DE102006003717A1 - Antenna for a backscatter-based RFID transponder - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer eine kapazitive Eingangsimpedanz aufweisenden integrierten Empfangsschaltung zum Empfangen eines spektral in einem Betriebsfrequenzbereich liegenden Funksignals, wobei die Antenne zwei Antennenzweige aufweist, die sich spiralförmig von einem zentralen Bereich, in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung verbindbar sind, nach außen erstrecken. Erfindungsgemäß weist jeder Antennenzweig eine Zweiglänge entlang des Zweiges auf, die so gewählt ist, daß eine der Serienresonanzfrequenzen der Antenne unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs und die nächsthöhere Parallelresonanzfrequenz der Antenne oberhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer solchen Antenne.The invention relates to an antenna for a backscatter-based RFID transponder with an integrated receiving circuit having a capacitive input impedance for receiving a radio signal which is spectrally in an operating frequency range, the antenna having two antenna branches that extend in a spiral from a central area in which the antenna branches with the integrated receiving circuit are connectable, extend outward. According to the invention, each antenna branch has a branch length along the branch which is selected such that one of the series resonance frequencies of the antenna is below the operating frequency range and the next higher parallel resonance frequency of the antenna is above the operating frequency range. The invention also relates to a backscatter-based RFID transponder with such an antenna.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder (radio frequency identification) sowie einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer solchen Antenne.The The present invention relates to an antenna for a backscatter-based RFID transponder (radio frequency identification) as well as a backscatter-based RFID transponder with such an antenna.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der draht- und kontaktlosen Kommunikation. Sie liegt insbesondere auf dem Gebiet der funkbasierten Kommunikation zum Zwecke der Identifikation von Gegenständen, Tieren, Personen etc. sowie den hierfür eingesetzten Transpondern und „Remote Sensors".The Invention is in the field of wire and contactless communication. It is particularly in the field of radio-based communication for the purpose of identification of objects, animals, persons etc. as well as the one for this used transponders and "remote Sensors ".
Wenngleich prinzipiell auf beliebige kontaktlose Kommunikationssysteme anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend in Bezug auf RFID-Kommunikationssysteme und deren Anwendungen erläutert. RFID steht hierbei für "Radio Frequency Identification".Although in principle applicable to any contactless communication systems, The present invention as well as the underlying Issue below in relation to RFID communication systems and their applications explained. RFID stands for "Radio Frequency Identification".
Bei RFID-Systemen werden zwischen einer stationären oder mobilen Basisstation, die oft auch als Lesegerät, „Reader" oder Schreib-/Lesegerät bezeichnet wird, und einem oder mehreren Transpondern, die an den zu identifizierenden Gegenständen, Tieren bzw. Personen angebracht sind, Daten mit Hilfe von hochfrequenten Funksignalen bidirektional übertragen.at RFID systems are used between a stationary or mobile base station, often referred to as a reader, "reader" or read / write device and one or more transponders attached to the one to be identified Objects, animals or persons are attached, data using high-frequency Transmit radio signals bidirectionally.
Der Transponder, der auch als „Tag" oder „Label" bezeichnet wird, weist regelmäßig eine Antenne zum Empfangen des von der Basisstation abgestrahlten Funksignals sowie eine mit der Antenne verbundene integrierte Schaltung (IC) auf. Die integrierte Schaltung beinhaltet hierbei eine Empfangsschaltung zum Empfangen und Demodulieren des Funksignals sowie zum Detektieren und verarbeiten der gesendeten Daten. Außerdem weist die integrierte Schaltung einen Speicher zum Ablegen der für die Identifikation des entsprechenden Gegenstandes erforderlichen Daten auf. Weiterhin kann der Transponder einen Sensor z.B. zur Temperaturmessung, der z.B. ebenfalls Teil der integrierten Schaltung ist, umfassen. Solche Transponder werden auch als „Remote Sensors" bezeichnet.Of the Transponder, which is also called a "tag" or "label", has one regularly Antenna for receiving the radio signal radiated by the base station and an integrated circuit (IC) connected to the antenna on. The integrated circuit includes a receiving circuit for receiving and demodulating the radio signal as well as for detecting and process the sent data. In addition, the integrated Circuit a memory for storing the for the identification of the corresponding Subject required data. Furthermore, the transponder a sensor e.g. for temperature measurement, e.g. also part the integrated circuit is included. Such transponders will be also as "remote Sensors "designated.
