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Die
Erfindung betrifft eine Antennenanordnung, die Teil eines RFID Systems
zur kontaktlosen Datenübertragung
insbesondere zum Lesen und Beschreiben von kontaktlosen Datenträgern, sogenannten
Transpondern ist.
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Ein
RFID System ist in 1)
dargestellt und besteht aus einer RFID-Antenne 1.1 die
sich aus mindestens einer Antennenschleife, die eine Induktivität darstellt
und aus einer oder mehreren Windungen gebildet wird und einer Anpassungsschaltung (AS)
zusammensetzt, einer Schreib-/Lesestation mit integrierter Sende-,
Empfänger-
und Steuereinheit und einer Verbindungsleitung 1.2. zwischen
der Schreib-/Lesestation und der RFID-Antenne.
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Die
RFID-Antenne eines RFID-Systems hat folgende Aufgaben:
Einerseits
die Übertragung
von Energie an den Transponder und andererseits die Übertragung
von Daten an und vom Transponder. Die Energie und Datenübertragung
basiert auf der magnetischen Kopplung der Wechselfelder des Readers
und des Transponders im Nahbereich.
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Eine
Anforderung an eine RFID-Reader-Antenne ist die Energieübertragung
zum Transponder. Dazu wird die Reader-Antenne ihrerseits durch einen Sender
mit Energie versorgt. Um die Leistung optimal von der Endstufe des
Readers in die Antenne zu übertragen,
müssen
Reader-Endstufe und Reader-Antenne den gleichen Eingangsbeziehungsweise
Ausgangswiderstand besitzen. Eine RFID-Reader-Antenne benötigt also
eine bestimmte Eingangsimpedanz, damit die Energie von der Reader-Endstufe
optimal zur Antenne übertragen
wird.
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Ferner
muß die
Reader-Antenne möglichst gut
auf die Betriebsfrequenz des RFID-Systems abgestimmt sein, um eine
gute Kopplung und damit gute Energie und Datenübertragung zu erreichen, wozu
die Reader-Antenne i.d.R. auf Resonanz mit der Betriebsfrequenz
abgestimmt wird.
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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.
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Zur
Anpassung des Eingangs- beziehungsweise Ausgangswiderstand und zum
Abgleich der Reader-Antenne auf die Betriebsfrequenz dient eine Anpassungsschaltung,
die sich i.d.R. in unmittelbarer Nähe zur Antennenschleife befindet.
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Transponder
bestehen aus einem integrierten Mikroelektronik Bauelement (IC)
und einem Resonanzkondensator und einer Antennenspule, wobei der
Resonanzkondensator häufig
bereits in das IC integriert ist. Die Antennenspule und der Resonanzkondensator
bilden einen elektrischen Schwingkreis und werden auf ihre Betriebsfrequenz
von z.B. 13.56 MHz abgestimmt.
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Gelangt
ein Transponder in den Erfassungsbereich der Reader-Antenne so erhält der Transponder über die
magnetische Kopplung mit der Antenne Energie zum Betrieb der integrierten
Schaltung (IC). Die Höhe
der Energie ist abhängig
von der Feldstärke
bzw. Anzahl der Feldlinien die den Transponder durchdringen und
dem Winkel der Feldlinien zum Transponder. Die maximale Energie
erhält
der Transponder bei einem Winkel zwischen Feldlinien und Transponder
von 90°.
Ist der Winkel zwischen Feldlinien und Transponder sehr spitz oder
sogar 0° so wird
der Transponder von keinen Feldlinien durchdrungen und erhält somit
auch keine Energie.
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Ist
die Energie groß genug
wird das IC in den Grundzustand versetzt und beginnt zu Arbeiten.
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Der
Bereich in dem der Transponder ausreichend mit Energie versorgt
wird und mit dem RFID System kommunizieren kann wird Erfassungsbereich (2) genannt. Der dreidimensionale
Erfassungsbereich wird hier der Einfachheit halber zweidimensional
beschrieben. Er hat die Breite x1 und die Tiefe y1.
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Die
Größe des Erfassungsbereichs
wird bestimmt durch die Faktoren Antennenfläche, Antennenform und Strom
in der Antennenschleife (Antennenstrom). Der Strom ist wiederum
abhängig
von der Güte
des Schwingkreises, der Ausgangsleistung des RFID Readers und der
Induktivität
der Antennenschleife und erreicht sein Maximum, wenn die Antenne
auf Resonanzfrequenz abgestimmt ist.
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Um
einen möglichst
großen
Erfassungsbereich zu erzielen müsste
man folglich eine möglichst große Antennenfläche mit
einem möglichst
großen Antennestrom
betreiben.
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In
der Praxis ist dies aber durch verschiedene Einschränkungen
begrenzt.
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Einerseits
ist die Ausgangsleitung der Endstufenverstärker der RFID Leser begrenzt
um den Aufwand möglichst
gering zu haften. Auch die Erwärmung
der Antenne oder der Anpassungsschaltung, sowie die hohen Spannungen
an den Bauteilen im Resonanzkreis erschwert das Design und die Entwicklung
kostengünstiger
Lösungen
bei großen
Sendeleistungen.
