DE102013112599A1

DE102013112599A1 - RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne sowie Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes von wenigstens zwei Leiterschleifen einer RFID-Antenne einer RFID-Antennenanordnung

Info

Publication number: DE102013112599A1
Application number: DE102013112599.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Meissner
Original assignee: Feig Electronic GmbH
Current assignee: Feig Electronic GmbH
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-21

Abstract

RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne für eine Betriebsfrequenz zwischen 8 MHz und 30 MHz, die mit wenigstens einer Schreib-/Lesestation der Antennenanordnung verbunden ist, und die wenigstens eine Abgleichschaltung aufweist, bei der – eine eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus einer ersten Antennenschleife und mindestens einer zweiten Antennenschleife besteht, – die erste und die mindestens zweite Antennenschleife nebeneinander und mit Abstand zueinander verlaufend angeordnet sind, – die erste und mindestens zweite Antennenschleife elektrisch parallel geschaltet sind und – der Abstand zwischen der ersten und zweiten Antennenschleife zwischen 10 mm und 35 mm beträgt, – oder die Antennenschleifen die gleiche Grundform aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder 2 sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes von wenigstens zwei Leiterschleifen einer RFID-Antenne einer RFID-Antennenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
Die Erfindung betrifft eine RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne, die Teil eines RFID-Systems zur kontaktlosen Datenübertragung, insbesondere zum Lesen und Beschreiben von kontaktlosen Datenträgern, so genannten Transpondern ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine RFID-Antenne für Anwendungen, bei denen passive Transponder über eine größere Distanz (beispielsweise größer als 500 mm) gelesen werden sollen. Zudem betrifft die Erfindung eine RFID-Antenne, die primär als flächige Antenne und dabei möglichst flach ausgebildet ist, wie sie beispielsweise in sogenannten Gate-Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine oder mehrere Antenne parallel zu einem Lauf- und/oder Fahrweg angeordnet sind. Von einer solchen RFID-Antenne wird gefordert, dass ihre Höhe (h) und Breite (b), also ihre flächige Ausdehnung gewisse Dimensionen nicht überschreitet, weil beispielsweise bauliche Gegebenheiten am Aufstellungsort zu berücksichtigen sind. Insbesondere muss aber auch die Dicke oder Tiefe (d) der RFID-Antenne möglichst gering sein, damit der Lauf- und/oder Fahrweg möglichst wenig von der RFID-Antenne eingeschränkt wird.
Dieselben Anforderungen hinsichtlich der räumlichen Ausdehnung einer RFID-Antenne werden auch an sogenannte Tunnel-Antennensysteme gestellt. Dabei verläuft beispielsweise ein Förderband durch ein System aus RFID-Antennen, welches das Förderband tunnelförmig umgibt, um Transponder zu erfassen, die auf dem Förderband durch das tunnelförmige Antennensystem hindurchbewegt werden. Auch hier ist es wichtig, dass die RFID-Antennen möglichst dünn aufgebaut sind, damit das Tunnel-Antennensystem nur möglichst wenig über die Breite des Förderbandsystems hinausragt.
Ein RFID-System besteht, wie aus der Praxis bekannt, aus einer RFID-Antenne, die sich aus mindestens einer Antennenschleife, die eine Induktivität darstellt und aus einer oder mehreren Windungen gebildet wird, und einer Anpassschaltung zusammensetzt, einer Schreib-/Lesestation mit integrierter Sende-, Empfänger- und Steuereinheit und einer Verbindungsleitung zwischen der Schreib-/Lesestation und der RFID-Antenne.
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 zwischen der RFID-Antenne und der in den Transponder integrierten Antenne.
Damit eine RFID-Antenne die von einer Schreib-/Lesestation eingespeiste Leistung optimal umsetzen kann, muss die Eingangsimpedanz der RFID-Antenne möglichst gut der Ausgangsimpedanz der Schreib-/Lesestation entsprechen.
Ferner muss die RFID-Antenne möglichst gut auf die Betriebsfrequenz des RFID-Systems abgestimmt sein, um einen hohen Strom und damit eine hohe magnetische Feldstärke zu erzielen.
Zur Anpassung der Eingangsimpedanz und zum Abgleich der RFID-Antenne auf die Betriebsfrequenz dient eine Anpassschaltung, die sich in der Regel in unmittelbarer Nähe zur Antennenschleife befindet.
Passive RFID Transponder bestehen, wie aus der Praxis bekannt, aus einem integrierten Mikroelektronikbauelement (IC) und einem Resonanzkondensator und einer Antennenspule, wobei der Resonanzkondensator häufig bereits in das Mikroelektronikbauelement integriert ist. Die Antennenspule und der Resonanzkondensator bilden einen elektrischen Schwingkreis und werden auf ihre Betriebsfrequenz von zum Beispiel 13,56 Megahertz (MHz) abgestimmt.
Gelangt ein Transponder in den Erfassungsbereich der RFID-Antenne, so erhält der Transponder über die magnetische Kopplung mit der RFID-Antenne Energie zum Betrieb der integrierten Schaltung (IC). Die Höhe der Energie ist abhängig von der Feldstärke beziehungsweise 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.
Der Bereich, in dem der Transponder ausreichend mit Energie versorgt wird und mit dem RFID-System kommunizieren kann, wird Erfassungsbereich genannt.
Die Größe des Erfassungsbereiches wird durch die Geometrie der Antennenfläche und die magnetische Feldstärke (H) bestimmt, die durch die Antenne generiert wird. Die Feldstärke ist zudem abhängig von der Höhe des Stroms, der durch die Antennenschleife fließt (Antennenstrom).
Um einen möglichst großen Erfassungsbereich zu erzielen, müsste man folglich eine möglichst große Antennenfläche mit einem möglichst großen Antennenstrom betreiben. In der Praxis ist dies aber durch verschiedene Einschränkungen begrenzt.
Der Antennenstrom ist durch die Ausgangsleistung des angeschlossenen RFID-Readers begrenzt. Auch die Erwärmung der RFID-Antenne oder der Anpassschaltung sowie die hohen Spannungen an den Bauteilen im Resonanzkreis erschweren das Design und die Entwicklung kostengünstiger Lösungen bei großen Sendeleistungen, während die Antennenfläche durch örtliche Gegebenheiten am Installationsort und durch elektrische Parameter, die sich durch eine große Fläche ergeben, begrenzt wird.
Nachfolgend werden die elektrischen Zusammenhänge prinzipiell beschrieben.
Die Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke von dem Strom und der Größe der RFID-Antenne kann anhand der folgenden Formel für eine runde Antenne prinzipiell dargestellt werden:

