DE102017122196B4 - Identification element and a method for identifying associated objects - Google Patents
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Abstract
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; undzumindest 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.Identification element (100) for identifying an associated object based on a code that can be read out by means of a high-frequency signal (S1), with the following features: a first metal plate (110) and a second metal plate (120), which are arranged parallel to one another to form a to form a cavity (H) therebetween;first electrically conductive pin elements (122) extending between the parallel arranged plates (110,120), each first pin element (122) having a minimum length (L0) which depends on the radio frequency signal (S1); and at least a second electrically conductive pin member (124) extending between the first metal plate (110) and the second metal plate (120), each second pin member (124) being surrounded by first pin members (122) and having a length (L1, L2 , ...) which is smaller than the minimum length (L0) of the first pin elements (122) and is selected so that one or more cavity resonances with resonance frequencies (fres) can be excited by the high-frequency signal (S1), which define the code , which can be read 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 using a radio frequency signal, to a method for identifying associated objects, and in particular to a chipless RFID tag based on frequency tuning of coaxial cavities on a bed of nails.
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 that is excited by an alternating electromagnetic field to transmit information in response, with the energy required for this being obtained from the alternating electromagnetic 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. Außerdem offenbart
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 RFID tags that do not have a chip, are simple in design, easy to manufacture, and operate particularly at 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
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 that can be read using a high-frequency signal. The identification element includes: 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 parallel to each other (and advantageously electrically isolated from each other) to form a cavity therebetween. The first electrically conductive pin elements extend between the parallel plates (and are optionally connected to either the first metal plate or the second metal plate), with each first pin element having a minimum length that depends on the radio frequency signal. The at least one second electrically conductive pin element 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 that is smaller than the minimum length of the first pin elements and is selected such that one or more cavity resonances with resonance frequencies can be excited by the high-frequency signal and the excitable resonance frequency(s) define a code that can be read 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. This excitation can be excited with slots or openings or couplings or with other structures such as a waveguide. Without slots or any other mechanisms (such as a waveguide or horn antenna) the resonances would hardly be excitable. Therefore, one of the metal plates optionally includes a plurality of openings to facilitate penetration of the high-frequency signal into the cavity in a vicinity of the second pin elements.
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.Optionally, the second pin elements have different lengths, so that the predetermined resonance frequencies can be activated via the openings and the code is defined by forming openings. For example, there is at least a second pin element and an associated resonance frequency that cannot be activated due to a non-existent opening in the environment, so 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 the pin elements are fixed 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 arranged laterally between each two second pin elements. The number can 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:
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 represent a bed of nails which defines a waveguide structure without electrical contact between openings (manufacturing holes). The minimum length L is defined by equation (1) so that wave propagation in the lateral direction is suppressed, while local cavity resonances are possible (can be excited) on the shorter second pin elements. Their frequency(s) depends on the length of the respective second pin element, so that coding is possible over different lengths, which can be read out via 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.Compared to conventional RFID tags, an advantage of exemplary embodiments is that the use of shorter wavelengths allows 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.
- - Exciting at least one cavity resonance frequency by a high-frequency signal;
- - Detecting the at least one cavity resonance frequency from a returning high-frequency signal; and
- - Identifying the object using a code defined by the excitable cavity resonance frequencies.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
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.
-
1 shows a schematic representation of an identification element according to an exemplary embodiment of the present invention, which can be read by a reading device. -
2 shows a cross-sectional view through part of the identification element. -
3A ,3B illustrate a dependence of the resonance frequency on the relative height of the second pin elements and the quality setting. -
4A ,4B show cross-sectional views through second pin elements of different lengths and the associated change in electric/magnetic field strength. -
5A ,5B show representations of the metal plates before assembly. -
6 shows a top 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
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 reliable identification can take place, depends on the frequencies of the cavity resonances, which also determine the high-frequency signal S1 to be used. According to exemplary 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).
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 L0 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
Der beschriebene Effekt wird in der
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 L0 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 large quality factor Q, where the length of the pin elements is locally changed. As long as the
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
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 exemplary embodiments, it is particularly advantageous if the quality factor Q is very high. A high quality factor Q means that the width of the resonance is small and the signal strength is also very high. This in turn means that a large number of neighboring frequencies can be encoded without them interfering with each other and still being clearly identifiable. Therefore, according to exemplary embodiments, the individual resonators are very weakly coupled to the cavity and should in particular have the highest possible quality factor Q.
Aus der
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
Die Öffnungen 115 in der ersten Metallplatte 110 (in der
Damit sich die Hohlraumresonanzen an den zweiten Stiftelementen 124 nicht gegenseitig hemmen, sind zwischen zwei benachbarten zweiten Stiftelementen 124 in dem Ausführungsbeispiel aus der
Die
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
Wenn außerdem der Gütefaktor Q hoch genug gewählt ist, sind die entsprechenden Resonanzfrequenzen fres, wie sie in der
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 can be summarized as follows. Coaxial cavities in a bed of nails are used to form
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 possibility for coding is that the
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 can be essential for the implementation of the invention both individually and in any combination.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 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 MetallplattenSpacing of 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
- fresfres
- Resonanzfrequenz(en)Resonance frequency(s)
- S1S1
- HochfrequenzsignalHigh frequency signal
- S2S2
- zurückkehrendes Hochfrequenzsignalreturning high frequency signal
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Legal Events
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R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |