DE202006017474U1

DE202006017474U1 - Lesegerät in Verbindung mit wenigstens einer Antenne für ein RFID-System und Antennenmodul in dem RFID-System

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Publication number: DE202006017474U1
Application number: DE202006017474U
Authority: DE
Original assignee: Wilhelm Sihn jr GmbH and Co KG
Current assignee: Wilhelm Sihn jr GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-11-12
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2016-11-13

Abstract

Lesegerät für ein RFID-System in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen für das Senden und Empfangen von HF-Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antenne wenigstens zwei lineare Polarisationsrichtungen aufweist und dass eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, durch welche zwischen den Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen der wenigstens einen Antenne umgeschaltet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lesegerät in Verbindung mit einer Antenne für ein RFID-System mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie ein Antennenmodul zur Verwendung in dem RFID-System.
RFID (radio frequency identification) dient der kontaktlosen Identifizierung von Objekten. Ein RFID-System besteht aus einem Lesegerät (Reader), einem oder mehreren Antennenmodulen und aus einem vom Lesegerät lesbaren Datenträger, welcher als Transponder ausgebildet ist. Ein typischer RFID-Transponder hat eine Koppelantenne, einen analogen Schaltkreis zum Empfangen und Senden von Hochfrequenzsignalen, einen digitalen Schaltkreis und einen Speicher, wobei sich der analoge Schaltkreis, der digitale Schaltkreis und der Speicher auf einem elektronischen Mikrochip befinden.
Angeregt durch das Lesegerät erzeugt eine Antenne ein elektromagnetisches Feld, welches die Koppelantenne des Transponders empfängt. Dabei entsteht in der Koppelantenne ein Induktionsstrom, welcher den Mikrochip des Transponders aktiviert. Bei einem passiven Transponder wird durch den induzierten Strom ein Kondensator aufgeladen, welcher den Mikrochip mit Strom versorgt. Bei einem aktiven Transponder wird der Mikrochip durch den in der Koppelantenne induzierten Strom aktiviert und danach durch eine eingebaute Batterie mit Strom versorgt.
Die Reichweite eines RFID-Systems hängt davon ab, mit welcher Frequenz es betrieben wird. Je nach Anwendung und Anbieter werden RFID-Systeme auf Frequenzen zwischen 125 KHz und 5,8 GHz betrieben. Die Reichweite steigt mit der Frequenz. Im Bereich sehr hoher Frequenzen von mehr als 100 MHz bis in den Gigahertzbereich werden mit passiven Transpondern Reichweiten von einigen Metern bis zu einigen 10 Metern und bei Verwendung von aktiven Transpondern auch noch mehr erreicht. Solche Systeme mit hoher Reichweite werden als Long-Range RFID-Systeme bezeichnet. Vor allem damit befasst sich die vorliegende Erfindung.
Das Lesegerät eines Long-Range RFID-Systems beinhaltet ein Hochfrequenzmodul, mit welchem sowohl Hochfrequenzsignale gesendet als auch am Transponder reflektierte Signale empfangen werden. Der Energieaustausch bzw. Signalaustausch zwischen dem Transponder und dem Lesegerät geschieht über die Koppelantenne des Transponders und über eine an das Lesegerät angeschlossene Sende/Empfangsantenne.
Ein im Mikrochip des Transponders gespeicherter Code steuert den Energieaustausch zwischen der Koppelantenne und dem Mikrochip des Transponders durch Lastmodulation. Das bedeutet, dass die Impedanz des Mikrochips zwischen zwei elektrischen Zuständen wechselt, wobei im einen Zustand der Energieaustausch zwischen der Koppelantenne und dem Mikrochip maximiert wird – dann wird im Transponder möglichst viel Energie aus dem Feld der Antenne des Lesegerätes absorbiert –, wohingegen im anderen Zustand der Energieaustausch zwischen der Koppelantenne und dem Mikrochip des Transponders minimiert wird – dann wird vom Transponder möglichst wenig Energie aus dem Feld der Antenne des Lesegerätes aufgenommen, stattdessen wird die auf den Transponder auftreffende Strahlung an ihm reflektiert. Das vom Transponder reflektierte Signal wird vom Lesegerät empfangen und ausgewertet.
Die Übertragung der im Mikrochip des Transponders digital gespeicherten Information erfolgt durch Modulation des reflektierten Signals, die dadurch zustande kommt, dass der in dem Mikrochip gespeicherte Code die Impedanz des Mikrochips nach einem durch den gespeicherten Code bestimmten Taktschema zwischen den Zuständen Absorption und Reflektion wechseln lässt. Das Lesegerät liest die Information anhand des mit dem reflektierten Signal übermittelten Taktschemas.
RFID-Systeme sind in der Produktion zur Steuerung und Überwachung von Produktionsprozessen, in der Logistik zur Steuerung und Überwachung von Warenströmen und in der Lagerhaltung zur Kontrolle des Warenbestandes und seiner Veränderung verbreitet. Bei der Identifikation von Waren, die nicht vereinzelt, sondern im Pulk, z. B. auf Paletten angeliefert werden, ist es schwierig, alle Gegenstände zu erfassen. Versuche haben ergeben, dass die Erfassungsquote bei der Identifikation von Waren auf Paletten sehr stark schwankt. Unter sehr ungünstigen Umständen kann es sogar geschehen, dass überhaupt keine Erfassung möglich ist. Eine geringere Erfassungsquote mag hinnehmbar sein, wenn es nur darum geht, die Art einer Ware auf einer Palette zu bestimmen, nicht aber ihre Menge. Grundsätzlich besteht jedoch das Ziel, Gegenstände, die im Pulk angeliefert werden, vollständig zu erfassen. Dabei hat man es mit folgenden Schwierigkeiten zu tun:
Die Energieübertragung zwischen dem Lesegerät und dem Transponder folgt den Gesetzen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Die Abstrahlung sowie der Empfang findet über Antennen statt. Die vom Lesegerät zu empfangende Information steckt in dem am Transponder reflektierten Signal.
Das am Transponder reflektierte Signal ist wegen der getakteten Lastmodulation amplitudenmoduliert. Die Modulationsfrequenz beträgt typisch 200 KHz. Durch die Lastmodulation entstehen spektrale Signalanteile, die sich in den Seitenbändern neben dem Frequenzband des Sendesignals des Lesegerätes ausbilden. In dem Seitenband steckt die Information, welche das Lesegerät empfangen und lesen soll. Naturgemäß ist die Leis tung, die im Seitenband übertragen wird, deutlich kleiner als die des ursprünglichen unmodulierten Sendesignals.
Aufgrund der Ausbreitungsbedingungen nimmt die Signalstärke im Nahbereich einer Antenne mit zunehmender Entfernung sehr stark ab. Das trifft für das vom Lesegerät gesendete Signal ebenso zu wie für das vom Transponder reflektierte Signal. Das infolge von Reflektion am Transponder zum Lesegerät zurückkehrende Signal hat die doppelte Wegstrecke zwischen Lesegerät und Transponder zurückgelegt. Das Lesegerät empfängt deshalb mit dem vom Transponder zurückkommenden Signal nur einen kleinen Teil der ursprünglich gesendeten Energie. Das bezeichnet man als Felddämpfung.
Die Koppelantenne auf einem Transponder kann im Verhältnis zur Wellenlänge des zu übertragenden Nutzsignals nur sehr klein sein. Dementsprechend ist ihre Wirkfläche ebenfalls klein und schon deshalb ist der Teil der Energie, den die Koppelantenne dem Feld der Sende-/Empfangsantenne entnehmen und reflektieren kann, gering. Das bezeichnet man als die Reflektionsdämpfung.
Da der Gegenstand, an dem ein Transponder angebracht ist, eine beliebige Orientierung haben kann, kann auch der Transponder eine beliebige Orientierung zu der Sende-/Empfangsantenne des Lesegerätes haben. Der Energieaustausch zwischen den am Lesegerät angeschlossenen Antennen und der Koppelantenne des Transponders ist jedoch nur dann maximal, wenn diese in ihrer Polarisation, d. h. in der Schwingungsebene des elektrischen Feldes, übereinstimmen. Ist das nicht der Fall, kommt es zu einer Signalabschwächung, die als Polarisationsdämpfung bezeichnet wird. Im ungünstigsten Falle kann es zu einer vollständigen Entkopplung zwischen den Antennen des Lesegerätes und des Transponders kommen. Um das zu vermeiden, sind die Sende-/Empfangsantennen an RFID-Lesegeräten üblicherweise zirkular polarisiert. Bei zirkular-polarisierten Antennen werden gleichzeitig zwei senkrecht zueinander stehende Schwingungsmoden angeregt, die miteinander verkoppelt sind. Die Leistung teilt sich im Sendebetrieb oder Empfangsbetrieb also auf diese beiden Schwingungsebenen auf. Demgegenüber ist die Koppelantenne des Transponders üblicherweise linear polarisiert.
Die am RFID-Lesegerät angeschlossene zirkular polarisierte Antenne empfängt unabhängig von der axialen Ausrichtung des Transponders immer vertikale oder horizontale Anteile des reflektierten Signals. Eine vollständige Polarisationsentkopplung zwischen den Antennen wird dadurch vermieden. Da die Transponderantenne jedoch linear polarisiert ist und nur eine Polarisationsebene ausnutzt, kann sowohl auf dem Weg vom Lesegerät zum Transponder als auch auf dem Weg zurück zum Lesegerät jeweils nur höchstens die Hälfte des ursprünglichen – zirkularen – Signals übertragen werden. Somit verliert das vom Lesegerät ursprünglich ausgesandte Signal grundsätzlich jeweils mindestens den halben Energieanteil (–3 dB), so dass die Polarisationsdämpfung für den Hinweg und den Rückweg grundsätzlich mindestens –6 dB beträgt.