RFID-Transponder können überall dort vorteilhaft eingesetzt werden, wo eine automatische Kennzeichnung, Erkennung, Abfrage oder Überwachung erfolgen soll. Mit Hilfe von solchen Transpondern sind Gegenstände wie z.B. Behälter, Paletten, Fahrzeuge, Maschinen, Gepäckstücke, aber auch Tiere oder Personen individuell markierbar und kontaktlos sowie ohne Sichtverbindung identifizierbar.RFID transponder can be everywhere be used to advantage where automatic marking, Detection, interrogation or monitoring should be done. With the help of such transponders are objects like e.g. Container, Pallets, vehicles, machines, luggage, but also animals or persons individually markable and contactless as well as without line of sight identifiable.
Bei „Remote Sensors" können darüber hinaus physikalische Eigenschaften bzw. Größen erfaßt und abgefragt werden.At "Remote In addition, sensors can physical properties or sizes are detected and queried.
Auf dem Gebiet der Logistik können Container, Paletten und dergleichen identifiziert werden, um beispielsweise im Verlauf ihres Transportes den aktuellen Aufenthaltsort zu bestimmen. Bei „Remote Sensors" kann z.B. die Temperatur der transportierten Waren oder Güter regelmäßig gemessen und abgespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden. Auf dem Gebiet des Plagiatschutzes können Gegenstände wie z.B. integrierte Schaltungen mit einem Transponder versehen werden, um unautorisierte Nachbauten zu verhindern. Im Handelsbereich können RFID-Transponder die vielfach auf Produkten angebrachten Barcodes ersetzen. Weitere Anwendungen bestehen z.B. im Kraftfahrzeugbereich bei Wegfahrsperren oder Systemen zur Überwachung des Luftdrucks in Reifen sowie in Systemen zur Personen-Zugangskontrolle.On the field of logistics Containers, pallets and the like can be identified, for example to determine the current whereabouts in the course of their transport. At "Remote Sensors "may e.g. the temperature of the transported goods or goods regularly measured and stored and at a later time Time to be read out. In the field of plagiarism protection, items such as e.g. integrated circuits are provided with a transponder, to prevent unauthorized replicas. In the trading area, RFID transponders replace the barcodes frequently applied to products. Further Applications exist e.g. in the automotive sector at immobilizers or systems for monitoring air pressure in tires and personal access control systems.
Passive Transponder verfügen nicht über eine eigenständige Energieversorgung und entnehmen die für ihren Betrieb erforderliche Energie dem von der Basisstation emittierten elektromagnetischen Feld. Semi-passive Transponder weisen zwar eine eigene Energieversorgung auf, verwenden die durch sie bereitgestellte Energie aber nicht zum Senden/Empfangen von Daten, sondern beispielsweise zum Betreiben eines Sensors.passive Have transponders not over one independent Energy supply and remove the required for their operation Energy emitted by the base station electromagnetic field. Although semi-passive transponders have their own power supply but do not use the energy provided by them to send / receive data, but for example to operate a sensor.
RFID-Systeme mit passiven und/oder semi-passiven Transpondern, deren maximaler Abstand von der Basisstation deutlich über einem Meter liegt, werden in Frequenzbereichen betrieben, die insbesondere im UHF- oder Mikrowellenbereich liegen.RFID systems with passive and / or semi-passive transponders whose maximum Distance from the base station is well over a meter operated in frequency ranges, especially in the UHF or microwave range lie.
In solchen passiven/semipassiven RFID-Systemen mit relativ großer Reichweite kommt zur Datenübertragung von einem Transponder zur Basisstation im allgemeinen ein Rückstrahlverfahren („Backscattering") zum Einsatz, im Zuge dessen ein Teil der von der Basisstation beim Transponder ankommenden Energie reflektiert (rückgestrahlt) wird. Hierbei wird das von der Basisstation abgestrahlte Trägersignal in der integrierten Schaltung des Transponders entsprechend den an die Basisstation zu übertragenden Daten moduliert und mittels der Transponder-Antenne reflektiert. Solche Transponder werden als rückstreubasierte Transponder bezeichnet.In Such passive / semi-passive RFID systems with relatively long range comes to data transfer From a transponder to the base station in general, a backscattering ("backscattering") is used, in Part of the incoming from the base station at the transponder Energy reflected (re-radiated) becomes. At this time, the carrier signal radiated from the base station becomes in the integrated circuit of the transponder according to the to be transmitted to the base station Data modulated and reflected by the transponder antenna. Such transponders are called backscatter-based Transponder called.
