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Die vorliegende Erfindung betrifft eine RFID-Schreib-Lese-Vorrichtung mit einem RFID-Schreib-Lesegerät und einer Anzahl von über eine Verbindungsleitung in Reihe geschalteten Antenneneinheiten sowie ein Verfahren zur Steuerung von einer Anzahl n in Reihe geschalteter RFID-Antenneneinheiten.
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Durch den Einsatz einer Anzahl von Antenneneinheiten ermöglichen derartige RFID-Schreib-Lese-Vorrichtungen eine flächendeckende Erfassung von mit RFID-Transpondern (Tags) versehenen Gegenständen oder Lebewesen in Gebäuden, Produktionsstätten, Krankenhäusern, Alten- oder Pflegeeinrichtungen, etc..
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Es ist bekannt, dass eine flächendeckende RFID-Abdeckung mit weniger als n RFID-Schreib-Lesegeräten (RFID-Readern) garantiert werden kann, indem das RFID-Signal eines RFID Readers auf eine Anzahl n von Antennen gemultiplexed wird. Dazu existieren Multiplexerkarten, die zentral den RFID-Reader und die n Antennen nacheinander miteinander verbinden. Ist eine Antenne 1 für einen Zeitraum aktiv, werden alle RFID-Transponder, die sich zu diesem Zeitpunkt in der Reichweite dieser Antenne befinden detektiert, anschließend wird Antenne 1 deaktiviert und Antenne 2 aktiviert, so dass nun alle sich in der Reichweite der Antenne 2 befindenden Tags lokalisiert werden können.
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Die bekannten Lösungen mit einer Multiplexerkarte benötigen allerdings eine sternförmige Kabelverteilung mittels Koaxialkabel zwischen RFID-Reader und den einzelnen Antennen. Entsprechender Installationsaufwand und Kosten sind damit verbunden.
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Weiterer Nachteil bekannter Lösungen sind die Kabeldämpfungen bei langen Kabellängen, so dass die abgestrahlte Leistung an den Antennen niedriger als die angestrebte maximal erlaubte Leistung ist und die erreichbare Schreib-Lese-Distanz sinkt daher entsprechend. Eine flächendeckende Transponder Erfassung ist somit nicht mehr gewährleistet.
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Ein Nachteil der zentralen Umschaltung besteht auch darin, dass bestehende koaxiale Hausverteilanlagen nicht genutzt werden können, da diese als Bussystem ausgeführt sind, d. h. nicht sternförmig, sondern die Verkabelung von Antenne zu Antenne weitergereicht wird.
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Die in dem
US-Patent US 2008/0238682 A1 von Kuwako et al. vorgeschlagene Reihenschaltung von RFID-Antennen mit sequentieller Weiterleitung beruht auf der Aufmodulation eines Kontrollsignals durch Encoder-Decoder. Diese Lösung hat den Nachteil, dass in jeder Antenneneinheit eine aufwendige Decodiereinrichtung notwendig ist, weiterhin die Kommunikation der Antennen mit der Zentraleinheit fehleranfällig ist und das Umschalten zwischen den Antennen zeitaufwendig ist.
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Alle bisher bekannten RFID-Lösungen verfügen über keinerlei Rückkopplung, ob eine Antenne auch tatsächlich aktiv ist oder nicht. Bei Kabelbruch oder Ausfall einer Antenne kann das System nicht erkennen, ob eine Zelle ausgefallen ist und somit inaktiv ist oder ob sich tatsächlich kein Transponder in der entsprechenden Zelle befindet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine RFID-Schreib-Lese-Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art und ein Verfahren zur Steuerung von einer Anzahl n in Reihe geschalteter RFID-Antenneneinheiten derart weiterzuentwickeln, dass eine zuverlässige Identifikation mit geringem Schaltungsaufwand und einer kostengünstigen Kabelinfrastruktur erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Antenneneinheit eine aktive Antenne und eine Schalteinheit zur Erzeugung eines lokalen Umschalt-Kontrollsignals aufweist, um eine Versorgungsspannung und ein RFID-Signal an die nachfolgende Antenneneinheit weiterzuleiten, wobei die Verbindungsleitung eine Versorgungsspannung und ein RFID-Signal führt. Erfindungsgemäß wird aufeinanderfolgend in jeder Antenneneinheit lokal ein Umschalt-Kontrollsignal erzeugt, das die nachfolgende Antenneneinheit aktiviert, sodass die Antenneneinheiten (4a...4n) sequentiell weitergeschaltet werden.
