Berührungslose Messmethoden für RFID

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Tomas Nicolas Schmid
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1 Netzwerkanalysator oder Spektrumanalysator? Berührungslose Messmethoden für RFID Von Rolf Nestele Dieser Artikel gibt einen Überblick, wie durch berührungslose Messungen bei der Arbeitsfrequenz 13,56 MHz RFID-Etiketten (Tags) analysiert werden können. Die beschriebene Methode wird zur Entwicklung, zur Produktion und zum Service von RFID-Tags verwendet. RFID-IC-Karten, -ID-Aufkleber oder -Anhänger/Etiketten ermöglichen es, die Präsenz eines damit ausgestatteten Objektes zu registrieren und dessen im Chip gespeicherte Identität zu erfassen, ohne das Objekt berühren zu müssen. Seit ca wird RFID (Radio Frequency IDentification) genutzt - damals hauptsächlich für maritime Transporte, Verkehrsinformations-Systeme und einige andere spezifische Überwachungsaufgaben. Seit Mitte der 1990er Jahre wurden die RFID-Etiketten deutlich kleiner, und heute werden sie fast überall eingesetzt. Zwischenzeitlich gibt es auch eine Reihe von Standards, die den Frequenzbereich, die Kommunikationsprotokolle und -Methoden sowie den Gebrauch von RFID vorschreiben. Verwendete Messaufbauten Bild 1 zeigt einen vereinfachten prinzipiellen Messaufbau mit einem Netzwerkanalysator. Eine entweder über ein oder zwei Koaxialkabel mit dem Netzwerkanalysator verbundene Schleifenantenne wird benutzt, um das Frequenzband zu scannen. Die Resonanzfrequenz wird gemessen, indem man das RFID-Tag vor die Ring-Antenne hält. Es gibt dabei zwei Vorgehensweisen: Die eine ist, den Reflexionsparameter S11 zu bestimmen, indem die Antenne mit einem Koaxialkabel an den Netzwerkanalysator angeschlossen wird; die andere ist, den Übertragungs-Parameter S21 zu bestimmen, wobei die Antenne mit zwei Koaxialkabeln mit dem Netz- werkanalysator verbunden ist. Wird zugrunde gelegt, dass das RFID-Tag ein einfaches LCR-Parallel- Resonanz- Glied ist, so ergibt sich nach Thomson die Resonanzgleichung zu: datatec Bild 1. Prinzipieller Messaufbau zur Reflexions- oder Übertragungs-Messmethode. Beide Koeffizienten und die Impedanz der Antenne ändern sich deutlich bei Frequenzen in der Umgebung der Resonanzfrequenz f 0. Die Resonanzfrequenz eines RFID-Tags kann leicht durch das entsprechende Frequenz-Maximum bestimmt werden. Sehr gut lassen sich RFID-Tags mit Netzwerkanalysatoren der Serie ENA bzw. ENA-L (Agilent) untersuchen. Diese Serien bzw. die Geräte E5062B und E5071C bieten eine Reihe von Möglichkeiten, die gerade bei derartigen Messungen wichtig sind: Sehr hohe Messgeschwindigkeit: Diese Netzwerkanalysatoren ermöglichen es, die Resonanzfrequenz mehrerer Tags innerhalb einer Sekunde zu messen.

Die beschriebene Methode wird zur Entwicklung, zur Produktion und zum Service von RFID-Tags verwendet.

2 Netzwerkanalysator oder Spek...m Sehr geringes Eigenrauschen: Generell wird die Genauigkeit der Resonanzfrequenz-Messung eines Netzwerkanalysators auch durch sein Eigenrauschen bestimmt. Die genannten Serien haben besonders geringes Eigenrauschen, was später noch beschrieben wird. Unterstützung sowohl skalarer als auch vektorieller Messungen. Es gibt zwei prinzipielle Methoden, um RFID-Resonanzfrequenzen zu messen: Die eine basiert auf den skalaren Größen (Verlust), die andere basiert auf den Vektorgrößen (Impedanz). Bei der ENA-Serie sind beide Messmethoden möglich, die traditionelle skalare Methode oder die genauere vektorielle Methode. Automatische Resonanzfrequenz-Suche: Die automatische Suche nach der Resonanzfrequenz des RFID-Tags, die dann durch die Marker-Funktion dargestellt wird, vereinfacht und beschleunigt den Messvorgang. Unterstützung der Kommunikation mit Handhabungs- und Transport-Systemen: Bei Massenproduktionen werden typischerweise Handler und Transportband-Techniken verwendet, wobei die zu fertigenden Produkte und Zulieferteile nacheinander vor eine Antenne gehalten bzw. die Produkte an ihr vorbeigeführt werden. Steuersignale für diese Handler und Transportsysteme stehen an der Rückseite des ENA/ENA-L-Netzwerkanalysators zur Verfügung, so dass diese Systeme direkt dort angeschlossen werden können. Zudem sind diese Systeme mit dem Netzwerkanalysator synchronisierbar, so dass basierend auf den Messwerten Gut/Schlecht-Entscheidungen getroffen werden können und die Handler entsprechend verfahren. Integrierte Virtual Basic Application (VBA) eröffnet weitgehende Automatisierung: In die Netzwerkanalysatoren der Serien ENA/ENA-L ist ein VBA-Editor integriert. Dies bedeutet, dass automatische Messabläufe mit dem Netzwerkanalysator programmiert werden können, ohne dass ein PC dazu benutzt werden muss. ECal, eine elektronische Kalibrierung: Um systematische Fehler erkennen zu können, werden ECal- Module (mit kundenspezifischen Steckern) genutzt, um die Systemmodule für den jeweilig interessierenden Frequenzbereich zu testen. Mit einer einfachen Verbindung bieten die ECal-Module sehr gute Genauigkeiten. Dadurch spart man Zeit bei der Kalibrierung. Insgesamt bieten die ECal- Module eine deutliche Reduktion der Messzeit, eine erhebliche Vereinfachung der Mess- und Kalibrierprozeduren und eine Reduzierung des Stecker-Verschleißes. Teil 1 von 2 1. Berührungslose Messmethoden für RFID 2. Unterschied im Gebrauch zwischen einem Netzwerk- und einem Spektrumanalysator WEKA FACHMEDIEN GmbH. Alle Rechte vorbehalten.