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Die
Abhängigkeit
der magnetische Feldstärke
von dem Strom und der Größe der Antenne
kann anhand der folgenden Formel für eine runde Antenne prinzipiell
dargestellt werden:
- H:
- magnetische Feldstärke
- x:
- Abstand zwischen der
Ebenen der Antenne und dem Transponder
- I:
- Strom durch die Antenne
- N:
- Anzahl Windungen der
Antenne
- r:
- Radius der runden
Antenne
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Wählt man
den Anstand x zwischen Transponder und Antennenschleife gleich Null
(Transponder liegt in der selben Ebene wie die Antennenschleife)
kann die Formel folgendermaßen
vereinfacht werden.
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Die
Formel zeigt, dass die Feldstärke
in der Antennenmitte mit 1/r abnimmt. Geht man davon aus, dass der
RFID-Reader in der Lage ist nur einen bestimmten maximalen Strom
in eine Antennenanordnung hineinzutreiben, so wird deutlich, dass
ab einer bestimmten Größe der Antenne
die magnetische Feldstärke
in der Mitte der Antenne nicht mehr ausreichend ist, um einen Transponder
zu betreiben.
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Dieser
Zusammenhang wird auch in 23 dargestellt,
der einen vertikalen Schnitt durch eine große und eine kleine in der horizontalen
liegende Antenne zeigt. Wobei die gedachten Feldlinien, die durch
den stromdurchflossenen Leiter der Antennenschleife hervorgerufen
werden, schematisch dargestellt sind und der Abstand zwischen den
Feldlinien die lokale magnetische Feldstärke prinzipiell darstellt.
Zudem zeigt 23 schematisch
den Bereich, in dem aufgrund der verfügbaren magnetischen Feldstärke eine
Kommunikation mit einem Transponder möglich wäre.
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Andererseits
wird die Induktivität
abhängig von
der Leiterlänge
bzw. der vom Leiter umschlossenen Fläche für große Antenne immer größer. Besonders
bei höheren
Frequenzen (z.B. bei 13.56 MHz) ergeben sich nach der folgenden
Gleichung sehr kleine Kapazitäten
die zum Abgleich der Antenne auf die geforderte Resonanzfrequenz
notwendig würde.
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Die
Berechnung der Resonanzfrequenz kann anhand folgender Formel erfolgen.
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Diese
kleinen Kapazitäten
im Resonanzkreis machen die Antennen in der Praxis schwer abgleichbar
und die Empfindlichkeit gegen Änderungen
in den Umgebungsbedingungen wird größer.
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Große Antennen
und hohe Sendeleistungen haben weiterhin den Nachteil, dass sehr
schnell die gültigen
Grenzwerte der nationalen Funkvorschriften überschritten werden.
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Auch
ist es nicht möglich
die Position des Transponders innerhalb der großen Antennenfläche zu bestimmen.
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Ein
weiteres Problem einer grossen Antennenfläche ergibt sich wenn der Reader
in der Lage sein soll auch dann mit einem Transponder zu kommunizieren,
wenn sich gleichzeitig eine große
Anzahl von Transpondern im Erfassungsbereich der Reader-Antenne
befindet, weil sich in diesem Fall die RFID Leistung auf die groß Antennenfläche verteilt wodurch
die lokale Feldstärke
an jedem Punkt im Erfassungsbereich sinkt und weil sich die Resonanzfrequenz
der Transponder durch die gegenseitige Kopplung untereinander verändert, insbesondere
wenn sich die Transponder in geringen Abständen zueinander befinden, wodurch
Feldstärken
die der Transponder zum Betrieb benötigt ansteigt.
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Ferner
haben einfache große
Antennen mit einer großen
Fläche
den Nachteil, dass die Transponder nur ein einer Ausrichtung gelesen
werden können,
da die Feldlinien senkrecht aus der Antennenfläche austreten und den Transponder
ebenfalls möglichst
senkrecht durchdringen müssen,
damit die notwendige Energie in das Transponder übertragen wird.
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Stand der
Technik
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- EP 1 298 573
A2 (Überlappende
Antennen, 3M)
- DE 100 56 176
C1 (Überlappende
Erfassungsbereich der Antennen, Moba)
- DE 201 10 926
U1 (Aktiv + Passivantenne für Erweitern des Erfassungsbereich,
Interflex)
- DE 299 21 752 U1 (Erweitern
des Erfassungsbereich mit passiven Antennen, Cubit)
- WO 03/026067 (2 Antennen parallel zu einem Abgleich, Überlappender
Erfassungsbereich, 2 Pärchen mit
Power Splitter verbunden)
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Eine
Lösung
für die
aufgezeigten Nachteile ist unter WO 03/026067 beschrieben. Der gewünschte Erfassungsbereich
einer Antenne wird über
die Summe der Erfassungsbereiche von mehreren kleinen Antennenschleifen
aufgebaut (siehe 3). Die
einzelnen Antennenschleifen wurden hier paarweise an eine Anpassungsschaltung
zusammengefasst und weitere Antennen über sogenannte Power Splitter
oder Power Divider mit den RFID Leser verbunden.
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Nachteile
der beschriebenen Lösung
sind, dass der Abgleich der Antennen auf die Resonanzfrequenz sehr
schwierig ist, da sich die Antennen bei geringen Abständen zueinander
in Abhängigkeit
vom Abstand zueinander gegenseitig beeinflussen. Weiterhin entstehen
zwischen den Antennen Lücken
im Erfassungsfeld oder die Reichweite y1 (siehe 2) des Erfassungsbereiches ist an diesen
Stellen wesentlich geringer d.h. dass nur in Antennennähe ein durchgängiger Erfassungsbereich
entsteht, da die Erfassungsbereiche der benachbarten Antennen nur
gering überlappen.
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Eine
andere Lösung
wird in
DE 201 10
926 U1 und
DE
299 21 752 U1 beschrieben. Dort wird eine mit dem Leser
verbundene aktive Antenne durch eine oder mehrere passive Antennen
ergänzt.
Die Anpassungsschaltung einer passiven Antenne besteht hier in der
Regel hauptsächlich
aus einem Kondensator der die Antenne auf die Resonanzfrequenz abstimmt.
Die Antenne hat keine elektrische Verbindung zum Leser und erhält ihre
Energie wie auch die Transponder nur über die magnetische Kopplung
mit der aktiven Antenne.
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Auch
bei dieser Lösung
entstehen durch Überlagerung
der magnetischen Feldlinien Lücken im
Erfassungsbereich des Aufbau da die Feldlinien verschiedene Richtungen
und Phasenlagen zueinander haben. Dadurch wird der Transponder bei
paralleler Ausrichtung zur Antenne von weniger Feldlinien durchflossen
und erhält
dadurch nicht ausreichend Energie.
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Weiterhin
verringert sich die Signalstärke
der Antworttelegramme der Transponder, wenn sich ein Transponder
außerhalb
des Erfassungsbereich der aktiven Antenne aber in der Nähe der passiven
befindet um den Kopplungsfaktor zwischen der aktiven und der passiven Antennen.
Dies kann dazu führen das
der Transponder zwar ausreichend mit Energie versorgt wird aber
nicht gelesen werden kann.
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Werden
die Antennen wie so, wie in
EP 1298573A2 beschrieben überlappt
entsteht eine elektromagnetische Kopplung zwischen den einzelnen
Antennenschleifen, wodurch sich Resonanzfrequenz der Antennen verändert und
die Sendeleitung des Readers auf alle verkoppelten Antennen verteilt, was
zu einer allgemeinen Reduzierung oder Lücken zu einem lückenhaften
Erfassungsbereich führt.
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Antennen
mit geringen Abstand oder überlappende
Antennen haben die Eigenschaft, dass Sie stark ineinander koppeln.
Dies führt
dazu, dass der Abgleich der Antennen schwierig und aufwändig ist da
sie sich gegenseitig beeinflussen.
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Wird
die Antenne in Betrieb genommen geht ein Teil der Sendeenergie durch
die Kopplung in die Nahbarantennen. Diese Energie geht der Sendeantenne
verloren was zu geringeren Feldstärken und Lesereichweiten führt.
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Ist
die Phasenlage der Ströme
zweier Antennen im Überlappungsbereich
gleichphasig so entstehen Löcher
im Erfassungsbereich im Bereich der Überlappung da die Feldlinien
dort gegenläufig
sind (9)
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Dennoch
wird bereits in WO 03/0260267 und
EP
1298573 die Aufteilung einer großen Antennenfläche in kleinere
Einzelantennen beschrieben, wobei aus
EP
1298573 auch bereits prinzipielle Vorteile überlappender
Antennen genannt sind.
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Eigene Lösung
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Die
hier vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren welche nicht
die oben beschriebenen Nachteile aufweist. Weiterhin ergibt sich
aus der Erfindung die Möglichkeit
Transponder in mehreren Ausrichtungen lesen zu können:
Der Grundansatz
der Erfindung ist es, dass große
Erfassungsräume
durch mehrere sich überlappende Antennen
abgedeckt werden und die oben beschriebene Nachteile der gegenseitigen
Beeinflussung der überlappten
Antennen und der schwierige Antennenabgleich der Einzelantennen
durch verschiedene Ausführungsformen
beseitigt wird.
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gezielte Überlappung
(A1+A11)
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In
einer ersten Ausführungsform
werden mindestens zwei Antennenschleifen in einem bestimmten Abstand
X2 und Y2 so überlappt,
dass beide Antennen in einer räumlichen
Ebene, mit geringem Höhenversatz
zueinander liegen. Dabei gibt es mindestens eine bestimmte Position
(4 X2) bei der die gegenseitige Beeinflussung der
beiden Antennen nicht mehr messbar ist, da diese nicht mehr ineinander
koppeln.
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Die
Antennen koppeln nicht ineinander wenn die Summe der Feldlinien
der ersten Antenne innerhalb der zweiten Antenne gleich der Summe
der Feldlinien außerhalb
der zweiten Antenne ist.