Um bei rückstreubasierten Transpondern eine möglichst große Reichweite zu erzielen, ist es erforderlich, einen möglichst hohen Anteil der von der Basisstati on beim Transponder ankommenden Energie der integrierten Empfangsschaltung des Transponders zuzuführen. Leistungsverluste jeglicher Art sind hierbei zu minimieren. Hierzu sind einerseits Transponder-Antennen mit einem relativ breiten Empfangsfrequenzbereich erforderlich. Solche relativ breitbandigen Antennen können darüber hinaus den Vorteil bieten, die Anforderungen mehrerer nationaler oder regionaler Regulierungsbehörden mit nur einem Antennentyp zu erfüllen. Andererseits ist die von der Transponder-Antenne aufgenommene Energie möglichst ungeschmälert der integrierten Empfangsschaltung zuzuführen, die üblicherweise eine kapazitive Eingangsimpedanz, d.h. eine Impedanz mit negativem Imaginärteil aufweist.In order to achieve the largest possible range in backscatter-based transponders, it is necessary to supply the highest possible proportion of the on-base station on the transponder incoming energy of the integrated receiving circuit of the transponder. Power losses of any kind are to be minimized here. For this purpose, on the one hand transponder antennas with a relatively wide Reception frequency range required. Such relatively broadband antennas may also provide the benefit of meeting the requirements of multiple national or regional regulatory authorities with only one type of antenna. On the other hand, the energy absorbed by the transponder antenna is to be supplied as undiminished as possible to the integrated receiving circuit, which usually has a capacitive input impedance, ie an impedance with a negative imaginary part.
Aus
der
Nachteilig ist hierbei, daß die Impedanz dieser Antenne stark vom konjugiert komplexen Wert der Impedanz des Chipeingangsschaltkreises abweicht und deshalb zwischen Antenne und Chip ein zusätzlicher, separater Anpassungsschaltkreis mit einer Spule und einem Kondensator erforderlich ist. Aufgrund von parasitären Widerständen dieser Bauelemente kommt es transponderseitig zu Leistungsverlusten, die nachteiligerweise die Reichweite reduzieren. Weiterhin schränkt der separate Anpassungsschaltkreis die Freiheit bei der Plazierung des Chips ein und verursacht aufwendigere und daher kostenintensivere Implementierungen des Transponders.adversely Here is that the Impedance of this antenna greatly depends on the conjugate complex value of Impedance of chip input circuit deviates and therefore between Antenna and chip an additional, separate matching circuit with a coil and a capacitor is required. Due to parasitic resistances of these components comes it transponder side to power losses, the disadvantageous reduce the range. Furthermore, the separate matching circuit limits the freedom in the placement of the chip and causes more complex and therefore more expensive implementations of the transponder.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer integrierten Empfangsschaltung (IC) zum Empfangen eines spektral in einem Betriebsfrequenzbereich liegenden Funksignals anzugeben, die größere Reichweiten sowie einfachere Implementierungen des Transponders ermöglicht und einen breitbandigen Empfang von hochfrequenten Funksignalen erlaubt. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, einen einfach zu realisierenden rückstreubasierten RFID-Transponder anzugeben, der eine größere Reichweite bei einem breitbandigen Empfang von hochfrequenten Funksignalen aufweist.In front In this background, the invention is based on the object Antenna for a backscatter-based RFID transponder with an integrated receiving circuit (IC) for Receiving a spectrally located in an operating frequency range radio signal specify the larger ranges as well simpler implementations of the transponder allows and broadband reception of high-frequency radio signals allowed. It is also the object of the invention to provide an easy to implement backscatter-based To specify RFID transponders the greater range with a broadband reception of high-frequency radio signals having.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Antenne und einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 15.According to the invention this Task solved by an antenna and a backscatter-based RFID transponder with the features of claims 1 and 15 respectively.
Die erfindungsgemäße Antenne weist zwei Antennenzweige auf, die sich spiralförmig von einem zentralen Bereich, in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung verbindbar sind, nach außen erstrecken, wobei jeder Antennenzweig eine Zweiglänge entlang des Zweiges aufweist, die so gewählt ist, daß eine der Serienresonanzfrequenzen der Antenne unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs und die nächsthöhere Parallelresonanzfrequenz der Antenne oberhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegt.The antenna according to the invention has two antenna branches spiraling from a central region, in which the antenna branches with the integrated receiving circuit are connectable to the outside extend, each antenna branch along a branch length of the branch that has been chosen is that one the series resonance frequencies of the antenna below the operating frequency range and the next higher parallel resonance frequency the antenna is above the operating frequency range.