Hinzu kommt eine Schwächung des vom Lesegerät wieder empfangenen Signals dadurch, dass sich der Transponder nicht in der Richtung des Maximums des Strahlungsdiagramms befindet. Um dem zu begegnen, ist es bekannt, ein Lesegerät in Verbindung mit mehreren Antennen zu verwenden, die z. B. übereinander angeordnet sind, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sich eine der Antennen in einer Höhe befindet, in welcher der Transponder am Lesegerät vorbeibewegt wird. Das Lesegerät ist häufig ortsfest angeordnet. Es ist bekannt, die übereinander angeordneten Antennen nacheinander mit dem HF-Sende- und Empfangmodul des Lesegerätes zu verbinden, so dass nacheinander jede der Antennen die Chance hat, auf den Transponder anzusprechen. Die Nachteile der Felddämpfung, der Reflektionsdämpfung und der Polarisationsdämpfung wirken sich aber auch in diesem Fall aus.
Je nach dem, wie die Umgebung des RFID-Lesegerätes beschaffen ist, kommt es zwischen dem Lesegerät und dem Transponder nicht nur zu einer direkten Übertragung, sondern auch zu Übertragungswegen, auf denen ungewollte Reflektionen an Hindernissen auftreten, die sich in der Umgebung befinden. Die ungewollten Reflektionen überlagern sich dem direkt übertragenen Nutzsignal und können dieses überdecken oder abschwächen. Störungen durch solche Überlagerungen werden als Interferenzstörungen bezeichnet.
Wenn die Erfassungsquote eines RFID-Systems unzureichend ist, führt eine Erhöhung der Sendeleistung des Lesegerätes meist nicht zum Erfolg, weil der Anteil der gewünschten Reflektionen und ein Übersprechen zwischen benachbart angeordneten Er fassungssystemen, z. B. an Kassen von Einkaufsmärkten oder an Gates, dann ebenfalls zunehmen. RFID-Systeme arbeiten deshalb im Allgemeinen an ihrer Empfindlichkeitsgrenze.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie unter den geschilderten Widrigkeiten beim Einsatz von RFID-Systemen deren Erfassungsquote gesteigert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Lesegerät in Verbindung mit wenigstens einer Antenne mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Eine auf demselben Erfindungsgedanken beruhende zweite Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 2 angegeben. Ferner wird die Aufgabe durch ein Antennenmodul gemäß den Ansprüchen 17 und 18 gelöst, welches zur Verwendung in dem RFID-System dient. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach der ersten Lösung der Aufgabe steht das Lesegerät mit einer oder mehreren Antennen für das Senden und Empfangen der HF-Signale in Verbindung, wobei wenigstens eine Antenne wenigstens zwei lineare Polarisationsrichtungen oder Polarisationsebenen aufweist, zwischen welchen umgeschaltet werden kann.
Bei der zweiten Lösung der Aufgabe steht das Lesegerät nicht mit einer Antenne mit zwei oder mehr als zwei linearen Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen in Verbindung, sondern mit zwei oder mehr als zwei linear polarisierten Antennen, die sich in ihrer Polarisationsrichtung bzw. -ebene unterscheiden und aufeinander folgend einzeln an das Lesegerät anschließbar sind, vorzugsweise an ein im Lesegerät vorhandenes HF-Modul.
In beiden Fällen kann das Lesegerät sowohl beim Aussenden als auch beim Empfangen von Signalen aufeinanderfolgend mit unterschiedlichen linearen Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen betrieben werden. Das Umschalten zwischen unterschiedlichen linearen Polarisationen ersetzt das bei Lesegeräten für RFID-Systeme bisher übliche Arbeiten mit zirkular polarisierten Antennen. Das hat wesentliche Vorteile:

• Da auch die Koppelantenne der üblichen Transponder eine lineare Polarisationsebene aufweist, treten bei gleicher Ausrichtung der Koppelantenne des Transponders und der beteiligten Sende- und Empfangsantennen des Lesegerätes keine Polarisationsverluste auf.
