Kurzanleitung. RFID-UHF-Antenne Mid Range ANT / / 2012

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1 Kurzanleitung RFID-UHF-Antenne Mid Range ANT / / 2012

2 Inhalt 1 Vorbemerkung Sicherheitshinweise Produktbeschreibung Low Range-Antennen Mid Range-Antennen Wide Range-Antennen Antennentyp nach Lesereichweite und Transponderform Technische Daten Reader-Ausgangsleistung Normenkonformität Montage Typische Applikationen Technischer Anhang Antennen-Gewinn ERP: Effektive Strahlungsleistung EIRP: Effektive Isotrope Strahlungsleistung Beispiele Antennen Eingangsleistung Abkürzungen

3 1 Vorbemerkung Lesen Sie dieses Dokument vor dem Einsatz, damit Sie mit Einsatzbedingungen, Installation und Betrieb vertraut werden. Bewahren Sie das Dokument während der gesamten Einsatzdauer des Gerätes auf. Sicherheitshinweise befolgen. 2 Sicherheitshinweise Vor dem Beginn der Installationsarbeiten bzw. vor dem Austausch des Gerätes muss die mitgelieferte Kurzanleitung sorgfältig gelesen und ihr Inhalt verstanden werden. Die detaillierten Angaben in den Datenblättern und in dieser Kurzanleitung müssen bei der Installation und während des Betriebs sorgfältig eingehalten werden! Das Installations-Team muss ordnungsgemäß qualifiziert und mit den im jeweiligen Land geltenden Sicherheitsvorschriften vertraut sein. Der Anschluss, die Einrichtung und die Wartung des Gerätes sowie andere Arbeiten am Gerät dürfen nur von entsprechend qualifizierten und geschulten Mitarbeitern durchgeführt werden. Das Gerät darf nur für den vom Hersteller vorgesehenen Zweck verwendet werden. Durch unbefugte Änderungen und die Verwendung von Ersatzteilen und Zusatzgeräten, die nicht vom Hersteller verkauft bzw. empfohlen werden, können Brände, Stromschläge und Verletzungen verursacht werden. Derartige Handlungen führen daher zum Haftungsausschluss und die Herstellergarantie (Gewährleistung) wird nichtig. Für das Gerät gilt die Version der Herstellergarantie (Gewährleistung), die zum Kaufzeitpunkt gültig war. Für die ungeeignete manuelle oder automatische Einstellung der Geräteparameter und die unangemessene Verwendung des Gerätes wird keine Haftung übernommen. Reparaturen dürfen nur von befugtem Personal durchgeführt werden. Durch Öffnen des Gerätes und Reparaturversuche gehen alle Garantie-/Gewährleistungsansprüche verloren! Durch unsachgemäße Arbeiten am Gerät kann die elektrische Sicherheit des Gerätes beeinträchtigt werden. Der Hersteller haftet nicht für Unfälle, die durch das Öffnen des Gerätes durch den Benutzer verursacht worden sind! Bei der Durchführung von Arbeiten am Gerät müssen die geltenden Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden. 3

4 3 Produktbeschreibung Die ifm RFID-UHF-Antennenfamilie besteht aus verschiedenen UHF-Reader- Antennen, welche die Anforderungen nahezu jeder RFID-Applikation erfüllen können. Die Antennen sind in drei Produktlinien bezüglich der Lesereichweite unterteilt: Low Range-, Mid Range- und Wide Range-Antennen. 3.1 Low Range-Antennen Bei Abmessungen von 90 x 63 mm verfügen die Low Range-Antennen über eine hohe Feldkonzentration im Nahbereich bei gleichzeitig extrem reduziertem Antennengewinn im Fernfeld. Die Antennen erzielen durch diese Eigenschaften Reichweiten bis zu 10 cm mit einer typischen Selektivität von 5 cm. Die Low Range-Antennen gibt es in den Typen Low Range (ANT810/ANT910) und Ultra Low Range (ANT805). Die Ultra Low Range Antenne wurde darauf ausgelegt, dipolförmige Tags ( Fernfeld-Tags ) in einer sehr begrenzten Entfernung zu lesen. Diese Antenne kann darüber hinaus schleifenförmige Tags ( Nahfeld-Tags ) bis auf 3 cm ansprechen. Für eine größere Reichweite wurde die Low Range Antenne entwickelt, die sich insbesondere für Nahfeld-Tags eignet. Die Antennenzuordnung nach Lesereichweite und Transponderform ist in Kapitel 3.4 dargestellt. Abbildung: ANT810 / ANT910 Low Range Antenne Abbildung: ANT805 Ultra Low Range Antenne 3.2 Mid Range-Antennen Für Applikationen im Bereich zwischen Nah- und Fernfeld wurde die Mid Range- Antenne ANT820 entwickelt. Dabei wurde besonders auf eine kompakte Bauform für die Integration in bauraumkritischen Umgebungen Wert gelegt. Bei Abmessungen von 156 x 126 mm sind dennoch Lesereichweiten von mehr als 2 m möglich. Gleichzeitig besitzt die Mid Range-Antenne bei geringen Leseabständen gegenüber herkömmlichen Antennen eine erhöhte Selektivität. Somit eignet sich diese Antennenausführung für die Verwendung im sogenannten Übergangsbereich mit verschiedenen Transpondertypen. 4

