Smart Devices GmbH & Co. KG. Smart Devices GmbH & Co. KG. Universität Hannover. Dr.-Ing. Michael Camp,

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1 Optimierung der Anpassung zwischen integrierter Schaltung und Antennensystem bei UHF-RFID-Transpondern durch variable Chippositionierung auf der Antenne, Fachgebiet Hochfrequenz- Technik und Funksysteme Appelstraße 9 A D Hannover Smart Devices GmbH & Co. KG Produktionstechnisches Zentrum Hannover (PZH) Schönebecker Allee Garbsen

2 Übersicht Smart Devices GmbH & Co. KG 1. Antennenproblematik bei RFID-Systemen 2. Breitbandantennendesign 3. Anpassnetzwerke mit variabler Chippositionierung 4. Kombination verschiedener Antennengeometrien 5. Zusammenfassung

3 Problematik bei RFID-Transpondern im realen Einsatz: Materialien (z.b. menschliches Gewebe) in der Antennenumgebung verändern die Antennenparameter Simulation Einfluß muß für optimale Antennenperformance ebenfalls berücksichtigt werden!

4 Zwei Haupteffekte: 1. Abschirmeffekte 2. Veränderung der Antennenimpedanz geringe Abschirmung! Veränderung der Antennenimpedanz kann durch das Antennendesign beeinflußt werden hohe Abschirmung! Abschirmeffekte sind durch das Antennendesign nicht zu beeinflussen

5 0-0.5 Smart Devices GmbH & Co. KG Einfluss der Substratstärke (Polyester) Variation Variation im im Folienstärkebereich Folienstärkebereich S 11 / db -1 Geringe Geringe Variation Variation der der Substratdicke Substratdicke S d d (100 (100 µm µm µm) µm) Veränderung Veränderung der der Resonanzfrequenz Resonanzfrequenz zu zu vernachlässigen vernachlässigen S d = d mm mm S d = d mm mm S d = d mm mm Frequenz / GHz Polyestersubstrat

6 0-0.5 Smart Devices GmbH & Co. KG Einfluss der Substratstärke (Polyester) Variation Variation im im Kartenstärkebereich Kartenstärkebereich S 11 / db -1 Mittlere Mittlere Variation Variation der der Substratdicke Substratdicke S d d (100 (100 µm µm µm) µm) Deutliche Deutliche Veränderung Veränderung der der Resonanzfrequenz Resonanzfrequenz S d = d mm mm S d = d 1 mm mm S d = d mm mm Frequenz / GHz Polyestersubstrat

7 0-0.5 Smart Devices GmbH & Co. KG Einfluss der Substratstärke (Polyamid) Variation Variation im im Kartenstärkebereich Kartenstärkebereich S 11 / db -1 Mittlere Mittlere Variation Variation der der Substratdicke Substratdicke S d d (100 (100 µm µm µm) µm) Deutliche Deutliche Veränderung Veränderung der der Resonanzfrequenz Resonanzfrequenz S d = d mm mm S d = d 1 mm mm S d = d mm mm Frequenz / GHz Polyamidsubstrat

8 Übersicht Smart Devices GmbH & Co. KG 1. Antennenproblematik bei RFID-Systemen 2. Breitbandantennendesign 3. Anpassnetzwerke mit variabler Chippositionierung 4. Kombination verschiedener Antennengeometrien 5. Zusammenfassung

9 Logarithmische Spiralantennen - Parametervariation Chipposition doi=0.9 doi=1.0 doi=1.1 doi=1.2 doi=1.4 doi=1.5 doi=1.6 doi=1.7 Optimierung durch Parametervariation (komplexe Leistungsanpassung an den Transponderchip erforderlich) vollautomatische Berechnung mittels Simulationsverfahren und neuer Entwicklungstools möglich

10 Smart Smart Devices Devices GmbH GmbH & & Co. Co. KG KG Logarithmisch periodische Antennen - Simulation Chipposition doi=0.5 doi=0.75 doi=1 doi=1.25 doi=1.5 doi=1.75 doi=2 doi=2.25 Optimierung durch Parametervariation (komplexe Leistungsanpassung an den Transponderchip erforderlich) vollautomatische Berechnung mittels Simulationsverfahren und neuer Entwicklungstools möglich

11 Berechnung mittels Finite Elemente Methode Beispiel: logarithmische Spiralantenne mit einer Umdrehung Die Maximaldimensionen der Volumenelemente sollten kleiner λ/10 sein (je (je kleiner um so so genauer das Ergebnis aber um so so größer die Rechenzeit)

12 Diskretisierung des umgebenden Raumes Beispiel: logarithmische Spiralantenne mit einer Umdrehung Die umgebende Radiation Box sollte mindestens λ/4 --Abstand von der Antenne haben

13 Berechnung der elektromagnetischen Felder Beispiel: zweiarmige logarithmische Spiralantenne E-Feldverteilung

14 Berechnung der Stromverteilung Beispiel: logarithmische Spiralantenne mit einer Umdrehung

15 Vollautomatische Optimierung der Antennenparameter (Beispiel: logarithmisch periodische Antenne mit verschiedenen Basisfunktionen) Treppenbasis Trapezbasis Sinusbasis schnelle schnelle Variation Variation der der Antennenparameter Antennenparameter mittels mittels neuer neuer Entwicklungstools Entwicklungstools möglich möglich vollautomatische vollautomatische Optimierung Optimierung der der Antennenparameter Antennenparameter realisierbar realisierbar