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Eine
exakte mathematische Berechnung der genauen Position der Antennen
zueinander ist mit Hilfe der vektoriellen Addition der elektromagnetischen
Felder möglich,
eine praktische Bestimmung ist meistens einfacher.
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1. Verfahren zum Ermitteln
der Überlappungsposition (A56)
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Die
Position, an der die sich die Kopplung der beiden Antenne Antennen
praktisch aufhebt, kann jedoch auch mittels zweier unabhängiger Verfahren
messtechnisch ermittelt werden.
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Bei
dem ersten Verfahren (5) werden die offenen Enden
der zweiten Antennenschleife mit einem Voltmeter verbunden während die
erste Antenne mit dem Reader verbunden ist und von diesem mit RFID-Leistung
versorgt wird. Danach wird diese Antennenschleife sehr langsam über die
erste Antenne geschoben. Die Position an dem die induzierte Spannung
in der zweiten Antennenschleifen gegen Null geht, ist die gesuchte
Position.
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2. Verfahren zum Ermitteln
der Überlappungsposition (A56)
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Bei
dem zweiten Verfahren sind die beiden Antennen zuvor in eine Position
zu bringen, in der sie sich nicht gegenseitig beeinflussen und in
dieser Position auf ihren Arbeitspunkt (Resonanzfrequenz) abzustimmen.
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Danach
sind beide Antennen sehr langsam übereinander zu schieben, wobei
wiederum nur eine der beiden Antennen aktiv vom Reader mit RFID-Leistung
versorgt wird. Während
des Übereinanderschiebens
wird die Eingangsimpedanz der Antennen beobachtet. Die gesuchte
Position ist erreichet, wenn die Eingangsimpedanz der zuvor unbeeinflussten
Antenne entspricht. Die Messung der Eingangsimpedanz kann ersatzweise
auch mittel einem Stehwellenmessgerät (SWR-Meter) erfolgen, mit dem
das Verhältnis
der gesendeten zur reflektierten Leistung gemessen wird. Sobald
das Stehwellenverhältnis
sein Minimum annimmt ist ebenfalls die gesuchte Überlappungsposition gefunden.
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Würden die
Antennen weiter verschoben, würde
die gegenseitige Beeinflussung wieder ansteigen und ihr Maximum
erreichen, wenn sich beide Antennen vollkommen überlappen.
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Durch
den senkrechten Abstand Y2, der beiden Antennen (siehe 4 Y2)
lässt sich
die Überlappungsbreite
X2 geringfügig
beeinflussen. Ein senkrechter Abstand Y2 von ca. 5–15 mm hat
sich bei rechteckigen Antenne mit einer Größe von ca. 800 × 600 mm
als vorteilhaft erwiesen.
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beliebiges Überlappen
durch Auftrennen der Antennenschleife (A12)
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Überlappung
der Antennen nahezu frei gewählt
werden. Dazu ist an jeder Antennenschleife mindestens einem Schalter
vorgesehen ( 8), über den die Antennenschleife
selbst aufgetrennt werden kann damit diese keine Induktivität mehr besitzt,
bzw. zusammen mit den Schwingkreiskondensatoren der Anpassschaltung
keinen Schwingkreis mehr darstellt, in den eine diese Antennenschleife überlappende
Antennenschleife elektromagnetisch einkoppeln könnten. Nur zum Zeitpunkt, wenn
die Antenne mit dem Reader verbundenen wird, ist die Antennenschleife über einen
Schalter zu schließen
und ist betriebsbereit.
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Durch
das Auftrennen der Antennenschleife ist jede nur denkbare Überlappung
möglich
da die aufgetrennte Antennen nicht mehr in die anderen Antennen
einkoppeln können.
Somit kann der Erfassungsbereich entsprechend der Applikation aus
einzelnen Antennen aufgebaut werden.
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Prinzipielles zum Überlappen
und aufteilen der grossen Antenne
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Durch
die Aufteilung der großen
Antennenfläche
in sich überlappende
kleiner Antennenflächen wird
erreicht, dass
- • das Antennenanordnungen mit
variabler Antennenfläche
aus Standard-Antennen aufgebaut werden können und somit die Variantenanzahl
der benötigten
Antennengrößen geringer
wird und
- • die
lokale magnetische Feldstärke
im Nutzbereich der Antenne aufgrund der kleineren Antennenfläche ansteigt,
was einen sichereren Betrieb auch dann Gewährleistet, wenn sich eine Vielzahl von
Transpondern im Erfassungsbereich der Antennenordnung befinden und
- • die
maximale Reichweite der Antennenanordnung genauer vorhergesagt werden
kann, weil sie aus der maximalen Reichweite einer Einzelantenne
der Antennenanordnung resultiert und
- • ein
durchgängiger
Erfassungsbereich über
der Antennenanordnung entsteht und
- • das
von der Antenne angegeben Fernfeld, welches zwar nicht mehr für den Betrieb
eines Transponders ausreichend ist, aber für nationale Funkvorschriften
ein gewisses Limit nicht überschreiten
darf, geringer wird,
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Anschluss über Multiplexer
und/oder Power Splitter
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Der
Anschluss der Antenneanordnung aus sich überlappenden Einzeantennen
an den RFID-Reader
kann auf unterschiedliche jeweils für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaften
Arten erfolgen. Dazu werden entweder sog. Multiplexer oder sog.
