des
Abschnitts 25 und über diesen
Abschnitt 25 selbst. Damit sind die U-förmigen Abschnitte 26, 27 desselben
Antennenzweiges am jeweils anderen, inneren („zweiten") Ende (26a, 27b) elektrisch
leitend mit dem äußeren Ende 25b des
mäanderförmigen Abschnitts 25 desselben
Antennenzweiges verbunden.
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Der
bügelförmige Leiterbahnabschnitt 24 verbindet
die mäanderförmigen Abschnitte 25 der beiden
Antennenzweige 21, 22 miteinander und bildet eine
zwischen die An tennenzweige 21, 22 geschaltete
Parallelinduktivität.
Vorzugsweise weist der bügelförmige Leiterbahnabschnitt 24 zwei
zueinander parallele erste Teilabschnitte 24a und einen
senkrecht zu den ersten Teilabschnitten angeordneten und diese miteinander
verbindenden zweiten Teilabschnitt 24b auf. Ausgehend vom
Anschlussbereich 23 erstreckt sich der bügelförmige Leiterbahnabschnitt 24 vorzugsweise
in ein unbelegtes Gebiet zwischen den äußeren Enden 26b, 27a des
oberen Antennenzweiges 21 und den äußeren Enden 26b, 27a des
unteren Antennenzweiges 22.
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Jeder
mäanderförmige Abschnitt 25 bildet eine
in seinen Antennenzweig eingebrachte Serieninduktivität.
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Zusätzlich zu
den Abschnitten 24-27 weist die Antenne 20 vorzugsweise
einen weiteren Leiterbahnabschnitt 28 auf, der die zwei
U-förmigen
Abschnitte 27 der beiden Antennenzweige 21, 22 miteinander
verbindet. Hierbei verbindet der Abschnitt 28 die beiden
inneren Enden 27b der Abschnitte 27 der beiden
Antennenzweige 21, 22 und damit auch die beiden
inneren Enden 26a der Abschnitte 26 der beiden
Antennenzweige sowie die beiden äußeren Enden 25b der
mäanderförmigen Abschnitte 25 der beiden
Antennenzweige elektrisch leitend miteinander.
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Die
Leiterbahnabschnitte 24 und 26-28 sind vorzugsweise
stückweise
gerade bzw. polygonal ausgestaltet, wie in 2 zu erkennen
ist. Die Winkel zwischen den geraden Teilabschnitten betragen hierbei
vorzugsweise jeweils 90 Grad. In weiteren Ausführungsformen sind „Ecken" der Leiterbahnen
rundlich oder abgeschrägt
z.B. mit 45- bzw. 135-Grad-Winkeln ausgeführt.
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Die
beiden Antennenzweige 21, 22 sind in ihrer Form
vorzugsweise symmetrisch zueinander ausgestaltet. Der in 2 unten
dargestellte Antennenzweig 22 entspricht einer Spiegelung
des oben dargestellten Antennenzweiges 21 an einer horizontalen,
durch den Anschlussbereich 23 verlaufenden Achse bzw. Ebene
S – und
umgekehrt.
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Weiterhin
sind die Antennenzweige 21, 22 vorzugsweise planar
ausgebildet und liegen in einer gemeinsamen Ebene (Zeichenebene
der 2).
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Vorzugsweise
umfassen die beiden Antennenzweige 21, 22 jeweils
eine dünne
leitfähige Schicht
z.B. aus Kupfer, Silber etc., die auf einem gemeinsamen Substrat
z.B. aus Polyimid oder auf einer Leiterplatte ausgebildet ist. Vorzugsweise
ist auf diesem Substrat auch die integrierte Empfangsschaltung 17 (1)
des Transponders ausgebildet. Alternativ kann die dünne leitfähige Schicht
auf einer Folie aufgebracht sein, auf der mittels Flip-Chip-Technik die
integrierte Empfangsschaltung angeordnet ist. Der zumindest aus
Antenne und integrierter Empfangsschaltung bestehende Transponder
wird schließlich
an dem zu identifizierenden Gegenstand angebracht.