H:: magnetische Feldstärke
x:: Abstand zwischen der Ebene der Antennenschleife und dem Transponder
I:: Strom durch die Antennenschleife
N:: Anzahl der Windungen der Antennenschleife
r:: Radius der runden Antennenschleife.

Mit folgender Formel kann die Induktivität einer kreisrunden Antenne, unter Berücksichtigung der Dicke des Antennenleiters berechnet werden

r:: Radius der Antennenschleife
r₀:: Radius des Antennenleiters
N:: Anzahl der Windungen
μ_o:: Permeabilitätskonstante

Aus dieser Formel ist erkennbar, dass die Induktivität mit zunehmendem Radius r größer wird. Gleichzeitig steigt die Induktivität mit der Anzahl der Windungen. Um die Induktivität einer großen Antenne zu begrenzen besteht also nur die Möglichkeit, die Anzahl der Windungen möglichst gering zu wählen. In der Praxis würde man einen Wert für N = 1 wählen.
Besonders bei höheren Frequenzen (zum Beispiel bei 13,56 MHz) ergeben sich nach der folgenden Gleichung sehr kleine Kapazitäten, die zum Abgleich der RFID-Antenne auf die geforderte Resonanzfrequenz notwendig würden.
Die Berechnung der Resonanzfrequenz einer RFID-Antenne kann anhand folgender Formel erfolgen:

f:: Frequenz
L:: Induktivität
C:: Kapazität.