Power Splitter oder Kombinationen aus Multiplexer und Power Splitter
zwischen die Antennennordung und den RFID-Reader geschaltet woraus
sich eine Vielzahl vorteilhafter Ausprägungen der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
ergeben.
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Multiplexer (A20)
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Die
Anbindung der sich überlappenden
Antennen der erfindungsgemäßen Antennenanordnung an
einen RFID-Reader kann bei beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen über einen
Multiplexer erfolgen, der zwischen RFID-Reader und den erfindungsgemäßen Antenneanordnung
mit überlappenden
Antennen angeordnet ist und es ermöglicht, dass immer nur die
Antennen aktiviert werden, über die
der RFID-Reader zu diesem Zeitpunkt mit einem Transponder kommunizieren
soll.
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Werden
die Antennen über
einen Multiplexer mit dem Reader verbunden so ist in einem ersten
vorteilhaften Aufbau immer nur eine Antenne mit dem Reader verbunden.
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Eine
große
Antennenanordnung ergibt sich durch die Gesamtfläche der mit dem Multiplexer
verbundenen einzelnen Antennen. Dadurch entsteht die vorteilhafte
Eigenschaft, dass die Energie des RFID Readers auf eine kleinere
Fläche
einer Antenne konzentriert wird und eine hohe magnetische Feldstärke im Erfassungsbereich
der Einzelantenne erzeugt wird und diese den Funkvorschriften genügen.
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Durch
die hohen Feldstärken
im Erfassungsbereich der kleineren Antenne können auch mehrere Transponder
mit geringem räumlichen
Abstand zueinander oder kleine Transponder mit geringer Empfindlich
sicher gelesen werden.
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Durch
den Multiplexer wird nur ein Reader für alle Antennen benötigt was
den Aufwand weiter reduziert. Wird der Multiplexer vom Reader gesteuert kann
die Position des Transponder im Erfassungsbereich bestimmt werden,
da die aktuell mit dem Reader verbundene Antenne bekannt ist.
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Power Splitter
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In
einer anderen möglichen
Ausführungsform
werden die mindestens zwei sich überlappenden
Antennen über
einem sog. Power Splitters, der zwischen RFID-Reader und Antennenanordnung platziert
ist angeschlossen. Der Power Splitter ermöglicht es zwei oder mehr Antennen
innerhalb der Antennenanordnung gleichzeitig zu aktivieren. Dazu ist
er zwischen den RFID-Reader und die Antennen die gleichzeitig aktiv
sein sollen angeordnet und verteilt die Leistung auf die gleichzeitig
aktiven Antennen und nimmt gleichzeitig eine Impedanzanpassung vor, so
dass der RFID-Reader weiterhin mit der für ihn spezifizierte Antennenimpedanz
belastet wird.
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Die
Vorteile dieser Anordnung, bei der eine große Antennenfläche aus, über Power
Splitter zusammengeschalteten, kleineren Einzelantennen gebildet
wird sind die Reduzierung des Fernfeldes der Antennenordnung und
die exaktere Bestimmbarkeit der maximalen Reichweite der Antenneanordnung, womit
ungewollte Beeinflussung einer evtl. vorhandenen separaten benachbarten
Antennenanordnung reduziert wird.
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Wird
zusätzlich
die Stromrichtung in den Antennenschleifen so gewählt dass
der Strom im Überlappungsbereich
gegenphasig ist, so entsteht ein Erfassungsbereich bei dem die der
Leseabstand Y über der
gesamten Antennenanordnung größer ist,
als dies der Fall wäre,
wenn jede Antenne der Antennenanordnung separat aktiviert würde, weil
sich die magnetischen Felder der Antennen im Überlappungsbereich addieren,
wodurch es möglich
wird auch mit einem Transponder zu kommunizieren, der sich im Abstand
Y zwischen den beiden Antennen befindet.
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Power Splitter UND Multiplexer
(A30+A35)
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Eine
weitere vorteilhafte Antennenanordnung ergibt aus mindestens drei
Antennen, mindestens einen Multiplexer und mindestens einen Power Splitter
(6), weil es durch diese Anordnung möglich wird
jeweils mindestens 2 Antennen gleichzeitig über den Power Splitter zu betreiben,
wodurch die Lesegeschwindigkeit des Gesamtsystems gegenüber einer
Lösung
bei der ausschließlich
Multiplexer eingesetzt werden ansteigt.
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Drei Antennen: Umschaltung
zwischen Gleichphasig und Gegenphasig
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Alle
bisher beschriebenen Antennenanordnungen sind primär dafür ausgelegt,
dass der Transponder in einer weitestgehend flächenparallelen Ausrichtung
(24, 1) zur Antennenfläche ausgerichtet wird. Je weiter
sich die Ausrichtung des Transponders gegenüber der flächigen Antennenanordnung in die
orthogonale- parallele Ausrichtung ( 24, 1) verschiebt,
um so weniger Feldlinien durchdringen die Antenne des Transponder,
was zur Folge hat, dass die in die Antenne des Transponders eingekoppelte
elektromagnetische Energie ab einem gewissen Lagewinkel nicht mehr
ausreicht um den Transponder zu betreiben, bzw. die magnetische
Kopplung zwischen Antennenanordnung und Transponder zu gering wird.
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Lediglich
beim Ein- und Austritt des Transponders in den Erfassungsbereich
der Antennenanordnung kann mit einem derart orthogonal ausgerichteterer
Transponder für
eine kurze Wegstrecke kommuniziert werden.
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Um
auch orthogonal ausgerichtete Transponder mit der erfindungsgemäßen Antenneanordnung
lesen zu können
und damit sicherzustellen, dass große Erfassungsräume von
der Antenneanordnung abgedeckt werden, werde in einer weiteren Ausführungsform
bestehend aus mindestens drei Antennen, einem Multiplexer und einem
Power Splitter die Antennen so verschaltet, dass der Strom in beiden äußeren Antennen
für eine
gewisse kurze Dauer in entgegengesetzter Richtung fließt (gegenphasig),
während
die dazwischen liegende Antenne für diese Dauer inaktiv ist,
was ein magnetisches Feld mit im wesentlichen horizontaler Ausrichtung zwischen
den beiden äußeren Antennen
zur Folge hat (12).
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Zu
einem anderen Zeitpunkt werden die Antennen der Antenneanordnung
dann gleichphasig angeschaltet werden, so dass das Feld eine im
wesentlichen vertikale Ausrichtung besitzt, um für eine gewisse kurze Dauer
mit Transpondern, die sich im wesentlichen flächenparallel zur Antennenordnung befinden
kommunizieren zu können.
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Drei Antennen: Drehfeld
zwischen Gleichphasig und Gegenphasig (90° Phasenschieber)
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Auch
eine weitere vorteilhaften Ausführungsform
erlaubt es sowohl mit weitestgehend fächelparallel ausgereichten
Transpondern und mit weitestgehend orthogonal ausgerichtete Transponder
zu kommunizieren.
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Dazu
wird ein sog. Phasenschieber eingesetzt, der die Phase des Wechselstroms
zwischen den gleichzeitig aktiven Antennen der Antennenanordnung
um 90° gegeneinander
verschiebt (13).
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Betrachtet
man die Stromverläufe
in den beiden Antennen über
die Zeit (18) so ist zu erkennen, dass
die Ströme
zum Zeitpunkt 2 gleichphasig sind und den gleichen positiven
Betrag und aufweisen und zum Zeitpunkt 1 und 3 gegenphasig
(positiv/negativ) mit unterschiedlichem Betrag sind. Durch die zeitliche
Addition der durch den Stromfluß verursachten
Feldlinien aus beiden Antennen ergibt sich nun ein Feldlinienverlauf
der mit doppelter Sendefrequenz zwischen dem Feldlinienverlauf vom
Aufbau mit gleicher Stromrichtung und entgegengesetzter Stromrichtung
wechselt.
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Es
entsteht somit ein resultierendes elektromagnetisches Wechselfeld
welches mit dem Doppelten der Sendefrequenz ständig zwischen der überwiegend
vertikalen und der überwiegend
horizontalen Ausrichtung wechselt.
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Alle Formen
Antenne
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Alle
oben beschriebene Aufbauten können mit
nahezu allen Antenneformen realisiert werden. Auch können Antennen
in verschiedenen Formen überlappt
werden und zu Antennenanordnungen aufgebaut werden.
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Oft
wird die Form der Antenne auch von der Applikation bestimmt weil
sie z. B. in ein bestimmtes Design passen muss oder mechanische
Vorgaben vorhanden sind
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5-Eck Form Antenne (A53)
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Um
mit der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
auch noch mit solchen Transpondern kommunizieren zu können die
weitestgehend orthogonal- senkrecht (24, 3)
ausgerichtet sind ist es besonders vorteilhaft, wenn die Antennenschleifen selbst
nicht als Rechtecke mit zueinander parallelen, sich überlappenden
Kanten, ausgebildet sind, sondern jeweils mindestens eine nicht
rechtwinklige Seite aufweisen
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Dabei
hat sich Antennenanordnung aus mindestens zwei Antennen mit einer
5-Eck-Form mit ungleichen Seitenlängen als besonders vorteilhaft
herausgestellt, wie es in 20 dargestellt
ist.
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Bei
dieser Form wird die Antenneschleife aus den fünf Seiten A bis E gebildet.
Wobei die Seiten B und D sowie die Seiten C und E jeweils parallel
zueinander ausgerichtet sind, allerdings eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Lediglich zu Seite A liegt keine weitere Seite parallel.
