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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder (radio
frequency identification) sowie einen rückstreubasierten RFID-Transponder
mit einer solchen Antenne.
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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der draht- und kontaktlosen Kommunikation.
Sie liegt insbesondere auf dem Gebiet der funkbasierten Kommunikation
zum Zwecke der Identifikation von Gegenständen, Tieren, Personen etc.
sowie den hierfür
eingesetzten Transpondern und „Remote
Sensors".
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Wenngleich
prinzipiell auf beliebige kontaktlose Kommunikationssysteme anwendbar,
werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende
Problematik nachfolgend in Bezug auf RFID-Kommunikationssysteme
und deren Anwendungen erläutert.
RFID steht hierbei für "Radio Frequency Identification".
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Bei
RFID-Systemen werden zwischen einer stationären oder mobilen Basisstation,
die oft auch als Lesegerät, „Reader" oder Schreib-/Lesegerät bezeichnet
wird, und einem oder mehreren Transpondern, die an den zu identifizierenden
Gegenständen, Tieren
bzw. Personen angebracht sind, Daten mit Hilfe von hochfrequenten
Funksignalen bidirektional übertragen.
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Der
Transponder, der auch als „Tag" oder „Label" bezeichnet wird,
weist regelmäßig eine
Antenne zum Empfangen des von der Basisstation abgestrahlten Funksignals
sowie eine mit der Antenne verbundene integrierte Schaltung (IC)
auf. Die integrierte Schaltung beinhaltet hierbei eine Empfangsschaltung
zum Empfangen und Demodulieren des Funksignals sowie zum Detektieren
und verarbeiten der gesendeten Daten. Außerdem weist die integrierte
Schaltung einen Speicher zum Ablegen der für die Identifikation des entsprechenden
Gegenstandes erforderlichen Daten auf. Weiterhin kann der Transponder
einen Sensor z.B. zur Temperaturmessung, der z.B. ebenfalls Teil
der integrierten Schaltung ist, umfassen. Solche Transponder werden
auch als „Remote
Sensors" bezeichnet.
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RFID-Transponder
können überall dort
vorteilhaft eingesetzt werden, wo eine automatische Kennzeichnung,
Erkennung, Abfrage oder Überwachung
erfolgen soll. Mit Hilfe von solchen Transpondern sind Gegenstände wie
z.B. Behälter,
Paletten, Fahrzeuge, Maschinen, Gepäckstücke, aber auch Tiere oder Personen
individuell markierbar und kontaktlos sowie ohne Sichtverbindung
identifizierbar.
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Bei „Remote
Sensors" können darüber hinaus
physikalische Eigenschaften bzw. Größen erfaßt und abgefragt werden.
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Auf
dem Gebiet der Logistik können
Container, Paletten und dergleichen identifiziert werden, um beispielsweise
im Verlauf ihres Transportes den aktuellen Aufenthaltsort zu bestimmen.
Bei „Remote
Sensors" kann z.B.
die Temperatur der transportierten Waren oder Güter regelmäßig gemessen und abgespeichert
und zu einem späteren
Zeitpunkt ausgelesen werden. Auf dem Gebiet des Plagiatschutzes können Gegenstände wie
z.B. integrierte Schaltungen mit einem Transponder versehen werden,
um unautorisierte Nachbauten zu verhindern. Im Handelsbereich können RFID-Transponder
die vielfach auf Produkten angebrachten Barcodes ersetzen. Weitere
Anwendungen bestehen z.B. im Kraftfahrzeugbereich bei Wegfahrsperren
oder Systemen zur Überwachung
des Luftdrucks in Reifen sowie in Systemen zur Personen-Zugangskontrolle.
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Passive
Transponder verfügen
nicht über eine
eigenständige
Energieversorgung und entnehmen die für ihren Betrieb erforderliche
Energie dem von der Basisstation emittierten elektromagnetischen Feld.
Semi-passive Transponder weisen zwar eine eigene Energieversorgung
auf, verwenden die durch sie bereitgestellte Energie aber nicht
zum Senden/Empfangen von Daten, sondern beispielsweise zum Betreiben
eines Sensors.
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RFID-Systeme
mit passiven und/oder semi-passiven Transpondern, deren maximaler
Abstand von der Basisstation deutlich über einem Meter liegt, werden
in Frequenzbereichen betrieben, die insbesondere im UHF- oder Mikrowellenbereich
liegen.
