EP1814068A1 - Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder - Google Patents
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- EP1814068A1 EP1814068A1 EP07001224A EP07001224A EP1814068A1 EP 1814068 A1 EP1814068 A1 EP 1814068A1 EP 07001224 A EP07001224 A EP 07001224A EP 07001224 A EP07001224 A EP 07001224A EP 1814068 A1 EP1814068 A1 EP 1814068A1
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- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
- H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
- H01Q9/27—Spiral antennas
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- H01Q1/2208—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
- H01Q1/2225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in active tags, i.e. provided with its own power source or in passive tags, i.e. deriving power from RF signal
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- H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
Definitions
- the present invention relates to an antenna for a backscatter-based RFID transponder (radio frequency identification) and a backscatter-based RFID transponder with such an antenna.
- the invention is in the field of wire and contactless communication. It is particularly in the field of radio-based communication for the purpose of identifying objects, animals, persons, etc. as well as the transponders and "remote sensors" used for this purpose.
- RFID Radio Frequency Identification
- RFID systems there is data between a stationary or mobile base station, which is often referred to as a reader, "reader” or read / write device, and one or more transponders attached to the objects, animals or persons to be identified transmitted bidirectionally with the aid of high-frequency radio signals.
- the transponder which is also referred to as a "tag” or “label" regularly has an antenna for receiving the radio signal radiated by the base station and an integrated circuit (IC) connected to the antenna.
- the integrated circuit in this case includes a receiving circuit for receiving and demodulating the radio signal as well as for detecting and processing the transmitted data.
- the integrated circuit has a memory for storing the data required for the identification of the corresponding object.
- the transponder may comprise a sensor e.g. for temperature measurement, e.g. also part of the integrated circuit. Such transponders are also referred to as "remote sensors”.
- RFID transponders can be advantageously used wherever automatic identification, recognition, interrogation or monitoring is to take place. With the help of such transponders are objects such as containers, pallets, vehicles, machines, luggage, but also animals or persons individually markable and contactless and can be identified without line of sight.
- containers, pallets and the like can be identified in order, for example, to determine the current location during their transport.
- Remote Sensors e.g. the temperature of the transported goods or goods regularly measured and stored and read out at a later date.
- articles such as e.g. Integrated circuits are provided with a transponder to prevent unauthorized replicas.
- RFID transponders can replace the barcodes frequently applied to products.
- Other applications include e.g. in the motor vehicle sector, for immobilisers or tire pressure monitoring systems and in passenger access control systems.
- Passive transponders do not have their own power supply and take the energy required for their operation from the electromagnetic field emitted by the base station. Although semi-passive transponders have their own energy supply, they do not use the energy provided by them to transmit / receive data, but, for example, to operate a sensor.
- RFID systems with passive and / or semi-passive transponders whose maximum distance from the base station is well over one meter, are operated in frequency ranges that lie in particular in the UHF or microwave range.
- data transmission from a transponder to the base station is generally followed by a backscattering method, during which part of the energy arriving from the base station at the transponder is reflected (backscattered) ,
- the radiated from the base station carrier signal is modulated in the integrated circuit of the transponder according to the data to be transmitted to the base station and reflected by the transponder antenna.
- Such transponders are referred to as backscatter-based transponders.
- transponder antennas are required with a relatively wide reception frequency range. Such relatively broadband antennas may also provide the benefit of meeting the requirements of multiple national or regional regulatory authorities with only one type of antenna.
- the energy absorbed by the transponder antenna is to be supplied as undiminished as possible to the integrated receiving circuit, which usually has a capacitive input impedance, ie an impedance with a negative imaginary part.
- an antenna for an RFID system has a planar branching structure with two branches. Starting from a central region, the two branches each extend helically in a full turn to the outside. The input impedance of this antenna is also capacitive.
- the disadvantage here is that the impedance of this antenna deviates greatly from the complex conjugate value of the impedance of the chip input circuit and therefore an additional, separate matching circuit with a coil and a capacitor is required between the antenna and the chip. Due to parasitic resistances of these components, power transients on the transponder side disadvantageously reduce the range. Furthermore, the separate matching circuit limits the freedom of placement of the chip and causes more expensive and therefore more expensive implementations of the transponder.
- the invention has for its object to provide an antenna for a backscatter-based RFID transponder with an integrated receiving circuit (IC) for receiving a spectrally lying in an operating frequency range radio signal that allows greater ranges and simpler implementations of the transponder and a broadband reception of high-frequency radio signals allowed. It is also the object of the invention to provide an easy to implement backscatter-based RFID transponder having a greater range in a broadband reception of high-frequency radio signals.
- IC integrated receiving circuit
- the antenna according to the invention has two antenna branches extending helically outwardly from a central region in which the antenna branches are connectable to the integrated receiving circuit, each antenna branch having a branch length along the branch chosen to be one of the series resonant frequencies the antenna is below the operating frequency range and the next higher parallel resonance frequency of the antenna is above the operating frequency range.
- the RFID transponder according to the invention has an integrated receiving circuit with a capacitive input impedance and an antenna according to the invention connected to the integrated receiving circuit.
- the essence of the invention is to choose the length of the antenna branches such that the desired operating frequency range is between one of the series resonant frequencies and the next higher (adjacent) parallel resonant frequency of the antenna. This ensures that the antenna has inductive reactance values in the operating frequency range. This makes it possible to approximate the input impedance of the antenna in the operating frequency range to the conjugate complex values of the input impedance of the integrated receiving circuit in such a way that no separate matching circuit between antenna and receiving circuit is required. In this way, transponder-side power losses are reduced, so that there are high ranges and a broadband reception of high-frequency radio signals is possible. In addition, this simpler and cheaper implementations of the transponder is possible.
- the branch length is selected so that the antenna has inductive input impedance values approximated in the operating frequency range to the complex conjugate input impedance values such that there is no circuit arrangement between the antenna and integrated receive circuit impedance matching is required.
- the IC can be placed directly in the central region of the antenna branches without restrictions by separate components for impedance matching, so that particularly simple and cost-effective, yet powerful transponder realizations with large ranges are made possible.
- the branch length is selected such that the one of the series resonant frequencies is below the operating frequency range which results in the antenna having inductive input impedance values approximating, in the operating frequency range, to the complex conjugate input capacitive impedance values between antenna and integrated receiving circuit no circuitry for impedance matching is required.
- the appropriate determination of the branch length advantageously selects the one which enables very good impedance matching and thus very long ranges without separate components for impedance matching.
- the series resonant frequency corresponds to the lowest series resonant frequency fs1 of the antenna - and thus the parallel resonant frequency of the lowest parallel resonant frequency fp1 of the antenna.
- the antenna impedance can be advantageously matched to the conjugate complex values of the input impedance of the receiver circuit, even with relatively small resistances of the integrated receiver circuit.