5 Abbildung: ANT820 Mid Range Antenne 3.3 Wide Range-Antennen Für die klassischen Fernfeld-Anwendungen mit Lesereichweiten über 10 m bietet ifm eine Wide Range-Antenne an, die sich durch eine Halbwertsbreite von 70 auszeichnet (ANT830). Die für UHF-Anwendungen üblicherweise benötigte zirkulare Polarisation wurde im Vergleich zu den am Markt verfügbaren Antennen signifikant verbessert. Bei dem sogenannten Achsverhältnis, das als Kennwert für die zirkulare Polarisation verwendet wird, erzielt die neue Variante Werte von typisch 1 db. Der marktübliche Wert liegt, wenn überhaupt spezifiziert, bei circa 3 db. Abbildung: ANT830 Wide Range Antenne Die verbesserte Zirkularität führt zu einer deutlich reduzierten Abhängigkeit der Leseergebnisse von Lage oder Ausrichtung der Transponder. Zudem wurde ein großes Augenmerk auf das Vor-/Rückverhältnis der Antennen gelegt, um Einflüsse der näheren (Montage-)Umgebung auf die Antenneneigenschaften zu verringern. Alle Antennen verfügen über eine sehr hohe Schutzklasse, die ihren problemlosen Einsatz in jeder Umgebung gewährleistet. 5

6 3.4 Antennentyp nach Lesereichweite und Transponderform Antennentyp Lesereichweite Tag-Art Schleifenförmig Hybrid Dipolartig ANT805 ANT810 ANT cm cm ANT cm > 100 cm cm ANT cm > 200 cm Die richtige Kombination von Reader-Antenne und Transponder ist wesentlich für jede RFID-Applikation. Die korrekte Wahl sichert eine hohe Leserate und den zuverlässigen Betrieb des Systems. Die Low Range- (ANT810/ANT910) und Ultra Low Range-Antennen (ANT805) können die schleifenförmigen, die Hybrid- und die dipolartigen Transponder bis zu 10 cm lesen und verfügen über eine sehr gut definierte Lesereichweite. Die Mid Range-Antenne (ANT820) kann die schleifenförmigen Transponder bis zu 30 cm ansprechen, die Hybrid- bis zu 100 cm und die dipolartigen Transponder bis zu mehreren Metern. Die Wide Range-Antenne (ANT830) ist für die typischen dipolartigen Transponder mit Lesereichweiten von über 10 m ausgelegt, sie kann aber auch die Nahfeld- Schleifenförmigen und Hybrid-Transponder bei einer geringen Entfernung lesen. 6

7 Die typischen Lesereichweiten der vorgestellten Antennen sind in der folgenden Abbildung zu sehen. 10m 8m 6m 4m 2m ANT ERP ANT ERP ANT805/ANT810 4m 2m 0 2m 4m Abbildung: Lesereichweiten der RFID-UHF-Antennen Um beste Lese- bzw. Schreibergebnisse zu erzielen, wird empfohlen, die ifm UHF-RFID-Reader-Antennen ausschließlich mit den UHF-Readern von ifm zu betreiben. 7