• Befindet sich die Ausrichtung der Koppelantenne des Transponders in einer Zwischenstellung zwischen zwei Ausrichtungen, zwischen welchen die Antenne bzw. Antennen des Lesegerätes aufeinanderfolgend umgeschaltet wird bzw. werden, dann tritt zwar eine Signalabschwächung auf, doch ist diese wesentlich geringer als im Falle von Lesegeräten mit zirkular polarisierten Antennen. Kann im Lesegerät aufeinanderfolgend zwischen zwei zueinander senkrechten Polarisationsebenen umgeschaltet werden, dann ist die Koppelantenne des Transponders im ungünstigsten Falle unter einem Winkel von 45° zu den beiden Polarisationsebenen der Sende-/Empfangsantenne(n) im Lesegerät orientiert, so dass der Polarisationsverlust zu einer Signalabschwächung von höchstens 3 dB führt, das Signal durch Polarisationsverluste also höchstens um die Hälfte geschwächt wird. Gegenüber Lesegeräten mit zirkular polarisierten Antennen wird die Empfindlichkeit erfindungsgemäß ungefähr verdoppelt. Dadurch ergibt sich mit einem erfindungsgemäßen Lesegerät eine deutliche Steigerung der Erfassungsquote in einem RFID-System.
• Das erfindungsgemäße Ergebnis lässt sich mit geringem Aufwand erreichen.

Die Aufgabe wird auch durch die Verwendung eines Antennenmoduls in einem RFID-System gelöst, welcher eine oder mehrere Antennen für das Senden von Signalen, welche von einem Lesegerät des RFID-Systems angeregt sind, und für das Empfangen von Signalen hat, die von einem Transponder zurückkommen,
wenn entweder wenigstens eine Antenne wenigstens zwei lineare Polarisationsrichtungen aufweist und eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, durch welche zwischen den Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen der wenigstens einen Antenne umgeschaltet werden kann
oder wenn zwei oder mehr als zwei linear polarisierte Antennen, die sich in ihrer Polarisationsrichtung bzw. -ebene unterscheiden, durch eine Umschalteinrichtung aufeinander folgend einzeln an das Lesegerät anschließbar sind.
Diese beiden Varianten entsprechen den Lösungen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 und weisen die entsprechenden Vorteile auf.
Vorzugsweise wird im Antennenmodul zwischen zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen umgeschaltet. Es können aber auch Antennen, bei denen zwischen mehr als zwei Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen umgeschaltet werden kann, und/oder mehr als zwei Antennen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung bzw. -ebene vorgesehen sein, wodurch sich die Empfindlichkeit des RFID-Systems noch weiter steigern lässt. Wenn im Antennenmodul zwischen mehr als zwei Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen umgeschaltet werden kann, dann geschieht das vorzugsweise zyklisch.
Die Erfindung lässt sich mit beliebigen linear-polarisierten Antennen verwirklichen, z. B. mit zwei gekreuzten Dipolantennen. Eine andere, besonders günstige, Möglichkeit ist die Verwendung von Patch-Antennen, die den Vorteil haben, dass sie sich gut auf Leiterplatten integrieren lassen und eine starke Richtwirkung aufweisen.
Wie häufig zwischen den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen umgeschaltet wird, hängt einerseits davon ab, wie viel Zeit für den Lesevorgang zur Verfügung steht und wie viel Zeit benötigt wird, um die auf dem Mikrochip des Transponders gespeicherte Information vollständig zu übertragen. Das Umschalten der Polarisation soll nicht in die Zeitspanne fallen, in welcher die Information in Form eines Datentelegramms übertragen wird. In diesen Grenzen erhöht ein häufigeres Umschalten die Wahrscheinlichkeit, dass tatsächlich alle Objekte eines Pulks von Objekten durch das Lesegerät erfasst werden.
Vorzugsweise ist die Frequenz, mit welcher zwischen den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen umgeschaltet wird, veränderlich und voreinstellbar oder wählbar und kann dem gewählten RFID-Übertragungsprotokoll, den zu erfassenden Objekten, der zu erwartenden Geschwindigkeit der Objekte und dem zu überwachenden Areal angepasst werden. Die Umschaltung zwischen den verschiedenen Polarisationszuständen kann in einem gleich bleibenden Takt oder in einem veränderlichen Takt erfolgen, also schneller werdend oder langsamer werdend oder innerhalb von vorgegebenen oder wählbaren Grenzen abwechselnd schneller und langsamer werdend. Das Arbeiten mit wechselnden Takten hat den Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit steigt, dass von den Transpondern ausgesandte Datentelegramme auch dann, wenn deren Länge unbekannt ist, vom Lesegerät erfasst werden.
