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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines abgestimmtes
Schwingkreises.
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Sie
betrifft ferner die Herstellung von Funkvorrichtungen geringer Größe wie z.B.
elektronische Identifikationsetiketten, auch "Tags" genannt,
oder Chipkarten, die mit einer Funkantenne versehen sind. Aus Gründen der
Einfachheit wird im Folgenden, wenn Chipkarten mit einer solchen
Funkantenne bezeichnet werden, von kontaktlosen Karten gesprochen,
wobei darauf hingewiesen wird, dass die Erfindung auch für Chipkarten
mit gemischter Funktionsweise (mit und ohne Kontakt)gilt.
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Es
wird daran erinnert, dass Resonanzkreise oder Schwingkreise in der
Funktechnik sehr häufig verwendet
werden. Sie ermöglichen
das selektive Koppeln der Verstärkerstufen,
so dass sie nur noch um ein ganz bestimmtes, sehr schmales Frequenzband
herum optimal funktionieren.
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Da
das für
die Funkfrequenz verwendbare Spektrum endlich ist (zwischen 100
kHz und 100 GHz) und die Anzahl von nützlichen Kanälen angesichts
der Anzahl der Anwendungen (Fernsehen, Telephonie, Satellitenkommunikation,
Bake) beschränkt
ist, ermöglichen
die abgestimmten Resonanzkreise bei einem ganz bestimmten Frequenzwert
eine selektive Funktionsweise. Je schmäler die Frequenzbänder sind,
um so höher
ist die Anzahl der Kanäle
und um so schwieriger ist es jedoch auch, die Selektivität umzusetzen.
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Es
wird außerdem
daran erinnert, dass die am häufigsten
zur Herstellung eines Schwingkreises verwendete Schaltung darin
besteht, eine Induktanz in Serie oder parallel an die Kapazität anzuschließen. Die
Resonanzfrequenz wird durch folgende Beziehung vorgegeben:
L ist der Wert der Induktanz
und C der Wert der Kapazität
des Kreises.
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Ein
guter Resonanzkreis hat einen erhöhten Qualitätsfaktor, der einen guten Energietransfer
zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne ermöglicht,
unabhängig
davon, ob es sich nun um ein elektronisches Etikett oder "TAG" oder um eine andere
Funkempfangsvorrichtung handelt.
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Die
Kopplung zwischen elektronischem Element und Sende-/Empfangsantenne
muss optimiert werden, um eine möglichst
große
Kommunikationsdistanz zu haben. Diese Optimierung beinhaltet eine ganz
bestimmte Resonanzfrequenz, die der Frequenz des Empfängers so
nah wie möglich
ist.
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Eine
wichtige Anwendung solcher gekoppelter abgestimmter Kreise ist die
kontaktlose Identifizierung über
Funkfrequenzen. Die abgestimmten Kreise werden folglich im Funkverkehr
als Sende- und Empfangsantennen eingesetzt, und zwar im Frequenzspektrum
unter 30 Mhz, insbesondere auf den Frequenzbändern I.S.M. mit 125 kHz und
13,56 Mhz.
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Auf
diesen niedrigen Frequenzen erfolgt die Kopplung zwischen der Basisstation
oder dem Lesegerät
und dem elektronischen Etikett oder der kontaktlosen Karte oder
dem "TAG" über das Magnetfeld. Das System
funktioniert wie ein Transformator, dessen magnetischer Kreis ein
Luftkreis ist. Damit der Kommunikationsabstand für eine gegebene Sendeleistung
und eine gegebene Empfangssensibilität so groß wie möglich ist, müssen die
Qualitätsfaktoren der
beiden aneinander gekoppelten Resonanzkreise so hoch wie möglich sein,
wie auch ihre jeweiligen Resonanzfrequenzen möglichst nah beieinanderliegen
sollten. Zu diesem Zweck wird im Allgemeinen die abgestimmte Frequenz
eines Schwingkreises, insbesondere des Empfangskreises eingestellt.
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Um
eine solche Einstellung nicht vornehmen zu müssen, kann das Fertigungsverfahren
eine geringe Toleranz und folglich eine erhöhte Genauigkeit für jedes
der Elemente gewährleisten,
die den Schwingkreis Induktanz und Kapazität bilden.
