DE10353613A1

DE10353613A1 - Vorrichtung zum Einstellen und zur Steuerung einer RFID-Antenne sowie Verfahren zum Einstellen einer RFID-Antenne

Info

Publication number: DE10353613A1
Application number: DE10353613A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wennrich; Ludger Bernard
Original assignee: Feig Electronic GmbH
Current assignee: Feig Electronic GmbH
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Vorrichtung zum Einstellen und zur Steuerung einer RFID-Antenne, bestehend aus mindestens einer Antennenschleife und einer Anpasseinheit, wobei die Anpasseinheit von der Endstufe des RFID-Readers mit einer Wechselspannung versorgt wird und zusammen mit der angeschlossenen Antennenschleife zur Energie- und Datenübertragung mit einem oder mehreren Transpondern dient, wobei die Parameter Betriebsfrequenz und Impedanz die Antennen-Charakteristik bestimmen, wobei DOLLAR A - die Einstellung der Antennen-Charakteristik mit der Anpasseinheit erfolgt, DOLLAR A - sie eine Vorrichtung zum Messen der Antennen-Charakteristik besitzt, DOLLAR A - die Messung der Antennen-Charakteristik im Betrieb mit der jeweiligen Betriebsleistung des RFID-Systems vorgenommen werden kann und DOLLAR A - eine Steuereinheit zur Einstellung der Antennen-Charakteristik integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen und zur Steuerung einer RFID-Antenne sowie ein Verfahren zum Einstellen einer RFID-Antenne. Unter Einstellen einer RFID-Antenne wird insbesondere ein Abgleichen oder Nachgleichen der RFID-Antenne verstanden.
Gemäß dem Stand der Technik bestehen RFID-Systeme (Radio Frequency Identification) aus einer Schreib-/Lesestation (RFID-Reader) und mindestens einer RFID-Antenne, die bei einigen RFID-Systemen vom RFID-Reader abgesetzt ist. Die Verbindung der beiden Komponenten erfolgt mittels einer Leitung, die meist als Koaxialkabel ausgebildet wird. Um eine möglichst gute Datenübertragung zwischen RFID-Reader und RFID-Antenne zu erreichen, müssen beide den gleichen Innenwiderstand haben. Ebenfalls muss der Wellenwiderstand des Kabels gleich dem der Komponenten sein.
Die Einstellung der Impedanz einer abgesetzten RFID-Antenne erfolgt im Allgemeinen über eine Anpassschaltung, die üblicherweise direkt an der Antennenschleife angeordnet ist, und über die ein Abgleichen der RFID-Antenne manuell oder über eine externe Steuerung erfolgt. Neben der Einstellung der Impedanz wird auch die Resonanzfrequenz der RFID-Antenne mit einer solchen Anpassschaltung eingestellt. Gemäß dem Stand der Technik wird zur Einstellung mit einer externen Steuerung das SWR (Standing Wave Ratio) am RFID-Reader gemessen oder die Anpassschaltung der RFID-Antenne an eine Messbrücke gelegt, wobei der Abgleich der RFID-Antenne dann nicht mit der Betriebsleistung am Antennenschwingkreis erfolgt. In beiden Fällen ist eine zusätzliche Schnittstelle zwischen externer Steuerung und RFID-Antenne notwendig.
Die bisher bekannten Anpassschaltungen beziehungsweise Abgleichverfahren zeigen jedoch einige Schwachstellen auf.
Eines der zu lösenden Probleme entsteht dadurch, dass sich durch Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Umgebungstemperatur oder Umgebungsmaterial die Impedanz und/oder die Resonanzfrequenz der RFID-Antenne verstimmen kann, was zu einer Reduzierung der Reichweite führen kann. In diesem Fall muss die RFID-Antenne nachgeglichen werden.
Ein weiteres zu lösendes Problem entsteht, wenn mehrere RFID-Antennen beispielsweise über einen so genannten Power-Splitter an einen Ausgang eines RFID-Reader angeschlossen werden. In diesem Fall kann durch die Messung des SWR am RFID-Reader nicht bestimmt werden, welche der RFID-Antennen verstimmt ist.
Besondere Probleme entstehen auch bei komplexen Antennenkonfigurationen mit mehreren RFID-Antennen, da diese sich gegenseitig verstimmen können. Als Beispiel sei hier eine Antennenkonfiguration mit einem Multiplexer genannt, bei der sich Antennenschleifen überlappen. In diesem Fall ist ein korrektes Abgleichen der aktiven Antenne mit den derzeit bekannten Anpassschaltungen nur sehr schwer möglich, auch wenn keine RF (Radio Frequency) an den jeweils inaktiven RFID-Antennen anliegt.
Ein weiteres Problemfeld beim Abgleichen von RFID-Antennen entsteht bei so genannten Gate-Antennen, bei denen mindestens zwei RFID-Antennen so zueinander angeordnet werden, dass zwischen den RFID-Antennen ein definierter Lesebereich für Transponder entsteht. Je nach Anordnung der RFID-Antennen zueinander kann sich das elektromagnetische Feld zwischen den Antennen abhängig von der Stromrichtung in der jeweiligen Antennenschleife unterschiedlich ausrichten. Bei einer Feldlinienausrichtung, bei der die Antennenströme beider Antennenschleifen gleich sind, werden Transponder in einer Ausrichtung erkannt. Bei einer Feldlinienausrichtung, bei der die Antennenströme beider Antennenschleifen unterschiedlich, das heißt um 180° verschoben sind, werden Transponder in einer anderen Ausrichtung erkannt.
Um sich beide Ausrichtungen zu Nutze machen zu können, müssen die Antennenströme beider Antennenschleifen um 90° verschoben sein. Dies kann durch Verwendung einer speziellen Antennenkonfiguration erreicht werden, bei der eine RFID-Antenne (B-Antenne) nicht vom RFID-Reader, sondern von der anderen RFID-Antenne (A-Antenne) über das elektromagnetische Feld gemäß eines Transformators mit Energie versorgt wird. Dazu ist eine spezielle Anpassschaltung und ein spezielles Abgleichverfahren zum Einstellen der B-Antenne erforderlich.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem liegt darin, eine Vorrichtung zum Einstellen und zur Steuerung einer RFID-Antenne anzugeben, die die genannten Nachteile nicht aufweist. Darüber hinaus soll die Vorrichtung in der Lage sein, mit dem angeschlossenen RFID-Reader über die bereits vorhandene Leitungsverbindung zwischen RFID-Antenne und RFID-Reader kommunizieren zu können. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Einstellen einer RFID-Antenne angegeben werden.