- each antenna branch is configured to describe at least one full revolution, in particular at least 1.5 full revolutions around the central region.
- the antenna impedance can advantageously be adapted very easily in the UHF frequency band.
- each antenna branch has a branch width across the branch which varies along the branch, the branch width preferably increasing outwardly from the central region. This advantageously allows a very broadband reception.
- each antenna branch forms an inner radial helix and an outer radial helix, these radial helices preferably following a logarithmic function.
- Such antennas advantageously have particularly low reflections.
- the antenna branches are polygonal or piecewise straight. As a result, a better surface utilization by the antenna can be achieved for a given square or rectangular area.
- each antenna branch is planar and lie in a common plane.
- each antenna branch comprises a thin conductive layer formed on a substrate. This makes the antenna particularly easy to implement.
- the integrated receiving circuit is arranged in the central region of the antenna branches. This allows very simple implementations of the transponder.
- each antenna branch comprises a thin conductive layer formed on a substrate and the integrated receiving circuit formed on the substrate. This allows particularly simple implementations of the transponder.
- Fig. 1 shows schematically an example of an RFID system.
- the RFID system 10 has a base station 11 and at least one transponder 15 according to the invention on. With the aid of high-frequency radio signals, the base station 11 exchanges contactless and bidirectional data with the transponder (s) 15.
- the base station 11 has at least one antenna 12 for transmitting and receiving radio signals in an operating frequency range fB, a transmitting / receiving unit 13 connected to the antenna (s) for transmitting and receiving data and a control unit connected to the transmitting / receiving unit 14 for controlling the transmitting / receiving unit 13.
- the backscatter-based, passive or semi-passive transponder 15 has an antenna 16 for receiving the radio signal spectrally in the operating frequency range fB and a receiving circuit 17 connected to the antenna for demodulating the received radio signal and detecting the data contained therein.
- the receiving circuit 17 is part of an integrated circuit (IC), not shown in FIG. an application specific integrated circuit (ASIC) or an application specific standard product (ASSP), which also regularly has a memory for storing the data required to identify the corresponding items.
- the transponder 15 or integrated circuit includes other components not shown in FIG. a sensor for temperature determination. Such transponders are also referred to as "remote sensors”.
- the operating frequency range fB is in the UHF frequency band, in a frequency range between about 840 MHz and about 960 MHz.
- the operating frequency range in the almost worldwide available ISM band (industrial, scientific, medical) range between 2.4 and 2.5 GHz.
- Other alternative operating frequency ranges are 315 MHz, 433 MHz and 5.8 GHz, respectively.
- the reading operation is aiming for ranges of approx. 5m for the European market (500 mW ERP) and approx. 11m for the USA (4 W EIRP) ,
- the integrated receiving circuit 17 has a complex-valued input impedance Z1 with a real part (effective resistance) R1 and an imaginary part (reactance) X1.
- the effective resistance R1 is hereby preferably relatively small in order to minimize power losses. Since integrated inductors would take relatively large chip areas, the reactance is X1 regularly capacitive (X1 ⁇ 0) and, in particular for small values of the effective resistance R1, greater in magnitude than the effective resistance:
- Integrated receiving circuits 17 developed by the applicant have input impedances Z1 with effective resistances R1 in the range of approximately 4... 35 ohms and capacitive reactances X1 whose absolute values are above approximately 150 ohms.
- ) clearly exceeds the real part (R1) (
- the magnitude of the capacitive reactances X1 increases further.
- the antenna 16 of the transponder 15 comprises two antenna branches, which extend spirally outward from a central region in which the antenna branches are connectable to the integrated receiving circuit 17.
- Embodiments of the antenna according to the invention are described below with reference to Figures 3 and 4.
- Fig. 2 shows schematically the frequency response of the input impedance Z2 of an antenna with two spiral branches.
- the frequency response of the input impedance Z2 is shown here over a frequency range which is significantly wider than the above-mentioned range between approximately 840 and 960 MHz.
- the effective resistance R2 i. the real part of Z2
- the reactance X2 i. the imaginary part of Z2, plotted over frequency f.
- This sequence of transitions with a first, relatively slow transition from capacitive to inductive reactances, followed by a second, faster transition from inductive to capacitive reactances is qualitatively repeated even at higher frequency values.
- the lowest series resonant frequency is also referred to as the "first" series resonant frequency fs1 and the lowest parallel resonant frequency as the "first" parallel resonant frequency fp1.
- the invention is based on the idea that the curves shown in Figure 2 of the active and reactive resistance of the antenna in the horizontal direction, i. in the direction of the frequency axis to stretch by the (path) length L of the two spiral antenna branches is varied.
- the variation of the branch length L advantageously does not take place (only) in integer multiples of complete (360 degrees) revolutions of the branches around the central area, but continuously or in steps with a small increment.
- the branch length L is chosen so that one of the series resonance frequencies fs1, fs2, fs3, ... of the antenna below the operating frequency range fB and the next higher of the parallel resonance frequencies fp1, fp2, ... the antenna is above the operating frequency range.
- the "next higher” parallel resonance frequency here means the lowest of those parallel resonance frequencies that are greater than the one, below the operating frequency range, the series resonant frequency.
- the inductive input impedance Z2 of the antenna can be brought to the likewise inductive impedance Z1 'depends on many, but in particular the following boundary conditions: a) the frequency position and width of the desired operating frequency range fB, b) the value of capacitive input impedance Z1 of the receiving circuit 17 and its course in the operating frequency range, and c) the exact configuration of the antenna according to the invention (shape of the antenna branches, width of the branches, distances between the branches, realization of the antenna, etc.).
- the branch length L is chosen such that the inductive input impedance Z2 of the antenna has values approximating to the impedance Z1 'in the operating frequency range fB and coinciding with Z1' between the antenna 16 and the integrated receiving circuit 17 no separate circuit arrangement for impedance matching is required. This is possible in particular in the case of operating frequency ranges fB, which are significantly less wide than the differences fp1-fs1, fp2-fs2, etc.
- the IC can advantageously be placed directly in the central region of the antenna branches without restriction by impedance matching components, thus enabling particularly simple and inexpensive, yet powerful transponder realizations with long ranges.
- the length L of the two spiral antenna branches can be chosen such that separate impedance matching circuitry is not required between antenna 16 and integrated receive circuit 17 and yet higher ranges and broadband reception are achieved.
- Embodiments of antennas according to the invention are described below with reference to FIGS. 3 and 4 for this case.
- FIGS. 3 and 4 show exemplary embodiments of antennas according to the invention for a backscatter-based RFID transponder according to the above description of FIG. 1.
- All illustrated embodiments are planar antennas whose branches each lie in a common plane.
- the two antenna branches of each embodiment differ only by a rotation of 180 degrees from each other. They are thus designed identically in their outer form.
- the two antenna branches each comprise a thin conductive layer, e.g. of copper, silver, etc. deposited on a common substrate e.g. is formed of polyimide or on a printed circuit board.