Diese kleinen Kapazitäten im Resonanzkreis machen die RFID-Antennen in der Praxis schwer abgleichbar, und die Empfindlichkeit gegen Änderungen in den Umgebungsbedingungen wird größer, wodurch die RFID-Antenne unzuverlässig arbeitet.
Zudem ist die verfügbare Fläche für die Antennenschleife in der Praxis beschränkt, weil das RFID-System in ein anderes Systemumfeld integriert werden muss, in dem nicht beliebig viel Fläche zur Verfügung steht.
Eine weitere Anforderung an eine RFID-Antenne ist, dass sie unabhängig von der Ausrichtung des Transponders zur RFID-Antenne die Kommunikation mit Transpondern ermöglicht. Wenn ein Transponder beispielsweise an einer Ware befestigt ist, die an einer RFID-Antenne vorbeigeführt wird, sollte es möglichst egal sein, ob der Transponder flächenparallel zur RFID-Antenne ausgerichtet ist oder in einem anderen Winkel zur RFID-Antenne steht.
Aus der Praxis sind RFID-Antennen bekannt, bei denen die eine große Antennenfläche aufgeteilt wird in mehrere kleine Flächen. Es werden also mehrere Antennenschleifen auf der verfügbaren Fläche verteilt und bilden mehrere Induktivitäten. Diese Induktivitäten werden dann parallel geschaltet, wodurch sich eine geringere Gesamtinduktivität der Schleifenanordnung ergibt.
Dieser aus der Praxis bekannte Lösungsansatz zur Begrenzung der Induktivität einer großen RFID-Antenne hat jedoch den Nachteil eines deutlich reduzierten Erfassungsbereichs, da die magnetische Feldstärke im Fernfeld einer Antennenschleife mit abnehmender Fläche abnimmt.
Ferner sind aus der Praxis Lösungen bekannt, um den Erfassungsbereich von RFID-Antennen zu erhöhen, bei denen die Antennenschleife aus einem leitfähigen Rohr, vorzugsweise einem Kupferrohr mit einigen Zentimetern Außendurchmesser hergestellt werden, wie sie aus der Hausinstallation für Wasserleitungen und Heizungsbau bekannt sind.
Diese Lösungen haben den Nachteil, dass die Dicke der Antenne mindestens dem Außendurchmesser des verwendeten Rohres entspricht und somit keine besonders flache Antenne herstellbar ist. Zudem sind Herstellverfahren für eine solche RFID-Antenne teuer und aufwendig.
Um eine möglichst gute Lageunabhängigkeit des Transponders zur RFID-Antenne zu erzielen, sind aus der Praxis eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungsansätze bekannt, bei denen unterschiedlich geformte Antennenschleifen vorgeschlagen werden, um das Feld der RFID-Antenne besonders zu formen. Oder es werden Kombinationen aus rechteckigen, dreieckigen oder runden RFID-Antennen vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen. All diese bekannten Lösungsansätze haben jedoch den Nachteil, dass sie entweder nur mit hohem Aufwand realisiert werden können oder der Erfassungsbereich zwar eine gewisse Lageunabhängigkeit aufweist, aber insgesamt kleiner ist, als der einer einfach geformten runden oder rechteckigen Antenne mit vergleichbaren Abmessungen.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine RFID-Antenne anzugeben, die so aufgebaut ist, dass sie auf einer vorgegebenen Fläche eine lageunabhängige hohe Feldstärke erzielt und gleichzeitig nur eine geringe Dicke aufweist und einfach aufgebaut ist. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Ermittlung eines optimalen Abstandes von Antennenschleifen einer derartigen Antenne angegeben werden, welches einfach durchführbar ist.
Dieses technische Problem wird durch eine RFID-Antennenanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder den Merkmalen des Anspruches 2 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14 gelöst.
Die erfindungsgemäße RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne für eine Betriebsfrequenz zwischen 8 MHz und 30 MHz, die mit wenigstens einer Schreib-/Lesestation der Antennenanordnung verbunden ist, und die wenigstens eine Abgleichschaltung aufweist, bei der eine eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus einer ersten Antennenschleife und mindestens einer zweiten Antennenschleife besteht, zeichnet sich dadurch aus,

– dass die erste und die mindestens zweite Antennenschleife nebeneinander und mit Abstand zueinander verlaufend angeordnet sind und
– dass die erste und mindestens zweite Antennenschleife elektrisch parallel geschaltet sind und
– dass die Antennenschleifen die gleiche Grundform aufweisen.

Durch die beabstandet und mit gleicher Grundform ausgebildeten und elektrisch parallel geschalteten Antennenschleifen steigert die erfindungsgemäße RFID-Antenne die Feldstärke für flächenparallel ausgerichtete Transponder und insbesondere für orthogonal ausgerichtete Transponder im Erfassungsbereich der Antenne und weist damit einen vergrößerten Erfassungsbereich auf.
Gleiche Grundform im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die wenigstens zwei Antennenschleifen die gleiche Grundform, beispielsweise eine Rechteckform aufweisen, dass jedoch die Antennenschleifen auch geringfügig von der Rechteckform abweichen können, beispielsweise wellenförmig um eine Längsseite der Rechteckform mäandern, oder der Abstand zwischen den beiden Antennenschleifen nicht exakt parallel oder äquidistant ausgebildet ist. Gleiches gilt für andere Grundformen, wie zum Beispiel eine runde Grundform oder eine vieleckige Grundform, wie zum Beispiel eine Fünfeck-Form.
Die maximale Abweichung der Antennenschleife von einer Seite der Grundform beträgt vorteilhaft weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 3% der Länge der längsten Seite der vieleckigen Grundform. Bei runden Grundformen beträgt die maximale Abweichung von der Grundform weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 3% des Durchmessers.
Die erfindungsgemäße RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne für eine Betriebsfrequenz zwischen 8 MHz und 30 MHz, die mit wenigstens einer Schreib-/Lesestation der Antennenanordnung verbunden ist, und die wenigstens eine Abgleichschaltung aufweist, bei der eine eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus einer ersten Antennenschleife und mindestens einer zweiten Antennenschleife besteht, zeichnet sich dadurch aus,

– dass die erste und die mindestens zweite Antennenschleife nebeneinander und mit Abstand zueinander verlaufend angeordnet sind und
– dass die erste und mindestens zweite Antennenschleife elektrisch parallel geschaltet sind und
– dass der Abstand zwischen der ersten und zweiten Antennenschleife zwischen 10 mm und 35 mm beträgt