Dieses technische Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14 oder 15 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einstellen und zur Steuerung einer RFID-Antenne besteht aus mindestens einer Antennenschleife und einer Anpasseinheit, wobei die Anpasseinheit von der Endstufe des RFID-Readers mit einer Wechselspannung versorgt wird und zusammen mit der angeschlossenen Antennenschleife zur Energie- und Datenübertragung mit einem oder mehreren Transpondern dient, wobei die Parameter Betriebsfrequenz und Impedanz die Antennencharakteristik bestimmen. Erfindungsgemäß erfolgt die Einstellung der Antennencharakteristik mit der Anpasseinheit. Die An passeinheit weist eine Vorrichtung zum Messen der Antennencharakteristik auf, wobei die Messung der Antennencharakteristik im Betrieb mit der jeweiligen Betriebsleistung des RFID-Systems vorgenommen werden kann. Darüber hinaus ist eine Steuereinheit zur Einstellung der Antennencharakteristik integriert.

Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Messvorrichtung zum Messen der Antennencharakteristik auf, die hierz den Strom (I) und die Spannung (U), die Phasenverschiebung (φ) zwischen dem Strom (I) und der Spannung (U), die aufgenommene Leistung (P) und/oder das Stehwellenverhältnis (SWR) misst.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, einen Schalter in die Antennenschleife zu integrieren, um diese auftrennen zu können. Eine so auf getrennte Antennenschleife kann eine andere in der Nähe befindliche RFID-Antenne nicht verstimmen.

Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Anpasseinheit so aufgebaut werden, dass die Spannungsversorgung aller ihrer Komponenten über die ohnehin bestehende Kabelverbindung zwischen RFID-Reader und RFID-Antenne erfolgt und keine zusätzliche Verbindung notwendig ist.