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In
solchen passiven/semipassiven RFID-Systemen mit relativ großer Reichweite
kommt zur Datenübertragung
von einem Transponder zur Basisstation im allgemeinen ein Rückstrahlverfahren („Backscattering") zum Einsatz, im
Zuge dessen ein Teil der von der Basisstation beim Transponder ankommenden
Energie reflektiert (rückgestrahlt)
wird. Hierbei wird das von der Basisstation abgestrahlte Trägersignal
in der integrierten Schaltung des Transponders entsprechend den
an die Basisstation zu übertragenden
Daten moduliert und mittels der Transponder-Antenne reflektiert.
Solche Transponder werden als rückstreubasierte
Transponder bezeichnet.
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Um
bei rückstreubasierten
Transpondern eine möglichst
große
Reichweite zu erzielen, ist es erforderlich, einen möglichst
hohen Anteil der von der Basisstati on beim Transponder ankommenden
Energie der integrierten Empfangsschaltung des Transponders zuzuführen. Leistungsverluste
jeglicher Art sind hierbei zu minimieren. Hierzu sind einerseits Transponder-Antennen
mit einem relativ breiten Empfangsfrequenzbereich erforderlich.
Solche relativ breitbandigen Antennen können darüber hinaus den Vorteil bieten,
die Anforderungen mehrerer nationaler oder regionaler Regulierungsbehörden mit
nur einem Antennentyp zu erfüllen.
Andererseits ist die von der Transponder-Antenne aufgenommene Energie
möglichst
ungeschmälert
der integrierten Empfangsschaltung zuzuführen, die üblicherweise eine kapazitive
Eingangsimpedanz, d.h. eine Impedanz mit negativem Imaginärteil aufweist.
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Aus
der
DE 103 93 263
T5 ist eine Antenne für
ein RFID-System bekannt, die eine Planarwendelstruktur mit zwei
Zweigen aufweist. Ausgehend von einem zentralen Bereich erstrecken
sich die beiden Zweige jeweils wendelförmig in einer vollen Umdrehung
nach außen.
Die Eingangsimpedanz dieser Antenne ist ebenfalls kapazitiv.
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Nachteilig
ist hierbei, daß die
Impedanz dieser Antenne stark vom konjugiert komplexen Wert der
Impedanz des Chipeingangsschaltkreises abweicht und deshalb zwischen
Antenne und Chip ein zusätzlicher,
separater Anpassungsschaltkreis mit einer Spule und einem Kondensator
erforderlich ist. Aufgrund von parasitären Widerständen dieser Bauelemente kommt
es transponderseitig zu Leistungsverlusten, die nachteiligerweise
die Reichweite reduzieren. Weiterhin schränkt der separate Anpassungsschaltkreis
die Freiheit bei der Plazierung des Chips ein und verursacht aufwendigere
und daher kostenintensivere Implementierungen des Transponders.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Antenne und einen rückstreubasierten RFID-Transponder
mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 15.
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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.
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Der
erfindungsgemäße RFID-Transponder weist
eine integrierte Empfangsschaltung mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz
sowie eine mit der integrierten Empfangsschaltung verbundene erfindungsgemäße Antenne
auf.
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Das
Wesen der Erfindung besteht darin, 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.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie
der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu entnehmen.
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In
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Hierbei
zeigt
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1 ein
RFID-System mit einem erfindungsgemäßen Transponder;
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2 einen
Frequenzgang der Eingangsimpedanz einer Antenne mit zwei spiralförmigen Zweigen;
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3 drei
Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Antenne;
und
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Antenne.
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1 zeigt
schematisch ein Beispiel eines RFID-Systems. Das RFID-System 10 weist
eine Basisstation 11 und mindestens einen erfindungsgemäßen Transponder 15 auf.
Mit Hilfe von hochfrequenten Funksignalen tauscht die Basisstation 11 kontaktlos
und bidirektional Daten mit dem/den Transponder(n) 15 aus.
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Die
Basisstation 11 weist mindestens eine Antenne 12 zum
Senden und Empfangen von Funksignalen in einem Betriebsfrequenzbereich
fB, eine mit der/den Antenne(n) verbundene Sende-/Empfangseinheit 13 zum
Senden und Empfangen von Daten sowie eine mit der Sende-/Empfangseinheit verbundene
Kontrolleinheit 14 zum Steuern der Sende-/Empfangseinheit 13 auf.
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Der
rückstreubasierte,
passive oder semi-passive Transponder 15 weist eine Antenne 16 zum
Empfangen des spektral im Betriebsfrequenzbereich fB liegenden Funksignals
und eine mit der Antenne verbundene Empfangsschaltung 17 zum
Demodulieren des empfangenen Funksignals und zum Detektieren der
darin enthaltenen Daten auf. Die Empfangsschaltung 17 ist
hierbei Teil einer in 1 nicht dargestellten integrierten
Schaltung (IC), z.B. eines ASICs (application specific integrated
circuit) oder eines ASSPs (application specific standard product),
die außerdem
regelmäßig einen
Speicher zum Ablegen der für
eine Identifikation der entsprechenden Gegenstände erforderlichen Daten aufweist.