Bei beiden Anordnungen umschließt vorteilhaft eine erste Antennenschleife eine Fläche, die größer ist als die von der wenigstens zweiten Antennenschleife umschlossene Fläche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne für eine Betriebsfrequenz von 13,56 MHz ausgebildet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind alle Antennenschleifen im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet.
Durch die beabstandet und konzentrisch angeordneten und elektrisch parallel geschalteten Antennenschleifen steigert die erfindungsgemäße RFID-Antenne die Feldstärke für flächenparallel ausgerichtete Transponder und insbesondere für orthogonal ausgerichtete Transponder im Fernbereich der Antenne und weist damit einen vergrößerten Erfassungsbereich auf.
Unter dem Begriff Fernbereich wird dabei eine Entfernung zwischen der Fläche der RFID-Antenne und einem flächenparallel ausgerichteten Transponder oder einem Messgerät zur Feldstärkemessung verstanden, die in etwa dem Durchmesser einer runden RFID-Antenne oder der Diagonalen einer rechteckigen RFID-Antenne oder der längsten Diagonalen bei einer vieleckigen RFID-Antenne entspricht. Die Feldstärke für flächenparallel ausgerichtete Transponder wird vorteilhaft in der beschriebenen Entfernung flächenparallel zum Zentrum der Fläche gemessen, die durch die Form der Antennenschleifen gebildet wird.
Für orthogonal ausgerichtete Transponder erfolgt die Messung der Feldstärke orthogonal zu der Antennenschleife der RFID-Antenne, wobei die Feldstärke des Fernbereiches für diese Ausrichtung typischerweise etwa 70% bis 80% der Feldstärke der flächenparallelen Ausrichtung beträgt.
Als Beispiel kann eine RFID-Antennenanordnung angegeben werden, bei der eine äußere Antennenschleife ein Rechteck mit den Kantenlängen 680 mm mal 680 mm bildet und eine konzentrisch dazu angeordnete innere Antennenschleife ein Rechteck mit den Kantenlängen 640 mm mal 640 mm bildet. Gegenüber einer RFID-Antennenanordnung, die ausschließlich aus der oben genannten äußeren Antennenschleife aufgebaut ist, hat sich der Erfassungsbereich für flächenparallele ausgerichtete Transponder von 900 mm auf 930 mm vergrößert und der Erfassungsbereich für orthogonal ausgerichtete Transponder von 720 mm auf 800 mm vergrößert.
Durch die elektrische Parallelschaltung der ineinander angeordneten ersten Antennenschleife und der wenigstens zweiten Antennenschleife resultiert eine geringere Gesamtinduktivität im Vergleich zu Einzelinduktivitäten der zwei einzelnen Antennenschleifen mit derselben Geometrie. Hierdurch ist die RFID-Antenne trotz einer großen Fläche gut abgleichbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus exakt zwei Antennenschleifen aufgebaut. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie einfach und preiswert aufgebaut werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verlaufen die erste Antennenschleife und die mindestens zweite Antennenschleife parallel zueinander. Diese Ausführungsform, bei der die beiden Antennenschleifen exakt parallel zueinander verlaufen, hat den Vorteil einer homogenen Feldverteilung und kann besonders einfach hergestellt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der RFID-Antenne sind die Antennenschleifen aus einem besonders dünnen Draht mit einem Querschnitt von 0,1 Quadratmillimetern (mm²) bis 1,0 Quadratmillimeter (mm²) hergestellt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Antenne nur eine sehr geringe Dicke aufweist, wenn die aus dünnem Draht gebildeten Antennenschleifen beispielsweise in die Antennenfläche eingelassen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der RFID-Antenne weist die RFID-Antennenanordnung einen eine Antennenfläche bildenden Träger auf, und die Antennenschleifen sind aus einem leitfähigen Material hergestellt, und die Antennenschleifen sind als während des Herstellungsprozesses der RFID-Antenne auf und/oder in dem die Antennenfläche bildenden Träger angeordnete Antennenschleifen ausgebildet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Antenne preiswert produziert werden kann und gleichzeitig eine sehr geringe Dicke ausweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der RFID-Antenne sieht vor, dass wenigstens zwei Antennenschleifen eine runde, rechteckige, fünfeckige, vieleckige und/oder andere mehreckige Form aufweisen.