- the integrated receiving circuit 17 (FIG. 1) of the transponder which is advantageously arranged in a central region of the respective antenna, is preferably also formed on this substrate.
- the thin conductive layer may be applied to a foil on which the integrated receiving circuit is arranged by means of flip-chip technology. The consisting of antenna and integrated receiving circuit transponder is finally attached to the object to be identified.
- the branch length L is in the illustrated embodiments each chosen so that the frequency range of about 840 MHz to about 960 MHz between the each lowest series resonant frequency fs1 and the lowest parallel resonance frequency fp1 of the antenna, resulting in respective antenna branches, which describe essentially two full revolutions (360 degrees) about the central region.
- all embodiments shown have antenna branches whose branch width W transversely to the branch changes along the branch. This change in the branch width can be carried out continuously along the branch or in steps in steps. Starting from the central region, the branch width W generally increases toward the outside.
- FIG. 3 shows in each case a top view of a first, a second and a preferred third exemplary embodiment.
- each antenna 20 has two branches 21, 22 which are identical except for rotation through 180 degrees and extend spirally outward in oval turns from a central region 23, each branch substantially rotating two turns 360 each Degree describes.
- Each of the antenna branches 21 and 22 forms an inner radial spiral 21a or 22a and an outer radial spiral 21b and 22b, respectively, which bound the respective branch.
- the radial helices 21a, 21b, 22a, 22b in this case obey a logarithmic function, which is why this type of antenna is also referred to as a logarithmic spiral antenna.
- each antenna branch 21, 22 has a branch length L along the branch and a branch width W across the branch, the branch length L being selected according to the invention as described above and the branch width W continuously changing along the branch.
- the antenna branches 21, 22 at these contact areas can be contacted directly by the integrated receiving circuit 17 of the transponder 15.
- the integrated receiving circuit 17 is arranged in the central region 23 and preferably formed on the same substrate on which the antenna branches 21, 22 are formed. This advantageously simplifies the implementation of the transponder.
- the first exemplary embodiment illustrated in FIG. 3a is characterized by relatively wide antenna branches 21, 22 whose width, starting from the central region 23, generally increases toward the outside. Along each branch, the width in each revolution increases and decreases in sections, so that there is a "periodic" increase in width. Each branch describes exactly two full 360-degree revolutions around the central area 23. In the x-direction, this antenna has an extension of about 8.3 cm, in the y-direction about 3.6 cm.
- the first exemplary embodiment has inductive input impedances Z2 with values of the effective resistance R2 between about 4 and about 37 ohms and values of the reactance X2 between about 160 and about 370 ohms.
- the input impedance Z2 is sufficiently matched to the complex conjugate values of the input impedance Z1 of the receiving circuit 17 of the transponder 15 described above with reference to FIG.
- a separate circuit arrangement for impedance matching is advantageously not required.
- the illustrated in Fig. 3b second embodiment is characterized by relatively narrow antenna branches 21, 22 which are arranged at a relatively large distance from each other.
- the width of each branch generally increases outwards, starting from the central region 23, while a "periodic increase" again results along the branch. At the outer end of the branch, the width decreases continuously.
- Each branch describes about 2.1 full 360-degree turns around the central area 23. In the x-direction, this antenna has an extension of about 6.8 cm, in the y-direction about 3.3 cm, so that the surface occupied by the antenna is advantageously smaller by approximately 25% than in the first exemplary embodiment.
- inductive input impedances Z2 with values of the effective resistance R2 between about 4 and about 16 ohms and values of reactance X2 between about 180 and about 370 ohms.
- a separate circuit arrangement for impedance matching is advantageously also not required here.
- the third embodiment shown in Fig. 3c is characterized in comparison to the first embodiment of Fig. 3a by an extension in the direction of the x-axis and a compression in the direction of the Y-axis.
- the width of each branch in turn generally increases towards the outside and periodically increases and decreases along the branch.
- Each branch describes exactly two full 360-degree turns around the central region 23 in the x-direction, this antenna has an extension of about 10 cm, in the y-direction about 1.6 cm, so that this antenna is particularly suitable for production on a belt and / or for applications in which an elongated surface is available for the antenna.
- the area occupied by this antenna is advantageously about 45% smaller than in the first embodiment.
- inductive input impedances Z2 with values of effective resistance R2 between about 4 and about 35 ohms and values of the reactance X2 between about 170 and about 400 ohms.
- a separate circuit arrangement for impedance adaptation is advantageously not required here.
- the antennas shown in FIG. 3 Due to the low steepness of the courses of the impedance over the frequency, the antennas shown in FIG. 3 have a high bandwidth.
- the bandwidth of the overall system (transponder) depends greatly on the impedance of the integrated receiving circuit, the antenna substrate carrier and the substrate on which the transponder is mounted. Applicant's investigations have revealed overall system bandwidths in excess of 30 MHz.
- each branch starting from the central area 23, increases continuously and monotonously along the branch - possibly with the exception of a slowly departing branch end analogously to FIG. 3b.
- FIG. 4 shows in a perspective view a fourth exemplary embodiment of an antenna according to the invention.
- the antenna 30 has two branches 31, 32 which are identical except for a rotation through 180 degrees and extend spirally in angular windings from a central region 33 to the outside, each branch 2.25 rotations by 360 Degree describes.
- Each of the antenna branches 31 and 32 in this case has a plurality of straight branch sections, which are arranged at angles of 90 degrees to each other.
- This type of antenna is also called a polygonal spiral antenna.
- other angles between the branch sections can be used can be provided so that almost any number of corners per full turn of a branch can be realized.
- the turns can also be rectangular instead of square.
- each antenna branch 31, 32 has a branch length L along the branch and a branch width W across the branch, wherein the branch length L has been selected according to the invention as described above and the branch width W changes along the branch.
- the antenna branches 31, 32 are connected in the central area 33 directly to the integrated receiving circuit 17 of the transponder 15.
- the integrated receiving circuit 17 is arranged in the central region 33 and preferably formed on the same substrate on which the antenna branches are formed. This simplifies the implementation of the transponder.
- the width W of the antenna branches preferably remains constant in each straight branch portion, but changes "leaps" in the corners.
- the first straight section may have a first width, the next straight section a second, larger width, and the third section a third (in comparison to the second width, in turn) greater width etc.
- the branch width of all or only certain antenna branches from the central region along the branch increase linearly.
- the antenna shown in Fig. 4 has an x / y dimension of about 7cm x 7cm.
- inductive input impedances Z2 with values of the effective resistance R2 between about 7 and about 30 ohms and values of the reactance X2 between about 100 and about 240 ohms.
- a separate circuit arrangement for impedance matching is not required.
- the present invention has been described above with reference to exemplary embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in many ways.
