DE102017122196A1 - Identification element and a method for identifying associated objects - Google Patents

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    • H01P1/205Comb or interdigital filters; Cascaded coaxial cavities

Abstract

Ein Identifikationselement (100) basierend auf einem Code, der mittels eines Hochfrequenzsignals (S1) auslesbar ist, um ein dazugehöriges Objekt zu identifizieren, umfasst: eine erste Metallplatte (110), eine zweite Metallplatte (120), erste elektrisch leitfähige Stiftelemente (122) und zumindest ein zweites elektrisch leitfähiges Stiftelement (124). Die erste Metallplatte (110) und die zweite Metallplatte (120) sind parallel zueinander angeordnet, um einen Hohlraum (H) dazwischen zu bilden. Die ersten elektrisch leitfähigen Stiftelemente (122) erstrecken sich zwischen den parallel angeordneten Platten (110,120) und erstrecken sich zwischen der ersten Metallplatte (110) und der zweiten Metallplatte (120), wobei jedes erste Stiftelement (122) eine Mindestlänge (L0) aufweist, die vom Hochfrequenzsignal (S1) abhängt. Das zumindest eine zweite elektrisch leitfähige Stiftelement (124) erstreckt sich zwischen der ersten Metallplatte (110) und der zweiten Metallplatte (120). Jedes zweite Stiftelement (124) ist umgeben von ersten Stiftelementen (122) und weist eine Länge (L1, L2, ...) auf, die kleiner ist als die Mindestlänge (L0) der ersten Stiftelemente (122) und ist so gewählt, dass durch das Hochfrequenzsignal (S1) eine oder mehrere Hohlraumresonanzen mit Resonanzfrequenzen (f) anregbar sind und die anregbare(n) Resonanzfrequenz(en) (f) einen Code definieren, der unter Nutzung des Hochfrequenzsignales (S1) auslesbar ist.An identification element (100) based on a code which can be read by means of a high-frequency signal (S1) in order to identify an associated object, comprises: a first metal plate (110), a second metal plate (120), first electrically conductive pin elements (122) and at least one second electrically conductive pin member (124). The first metal plate (110) and the second metal plate (120) are arranged in parallel with each other to form a cavity (H) therebetween. The first electrically conductive pin members (122) extend between the parallel plates (110, 120) and extend between the first metal plate (110) and the second metal plate (120), each first pin member (122) having a minimum length (L0). which depends on the high frequency signal (S1). The at least one second electrically conductive pin element (124) extends between the first metal plate (110) and the second metal plate (120). Each second pin element (124) is surrounded by first pin elements (122) and has a length (L1, L2, ...) which is smaller than the minimum length (L0) of the first pin elements (122) and is chosen such that one or more cavity resonances with resonant frequencies (f) can be excited by the high-frequency signal (S1) and the excitable resonant frequency (s) (f) define a code that can be read out using the high-frequency signal (S1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Identifikationselement basierend auf einem Code, der mittels eines Hochfrequenzsignals ausgelesen werden kann, auf ein Verfahren zum Identifizieren von zugehörigen Objekten und insbesondere auf einen chiplosen RFID-Tag, der auf eine Frequenzabstimmung von koaxialen Hohlräumen auf einem Nagelbett basiert.The present invention relates to an identification element based on a code that can be read out by means of a high-frequency signal, to a method for identifying associated objects, and more particularly to a chipless RFID tag based on frequency tuning of coaxial cavities on a nail bed.

Hintergrundbackground

Bekannte RFID-Tags (Radio Frequency Identification Tag, Hochfrequenzidentifikations-Etiketten) nutzen einen Chip, der durch ein elektromagnetisches Wechselfeld angeregt wird, um Informationen als Antwort zu übertragen, wobei die dazu erforderliche Energie aus der elektromagnetischen Wechselfeld gewonnen wird. Die übertragene Information kann als eine Identifikation von Objekten genutzt werden, die den RFID-Tag als Etikett tragen.Known RFID tags (Radio Frequency Identification Tag) use a chip, which is excited by an electromagnetic alternating field to transmit information in response, the energy required for this is obtained from the electromagnetic alternating field. The transmitted information can be used as an identification of objects that carry the RFID tag as a label.

Chiplose RFID-Tags sind ebenfalls bekannt. Sie nutzen beispielsweise aufgedruckte Schaltkreise und basieren auf Frequenzen unterhalb von 10 GHz und sind beispielsweise offenbart in: Preradovic, S. und Karnakar, N.C.: „Chipless RFID: Barcode of the Future“; IEEE Microwave Magazine, 11 (7) 87-97 . Für höhere Frequenzen verringern sich jedoch die Herstellungstoleranzen und Verluste des Hochfrequenzsignales steigen an, was wiederum zu einer Erhöhung der Kosten für das Endprodukt und zu einer niedrigeren Performanz führt.Chipless RFID tags are also known. They use, for example, printed circuits and are based on frequencies below 10 GHz and are disclosed, for example, in: Preradovic, S. and Karnakar, NC: "Chipless RFID: Barcode of the Future"; IEEE Microwave Magazine, 11 (7) 87-97 , For higher frequencies, however, the manufacturing tolerances are reduced and losses of the high frequency signal increase, which in turn leads to an increase in the cost of the end product and a lower performance.

Daher besteht ein Bedarf nach anderen RFID Tags, die keinen Chip aufweisen, ein einfaches Design darstellen, einfach herzustellen sind und insbesondere für Wellenlängen im Millimeterbereich und darunter operieren.Therefore, there is a need for other non-chip RFID tags that are simple in design, easy to manufacture, and especially for wavelengths in the millimeter range and below.