Die wenigstens zwei Antennenschleifen können mit einem runden Querschnitt oder bandförmig ausgebildet sein. Vorteilhaft weisen die wenigstens zwei Antennenschleifen gleiche Querschnittsformen auf. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Antennenschleifen unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Durch die verschiedenen Querschnittsformen der Antennenschleifen ergeben sich besonders ausgeformte magnetische Felder, die in Abhängigkeit der Anwendung und des geforderten Erfassungsbereich erzielt werden können. Zudem ergeben sich gestalterische Freiheitsgrade für die RFID-Antenne.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus drei elektrisch parallel geschalteten Antennenschleifen aufgebaut, wobei die Antennenschleifen weitestgehend in einer Ebene angeordnet sind. Vorteilhaft befindet sich die dritte Antennenschleife jeweils in demselben Abstand zur ersten und zur zweiten Antennenschleife. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Induktivität bei besonders großen Antennenflächen nochmals verkleinert wird. Üblicherweise werden die drei Antennenschleifen in einer Ebene angeordnet, beispielsweise in dem Antennenträger oder auf dem Antennenträger.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus drei Antennenschleifen aufgebaut, wobei zwei Antennenschleifen in einer Ebene angeordnet sind und eine weitere Antennenschleife sich in einer anderen Ebene befindet. Vorteilhaft befindet sich die dritte Antennenschleife jeweils in demselben räumlichen Abstand zur ersten und zur zweiten Antennenschleife. Die drei Antennenschleifen bilden vorteilhaft im Querschnitt die Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich die Feldlinien besser zweidimensional verteilen, wodurch die lageunabhängige Erfassung von Transpondern verbessert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Antennenschleifen auf einer Seite des Antennenträgers und eine Antennenschleife auf der gegenüberliegenden Seite des Antennenträgers angeordnet. Auf diese Art und Weise lässt sich die räumliche Ausdehnung für die Anordnung der Antennenschleifen ausnutzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die RFID-Antennen in Form eines Gates angeordnet, das heißt, dass jeweils eine Antenne rechts und links eines Lauf- oder Fahrweges parallel zu einer Bewegungsrichtung wenigstens eines Transponders angeordnet ist. Es ist auch möglich, die Antennen als sogenannten Tunnel auszubilden. Bei dieser Ausbildung werden Antennen jeweils rechts und links sowie oberhalb und/oder unterhalb des Lauf- oder Fahrweges angeordnet. Hierdurch werden Transponder in jeder beliebigen Ausrichtung innerhalb der Antennenanordnung erfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes von wenigstens zwei Antennenschleifen einer RFID-Antenne einer RFID-Antennenanordnung zum Erreichen einer maximalen Feldstärke in einem Fernbereich der RFID-Antennen, wobei die wenigstens zwei Antennenschleifen eine runde Grundform mit einem Radius r oder eine vieleckige Grundform mit einer Diagonalen d aufweisen, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Feldstärkemessgerät in einem Abstand (b) orthogonal zu einer aus den wenigstens zwei Antennenschleifen gebildeten Fläche angeordnet wird, wobei der Abstand b definiert ist als 1,3·r < b < 1,7·r oder 1,3·d < b < 1,7·d und durch verändern des Abstandes (a) der wenigstens zwei Antennenschleifen die maximale Feldstärke durch das Feldstärkemessgerät ermittelt wird.
Durch dieses Verfahren kann der optimale Abstand zwischen den wenigstens zwei Antennenschleifen auf einfache Art und Weise ermittelt werden, so dass die Feldstärke im Fernbereich der RFID-Antennenanordnung maximal ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahren ist der Abstand b definiert als b = 1,5·r oder b = 1,5·d.
Mit diesen Abständen lässt sich die Feldstärke im Fernbereich am besten ermitteln.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Feldstärkemessgerät mit einer Messspule parallel zu einer von den wenigstens zwei Antennenschleifen gebildeten Fläche ausgerichtet ist.
Da eine aus Antennenschleifen aufgebaute RFID-Antenne prinzipbedingt im Zentrum der Antennenschleifen die maximale Feldstärke für flächenparallel ausgerichtete Transponder aufweist und die Feldstärke durch den Abstand (a) der Antennenschleifen nur in geringerem Maße beeinflusst wird, wird als optimaler Abstand (a) der Abstand angenommen, der für orthogonal ausgerichtete Transponder den größten Erfassungsbereich erzielt. Aus diesem Grund ist eine Messung mit einer Messspule, die parallel zu der von der wenigstens einen Antennenschleife gebildeten Fläche ausgerichtet ist, am vorteilhaftesten.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass eine Kontrollmessung in einem Abstand von 1,9·r < b < 2,1·r oder 1,9·r < d < 2,1·r durchgeführt wird.
