DE20314836U1 - RFID-Reader-Antenne - Google Patents

Description

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Patentanwältin

Dipl.-Phys. Cordula Knefel

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FEIG ELECTRONIC GmbH

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RFID-Reader-Antenne

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Aufbau einer RFID-Antenne, die Energie und Daten zu RFID-Transpondern übertragen und Daten vom RFID-Transponder empfangen kann. Die Antenne besitzt eine Antennenspule, die die Energie und Datenübertragung durch das magnetische Feld ermöglicht.

Gemäß dem Stand der Technik wird eine Antenne eines RFID-Systems aus einer Induktivität, die aus einer oder mehreren Windungen gebildet wird, und einem Kondensator, der die Antenne auf die Betriebsfrequenz abstimmt, aufgebaut.

Die Antenne eines RFID-Systems hat zwei Aufgaben: Einerseits die Übertragung von Energie an den Transponder und andererseits die Übertragung von Daten an und vom

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Transponder. Die Energie und Datenübertragung basiert auf der magnetischen Kopplung der Wechselfelder des Readers und des Transponders im Nahbereich. Eine Übertragung von Energie und Daten durch das elektrische Wechselfeld findet nicht statt.

Anforderungen an eine Reader-Antenne eines RFID-Systems sind:

Eine möglichst gute Abstimmung der Antenne auf die Betriebsfrequenz des RFID-Systems, um eine gute Kopplung und damit gute Energie und Datenübertragung zu erreichen. Ist die Resonanzfrequenz der Reader-Antenne auf die Betriebsfrequenz des RFID-Systems abgestimmt, erreicht man mit einer hohen Güte der Reader-Antenne eine hohe Energieübertragung. Eine zu hohe Güte kann aber die Datenübertragung des RFID-Systems verschlechtern. Ursache hierfür ist, dass die zu übertragenden Daten auf die Betriebsfrequenz des RFID-Systems aufmoduliert sind und somit mindestens zwei symmetrisch zur Betriebsfrequenz des RFID-Systems liegende Nutzsignal- Seitenbänder auftreten. Um diese Seitenbänder ebenfalls gut übertragen zu können, ist die Güte einer RFID-Reader-Antenne so zu optimieren, dass die Energiereichweite und die Datenreichweite des Systems gleich sind. Das bedeutet, dass Reader-Antennen verschiedener RFID-Systeme unterschiedlich hohe Güte haben, selbst wenn die Betriebsfrequenzen der Antennen gleich sein sollten.

Eine weitere Anforderung an eine RFID-Reader-Antenne entsteht aus der Tatsache, dass die Reader-Antenne Energie zum Transponder überträgt. Das heißt, die Reader-Antenne wird ihrerseits durch einen Sender mit Energie versorgt. Je nach Reichweite des RFID-Systems kann es sich um Milliwatt bis zu einigen Watt handeln. Um die Leistung optimal von der Endstufe des Readers in die Antenne zu übertragen, müs-

sen Reader-Endstufe und Reader-Antenne den gleichen Eingangs- beziehungsweise Ausgangswiderstand besitzen. Eine RFID-Reader-Antenne benötigt also eine bestimmte Eingangs impedanz, damit die Energie von der Reader-Endstufe optimal zur Antenne übertragen wird. Eine typische Eingangsimpedanz einer RFID-Reader-Antenne sind 50 Ohm, da zur Verbindung von Reader und Antenne oft 50 Ohm Kabel eingesetzt werden. Es sind aber auch andere Antennenimpedanzen möglich, wenn zum Beispiel die Antenne direkt auf dem Reader integriert ist und die Antenne an die Ausgangsimpedanz der Reader-Endstufe angepasst ist.

Eine weitere Anforderung an eine RFID-Reader-Antenne ist, die Ströme, die über die parasitären Kapazitäten zwischen der Antenne und Erdpotential fließen, so weit wie möglich zu kompensieren. Das bedeutet, dass durch diese Kapazitäten keine oder möglichst wenig Störströme zwischen Antenne und RFID-Reader fließen sollten.