ZusammenfassungSummary

Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein Identifikationselement (chiploses RFID-Etikett) nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Identifikation von Objekten nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Identifikationselementes.At least part of the above problems are solved by an identification element (chipless RFID tag) according to claim 1 and a method for identifying objects according to claim 7. The dependent claims define further advantageous embodiments of the identification element.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Identifikationselement zur Identifikation eines dazugehörigen Objektes basierend auf einem Code, der mittels eines Hochfrequenzsignals auslesbar ist. Das Identifikationselement umfasst: eine erste Metallplatte, eine zweite Metallplatte, erste elektrisch leitfähige Stiftelemente und zumindest ein zweites elektrisch leitfähiges Stiftelement. Die erste Metallplatte und die zweite Metallplatte sind parallel zueinander angeordnet (und vorteilhafterweise elektrisch voneinander isoliert), um einen Hohlraum dazwischen zu bilden. Die ersten elektrisch leitfähigen Stiftelemente erstrecken sich zwischen den parallel angeordneten Platten (und sind optional entweder mit der ersten Metallplatte oder der zweiten Metallplatte verbunden), wobei jedes erste Stiftelement eine Mindestlänge aufweist, die vom Hochfrequenzsignal abhängt. Das zumindest eine zweite, elektrisch leitfähige Stiftelement erstreckt sich zwischen der ersten Metallplatte und der zweiten Metallplatte (und ist optional mit einer der Metallplatten verbunden). Jedes zweite Stiftelement ist umgeben von ersten Stiftelementen und weist eine Länge auf, die kleiner ist als die Mindestlänge der ersten Stiftelemente und ist so gewählt, dass durch das Hochfrequenzsignal eine oder mehrere Hohlraumresonanzen mit Resonanzfrequenzen anregbar sind und die anregbare(n) Resonanzfrequenz(en) einen Code definieren, der unter Nutzung des Hochfrequenzsignales auslesbar ist.The present invention relates to an identification element for identifying an associated object based on a code which can be read out by means of a high-frequency signal. The identification element comprises: a first metal plate, a second metal plate, first electrically conductive pin elements and at least one second electrically conductive pin element. The first metal plate and the second metal plate are arranged in parallel (and advantageously electrically isolated from each other) to form a cavity therebetween. The first electrically conductive pin members extend between the parallel plates (and are optionally connected to either the first metal plate or the second metal plate), each first pin member having a minimum length that depends on the radio frequency signal. The at least one second electrically conductive pin member extends between the first metal plate and the second metal plate (and is optionally connected to one of the metal plates). Each second pin element is surrounded by first pin elements and has a length which is smaller than the minimum length of the first pin elements and is selected so that one or more cavity resonances with resonant frequencies can be excited by the high-frequency signal and the excitable resonance frequency (s) define a code that is readable using the high frequency signal.

Diese Anregung kann mit Schlitze oder Öffnungen oder Kopplungen oder mit anderen Strukturen wie z.B. einem Hohlleiter angeregt werden. Ohne Schlitze oder irgendwelche andere Mechanismen (wie z.B. ein Hohlleiter oder Hornantenne) wären die Resonanzen kaum anregbar. Daher umfasst optional eine der Metallplatten mehrere Öffnungen, um ein Eindringen des Hochfrequenzsignales in den Hohlraum in einer Umgebung der zweiten Stiftelemente zu erleichtern. Optional weisen die zweiten Stiftelemente unterschiedliche Längen auf, so dass die vorbestimmten Resonanzfrequenzen über die Öffnungen aktivierbar sind und der Code durch ein Ausbilden von Öffnungen definiert ist. Beispielsweise gibt es wenigstens ein zweites Stiftelement und eine dazugehörige Resonanzfrequenz, die wegen einer nichtvorhandenen Öffnung in der Umgebung nicht aktivierbar ist, sodass der Code durch die Lage/Anzahl der Öffnungen definiert ist.This excitation may occur with slots or openings or couplings or with other structures such as e.g. a waveguide are excited. Without slots or any other mechanisms (such as a waveguide or horn antenna), the resonances would be hardly excitable. Therefore, optionally, one of the metal plates includes a plurality of openings to facilitate penetration of the high frequency signal into the cavity in an environment of the second pin elements. Optionally, the second pin members have different lengths such that the predetermined resonant frequencies are activatable across the apertures and the code is defined by forming apertures. For example, there is at least one second pin element and associated resonant frequency that is not activatable due to a lack of an opening in the environment, such that the code is defined by the location / number of openings.

Optional bilden die Stiftelemente ein reguläres Muster und alle Stiftelemente sind auf einer der Metallplatten befestigt und die Öffnungen sind auf der anderen Metallplatte ausgebildet.Optionally, the pin elements form a regular pattern and all pin elements are mounted on one of the metal plates and the openings are formed on the other metal plate.

Optional sind zwischen jeweils zwei zweiten Stiftelementen lateral zumindest zwei erste Stiftelemente (oder 3 oder 4 oder mehr) angeordnet. Die Anzahl kann in horizontaler und/oder vertikaler Richtung auch unterschiedlich sein.Optionally, at least two first pin elements (or 3 or 4 or more) are laterally arranged between each two second pin elements. The number may also be different in the horizontal and / or vertical direction.

Optional gilt für einen Abstand R zwischen der ersten Metallplatte und der zweiten Metallplatte und der Mindestlänge L Folgendes: L > R λ / 4,

Figure DE102017122196A1_0001
wobei λ eine Wellenlänge des Hochfrequenzsignales ist.Optional applies to a distance R between the first metal plate and the second metal plate and the minimum length L the following: L > R - λ / 4,
Figure DE102017122196A1_0001
where λ is a wavelength of the high frequency signal.