Weiterhin kann eine Ausführungsform so gestaltet sein, dass über Umschalter an den Antennenanschlüssen die Stromrichtung in der Antennenschleife umgeschaltet werden kann. Damit ist es möglich, beispielsweise bei einer Antennenkonfiguration mit zwei RFID-Antennen durch Umschalten der Stromrichtung in der einen Antennenschleife die Ausrichtung der Feldlinien zu variieren. Dazu ist gemäß der Erfindung keine spezielle Anpasseinheit und kein spezielles Anpassverfahren notwendig. Neben der einfacheren Handhabung werden zudem Kosten eingespart. Die Umschalter sind vorteilhafterweise so ausgeführt, dass auch ein Auftrennen des Antennenkreises möglich und dafür kein zusätzlicher Schalter erforderlich ist.

Darüber hinaus sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass die Anpasseinheit mit einem RFID-Reader über die bereits vorhandene Leitungsverbindung kommunizieren kann. Dadurch kann die Anpasseinheit vom RFID-Reader gesteuert werden. Dabei ist es für die Steuerung der Anpasseinheit nicht zwingend erforderlich, dass diese ihrerseits Protokolle an den RFID-Reader senden kann.

Vorteilhaft erfolgt die Steuerung der erfindungsgemäßen Anpasseinheit durch den RFID-Reader, weil dadurch die Kommunikation zwischen RFID-Reader und Transponder nicht gestört oder unterbrochen wird, da der RFID-Reader den Zeitpunkt zum Aktivieren der Anpasseinheit bestimmt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Anpassschaltung eine Vorrichtung, mit der die angeschlossene Antennenschleife abgetrennt werden kann und ersatzweise auf ein Anpassglied mit einer festen Impedanz geschaltet werden kann. Dies kann beispielsweise dann notwendig sein, wenn die Antenne so schlecht abgeglichen ist, dass eine Kommunikation zwischen erfindungsgemäßer Anpasseinheit und RFID-Reader unmöglich ist und somit keine Steuersignale vom RFID-Reader empfangen werden können. Dabei entspricht diese zuschaltbare Impedanz vorteilhafterweise dem Wellenwiderstand des RFID-Systems.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Anpasseinheit Messwerte und/oder Antennenparameter an den RFID-Reader senden, damit der RFID-Reader beispielsweise entscheiden kann, ob und wann eine Einstellung der Antenne durchgeführt werden soll.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Spannungsversorgung der Anpasseinheit über die zwischen dem RFID-Reader und der Anpasseinheit angeordneten Leitungsverbindung führbar, wodurch keine zusätzliche Verbindung zur erfindungsgemäßen Vorrichtung notwendig ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung als eine die Spannungsversorgung aus der über die Leitungsverbindung zugeführte Wechselspannung erhaltene Vorrichtung ausgebildet, was den Anschluss der erfindungsgemäßen Vorrichtung an bereits bestehende RFID-Reader ermöglicht.

Der Einsatz der verschiedenen Ausführungsbeispiele ermöglicht verschiedene Verfahren zur Steuerung der Anpasseinheit beziehungsweise Einstellen der RFID-Antenne:
In einem ersten Verfahren kann die Steuerung der Anpasseinheit unabhängig vom RFID-Reader durchgeführt werden. Die Steuerung erfolgt bei diesem Verfahren direkt von der Steuereinheit, die sich auf der Anpasseinheit befindet.

In einem zweiten Verfahren kann die Steuerung der Anpasseinheit ausschließlich vom RFID-Reader durchgeführt werden. Der RFID-Reader erhält von der Anpasseinheit Messwerte, die Aufschluss über den Anpasszustand der RFID-An tenne geben. Darauf kann der RFID-Reader Befehle zum Einstellen, Auftrennen, Umschalten oder anderen möglichen Funktionen der RFID-Antenne an die Anpasseinheit senden.