Der erfindungsgemäße RFID-Transponder weist eine integrierte Empfangsschaltung mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz sowie eine mit der integrierten Empfangsschaltung verbundene erfindungsgemäße Antenne auf.Of the inventive RFID transponder has an integrated receiving circuit with a capacitive input impedance and an antenna according to the invention connected to the integrated receiving circuit on.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Länge der Antennenzweige so zu wählen, daß der gewünschte Betriebsfrequenzbereich zwischen einer der Serienresonanzfrequenzen und der nächsthöheren (benachbarten) Parallelresonanzfrequenz der Antenne liegt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Antenne im Betriebsfrequenzbereich induktive Blindwiderstandswerte aufweist. Dies ermöglicht es, die Eingangsimpedanz der Antenne im Betriebsfrequenzbereich derart an die konjugiert komplexen Werte der Eingangsimpedanz der integrierten Empfangsschaltung anzunähern, daß keine separate Anpassungsschaltung zwischen Antenne und Empfangsschaltung erforderlich ist. Auf diese Weise werden transponderseitige Leistungsverluste reduziert, so daß sich hohe Reichweiten ergeben und ein breitbandiger Empfang hochfrequenter Funksignale möglich ist. Außerdem werden hierdurch einfachere und kostengünstigere Implementierungen des Transponders ermöglicht.The Essence of the invention is to the length of the antenna branches so choose, that the desired operating frequency range between one of the series resonance frequencies and the next higher (adjacent) Parallel resonance frequency of the antenna is located. This will ensure that the antenna has inductive reactance values in the operating frequency range. this makes possible it, the input impedance of the antenna in the operating frequency range to the conjugate complex values of the input impedance of the integrated receiving circuit approximate that no separate matching circuit between antenna and receiving circuit is required. To this Way transponder side power losses are reduced, so that yourself reach high ranges and a broadband reception of high frequency Radio signals possible is. Furthermore This makes simpler and cheaper implementations allows the transponder.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu entnehmen.advantageous Refinements and developments of the invention are the dependent claims and the description with reference to the drawing.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne ist die Zweiglänge so gewählt, daß die Antenne Werte einer induktiven Eingangsimpedanz aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven Eingangsimpedanz angenähert sind, daß zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist. Hierdurch kann der IC ohne Beschränkungen durch separate Bauelemente zur Impedanzanpassung direkt im zentralen Bereich der Antennenzweige plaziert werden, so daß besonders einfache und kostengünstige, aber dennoch leistungsstarke Transponderrealisierungen mit großen Reichweiten ermöglicht werden.In a preferred embodiment the antenna according to the invention is the branch length chosen so that the Antenna has values of inductive input impedance that are in Operating frequency range such to the complex conjugate values the capacitive input impedance are approximated that between Antenna and integrated receiving circuit no circuitry is required for impedance matching. This allows the IC without restrictions by separate components for impedance matching directly in the central Area of the antenna branches are placed so that particularly simple and inexpensive, but nevertheless powerful transponder realizations with large ranges allows become.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Zweiglänge so gewählt, daß diejenige der Serienresonanzfrequenzen unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegt, die dazu führt, daß die Antenne Werte einer induktiven Eingangsimpedanz aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven Eingangsimpedanz angenähert sind, daß zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist. Aus denjenigen Frequenzbereichen, in denen die Antenne induktive Blindwiderstandswerte aufweist, wird hier durch die entsprechende Festlegung der Zweiglänge vorteilhaft derjenige ausgewählt, der sehr gute Impedanzanpassungen und damit sehr hohe Reichweiten ohne separate Bauelemente zur Impedanzanpassung ermöglicht.In an advantageous embodiment, the branch length is selected such that the one of the series resonance frequencies lies below the operating frequency range, which results in the antenna having values of inductive input impedance which in the operating frequency range are in such a way connected to the complex conjugate values of the capacitive input impedance Danz are approximated that no circuitry for impedance matching is required between the antenna and integrated receiving circuit. From those frequency ranges in which the antenna has inductive reactance values, the appropriate determination of the branch length advantageously selects the one which enables very good impedance matching and thus very high ranges without separate components for impedance matching.
