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Die Erfindung betrifft eine Readerantenne für den Einsatz mit Radio Frequency Identification (RFID) Transpondern. Ein Schreib-/Lesegerät (Reader) und der Transponder sind über eine drahtlose Schnittstelle miteinander verbunden. Dabei definiert die RFID Transpondertechnik neben der drahtlosen bidirektionalen Datenübertragung eine drahtlose Energieübertragung vom Reader zu Transpondern und unterscheidet sich dadurch signifikant von anderen heute bekannten drahtlosen Übertragungstechniken. Durch die zusätzliche Funktionalität benötigt ein Transponder keine eigene Energiequelle. Er kann drahtlos vom Reader mit Energie versorgt werden. Die Übertragung von Daten und Energie erfolgt induktiv mit einem von der Readerantenne generierten elektromagnetischen Wechselfeld. Für die Übertragung sind am Reader und Transponder je eine Antenne vorhanden.
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Die Reichweite für die Übertragung kann neben der gewählten Frequenz auch durch die Größe der Antennen beeinflusst werden. Hier sind aber häufig Grenzen gesetzt, so dass sehr großformatige Antennen nicht überall einsetzbar sind.
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Antennen für Reader sind in Form von Spulen mit mindestens einer Windung ausgebildet, mit einem Reader (Lesegerät) verbunden und auf einem Träger befestigt oder in einem Gehäuse angeordnet.
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Als Träger können auch metallische Elemente eingesetzt werden, die eine magnetische Abschirmwirkung erreichen. Durch das generierte elektromagnetische Wechselfeld kommt es aber in Folge von Wirbelströmen zu Verlusten, die wiederum eine Reduzierung der Übertragungsreichweite bewirken. Um diesem unerwünschten Effekt entgegen zu wirken ist in
EP 1 484 816 A1 vorgeschlagen worden, zwischen metallischem Träger und Antenne eine Schicht mit einem weichmagnetischen Werkstoff auszubilden, was zu einer Reduzierung der induzierten Wirbelströme und Vergrößerung der Übertragungsreichweite führt. Diese Kompensation reicht aber nicht aus, um die Übertragungsreichweite einer vergleichbaren, ohne einen solchen zusätzlichen Trägeraufbau, also einer in einer normalen Luftumgebung ohne metallische Einflüsse eingesetzten Antenne, zu erreichen.
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Aus
EP 1 484 816 A1 sind Antennen für Senden und Empfangen bekannt, die einen Aufbau mehrerer Elemente bei denen auch ein weichmagnetischer Werkstoff eingesetzt ist.
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Die
JP 09284038 A betrifft ist am Reader und bei dem in einem Gehäuse eine Antenne auf einem weichmagnetischen Körper angeordnet ist.
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In
JP 2002208814 A ist ein Aufbau mit einer amorphen magnetischen Platte und konzentrischen scheibenförmigen Antennen offenbart.
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Ein mit einer beleuchteten Sensoroberfläche versehener RFID-Empfänger ist in
US 7,268,688 B2 beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Readerantenne für RFID-Systeme zur Verfügung zu stellen, deren Übertragungsreichweite, bei ansonsten gleichen elektrischen und elektromagnetischen Parametern im Vergleich zu einer in einer normalen Luftumgebung ohne metallischen Einfluss, vergrößert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Readerantenne, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden. Die erfindungsgemäße Readerantenne für den Einsatz mit RFID-Transpondern weist in an sich bekannter Ausbildung eine an einen Reader anschließbare Spule mit mindestens einer Windung als Antenne auf. Die Spule liegt auf einem Träger auf. Sie ist dabei auf der einem Transponder zugewandten Seite des Trägers angeordnet, der demzufolge auf der dem Transponder abgewandten Seite angeordnet ist. Als wesentlicher Unterschied ist aber der Träger ausschließlich aus einem weichmagnetischen Werkstoff, bevorzugt Ferritwerkstoff gebildet.