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Im
Anschlussbereich 23 sind die Antennenzweige 21, 22 mit
der integrierten Empfangsschaltung 17 des Transponders 15 kontaktiert (1).
Die Empfangsschaltung 17 ist vorzugsweise direkt im Anschlussbereich 23 angeordnet.
Hierdurch vereinfacht sich vorteilhaft die Implementierung des Transponders.
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Wie
aus 2 zu erkennen ist, weisen die Leiterbahnabschnitte 24-28 eine
Bahnbreite auf, die entlang der Teilabschnitte stückweise
konstant ist. Die Bahnbreite bleibt vorzugsweise in jedem geraden Teilabschnitt
konstant, ändert
sich aber „sprunghaft" von Teilabschnitt
zu Teilabschnitt. Ausgehend vom Anschlussbereich 23 kann
der erste Teilabschnitt eine erste Breite aufweisen, der nächste gerade
Teilabschnitt eine zweite, größere Breite,
und der dritte Teilabschnitt eine dritte (im Vergleich zu zweiten
Breite wiederum) größere Breite
etc..
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Vorzugsweise
stimmt die Bahnbreite der U-förmigen
Abschnitte 26 mit der Bahnbreite der U-förmigen Abschnitte 27 und
ggf. mit der Bahnbreite des Abschnitts 28 überein.
Diese Bahnbreite, die in 2 mit Wb2 bezeichnet ist, nimmt
beispielsweise einen Wert von 2,0 mm an. Demgegenüber sind
die Bahnbreiten im bügelförmigen Abschnitt 24 und
den mäanderförmigen Abschnitten 25 vorzugsweise
kleiner als in den Abschnitten 26, 27. In 2 weisen
die Abschnitte 24 und 25 exemplarisch dieselbe
Bahnbreite Wb1 auf. Sie nimmt beispielsweise einen Wert von 0,5
mm an.
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Die
in 2 dargestellte Antenne 20 beansprucht
eine Fläche
mit einer Gesamtlänge
L von ca. 87 mm und einer Gesamtbreite W von ca. 23 mm, so dass
sich diese Antenne insbesondere für eine Herstellung auf einem
Band (W < ca. 35
mm) und/oder für
Anwendungen eignet, bei denen eine längliche Fläche für die Antenne zur Verfügung steht.
Die größte geometrische
Abmessung (L) dieser Antenne liegt damit für alle Wellenlängen λ = c/f des
Betriebsfrequenzbereichs fB (mit f = 840 ... 960 MHz) unterhalb des
Wertes λ/π = 99 mm,
so dass es sich bei der Antenne 20 gemäß der Definition von Wheeler
(1975) um eine „elektrisch
kleine" Antenne
handelt. Die Antenne 20 ist damit besonders platzsparend,
so dass besonders einfache und kostengünstige Transponderrealisierungen
ermöglicht
werden.
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Die
komplexwertige Eingangsimpedanz der Antenne 20 ist nachfolgend
mit Z2 = R2 + j·X2
bezeichnet, wobei R2 den Wirkwiderstand und X2 den Blindwiderstand
der Antenne angeben.
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Vorzugsweise
sind die U-förmigen
Leiterbahnabschnitte 26, 27 so ausgestaltet, dass
die Antenne 20 eine Eingangsimpedanz Z2 mit einem im Betriebsfrequenzbereich
fB induktiven Blindwiderstand X2 > 0
aufweist, dessen Frequenzgang X2(f) im Betriebsfrequenzbereich fB
einen Wendepunkt im mathematischen Sinne aufweist.
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Weiterhin
ist der bügelförmige Leiterbahnabschnitt 24 vorzugsweise
derart ausgestaltet, dass die Antenne 20 im Betriebsfrequenzbereich
fB Werte einer induktiven Eingangsimpedanz Z2 aufweist, die derart
an die konjugiert komplexen Werte Z1' der kapazitiven Eingangsimpedanz Z1
der integrierte Empfangsschaltung 17 angenähert sind,
dass zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine Schaltungsanordnung
zur Impedanzanpassung erforderlich ist (siehe 1).