Ein weiteres Verfahren sieht vor, dass der RFID-Reader den Zeitpunkt zum Durchführen der Funktionen festlegt. Der RFID-Reader sendet beispielsweise einen Befehl zum Einstellen der RFID-Antenne an die Anpasseinheit. Die Anpasseinheit misst die relevanten Antennen-Parameter und führt die notwendigen Einstellungen an der RFID-Antenne durch.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anpasseinheit zum Abgleichen, Nachgleichen und zur Steuerung einer RFID-Antenne beispielhaft dargestellt sind. Die Zeichnungen zeigen:

1 ein Blockschaltbild der Komponenten eines RFID-Systems;

2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer RFID-Antenne aus der Anpasseinheit und Antennenschleife;

3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Messeinheit;

4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer RFID-Antenne aus Anpasseinheit und ab- und umschaltbarer Antennenschleife;

5 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer RFID-Antenne mit zuschaltbarem Anpassglied.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines RFID-Systems bestehend aus einem RFID-Reader (3), einer Antennenschleife (2) mit Anpasseinheit (1) und einer Leitungsverbindung (4), wobei die Leitungsverbindung (4) beispielsweise als Kabelverbindung mit Koaxialkabel ausgebildet sein kann.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Anpasseinheit (1) mit angeschlossener Antennenschleife (2). Mit der Messvorrichtung (5) werden Messwerte zur Ermittlung des Anpasszustandes der RFID-Antenne aufgenommen und zur Verarbeitung an die Steuereinheit (8) weitergegeben. Die Messvorrichtung (5) ist dabei so gestaltet, dass die vom RFID-Reader abgesandten elektrischen Signale durch die Messvorrichtung nicht oder nur unwesentlich verändert und/oder beeinflusst werden.

Die Signale zur Einstellung der Impedanz und der Resonanzfrequenz der RFID-Antenne werden von einer Steuereinheit (8) auf eine Anpassschaltung (9) gegeben. Die Anpassschaltung (9) ist mit der Antennenschleife (2) über Kontakte (10, 11) verbunden.

Über eine Empfangseinrichtung (6) werden die Steuersignale vom RFID-Reader (3) aufbereitet und an die Steuereinheit (8) geführt.

Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anpasseinheit, die auch eine Datenübertragung zum RFID-Reader er möglicht, werden die Daten, die von der Steuereinheit (8) über die Sendeeinrichtung (7) moduliert werden, über die Leitungsverbindung (4) zum RFID-Reader übertragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel mit Empfangseinrichtung (6) und Sendeeinrichtung (7) ist demnach keine zusätzliche Verbindung zwischen RFID-Reader und Anpasseinheit notwendig.

In 3 ist beispielhaft ein Blockschaltbild einer Ausführung der Messvorrichtung (5) dargestellt. Sie ist direkt mit der Leitungsverbindung verbunden und misst über die Strommessschaltung (14) den Strom (I) und über die Spannungsmessschaltung (15) die Spannung (U). Den Phasenverschiebungswinkel (φ) zwischen der Spannung (U) und dem Strom (I) ermittelt die Phasenmessschaltung (16). Die Messwerte von Strom (I), Spannung (U) und Phasenverschiebungswinkel (φ) werden zum Auswerten gemäß 2 an die Steuereinheit (8) geführt.

Die Messvorrichtung (5) kann auch so ausgeführt werden, dass sie nur die Messwerte Spannung (U) und Strom (I) an die Steuereinheit (8) weitergibt und die Bestimmung der Werte Phasenverschiebungswinkel (φ) oder der Leistung (P) oder des Stehwellenverhältnises (SWR) in der Steuereinheit (8) erfolgt.

4 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anpasseinheit (1), bei der die Antennenschleife (2) über die Kontakte (10, 11) mit je einem Umschalter (12, 13) verbunden ist. Mit den Umschaltern (12, 13), die mit der Anpassschaltung (9) verbunden sind, kann sowohl die Antennenschleife (2) von der Anpassschaltung (9) getrennt, als auch die Stromrichtung in der Antennenschleife (2) gedreht werden.

Der restliche Aufbau des Ausführungsbeispiels entspricht dem aus 2.