8 4 Technische Daten Typ Nr. ANT820 Frequenzbereich MHz Antennen-Gewinn dbic 4 Polarisation Rechtshändig zirkular (RHC) VSWR < 1,3 : 1 Impedanz Ω 50 Vor-/Rückverhältnis cm > 10 Max. abgestrahlte Leistung (ETSI EN ) W ERP 0,5 Fernfeld-Öffnungswinkel 100 Anschluss TNC-Buchse Schutzklasse IP 67 Gewicht g 320 Abmessungen (B x H x T) mm 156 x 126 x 36 Material Montage Temperaturbereich Antennenhaube: Polymer-Blend Vier Durchgangsbohrungen Ø 4,2 mm für M4-Schrauben Lagertemperatur: -40 C +85 C Umgebungstemperatur: -20 C +55 C Die Antenne ANT820 ist rechtshändig zirkular polarisiert und besitzt einen typischen Antennengewinn von 4 dbic. Im folgenden Bild ist der zirkulare Gewinn über der Frequenz aufgetragen, grau hinterlegt ist der Arbeitsbereich der Antenne. Außerhalb des Arbeitsbereiches fällt der Gewinn der Antenne ANT820 ab. Durch diese Absenkung werden Störungen durch andere Systeme minimiert, ebenso wie Störungen für andere Systeme. Bild Richtcharakteristik im Azimuth (RHC) zeigt die rechtszirkulare Richtcharakteristik der Antenne ANT820. Die Halbwertsbreite beträgt ca. 100 und das Vor-/Rückverhältnis liegt bei >10 db. Das Achsverhältnis (AR, engl. axial ratio) der ANT820 liegt für den Großteil der oberen Halbkugel (θ = ± 90 ) deutlich unter 2 db. Die Anpassung über der Frequenz liegt unter -18 db im Arbeitsbereich der Antenne. Die 10-dB-Bandbreite ist größer als 20 MHz. Die Bilder beziehen sich auf eine reflexionsfreie Umgebung. Für reale, reflexionsbehaftete Umgebungen können sich Abweichungen von den hier dargestellten Werten ergeben (siehe hierzu Punkt 7 Montage/Befestigung) 8

9 Gewinn [db] Frequenz [MHz] Abbildung: Zirkularer Antennengewinn über der Frequenz Abbildung: Richtcharakteristik im Azimuth (RHC) 9

10 S-Parameter [db] Frequenz [MHz] Abbildung: Anpassung S11 10

11 5 Reader-Ausgangsleistung Die maximale Ausgangsleistung des Readers ist durch die ETSI-Norm EN V1.2.1 (vom April 2008) definiert. Sie wird durch den Antennengewinn, die Halbwertsbreite der Antenne und die Kabeldämpfung der Verbindung Reader - Antenne bestimmt. Für Antennen mit einer Halbwertsbreite bis zu 70 ist eine Leistung von P ERP,max = 2 W ERP (Effective Radiated Power) erlaubt. Für andere Halbwertsbreiten gilt eine reduzierte Leistung von P ERP,max = 0,5 W ERP. Die ERP wird nach EN folgendermaßen in Ausgangsleistung P C am Reader umgerechnet: P C,max = P ERP,max - G IC + 5,15 + C L Für die Antenne ANT820 ergibt sich somit folgende maximale Ausgangsleistung: P C,max = 27 dbm - 4 dbic + 5, db = 28,15 dbm = 0,653 W Hierbei bezeichnet: P C,max : die maximale Ausgangsleistung des Readers in dbm, P ERP,max : die maximale effektiv abgestrahlte Leistung der Antenne in dbm, G IC : den zirkularen Antennengewinn in dbic, C L : den Kabelverlust in db (hier zu 0 db angenommen) 11