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Die erfindungsgemäße dezentral gesteuerte Weiterleitung des RFID-Antennensignals und der Versorgungsspannung erfolgt mit Hilfe der dezentralen Schalteinheiten, welche ohne zusätzliches externes Steuersignal von dem zentralen RFID-Reader auskommen. Das Umschaltsignal wird lokal durch eine eigene Zeitkonstante aus der Versorgungsspannung abgeleitet.
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Als besonderer Vorteil ist der Stromverbrauch auch bei einer beliebigen Anzahl von Antenneneinheiten immer konstant, da zu einem Zeitpunkt immer nur eine Antenneneinheit aktiv ist.
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In vorteilhafter Weise entfällt durch die autonome lokale Erzeugung des Umschalt-Kontrollsignals in der jeweiligen Antenneneinheit ein zusätzliches extern zugeführtes Steuersignal.
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Durch das Weiterleiten sowohl des hochfrequenten RFID-Signals als auch der Spannungsversorgung und wegen des lokal in jeder Antenneneinheit erzeugten Umschalt-Kontrollsignals genügt ein einziges Koaxialkabel. Unter Nutzung einer möglicherweise bereits vorhandenen Infrastruktur, z. B. für die Verteilung von Fernsehprogrammen über Koaxialkabel, erfolgt die Steuerung der Antenneneinheiten dezentral, ohne zusätzliche Kommunikation zwischen RFID-Schreib-Lesegerät und jeweiliger Antenneneinheit. Bestehende Koaxial-Hausverteilanlagen können parallel zur Verbreitung von Kabel- oder Satellitenfernsehsignalen auch zur RFID-Signal-Verbreitung benutzt werden.
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Die Erfindung erlaubt damit die zuverlässige großräumige, flächendeckende Erfassung, Identifizierung und Lokalisierung von Objekten mit nur einem RFID-Reader und einer Anzahl von n Antenneneinheiten, statt einer Anzahl von n RFID-Readern. Dies stellt die kostengünstigste Realisierung einer flächendeckenden Versorgung mit einem RFID-Signal dar.
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In vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt die sequentielle Weiterschaltung von Antenneneinheit zu Antenneneinheit mittels des lokal erzeugten Umschalt-Kontrollsignals. Das Umschalt-Kontrollsignal wird unmittelbar aus der Versorgungsspannung für die Antenneneinheit abgeleitet. Ein separates, zentral erzeugtes Steuersignal, welches von der angesprochenen Antenneneinheit erkannt werden muss, ist nicht erforderlich.
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Die Schalteinheit weist einen RF-Schalter auf, dessen Eingang über eine erste Kapazität mittels der Verbindungsleitung mit der vorgeschalteten Antenneneinheit, dessen erster Ausgang mit der aktiven Antenne und dessen zweiter Ausgang über eine zweite Kapazität mittels der Verbindungsleitung mit der nachgeschalteten Antenneneinheit verbunden sind. Weiterhin weist die Schalteinheit einen DC-Schalter auf, dessen Eingang über eine erste Induktivität mittels der Verbindungsleitung mit der vorgeschalteten Antenneneinheit, dessen erster Ausgang über eine zweite Induktivität mit der aktiven Antenne und mit einem Zeitkonstantenglied und dessen zweiter Ausgang über eine dritte Induktivität mittels der Verbindungsleitung mit der nachgeschalteten Antenneneinheit verbunden sind, wobei das Zeitkonstantenglied mit einer hysteresebehafteten Komparatorschaltung verbunden ist, deren Ausgang das Umschalt-Kontrollsignal für den RF- und den DC-Schalter bereitstellt.
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Indem die sequentielle Weiterschaltung der Antennen dezentral von Antenneneinheit zu Antenneneinheit erfolgt, bedarf es keiner zentralen Multiplexerkarte mehr. Die Umschaltung erfolgt durch einen RF Schalter (RF = Radio Frequency, d. h. Hochfrequenz) in jeder Antenneneinheit. Die Sternverteilung wird durch eine einfache Kabel-Verbindung von Antenneneinheit zu Antenneneinheit ersetzt.
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Ebenso wird die notwendige Spannungsversorgung durch ein einziges möglicherweise schon wegen der Fernsehverteilung vorhandenes Koaxialkabel weitergeleitet. Die Weiterleitung der Spannungsversorgung dient dabei nicht nur zur Versorgung von aktiven Elementen (Verstärker, Schalter, Schmitt-Trigger) in der intelligenten Antenneneinheit, sondern auch zur Realisierung einer Zeitkonstanten zur Bestimmung eines individuellen Umschaltzeitpunktes in jeder Antenneneinheit. Auf diese Weise wird das notwendige Umschalt-Kontrollsignal für den RF- und DC-Schalter lokal erzeugt. Eine zusätzliche Steuerleitung für die Umschaltung wird vermieden.
