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3 Grundlegende Funktionsweise

Abb. 3.1 Die Aufteilung der verschiedenen Funktionsweisen von RFID-Systemen in den Kapiteln.

Dieses Kapitel beschreibt das grundstzliche Zusammenwirken zwischen dem Transponderund einem Lesegert, insbesondere die Spannungsversorgung des Transponders und die Da-tenbertragung vom Transponder zum Lesegert. Eine tiefergehende Beschreibung der phy-sikalischen Zusammenhnge sowie mathematische Modelle fr induktive Kopplung oderBackscatter-Systeme sind dem Kap. 4 Physikalische Grundlagen fr RFID-Systeme, S. 63zu entnehmen.

n bit (Memory)elektronisch /physikalisch

n bit (Memory)elektronisch /physikalisch

Full DuplexKapitel 3.2

Full DuplexKapitel 3.2

MikrowellenKapitel 3.2.2

MikrowellenKapitel 3.2.2

Induktive Kopl.Kapitel 3.3.1

Induktive Kopl.Kapitel 3.3.1

Oberflchen-wellen

Kapitel 3.3.2

Oberflchen-wellen

Kapitel 3.3.2

RadiofrequenzKapitel 3.1.1

RadiofrequenzKapitel 3.1.1

MikrowelleKapitel 3.1.2

MikrowelleKapitel 3.1.2

SequentiellKapitel 3.3

SequentiellKapitel 3.3

Induktive Koppl.Kapitel 3.2.1

Induktive Koppl.Kapitel 3.2.1

Close CouplingKapitel 3.2.3

Close CouplingKapitel 3.2.3

LastmodulationKapitel 3.2.1.3.1

LastmodulationKapitel 3.2.1.3.1

SubharmonischKapitel 3.2.1.3.2

SubharmonischKapitel 3.2.1.3.2

BackscatterKapitel 3.2.2.3

BackscatterKapitel 3.2.2.3

magn. / kapazitivKapitel 3.2.3.3

magn. / kapazitivKapitel 3.2.3.3

Frequenz-TeilerKapitel 3.1.3

Frequenz-TeilerKapitel 3.1.3

Elektromagn.Kapitel 3.1.4

Elektromagn.Kapitel 3.1.4

RFID-SystemeRFID-Systeme

1 bit (EAS)Kapitel 3.1

1 bit (EAS)Kapitel 3.1

Akusto-Magn.Kapitel 3.1.5

Akusto-Magn.Kapitel 3.1.5

Kapazitive Koppl.Kapitel 3.2.4

Kapazitive Koppl.Kapitel 3.2.4

30 3 Grundlegende Funktionsweise

3.1 1-bit-Transponder

Ein Bit stellt die kleinste darstellbare Informationseinheit dar und kennt nur zwei Zustnde:1 oder 0. Fr Systeme mit 1-bit-Transponder bedeutet dies, dass nur zwei Systemzustn-de darstellbar sind: Transponder im Ansprechbereich oder kein Transponder im An-sprechbereich. Trotz dieser Einschrnkung sind 1-bit-Transponder sehr weit verbreitet ihrHaupteinsatzgebiet sind elektronische Diebstahlsicherungen im Warenhaus (EAS electro-nic article surveillance; elektronische Artikelsicherung).

Eine elektronische Artikelsicherung besteht aus folgenden Komponenten: den Antennen ei-nes Lesegertes bzw. Detektors, dem Sicherungsmittel oder Etikett, sowie optional einemDeaktivator zur Entschrfung nach dem Bezahlen. Bei modernen Systemen erfolgt die Ent-wertung gleichzeitig mit der Registrierung des Preiscodes an der Kasse. Manche Systemeverfgen auch noch ber einen Aktivator, mit dem ein Sicherungsmittel nach Entschrfungwieder reaktiviert werden kann [gillert]. Wesentliches Leistungsmerkmal aller Systeme istdie Erkennungs- oder Detektionsrate in Abhngigkeit von der Durchgangsbreite (maximalerAbstand zwischen Transponder und Detektorantenne).