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Man
kann den Kreis auch während
der Produktion oder in der Testphase mit einer automatisierten oder
nicht automatisierten Regelungsvorrichtung versehen, indem man auf
eines der beiden Elemente des Kreises einwirkt.
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Die
Lösung
hängt von
den geplanten Fertigungskosten ab. Und natürlich von der Anwendung dieser
Vorrichtungen.
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Auf
dem Gebiet der Funkvorrichtungen vom Typ elektronische Etiketten
oder kontaktlose Chipkarten müssen
die Fertigungskosten der Schwingkreise selbstverständlich so
gering wie möglich
bleiben.
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Für die Herstellung
der Sende-/Empfangs-Antenne auf der Seite des Lesegeräts bedarf es
einer Regelung von mindestens eine per Schraube einstellbaren Kapazität, manchmal
sogar zwei, wobei diese Regelung manuell von einem Bediener mit
Hilfe einer speziellen Voreinstellvorrichtung vorgenommen wird.
Die geplanten Mengen sowie der Verkaufspreis des Produkts, d.h.
des Lesegeräts, können eine
solche Lösung
rechtfertigen. Umgekehrt, und das gilt für kontaktlose Karten und elektronische
Etiketten, kommt auf Grund der hohen Herstellungskosten und der
großen
Mengen eine Lösung mit
einem mechanisch einstellbaren Element nicht in Betracht. Die bisher
gewählte
klassische industrielle Lösung
bestand darin, die Toleranzen für
die Induktanz und die Kapazität
des Resonanzkreises durch Senken des Qualitätsfaktors zu lockern. Ein absoluter
Fehler bei der Frequenz bringt somit einen relativ geringen Leistungsverlust
mit sich. Diese geringere Schwankung der Leistungen bedingt durch
die abgestimmte Frequenz äußert sich
durch geringere Leistungen.
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Diese
Lösung
mit verschlechterten Leistungen führt trotz allem zu erhöhten Ausschussraten, und
verringert die Ergiebigkeit, sobald ein Induktanz- oder Kapazitätslos versehentlich
nicht mit den vorgegebenen Spezifikationswerten geliefert wird.
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Die
bisher gewählte
Lösung
für hochleistungsfähige elektronische
Etiketten (gering gedämpfte
Resonanzkreise) bestand darin, als stabil geltende geprägte Antennen
zu benutzen, deren Induktanzwert von einem Los zum anderen zu reproduzieren ist.
Davon ausgehend, dass dieser Wert als quasi-konstant gilt, hängt die
absolute Genauigkeit der Resonanzfrequenz nur noch vom Wert der
Kapazität der
Kreises ab. Mit den auf dem Markt erhältlichen diskontinuierlichen
Kapazitäten
kann keine ausreichende Reproduzierbarkeit erzielt werden. Die Lösung der
Kapazität
im eingebauten Teil des Etiketts führt zu einer ausreichenden
Genauigkeit. Die Kosten des Chips dagegen sind hoch, da der Silziumanteil,
der für
die Kapazität
bestimmt ist, bis zu dreißig Prozent
der Gesamtfläche
ausmachen kann, wodurch die Anzahl der Chips pro Silzium-Wafer verringert
wird. Die Tests über
die Toleranzen und die Qualität
der eingebauten Kapazität
oder auch die Einstellung des Wertes durch Laser können einen
Großteil der
Herstellungskosten des Chip ausmachen.
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Das
US-Patent
US 4142674
A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingkreises, dass mindestens
eine Induktanz umfasst, die an eine Vielzahl von Kapazitäten angeschlossen
ist, die am Ende und entlang der Induktanz verzweigt sind. Das Verfahren
umfasst die Phase der Einstellung der Frequenzabstimmung, wobei
Induktanz und Kapazität gleichzeitig
verringert werden, indem durch Entnahme von Material ein Ende der
Induktanz mit weniger als einer verzweigten Kapazität abgetrennt
wird.
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Patent
FR-A-2 769 108 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines elastischen
elektronischen Etiketts, in dem eine Angleichung der Abstimmungskapazität durch
Reduzierung der Fläche
durch Entnahme von Material (Laser, Sandstrahlen, Schneiden ...)
oder durch ein elektrisches oder radioelektrisches Verfahren (Sicherung)
vorgesehen ist.
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Die
elektronischen Etiketten vom Typ Diebstahlsicherung in den Geschäften unterliegen
kostspieligen Zwängen.