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Diese
Sachverhalte sind nachfolgend mit Bezug auf 3 näher erläutert.
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3 zeigt
schematisch den Frequenzgang der Eingangsimpedanz Z2 einer erfindungsgemäßen Antenne
gemäß dem vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im oberen Teil der Figur ist hierbei der Blindwiderstand X2, d.h.
der Imaginärteil
von Z2, über
der Frequenz f aufgetragen, während
im unteren Teil der Wirkwiderstand R2, d.h. der Realteil von Z2,
dargestellt ist. Der o.g. Betriebsfrequenzbereich fB zwischen ca.
840 MHz und ca. 960 MHz ist in 3 hervorgehoben.
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Aus
dem Frequenzgang X2(f) des Blindwiderstandes ist zu erkennen, dass
der Blindwiderstand X2 schon an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbereichs
fB, d.h. bei ca. 840 MHz, einen hohen induktiven Wert von über 200
Ohm erreicht. Mit zunehmenden Frequenzwerten steigt der Blindwiderstand
X2 bis auf einen lokalen Maximalwert 32 von ca. 214 Ohm
an, fällt
anschließend
leicht auf einen lokalen Minimalwert 33 von ca. 208 Ohm
ab und steigt anschließend
wieder an, bis an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbereichs
fB, d.h. bei ca. 960 MHz, ein Wert von ca. 215 Ohm erreicht wird.
Ungefähr
in der Mitte des Betriebsfrequenzbereichs fB, d.h. bei ca. 900 MHz,
liegt ein Wendepunkt 31 des Frequenzgangs X2(f).
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Die
U-förmigen
Leiterbahnabschnitte 26, 27 der vorstehend beschriebenen
Antenne 20 sind so ausgestaltet, dass der Blindwiderstand
X2 der Antenne im gesamten Betriebsfrequenzbereich fB induktiv (X2 > 0) ist und einen Frequenzgang
X2(f) aufweist, der im Betriebsfrequenzbereich fB sowohl einen Wendepunkt 31 als
auch einen lokalen Maximalwert 32 und einen lokalen Minimalwert 33 hat,
die jeweils nicht an einem Rand des Betriebsfrequenzbereichs fB
liegen. Hierzu ist in 2 insbesondere die Bahnlänge Lu entlang
der Leiterbahnabschnitte 26, 27, d.h. die Summe
der Weglän gen
der U-förmigen
Abschnitte 26, 27 so gewählt, dass der Wendepunkt 31 und
die lokalen Maximal- und Minimalwerte 32, 33 innerhalb
des Betriebsfrequenzbereichs fB liegen.
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In
weiteren Ausführungsformen
der Antenne sind die U-förmigen
Leiterbahnabschnitte so ausgestaltet, dass der Frequenzgang X2(f)
im Betriebsfrequenzbereich fB ausschließlich einen Wendepunkt, nicht
jedoch lokale Extremwerte aufweist oder aber einen Wendepunkt sowie
entweder einen lokalen Maximalwert oder einen lokalen Minimalwert
aufweist.
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Die
in 3 dargestellten Werte des induktiven Blindwiderstands
X2 der Antenne 20 entsprechen im Betriebsfrequenzbereich
fB in guter Näherung
den vorstehend mit Bezug auf 1 angegebenen
Absolutwerten |X1| des kapazitiven Blindwiderstands X1 der integrierten
Empfangsschaltung 17.
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Aus
dem Frequenzgang R2(f) des Wirkwiderstandes ist zu erkennen, dass
der Wirkwiderstand R2 an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbereichs
fB einen kleinen Wert von ca. 5 Ohm annimmt. Mit zunehmenden Frequenzwerten
steigt auch der Wert des Wirkwiderstandes R2, bis ungefähr in der Mitte
des Betriebsfrequenzbereichs fB bei ca. 900 MHz ein maximaler Wert 34 von
ca. 22 Ohm erreicht ist. Bei weiter steigenden Frequenzwerten fällt der Wirkwiderstand
R2 anschließend
wieder ab und erreicht bei der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbereichs
fB einen Wert von ca. 8 Ohm. Damit liegt ein lokaler Maximalwert 34 von
R2(f) innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs fB.