5 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anpasseinheit (1), bei der zusätzlich zu der Anpassschaltung (9) mit der Antennenschleife (2) ein Anpassglied (18) über den Umschalter (17) zugeschaltet werden kann. Das Anpassglied (18) hat dabei eine feste Impedanz, die der des Wellenwiderstandes des Systems entspricht.

Der restliche Aufbau des Ausführungsbeispiels entspricht dem aus 2.

1: Anpasseinheit
2: Antennenschleife
3: RFID-Reader
4: Leitungsverbindung
5: Messvorrichtung
6: Empfangseinrichtung
7: Sendeeinrichtung
8: Steuereinheit
9: Anpassschaltung
10: Kontakt zwischen Anpasseinheit und Antenne
11: Kontakt zwischen Anpasseinheit und Antenne
12: Umschalter
13: Umschalter
14: Strommessschaltung
15: Spannungsmessschaltung
16: Phasenmessschaltung
17: Umschalter Anpassglied
18: Anpassglied
I: Strom
U: Spannung
φ: Phasenverschiebungswinkel
P: Leistung

Claims

Vorrichtung zum Einstellen und zur Steuerung einer RFID-Antenne, bestehend aus mindestens einer Antennenschleife und einer Anpasseinheit, wobei die Anpasseinheit von der Endstufe des RFID-Readers mit einer Wechselspannung versorgt wird und zusammen mit der angeschlossenen Antennenschleife zur Energie- und Datenübertragung mit einem oder mehreren Transpondern dient, wobei die Parameter Betriebsfrequenz und Impedanz die Antennen-Charakteristik bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anpasseinheit (1) als eine die Einstellung der Antennen-Charakteristik durchführende Anpasseinheit (1) ausgebildet ist, – die Anpasseinheit (1) eine Vorrichtung (5) zum Messen der Antennen-Charakteristik aufweist, – die Messung der Antennen-Charakteristik im Betrieb mit der jeweiligen Betriebsleistung des RFID-Systems durchführbar ist, und – eine Steuereinheit (8) zur Einstellung der Antennen-Charakteristik integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Strom (I) und die Spannung (U) messende Messvorrichtung (5) zum Messen der Antennen-Charakteristik vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Phasenverschiebung (φ) zwischen dem Strom (I) und der Spannung (u) messende Messvorrichtung (5) zum Messen der Antennen-Charakteristik vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine die aufgenommene Leistung messende Messvorrichtung (5) zum Messen der Antennen-Charakteristik vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Stehwellenverhältnis (SWR) messende Messvorrichtung (5) zum Messen der Antennen-Charakteristik vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) als eine die Phasenverschiebung (φ) oder die aufgenommene Leistung (P) oder das Stehwellenverhältnis (SWR) bestimmende Steuereinheit (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenschleife (2) auftrennbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zwischen der Antennenschleife (2) und der Anpassschaltung (8) derart umschaltbar ist, dass die Stromrichtung in der Antennenschleife variierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein moduliertes Signal auf einer zwischen RFID-Reader (3) und Anpasseinheit (1) angeordneten Leitungsverbindung (4) demodulierende Empfangseinrichtung (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein Signal auf die Wechselspannung der Leitungsverbindung (4) modulierende Sendeeinrichtung (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Umschalter (17) ein Anpassglied (18) anstelle der angeschlossenen Antennenschleife zuschaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsversorgung der Anpasseinheit (1) über die zwischen RFID-Reader (3) und Anpasseinheit (1) angeordnete Leitungsverbindung (4) führbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als eine die Spannungsversorgung aus der über die Leitungsverbindung (4) zugeführte Wechselspannung erhaltende Vorrichtung ausgebildet ist.
Verfahren zum Einstellen einer RFID-Antenne mit einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Anpasseinheit (1) vollständig von der Steuereinheit (8) durchgeführt wird.
Verfahren zum Einstellen einer RFID-Antenne mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Anpasseinheit (1) vollständig vom RFID-Reader (3) und/oder wenigstens einem anderen externen Steuergerät durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Reader (3) und/oder das wenigstens eine andere externe Steuergerät Befehle an die Anpasseinheit (1) senden, wodurch Einstellverfahren eingeleitet und von der Steuereinheit (8) der Anpasseinheit (1) durchgeführt werden.