Sie umfassen keine spezifische integrierte Schaltung, da die Funktionstüchtigkeit
auf die einfachste Form reduziert wurde: das abgestimmte Etikett
nimmt Energie auf, das nicht abgestimmte Etikett beeinflusst nicht
das Feld des Erkennungssystems (Fall des Artikels mit der entsicherten
Diebstahlsicherungsfunktion). Solche Etiketten werden in großen Mengen
hergestellt. Die beiden Elemente des abgestimmten Kreises wurden
auf ein und dieselben Folie gedruckt. Die Induktanz ist eine flache Spirale,
die an eine Kapazität
angeschlossen ist, welche aus zwei metallisierten Flächen gegenüber der als
dielektrisches Element benutzten Folie besteht.
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Da
der Träger
auf Grund der geringen Fertigungskosten dünn und die Prägung grob
ist, weicht der Wert der Resonanzfrequenz der einzelnen Fertigungslose
recht stark voneinander ab. Die geringe Genauigkeit bezüglich der
so hergestellten Kapazität bzw.
Induktanz führt
zur Verwendung von Systemen mit veränderlicher Frequenz, die die
Kommunikation durch Feldmodulation durch Hinzufügen eines Chips mit einem programmierbaren
Speicher und/oder Mikroprozessor nicht ermöglicht.
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Mit
vorliegender Erfindung kann dieses Problem beseitigt werden. Die
mit der Erfindung vorgeschlagene Lösung findet auf jede Schwingvorrichtung
Anwendung, die auf einem dielektrischen Träger hergestellt wurde.
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Vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines abgestimmten
Schwingkreises, das die kostengünstige
Herstellung von Funkvorrichtungen geringer Größe sowie elektrischer Identifikationsetiketten
oder mit einer Antenne versehener Chipkarten ermöglicht.
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Gegenstand
der Erfindung ist insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines
Schwingkreises gemäß den Patentansprüchen 1 bis
9.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Funkvorrichtung
geringer Größe gemäß den Patentansprüchen 10
bis 13.
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Andere
Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der
nachstehenden Beschreibung deutlich, die veranschaulichenden und nicht
erschöpfenden
Charakter hat und Bezug auf die im Anhang beigefügten Zeichnungen nimmt:
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1 zeigt
das Schema eines elektronischen Etiketts,
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2 zeigt
das Schema von Bewehrungen einer auf einen dielektrischen Träger gedruckten
Kapazität
mit der elektrischen Verbindung zwischen dieser Bewehrung und der
Induktanz,
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3 zeigt
eine erste Herstellungsmöglichkeit
des Verfahrens, das die Erhöhung
der Induktanz ermöglicht,
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4 zeigt
eine Herstellungsmöglichkeit des
Verfahrnes, die zum einen die Erhöhung der Induktanz und zum
andern die Verringerung der Kapazität ermöglicht,
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5 zeigt
eine Herstellungsmöglichkeit des
Verfahrens, in dem zum einen die Induktanz und zum andern die Kapazität erhöht wird.
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1 veranschaulicht
schematisch die diversen Elemente eines elektrischen Etiketts D.
Die den Schwingkreis oder die Antenne des Etiketts bildenden Elemente
werden aus einer Induktanz L0 gebildet, die elektrisch an einem
Ende an eine Bewehrung A1 (auf der Abbildung die obere Bewehrung)
einer Kapazität
C0 und am anderen Ende an die zweite Bewehrung A2 (auf der Abbildung
die untere Bewehrung) angeschlossen ist. Der Träger ist ein dielektrischer
isolierende Träger
mit Kennzeichen S. Es handelt sich beispielsweise um eine dielektrische
Folie, die man sowohl bei der Herstellung eines elektronischen Etiketts
wie bei dem einer kontaktlosen Chipkarte findet.