Gegebenenfalls beinhaltet der Transponder 15 bzw. die integrierte
Schaltung weitere in 1 nicht dargestellte Komponenten
wie z.B. einen Sensor zur Temperaturbestimmung. Solche Transponder
werden auch als „Remote
Sensors" bezeichnet.
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Nachfolgend
wird davon ausgegangen, daß der
Betriebsfrequenzbereich fB im UHF-Frequenzband liegt, und zwar in
einem Frequenzbereich zwischen ca. 840 MHz und ca. 960 MHz. Alternativ
kann sich der Betriebsfrequenzbereich auch im nahezu weltweit verfügbaren ISM-Band
(industrial, scientific, medical) zwischen 2,4 und 2,5 GHz erstrecken.
Weitere alternative Betriebsfrequenzbereiche liegen bei 315 MHz,
433 MHz bzw. 5,8 GHz.
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Aufgrund
von unterschiedlichen aktuellen Anforderungen der Regulierungsbehörden bzgl.
der im Frequenzbereich zwischen 840 und 960 MHz maximal zulässigen Sendeleistungen
werden im Lesebetrieb Reichweiten von ca. 5m für den europäischen Markt (500 mW ERP) und
ca. 11m für
die USA (4 W EIRP) angestrebt.
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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|.
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Von
der Anmelderin entwickelte integrierte Empfangsschaltungen 17 weisen
Eingangsimpedanzen Z1 mit Wirkwiderständen R1 im Bereich von ca. 4...35
Ohm und kapazitiven Blindwiderständen
X1, deren Absolutwerte über
ca. 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.
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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 3 und 4 beschrieben.
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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 2a ist
der Wirkwiderstand R2, d.h. der Realteil von Z2, und in 2b der Blindwiderstand X2, d.h. der Imaginärteil von
Z2, über
der Frequenz f aufgetragen.
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Aus
dem in 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.
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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.
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Aus
dem in 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 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.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die in 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.
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Hierdurch
eröffnet
sich die Möglichkeit,
mittels einer entsprechenden Wahl (Festlegung) der Zweiglänge L die
Eingangsimpedanz Z2 der Antenne 16 (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.
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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 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.
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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.).
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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.
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Beispielsweise
unter den vorstehend mit Bezug auf 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 3 und 4 beschrieben.
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Die 3 und 4 zeigen
Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Antennen
für einen rückstreubasierten
RFID-Transponder gemäß der vorstehenden
Beschreibung von 1.
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Bei
allen dargestellten Ausführungsbeispielen
handelt es sich um planare Antennen, deren Zweige jeweils in einer
gemeinsamen Ebene liegen.
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Die
beiden Antennenzweige jedes Ausführungsbeispiels
unterscheiden sich nur durch eine Drehung um 180 Grad voneinander.
Sie sind damit in ihrer äußeren Form
identisch ausgestaltet.
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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 (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.
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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.
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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.
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3 zeigt
jeweils in einer Draufsicht ein erstes, ein zweites und ein bevorzugtes
drittes Ausführungsbeispiel.
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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.
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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.
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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.
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Wie
in 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.
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Das
in 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.
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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 1 beschrieben
ist. Eine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung ist
vorteilhaft nicht erforderlich.
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Das
in 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.
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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.
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Das
in 3c dargestellte dritte Ausführungsbeispiel
zeichnet sich im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel aus 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.
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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.
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Aufgrund
der geringen Steilheit der Verläufe der
Impedanz über
der Frequenz weisen die in 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.
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Anstelle
der mit Bezug auf 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 3b.
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4 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht ein viertes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Antenne.
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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
erstrecken, wobei jeder Zweig 2,25 Drehungen um
jeweils 360 Grad beschreibt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
in 4 gezeigte Antenne hat eine x-/y-Ausdehnung von
ca. 7cm × 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.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar. So ist die Erfindung beispielsweise weder auf passive
oder 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
Erfin dung kann vielmehr vorteilhaft in unterschiedlichsten kontaktlosen
Kommunikationssystemen eingesetzt werden.
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- RFID-System
- 11
- Basisstation,
Schreib-/Lesegerät, Lesegerät, Reader
- 12
- Antenne
der Basisstation
- 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
- 21b,
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