Da der Fernbereich bis in diesen Bereich reicht, ist eine Kontrollmessung in diesem Abstand sinnvoll.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele einer Antennenanordnung nur beispielhaft dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Systems bestehend aus einer RFID-Antenne in Gate-Form und einer Schreib-/Lesestation;
2 eine geänderte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen RFID-Antenne mit zwei nichtparallelen Antennenschleifen mit gleicher Grundform in Draufsicht;
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen RFID-Antenne mit zwei parallelen Antennenschleifen in Draufsicht;
4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen RFID-Antenne mit drei parallelen Antennenschleifen in Draufsicht;
5 eine Anordnung zur Ermittlung des idealen Abstands zwischen zwei Antennenschleifen der erfindungsgemäßen RFID-Antenne in Seitenansicht;
6 ein System aus vier RFID-Antennen, die tunnelförmig angeordnet sind.
1 zeigt eine mögliche Anwendung einer erfindungsgemäßen RFID-Antenne. Hierbei stehen RFID-Antennen 1, 1' in räumlichem Abstand parallel in einem Raum, so dass zwischen den beiden RFID-Antennen 1, 1' ein Durchgang bleibt, der in Richtung des Pfeiles A durchquert werden kann. In einer solchen Anwendung ist es wichtig, eine möglichst dünne Antenne einzusetzen, damit der Durchgang zwischen den RFID-Antennen 1, 1' möglichst wenig eingeschränkt wird.
Die RFID-Antennen 1, 1' sind jeweils über eine Abgleichvorrichtung 14, 14', mittels jeweils einer Antennenleitung 3, 3' mit einer Schreib-/Lesestation 2 verbunden.
Die RFID-Antennen 1, 1' weisen jeweils zwei Antennenschleifen 10, 20; 10', 20' auf, die im wesentlichen parallel zueinander auf oder in einer Fläche der RFID-Antenne 1, 1' angeordnet sind und an der Abgleichvorrichtung 14, 14' parallel angeschlossen sind. Durch die parallele Anordnung der Antennenschleifen 10, 20; 10' 20' wird die Feldstärke im Fernfeld der Antennen 1, 1' deutlich vergrößert, so dass in dem Bereich zwischen den Antennen 1, 1' vorhandene Transponder (nicht dargestellt) zuverlässig erfasst werden. Hierdurch kann ein Datenaustausch mit den Transpondern sowie eine Energieübertragung an die Transponder erfolgen. Durch die Vergrößerung der Feldstärke im Fernfeld können die Antennen 1, 1' einen deutlich größeren Abstand zueinander aufweisen, so dass der Bereich zwischen den Antennen 1, 1' größer wird. Es besteht auch die Möglichkeit, bei gleichem Abstand der Antennen 1, 1' die Antennen 1, 1' zu verkleinern.
2 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen RFID-Antenne, bei der eine erste Antennenschleife 10 eine rechteckige Grundform aufweist und eine zweite Antennenschleife 20, die ebenfalls eine rechteckige Grundform aufweist. Die zweite Antennenschleife 20 weist jedoch Abweichungen von der rechteckigen Grundform auf. Die Abweichung liegt in horizontaler Richtung zwischen einem ersten Abstand a1 und einem zweiten Abstand a2 neben der ersten Antennenschleife 10. Die zweite Antennenschleife 20 ist nicht parallel zu der Antennenschleife 10 angeordnet. Beide Antennenschleifen 10, 20 sind an der Abgleichvorrichtung 14 parallel angeschlossen. Erfindungswesentlich dabei ist, dass die zweite Antennenschleife 20 den Bereich nicht verlässt, der durch den ersten Abstand a1 und dem zweiten Abstand a2 gebildet wird. Das Gleiche gilt in vertikaler Richtung, in der die Abstände nicht mehr eingezeichnet sind, bei denen die Maximalabstände jedoch gleich sind wie in horizontaler Richtung. Der Abstand a2 liegt vorteilhaft zwischen 10 mm und 35 mm. Bevorzugt liegt er bei 20 mm. Der Abstand a2 ist in vertikaler Richtung wie auch in horizontaler Richtung vorteilhaft nicht größer als 5% der Seitenlänge L der Antennenschleife 10.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen RFID-Antenne, bei der eine erste Antennenschleife 10 und eine zweite Antennenschleife 20 jeweils eine rechteckige Form aufweisen und die Antennenschleifen 10, 20 jeweils im wesentlichen parallel zueinander mit einem konstanten Abstand a3 verlaufen und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Antennenschleifen 10, 20 sind elektrisch parallel geschaltet und an die Abgleichvorrichtung 14 angeschlossen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen RFID-Antenne, bei der eine erste Antennenschleife 10, eine zweite Antennenschleife 20 und eine dritte Antennenschleife 30 jeweils eine rechteckige Grundform aufweisen und die Antennenschleifen 10, 20, 30 jeweils im wesentlichen parallel zueinander im Abstand a3 verlaufen und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Alle drei Antennenschleifen 10, 20, 30 sind elektrisch parallel geschaltet und an die Abgleichvorrichtung 14 angeschlossen.