Für das Umschalten zwischen den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen bzw. Polarisationsebenen ist im Antennenmodul vorzugsweise ein Hochfrequenzumschalter vorgesehen, z. B. ein PIN-Dioden oder FET-Umschalter. Der Hochfrequenzumschalter ist vorzugsweise im Antennenmodul zu einer Baugruppe zusammengefasst. Eine den Hochfrequenzumschalter steuernde Steuerschaltung ist vorzugsweise im Antennenmodul integriert vorgesehen, kann aber auch in einem externen Steuergerät enthalten sein, welches mit dem Antennenmodul zu verbinden ist.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Umschalten der Polarisation mit dem Lesevorgang des Lesegerätes synchronisiert wird. Der Lesevorgang besteht darin, dass das Lesegerät an die angeschlossenen Antennen zyklisch, in vorbestimmten Zeitabständen, Hochfrequenzsignale sendet, sogenannte Leistungsbursts, die dazu dienen, den oder die Transponder zu aktivieren. Durch die Synchronisierung des Umschaltens der Polarisation auf die vom Lesegerät ausgesandten Signale wird das Risiko minimiert, dass die vom Transponder zurückkommenden Antwortsignale durch Umschalten der Polarisation Datenverluste erleiden.
Zum Zwecke der Synchronisation liegt in der vom Lesegerät zur Umschalteinrichtung führenden Leitung vorzugsweise ein Abzweiger oder eine Auskoppeleinrichtung, welche einen Teil des vom Lesegeräts an das Antennenmodul zu übertragenden Sendesignals auskoppelt und an eine Schaltung übermittelt, welche daraus ein die Umschalteinrichtung betätigendes Steuersignal bildet. Diese Schaltung weist vorzugsweise einen Entscheider auf, welcher sperrt, wenn die Leistung des ausgekoppelten Teils des Sendesignals unterhalb einer vorgegebenen Schwelle bleibt. Dadurch wird sichergestellt, dass nur deutliche Sendesignale zu einem Umschalten der Polarisation führen.
Vorzugsweise weist die Schaltung weiterhin einen Pulsformer auf, welcher aus dem ausgekoppelten Teil des Sendesignals, der die Schwelle des Entscheiders überwindet, einen Rechteckimpuls formt. Mit diesem Rechteckimpuls lassen sich definierte Schaltsignale erzeugen, insbesondere dadurch, dass ein Flip-Flop oder ein Dualzähler vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang der HF-Umschalteinrichtung ver bunden ist. Ein Flip-Flop und ein Dualzähler können zwei diskrete Zustände annehmen, mit denen die HF-Umschalteinrichtung umgeschaltet werden kann. Vorzugsweise wird das Flip-Flop bzw. der Dualzähler durch die negative, abfallende Flanke des Rechteckimpulses getriggert, so dass immer mit dem Abschluss eines Lesevorganges die Polarisation umgeschaltet wird. Damit kann sichergestellt werden, dass Einschwingvorgänge, welche dem Umschaltvorgang folgen können, abgeklungen sind, wenn die umgeschaltete Antenne vom Lesegerät beim nächsten Lesezyklus aktiviert wird. Vom Umschaltvorgang verursachte Einschwingvorgänge führen deshalb nicht zu einem Datenverlust beim Empfangen der von den Transpondern kommenden Antwortsignale.
Das synchronisierte Umschalten der Polarisationsebenen der beteiligten RFID-Antennen hat eine Reihe von Vorteilen:

• Es wird eine maximale Lesequote, d. h. eine maximale Anzahl der erfolgreichen Lesevorgänge, während eines Objektdurchlaufs durch ein Leseportal, erzielt.
• Es wird eine maximale Erfassungsquote, d. h. eine maximale Anzahl der gelesenen Transponder während eines Durchlaufs eines Stapels von Objekten durch ein Leseportal, erzielt.
• Die Empfindlichkeit des RFID-Gesamtsystems wird deutlich erhöht.
• Dadurch, dass das Umschalten der Polarisation auf das Sendesignal synchronisiert wird, erzielt man das optimale Taktschema unabhängig von der Art des verwendeten Übertragungsprotokolls.
• Die Synchronisierung ist unabhängig von der Anzahl der verwendeten Antennen. Sie ist sowohl im einfachsten Falle anwendbar, in welchem einem Lesegerät nur eine Antenne mit zwei umschaltbaren Polarisationsrichtungen zugeordnet ist, als auch bei Lesegeräten, denen eine Vielzahl von Antennen oder Antennenanordnungen mit umschaltbarer Polarisationsrichtung zugeordnet sind, welche zyklisch aktiviert werden.
• Aufgrund der maximalen Erfassungsquote, die die Erfindung ermöglicht, kann die zum Lesen notwendige Hochfrequenzleistung, die vom Lesegerät abgegeben wird, minimiert werden, so dass die Strahlungsbelastung für die in der Nähe arbeitenden Personen ebenso minimiert wird wie ein unerwünschtes Übersprechen zwischen benachbarten RFID-Systemen.