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Der weichmagnetische Werkstoff sollte eine kleine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die kleiner als 1 S/m sein sollte. Der Träger kann aus einem MnZn oder NiZn Ferritpulver mit einer Partikelgröße im Bereich 1 μm bis 100 μm mittels eines Sinterprozesses gebildet sein.
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Die Fläche des Trägers, d. h. die Fläche auf der die Antenne aufliegt, sollte dabei mindestens so groß sein, dass die Antenne den äußeren Rand des Trägers nicht überragt. Vorteilhaft überlappt aber die Fläche des Trägers den äußeren Rand der Antenne.
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Ein Träger kann als plattenförmiges Element ausgebildet sein, wobei die Oberfläche, auf der die Antenne aufliegt, eben und planar ausgebildet sein kann.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, diese Oberfläche mit Konturen auszubilden, die die Lage, Geometrie und Größe der jeweiligen Antenne berücksichtigen.
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So weist ein Träger einen radial äußeren Rand auf, der als umlaufender Flansch ausgebildet ist. Die Höhe des Randes soll dabei größer sein als die Dicke des Trägers im Bereich, auf dem die Antenne aufliegt, und der Rand die Antenne umgreifen.
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In einer anderen Ausführungsform kann am Träger eine nutenförmige Vertiefung ausgebildet sein, in der die Antenne angeordnet ist. Die Vertiefung kann sich nach innen an den umlaufenden äußeren Rand anschließen. Im Inneren der Antenne ist dann ein Kern am Träger ausgebildet, der den inneren Abschluss der nutenförmigen Vertiefung bildet. Die Antenne ist dann zwischen Rand und Kern angeordnet. Die Windung(en) sind so in der Vertiefung aufgenommen.
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Bei dieser Ausführung sollten die Höhen von Rand und Kern größer als die Dicke des Trägers im Bereich der Vertiefung sein.
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In einer weiteren geeigneten Ausführung kann der Träger aber auch eine konkav gekrümmte Oberfläche aufweisen, so dass an dieser Oberfläche eine so geformte Vertiefung ausgebildet ist. Darin kann dann die Antenne angeordnet sein.
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Mit einem an einer erfindungsgemäßen Readerantenne vorhandenen Träger kann das ausgebildete elektromagnetische Feld gezielt beeinflusst und in Richtung eines Transponders ausgelenkt werden, so dass er quasi einen Reflektor bildet und das Magnetfeld in Richtung eines Transponders fokussiert.
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Wie bereits angesprochen kann die Antenne auch mit mehreren Windungen ausgebildet sein. Diese können als planare, einlagige oder mehrlagige Zylinderspule ausgebildet sein. Die Windungsform kann kreisförmig, elliptisch oder n-eckig sein.
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Mit der Erfindung kann die Übertragungsreichweite auch gegenüber Antennen, die in einer normalen Luftatmosphäre betrieben werden, weiter erhöht werden, ohne dass weitere zusätzliche Maßnahmen getroffen und elektrische oder elektromagnetische Parameter verändert werden müssen.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in schematischer Form den Aufbau mit einem Reader, einer Readerantenne und einem Transponder;
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2 ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Readerantenne;
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3 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Readerantenne mit plattenförmigem Träger;
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4 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Readerantenne mit einem Träger, der einen radial äußeren Rand aufweist und
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5 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Readerantenne mit einem Träger, an dem eine Vertiefung ausgebildet ist.
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1 zeigt eine Anordnung mit einem Reader 3, der elektrisch leitend an eine mehrere Windungen aufweisende Spule angeschlossen ist, die eine Antenne 1 bildet. Die Antenne 1 ist auf einem hier plattenförmigen kreisrunden Träger 2 angeordnet, der aus gesintertem MnZn gebildet ist. Der äußere Durchmesser des Trägers 2 ist größer als der radial äußere Rand der Antenne 1, so dass diese von ihm überlappt ist. Vom Reader 3 wird ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld generiert und damit über die Antenne 1 ein entsprechendes elektromagnetisches Feld ausgebildet. Diese kann in an sich bekannter Form zur Energieübertragung zu einem dann passiven Transponder 4 und zum Empfang der Informationen vom Transponder 4 genutzt werden.