Vorteilhaft entspricht die Serienresonanzfrequenz der niedrigsten Serienresonanzfrequenz fs1 der Antenne – und damit die Parallelresonanzfrequenz der niedrigsten Parallelresonanzfrequenz fp1 der Antenne. Indem die Zweiglänge also derart gewählt ist, daß der gewünschte Betriebsfrequenzbereich zwischen der niedrigsten Serienresonanzfrequenz und der niedrigsten Parallelresonanzfrequenz der Antenne liegt, kann die Antennenimpedanz vorteilhaft auch bei relativ kleinen Wirkwiderständen der integrierten Empfangsschaltung an die konjugiert komplexen Werte der Eingangsimpedanz der Empfangsschaltung angeglichen werden.Advantageous corresponds to the series resonance frequency of the lowest series resonance frequency fs1 of the antenna - and so that the parallel resonance frequency of the lowest parallel resonance frequency fp1 of the antenna. By choosing the branch length in this way, that the desired Operating frequency range between the lowest series resonant frequency and the lowest parallel resonance frequency of the antenna, can the antenna impedance advantageous even with relatively small effective resistances of the integrated Receive circuit to the complex conjugate values of the input impedance matched to the receiving circuit.
Vorzugsweise ist jeder Antennenzweig ausgestaltet, mindestens eine volle Umdrehung, insbesondere mindestens 1,5 volle Umdrehungen um den zentralen Bereich zu beschreiben. Hierdurch kann die Antennenimpedanz vorteilhaft sehr einfach im UHF-Frequenzband angepaßt werden.Preferably each antenna branch is configured, at least one full turn, in particular at least 1.5 full revolutions around the central area to describe. As a result, the antenna impedance can be advantageous be easily adapted in the UHF frequency band.
Vorzugsweise weist jeder Antennenzweig eine Zweigbreite quer zum Zweig auf, die sich entlang des Zweiges ändert, wobei die Zweigbreite ausgehend vom zentralen Bereich nach außen hin vorzugsweise zunimmt. Hierdurch wird vorteilhaft ein sehr breitbandiger Empfang ermöglicht.Preferably each antenna branch has a branch width across the branch, the changing along the branch, the branch width starting from the central area towards the outside preferably increases. This is advantageous a very broadband Reception allows.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform bildet jeder Antennenzweig eine innere Radialwendel und eine äußere Radialwendel, wobei diese Radialwendeln vorzugsweise einer logarithmischen Funktion folgen. Derartige Antennen weisen vorteilhaft besonders geringe Reflexionen auf.In a further preferred embodiment each antenna branch forms an inner radial spiral and an outer radial spiral, these radial helices preferably have a logarithmic function consequences. Such antennas advantageously have particularly low Reflections on.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind die Antennenzweige polygonal oder stückweise gerade ausgestaltet. Hierdurch läßt sich bei einer vorgegebenen quadratischen oder rechteckigen Fläche eine bessere Flächenausnutzung durch die Antenne erreichen.In further advantageous embodiments are the antenna branches polygonal or piecewise straight. This can be at a given square or rectangular area one better space utilization reach through the antenna.
Vorzugsweise sind die Antennenzweige planar ausgestaltet und liegen in einer gemeinsamen Ebene. Vorzugsweise umfaßt jeder Antennenzweig eine dünne leitfähige Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist. Hierdurch kann die Antenne besonders einfach implementiert werden.Preferably the antenna branches are planar and lie in one common level. Preferably, each antenna branch comprises one thin conductive layer, which is formed on a substrate. This allows the antenna particularly easy to implement.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen RFID-Transponders ist die integrierte Empfangsschaltung im zentralen Bereich der Antennenzweige angeordnet. Dies ermöglicht sehr einfache Implementierungen des Transponders.In a preferred embodiment the RFID transponder according to the invention the integrated receiving circuit in the central region of the antenna branches arranged. this makes possible very simple implementations of the transponder.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform umfaßt jeder Antennenzweig eine dünne leitfähige Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und die integrierte Empfangsschaltung auf dem Substrat ausgebildet ist. Dies ermöglicht besonders einfache Implementierungen des Transponders.In a further preferred embodiment comprises each antenna branch a thin one conductive Layer that is formed on a substrate, and the integrated Receiving circuit is formed on the substrate. This is especially possible simple implementations of the transponder.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigtThe Invention will be described below with reference to the schematic figures The drawings specified embodiments explained in more detail. in this connection shows
Die
Basisstation
Der
rückstreubasierte,
passive oder semi-passive Transponder
Nachfolgend wird davon ausgegangen, daß der Betriebsfrequenzbereich fB im UHF-Frequenzband liegt, und zwar in einem Frequenzbereich zwischen ca. 840 MHz und ca. 960 MHz. Alternativ kann sich der Betriebsfrequenzbereich auch im nahezu weltweit verfügbaren ISM-Band (industrial, scientific, medical) zwischen 2,4 und 2,5 GHz erstrecken. Weitere alternative Betriebsfrequenzbereiche liegen bei 315 MHz, 433 MHz bzw. 5,8 GHz.following It is assumed that the Operating frequency range fB is in the UHF frequency band, in a frequency range between about 840 MHz and about 960 MHz. alternative The operating frequency range can also be found in the almost worldwide available ISM band (industrial, scientific, medical) range between 2.4 and 2.5 GHz. Further alternative operating frequency ranges are 315 MHz, 433 MHz or 5.8 GHz.