Zweckmäßigerweise werden das Lesegerät und das wenigstens eine Antennenmodul als getrennte Geräte ausgebildet, welche Schnittstellen haben, um sie miteinander zu verbinden. Es ist aber auch möglich, das Lesegerät und das wenigstens eine Antennenmodul zu einer Einheit zusammenzufassen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beigefügten Zeichnungen, in welchen
1 ein RFID-System mit zwei linear polarisierten Antennen in gekreuzter Anordnung zeigt,
2 ein RFID-System zeigt, welches für vier Paare von linear polarisierten Antennen in gekreuzter Anordnung ausgelegt ist, und
3 ein RFID-System zeigt, in welchem das Umschalten der Polarisation von Sende- und Empfangsantennen im Antennenmodul mit den Lesevorgängen des Lesegerätes synchronisiert ist.
1 zeigt in einem RFID-Lesegerät 1 ein HF-Modul 2 und ein damit verbundenes Antennenmodul 3, in welchem zwei linear polarisierte Antennen 4 und 5 in rechtwinklig gekreuzter Anordnung angeordnet sind. Zwischen den Antennen 4 und 5 kann durch eine Umschalteinrichtung 6 umgeschaltet werden, insbesondere durch einen Hochfrequenzschalter, welcher von einem Steuergerät 7 angesteuert wird, welcher ein Steuersignal 8, z. B. ein Taktsignal, zur Betätigung der Umschalteinrichtung 6 liefert. Das Antennenmodul 3 liefert ausschließlich linear polarisierte Sendesignale 9, welche an einer Koppelantenne 10 eines Transponders reflektiert werden und als linear polarisierte Signale 11 zum Lesegerät 1 zurückkehren. Dabei ist mit einer Polarisationsschwächung von nicht mehr als –3 dB zu rechnen.
2 zeigt die Anordnung aus einem RFID-Lesegerät 1 und einem Antennenmodul 3 erweitert auf vier Antennen mit umschaltbarer Polarisation, jede bestehend aus zwei linear polarisierten Antennen 4 und 5 in rechtwinklig gekreuzter Anordnung. Jede der vier Antennenanordnungen kann durch einen HF-Umschalter 6 umgeschaltet werden. Der HF-Umschalter 6 ist durch eine in das Antennenmodul integrierte Steuereinheit 7 steuerbar. Alternativ kann die Steuereinheit 7 auch als eigenständiges Gerät außerhalb des Antennenmoduls 3 angeordnet sein. Alternativ kann die Polarisation der vier Antennenanordnungen auch durch einen gemeinsamen HF-Umschalter 6 umgeschaltet werden.
Das Lesegerät 1 steuert alle vier Antennenanordnungen 4, 5 an und hat zu diesem Zweck vier Tore 12, die mit dem Eingang des HF-Umschalter 6 verbunden werden können. Die vier Tore 12 werden der Reihe nach von dem im Lesegerät 1 vorgesehenen HF-Modul angesteuert und liefern in der über der Zeitachse 13 dargestellten Reihenfolge Hochfrequenzsignale 9, welche über die jeweilige Antennenanordnung 4, 5 zu einem Transponder übertragen werden, von dessen Koppelantenne reflektiert werden und als linear polarisierte Antwortsignale zum Lesegerät 1 zurückkehren.
Die Ansteuerung der vier Antennenanordnungen, welche jeweils aus zwei linear polarisierten Antennen in gekreuzter Anordnung bestehen, geschieht in Zeitabständen, die z. B. durch die Wahl des RFID-Übertragungsprotokolls des Lesegerätes 1 festgelegt sind. Innerhalb eines vom Übertragungsprotokoll festgelegten Lesezyklus werden alle umschaltbaren Antennen bzw. Antennenanordnungen einmal angesteuert. Wenn eines der vier Tore 12 des Lesegerätes 1 offen und die an das offene Tor 12 angeschlossene Antennenanordnung 4, 5 aktiv ist, sind die anderen drei Tore 12 und Antennen in dieser Zeit passiv.
3 zeigt eine Abwandlung des in 2 dargestellten Systems. Die Abwandlung ermöglicht es, das Umschalten der Anordnung aus den Antennen 4, 5 des Antennenmoduls 3 mit den vom Lesegerät 1 ausgelösten Lesevorgängen zu synchronisieren. Ein Lesevorgang besteht aus einem sogenannten Energieburst von bestimmter Länge, das ist ein Hochfrequenzsignal, das die Aufgabe hat, Energie zu den Transpondern zu übertragen, um diese zu aktivieren, indem die Koppelantenne im jeweiligen Transponder einen Teil der Energie des Energiebursts aufnimmt und damit einen im Transponder vorgesehenen mikroelektronischen Schaltkreis (Chip) aktiviert. Dieser schaltet dann in einem vorgegebenen Taktschema, welches durch einen im Chip des Transponders gespeicherten Code bestimmt ist, zwischen zwei elektrischen Zuständen hin und her, nämlich zwischen Absorption und Reflektion. Im Zustand der Absorption wird die aufgenommene Energie vollständig absorbiert, im Zustand der Reflektion wird die von der Koppelantenne des Transponders aufgenommene Energie reflektiert. Das reflektierte Signal wird vom Antennenmodul empfangen und im Lesegerät anhand des vom Transponder bestimmten Taktschemas, das im reflektierten Signal erkennbar ist und die gewünschte Information darstellt, ausgewertet.