16 Vollautomatische Optimierung der Antennenparameter (Beispiel: logarithmisch periodische Antenne mit Sinusbasisfunktion) schnelle schnelle Variation Variation der der Antennenparameter Antennenparameter mittels mittels neuer neuer Entwicklungstools Entwicklungstools möglich möglich vollautomatische vollautomatische Optimierung Optimierung der der Antennenparameter Antennenparameter realisierbar realisierbar

17 RFID-Breitbandantennen - Realisierung Breitbandantennensysteme ermöglichen: --optimalen Betrieb der Transponderchips bei verschiedenen Umgebungsbedingungen --nur geringe Schwankungen der Empfangsreichweiten (z.b. bedingt durch Produktionsprozess) --Verwendung nur einer Antenne in in verschiedenen Frequenzbereichen (z.b. Europa: MHz, USA: MHz) Breitbandantennensysteme ermöglichen nicht: --Betrieb verschiedener Transponderchips mit gleichem Antennensubstrat

18 Übersicht Smart Devices GmbH & Co. KG 1. Antennenproblematik bei RFID-Systemen 2. Breitbandantennendesign 3. Anpassnetzwerke mit variabler Chippositionierung 4. Kombination verschiedener Antennengeometrien 5. Zusammenfassung

19 Anpassungsnetzwerk mit variabler Chippositionierung Antenne ohne Anpassung Chippositionen mit Anpassung variable Chippositionierung!

20 Parametervariation des Anpassungsnetzwerks Maximale Variationsmöglichkeit von von Z bei: bei: Meanderanzahl k a a möglichst groß groß Meanderlänge l a l a möglichst klein klein Meanderbreite b a a möglichst groß groß Leiterbahnbreite w a a möglichst klein klein Meanderlänge l a l Leiterbahnbreite w a Meanderbreite b a

21 200 Einfluss des Anpassungsnetzwerks Re{Z} / Ohm Im{Z} / Ohm Wachsende Anzahl an an 800 Wachsende Anzahl an an 100 Anpassungsmeandern k aa 600 Anpassungsmeandern k aa k n = Frequenz / MHz Frequenz / MHz 5-Arm-Meanderlineantenne (k (k = 5), 5), b = mm, mm, l l = mm, mm, w = 1 mm mm Breite Variation von von Real- Real-und Imaginärteil der der Eingangsimpedanz mittels Anpassungsnetzwerk realisierbar

22 Realisierung Smart Devices GmbH & Co. KG Sputterverfahren 5-Arm-Meanderlineantenne (k (k = 5), 5), b = mm, mm, l l = mm, mm, w = 1 mm mm Realisierung mittels Sputterverfahren Passmarken für für Produktion erforderlich Thermodenbereich der der Produktionsmaschinen beachten

23 Übersicht Smart Devices GmbH & Co. KG 1. Antennenproblematik bei RFID-Systemen 2. Breitbandantennendesign 3. Anpassnetzwerke mit variabler Chippositionierung 4. Kombination verschiedener Antennengeometrien 5. Zusammenfassung

24 Kombination verschiedener Antennengeometrien zur Kompensation der Umgebung Die Kombination verschiedener Antennen ermöglicht die Realisierung verschiedener Antennenimpedanzen (z.b. zur Kompensation verschiedener Untergründe oder zur Implementierung verschiedener Transponderchips) Auswahl der gewünschten Antenne durch entsprechende Positionierung der Transponderchips Problemlose Realisierung mittels moderner Pick and Place Produktionsanlagen Antenne 2 Antenne 1 Antenne 1 Antenne 2 Antenne 1 Antenne 2

25 Chipposition 1 Chipposition 2 Antenne 1 Antenne 1 Antenne 2 Antenne 2 IC IC Antenne 2 Antenne 2 Antenne 1 Antenne 1 Verkopplung der Antennen muß beim Design berücksichtigt werden Anpassung an verschiedene Untergründe oder verschiedene Chiptypen kann realisiert werden

26 Kombination verschiedener Antennen Antenne 1 Antenne 2 doi= Automatische Berechnung und Optimierung mittels neuer Entwicklungstools möglich

27 Kombination verschiedener Antennen Auswahl eines geeigneten Antennenpaares Konvergenzpunkte realisierbar Antenne Re{Z} / Ω Im{Z} / Ω doi ansteigend ( ) doi ansteigend ( ) Konvergenzpunkt bei 868 MHz Frequenz / MHz Antenne Frequenz / MHz Frequenz / MHz Im{Z} / Ω 0-50 Re{Z} / Ω doi ansteigend ( ) Antenne 2 doi ansteigend ( ) Antenne Frequenz / MHz

28 Kombination verschiedener Antennetypen Schnelle Schnelle Variation Variation der der Antennenparameter Antennenparameter möglich möglich optimale optimale Anpassung Anpassung der der Antennen Antennen an an die die verwendeten verwendeten Transponderchips Transponderchips

29 Zusammenfassung Smart Devices GmbH & Co. KG Derzeit: überwiegend Einsatz schmalbandiger Antennendesigns für für RFID- RFID- Applikationen aufgrund zeitintensiver Entwicklung geeigneter Breitbandantennendesigns --geringe geringe Reichweiten --große große Reichweitenschwankungen --fehleranfällig Breitbandantennen ermöglichen eine eine optimale Systemperformance -- größere Reichweiten möglich -- geringere Reichweitenschwankungen -- geringere Fehleranfälligkeit durch durch Schwankungen im im Produktionsprozess -- Einsatz Einsatz identischer Transponder bei bei verschiedenen Produktgruppen möglich Anpassnetzwerke oder oder Kombinationen von von verschiedenen Antennendesigns ermöglichen den den Betrieb verschiedener Transponderchips mit mit dem dem gleichen Antennensubstrat