- the invention is not limited to passive or semi-passive transponders, nor to the specified frequency bands, the specified impedance values of the integrated receiving circuit or the illustrated forms of the turns of the antenna branches, etc.
- the invention Rather, it can be advantageously used in a wide variety of contactless communication systems.
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- Near-Field Transmission Systems (AREA)
Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder (radio frequency identification) sowie einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer solchen Antenne.
- 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".
- 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".
- 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.
- 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.
- 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 Sensors" können darüber hinaus physikalische Eigenschaften bzw. Größen erfaßt und abgefragt werden.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 in einer vollen Umdrehung nach außen. Die Eingangsimpedanz dieser Antenne ist ebenfalls kapazitiv. - 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 Plazierung des Chips ein und verursacht aufwendigere und daher kostenintensivere Implementierungen des Transponders.
- Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer integrierten Empfangsschaltung (IC) zum Empfangen eines spektral in einem Betriebsfrequenzbereich liegenden Funksignals anzugeben, die größere Reichweiten sowie einfachere implementierungen des Transponders ermöglicht und einen breitbandigen Empfang von hochfrequenten Funksignalen erlaubt. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, einen einfach zu realisierenden rückstreubasierten RFID-Transponder anzugeben, der eine größere Reichweite bei einem breitbandigen Empfang von hochfrequenten Funksignalen aufweist.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Antenne und einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 15.
- Die erfindungsgemäße Antenne weist zwei Antennenzweige auf, die sich spiralförmig von einem zentralen Bereich, in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung verbindbar sind, nach außen erstrecken, wobei jeder Antennenzweig eine Zweiglänge entlang des Zweiges aufweist, die so gewählt ist, daß eine der Serienresonanzfrequenzen der Antenne unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs und die nächsthöhere Parallelresonanzfrequenz der Antenne oberhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegt.
- Der erfindungsgemäße RFID-Transponder weist eine integrierte Empfangsschaltung mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz sowie eine mit der integrierten Empfangsschaltung verbundene erfindungsgemäße Antenne auf.
- Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Länge der Antennenzweige so zu wählen, daß der gewünschte Betriebsfrequenzbereich zwischen einer der Serienresonanzfrequenzen und der nächsthöheren (benachbarten) Parallelresonanzfrequenz der Antenne liegt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Antenne im Betriebsfrequenzbereich induktive Blindwiderstandswerte aufweist. Dies ermöglicht es, die Eingangsimpedanz der Antenne im Betriebsfrequenzbereich derart an die konjugiert komplexen Werte der Eingangsimpedanz der integrierten Empfangsschaltung anzunähern, daß keine separate Anpassungsschaltung zwischen Antenne und Empfangsschaltung erforderlich ist. Auf diese Weise werden transponderseitige Leistungsverluste reduziert, so daß sich hohe Reichweiten ergeben und ein breitbandiger Empfang hochfrequenter Funksignale möglich ist. Außerdem werden hierdurch einfachere und kostengünstigere Implementierungen des Transponders ermöglicht.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu entnehmen.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne ist die Zweiglänge so gewählt, daß die Antenne Werte einer induktiven Eingangsimpedanz aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven Eingangsimpedanz angenähert sind, daß zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine Schaltungsanordnung zur impedanzanpassung erforderlich ist. Hierdurch kann der IC ohne Beschränkungen durch separate Bauelemente zur impedanzanpassung direkt im zentralen Bereich der Antennenzweige plaziert werden, so daß besonders einfache und kostengünstige, aber dennoch leistungsstarke Transponderrealisierungen mit großen Reichweiten ermöglicht werden.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Zweiglänge so gewählt, daß diejenige der Serienresonanzfrequenzen unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegt, die dazu führt, daß die Antenne Werte einer induktiven Eingangsimpedanz aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven Eingangsimpedanz angenähert sind, daß zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist. Aus denjenigen Frequenzbereichen, in denen die Antenne induktive Blindwiderstandswerte aufweist, wird hier durch die entsprechende Festlegung der Zweiglänge vorteilhaft derjenige ausgewählt, der sehr gute Impedanzanpassungen und damit sehr hohe Reichweiten ohne separate Bauelemente zur impedanzanpassung ermöglicht.
- Vorteilhaft entspricht die Serienresonanzfrequenz der niedrigsten Serienresonanzfrequenz fs1 der Antenne - und damit die Parallelresonanzfrequenz der niedrigsten Parallelresonanzfrequenz fp1 der Antenne. Indem die Zweiglänge also derart gewählt ist, daß der gewünschte Betriebsfrequenzbereich zwischen der niedrigsten Serienresonanzfrequenz und der niedrigsten Parallelresonanzfrequenz der Antenne liegt, kann die Antennenimpedanz vorteilhaft auch bei relativ kleinen Wirkwiderständen der integrierten Empfangsschaltung an die konjugiert komplexen Werte der Eingangsimpedanz der Empfangsschaltung angeglichen werden.
- Vorzugsweise ist jeder Antennenzweig ausgestaltet, mindestens eine volle Umdrehung, insbesondere mindestens 1, 5 volle Umdrehungen um den zentralen Bereich zu beschreiben. Hierdurch kann die Antennenimpedanz vorteilhaft sehr einfach im UHF-Frequenzband angepaßt werden.
- Vorzugsweise weist jeder Antennenzweig eine Zweigbreite quer zum Zweig auf, die sich entlang des Zweiges ändert, wobei die Zweigbreite ausgehend vom zentralen Bereich nach außen hin vorzugsweise zunimmt. Hierdurch wird vorteilhaft ein sehr breitbandiger Empfang ermöglicht.
- In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform bildet jeder Antennenzweig eine innere Radialwendel und eine äußere Radialwendel, wobei diese Radialwendeln vorzugsweise einer logarithmischen Funktion folgen. Derartige Antennen weisen vorteilhaft besonders geringe Reflexionen auf.
- In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind die Antennenzweige polygonal oder stückweise gerade ausgestaltet. Hierdurch läßt sich bei einer vorgegebenen quadratischen oder rechteckigen Fläche eine bessere Flächenausnutzung durch die Antenne erreichen.
- Vorzugsweise sind die Antennenzweige planar ausgestaltet und liegen in einer gemeinsamen Ebene. Vorzugsweise umfaßt jeder Antennenzweig eine dünne leitfähige Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist. Hierdurch kann die Antenne besonders einfach implementiert werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen RFID-Transponders ist die integrierte Empfangsschaltung im zentralen Bereich der Antennenzweige angeordnet. Dies ermöglicht sehr einfache Implementierungen des Transponders.
- In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform umfaßt jeder Antennenzweig eine dünne leitfähige Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und die integrierte Empfangsschaltung auf dem Substrat ausgebildet ist. Dies ermöglicht besonders einfache Implementierungen des Transponders.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
- Fig. 1 ein RFID-System mit einem erfindungsgemäßen Transponder;
- Fig. 2 einen Frequenzgang der Eingangsimpedanz einer Antenne mit zwei spiralförmigen Zweigen;
- Fig. 3 drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Antenne; und
- Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne.