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Es erfolgt außerdem eine Verstärkung in jeder Antenneneinheit, so dass jede Antenne in der Antenneneinheit, unabhängig von der Kabellänge, die maximale Leistung abstrahlt und die maximale Reichweite erreicht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in die Antenneneinheit ein passiver RFID-Transponder integriert ist. Die Integration eines passiven RFID-Transponders erlaubt die Funktionskontrolle und schnelle Fehlerbehebung trotz dezentraler Weiterleitung.
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Damit der zentrale RFID-Reader Kenntnis davon hat, welche Antenneneinheit und damit welche Funkzelle zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade aktiv ist, wird in jede Antenne der jeweiligen Antenneneinheit ein zusätzlicher eigener passiver RFID-Transponder integriert, der bei Aktivierung der jeweiligen Antenne dem RFID-Reader antwortet. Somit weiß der RFID-Reader, trotz dezentraler Weiterschaltung der Signale, welche Antenne gerade aktiv ist. Bei Ausfall einer Antenne oder bei Kabelbruch erlangt das System Kenntnis über den Fehlerort, da in diesem Fall der integrierte passive RFID-Transponder nicht antwortet. Außerdem ist es auf diese Weise möglich und notwendig, dem RFID-Reader mitzuteilen, wann die letzte Antenne aktiviert wurde, damit der RFID-Reader für einen kurzen Augenblick die Betriebsspannung abschaltet und alle Stufen durch das Entladen des Kondensators wieder auf den Anfangszustand zurückgesetzt werden.
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Zweckmäßigerweise ist in die Antenneneinheit ein HF-Mehrarm-Zirkulator integriert Die Integration eines HF-Mehrarm-Zirkulators in die Antenneneinheit erlaubt die getrennte und optimierte Leistungsverstärkung von Down- und Uplink, und somit eine Kompensation der Kabeldämpfungen und eine Maximierung der erreichbaren Lesereichweiten. Durch den Einsatz eines Leistungverstärkers (PA = Power Amplifier, d. h. Leistungsverstärker) für den Downlink Pfad mit genügender Ausgangsleistung ist in Senderichtung nur eine Antenne mit kleinem Antennengewinn und demzufolge kleinen Antennenabmessungen notwendig. Für den Empfangspfad benötigt man weiterhin eine Antenne mit genügend Antennengewinn. Im Empfangspfad müssen kleine Pegel, von dem Transponder kommend, verstärkt werden. Bei großen Kabellängen bietet sich der Einsatz eines LNAs (Low Noise Amplifiers, d. h. rauscharmer Kleinsignalverstärker) an. Diese beiden unterschiedlichen Antennen sind leicht in ein Gehäuse zu integrieren. Falls sowohl Sende- als auch Empfangspfad getrennt von einander optimal verstärkt werden, ist die Anwendung dieser Erfindung auch bei nahezu beliebigen Kabellängen garantiert.
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In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung weist die Antenneneinheit eine Anpassung der auf 50 Ohm abgestimmten Antenne auf die als 75 Ohm-Leitung ausgeführte Verbindungsleitung auf. Die erfindungsgemäß entwickelte Anpassung erlaubt den Einsatz von handelsüblichem und kostengünstigem 75-Ohm Antennenkabel, wie es für die Fernsehverteilung Verwendung findet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale werden an Hand eines bevorzugten, in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen RFID-Schreib-Lese-Vorrichtung;
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2 einen Aufbau einer Antenneneinheit mit einer Schalteinheit zur Erzeugung eines lokalen Umschalt-Kontrollsignals;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer aktiven Antenne mit getrennter Sende- und Empfangsantenne;
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4 ein Ausführungsbeispiel einer aktiven Antenne mit gemeinsamer Sende- und Empfangsantenne.
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5 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Anlegen der Versorgungsspannung
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1 zeigt einen Aufbau einer erfindungsgemäßen RFID-Schreib-Lesevorrichtung 1. Ein Schreib-Lesegerät 2 ist über eine Verbindungsleitung 3 mit einer ersten Antenneneinheit 4a verbunden, an die sich weitere in Reihe geschaltete Antenneneinheiten 4b...4n anschließen. Jede Antenneneinheit 4a...4n weist eine aktive Antenne 5 und eine Schalteinheit 6 zur Erzeugung eines lokalen Umschalt-Kontrollsignals 7 auf, um eine Versorgungsspannung 8 und ein RFID-Signal 9 an die nachfolgende Antenneneinheit 4a...4n weiterzuleiten, wobei die Verbindungsleitung 3 die Versorgungsspannung 8 und das RFID-Signal 9 führt.