Aufgrund von unterschiedlichen aktuellen Anforderungen der Regulierungsbehörden bzgl. der im Frequenzbereich zwischen 840 und 960 MHz maximal zulässigen Sendeleistungen werden im Lesebetrieb Reichweiten von ca. 5m für den europäischen Markt (500 mW ERP) und ca. 11m für die USA (4 W EIRP) angestrebt.by virtue of of different current requirements of the regulatory authorities regarding the maximum permissible transmission power in the frequency range between 840 and 960 MHz be in reading operation ranges of about 5m for the European market (500 mW ERP) and about 11m for the USA (4 W EIRP).
Die
integrierte Empfangsschaltung
Von
der Anmelderin entwickelte integrierte Empfangsschaltungen
Die
Antenne
Aus
dem in
Diejenigen Frequenzen, bei denen der Blindwiderstand verschwindet (X2 = 0), werden als Resonanzfrequenzen bezeichnet. Nulldurchgänge mit positiver Steigung, d.h. Übergänge von kapazitiven zu induktiven Blindwiderständen, werden hierbei als sog. Serienresonanzfrequenzen fs1, fs2, fs3, ..., Nulldurchgänge mit negativer Steigung, d.h. Übergänge von induktiven zu kapazitiven Werten dagegen als sog. Parallelresonanzfrequenzen fp1, fp2, ... bezeichnet. Die niedrigste Serienresonanzfrequenz wird auch als die „erste" Serienresonanzfrequenz fs1 und die niedrigste Parallelresonanzfrequenz als die „erste" Parallelresonanzfrequenz fp1 bezeichnet.Those Frequencies at which the reactance disappears (X2 = 0), are called resonance frequencies. Zero crossings with positive slope, i. Transitions from capacitive to inductive reactances, are referred to as so-called. Series resonance frequencies fs1, fs2, fs3, ..., zero crossings with negative slope, i. Transitions from Inductive to capacitive values, however, as so-called parallel resonance frequencies fp1, fp2, ... are designated. The lowest series resonance frequency is also as the "first" series resonant frequency fs1 and the lowest parallel resonance frequency as the "first" parallel resonance frequency fp1 denotes.
Aus
dem in
Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die in
Hierdurch
eröffnet
sich die Möglichkeit,
mittels einer entsprechenden Wahl (Festlegung) der Zweiglänge L die
Eingangsimpedanz Z2 der Antenne
Erfindungsgemäß wird die
Zweiglänge
L so gewählt,
daß eine
der Serienresonanzfrequenzen fs1, fs2, fs3, ... der Antenne unterhalb
des Betriebsfrequenzbereichs fB und die nächsthöhere der Parallelresonanzfrequenzen
fp1, fp2, ... der Antenne oberhalb des Betriebsfrequenzbereichs
liegt. Mit der „nächsthöheren" Parallelresonanzfrequenz
ist hierbei die niedrigste derjenigen Parallelresonanzfrequenzen
gemeint, die größer sind
als die eine, unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegende, Serienresonanzfrequenz.
Indem die Zweiglänge
L also derart gewählt
wird, daß der
gewünschte
Betriebsfrequenzbereich fB zwischen einer Serienresonanzfrequenz
fsk mit k = 1, 2, 3, ... und der nächsthöheren Parallelresonanzfrequenz
fpk (mit demselben Wert des Index k) liegt, wird gemäß
Wie
nahe auf diese Weise die induktive Eingangsimpedanz Z2 der Antenne
an die ebenfalls induktive Impedanz Z1' herangeführt werden kann, hängt von
vielen, insbesondere aber den folgenden Randbedingungen ab: a) der
frequenzmäßigen Lage und
Breite des gewünschten
Betriebsfrequenzbereichs fB, b) dem Wert der kapazitiven Eingangsimpedanz
Z1 der Empfangsschaltung
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Zweiglänge
L so gewählt,
daß die induktive
Eingangsimpedanz Z2 der Antenne Werte aufweist, die im Betriebsfrequenzbereich
fB derart an die Impedanz Z1' angenähert sind
bzw. mit Z1' übereinstimmen,
daß zwischen
Antenne
Beispielsweise
unter den vorstehend mit Bezug auf
Die
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um planare Antennen, deren Zweige jeweils in einer gemeinsamen Ebene liegen.at all illustrated embodiments are planar antennas whose branches are each in one common plane.