Die Vorgehensweise bei der Abnahme und berprfung installierter Artikelsicherungssyste-me ist in der Richtlinie VDI 4470 mit dem Titel Warensicherungssysteme Kundenabnah-merichtlinie fr Schleusensysteme festgelegt. Diese Richtlinie enthlt Definitionen undTestverfahren zur Ermittlung von Detektionsrate und Fehlalarmquote. Sie kann dem Einzel-handel als Grundlage fr Kaufvertrge oder zur laufenden Leistungskontrolle installierterSysteme dienen. Fr den Produkthersteller stellt die Kundenabnahmerichtlinie ein wirkungs-volles Kontrollinstrument bei der Entwicklung und Optimierung von Integrationslsungenfr Sicherungsprojekte dar [nach VDI 4470].

3.1.1 RadiofrequenzDas Radiofrequenz (RF)-Verfahren arbeitet mit L-C-Schwingkreisen als Sicherungsmittel,welche auf eine definierte Resonanzfrequenz fR abgeglichen sind. Ursprnglich wurdendazu Induktivitten aus gewickeltem Kupferlackdraht mit angeltetem Kondensator imKunststoffgehuse (Hartetikette) verwendet. Heute benutzt man dazu zwischen Folie getzteSpulen als Aufklebeschildchen. Damit der Dmpfungswiderstand nicht zu gro, und damitdie Gte der Schwingkreise nicht zu klein wird, muss die Dicke der Aluminium-Leiterbah-nen auf den 25m starken Polyethylen-Folie wenigstens 50m betragen [jrn]. Zur Herstel-lung der Kondensatorplatten werden 10m dicke Zwischenfolien verwendet.

Durch das Lesegert (Detektionsgert) wird ein magnetisches Wechselfeld im Radiofre-quenzbereich erzeugt (siehe Abbildung 3.2). Nhert man den L-C-Schwingkreis dem ma-gnetischem Wechselfeld, so wird ber die Spule des Schwingkreises Energie aus demWechselfeld in den Schwingkreis eingekoppelt (Induktionsgesetz). Entspricht nun die Fre-quenz fG des Wechselfeldes der Resonanzfrequenz fR des L-C-Schwingkreises, so wird derSchwingkreis zu einer Resonanzschwingung angeregt. Der dadurch im Schwingkreis flie-ende Strom wirkt seiner Ursache, also dem von auen einwirkenden magnetischem Wech-

3.1 1-bit-Transponder 31

selfeld entgegen. (siehe Kap. 4.1.10.1 Transformierte Transponderimpedanz ZT, S. 91).Dieser Effekt macht sich in einer kleinen nderung des Spannungsabfalles ber der Gene-ratorspule des Transmitters bemerkbar und fhrt letztendlich zu einer Abschwchung dermessbaren magnetischen Feldstrke. Auch in einer optionalen Sensorspule ist eine nde-rung der induzierten Spannung messbar, sobald ein resonanter Schwingkreis in das magne-tische Feld der Generatorspule eingebracht wird.

Die relative Strke dieser nderung ist abhngig vom Abstand der beiden Spulen zueinander(Generatorspule Sicherungsmittel, Sicherungsmittel Sensorspule) sowie der Gte Q desangeregten Schwingkreises (im Sicherungsmittel).

Abb. 3.2 Funktionsprinzip des EAS-Radiofrequenzverfahrens.

Die relative Strke der Spannungsnderungen an Generator- und Sensorspule ist in der Regelsehr gering und damit schwierig zu erkennen. Um eine sichere Erkennung der Sicherungs-mittel zu erreichen, ist es aber notwendig, ein mglichst ausgeprgtes Signal zu erhalten.Dies wird durch einen kleinen Trick erreicht: Die Frequenz des erzeugten Magnetfeldes istnicht konstant, sondern wird gewobbelt. Dabei berstreicht die Generatorfrequenz fortlau-fend den Bereich zwischen zwei Eckfrequenzen. Als Frequenzbereich steht den gewobbeltenSystemen dazu der Bereich 8,2 MHz 10% zur Verfgung [jrn].