Insbesondere stellen die ersten Stiftelemente ein Nagelbett dar, welches ohne einen elektrischen Kontakt zwischen Öffnungen (Herstellungslöchern) eine Wellenleiterstruktur definiert. Die Mindestlänge L ist über die Gleichung (1) so definiert, dass eine Wellenausbreitung in lateraler Richtung unterdrückt wird, während lokale Hohlraumresonanzen an den kürzer ausgebildeten zweiten Stiftelementen möglich sind (anregbar sind). Deren Frequenz(en) hängt/en von der Länge des jeweiligen zweiten Stiftelementes ab, so dass über verschiedene Längen eine Kodierung möglich ist, die über eine Anregung durch das Hochfrequenzsignal und entsprechender Öffnungen/Kopplungen ausgelesen werden kann. In particular, the first pin elements constitute a nail bed which defines a waveguide structure without electrical contact between openings (fabrication holes). The minimum length L is defined by the equation (1) so that wave propagation in the lateral direction is suppressed, while local cavity resonances on the shorter second pin elements are possible (excitable). Their frequency (s) depends on the length of the respective second pin element, so that a coding is possible over different lengths, which can be read out via an excitation by the high-frequency signal and corresponding openings / couplings.

Im Vergleich zu konventionellen RFID Tags besteht ein Vorteil von Ausführungsbeispielen darin, das die Nutzung kürzerer Wellenlängen eine präzisere Lokalisierung erlauben.As compared to conventional RFID tags, an advantage of embodiments is that the use of shorter wavelengths allows for more precise localization.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Identifikation von zumindest einem Objekt durch ein dazugehöriges Identifikationselement. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Anregen von zumindest einer Hohlraumresonanzfrequenz durch ein Hochfrequenzsignal;
  • - Detektieren der zumindest einen Hohlraumresonanzfrequenz aus einem rückkehrenden Hochfrequenzsignal; und
  • - Identifizieren des Objektes anhand eines Codes, der durch die anregbaren Hohlraumresonanzfrequenzen definiert ist.
The present invention also relates to a method for identifying at least one object by an associated identification element. The method comprises the steps:
  • - exciting at least one cavity frequency by a high frequency signal;
  • - detecting the at least one cavity resonance frequency from a returning high frequency signal; and
  • - Identifying the object based on a code, which is defined by the excitable cavity resonance frequencies.

Figurenlistelist of figures

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Identifikationselementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das durch einen Lesegerät auslesbar ist.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Teil des Identifikationselementes.
  • 3A, 3B veranschaulichen eine Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der relativen Höhe der zweiten Stiftelemente und der Einstellung der Güte.
  • 4A, 4B zeigen Querschnittsansichten durch zweite Stiftelemente unterschiedlicher Länge und die damit verbundene Änderung der elektrischen/magnetischen Feldstärke.
  • 5A, 5B zeigen Darstellungen der Metallplatten vor dem Zusammenfügen.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf die Stiftelemente und die lokalisierten Resonanzen unterschiedlicher Polarität.
  • 7 zeigt eine mögliche Kodierung von zwei verschiedenen Identifikationselementen und die dazugehörigen Codes.
The embodiments of the present invention will be better understood from the following detailed description and the accompanying drawings of the different embodiments, which should not, however, be construed as limiting the disclosure to the specific embodiments, but for explanation and understanding only.
  • 1 shows a schematic representation of an identification element according to an embodiment of the present invention, which is readable by a reader.
  • 2 shows a cross-sectional view through a part of the identification element.
  • 3A . 3B illustrate a dependence of the resonant frequency on the relative height of the second pin elements and the grade setting.
  • 4A . 4B show cross-sectional views through second pin elements of different lengths and the associated change in the electric / magnetic field strength.
  • 5A . 5B show representations of the metal plates before assembly.
  • 6 shows a plan view of the pin elements and the localized resonances of different polarity.
  • 7 shows a possible coding of two different identification elements and the associated codes.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Identifikationselementes 100, das durch einen Resonator mit einem hohen Gütefaktor (Q-Faktor) gegeben ist und über eine Antenne 180 ein Hochfrequenzsignal S1 von einem Lesegerät 210 empfängt. Das Lesegerät 210 befindet sich beim Lesen beispielsweise in einer Entfernung R und ist ausgebildet, um aus einem zurückkommenden Hochfrequenzsignal S2 das Identifikationselement 100 durch eine Detektion der für das Identifikationselement 100 spezifischen Hohlraumresonanzen zu identifizieren. 1 shows a schematic representation of an identification element 100 , which is given by a resonator with a high quality factor (Q-factor) and an antenna 180 a high frequency signal S1 from a reader 210 receives. The reader 210 For example, when reading, it is at a distance R and is adapted to be from a returning high frequency signal S2 the identification element 100 by a detection of the for the identification element 100 to identify specific cavity resonances.

Die Entfernung R, über die eine zuverlässige Identifikation erfolgen kann, hängt von den Frequenzen der Hohlraumresonanzen, die auch das zu nutzende Hochfrequenzsignal S1 bestimmt, ab. Gemäß Ausführungsbeispiele liegen die Hohlraumresonanzen bei Frequenzen von mehr als 10 GHz, beispielsweise in einem Bereich von 20...50 GHz oder sogar im Terahertzbereich oder Millimeterwellen ab 100 GHz (Wellenlängen von 3 mm oder weniger).The distance R , over which a reliable identification can be made, depends on the frequencies of the cavity resonances, which also includes the high-frequency signal to be used S1 determined, from. According to embodiments, the cavity resonances are at frequencies of more than 10 GHz, for example in a range of 20 ... 50 GHz or even in the terahertz range or millimeter waves from 100 GHz (wavelengths of 3 mm or less).