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Die
Elemente des Schwingkreises werden auf herkömmliche Art und Weise durch
jede beliebige Technik zum Bedrucken von leitfähigem Material (Gravieren,
leitfähiger
Tintenstrahl) hergestellt, die die Herstellung einer Induktanz in
Form einer flachen Spirale ermöglichen,
die an eine Kapazität
angeschlossen ist, die aus zwei metallisierten, einander gegenüberliegenden
Flächen
auf einem dielektrischen Träger
oder einer dielektrischen Folie besteht. Das auf der Abbildung gezeigte
Etikett umfasst ferner einen elektronischen Chip P, der an die beiden
Eingangsklemmen des Schwingkreises angeschlossen ist. Um diesen
Anschluss herzustellen, wird eine Verbindungsklemme des elektronischen
Chips durch einen ersten Leitungsdraht F1 an eine Verbindungsklemme
des Schwingkreises angeschlossen, wobei sich diese Klemme an einer
Seite des Trägers
befindet, sowie an eine zweite Klemme des Schwingkreises, die auf
dieser gleichen Fläche
durch die Metallisierung M, welche den Träger S durchläuft, zurückgeführt wird.
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2 zeigt
die Details einer Originalkonfiguration eines Schwingkreises auf
einem Träger
S. Es handelt sich hier natürlich
um eine schematisierte Abbildung. Man sieht also sehr gut die obere
Bewehrung der Kapazität
und gestrichelt die untere Bewehrung dieser Kapazität mit dem
Kennzeichen A2, sowie die elektrische Verbindung zwischen der Bewehrung
A1 und der Verbindungszone mit der Induktanz L0, wobei diese Verbindung
ganz einfach einer Kontinuität
der Metallisierung entspricht, die die Induktanz zu einer erweiterten
Zone hin bildet, die wiederum die Metalloberfläche von Bewehrung A1 bildet.
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Das
Verfahren gemäß Erfindung
ermöglicht im
Verhältnis
zu einer bestimmten Ausgangskonfiguration nach 2,
die abgestimmte Frequenz des Kreises während der Herstellung durch
Entnahme und/oder Hinzufügen
von leitfähigem
Material automatisiert einzustellen.
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Die
Einstellung der abgestimmten Frequenz kann auf unterschiedliche
Art und Weise erfolgen, indem die nachstehend beschriebenen Lösungen miteinander
kombiniert werden.
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Eine
erste Herstellungsmöglichkeit
gemäß Verfahren
besteht darin, leitfähiges
Material zu entfernen. Nach dem im Schema von 3 veranschaulichten
Beispiel kann man eine Rinne CH in die Bewehrung A1 der Kapazität schneiden,
was zur Folge hat, dass der Wert der Induktanz L0 erhöht wird und
der Wert der Kapazität
auf der Schnittoberfläche ungefähr beibehalten
wird.
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Ist
C0 der Wert der Ausgangskapazität (2),
bleibt diese Kapazität
unverändert.
Sie bleibt gleich C0, wohingegen der Wert der Induktanz L0 auf einen
Wert über
L0 + 1 ansteigt.
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Die
Abnahme von Material kann so erfolgen, dass durch Isolieren eines
Teils Z einer der Bewehrungen des Kondensators auf der dielektrischen
Folie S die Induktanz erhöht
und gleichzeitig die Abstimmungskapazität gesenkt wird. Man reduziert
somit die Kapazität
bei gleichzeitiger Erhöhung
der Induktanz. Diese Herstellungsmöglichkeit wird auf dem Schema
der 4 veranschaulicht. Sie ermöglicht eine genauere Einstellung
der Resonanzfrequenz, als wenn man nur einen der beiden Parameter
des Kreises verändert.
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Nach
einer anderen Herstellungsmöglichkeit des
Verfahrens gemäß Erfindung
kann die Einstellung der abgestimmten Frequenz auch durch Hinzufügen von
leitfähigem
Material erfolgen.
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Man
kann das Hinzufügen
und Entfernen von leitfähigem
Material miteinander kombinieren. Dieses Mal wird zum einen Material
hinzugefügt,
um die Kapazität
durch Hinzugeben von Material zu erhöhen und zum andern die Induktanz
durch Entfernen von Material erhöht,
so dass eine Rinne entsteht, wie sie im Zusammenhang mit 3 beschrieben
wurde. Damit diese Materialzugabe wirklich zu einer Erhöhung der
Kapazität
führt,
muss die unmodifizierte Bewehrung viel breiter als die modifizierte
Bewehrung sein. Zum besseren Verständnis kann man sich auf das
Schema von 5 beziehen. Auf diesem Schema
ist zu sehen, dass die Bewehrung der oberen Seite der Kapazität, d.h.
die Bewehrung mit dem Kennzeichen A1, am Anfang viel kleiner ist,
als die Bewehrung der rückwärtigen Fläche, d.h.