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Die
Längen
der Seiten A bis E sind dabei so ausgelegt, dass zwischen sich zwischen
den Seiten B und C sowie C und D sowie D und E jeweils ein rechter
Winkel von 90° bildet,
während
die Winkel zwischen den Seiten A und B sowie A und E einen stumpfen
Winkel bilden, der vorteilhaft zwischen 132° und 138° liegt, so dass der Summenwinkel
des Fünfecks
wieder 540° beträgt. Spitze
Winkel hätten den
Nachteil, dass im Bereich der Spitzen Winkel eine besonders hohe
magnetische Feldstärke
entstehen würde
was eine inhomogenes magnetisches Feld der Antenneanordnung zur
Folge hätte,
wodurch Einbußen
im der Lesereichweite der Antennenanordnung resultieren würden
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Ein
weiterer Vorteil dieser Form der Antennenschleife liegt darin, dass
bei der Überlappung
der Antennenschleifen an keiner Stelle die Seiten der einen Antennenschleifen
direkt parallel über
einer Seite der anderen Antennenschleife verlaufen, da beide Antennenschleifen
beim Überlappen
lediglich zwei Kreuzungspunkte 20b, 1 und 2 aufweisen,
während
die parallelgeführten
Seiten A der beiden Antenneschleifen bereits mit einem gewissen
Abstand zueinander verlaufen.
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Dadurch,
dass an den Kreuzungspunkte keine Leiterteilstücke direkt parallel zueinander
geführt sind
ist die kapazitive Kopplung der Antennenschleifen untereinander
minimiert. Diese kapazitive Kopplung würde ansonsten eine negative
Beeinflussung der Antennenanordnung bewirken, wenn eine der Antennenschleifen
mittels eines Schalters aufgetrennt würden um die magnetische Kopplung
der Antennenschleifen untereinander zu verhindern.
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8-Form Antenne #(A52 FORM
8-ANTENNE)
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Eine
weitere vorteilhafte geformte Antennenschleife stellt eine an das
Zeichen für
die Zahl 8 erinnernde Formgebung der Antennenschleife dar, wie diese
in 19 dargestellt ist.
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Die
Anntennenschleife (1) wird dabei aus einem weitgehend recheckigen
Grundkörper
gebildet, der in seiner horizontalen Symmetrieachse eine symmetrische
Einschnürung
aufweist (2). Der Einspeisepunkt (3) der Antenne,
also die Stelle, an der der Strom in die Antennenschleife (3)
eingespeist wird, befindet sich dabei im symmetrisches Zentrum der Einschnürung (2).
Durch diesen Aufbau entsteht ein 8-förmige Antenne mit zwei parallelen
Antennenschleifenhälften.
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Diese
spezielle Formgebung und die Lage des Einspeisepunktes hat die Vorteile,
dass durch das quasi parallel verschalten der beiden Antennenschleifenhälften eine
geringe Induktivität
der Antenne resultiert da für
parallel geschaltete Induktivitäten
gilt:
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Weiterhin
ist die Störtunempfindlich
gegen von aussen eingekoppelte Störungen geringer, weil die Ströme in beiden
Leiterschleifen entgegengesetzt verlaufen und somit eine von aussen
in beide Antennenschleifenhälften
eingekoppelte Störung
weitgehend kompensiert wird.
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Ferner
ergibt sich durch die unterschiedlichen Stromrichtungen in den beiden
Leiterschleifen eine verringerte Feldstärke im Fernfeld was die Funkzulassung
wesentlich erleichtert, weil das magnetische Feld welches in der
einen Antenneschleifehälfte austritt
in der anderen Antennenschleife wieder eintritt und somit nur ein
geringes in der Ferne Messbares Streufeld entsteht.
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Durch
die wie in der Skizze gezeichnete Antennenform und deren skizzierten Überlappung
ergibt sich eine sehr geringe Kopplung was einen einfachen Aufbau
der gesamten Antenne noch den oben beschriebenen Verfahren ermöglicht.
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Gate (A40)
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Werden
mindestens zwei der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen flächenparallel
zueinander so angeordnet, dass wenigstens zwei Antennen in einer
ersten Ebene nebeneinander angeordnet sind und wenigstens zwei weitere
Antennen in einer zweiten Ebene nebeneinander angeordnet sind und
die Antennenanordnungen der ersten und zweiten in einem räumlichen
Abstand weitestgehend flächenparallel
zueinander angeordnet sind bilden diese eine Antenneanordnung in
im Allgemeinen als Gate oder Durchgang bezeichnet wird 14).
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Durch
eine derartige Platzierung der erfindungsgemäßen Antennenordnung als Gate
ergeben sind weitere Vorteile um mit Transpondern in einem großen Erfassungsraum
kommunizieren zu können.
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Beispielsweise
kann mit der Gate-Antennenanordnung sichergestellt werden, dass
unabhängig von
der Ortlage und Ausrichtung eines Transponder dieser beim linearen
hindurchbewegen zwischen den beiden Ebenen der Antennenanordnung
eine Kommunikation mit dem Transponder stattfinden kann.
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Zudem
kann der Abstand der beiden Antennenfelder auch Gatebreite genannt,
die doppelte Lesereichweite/Erfassungsbereich einer Anordnung mit einer
Ebene haben.
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Mittels
Multiplexer und Power Splitter können
weitere sehr vorteilhafte Ausführungsformen
dieser Antennenanordnung angegeben werden.