Das Sendesignal 9, der Energieburst, gelangt von einem der Tore 12 des Lesegerätes 1 über eine Leitung 14 zur HF-Umschalteinrichtung 6 und von dort – je nach Stellung der HF-Umschalteinrichtung 6 – zur Antenne 4 mit der vertikalen Polarisation oder zur Antenne 5 mit der horizontalen Polarisation. In der Leitung 14 liegt eine Auskoppeleinrichtung 15, welche einen kleinen Teil des Sendesignals 9 auskoppelt und einem Detektor 16 zuführt. Der Ausgang des Detektors 16 ist mit einem Entscheider 17 verbunden, in welchem eine Schwelle vorgebbar ist, welche die Leistung des ausgekoppelten Teils des Sendesignals 9 überschreiten muss, wenn daraus ein Steuersignal zum Umschalten der HF-Umschalteinrichtung 6 gebildet werden soll. Der Entscheider 17 sperrt, wenn die Schwelle, die vorzugsweise einstellbar ist, nicht erreicht wird. Wird die Schwelle erreicht, wird das Signal durch einen Pulsformer 18 zu einem Rechteckimpuls umgeformt. Der Pulsformer 18 und der Entscheider 17 können in ein gemeinsames Bauteil integriert sein.
Der Rechteckimpuls triggert ein Flip-Flop, z. B. ein Toggel-Flip-Flop, oder einen Dualzähler 19, welcher zwischen zwei Zuständen „An" und „Aus" pendeln kann. Das Ausgangssignal kann im Zustand „An" z. B. ein 5 Volt Spannungssignal und im Zustand „Aus" z. B. 0 Volt sein. Das Ausgangssignal des Flip-Flops oder Dualzählers 19 wird dem Steuereingang der HF-Umschalteinrichtung 6 als Steuersignal zugeführt.
Vorzugsweise wird das Flip-Flop bzw. der Dualzähler 19 von der negativen (abfallenden) Flanke des Rechteckimpulses getriggert, so dass stets mit dem Ende des vom Lesegerät 1 ausgelösten Lesevorganges die Polarisation der Antenne 4, 5 umgeschaltet wird. Auf diese Weise besteht die größte Sicherheit, dass durch den Umschaltvorgang nichts von der Information, die vom Transponder zurückkommt, verloren geht. Der Umschaltvorgang findet auf diese Weise in der inaktiven Phase einer Antenne statt. Wenn die Antenne beim nächsten Lesezyklus des Lesegerätes aktiviert wird, befindet sie sich bereits in einem stabilen, eingeschwungenen Zustand. Bitfehler, die durch Einschwingvorgänge beim Schalten auftreten könnten, wenn die positive Flanke des Rechteckimpulses zum Schalten herangezogen würde, werden vermieden, wenn – wie es bevorzugt ist – die negative, abfallende Flanke des Rechteckimpulses zum Schalten herangezogen wird.
Die erfindungsgemäße Polarisationsumschaltung kann bei allen Antennentypen bzw. Antennengruppen angewandt werden, mit denen sich über mindestens zwei Speisepunkte zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Polarisationen anregen lassen, unabhängig von der Bauart der Antenne, für welche Dipole, Patchantennen, insbesondere Mikrostrip-Patchantennen, und sonstige lineare Antennengruppen verwendet werden können.
Die Spannungsversorgung der am Umschaltvorgang beteiligten aktiven Komponenten kann über eine externe Spannungsquelle, aber auch mittels einer Einspeiseweiche als eine Phantomspeisung erfolgen, bei welcher die Versorgung mit Gleichspannung über die Signalleitung erfolgt, auf welcher auch das Hochfrequenzsignal zugeführt wird.

1: Lesegerät
2: HF-Modul
3: Antennenmodul
4: Dipolantenne
5: Dipolantenne
6: Umschalteinrichtung
7: Steuergerät
8: Taktsignal
9: Sendesignal
10: Koppelantenne
11: reflektiertes Signal
12: Tore des Lesegerätes
13: Zeitachse
14: Leitung
15: Auskoppeleinrichtung
16: Detektor
17: Entscheider
18: Pulsformer
19: Flip-Flop oder Dualzähler

Claims

Lesegerät für ein RFID-System in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen für das Senden und Empfangen von HF-Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antenne wenigstens zwei lineare Polarisationsrichtungen aufweist und dass eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, durch welche zwischen den Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen der wenigstens einen Antenne umgeschaltet werden kann.