Wie oben beschrieben, sind beim Aufbau einer RFID-Reader -Antenne die Parameter Betriebsfrequenz, Güte, Eingangsimpedanz und Kompensation der Antennenströme gegen Erdpotential wichtig. Elektrotechnisch gesehen werden diese Parameter durch die Induktivität, die Kapazität und den Widerstand der Antenne beeinflusst. Eine Reader-Antenne nach dem Stand der Technik ist so aufgebaut, dass die Induktivität durch einen oder mehrere Windungen gebildet wird. Die benötigten Antennenkapazitäten werden durch Bestücken von Kondensatoren erreicht, und die Güte wird durch Bestücken eines Widerstandes erreicht. Das heißt, eine typische RFID-Reader-Antenne besitzt folgende Komponenten: Eine oder mehrere Windungen, die zum Beispiel in Form von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte geformt sind oder

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Drähte, die zu einer Spule gewickelt sind, oder die in Form eines Rahmens aus Metallstreifen oder Rohr geformt sind.

Weiterhin besitzt die Antenne einen oder mehrere Kondensatoren, die nach einer bestimmten Schaltung mit der Antennenspule verbunden sind. Eine typische Verbindung ist das Auflöten der Kondensatoren auf einer Leiterplatte. Sollten Widerstände benötigt werden, werden diese meist ähnlich wie die Kondensatoren mit der Antenne verbunden.

Durch die verschiedenen Komponenten und die benötigte Verbindungstechnik sind bei der Herstellung solcher Antennen mehrere Fertigungsschritte notwendig. Fertigungsschritte bei einer Antenne, die auf eine Leiterplatte aufgebracht wird, sind zum Beispiel Produktion der Leiterplatte und anschließendes Bestücken der Bauteile auf die Leiterplatte. Möchte man eine solche RFID-Antenne in großen Stückzahlen zu sehr niedrigen Kosten produzieren, entsteht eine gewisse Kostenschwelle, die nicht unterschritten werden kann. Ursache der Kostenschwelle sind die Verwendung verschiedener Komponenten und die Aneinanderreihung verschiedener Fertigungsschritte.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Antenne so aufzubauen, dass wenige Komponenten und Fertigungsschritte nötig sind, so dass sie kostengünstig herstellbar ist.

Dieses technische Problem wird durch eine RFID-Reader-Antenne mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die technische Lösung für die RFID-Reader-Antenne, die hier beschrieben wird, besteht darin, dass alle Parameter beziehungsweise Komponenten der RFID-Antenne durch die Form

und den Abstand von zwei Leiterbahn-Strukturen erreicht werden.

Insbesondere wird im Gegensatz zu bekannten Transponder -Antennen die Parameter Impedanzanpassung durch die Leiterbahnstruktur der Impedanz anpassenden Leiterbahn erreicht. Durch den symmetrischen Aufbau der Schwingkreis Leiterbahnstrukturen in Bezug zu den überlappenden Flächen und den Anschluss- und Symmetriepunkt der Antennen wird eine elektrische Symmetrierung der Antennen zum Erdpotential erreicht, so dass sich die zum Erdpotential hin- und zurückfließenden Ströme kompensieren können und keine parasitären Erdströme auftreten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform überlappen sich die Leiterbahnstrukturen lediglich in dem Bereich, in dem die Kapazität gebildet wird. Weitere Überlappungen in dem Bereich der einen oder mehreren Windungen werden vermieden, um unerwünschte Kopplungen und zusätzliche Kapazitäten zu vermeiden.-

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Länge der Leiterbahnen zwischen dem Anschluss und Symmetriepunkt der Antenne und der Kapazität der Antenne gleich lang. Hierdurch werden parasitäre Ströme kompensiert. Sind die Leiterbahnen bis zu der Kapazität zur Einstellung der Betriebsfrequenz gleich lang, sind auch die parasitären Kapazitäten zwischen Leiterbahnen und Erdpotential und damit die Ströme zwischen Leiterbahn und Erdpotential nahezu gleich. Jedoch weisen diese Ströme unterschiedliche Polarität auf, so dass sie sich gegenseitig aufheben. Ist dies nicht der Fall, fließt ein Störstom über den RFID-Reader.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Impedanz durch die Position mindestens einer Verbindung einer Leiterbahn zur Impedanzanpassung mit den Leiterbahnen der Antennenschleife abgestimmt wird.

Eine einfache und geläufige Anpassschaltung ist die „Gamma-Anpassung" (Rothammels Antennenbuch (ISBN 3-88692-033-4)).