- Fig. 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/den Transponder(n) 15 aus.
- 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.
- 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 Figur 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 Fig. 1 nicht dargestellte Komponenten wie z.B. einen Sensor zur Temperaturbestimmung. Solche Transponder werden auch als "Remote Sensors" bezeichnet.
- 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.
- 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. 5m für den europäischen Markt (500 mW ERP) und ca. 11m für die USA (4 W EIRP) angestrebt.
- Die integrierte Empfangsschaltung 17 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. Da integrierte Induktivitäten relativ große Chipflächen in Anspruch nehmen würden, ist der Blindwiderstand X1 regelmäßig kapazitiv (X1 <0) und insbesondere bei kleinen Werten des wirkwiderstandes R1 betragsmäßig größer als der Wirkwiderstand: |X1| > |R1|.
- 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. 150 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.
- Die Antenne 16 des Transponders 15 umfaßt erfindungsgemäß zwei Antennenzweige, die sich spiralförmig von einem zentralen Bereich, in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung 17 verbindbar sind, nach außen erstrecken. Die Eingangsimpedanz der Antenne 16 ist nachfolgend mit Z2 = R2 + j*X2 bezeichnet, wobei R2 den Wirkwiderstand und X2 den Blindwiderstand der Antenne angeben. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Antenne werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 beschrieben.
- Fig. 2 zeigt schematisch den Frequenzgang der Eingangsimpedanz Z2 einer Antenne mit zwei spiralförmigen Zweigen. Der Frequenzgang der Eingangsimpedanz Z2 ist hierbei über einen Frequenzbereich dargestellt, der deutlich breiter ist als der vorstehend genannte Bereich zwischen ca. 840 und 960 MHz. In Fig. 2a ist der Wirkwiderstand R2, d.h. der Realteil von Z2, und in Fig. 2b der Blindwiderstand X2, d.h. der Imaginärteil von Z2, über der Frequenz f aufgetragen.
- Aus dem in Fig. 2b dargestellten Kurvenverlauf des Imaginärteils von Z2 ist zu erkennen, daß der Blindwiderstand X2 der Antenne bei niedrigen Frequenzen f zunächst kapazitiv (X2<0) ist, mit steigender Frequenz nach einem Nulldurchgang bei der Frequenz f=fs1 jedoch induktiv (X2>0) wird. Nach Durchschreiten eines stark induktiven Maximalwertes folgt ein steiler Abfall, in dessen Verlauf es nach einem weiteren Nulldurchgang bei der Frequenz f=fp1 erneut zu deutlich kapazitiven Blindwiderständen kommt. Diese Abfolge von Übergängen mit einem ersten, relativ langsamen Übergang von kapazitiven zu induktiven Blindwiderständen, gefolgt von einem zweiten, schnelleren Übergang von induktiven zu kapazitiven Blindwiderständen wiederholt sich qualitativ auch bei höheren Frequenzwerten.
- Diejenigen Frequenzen, bei denen der Blindwiderstand verschwindet (X2=0), werden als Resonanzfrequenzen bezeichnet. Nulldurchgänge mit positiver Steigung, d.h. Übergänge von kapazitiven zu induktiven Blindwiderständen, werden hierbei als sog. Serienresonanzfrequenzen fs1, fs2, fs3, ..., Nulldurchgänge mit negativer Steigung, d.h. Übergänge von induktiven zu kapazitiven Werten dagegen als sog. Parallelresonanzfrequenzen fp1, fp2, ... bezeichnet. Die niedrigste Serienresonanzfrequenz wird auch als die "erste" Serienresonanzfrequenz fs1 und die niedrigste Parallelresonanzfrequenz als die "erste" Parallelresonanzfrequenz fp1 bezeichnet.
- Aus dem in Fig. 2a dargestellten Kurvenverlauf des Realteils von Z2 ist zu erkennen, daß der Wirkwiderstand R2 der Antenne bei niedrigeren Frequenzen f zunächst schwach ausgeprägt ist, dann mit steigender Frequenz zunächst langsam, dann schnell bis auf einen Maximalwert ansteigt und von diesem zunächst stark, dann schwach bis auf einen Minimalwert abfällt. Dieser wellen- oder U-förmige Verlauf des Wirkwiderstands R2 über der Frequenz f wiederholt sich qualitativ bei höheren Frequenzwerten. Wie aus Fig. 2a zu erkennen ist, treten die Maximalwerte des Wirkwiderstandes R2 bei den Parallelresonanzfrequenzen fp1, fp2, fp3, ... und die Minimalwerte bei den Serienresonanzfrequenzen fs1, fs2, ... auf.
- Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die in Figur 2 dargestellten Kurvenverläufe des Wirk- und Blindwiderstandes der Antenne in horizontaler Richtung, d.h. in Richtung der Frequenzachse zu strecken bzw. zu stauchen, indem die (Weg)Länge L der beiden spiralförmigen Antennenzweige variiert wird. Je länger die Antennenzweige hierbei gewählt werden, umso mehr werden die Kurvenverläufe zur Ordinate hin gestaucht. Je kürzer die Antennenzweige gewählt werden, umso mehr werden die Verläufe nach rechts, d.h. zu größeren Frequenzwerten, gedehnt. Die Variation der zweiglänge L erfolgt hierbei vorteilhaft nicht (nur) in ganzzahligen Vielfachen von vollständigen (360 Grad) Umdrehungen der Zweige um den zentralen Bereich, sondern kontinuierlich bzw. in Schritten mit kleiner Schrittweite.
- Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit, mittels einer entsprechenden Wahl (Festlegung) der Zweiglänge L die Eingangsimpedanz Z2 der Antenne 16 (Fig. 1) im gewünschten Betriebsfrequenzbereich an die konjugiert komplexen Werte der Eingangsimpedanz Z1 der Empfangsschaltung 17 anzugleichen und so eine vollständige, zumindest jedoch eine teilweise impedanzanpassung ohne separate Bauteile zu erreichen.