Lesegerät für ein RFID-System in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen für das Senden und Empfangen von HF-Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr als zwei linear polarisierte Antennen (4, 5), die sich in ihrer Polarisationsrichtung bzw. -ebene unterscheiden, durch eine Umschalteinrichtung (6) aufeinanderfolgend einzeln an das Lesegerät (1) anschließbar sind.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (6) für eine zyklische Arbeitsweise eingerichtet ist.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Antenne bzw. die Antennen (4, 5), welche dem Lesegerät (1) zugeordnet sind, zwei zueinander senkrechte lineare Polarisationsrichtungen bzw. Polarisationsebenen bilden.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (6) einen Hochfrequenzumschalter aufweist.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (7) vorgesehen oder anschließbar ist, welches den Takt zum Umschalten der Umschalteinrichtung (6) bestimmt.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt, den das Steuergerät (7) für die Umschalteinrichtung (6) liefert, veränderbar ist.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) einen zwischen vorgegebenen Grenzen schneller oder langsamer werdenden oder abwechselnd schneller und langsamer werdenden Takt an die Umschalteinrichtung (6) liefert.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen, innerhalb derer der vom Steuergerät (7) gelieferte Takt veränderlich ist, einstellbar sind.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (6) mit den vom Lesegerät (1) ausgelösten Lesevorgängen synchronisiert ist.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der vom Lesegerät (1) zur Umschalteinrichtung (6) führenden Leitung (14) ein Abzweiger oder eine Auskoppeleinrichtung (15) vorgesehen ist, welche einen Teil des vom Lesegerät (1) an das Antennenmodul (3) zu übertragenden Sendesignals (9) ausgekoppelt und an eine Schaltung (16–19) übermittelt, welche aus dem ausgekoppelten Teil des Sendesignals (9) ein die Umschalteinrichtung (6) betätigendes Steuersignal bildet.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (16–19) einen Entscheider (17) aufweist, welcher sperrt, wenn die Leistung des ausgekoppelten Teils des Sendesignals (9) unterhalb einer vorgegebenen Schwelle bleibt.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (16–19) einen Pulsformer (16) aufweist, welcher aus dem ausgekoppelten Teil des Sendesignals (9) einen Rechteckimpuls formt.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (16–19) ein Flip-Flop oder einen Dualzähler (19) aufweist, dessen Ausgang mit einem Steuereingang der Umschalteinrichtung (6) verbunden ist.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Flip-Flop bzw. der Dualzähler (17) durch die negative Flanke des Rechteckimpulses getriggert wird.
Lesegerät in Verbindung mit einer oder mehreren Antennen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lesegerät (1) ein HF-Modul (2) für das Erzeugen von zu sendenden HF-Signalen (9) und für das Verarbeiten von empfangenen HF-Antwortsignalen (11) hat.
Antennenmodul in einem RFID-System mit einer oder mehreren Antennen für das Senden und Empfangen von HF-Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antenne wenigstens zwei lineare Polarisationsrichtungen aufweist und dass eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, durch welche zwischen den Polarisationsrichtungen bzw. -ebenen der wenigstens einen Antenne umgeschaltet werden kann.
Antennenmodul in einem RFID-System mit einer oder mehreren Antennen für das Senden und Empfangen von HF-Signalen (9, 11), dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr als zwei linear polarisierte Antennen (4, 5), die sich in ihrer Polarisationsrichtung bzw. -ebene unterscheiden, durch eine Umschalteinrichtung (6) aufeinander folgend einzeln an ein Lesegerät (1) des RFID-Systems anschließbar sind.
Antennenmodul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (4, 5) an ein HF-Modul (2) des Lesegerätes (1) anschließbar sind.
Antennenmodul nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (6) für eine zyklische Arbeitsweise eingerichtet ist.
Antennenmodul nach einem der Ansprüche 17–20, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Antenne bzw. die Antennen (4, 5), welche dem Lesegerät (1) zugeordnet sind, zwei zueinander senkrechte lineare Polarisationsrichtungen bzw. Polarisationsebenen bilden.
Antennenmodul nach einem der Ansprüche 17–21, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (6) einen Hochfrequenzumschalter aufweist.
Antennenmodul nach einem der Ansprüche 17–22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (7) vorgesehen oder anschließbar ist, welches den Takt zum Umschalten der Umschalteinrichtung (6) bestimmt.
Antennenmodul nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt, den das Steuergerät (7) für die Umschalteinrichtung (6) liefert, veränderbar ist.
Antennenmodul nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) einen zwischen vorgegebenen Grenzen schneller oder langsamer werdenden oder abwechselnd schneller und langsamer werdenden Takt an die Umschalteinrichtung (6) liefert.
Antennenmodul nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen, innerhalb derer der vom Steuergerät (7) gelieferte Takt veränderlich ist, einstellbar sind.