Immer dann, wenn die gewobbelte Generatorfrequenz genau die Resonanzfrequenz desSchwingkreises (im Transponder) trifft, beginnt dieser einzuschwingen und erzeugt dadurcheinen ausgeprgten Dip der Spannungen an der Genarator- sowie der Sensorspule. AuchFrequenztoleranzen der Sicherungsmittel, bedingt durch Fertigungstoleranzen oder metalli-sche Umgebung, spielen durch das Abtasten eines ganzen Frequenzbereiches keine Rollemehr.

Da die Etiketten an der Kasse nicht abgelst werden, mssen sie so verndert werden, dassein Ansprechen der Diebstahlsicherung ausgeschlossen ist. Hierzu werden die gesichertenProdukte von der Kassiererin auf ein Gert gelegt den Deaktivator , das ein ausreichendstarkes Magnetfeld erzeugt, um mit der induzierten Spannung den Folienkondensator des

Energie

RckwirkungRckwirkung

fG

Transmitter EAS-Label

magnetisches Wechselfeld

UHF

Receiver(optional)

SensorspuleGeneratorspule

32 3 Grundlegende Funktionsweise

Transponders zu zerstren. Die Kondensatoren besitzen dazu eigens eingebaute Sollkurz-schlussstellen, so genannte Dimples. Das Durchschlagen der Kondensatoren ist irreversibelund verstimmt den Schwingkreis so stark, dass dieser durch das Wobbelsignal nicht mehr an-geregt werden kann

Abb. 3.3 Auftreten eines Impedanz-Dip an der Generatorspule an der Resonanzfrequenz des Sicherungs-mittels (Q = 90, k = 1%). Die Frequenz fG des Generators wird kontinuierlich zwischen zwei Eck-frequenzen gewobbelt. Ein RF-Etikett im Feld des Generators erzeugt auf seiner Resonanzfrequenz fR einen ausgeprgten Dip.

Zur Erzeugung des bentigten magnetischen Wechselfeldes im Detektionsbereich der Siche-rungsanlage werden groflchige Rahmenantennen eingesetzt. Die in Sulen integriertenRahmenantennen werden zu Durchgangsschleusen kombiniert. Die klassische Bauform, be-kannt aus jedem greren Kaufhaus, ist in Abbildung 3.4 dargestellt. Mit dem RF-Verfahrenwerden Schleusenbreiten von bis zu 2 m erreicht. Bei der relativ niedrigen Detektionsratevon ca. 70% [gillert] zeigt sich ein relativ starker Einfluss von bestimmten Produktmateria-lien. Vor allem Metalle (z. B. Konservendosen) beeinflussen die Resonanzfrequenz der Eti-ketten sowie die Kopplung zur Detektorspule und beeinflussen damit die Detektionsratenegativ. Um die genannte Schleusenbreite und Detektionsrate zu erreichen, mssen Etikettenvon 50 x 50 mm zum Einsatz kommen.

Tabelle 3.1: Typische Systemparameter fr RF-Systeme [VDI 4471]

Gtefaktor Q der Sicherungsmittel > 60 .. 80

Minimale Deaktivierungsfeldstrke HD 1,5 A/m

Maximale Feldstrke im Detektionsbereich 0,9 A/m

7.2 106 7.4 106 7.6 106 7.8 106 8 106 8.2 106 8.4 106 8.6 106 8.8 1060

50

100

150

200

250

300

|Z1|

frequency / MHz

Impe

danc

e of

gen

erat

or c

oil /

Ohm

.

3.1 1-bit-Transponder 33

Abb. 3.4 links: Typische Rahmenantenne eines RF-Systems (Hhe 1,20 .. 1,60 m); rechts: Bauformen von Etiketten.

Eine groe Herausforderung fr die Systemhersteller besteht in der Eigenschaft verschiede-ner Produkte, ebenfalls Resonanzfrequenzen aufzuweisen (z. B. Kabeltrommeln). Liegendiese Resonanzfrequenzen innerhalb des Wobbelbereiches 8,2 MHz 10%, werden unwei-gerlich Fehlalarme ausgelst.

3.1.2 MikrowelleEAS-Systeme im Mikrowellenbereich nutzen die Entstehung von Harmonischen, an Bautei-len