2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Teil des Resonators 100. Der Resonator 100 umfasst eine erste Metallplatte 110 und eine parallel dazu angeordnete zweite Metallplatte 120 und einen dazwischen gebildeten Hohlraum H. Die Metallplatten 110, 120 müssen nicht (aber könnten) isoliert sein. In dem gezeigten Querschnitt sind entlang der zweiten Metallplatte 120 eine Vielzahl von ersten Stiftelementen 122 angeordnet, die elektrisch leitfähig sind und eine Mindestlänge Lo aufweisen. Die Mindestlänge Lo ist dabei so gewählt, dass zwischen dem jeweiligen Stiftelement 122 und der ersten Platte 110 ein Maximalabstand d gebildet wird, der kleiner ist als ein Viertel der Wellenlänge λ von dem Hochfrequenzsignal S1. Die Periodizität der Stiftelemente 122 ist beispielweise kleiner oder ca. gleich einer halben Wellenlänge λ (z.B. 0,4* λ) und die Breite der Stiftelemente 122 ist beispielsweise ca. ¼ (oder kleiner; z.B. 0,16* λ) der Wellenlänge λ des genutzten Hochfrequenzsignales S1. 2 shows a cross-sectional view through a part of the resonator 100 , The resonator 100 includes a first metal plate 110 and a second metal plate arranged parallel thereto 120 and a cavity formed therebetween H , The metal plates 110 . 120 do not have to be isolated (but could) In the cross section shown are along the second metal plate 120 a plurality of first pin elements 122 arranged, which are electrically conductive and have a minimum length Lo. The minimum length Lo is chosen so that between the respective pin element 122 and the first record 110 a maximum distance d is formed which is smaller than a quarter of the wavelength λ from the high-frequency signal S1 , The periodicity of the pin elements 122 is, for example, less than or approximately equal to half a wavelength λ (eg, 0.4 * λ) and the width of the pin elements 122 is, for example, about ¼ (or smaller, for example, 0.16 * λ) of the wavelength λ of the high-frequency signal used S1 ,

Die erste Metallplatte 110 ist dabei beispielhaft eine perfekt elektrisch leitfähige Platte (PEC; perfect electrical conductor), sodass deren Oberfläche orthogonal zur elektrische Feldstärke ist (die parallelen Komponenten verschwinden). Die Ebene, bis zu der sich die Stiftelemente 122 erstrecken, ist eine gedachte magnetisch leitfähige Ebene (eine sogenannte AMC Fläche; artificial magnetic conductor), da die elektrische Feldstärke E zwischen den Stiftelementen 122 an diese Ebene tangential anliegt (keine Normalkomponente). Durch die Wahl des Maximalabstandes d oder der Mindestlänger Lo wird sichergestellt, dass sich ein elektromagnetisches Wechselfeld nicht in dem Hohlraum H ausbreiten kann. Die erste Metallplatte 110 kann beispielsweise Kupfer aufweisen (oder auch Silber), während die zweite Metallplatte mit den Stiftelementen 122 beispielhaft Aluminium aufweisen kann. Andere Metalle sind ebenfalls möglich.The first metal plate 110 is an example of a perfect electrically conductive plate (PEC), so that its surface is orthogonal to the electric field strength (the parallel components disappear). The level, up to the pin elements 122 is an imaginary magnetic conductive plane (a so-called AMC surface, artificial electric conductor), since the electric field strength E between the pin elements 122 tangent to this plane (no normal component). The choice of the maximum distance d or the minimum length Lo ensures that an alternating electromagnetic field is not present in the cavity H can spread. The first metal plate 110 For example, it may comprise copper (or silver), while the second metal plate may include the pin elements 122 may have aluminum as an example. Other metals are also possible.

Der beschriebene Effekt wird in der US 2015/0194718 A1 genutzt, um einen Wellenleiter für Terahertzfrequenzen zu schaffen, wobei das Wellensignal sich dort in einem Hohlraumbereich entlang einer sich länglich erstreckenden Metallbahn ausbreiten kann, nicht jedoch in das durch die Stiftelemente 122 gebildetes Nagelbett gelangen kann. Die dort beschriebenen Strukturen könnten in weiteren Ausführungsbeispielen genutzt werden, um Resonanzen seitlich vom Hohlraum in diesen Hohlraum mit einem Horn als Wellenleiter einzubringen.The effect described is in the US 2015/0194718 A1 used to provide a waveguide for terahertz frequencies, where the wave signal can propagate there in a cavity area along a longitudinally extending metal track, but not into that through the pin elements 122 formed nail bed can get. The structures described there could be used in further embodiments to introduce resonances laterally from the cavity in this cavity with a horn as a waveguide.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nutzen ein solches Nagelbett, um einen Resonator mit einem großen Gütefaktor Q zu bilden, wobei die Länge der Stiftelemente lokal geändert wird. Solange die Stiftelemente 122 die Mindestlänge Lo aufweisen, ist eine Wellenausbreitung bzw. eine Anregung von Resonanzen an den jeweiligen Positionen der Stiftelemente 122 nicht möglich. Falls jedoch einzelne Stiftelemente kürzer ausgebildet werden, kann an den dortigen Positionen lokal eine Resonanz angeregt werden.Embodiments of the present invention utilize such a bed of nails to form a resonator with a high Q factor Q, the length of the pin elements being changed locally. As long as the pin elements 122 have the minimum length Lo, is a wave propagation or excitation of resonances at the respective positions of the pin elements 122 not possible. However, if individual pin elements are made shorter, a resonance can be locally excited at the local positions.

3A zeigt beispielhaft eine Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fres von der relativen Höhe L1/L0 der verkürzten Stiftelemente 124, wobei der Wert „1“ die Höhe mit der Mindestlänge L0 (L1=L0) entspricht und der Wert „0“ eine verschwindende Länge (L1=0) des entsprechenden Stiftelementes 124 darstellt. Außerdem ist in der 3A der Gütefaktor Q dargestellt, der ebenfalls von der Länge der Stiftelemente abhängt. Es versteht sich, dass die Güte auch davon ab, was für Materialien man benutzt wird (z.B. Aluminium für die zweite Metallplatte inkl. der Stiftelemente und Kupfer für die erste Metallplatte). 3A shows an example of a dependence of the resonance frequency res from the relative height L1 / L0 of the shortened pin elements 124 , where the value "1" is the height with the minimum length L0 (L1 = L0) and the value "0" corresponds to a vanishing length (L1 = 0) of the corresponding pin element 124 represents. Moreover, in the 3A the quality factor Q is shown, which also depends on the length of the pin elements. It goes without saying that the quality also depends on what materials are used (eg aluminum for the second metal plate including the pin elements and copper for the first metal plate).