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Die Antenneneinheiten 4a...4n senden und empfangen Signale von den in ihren jeweiligen Funkbereichen 11a...11n erreichbaren Transpondern 12a...12m.
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In 2 ist die Antenneneinheit 4i (Stufe i der Reihenschaltung) gezeigt. Die Schalteinheit 6 weist einen RF-Schalter 15 auf, dessen Eingang 16 über eine erste Kapazität 17 mittels der Verbindungsleitung 3 mit der vorgeschalteten Antenneneinheit 4(i – 1), dessen erster Ausgang 18 mit der aktiven Antenne 5 und dessen zweiter Ausgang 19 über eine zweite Kapazität 21 mittels der Verbindungsleitung 3 mit der nachgeschalteten Antenneneinheit 4(i + 1) verbunden sind. Die Antenneneinheit 4i weist weiterhin einen DC-Schalter 22 auf, dessen Eingang 23 über eine erste Induktivität 24 mittels der Verbindungsleitung 3 mit der vorgeschalteten Antenneneinheit 4(i – 1), dessen erster Ausgang 25 über eine zweite Induktivität 27 mit der aktiven Antenne 5 und mit einem Zeitkonstantenglied 28 und dessen zweiter Ausgang 26 über eine dritte Induktivität 29 mittels der Verbindungsleitung 3 mit der nachgeschalteten Antenneneinheit 4(i + 1) verbunden sind, wobei das Zeitkonstantenglied 28 mit einer hysteresebehafteten Komparatorschaltung 31 verbunden ist, deren Ausgang das Umschalt-Kontrollsignal 7 für den RF- Schalter 15 und den DC-Schalter 22 bereitstellt.
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Anfangs befinden sich die Schalterstellungen, sowohl des RF-Schalters 15 als auch des DC-Schalters 22 auf Position 1. Die aktive Antenne 5 wird noch nicht mit einer Versorgungsspannung 8 beaufschlagt. Die aktive Antenne 5 ist deaktiviert.
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Zum Zeitpunkt, zu dem die vorherige Antenneneinheit 4(i – 1) vom aktiven in den inaktiven Zustand umschaltet, und somit sowohl das hochfrequente RFID-Signal 9 als auch die Versorgungsspannung 8 der Stufe i zuführt, wird die aktive Antenne 5 mit integrierten Verstärkern 35, 36 mit Strom versorgt und die Funkzelle 11i mit einem RFID-Sendesignal 9a versorgt. Gleichzeitig lädt die Versorgungsspannung 8 in dem Zeitkonstantenglied 28 einen Kondensator 30 mit einer durch eine RC Kombination bestimmten Zeitkonstante τ auf. Bei Überschreiten einer Schwellspannung ändert die nachfolgende als Schmitt-Trigger ausgeführte Komparatorschaltung 31 ihren Logikzustand von logisch „0” nach logisch „1” und erzeugt somit an ihrem Ausgang das Umschalt-Kontrollsignal 7 für den RF-Schalter 15 und den DC-Schalter 22.
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Der RF-Schalter 15 und der DC-Schalter 22 wechseln von Schalterstellung 1 nach 2. Die aktive Antenne 5 und somit die Funkzelle 11i werden deaktiviert, das RFID-Signal 9 und die Versorgungsspannung 8 zur Stufe i + 1 weitergeleitet.
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Falls die letzte Stufe erreicht ist (Stufe n), wird das RFID-Schreib-Lesegerät 2 für einen kurzen Augenblick die Versorgungsspannung 8 abschalten, alle Kondensatoren werden entladen, und der RF-Schalter 15 und der DC-Schalter 22 auf jeder Stufe werden von Schalterstellung 2 wieder auf Schalterstellung 1 geschaltet. Nun kann wieder die erste Antenneneinheit 4a beginnen.
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In die aktive Antenne 5 ist ein eigener passiver Transponder 32 integriert, damit der zentrale RFID-Reader 2 Kenntnis davon hat, welche Antenneneinheit 4a...4n bzw. welche Funkzelle 11a...11n zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade aktiv ist.