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Aufgrund
der geringen Steilheiten der Frequenzgänge R2(f), X2(f) im Betriebsfrequenzbereich fB
weist die Antenne 20 eine hohe Bandbreite auf. Die Bandbreite
des Gesamtsystems (Transponder) hängt stark von der Impedanz
der integrierten Empfangsschaltung, vom Antennensubstratträger und vom
Untergrund, auf dem der Transponder angebracht ist, ab. Untersuchungen
der Anmelderin haben Bandbreiten des Gesamtsystems von ca. 80 MHz
ergeben.
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Die
in 3 dargestellten Werte des Wirkwiderstands R2 der
Antenne 20 entsprechen im Betriebsfrequenzbereich fB in
guter Näherung
den vorstehend mit Bezug auf 1 angegebenen
Werten R1 des Wirkwiderstands R1 der integrierten Empfangsschaltung 17.
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Unter
den vorstehend mit Bezug auf 1 erläuterten
Randbedingungen ist die Eingangsimpedanz Z2 = R2 + j·X2 der
Antenne 20 damit im Betriebsfrequenzbereich fB hinreichend
genau an die konjugiert komplexen Werte Z1' = R1 – j·X1 der Eingangs impedanz Z1
= R1 + j·X1
der integrierten Empfangsschaltung 17 angenähert. Eine
separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung ist vorteilhaft
nicht erforderlich. Hierzu ist der bügelförmige Leiterbahnabschnitt 24 der
Antenne 20 entsprechend ausgestaltet.
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Insbesondere
die Bahnlänge
entlang der Teilabschnitte 24a, 24b, aber auch
die Bahnbreite Wb1 ist hierzu so gewählt, dass im Betriebsfrequenzbereich
fB der Idealfall Z2 = Z1' möglichst
gut angenähert
wird. So hat beispielsweise eine Verlängerung der Teilabschnitte 24a um
1 mm eine Zunahme von |X2| um ca. 5 Ohm und eine Verlängerung
um 2 mm eine Zunahme um ca. 10 Ohm zur Folge, so dass durch eine
solche Variation eine Feinjustierung der Impedanzanpassung erfolgen
kann.
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Auf
diese Weise werden transponderseitige Leistungsverluste reduziert,
so dass sich hohe Reichweiten ergeben und ein breitbandiger sowie omnidirektionaler
Empfang im gesamten Betriebsfrequenzbereich fB möglich ist. Untersuchungen der Anmelderin
haben Reichweiten im Lesebetrieb von ca. 10 m für die USA (4 W EIRP) und ca.
5 m für
den europäischen
Markt (500 mW ERP) ergeben. Außerdem
kann die integrierte Empfangsschaltung 17 hierdurch vorteilhaft
ohne Beschränkungen
durch separate Bauelemente zur Impedanzanpassung direkt in einem
Anschlussbereich der Antenne 16 platziert werden, so dass
besonders einfache und kostengünstige,
aber dennoch leistungsstarke Transponderrealisierungen ermöglicht werden.
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Wie
nahe die induktive Eingangsimpedanz Z2 der Antenne im allgemeinen
an die ebenfalls induktive Impedanz Z1' herangeführt werden kann, hängt von
vielen, insbesondere aber den folgenden Randbedingungen ab: a) der
frequenzmäßigen Lage und
Breite des gewünschten
Betriebsfrequenzbereichs fB, b) dem Wert der kapazitiven Eingangsimpedanz
Z1 der Empfangsschaltung 17 sowie dessen Verlauf im Betriebsfrequenzbereich,
und c) der genauen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne.