- Erfindungsgemäß wird die Zweiglänge L so gewählt, daß eine der Serienresonanzfrequenzen fs1, fs2, fs3, ... der Antenne unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs fB und die nächsthöhere der Parallelresonanzfrequenzen fp1, fp2, ... der Antenne oberhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegt. Mit der "nächsthöheren" Parallelresonanzfrequenz ist hierbei die niedrigste derjenigen Parallelresonanzfrequenzen gemeint, die größer sind als die eine, unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegende, Serienresonanzfrequenz. Indem die Zweiglänge L also derart gewählt wird, daß der gewünschte Betriebsfrequenzbereich fB zwischen einer Serienresonanzfrequenz fsk mit k=1, 2, 3, ... und der nächsthöheren Parallelresonanzfrequenz fpk (mit demselben Wert des Index k) liegt, wird gemäß Fig. 2b sichergestellt, daß die Antenne im Betriebsfrequenzbereich induktive Blindwiderstandswerte X2>0 aufweist. Ohne separate Bauteile zur Impedanzanpassung zwischen Antenne 16 und Empfangsschaltung 17 nähert sich damit die Eingangsimpedanz Z2 der Antenne infolge der erfindungsgemäßen Wahl der zweiglänge L dem konjugiert komplexen Wert Z1'=R1-j*X1 der kapazitiven Eingangsimpedanz Z1=R1 +j*X1 (mit X1<0) der Empfangsschaltung, so daß Leistungsverluste reduziert werden und sich daher höhere Reichweiten ergeben.
- Wie nahe auf diese Weise die induktive Eingangsimpedanz Z2 der Antenne 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 (Form der Antennenzweige, Breite der Zweige, Abstände zwischen den Zweigen, Realisierung der Antenne etc.).
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zweiglänge L so gewählt, daß die induktive Eingangsimpedanz Z2 der Antenne Werte aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich fB derart an die Impedanz Z1' angenähert sind bzw. mit Z1' übereinstimmen, daß zwischen Antenne 16 und integrierter Empfangsschaltung 17 keine separate Schaltungsanordnung zur impedanzanpassung erforderlich ist. Dies ist insbesondere bei Betriebsfrequenzbereichen fB, die deutlich weniger breit sind als die Differenzen fp1-fs1, fp2-fs2, etc. oder bei flachen Verläufen von Z1 und Z2 im Betriebsfrequenzbereich, aber auch bei breiteren Betriebsfrequenzbereichen möglich, sofern die Werte von Z1 nicht allzu ungünstig liegen (ungünstige Werte sind hierbei sehr hohe oder extrem niedrige Wirkwiderstände R1, sowie sehr hohe Blindwiderstände |X1|). Da in diesen Fällen keine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist, kann der IC vorteilhaft ohne Beschränkungen durch Bauelemente zur Impedanzanpassung direkt im zentralen Bereich der Antennenzweige plaziert werden, so daß besonders einfache und kostengünstige, aber dennoch leistungsstarke Transponderrealisierungen mit großen Reichweiten ermöglicht werden.
- Beispielsweise unter den vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 erläuterten Randbedingungen kann die Länge L der beiden spiralförmigen Antennenzweige so gewählt werden, daß zwischen Antenne 16 und integrierter Empfangsschaltung 17 keine separate Schaltungsanordnung zur impedanzanpassung erforderlich ist und dennoch höhere Reichweiten und ein breitbandiger Empfang erreicht werden. Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Antennen sind für diesen Fall nachstehend mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 beschrieben.
- Die Figuren 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Antennen für einen rückstreubasierten RFID-Transponder gemäß der vorstehenden Beschreibung von Figur 1.
- Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um planare Antennen, deren Zweige jeweils in einer gemeinsamen Ebene liegen.
- Die beiden Antennenzweige jedes Ausführungsbeispiels unterscheiden sich nur durch eine Drehung um 180 Grad voneinander. Sie sind damit in ihrer äußeren Form identisch ausgestaltet.
- Vorzugsweise umfassen die beiden Antennenzweige 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 (Fig. 1) des Transponders ausgebildet, die vorteilhaft in einem zentralen Bereich der jeweiligen Antenne angeordnet ist. Alternativ kann die dünne leitfähige Schicht auf einer Folie aufgebracht sein, auf der mittels Flip-Chip-Technik die integrierte Empfangsschaltung angeordnet ist. Der aus Antenne und integrierter Empfangsschaltung bestehende Transponder wird schließlich an dem zu identifizierenden Gegenstand angebracht.
- Die Zweiglänge L ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils so gewählt, daß der Frequenzbereich von ca. 840 MHz bis ca. 960 MHz zwischen der jeweils niedrigsten Serienresonanzfrequenz fs1 und der jeweils niedrigsten Parallelresonanzfrequenz fp1 der Antenne liegt, was jeweils Antennenzweige zur Folge hat, die im wesentlichen zwei volle Umdrehungen (360 Grad) um den zentralen Bereich beschreiben.
- Zur Erhöhung der Breitbandigkeit weisen alle dargestellten Ausführungsbeispiele Antennenzweige auf, deren Zweigbreite W quer zum Zweig sich entlang des Zweiges ändert. Diese Änderung der Zweigbreite kann kontinuierlich entlang des Zweiges oder aber sprunghaft in Schritten erfolgen. Ausgehend vom zentralen Bereich nimmt die zweigbreite W nach außen hin im allgemeinen zu.
- Figur 3 zeigt jeweils in einer Draufsicht ein erstes, ein zweites und ein bevorzugtes drittes Ausführungsbeispiel.
- In diesen Ausführungsbeispielen weist jede Antenne 20 zwei Zweige 21, 22 auf, die bis auf eine Drehung um 180 Grad identisch ausgestaltet sind und sich spiralförmig in ovalen Windungen von einem zentralen Bereich 23 nach außen erstrecken, wobei jeder Zweig im wesentlichen zwei Drehungen um jeweils 360 Grad beschreibt.
- Jeder der Antennenzweige 21 und 22 bildet eine innere Radialwendel 21a bzw. 22a und eine äußere Radialwendel 21b bzw. 22b, die den jeweiligen Zweig begrenzen. Die Radialwendeln 21a, 21b, 22a, 22b gehorchen hierbei einer logarithmischen Funktion, weshalb dieser Antennentyp auch als logarithmische Spiralantenne bezeichnet wird.
- Ausgehend vom zentralen Bereich 23 weist jeder Antennenzweig 21, 22 eine Zweiglänge L entlang des Zweiges und eine Zweigbreite W quer zum Zweig auf, wobei die Zweiglänge L wie vorstehend beschrieben erfindungsgemäß gewählt wird und sich die Zweigbreite W entlang des Zweiges kontinuierlich ändert.
- Wie in Fig. 3 aus den im zentralen Antennenbereich 23 vorgesehenen Kontaktflächen zu erkennen ist, können die Antennenzweige 21, 22 an diesen Kontaktflächen direkt von der integrierten Empfangsschaltung 17 des Transponders 15 kontaktiert werden. Die integrierte Empfangsschaltung 17 ist im zentralen Bereich 23 angeordnet und vorzugsweise auf demselben Substrat ausgebildet, auf dem auch die Antennenzweige 21, 22 ausgebildet sind. Hierdurch vereinfacht sich vorteilhaft die implementierung des Transponders.