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Die 3 und 4 zeigen jeweils Ausführungsbeispiele der aktiven Antenne 5. In die aktive Antenne 5 der jeweiligen Antenneneinheit 4a...4n kann mindestens ein HF-Mehrarm-Zirkulator 33 integriert sein. Der oder die HF-Mehrarm-Zirkulatoren 33, 34 dienen der Entkopplung des vom RF Schalter 15 kommenden RFID-Signals 9 zur getrennten Verstärkung eines vom RFID-Reader 2 gesendeten Signals 9a (Schreibsignal, downlink) bzw. eines von einem Transponder reflektierten und vom RFID-Reader 2 gelesenen Signals 9b (Lesesignal, uplink). Durch den Einsatz eines bzw. zweier HF-Mehrarm-Zirkulatoren 33, 34 und der Verstärker 35, 36 wird die notwendige Sendeleistung und damit die RFID-Reichweite trotz Kabeldämpfung bei langen Kabelverbindungen optimiert.
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3 geht von zwei getrennten Sende- und Empfangsantennen 37, 38 aus. Hier genügt sogar ein einfacher 3-Arm Zirkulator 33, um sowohl Down- als auch Uplink getrennt voneinander optimal zu verstärken.
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Der HF-Mehrarm-Zirkulator 33 ist als 3-Arm-Zirkulator 33 ausgebildet, dessen erster Arm 33a mit dem ersten Ausgang 18 des RF-Schalters 15, dessen zweiter Arm 33b über einen Leistungsverstärker 35 mit einer Sendeantenne 37 und dessen dritter Arm 33c über einen rauscharmen Kleinsignalverstärker 36 mit einer Empfangsantenne 38 verbunden ist.
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4 geht von einer gemeinsamen Sende- und Empfangsantenne 39 aus. Das Signal, vom RFID-Reader 2 kommend, wird durch den ersten Zirkulator 33 in das hin- und rücklaufende Signal 9a, 9b getrennt. Eine Verstärkung auf die max. zulässige Sendeleistung, die durch die Tatsache, dass sich der passive RFID-Transponder 32 aus diesem elektromagnetischen Feld mit Strom versorgen muss, für die erreichbare Reichweite verantwortlich ist, kann somit in jeder einzelnen Antenne 39, unabhängig von der Kabellänge und somit der Dämpfung, garantiert werden.
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Im Detail zeigt 4 den HF-Mehrarm-Zirkulator 33, der als 3-Arm-Zirkulator 33 ausgebildet ist, dessen erster Arm 33a mit dem ersten Ausgang 18 des RF-Schalters 15, dessen zweiter Arm 33b über einen Leistungsverstärker 35 mit dem ersten Arm 34a eines zweiten 3-Arm-Zirkulators 34 und dessen dritter Arm 33c über einen rauscharmen Kleinsignalverstärker 36 mit dem dritten Arm 34c des zweiten Zirkulators 34 verbunden ist, wobei der zweite Arm 34b des zweiten Zirkulators 34 mit einer gemeinsamen Sende- und Empfangsantenne 39 verbunden ist.
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5 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Anlegen der Versorgungsspannung 8. Das RFID Schreib-Lesegerät 2 ist zur Übertragung des RFID-Sendesignals 9 über eine Kapazität 40 an die Verbindungsleitung 3 angeschlossen. Zum Aufschalten der Versorgungsspannung 8 ist eine Spannungsquelle 43 mittels eines DC-Schalters 42 über eine Induktivität 41 mit der Verbindungsleitung 3 verbunden, wobei ein Mikrocontroller 44, der mit dem RFID Schreib-Lesegerät 2 verbunden ist, den DC-Schalter 42 steuert. Somit kann eine Versorgungsspannung 8 auf die Verbindungsleitung 3 zu der ersten Antenneneinheit 4a zu- oder abgeschaltet werden. Zu Beginn wird die von der Spannungsquelle 43 bereitgestellte Versorgungsspannung 8 auf die Verbindungsleitung 3 geschaltet (Schalterstellung 1) und damit die erste Antenneneinheit 4a aktiviert. Erfindungsgemäß wird die Versorgungsspannung 8 sequentiell weitergeleitet, sodass, wenn die letzte Antenneneinheit 4n (Stufe n) als aktiv von dem RFID Schreib-Lesegerät 2 erkannt wird, das RFID Schreib-Lesegerät 2 diese Information über die Erkennung des entsprechenden Tags an den Mikrocontroller 44 weitergibt, der dann die Versorgungsspannung 8 über den DC-Schalter 42 kurzzeitig abschaltet (Schalterstellung 2). Dies wird von allen Antenneneinheiten 4a...4n erkannt und alle Antenneneinheiten 4a...4n werden in ihren Initialzustand geschaltet. Danach wird die Versorgungsspannung 8 wieder aufgeschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0238682 A1 [0007]