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Wie
aus 2 zu erkennen ist, sind die U-förmigen Leiterbahnabschnitte 26, 27 und
der bügelförmige Leiterbahnabschnitt 24 vorzugsweise
so ausgestaltet, dass die von der Antenne 20 belegte Fläche W × L optimal
ausgenutzt wird. So entspricht in 2 die horizontale
Ausdehnung der äußeren U-förmigen Leiterbahnabschnitte 27 im
wesentlichen der horizontalen Ausdehnung der Antenne im Bereich
des bügelförmigen Leiterbahnabschnitts 24 und diese
wiederum im wesentlichen der Gesamtbreite W der Antenne. Weiterhin
entspricht die Summe der Längen
der beiden rechten vertikalen Teilabschnitte der U-förmigen Abschnitte 27 und
des Teilabschnitts 24b bis auf einzuhaltende vertikale
Mindestabstände zwischen
den äußeren Enden 26b, 27a der U-förmigen Abschnitte
und den Teilabschnittten 24a der Gesamtlänge L der
Antenne. Sowohl in den U-förmigen Abschnitten 26, 27 als
auch im bügelförmigen Leiterbahnabschnitt 24 wird
die jeweils erforderliche gesamte Bahnlänge daher vorzugsweise so auf
die jeweiligen horizontalen und vertikalen Teilabschnitte verteilt,
dass die Antenne eine möglichst
kleine Fläche
möglichst
vollständig
nutzt.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen
weist die erfindungsgemäße Antenne
keine mäanderförmigen Abschnitte
auf. Stattdessen sind beispielsweise die U-förmigen Leiterbahnabschnitte
derart ausgestaltet, dass die Antenne eine länglichere Fläche belegt. Dies
ist bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen die Gesamtbreite W der
Antenne streng nach oben durch einen kleinen Maximalwert begrenzt
ist, der Wert der Gesamtlänge
dagegen von untergeordneter Bedeutung ist.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar. So ist die Erfindung beispielsweise weder auf passive
oder semipassive Transponder, noch auf die angegebenen Frequenzbänder oder
die angegebenen Impedanzwerte der integrierten Empfangsschaltung
etc. beschränkt.
Die Erfindung kann vielmehr vorteilhaft in unterschiedlichsten kontaktlosen
Kommunikationssystemen eingesetzt werden.
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- RFID-System
- 11
- Basisstation,
Schreib-/Lesegerät, Lesegerät, Reader
- 12
- Antenne
der Basisstation
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- Sende-/Empfangseinheit
der Basisstation
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- Kontrolleinheit
der Basisstation
- 15
- Transponder
bzw. Remote Sensor
- 16
- Antenne
des Transponders
- 17
- integrierte
Empfangsschaltung des Transponders
- 20
- Antenne
- 21,
22
- Antennenzweig
- 23
- Anschlussbereich
der Antenne
- 24-28
- Leiterbahnabschnitt
- 24a,
24b
- Teilabschnitt
- 25a,
25b
- Enden
des Leiterbahnabschnitts 25
- 26a,
26b
- Enden
des Leiterbahnabschnitts 26
- 27a,
27b
- Enden
des Leiterbahnabschnitts 27
- 31
- Wendepunkt
von X2(f)
- 32
- lokaler
Maximalwert von X2(f)
- 33
- lokaler
Minimalwert von X2(f)
- 34
- lokaler
Maximalwert von R2(f)
- EIRP
- emitted
isotropic radiated power
- ERP
- emitted
radiated power
- ISM
- industrial,
scientific, medical
- RFID
- radio
frequency identification
- d
- Abstand
- f
- Frequenz
- fB
- Betriebsfrequenzbereich
- L
- Gesamtlänge
- Lu
- Bahnlänge
- R1,
R2
- Wirkwiderstand
von Z1 bzw. Z2, Realteil von Z1 bzw. Z2
- R2(f)
- Frequenzgang
von R2
- W
- Gesamtbreite
- Wb1,
Wb2
- Bahnbreite
- X1,
X2
- Blindwiderstand
von Z1 bzw. Z2, Imaginärteil
von Z1 bzw. Z2
- X2(f)
- Frequenzgang
von X2
- Z1
= R1 + j·X1
- Eingangsimpedanz
der integrierten Empfangsschaltung
- Z2
= R2 + j·X2
- Eingangsimpedanz
der Antenne