12 6 Normenkonformität Da es sich bei RFID-Systemen um Funkanlagen handelt, fallen diese u. a. unter die Richtlinie 1999/5/EG der Europäischen Kommission (Funkanlagen und Telekommunikationsendeinrichtungen R&TTE). Zum Nachweis der Konformität mit den grundlegenden Anforderungen dieser Richtlinie existieren eine Reihe harmonisierter Normen, die im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht werden. Die ifm Antenne ANT820 ist eine passive Antennenstruktur. Verantwortlich für die Einhaltung der Normen ist von daher der Systemintegrator also derjenige, der die Einzelkomponenten eines RFID-Systems, insbesondere Reader und Antennen, miteinander verbindet. Es wird ausdrücklich empfohlen, sich diese Normen zu beschaffen. Zwei wichtige Normen im Zusammenspiel mit den Antennen sind (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) EN und EN 50364: Erstere behandelt Funkspektrumangelegenheiten und limitiert die maximal abgestrahlte Leistung, während sich die EN mit der Begrenzung der Exposition von Personen gegenüber elektromagnetischen Feldern beschäftigt. Gemäß EN ist Konformität gegeben, sofern in einem Abstand von 20 cm um die Antennen festgelegte Grenzwerte der elektrischen und magnetischen Feldstärke nicht überschritten werden. Unter Einhaltung der in der Norm EN spezifizierten maximalen Antenneneingangsleistung werden die festgelegten Grenzwerte der elektrischen und magnetischen Feldstärke von der Antenne ANT820 im Abstand von 20 cm unterschritten. Die Normenkonformität ist somit gewährleistet. Da die Antenne ANT820 für spezielle Anwendungen auch im Lesebereich unter 20 cm eingesetzt werden kann, wurden zusätzlich numerische Berechnungen der spezifischen Absorptionsrate (SAR) durchgeführt. Die ermittelten SAR-Werte werden mit den Basisgrenzwerten der EN unterschieden nach beruflicher Exposition und Exposition der Allgemeinbevölkerung sowie nach lokaler Exposition von Kopf und Rumpf bzw. der Extremitäten verglichen. Die dabei zu Grunde gelegten Annahmen (wie z. B. Betriebsart des RFID-Systems und Eigenschaften des menschlichen Gewebes) gewährleisten eine konservative Abschätzung der Exposition (Worst Case-Szenario). Die Berechnung wurde unter anderem für die empfindlichste Konstellation durchgeführt, nämlich für den Fall, dass sich Mitglieder der allgemeinen Bevölkerung mit Kopf oder Rumpf dauerhaft in unmittelbarer Nähe der Antenne aufhalten. Falls der Abstand zwischen der Person und der Antenne weniger als 3 cm beträgt, ist bei der Antenne ANT820 die Unterschreitung der maximal erlaubten SAR mit einer Antenneneingangsleistung von bis zu 0,34 W (25,31 dbm) sicher gestellt. In allen anderen Fällen kann die ANT820 mit der im Datenblatt spezifizierten maximalen abgestrahlten Leistung von 0,5 W ERP (27 dbm) bzw. einer Antenneneingangsleistung von 0,653 W (28,15 dbm) betrieben werden. 12

13 Die Tabelle unten zeigt die maximalen Eingangsleistungen mit der die Antenne gespeist werden darf, um sicherzustellen, dass die Basisgrenzwerte der SAR nicht überschritten werden. Dabei wird zwischen den verschiedenen Arten der Exposition unterschieden. Maximale Eingangsleistung ANT805 Allgemeine Bevölkerung Grenzwerte Kopf und Rumpf 2 W/kg Allgemeine Bevölkerung Grenzwerte Lokale Gliedmaßen 4 W/kg Berufliche Exposition Grenzwerte Kopf und Rumpf 10 W/kg Grenzwerte Lokale Gliedmaßen 20 W/kg Tabelle: Maximale Eingangsleistungen Abstand Mensch - Antenne < 3 cm P ein = 340 mw (25,31 dbm) P ein = 653 mw (28,15 dbm) Abstand Mensch - Antenne 3 cm P ein = 653 mw (28,15 dbm) 13

14 7 Montage Zum Erreichen der maximalen Reichweite der Antenne dürfen sich keine störenden Gegenstände zwischen Antenne und zu lesendem Tag befinden. Die Funktionsweise der Antenne wird durch die Art der Befestigung und die Umgebungsmaterialien beeinflusst. Für ein optimales Antennenverhalten sollten sich keine leitenden Objekte in der Nähe der Antenne befinden. Als ausreichende Abstände werden folgende Maße angegeben: Der Abstand zu großen metallischen Flächen und zum Boden sollte mindestens 70 cm betragen (siehe Bild 1). Falls sich die Montage vor einer metallischen Fläche nicht vermeiden lässt, kann eine Montagehalterung verwendet werden, die einen Abstand von exakt 12 cm zwischen Antennenrückwand und Metallfläche herstellt (siehe Bild 2). Bei direkter Montage auf einer metallischen Fläche (z. B. einer Platte als Teil einer Montagehalterung) ist auf eine quadratische Metallplatte zu achten, welche die Maße 16 x 16 cm nicht überschreiten sollte (siehe Bild 3). Darüber hinaus beeinflussen andere Gegenstände wie z. B. Behälter mit Flüssigkeiten in unmittelbarer Nähe die Funktionalität der Antenne. Wenn diese empfohlenen Abstände auf Grund der örtlichen Gegebenheiten nicht eingehalten werden können, verändern sich die Antenneneigenschaften so, dass eine Neubewertung der Antenne in der speziellen Einbausituation nötig wird Mindestabstand zu allen Seiten: 70 cm 14