- Das in Fig. 3a dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch relativ breite Antennenzweige 21, 22 aus, deren Breite ausgehend vom zentralen Bereich 23 nach außen hin im allgemeinen zunimmt. Entlang jedes Zweiges nimmt die Breite in jeder Umdrehung abschnittsweise zu und ab, so daß sich ein "periodischer" Anstieg der Breite ergibt. Jeder Zweig beschreibt hierbei exakt zwei volle 360-Grad-Umdrehungen um den zentralen Bereich 23. in x-Richtung hat diese Antenne eine Ausdehnung von ca. 8,3 cm, in y-Richtung ca. 3,6 cm.
- Im Frequenzbereich von ca. 840 MHz bis ca. 960 MHz weist das erste Ausführungsbeispiel induktive Eingangsimpedanzen Z2 mit Werten des Wirkwiderstandes R2 zwischen ca. 4 und ca. 37 Ohm und Werten des Blindwiderstands X2 zwischen ca. 160 und ca. 370 Ohm auf. Damit ist die Eingangsimpedanz Z2 hinreichend an die konjugiert komplexen Werte der Eingangsimpedanz Z1 der Empfangsschaltung 17 des Transponders 15 angeglichen, der vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben ist. Eine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung ist vorteilhaft nicht erforderlich.
- Das in Fig. 3b dargestellte zweite Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch relativ schmale Antennenzweige 21, 22 aus, die in einem relativ großen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Breite jedes Zweiges nimmt ausgehend vom zentralen Bereich 23 im allgemeinen wiederum nach außen hin zu, während sich entlang des Zweiges wiederum ein "periodischer Anstieg" ergibt. Am äußeren Ende des Zweiges nimmt die Breite kontinuierlich ab. Jeder Zweig beschreibt hierbei ca. 2,1 volle 360-Grad-Umdrehungen um den zentralen Bereich 23. In x-Richtung hat diese Antenne eine Ausdehnung von ca. 6,8 cm, in y-Richtung ca. 3,3 cm, so daß die von der Antenne belegte Fläche vorteilhaft um ca. 25% kleiner ist als beim ersten Ausführungsbeispiel.
- Im o.g. Frequenzbereich weist das zweite Ausführungsbeispiel induktive Eingangsimpedanzen Z2 mit Werten des Wirkwiderstandes R2 zwischen ca. 4 und ca. 16 Ohm und Werten des Blindwiderstands X2 zwischen ca. 180 und ca. 370 Ohm auf. Eine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung ist vorteilhaft auch hier nicht erforderlich.
- Das in Fig. 3c dargestellte dritte Ausführungsbeispiel zeichnet sich im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel aus Fig. 3a durch eine Streckung in Richtung der x-Achse und eine Stauchung in Richtung der Y-Achse aus. Die Breite jedes Zweiges nimmt wiederum nach außen hin im allgemeinen zu und entlang des Zweiges periodisch zu und ab. Jeder Zweig beschreibt genau zwei volle 360-Grad-Umdrehungen um den zentralen Bereich 23. in x-Richtung hat diese Antenne eine Ausdehnung von ca. 10 cm, in y-Richtung ca. 1,6 cm, so daß sich diese Antenne insbesondere für eine Herstellung auf einem Band und/oder für Anwendungen eignet, bei denen eine längliche Fläche für die Antenne zur Verfügung steht. Die von dieser Antenne belegte Fläche ist vorteilhaft um ca. 45% kleiner als beim ersten Ausführungsbeispiel.
- Im o.g. Frequenzbereich weist das dritte Ausführungsbeispiel induktive Eingangsimpedanzen Z2 mit Werten des Wirkwiderstandes R2 zwischen ca. 4 und ca. 35 Ohm und Werten des Blindwiderstands X2 zwischen ca. 170 und ca. 400 Ohm auf. Eine separate Schaltungsanordnung zur impedanzanpassung ist vorteilhaft auch hier nicht erforderlich.
- Aufgrund der geringen Steilheit der Verläufe der Impedanz über der Frequenz weisen die in Fig. 3 dargestellten Antennen 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 über 30 MHz ergeben.
- Anstelle der mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen Spiralantennen mit ovalen Windungen können auch solche mit kreisrunden Windungen vorgesehen werden, wenn z.B. eine quadratische oder kreisrunde Fläche für die Antenne zur Verfügung steht. In diesem Falle nimmt die Breite jedes Zweiges ausgehend vom zentralen Bereich 23 kontinuierlich und monoton entlang des Zweiges zu - evtl. mit Ausnahme eines langsam auslaufenden Zweigendes analog zu Fig. 3b.
- Figur 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne.
- In diesem Ausführungsbeispiel weist die Antenne 30 zwei Zweige 31, 32 auf, die bis auf eine Drehung um 180 Grad identisch ausgestaltet sind und sich spiralförmig in eckigen Windungen von einem zentralen Bereich 33 nach außen erstrekken, wobei jeder Zweig 2,25 Drehungen um jeweils 360 Grad beschreibt.
- Jeder der Antennenzweige 31 und 32 weist hierbei mehrere gerade zweigabschnitte auf, die in Winkeln von jeweils 90 Grad zueinander angeordnet sind. Dieser Antennentyp wird auch als polygonale Spiralantenne bezeichnet. Neben rechten Winkeln können auch andere Winkel zwischen den Zweigabschnitten vorgesehen werden, so daß sich fast beliebige Anzahlen von Ecken pro voller Umdrehung eines Zweiges realisieren lassen. Weiterhin können die Windungen auch rechteckig statt quadratisch ausgebildet sein.
- Ausgehend vom zentralen Bereich 33 weist jeder Antennenzweig 31, 32 eine Zweiglänge L entlang des Zweiges und eine Zweigbreite W quer zum Zweig auf, wobei die Zweiglänge L wie vorstehend beschrieben erfindungsgemäß gewählt wurde und sich die Zweigbreite W entlang des Zweiges ändert.
- Die Antennenzweige 31, 32 sind im zentralen Bereich 33 direkt mit der integrierten Empfangsschaltung 17 des Transponders 15 verbunden. Die integrierte Empfangsschaltung 17 ist im zentralen Bereich 33 angeordnet und vorzugsweise auf demselben Substrat ausgebildet, auf dem auch die Antennenzweige ausgebildet sind. Hierdurch vereinfacht sich die implementierung des Transponders.
- Die Breite W der Antennenzweige bleibt vorzugsweise in jedem geraden Zweigabschnitt konstant, ändert sich aber "sprunghaft" in den Ecken. Ausgehend vom zentralen Bereich 33 kann der erste gerade Abschnitt eine erste Breite aufweisen, der nächste gerade Abschnitt eine zweite, größere Breite, und der dritte Abschnitt eine dritte (im Vergleich zu zweiten Breite wiederum) größere Breite etc.. Alternativ zu einer solchen stückweise konstanten Breite entlang der Antennenzweige kann die Zweigbreite aller oder nur bestimmter Antennenzweige ausgehend vom zentralen Bereich entlang des Zweiges linear zunehmen.