Ein erster Graph 310 zeigt eine der zwei möglichen Polarisationen, während der zweite Graph 320 die andere Polarisation zeigt. Die Polarisationen entsprechen der Orientierung des magnetischen Feldes H, das um die verkürzten Stiftelementen 124 induziert wird. Unterhalb der Graphen 310, 320 ist schematisch dargestellt, wie die Länge der Stiftelemente 124 von links nach rechts anwächst und gleichzeitig der Gütefaktor Q mit der wachsenden Länge L1 abnimmt. Außerdem zeigt die 3, dass die Resonanzfrequenz fres mit sinkender Stiftlänge L1 ansteigt, so dass bei sehr kurzen Stiftlängen L1 eine sehr hohe Resonanzfrequenz fres erreicht wird und gleichzeitig ein hoher Gütefaktor Q erzielt wird.A first graph 310 shows one of the two possible polarizations, while the second graph 320 the other polarization shows. The polarizations correspond to the orientation of the magnetic field H that around the shortened pin elements 124 is induced. Below the graphs 310 . 320 is shown schematically as the length of the pin elements 124 grows from left to right and at the same time the quality factor Q with the growing length L1 decreases. In addition, the shows 3 that the resonant frequency res with decreasing pen length L1 increases, so with very short pen lengths L1 a very high resonance frequency res is reached and at the same time a high quality factor Q is achieved.

Gemäß Ausführungsbeispielen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Gütefaktor Q sehr hoch ist. Ein hoher Gütefaktor Q führt dazu, dass die Breite der Resonanz klein ist und außerdem die Signalstärke sehr hoch ist. Das führt wiederum dazu, dass sehr viele benachbarte Frequenzen kodiert werden können, ohne dass sie sich gegenseitig behindern und immer noch eindeutig identifizierbar sind. Daher sind gemäß Ausführungsbeispielen die einzelnen Resonatoren sehr schwach mit dem Hohlraum gekoppelt und sollen insbesondere einen möglichst hohen Gütefaktor Q aufweisen. According to embodiments, it is particularly advantageous if the quality factor Q is very high. A high quality factor Q results in that the width of the resonance is small and also the signal strength is very high. This in turn means that many adjacent frequencies can be encoded without obstructing each other and still being uniquely identifiable. Therefore, according to embodiments, the individual resonators are very weakly coupled to the cavity and should in particular have the highest possible quality factor Q.

3B veranschaulicht, wie die Güte auch mit dem Abstand bzw. der Kopplung zwischen dem Hohlraum mit dem zweiten Stiftelement und den Schlitz eingestellt werden kann. Qu enthält die Verluste durch die begrenzte Leitfähigkeit der Materialien (z.B. Kupfer und Aluminium). Qext enthält die Kopplung zwischen dem Hohlraum und dem zweiten Stiftelement und dem Schlitz und ist deswegen stark abhängig von der Lage des Schlitzes. Q1 ist die in der Praxis gemessene Güte und enthält sowohl die Materialverluste als auch die Lage des Schlitzes. Mathematisch betrachtet, gilt Folgendes: 1 Q l = 1 Q e x t + 1 Q u .

Figure DE102017122196A1_0002
3B illustrates how the quality can be adjusted with the distance or the coupling between the cavity with the second pin member and the slot. Q u Contains the losses due to the limited conductivity of the materials (eg copper and aluminum). Q ext contains the coupling between the cavity and the second pin member and the slot and is therefore highly dependent on the position of the slot. Q 1 is the measured quality in practice and includes both the material losses and the position of the slot. Mathematically, the following applies: 1 Q l = 1 Q e x t + 1 Q u ,
Figure DE102017122196A1_0002

4A und 4B zeigen Querschnittsansichten durch Stiftelemente 124 mit geringeren Längen L1, L2 (zweites Stiftelement). In der 4A ist ein sehr kurzes zweites Stiftelement 124 (Länge L2) gezeigt, während in der 4B ein längeres zweites Stiftelement 124 (Länge L1) dargestellt ist (L2<L1). Außerdem sind in der 4A, 4B die elektromagnetischen Felder E und H dargestellt, wobei sich die elektrischen Feldlinien E zwischen den elektrisch leitfähigen Stiftelementen 122, 124 und der ersten Metallplatte 110 erstrecken und die magnetischen Feldlinien H sich senkrecht zu der Zeichenebene erstrecken. Die Orientierung des H-Feldes ergibt sich aus der Richtung der E-Feldes nach dem bekannten Induktionsgesetz und die Orientierung des E-Feldes wird durch das einfallende Hochfrequenzsignal S1 (z.B. dessen Wellenlänge) und der Abstand der Stiftelemente 122,124 bestimmt. In der Praxis kann der Resonator 100 aus einem Metallblock gefräst oder geätzt werden, sodass die Stiftelemente 122,124 z.B. mit der zweiten Metallplatten 120 verbunden sind. 4A and 4B show cross-sectional views through pin elements 124 with shorter lengths L1 . L2 (second pin element). In the 4A is a very short second pin element 124 (Length L2 ) while in the 4B a longer second pin element 124 (Length L1 ) (L2 <L1). Also, in the 4A . 4B the electromagnetic fields E and H shown, wherein the electric field lines E between the electrically conductive pin elements 122 . 124 and the first metal plate 110 extend and the magnetic field lines H extend perpendicular to the plane of the drawing. The orientation of the H-field results from the direction of the E-field according to the known law of induction and the orientation of the E-field is determined by the incident high-frequency signal S1 (Eg its wavelength) and the distance of the pin elements 122 . 124 certainly. In practice, the resonator 100 be milled or etched from a metal block so that the pin elements 122 . 124 eg with the second metal plates 120 are connected.