15 Die Kabelführung sollte senkrecht (siehe rechtes Bild) von der Antenne weg und auf direktem Weg erfolgen. Die Kabellänge ist so kurz wie möglich zu wählen, um Kabelverluste zu minimieren. Kabelschleifen um die Antenne herum oder eine Verlegung des Kabels vor der Antenne (linkes Bild) sind zu vermeiden. X 15

16 8 Typische Applikationen Logistikanwendungen bei Anbringung an Flurförderfahrzeugen Fördertechnik-Anwendungen Gate-Anwendungen zur Warenerfassung Bulk- und Single-Tag-Anwendungen Zugangssysteme (z. B. Skilift, Kontrollsysteme für Fahr-, Eintrittskarten) Beachten Sie beim Einsatz der Antennen die jeweils geltenden Landesvorschriften und evtl. speziell für das Einsatzgebiet bzw. den Einsatzort geltende Normen und Richtlinien. 16

17 9 Technischer Anhang 9.1 Antennen-Gewinn Der Gewinn ist das Verhältnis der Strahlungsleistungsdichten in Hauptstrahlrichtung der betrachteten Antenne und einer Referenzantenne bei gleicher Speiseleistung. Referenzantennen sind Isotroper-Kugelstrahler oder λ/2 Dipol Häufige logarithmische Angaben: - dbi: linearer Gewinn bezogen auf isotropen Kugelstrahler - dbd: linearer Gewinn bezogen auf Dipol - dbic: zirkularer Gewinn bezogen auf isotropen Kugelstrahler 17

18 Der isotrope Kugelstrahler ist ein verlustloser punktförmiger Strahler mit kugelförmiger Strahlungscharakteristik gleichmäßig in alle Raumrichtungen. Seine Leistungsdichte ist gleichmäßig über einer Sphäre mit Fläche von 4π²r verteilt. Der Gewinn des λ/2 Dipols ist 1,64 und die Leistungsdichte, die es produziert, ist 1,64 mal größer. Eine Beispielantenne mit Gewinn von 6 dbi erzielt 6 db größer Leistungsdichte als die von dem Kugelstrahler. 9.2 ERP: Effektive Strahlungsleistung Produkt der in eine Sendeantenne eingespeisten Leistung multipliziert mit ihrem auf den λ/2-dipol bezogenen Gewinn. 9.3 EIRP: Effektive Isotrope Strahlungsleistung Produkt der in eine Sendeantenne eingespeisten Leistung, multipliziert mit ihrem auf den isotropen Kugelstrahler bezogenen Gewinn. Bei UHF-RFID ist die maximale ERP gesetzlich festgelegt. Bei Einsatz von Antennen mit hohem Gewinn muss folglich die Reader-Leistung entsprechend reduziert werden. Die Lesereichweite steigt somit nicht mit dem Antennengewinn an lediglich die Breite des Lesebereichs wird verändert. ERP [dbm] = P in [dbm] + G [dbd] EIRP [dbm] = P in [dbm] + G [dbi] EIRP = ERP * 1,64 EIRP [dbm] = ERP [dbm] + 2,15 db 9.4 Beispiele Antennen Eingangsleistung Europa: ERP-Leistung ist laut EN auf 2 W (33 dbm) begrenzt. Eine Antenne hat Gewinn 8,5 dbic Umrechnung von dbic in dbi: 8,5 dbic = 8,5-3 = 5,5 dbi Umrechnung von dbi in dbd: 5,5 dbi = 5,5-2,15 = 3,35 dbd Antenne-Eingangsleistung: 33 dbm - 3,35 dbd = 29,65 dbm (0,922 W) 18

19 USA: EIRP-Leistung ist laut FCC Part 15 auf 4 W (36 dbm) begrenzt. 1. Antennen-Gewinn kleiner oder gleich 6 dbi Antennen-Eingangsleistung ist gleich 30 dbm (1 W) 2. Antennen-Gewinn größer 6 dbi (z. B. 7 dbi) Antennen-Eingangsleistung muss reduziert werden: 36 dbm 7 dbi = 29 dbm (0.794 W) 10 Abkürzungen In der Kurzanleitung verwendete Abkürzungen: DIN EN ERP RFID SAR UHF Deutsches Institut für Normung Europäische Norm Effective Radiated Power Effektive Strahlungsleistung Radio Frequency Identification Spezifische Absorptionsrate Ultra High Frequency 19