- Die in Fig. 4 gezeigte Antenne hat eine x-/y-Ausdehnung von ca. 7cm x 7cm. Im o.g. Frequenzbereich weist das vierte Ausführungsbeispiel induktive Eingangsimpedanzen Z2 mit werten des Wirkwiderstandes R2 zwischen ca. 7 und ca. 30 Ohm und Werten des Blindwiderstands X2 zwischen ca. 100 und ca. 240 Ohm auf. Je nach Lage des Betriebsfrequenzbereichs ist eine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung nicht erforderlich.
- 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 semi-passive Transponder, noch auf die angegebenen Frequenzbänder, die angegebenen Impedanzwerte der integrierten Empfangsschaltung oder die gezeigten Formen der Windungen der Antennenzweige etc. beschränkt. Die Erfindung kann vielmehr vorteilhaft in unterschiedlichsten kontaktlosen Kommunikationssystemen eingesetzt werden.
-
- 10
- RFID-system
- 11
- Basisstation, schreib-/Lesegerät, Lesegerät, Reader
- 12
- Antenne der Basisstation
- 13
- Sende-/Empfangseinheit der Basisstation
- 14
- Kontrolleinheit der Basisstation
- 15
- Transponder bzw. Remote Sensor
- 16
- Antenne des Transponders
- 17
- integrierte Empfangsschaltung des Transponders
- 20
- Antenne des Transponders
- 21, 22
- erster bzw. zweiter Antennenzweig
- 21a, 22a
- innere Radialwendel des ersten bzw. zweiten Antennenzweiges
- 21 b, 22b
- äußere Radialwendel des ersten bzw. zweiten Antennenzweiges
- 23
- zentraler Bereich der Antenne
- 30
- Antenne des Transponders
- 31, 32
- erster bzw. zweiter Antennenzweig
- 33
- zentraler Bereich der Antenne
- EIRP
- emitted isotropic radiated power
- ERP
- emitted radiated power
- ISM
- industrial, scientific, medical (Frequenzband bei 2,4 GHz)
- RFID
- Radio frequency identification
- fB
- Betriebsfrequenzbereich
- fp1
- niedrigste Parallelresonanzfrequenz der Antenne
- fp2
- zweitniedrigste Parallelresonanzfrequenz der Antenne
- fs1
- niedrigste Serienresonanzfrequenz der Antenne
- fs2
- zweitniedrigste Serienresonanzfrequenz der Antenne
- L
- Zweiglänge
- R1, R2
- Wirkwiderstand von Z1 bzw. Z2, Realteil von Z1 bzw. Z2
- W
- zweigbreite
- X1, X2
- Blindwiderstand von Z1 bzw. Z2, Imaginärteil von Z1 bzw. Z2
- Z1=R1+j*X1
- Eingangsimpedanz der integrierten Empfangsschaltung
- Z2=R2+j*X2
- Eingangsimpedanz der Antenne
Claims (20)
- Antenne (16; 20; 30) für einen rückstreubasierten RFID-Transponder (15) mit einer eine kapazitive Eingangsimpedanz (Z1) aufweisenden integrierten Empfangsschaltung (17) zum Empfangen eines spektral in einem Betriebsfrequenzbereich (fB) liegenden Funksignals, beinhaltend:a) zwei Antennenzweige (21, 22; 31, 32), die sich spiralförmig von einem zentralen Bereich (23; 33), in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung (17) verbindbar sind, nach außen erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, daßb) jeder Antennenzweig eine Zweiglänge (L) entlang des Zweiges (21, 22; 31, 32) aufweist, die so gewählt ist, daß eine der Serienresonanzfrequenzen (fs1, fs2) der Antenne unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs (fB) und die nächsthöhere Parallelresonanzfrequenz (fp1, fp2) der Antenne oberhalb des Betriebsfrequenzbereichs (fB) liegt. - Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweiglänge (L) so gewählt ist, daß die Antenne Werte einer induktiven Eingangsimpedanz (Z2) aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich (fB) derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven Eingangsimpedanz (Z1) angenähert sind, daß zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung (17) keine Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist.
- Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweiglänge (L) so gewählt ist, daß diejenige der Serienresonanzfrequenzen (fs1, fs2) unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs (fB) liegt, die dazu führt, daß die Antenne Werte einer induktiven Eingangsimpedanz (Z2) aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich (fB) derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven Eingangsimpedanz (Z1) angenähert sind, daß zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung (17) keine Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist.
- Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienresonanzfrequenz (fs1, fs2) der niedrigsten Serienresonanzfrequenz (fs1) der Antenne entspricht.
- Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Antennenzweig ausgestaltet ist, mindestens eine volle Umdrehung, insbesondere mindestens 1,5 volle Umdrehungen, um den zentralen Bereich (23; 33) zu beschreiben.
- Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Antennenzweig eine Zweigbreite (W) quer zum Zweig aufweist und sich die zweigbreite (W) entlang des Zweiges ändert.
- Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigbreite (W) ausgehend vom zentralen Bereich (23; 33) nach außen hin zunimmt.
- Antenne (16; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Antennenzweig (21, 22) eine innere Radialwendel (21a, 22a) und eine äußere Radialwendel (21b, 22b) bildet.
- Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Radialwendel und die äußere Radialwendel einer logarithmischen Funktion folgen.
- Antenne (16; 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenzweige (31, 32) polygonal oder stückweise gerade ausgestaltet sind.
- Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigbreite entlang des Zweiges stückweise konstant ist.
- Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenzweige in ihrer äußeren Form identisch ausgestaltet sind.
- Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenzweige planar ausgestaltet sind und in einer gemeinsamen Ebene liegen.
- Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Antennenzweig eine dünne leitfähige Schicht umfaßt, die auf einem Substrat ausgebildet ist.
- Rückstreubasierter RFID-Transponder (15), beinhaltend:a) eine integrierte Empfangsschaltung (17) mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz (Z1),b) eine mit der integrierten Empfangsschaltung (17) verbundene Antenne (16; 20; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Rückstreubasierter RFID-Transponder nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Empfangsschaltung (17) im zentralen Bereich (23; 33) der Antennenzweige angeordnet ist.
- Rückstreubasierter RFID-Transponder nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Antennenzweig eine dünne leitfähige Schicht umfaßt, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und die integrierte Empfangsschaltung (17) auf dem Substrat ausgebildet ist.
- Rückstreubasierter RFID-Transponder nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Eingangsimpedanz (Z1) einen Wirkwiderstand (R1) und einen Blindwiderstand (X1) aufweist, wobei der Wert des Blindwiderstands (X1) betragsmäßig größer ist als der wert des Wirkwiderstands (R1).
- Rückstreubasierter RFID-Transponder nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponder passiv oder semipassiv ausgestaltet ist.
- Rückstreubasierter RFID-Transponder nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsfrequenzbereich (fB) im UHF- oder im Mikrowellen-Frequenzbereich liegt.
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