5 zeigt zwei Verfahren zur Ermittlung des optimalen Abstands a zwischen einer ersten Antennenschleife 10 und einer zweiten Antennenschleife 20, wobei in diesem Beispiel beide Antennenschleifen 10, 20 eine runde Form aufweisen. Die Antennenschleife 20 umschließt eine Fläche mit dem Radius r. Nach dem ersten Verfahren zur Ermittlung des optimalen Abstands a3 zwischen den beiden Antennenschleifen 10, 20 wird ein Feldstärkemessgerät 51 im Abstand b, der ungefähr 1,5·r entspricht, orthogonal zu den Antennenschleifen 10, 20 angeordnet. Nun wird der Abstand a3 zwischen den Antennenschleifen 10, 20 so lange variiert, bis sich an einer Messspule 51 eines Feldstärkemessgerätes eine maximale Feldstärke einstellt.
Zudem zeigt 5 ein alternatives zweites Verfahren zur Ermittlung des optimalen Abstands a3 zwischen einer ersten Antennenschleife 10 und einer zweiten Antennenschleife 20, wobei in diesem Beispiel beide Antennenschleifen 10, 20 eine runde Grundform aufweisen. Die Antennenschleife 20 umschließt eine Fläche mit dem Radius r. Zur Ermittlung des optimalen Abstands a3 zwischen den beiden Antennenschleifen 10, 20 wird eine Messspule 50 eines Feldstärkemessgerätes im Abstand von ungefähr 2·r zum Zentrum Z flächenparallel zu der durch die Antennenschleifen 10, 20 gebildeten Fläche angeordnet. Nun wird der Abstand a3 zwischen den Antennenschleifen 10, 20 so lange variiert, bis sich an einem Feldstärkemessgerät 50 eine maximale Feldstärke einstellt. Dabei ist die Messspule 50 des Feldstärkemessgerätes parallel zur Fläche der RFID-Antenne 1 ausgerichtet. Dieses zweite Verfahren kann verwendet werden, um zu prüfen, welchen Einfluss der mittels des ersten Verfahrens ermittelte Abstand a3 auf den Erfassungsbereich für parallel zur Fläche der RFID-Antenne 1 ausgerichtet Transponder hat.
Da eine aus Antennenschleifen aufgebaute RFID-Antenne 1 prinzipbedingt im Zentrum Z der Antennenschleifen die maximale Feldstärke für flächenparallel ausgerichtete Transponder aufweist und die Feldstärke durch den Abstand a3 der Antennenschleifen 10, 20 nur in geringerem Maße beeinflusst wird, wird als optimaler Abstand a3 der Abstand angenommen, der für orthogonal ausgerichtete Transponder den größten Erfassungsbereich erzielt.
Dieser so gefundene Abstand a3 stellt für die jeweilige RFID-Antenne dann die optimale Anordnung der Antennenschleifen 10 und 20 zueinander dar.
6 zeigt ein Antennensystem, welches eine weitere mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen RFID-Antenne dargestellt. Dabei bilden die vier RFID-Antennen 1, 1', 1'', 1''' ein tunnelförmiges Gebilde, durch welches ein Förderbandsystem 61 geführt ist. Auf dem Förderbandsystem 61 ist ein Paket 62 dargestellt, an dem ein Transponder 63 angebracht ist. Der Transponder 63 ist dabei im wesentlichen orthogonal zu den Flächen der RFID-Antennen 1, 1', 1'', 1''' ausgerichtet. Durch die erfindungsgemäße Ausführung der RFID-Antennen 1, 1', 1'', 1''' können bei dieser tunnelförmigen Anordnung Transponder 63 unabhängig von ihrer Lage erfasst werden, wenn sie durch die tunnelförmig Anordnung bewegt werden, wobei das Antennensystem nur wenig über die Breite des Förderbandsystems 61 hinausragt.
7 zeigt einen Ausschnitt aus einer RFID-Antenne 1, bei dem drei Antennenschleifen 10, 20, 30 als flache Leiter auf die Oberfläche der RFID-Antenne 1 aufgebracht sind. Dabei sind die beiden Antennenschleifen 10, 20 in einer Ebene auf der einen Seite der RFID-Antenne 1 angeordnet, während die Antennenschleife 30 auf der gegenüberliegenden Seite der RFID-Antenne 1 angeordnet ist. Im Profil ergeben die drei Antennenschleifen 10, 20, 30 ein gleichschenkliges Dreieck, wobei die Antennenschleife 30 jeweils im gleichen Abstand a4 in vertikaler Richtung zu den Antennenschleifen 10 und 20 angeordnet ist. Der räumliche Abstand zwischen den Antennenschleifen 10, 20 und der Antennenschleife 30 ergibt sich in diesem Beispiel aus der Dicke D eines Antennenträgers 64 der RFID-Antenne 1.
Bezugszeichenliste