Bewehrung A2.
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Bei
der Materialzugabe kann leitfähiges
Material so hinzugefügt
werden, dass die metallisierte Fläche der Bewehrung A2 erweitert
wird, wobei diese Erweiterung Zone A auf dieser 5 entspricht. Man
sieht auf diese Art und Weise, dass die Kombination der beiden Vorgänge, d.h.
die Kombination der Materialabnahme durch Bildung einer Rinne CH
und die Materialzugabe durch Hinzufügen von Material in Zone A
gleichzeitig die Ausgangskapazität
C0 und die Ausgangsinduktanz L0 erhöht, wobei sich der Wert dieser
beiden Elemente von C0 auf C0 + C und von L0 auf L0 + 1 erhöht.
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Das
Material kann mit unterschiedlichen Techniken abgenommen werden.
Die Technik, die am schnellsten und am genauesten zu sein scheint, ist
die Verwendung eines Laserstrahls. Die Energie und die Dauer der
Laserstrahlemission wird so ausgewählt, dass die dielektrische
Folie S nicht durchbohrt und die gewünschte Fläche gut isoliert wird. Die Optik
wird so angepasst, dass man einen ausreichend breiten Strahl hat,
um den Schnitt sicherzustellen und dabei eine elektronische Isolierung
zu gewährleisten.
Diese Breite muss etwa der Breite des zu schneidenden Leiters entsprechen.
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Man
kann ferner eine Schneidtechnik in Betracht ziehen, wie z.B. die
Technik des Mikrosandstrahlens. Das Auswahlkriterium hängt von
der für eine
Feinregulierung erforderlichen Mindestfläche ab, die bei Produkten vom
Typ "elektronische
Etiketten" einige
Quadratmillimeter betragen kann.
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Das
Hinzufügen
von Material kann durch Aufstrahlen von leitfähigem Material erfolgen, eine Technik,
die man vor allem bei der Herstellung von Chipkarten heranzieht.
Leitfähige
Materialien sind im Allgemeinen leitfähige Druckfarben. Eine weitere industrielle
Lösung,
die zur Herstellung von Kondensatoren verwendet wird, ist die Benutzung
der Technik der Metallverdampfung auf dielektrischem Material.
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Man
kann beide Techniken auf einer industriellen Vorrichtung miteinander
kombinieren. Diese Ausrüstung
würde in
diesem Fall Mittel zum Schneiden umfassen, um eine isolierende Rinne
zu bilden, die auf die Induktanz einwirkt, und ein Materialzugabesystem,
z.B. zum Aufstrahlen von leitfähiger
Farbe, um die Kapazität
des Resonanzkreises zu erhöhen.
Eines der beiden Systeme wird je nach Ergebnis der Ausgangskontrolle
bei der Abnahme der Folie und durch die Maschine selbst durch vorheriges
Messen der einzelnen Etiketten eingesetzt.
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Jedes
Los dielektrischer Folien, auf denen die Resonanzkreise hergestellt
wurden, ist vorher in der Phase der Qualitätskontrolle zu Beginn des Herstellungsablaufs
der elektronischen Etiketten und/oder der kontaktlosen Chipkarte
Gegenstand von Messungen.
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Entsprechend
dem repräsentativen
mittleren Wert des Loses wird beispielsweise ein EDV-System in der
Lage sein, die für
das Los geeigneten Schneidbahn zu berechnen. Je nach Ergebnis des
Rechners wird entweder die Induktanz durch Einscheiden einer Rinne
(Verringerung der abgestimmten Frequenz) erhöht oder die Kapazität durch
Abnehmen von Fläche verringert
(Erhöhung
der abgestimmten Frequenz). Ist die abgestimmte Frequenz des Loses
viel zu hoch, kann man gleichzeitig leitfähiges Material hinzufügen (Erhöhung der
Induktanz), um die abgestimmte Frequenz auf ihren Nennwert zu verringern. Diese
Vorgehensweise kann sehr gut auf jedes Etikett ausgeweitet werden,
um die Leistungen des Produkts zu optimieren. Die Messung der abgestimmten Frequenz
muss von der Maschine selbst ausgeführt werden, ebenso wie die
Wahl der Einstellmethode und die Berechnung der Werkzeugschneidbahn
oder der Materialzugabe.