Vorteilhaft ist der Stecker für den Anschluss der Antenne derart ausgebildet, dass er einen elektrischen Kontakt zwischen den Leiterbahnen auf den beiden verschiedenen Lagen bildet. Es ist auch möglich, ein Durchkontaktieren durch das Trägermaterial vorzunehmen, was jedoch vom Herstellungsaufwand her mit größeren Kosten verbunden ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Antenne zwei Leiterlagen auf. Es ist jedoch auch möglich, je nach Anforderungen mehr als zwei Leiterlagen vorzusehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen RFID-Reader-Antenne nur beispielhaft dargestellt sind, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild der „Gamma-Anpassung";

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen RFID-Reader-Antenne mit einer Windung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die obere Leiterbahn;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die untere Leiterbahn;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen RFID-Reader-Antenne mit drei Windungen;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die veränderte Fläche der Leiterbahnen im Überlappungsbereich;

Fig. 7 eine Draufsicht auf die veränderte Fläche der Leiterbahnen im Uberlappungsbereich;

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Einstellung des Abgriffs (5);

Fig. 9 eine Seitenansicht auf die Kontaktierung der Leiterbahnen über einen Steckverbinder.

Eine RFID-Antenne besteht neben einem Antennenleiter auch aus einer Anpassschaltung. In der Literatur ist eine Vielzahl verschiedener Schaltungen zum Einstellen von Antennen zu finden. An einem Beispiel soll die Funktion erläutert werden:

Fig. 1 zeigt das Prinzip der „Gamma-Anpassung" anhand eines Ersatzschaltbildes.

Über die Kapazität (C) wird die Resonanzfrequenz der Antenne eingestellt, das heißt die Blindkomponente der Antennenimpedanz wird durch diese Kapazität kompensiert. Mit dem Abgriff an der Induktivität (L), das heißt an der An-

tenne, wird die Impedanz angepasst, indem die Impedanz des Resonanzkreises über einen Übertragungsfaktor transformiert wird. Die Größe des Dämpfungswiderstandes (R) ist für die Güte der Antenne verantwortlich. Er ergibt sich aus der Form der Antenne, der Dicke der Leiterbahnen (Skin-Effekt) und der Position der Leiterbahnen zueinander.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen RFID-Reader-Antenne mit einer Windung. Die Leiterbahn (la) ist die Leiterbahn auf der Oberseite, und die Leiterbahn (Ib) ist die Leiterbahn auf der Unterseite. Die Leiterbahnen (la) und (Ib) überlappen im Wesentlichen nur in einem definierten Bereich (3), der die Kapazität des Antennenschwingkreises bildet, und sind im Anschluss- und Symmetriepunkt (6) miteinander verbunden. Die Leiterbahnen sind auf einer dielektrischen Schicht (4) aufgebracht.

Die Einstellung der Impedanz der Antenne wird über die Verbindung (5) gemäß dem Abgriff an der Induktivität (L) in Fig. 1 realisiert. Hierzu ist eine Leiterbahn (2) zur Impedanzanpassung vorgesehen. Die Verbindung zum RFID-Reader erfolgt über den Anschluss- und Symmetriepunkt (6).

Fig. 3 zeigt die Leiterbahn (la) auf der Oberseite der dielektrischen Schicht mit der Verbindung (5) und dem Kontakt (6a) .

Fig. 4 zeigt die Leiterbahn (Ib) auf der Unterseite der dielektrischen Schicht mit dem Kontakt (6b).

Eine Feineinstellung der Kapazität ist möglich, indem man die Fläche der Überlappung (3) variiert. Das Verklei-

nern der Fläche bewirkt eine Verkleinerung der Kapazität (C) .

In einem weiteren Beispiel gemäß Fig. 5 ist die Möglichkeit einer Antenne mit mehreren Windungen aufgezeigt. Da mit der Verkleinerung der Antennenfläche auch die Induktivität der Antenne mit einer Windung reduziert wird, muss die Kapazität zur Kompensation des Blindanteiles durch Vergrößern des Überlappungsbereiches der Leiterbahnen erhöht werden. Durch Verwendung mehrerer Windungen steigt die Induktivität, und damit sinkt die erforderliche Kapazität.

Fig. 5 zeigt eine Antenne mit drei Windungen. Dabei liegen die Leiterbahn (la) auf der Oberseite und die Leiterbahn (Ib) auf der Unterseite nicht übereinander. Die Überlappung zum Einstellen der Kapazität befindet sich im Wesentlichen nur im definierten Bereich (3). Über die Verbindung (5) zu der Leiterbahn (2) wird wie bei der Antenne mit einer Windung (Fig. 2) der Abgriff zur Einstellung der Impedanz realisiert. Die Verbindung zu den weiteren RFID-Komponenten erfolgt über den Anschluss (6, 7).