Aus der 4B ist ersichtlich, dass die Induktivität des längeren Stiftelementes 124 größer ist, so dass dort ein stärkeres Magnetfeld H anregbar ist, während für das kürzere Stiftelement 124 in der 4A nur ein sehr schwaches Magnetfeld anregbar ist. Dies führt dazu, dass die Resonanzfrequenz fres für das kürzere Stiftelement 124 aus der 4A entsprechend höher ist als für das längere Stiftelement 124 aus der 4B. From the 4B It can be seen that the inductance of the longer pin element 124 is bigger, so there is a stronger magnetic field H is excitable while for the shorter pin element 124 in the 4A only a very weak magnetic field is excitable. This causes the resonance frequency res for the shorter pin element 124 from the 4A is correspondingly higher than for the longer pin element 124 from the 4B ,

Somit erlaubt ein zweites Stiftelement 124 durch seine definierte Höhe L1 ein Bit an Information zu kodieren (das Vorhandensein einer bestimmten Resonanzfrequenz fres ). Wenn demgemäß mehrere zweite Stiftelemente 124 in dem Nagelbett mit verschiedenen Höhen L1, L2, ... angeordnet sind, können verschiedene Resonanzfrequenzen fres kodiert werden.Thus, a second pin element allows 124 through its defined height L1 encode a bit of information (the presence of a particular resonant frequency res ). If accordingly several second pin elements 124 in the nail bed with different heights L1 . L2 , ..., can have different resonance frequencies res be encoded.

5A zeigt beispielhaft ein Nagelbet von ersten Stiftelementen 122 auf der zweiten Metallplatte 120, in dem vier zweite Stiftelemente 124 ausgebildet sind. Die zweiten Stiftelemente 124 weisen dabei unterschiedliche Längen L1, L2, ... auf, so dass sie unterschiedliche Resonanzfrequenzen fres entsprechen. Wenn alle vier Stiftelemente 124 mit jeweils einer anderen Länge L1, L2, ... vorhanden sind, können vier Frequenzen f1res , f2res , f3res , f4res als Resonanzfrequenzen fres detektiert werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass einige dieser Stiftelemente 124 eine gleiche Länge L0 aufweisen wie die ersten Stiftelemente 122. In diesem Fall ist die entsprechende Resonanzfrequenz nicht vorhanden (nicht anregbar), so dass sie einem Binärcode von einem Wert 0 entspricht. 5A shows by way of example a nail bed of first pin elements 122 on the second metal plate 120 in which four second pin elements 124 are formed. The second pin elements 124 have different lengths L1 . L2 . , .. on, so they have different resonance frequencies res correspond. If all four pin elements 124 each with a different length L1 . L2 . , .. are present, can have four frequencies f1 res . f2 res . f3 res . f4 res as resonance frequencies res be detected. However, it is also possible that some of these pin elements 124 an equal length L0 have like the first pin elements 122 , In this case, the corresponding resonant frequency is absent (not excitable), giving it a binary code of one value 0 equivalent.

5B zeigt eine Draufsicht auf die erste Metallplatte 110, die elektrisch isoliert auf der zweiten Metallplatte 120 aus der 5A anbringbar ist. Um das Eindringen des Hochfrequenzsignals in den Hohlraum H, der durch das Nagelbett aus der 5A gegeben ist, zu erleichtern, sind in der ersten Metallplatte 110 Öffnungen 115 in der Nähe der zweiten Stiftelemente 124 vorgesehen. In der 5B sind beispielhaft nur zwei Schlitze 115 angedeutet. 5B shows a plan view of the first metal plate 110 electrically insulated on the second metal plate 120 from the 5A attachable. To prevent the penetration of the high-frequency signal into the cavity H which comes out of the nail bed 5A is given to facilitate, are in the first metal plate 110 openings 115 near the second pin elements 124 intended. In the 5B are exemplary only two slots 115 indicated.

6 zeigt schematisch wie die Öffnungen 115 als Schlitze in der Nähe der jeweiligen zweiten Stiftelemente 124 angeordnet werden. Die Kreise um die zweiten Stiftelemente 124 stellen dabei das Magnetfeld H mit den beiden möglichen Polarisationen dar. In Abhängigkeit davon, wie dort die elektrischen Feldlinien verlaufen, kann das Magnetfeld H im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn anregt werden. 6 shows schematically as the openings 115 as slots in the vicinity of the respective second pin elements 124 to be ordered. The circles around the second pin elements 124 make the magnetic field H with the two possible polarizations. Depending on how the electric field lines run there, the magnetic field can H be excited in a clockwise or counterclockwise direction.

Die Öffnungen 115 in der ersten Metallplatte 110 (in der 6 durchsichtig dargestellt) wirken somit als Empfangsantennen 180 (siehe 1) zwischen den Resonatoren und dem freien Raum. Die Position der Öffnungen 115 ist dabei so gewählt, dass der Gesamtgütefaktor der Struktur möglichst hoch ist.The openings 115 in the first metal plate 110 (in the 6 transparent) thus act as receiving antennas 180 (please refer 1 ) between the resonators and the free space. The position of the openings 115 is chosen so that the overall quality factor of the structure is as high as possible.

Damit sich die Hohlraumresonanzen an den zweiten Stiftelementen 124 nicht gegenseitig hemmen, sind zwischen zwei benachbarten zweiten Stiftelementen 124 in dem Ausführungsbeispiel aus der 6 drei erste Stiftelemente 122 angeordnet. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anzahl von ersten Stiftelementen 122, die zwischen den zweiten Stiftelementen 124 angeordnet sind, geändert werden, wobei es jedoch vorteilhaft ist, wenn zumindest zwei erste Stiftelemente 122 zwischen zwei benachbarten zweite Stiftelementen 124 angeordnet sind.So that the cavity resonances on the second pin elements 124 do not inhibit each other, are between two adjacent second pin elements 124 in the embodiment of the 6 three first pin elements 122 arranged. In other embodiments, the number of first pin elements 122 between the second pin elements 124 are arranged, but it is advantageous if at least two first pin elements 122 between two adjacent second pin elements 124 are arranged.