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Durch
sequenzielles Einschalten der Antennen über einen Multiplexer kann
der komplette Raum zwischen den beiden Antennenfelder abgetastet/abgescannt
werden.
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Gate im Helmholtz-Prinzip
(A44+A46)
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Werden
die Antennen so verschaltet, dass jeweils die beiden gegenüberliegenden
Antennen eingeschaltet und die Ströme in Phase sind so lassen sich
besonders breite Gates oder Anordnungen mit hohen Feldstärken aufbauen.
(15). Dieser Verschaltung der Antennen ist als
Helmholtz Prinzip bekannt.
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Dabei
werden die Feldlinien der sich gegenüberliegenden Antennenebenen
zu einem gesamten magnetischen Feld überlagert. Daraus folgt, dass sich
die Vektoren des magnetischen Feldes der beiden Antennen innerhalb
des Gates addieren und sich daraus eine wesentlich größere Feldstärke ergibt.
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Benötigt ein
Transponder z.B. eine minimale Feldstärke von 100 mA/m und ist diese
Feldstärke bei
einer einzelnen Antenne in einem Abstand von z.B. 60 cm noch messbar,
so ist die maximale Reichweite ebenfalls 60 cm. Werden zwei Antennen
in Abstand von z. B. 1,40 m in flächenparalleler Ausrichtung
zueinander installiert und nach dem Helmholtz Prinzip verschaltet
so schließt
sich das Leseloch in der Mitte des Gates. Durch Überlagerung der Feldlinien
ergibt sich im Abstand 70 cm (Gatemitte) aus z.B. zwei mal 80mA/m
ein Feldstärke
von 160 mA/m was dem Transponder zum Betrieb ausreicht.
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Gate im Helmholtz-Prinzip
aber diagonal aktiviert
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Aktiviert
man z.B. mittels eines Multiplexers jeweils die diagonal gegenüberliegenden
Antennen der beiden Ebenen eines Gates, erreicht man damit, dass
auch mit solchen Transpondern kommuniziert werden kann, die nicht
weitergehend Flächenparallel zur
Ebene der Antennenanordnung ausgerichtet sind 16).
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Allerdings
reduziert sich hierdurch, bei konstanter Gate-Breite und bei konstantem
Ausgangsleistung des RFID-Lesers, die effektive Feldstärke in der
Mitte des Gates geringfügig
gegenüber
der Ausführungsform,
bei der die direkt gegenüberliegenden Antennen
aktiviert sind, da die Feldlinien nicht exakt in die gleiche Richtung
verlaufen. Die Überlagerung der
Feldlinien erfolgt ebenfalls, die Feldstärken sind aber nicht so groß wie oben
beschrieben.
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Gate im Antihelmholtz-Prinzip
(A47)
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Soll
auch mit Transpondern die orthogonal zur Antennefläche ausgerichtet
sind kommuniziert werden ist eine weitere Ausführungsform der Antennenanordnung
vorteilhaft, bei der eine Phasenverschiebung zwischen den Strömen der
Antennen ersten und der zweiten Ebene von 180° beträgt, wenn diese gleichzeitig
mit dem Reader verbunden sind
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Der
daraus resultierende Feldverlauf wird in 17 dargestellt
und allgemein als Anti-Helmholz-Prinzip
bezeichnet.
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Gate mit 180° Umschaltung
zwischen Helmholtz und Antihelmholtz (48)
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Um
die Vorteile des Helmholtz- und des Antihelmholtz Prinzips gleichermaßen auszunutzen
bzw. deren spezifische Nachteile zu kompensieren, wird in einer
weiteren Ausführungsform
der Strom durch die Antennenschleifen ständig und mit hoher Frequenz (mehr
als 100 mal je Sekunde), z.B.. mittels eines Multiplexers, so umgeschaltet,
dass das magnetische Feld der Antennenanordnung ständig zwischen dem
Helmholtz- und dem Antihelmholtz Prinzip alterniert.
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Anschließend können beide
Konfigurationen auf den nächsten
Antennenpaar jeder Ebenen des Gates ausgeführt werden.
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Die
Phasenverschiebung kann z.B. mit Hilfe eines Phasenschiebers, Koaxialkabels
oder durch umschalten der Polarität der beiden Adern des Antennenkabel
erfolgen.
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Gate mit 90° Phasenschieber
zum ständigen
Weichesel zwischen Helmholtz und Antihelmholtz (49)
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Die
Umschaltung zwischen dem Helmholtz- und Antihelmholtz-Prinzip zwischen
den beiden Ebenen der Gate-Antennenanordnung kann in einer weiteren
sehr vorteilhaften Ausführungsform
auch mittels eines 90° Phasenschiebers
erfolgen.
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Hierdurch
entsteht zwischen den sich gegenüberliegenden
jeweils aktiven Antennenschleifen jeder Ebene der Antennenanordnung
wiederum ein resultierendes magnetisches Feld welches mit der doppelten
Frequenz des Stromes ständig
zwischen dem Helmholtz und dem Antihelmholtz-Prinzip alterniert.
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Somit
ist auch hier das lesen von Transponder in zwei Ausrichtungen möglich.