1: RFID-Antenne
1': RFID-Antenne
1'': RFID Antenne
1''': RFID-Antenne
2: Schreib-/Lesestation
3: Antennenleitung
3': Antennenleitung
10: erste Antennenschleife
10': erste Antennenschleife
14: Abgleichvorrichtung
14': Abgleichvorrichtung
20: zweite Antennenschleife
20': zweite Antennenschleife
30: dritte Antennenschleife
50: Feldstärkemessgerät
51: Feldstärkemessgerät
61: Förderbandsystem
62: Paket
63: Transponder
64: Antennenträger
A: Pfeil
a1: minimaler Abstand
a2: maximaler Abstand
a3: Abstand der Antennenschleifen
a4: Abstand der Antennenschleifen
D: Dicke der RFID-Antenne
L: Seitenlänge der Antennenschleife
r: Radius
Z: Zentrum der Antenne 1

Claims

RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne für eine Betriebsfrequenz zwischen 8 MHz und 30 MHz, die mit wenigstens einer Schreib-/Lesestation der Antennenanordnung verbunden ist, und die wenigstens eine Abgleichschaltung aufweist, bei der eine eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus einer ersten Antennenschleife und mindestens einer zweiten Antennenschleife besteht, wobei die Antennenschleifen eine geometrische Grundform aufweisen, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste und die mindestens zweite Antennenschleife (10, 20, 30; 10', 20') nebeneinander und mit Abstand zueinander verlaufend angeordnet sind, – dass die erste und mindestens zweite Antennenschleife (10, 20, 30; 10', 20') elektrisch parallel geschaltet sind und – dass die Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') die gleiche Grundform aufweisen.
RFID-Antennenanordnung mit wenigstens einer RFID-Antenne für eine Betriebsfrequenz zwischen 8 MHz und 30 MHz, die mit wenigstens einer Schreib-/Lesestation der Antennenanordnung verbunden ist, und die wenigstens eine Abgleichschaltung aufweist, bei der eine eine Induktivität bildende aktive Antennenschleife aus einer ersten Antennenschleife und mindestens einer zweiten Antennenschleife besteht, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste und die mindestens zweite Antennenschleife (10, 20, 30; 10', 20') nebeneinander und mit Abstand zueinander verlaufend angeordnet sind, – dass die erste und mindestens zweite Antennenschleife (10, 20, 30; 10', 20') elektrisch parallel geschaltet sind und – dass der Abstand (a1, a2, a3, a4) zwischen der ersten und zweiten Antennenschleife (10, 20, 30; 10', 20') zwischen 10 mm (Millimeter) und 35 mm beträgt.
RFID-Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der ersten Antennenschleife (10, 10') umschlossene Fläche größer als eine von der zweiten oder einer weiteren Antennenschleife (20, 20') umschlossenen Fläche ausgebildet ist.
RFID-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') konzentrisch zueinander angeordnet sind.
RFID-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') parallel zueinander angeordnet sind.
RFID-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') aus einem leitfähigen Material mit einem Querschnitt zwischen 0,1 Quadratmillimetern und 1,0 Quadratmillimetern gebildet sind.
RFID-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die RFID-Antennenanordnung (1) einen eine Antennenfläche bildenden Träger (64) aufweist, dass die Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') aus einem leitfähigen Material gebildet sind, und dass die Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') als während des Herstellungsprozesses der RFID-Antenne (1) unmittelbar auf und/oder in dem die Antennenfläche bildenden Träger (64) angeordnete Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') ausgebildet sind.
RFID-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') eine runde, rechteckige, fünfeckige, vieleckige und/oder andere mehreckige Form aufweisen.
RFID-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei in einer Ebene angeordnete elektrisch parallel geschaltete Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') vorgesehen sind.
RFID-Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei in einer Ebene angeordnete Antennenschleifen (10, 20; 10', 20') vorgesehen sind, und dass wenigstens eine weitere Antennenschleife (30) außerhalb dieser Ebene angeordnet ist.
RFID-Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass drei Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') im Querschnitt die Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks bilden.
RFID-Antennenanordnung nach Anspruch 7, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Antennenschleifen (10, 20; 10', 20') auf einer Seite des Antennenträgers (64) und eine Antennenschleife (30) auf der gegenüberliegenden Seite des Antennenträgers (64) angeordnet ist.
RFID-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die RFID-Antennen (1, 1', 1'', 1''') in einer Gate-Anordnung oder einer Tunnel-Anordnung angeordnet sind.
Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes von wenigstens zwei Antennenschleifen einer RFID-Antenne einer RFID-Antennenanordnung zum Erreichen einer maximalen Feldstärke in einem Fernbereich der RFID-Antennen, wobei die wenigstens zwei Antennenschleifen eine runde Grundform mit einem Radius (r) oder eine vieleckige Grundform mit einer Diagonalen (d) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feldstärkemessgerät (51) in einem Abstand (b) orthogonal zu einer von den wenigstens zwei Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') gebildeten Fläche angeordnet wird, wobei der Abstand (b) definiert ist als 1,3·r < b < 1,7·r oder 1,3·d < b < 1,7·d und durch verändern des Abstandes (a1, a2, a3, a4) der wenigstens zwei Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') die maximale Feldstärke durch das Feldstärkemessgerät (51) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) definiert ist als b = 1,5·r oder b = 1,5·d.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrollmessung in einem Abstand von 1,9·r < b < 2,1·r oder 1,9·r < d < 2,1·r mit einem Feldstärkemessgerät (50) durchgeführt wird, welches flächenparallel zu der von den wenigstens zwei Antennenschleifen (10, 20, 30; 10', 20') gebildeten Fläche ausgerichtet ist.