Die beiden Antennenzweige jedes Ausführungsbeispiels unterscheiden sich nur durch eine Drehung um 180 Grad voneinander. Sie sind damit in ihrer äußeren Form identisch ausgestaltet.The both antenna branches of each embodiment differ only by a rotation of 180 degrees from each other. They are in their outer form identically designed.
Vorzugsweise
umfassen die beiden Antennenzweige jeweils eine dünne leitfähige Schicht
z.B. aus Kupfer, Silber etc., die auf einem gemeinsamen Substrat
z.B. aus Polyimid oder auf einer Leiterplatte ausgebildet ist. vorzugsweise
ist auf diesem Substrat auch die integrierte Empfangsschaltung
Die Zweiglänge L ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils so gewählt, daß der Frequenzbereich von ca. 840 MHz bis ca. 960 MHz zwischen der jeweils niedrigsten Serienresonanzfrequenz fs1 und der jeweils niedrigsten Parallelresonanzfrequenz fp1 der Antenne liegt, was jeweils Antennenzweige zur Folge hat, die im wesentlichen zwei volle Umdrehungen (360 Grad) um den zentralen Bereich beschreiben.The branch length L is in the illustrated embodiments each chosen so that the frequency range from about 840 MHz to about 960 MHz between the lowest Series resonance frequency fs1 and the lowest parallel resonance frequency fp1 of the antenna lies, which in each case results in antenna branches, which is essentially two full turns (360 degrees) around the central one Describe area.
Zur Erhöhung der Breitbandigkeit weisen alle dargestellten Ausführungsbeispiele Antennenzweige auf, deren Zweigbreite W quer zum Zweig sich entlang des Zweiges ändert. Diese Änderung der Zweigbreite kann kontinuierlich entlang des Zweiges oder aber sprunghaft in Schritten erfolgen. Ausgehend vom zentralen Bereich nimmt die Zweigbreite W nach außen hin im allgemeinen zu.to increase the broadband have all illustrated embodiments Antenna branches on whose branch width W across the branch along of the branch changes. This change The branch width can be continuous along the branch or else jump in steps. Starting from the central area takes the branch width W to the outside in general too.
In
diesen Ausführungsbeispielen
weist jede Antenne
Jeder
der Antennenzweige
Ausgehend
vom zentralen Bereich
Wie
in
Das
in
Im
Frequenzbereich von ca. 840 MHz bis ca. 960 MHz weist das erste
Ausführungsbeispiel
induktive Eingangsimpedanzen Z2 mit Werten des Wirkwiderstandes
R2 zwischen ca. 4 und ca. 37 Ohm und Werten des Blindwiderstands
X2 zwischen ca. 160 und ca. 370 Ohm auf. Damit ist die Eingangsimpedanz
Z2 hinreichend an die konjugiert komplexen Werte der Eingangsimpedanz
Z1 der Empfangsschaltung
Das
in
Im o.g. Frequenzbereich weist das zweite Ausführungsbeispiel induktive Eingangsimpedanzen Z2 mit Werten des Wirkwiderstandes R2 zwischen ca. 4 und ca. 16 Ohm und Werten des Blindwiderstands X2 zwischen ca. 180 und ca. 370 Ohm auf. Eine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung ist vorteilhaft auch hier nicht erforderlich.In the above-mentioned frequency range, the second exemplary embodiment has inductive input impedances Z2 with values of the effective resistance R2 between approximately 4 and approximately 16 ohms and values of the reactive impedance X2 stands between about 180 and about 370 ohms. A separate circuit arrangement for impedance matching is advantageously also not required here.
Das
in
Im o.g. Frequenzbereich weist das dritte Ausführungsbeispiel induktive Eingangsimpedanzen Z2 mit Werten des Wirkwiderstandes R2 zwischen ca. 4 und ca. 35 Ohm und Werten des Blindwiderstands X2 zwischen ca. 170 und ca. 400 Ohm auf. Eine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung ist vorteilhaft auch hier nicht erforderlich.in the above-mentioned Frequency range, the third embodiment inductive input impedances Z2 with values of effective resistance R2 between about 4 and about 35 ohms and values of reactance X2 between about 170 and about 400 Ohm up. A separate circuit arrangement for impedance matching is advantageous also not required here.