Es ist möglich, die Betriebsfrequenz der Antenne durch Verändern der Kapazität (C) nachzugleichen. Dazu wird einfach der Überlappungsbereich (3) durch Ritzen oder Lasern, wie in Fig. 6 dargestellt, oder durch Lochen, wie in Fig. dargestellt, oder andere Verfahren verkleinert. Eine Verkleinerung des Überlappungsbereiches (3) führt gleichzeitig zu einer Verkleinerung der Kapazität (C) und damit zu einer Änderung der Antennenanpassung. Das Nachgleichen der Impedanz erfolgt über Verändern der Position des Abgriffs (5), wie in Fig. 8 dargestellt.

Fig. 9 zeigt eine Möglichkeit, die Leiterbahnen im Bereich des Symmetriepunktes (6) über einen Stecker (10) miteinander zu verbinden.

Die Leistung, die in Wärme umgesetzt wird, wird über die Leiterbahnen großflächig an die Umgebung abgeführt.

Bezugszahlen

L Induktivität der Antennenschleife

C Kapazität zur Einstellung der Betriebsfrequenz

R Parallelwiderstand zur Einstellung der Güte

la Leiterbahn der Antennenschleife auf Oberseite

Ib Leiterbahn der Antennenschleife auf Unterseite

2 Leiterbahn zur Impedanzanpassung

3 Überlappungsbereich der Leiterbahnen (la) und (Ib) 3a Leiterbahn im Überlappungsbereich (3) auf Oberseite 3b Leiterbahn im Überlappungsbereich (3) auf Unterseite

4 dielekrisches Trägermaterial

5 Abgriff der Leiterbahn (2) an Antennenschleife

6 Anschluss- und Symmetriepunkt der Antennenschleife 6a Leiterbahn am Anschlusspunkt (6) auf Oberseite

6b Leiterbahn am Anschlusspunkt (6) auf Unterseite

7 Anschlusspunkt der Leiterbahn Impedanzanpassung (2)

8 Steckverbinder am Anschluss- und Symmetriepunkt (6)

Claims (13)

1. Antenne eines RFID-Readers, bestehend aus mindestens einer Induktivität und einer Kapazität, die von der Endstufe des RFID-Readers mit einer Wechselspannung versorgt wird, und die zur Energie und Datenübertragung mit dem Transponder dient, wobei die Parameter Betriebsfrequenz, Güte, Impedanz und Symmetrie gegen Erde die Antennen-Charakteristik bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Antenne durch die Form von mindestens zwei Leiterbahnstrukturen gebildet wird,

- die beiden Leiterbahnstrukturen in einem bestimmten Abstand angeordnet sind,

- zwischen den mindestens zwei Leiterbahnstrukturen mindestens ein Trägermaterial angeordnet ist, das dielektrische Eigenschaften besitzt,

- die mindestens zwei Leiterbahnstrukturen so zueinander positioniert sind, dass sie an mindestens einem Bereich überlappen, und

- die mindestens zwei Leiterbahnstrukturen so zueinander positioniert sind, dass sich aus den mindestens zwei Leiterbahnstrukturen mindestens eine Windung ergibt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahnstrukturen lediglich in dem Bereich überlappen, in dem die Kapazität gebildet wird.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Leiterbahnen zwischen dem Anschluss- und Symmetriepunkt (6) der Antenne und der Kapazität der Antenne wenigstens annähernd gleich lang ist.

4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz durch die Position mindestens einer Verbindung (5) einer Leiterbahn (2) zur Impedanzanpassung mit den Leiterbahnen (1a) und (1b) der Antennenschleife abstimmbar ist.

5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Antenne durch die Leiterbahndicke bestimmt sind.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Antenne durch nachträgliches Auftrennen und/oder Entfernen von Teilen der Leiterbahnstruktur veränderbar sind.

7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Leiterbahnstruktur als Zuleitung der Antenne ausgebildet sind.

8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnstruktur so ausgeführt ist, dass eine Verbindung der Leiterbahnen der Antennenschleife (1a) und (1b) am Anschluss- und Symmetriepunkt der Antennenschleife (6) gebildet wird.

9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnstruktur so aufgebaut ist, dass in Wärme umgesetzte elektrische Verluste gut abführbar sind.

10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiterbahnstrukturen einer Lage keine Kreuzungspunkte mit den Leiterbahnstrukturen der gleichen Lage aufweisen.

11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial starr ausgebildet ist.

12. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial flexibel ausgebildet ist.

13. RFID-Reader, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Reader wenigstens eine Antenne mit den Merkmalen eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche aufweist.