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Die elektrische Leitfähigkeit des für den Träger 2 gewählten Werkstoffs MnZn lag bei 0,33 S/m.
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Mit dem in 2 gezeigten Ersatzschaltbild wird deutlich, dass die Reluktanz RO, in der Umgebung, also z. B. Luft, und die zusätzliche Reluktanz RP des Trägers als parallel geschaltet betrachtet werden können. Die Reluktanz RP ist durch die Größe des Trägers 2, die Werkstoffeigenschaften und den Abstand zur Antenne 1 bestimmt. Durch die Parallelschaltung verringert sich die Gesamtreluktanz. Die elektromagnetische Energie im Raum erhöht sich daher gemäß Wmag = θ2/RO || RP.
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Der elektrische Stromfluss durch die Antenne 1 bleibt konstant.
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Die elektromagnetische Energie kann aber auch mit Wmag = 1/2 LI2 berechnet werden.
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Bei den getroffenen Vorraussetzungen erhöht sich die Induktivität L der Antenne 1, was wiederum zur Erhöhung der elektromagnetischen Feldstärke im Raum und der Gegeninduktivität M zwischen Reader 3 und Transponder 4 führt.
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In 3 ist eine Readerantenne analog zum Beispiel nach 1 gezeigt. Dabei kann ggf. aber die äußere Randgeometrie des Trägers 2 nicht rotationssymmetrisch gewählt sein. Der Träger 2 ist als planparallele Platte ausgebildet und die Windungen der die Antenne 1 bildenden Spule sind unmittelbar an der einen Oberfläche des Trägers 2 angeordnet und können dort beispielsweise mit einem organischen, bevorzugt elektrisch nicht leitenden Material befestigt sein.
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Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist am Träger 2 ein außen umlaufender flanschartiger Rand 2' ausgebildet, der die Antenne 1 umgreift. Der Rand 2' weist eine Höhe auf, die größer ist als die Dicke des Trägers 2 im Bereich, in dem die Antenne 1 angeordnet ist. Der über den mittleren Teil des Trägers 2, auf dem die Antenne 1 mit ihren Windungen aufliegt, überstehende Rand 2' ist daher höher als die Dicke des Trägers 2 in seinem mittleren Teil.
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Beim in 5 gezeigten Beispiel ist am Träger 2 eine hier kreisringförmige Vertiefung ausgebildet, in der die Antenne 1 aufgenommen ist. Im Zentrum von Antenne 1 und dem Träger 2 ist so ein Kern 2'' ausgebildet.
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Die senkrecht auf der Antenne 1 und dem Träger 2 stehenden Achsen sollten parallel zueinander ausgerichtet sein.
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Mit der nachfolgenden tabellarischen Aufstellung sollen mit der Erfindung erreichbare Parameter im Vergleich zu einer Antenne 1 an Luft, ohne erfindungsgemäßen Träger 2 oder einen anders gearteten metallischen oder Metall enthaltenden Träger 2 oder einem Gehäuse, angegeben werden.
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Dabei wurden folgende gleiche Parameter eingehalten:
Die Antenne
1 war eine planare Zylinderspule mit zehn Windungen. Der Innenradius lag bei 65 mm und der Außenradius bei 90 mm. Es wurde eine Trägerfrequenz von 125 kHz eingehalten. Der Träger
2 hatte eine Mindestdicke von 3 mm und war mit MnZn gebildet. Der Antennenschwingkreis im Reader ist auf die Resonanzfrequenz von 125 kHz abgestimmt, hat eine Güte von 12,5 und wird mit einer elektrischen Wechselspannung mit einer Amplitude von 6 V betrieben. Der Antennenschwingkreis im Reader
3 ist bei diesem Beispiel ein Reihenschwingkreis.
| | L [μH] | M [μH] | Übertragungsreichweite [m] |
| Luft | 27 | 0,77 | 0,159 |
| Figur 3 | 39,9 | 1,1 | 0,185 |
| Figur 4 | 42,4 | 1,14 | 0,187 |
| Figur 5 | 43,5 | 1,19 | 0,192 |