Aufgrund
der geringen Steilheit der Verläufe der
Impedanz über
der Frequenz weisen die in
Anstelle
der mit Bezug auf
In
diesem Ausführungsbeispiel
weist die Antenne
Jeder
der Antennenzweige
Ausgehend
vom zentralen Bereich
Die
Antennenzweige
Die
Breite W der Antennenzweige bleibt vorzugsweise in jedem geraden
Zweigabschnitt konstant, ändert
sich aber „sprunghaft" in den Ecken. Ausgehend
vom zentralen Bereich
Die
in
Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. So ist die Erfindung beispielsweise weder auf passive oder semi-passive Transponder, noch auf die angegebenen Frequenzbänder, die angegebenen Impedanzwerte der integrierten Empfangsschaltung oder die gezeigten Formen der Windungen der Antennenzweige etc. beschränkt. Die Erfin dung kann vielmehr vorteilhaft in unterschiedlichsten kontaktlosen Kommunikationssystemen eingesetzt werden.Although the present invention has been described above by means of embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. For example, the invention is not limited to passive or semi-passive transponders, nor to the specified frequency bands, the specified impedance values of the integrated receiving circuit or the illustrated forms of the turns of the antenna branches, etc. The inven tion can rather be used advantageously in a variety of contactless communication systems.
- 1010
- RFID-SystemRFID system
- 1111
- Basisstation, Schreib-/Lesegerät, Lesegerät, ReaderBase station, Read / write device, reader, reader
- 1212
- Antenne der Basisstationantenna the base station
- 1313
- Sende-/Empfangseinheit der BasisstationTransmit / receive unit the base station
- 1414
- Kontrolleinheit der Basisstationcontrol unit the base station
- 1515
- Transponder bzw. Remote Sensortransponder or remote sensor
- 1616
- Antenne des Transpondersantenna of the transponder
- 1717
- integrierte Empfangsschaltung des Transpondersintegrated Reception circuit of the transponder
- 2020
- Antenne des Transpondersantenna of the transponder
- 21, 2221 22
- erster bzw. zweiter Antennenzweigfirst or second antenna branch
- 21a, 22a21a, 22a
- innere Radialwendel des ersten bzw. zweiten Antennenzweigesinner Radial spiral of the first and second antenna branch
- 21b, 22b21b, 22b
- äußere Radialwendel des ersten bzw. zweiten Antennenzweigesouter radial spiral of the first and second antenna branches
- 2323
- zentraler Bereich der Antennecentrally Area of the antenna
- 3030
- Antenne des Transpondersantenna of the transponder
- 31, 3231 32
- erster bzw. zweiter Antennenzweigfirst or second antenna branch
- 3333
- zentraler Bereich der Antennecentrally Area of the antenna
- EIRPEIRP
- emitted isotropic radiated powerEmitted isotropic radiated power
- ERPERP
- emitted radiated powerEmitted radiated power
- ISMISM
- industrial, scientific, medical (Frequenzband bei 2,4 GHz)industrial, scientific, medical (frequency band at 2.4 GHz)
- RFIDRFID
- Radio frequency identificationradio frequency identification
- fBfB
- BetriebsfrequenzbereichOperating frequency range
- fp1fp1
- niedrigste Parallelresonanzfrequenz der Antennelowest Parallel resonance frequency of the antenna
- fp2fp2
- zweitniedrigste Parallelresonanzfrequenz der Antennesecond lowest Parallel resonance frequency of the antenna
- fs1fs1
- niedrigste Serienresonanzfrequenz der Antennelowest Series resonance frequency of the antenna
- fs2fs2
- zweitniedrigste Serienresonanzfrequenz der Antennesecond lowest Series resonance frequency of the antenna
- LL
- Zweiglängebranch length
- R1, R2R1, R2
- Wirkwiderstand von Z1 bzw. Z2, Realteil von Z1 bzw. Z2effective resistance of Z1 or Z2, real part of Z1 or Z2
- WW
- Zweigbreitebranch width
- X1, X2X1, X2
- Blindwiderstand von Z1 bzw. Z2, Imaginärteil von Z1 bzw. Z2reactance of Z1 or Z2, imaginary part from Z1 or Z2
- Z1 = R1 + j·X1Z1 = R1 + j × X1
- Eingangsimpedanz der integrierten Empfangsschaltunginput impedance the integrated receiving circuit
- Z2 = R2 + j·X2Z2 = R2 + j × X2
- Eingangsimpedanz der Antenneinput impedance the antenna
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2007
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