Die 7 zeigt eine mögliche Kodierung von zwei verschiedenen Identifikationselementen: mit einem ersten Code 710 und einem zweiten Code 720. Es sind insgesamt vier Resonanzfrequenzen f1res , f2res , f3res , f4res kodiert. Eine erste Resonanzfrequenz f1res von ungefähr 38,2 GHz, eine zweite Resonanzfrequenz f2res mit einer Frequenz von ungefähr 38,7 GHz, eine dritte Resonanzfrequenz f3res von ungefähr 39 GHz und eine vierte Resonanzfrequenz f4res von ca. 39,45 GHz. In dem Identifikationselement zu dem ersten Code 710 sind alle Resonanzfrequenzen f1res , f2res , f3res , f4res anregbar, während in dem Identifikationselement zu dem zweiten Code 720 nur die zweite bis vierte Resonanzfrequenz f2res , f3res , f4res anregbar sind. Somit stellt der erste Code 710 eine Kodierung von 1111 dar, während der zweite Code eine Kodierung von 0111 darstellt.The 7 shows a possible coding of two different identification elements: with a first code 710 and a second code 720 , There are a total of four resonance frequencies f1 res . f2 res . f3 res . f4 res coded. A first resonance frequency f1 res of about 38.2 GHz, a second resonant frequency f2 res at a frequency of about 38.7 GHz, a third resonant frequency f3 res of about 39 GHz and a fourth resonant frequency f4 res of about 39.45 GHz. In the identification element to the first code 710 are all resonant frequencies f1 res . f2 res . f3 res . f4 res excitable while in the identification element to the second code 720 only the second to fourth resonant frequency f2 res . f3 res . f4 res are excitable. Thus, the first code represents 710 an encoding of 1111, while the second code represents an encoding of 0111.

Es versteht sich, dass die gezeigten vier zweiten Stiftelemente 124 lediglich ein Beispiel darstellen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können im Prinzip beliebig viele zweite Stiftelemente 124 vorhanden sein. Die Anzahl wird lediglich durch die vorhandene Fläche eingeschränkt, da zwischen zwei zweiten Stiftelementen 124 zumindest einige erste Stiftelemente 122 auszubilden sind.It is understood that the four shown second pin elements 124 just an example. In further embodiments, in principle any number of second pin elements 124 to be available. The number is limited only by the existing area, as between two second pin elements 124 at least some first pin elements 122 are to be trained.

Wenn außerdem der Gütefaktor Q hoch genug gewählt ist, sind die entsprechenden Resonanzfrequenzen fres , wie sie in der 7 dargestellt sind, sehr gut lokalisiert, so dass sehr viele dicht beieinanderliegende Frequenzen kodiert werden können. Das Einstellen eines möglichst hohen Gütefaktors kann zur Unterdrückung von ungewollten Reflexionen (sogenannte Clutter) genutzt werden.In addition, when the quality factor Q is set high enough, the corresponding resonance frequencies are res as they are in the 7 are very well localized, so that very many densely spaced frequencies can be encoded. The setting of the highest possible quality factor can be used to suppress unwanted reflections (so-called clutter).

Wesentliche Aspekte von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden. Es werden koaxiale Hohlräume in einem Nagelbett genutzt, um Identifikationselemente 100 auszubilden, wobei die Höhe L1 der zweiten Stiftelemente 124 jeweils die Resonanzfrequenz des Hohlraumes definieren und zum Kodieren von unterschiedlichen RFID Codes in der Frequenzdomain genutzt werden. Der Code kann dabei bestimmt werden durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Hohlraumes und/oder eines Kopplungsmechanismus, wie beispielsweise der Öffnungen (Schlitze) 115 oder anderer Rechteckhohlleiter.Essential aspects of embodiments of the present invention may be summarized as follows. Coaxial cavities in a nail bed are used to identify identification elements 100 form, with the height L1 the second pin elements 124 each defining the resonant frequency of the cavity and used to encode different RFID codes in the frequency domain. The code can thereby determined by the presence or absence of a cavity and / or a coupling mechanism, such as the apertures (slots) 115 or other rectangular waveguide.

Eine weitere Möglichkeit einer Kodierung vorzunehmen ist dadurch gegeben, dass die zweite Metallplatte 120 alle möglichen zweiten Stiftelemente 124 aufweist (d.h. mit allen möglichen verschiedenen Höhen). Ob jedoch ein Hohlraum zugänglich ist oder nicht, wird durch das entsprechende Ausbilden von Schlitzen oder Öffnungen 115 in der ersten Metallplatte 110 definiert. Dieses Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil, dass die zweite Metallplatte 120 mit dem Nagelbett für alle Identifikationselemente gleich ausgebildet werden kann und die Kodierung durch die Nutzung verschiedener erster Metallplatten 110 mit verschiedenen Öffnungen 115 durchgeführt wird.Another way to make a coding is given by the fact that the second metal plate 120 all possible second pin elements 124 (ie with all possible different heights). However, whether a cavity is accessible or not, is by the corresponding formation of slots or openings 115 in the first metal plate 110 Are defined. This embodiment offers the advantage that the second metal plate 120 can be made the same with the nail bed for all identification elements and the coding by the use of different first metal plates 110 with different openings 115 is carried out.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures may be essential for the realization of the invention either individually or in any combination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Identifikationselementidentification element
110,120110.120
Metallplattenmetal plates
122122
erste elektrisch leitfähige Stiftelementefirst electrically conductive pin elements
124124
zumindest ein zweites elektrisch leitfähiges Stiftelementat least one second electrically conductive pin element
HH
Hohlraumcavity
RR
Abstand der MetallplattenDistance of the metal plates
L0L0
Mindestlänge der ersten StiftelementeMinimum length of the first pin elements
L1, L2, ..L1, L2, ..
Längen der zweiten StiftelementeLengths of the second pin elements
fres res
Resonanzfrequenz(en)Resonant frequency (s)
S1S1
HochfrequenzsignalRF signal
S2S2
zurückkehrendes Hochfrequenzsignalreturning high frequency signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2015/0194718 A1 [0019]US 2015/0194718 A1 [0019]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Preradovic, S. und Karnakar, N.C.: „Chipless RFID: Barcode of the Future“; IEEE Microwave Magazine, 11 (7) 87-97 [0003]Preradovic, S. and Karnakar, N.C .: "Chipless RFID: Barcode of the Future"; IEEE Microwave Magazine, 11 (7) 87-97 [0003]

Claims (7)

Identifikationselement (100) zum Identifizieren eines dazugehörigen Objektes basierend auf einem Code, der mittels eines Hochfrequenzsignals (S1) auslesbar ist, mit folgenden Merkmalen: eine erste Metallplatte (110) und eine zweite Metallplatte (120), die parallel zueinander angeordnet sind, um einen Hohlraum (H) dazwischen zu bilden; erste elektrisch leitfähige Stiftelemente (122), die sich zwischen den parallel angeordneten Platten (110,120) erstrecken, wobei jedes erste Stiftelement (122) eine Mindestlänge (L0) aufweist, die vom Hochfrequenzsignal (S1) abhängt; und zumindest ein zweites elektrisch leitfähiges Stiftelement (124), das sich zwischen der ersten Metallplatte (110) und der zweiten Metallplatte (120) erstreckt, wobei jedes zweite Stiftelement (124) umgeben ist von ersten Stiftelementen (122) und eine Länge (L1, L2, ...) aufweist, die kleiner ist als die Mindestlänge (L0) der ersten Stiftelemente (122) und so gewählt ist, dass durch das Hochfrequenzsignal (S1) eine oder mehrere Hohlraumresonanzen mit Resonanzfrequenzen (fres) anregbar sind, die den Code definieren, der unter Nutzung des Hochfrequenzsignales (S1) auslesbar ist.An identification element (100) for identifying an associated object based on a code readable by means of a high-frequency signal (S1), comprising: a first metal plate (110) and a second metal plate (120) arranged parallel to one another about a first metal plate (110) Cavity (H) to form therebetween; first electrically conductive pin members (122) extending between the parallel plates (110, 120), each first pin member (122) having a minimum length (L0) that depends on the high frequency signal (S1); and at least one second electrically conductive pin member (124) extending between the first metal plate (110) and the second metal plate (120), each second pin member (124) surrounded by first pin members (122) and a length (L1, L1). L2, ...), which is smaller than the minimum length (L0) of the first pin elements (122) and is selected such that one or more cavity resonances with resonant frequencies (f res ) can be excited by the high frequency signal (S1) Define code which can be read using the high-frequency signal (S1). Identifikationselement (100) nach Anspruch 1, wobei eine der Metallplatten (110) mehrere Öffnungen (115) aufweist, um ein Eindringen des Hochfrequenzsignales (S1) in den Hohlraum (H) in einer Umgebung der zweiten Stiftelemente (124) zu erleichtern.Identification element (100) according to Claim 1 wherein one of the metal plates (110) has a plurality of openings (115) to facilitate penetration of the high frequency signal (S1) into the cavity (H) in an environment of the second pin elements (124). Identifikationselement (100) nach Anspruch 2, wobei die zweiten Stiftelemente (124) unterschiedliche Längen (L1, L2, ...) aufweisen, so dass die vorbestimmten Resonanzfrequenzen über die Öffnungen (115) aktivierbar sind und der Code durch ein Ausbilden der Öffnungen (115) definiert ist.Identification element (100) according to Claim 2 wherein the second pin members (124) have different lengths (L1, L2, ...) such that the predetermined resonant frequencies are activatable via the apertures (115) and the code is defined by forming the apertures (115). Identifikationselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stiftelemente (122, 124) ein reguläres Muster bilden und alle Stiftelemente (122,124) auf einer der Metallplatten (120) befestigt oder eingefräst oder eingeätzt sind und die Öffnungen (115) auf der anderen Metallplatte (110) ausgebildet sind.An identification member (100) according to any one of the preceding claims, wherein the pin members (122, 124) form a regular pattern and all of the pin members (122, 124) are mounted or milled or etched on one of the metal plates (120) and the openings (115) on the other Metal plate (110) are formed. Identifikationselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen jeweils zwei zweiten Stiftelementen (124) lateral zumindest zwei erste Stiftelemente (122) angeordnet sind.Identification element (100) according to one of the preceding claims, wherein between each two second pin elements (124) laterally at least two first pin elements (122) are arranged. Identifikationselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für einen Abstand (R) zwischen der ersten Metallplatte (110) und der zweiten Metallplatte (120) und der Mindestlänge (L0) Folgendes gilt: Lo > R λ / 4,
Figure DE102017122196A1_0003
wobei λ eine Wellenlänge des Hochfrequenzsignales (S1) ist.
Identification element (100) according to one of the preceding claims, wherein for a distance (R) between the first metal plate (110) and the second metal plate (120) and the minimum length (L0) the following applies: Lo > R - λ / 4,
Figure DE102017122196A1_0003
where λ is a wavelength of the high frequency signal (S1).
Verfahren zur Identifikation von zumindest einem Objekt durch ein dazugehöriges Identifikationselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit: Anregen von zumindest einer Hohlraumresonanzfrequenz (fres) durch ein Hochfrequenzsignal (S1); Detektieren der zumindest einen Hohlraumresonanzfrequenz (fres) aus einem rückkehrenden Hochfrequenzsignal (S2); und Identifizieren des Objektes anhand eines Codes, der durch die anregbaren Hohlraumresonanzfrequenzen (fres) definiert ist.Method for identifying at least one object by an associated identification element (100) according to one of Claims 1 to 6 with: exciting at least one resonant cavity frequency (f res ) by a high frequency signal (S1); Detecting the at least one cavity resonance frequency (f res ) from a returning high frequency signal (S2); and identifying the object based on a code defined by the excitable cavity resonance frequencies (f res ).
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Title
Preradovic, S. und Karnakar, N.C.: „Chipless RFID: Barcode of the Future"; IEEE Microwave Magazine, 11 (7) 87-97

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