Es gibt zwei prinzipielle Methoden, um RFID-Resonanzfrequenzen zu messen: Die eine basiert auf den skalaren Größen (Verlust), die andere basiert auf den Vektorgrößen (Impedanz).

3 Netzwerkanalysator oder Spek...D Netzwerkanalysator oder Spektrumanalysator? Berührungslose Messmethoden für RFID Von Rolf Nestele Fortsetzung des Artikels von Teil 1. Unterschied im Gebrauch zwischen einem Netzwerk- und einem Spektrumanalysator. Oft wird für RFID-Messungen der interne Tracking-Generator genutzt. Hier die Unterschiede in der Nutzung dieser beiden Gerätekategorien: Gleichlauf-Fehler Die Messaufbauten zur Messung von RFID-Resonanzfrequenzen sind unterschiedlich. Ein Netzwerkanalysator benötigt eine Kalibrierung, wohingegen ein Spektrumanalysator einen Referenzbezug braucht. Ist der initiale Messaufbau getätigt, verändern sich die Verstärker und die anderen im System enthaltenen Komponenten mit der Zeit. Dieses führt zu dem Tracking-Error, dem Gleichlauf-Fehler. Ein Netzwerkanalysator bietet Relativ-Messungen, wodurch die Gleichlauf-Fehler reduziert werden, wohingegen ein Spektrumanalysator die Art der Verhältnismessungen nicht machen kann. Beeinträchtigung der Reproduzierbarkeit durch das Eigenrauschen Bild 2 zeigt einen Vergleich der Resonanzcharakteristik zwischen einem ENA-L-Netzwerkanalysator und einem Spektrumanalysator mit internem Tracking-Generator. Beide Geräte sind so konfiguriert, dass die Messzeit die gleiche ist. Das Ergebnis ist eindeutig. Ein Spektrumanalysator hat einen deutlich höheren Rauschpegel als ein Netzwerkanalysator. Die Kurvenminima treten bei der Resonanzfrequenz eines RFID-Tags auf. Ist der Rauschpegel zu hoch, kann das Minimum nicht mehr korrekt angezeigt werden. datatec Bild 3 zeigt die Untersuchungsergebnisse zur Reproduzierbarkeit der Messungen bei Bild 2. Vergleich der Resonanzfrequenz-Dämpfungs- Messung. einem Spektrumanalysator und einem Netzwerkanalysator der ENA-L- Serie. Es ist eindeutig sichtbar, dass die Messungen mit einem Spektrumanalysator mit integriertem Tracking-Generator wesentlich unzuverlässiger sind (höhere Frequenzabweichungen) als die Messungen, die mit dem Netzwerkanalysator durchgeführt werden. datatec Messgeschwindigkeit Bild 3. Untersuchungsergebnisse zur Reproduzierbarkeit der Messungen. Um Messungen mit hoher Reproduzierbarkeit auch bei Spektrumanalysatoren zu erreichen, muss das Rauschen deutlich reduziert werden. Um eine entsprechende Rauschreduktion zu erhalten, müssen

Hier die Unterschiede in der Nutzung dieser beiden Gerätekategorien: Gleichlauf-Fehler Die Messaufbauten zur Messung von RFID-Resonanzfrequenzen sind unterschiedlich.

4 Netzwerkanalysator oder Spek...R erheblich mehr Messungen zur Mittelwertbildung durchgeführt oder das Zwischenfrequenzbandfilter schmaler gemacht werden. Beide Maßnahmen führen zu einer Messzeitverlängerung. Dank des sehr geringen Rauschpegels der Netzwerkanalysatoren sind diese deutlich zuverlässiger und schneller bei dieser Art von Messungen. Eine Anwendung Das Sony-FeliCa-Entwicklungs-Labor (FeliCa ist eine kontaktlose IC-Karten-Technologie, die von der Sony Corporation entwickelt wurde) bietet eine Umgebung an, in der Ingenieure die Eigenschaften von Produkten und Lösungen mit integrierten FeliCa-Elementen und deren Zusammenwirken mit anderen Produkten testen können. Der ENA-L Netzwerkanalysator E5061A (Vorgänger vom E5061B, Daten siehe Tabelle) wird in diesem Entwicklungslabor sehr effektiv eingesetzt. Frequenzbereich: Test-Set: Eingangsimpedanz: Ausgangsleistung: Dynamik-Bereich: Rauschen: Sweep-Arten: Display: ECal-Support: E5061B: 100 khz bis 1,5 GHz bzw. 3 GHz T/R oder S-Parameter 50 Ohm oder 75 Ohm -45 bis +10 dbm >120 db 0,005 db rms linear, logarithmisch, segmentweise 26,5-cm-Farbdisplay mit Touchscreen ja Messkanäle: 2 Mess-Toleranzgrenzen: Mess-Routinenaufruf: ja, sind darstellbar ja Virtual Basic Appl.-Softw.: ja Tabelle mit den Spezifikationen der ENA-L-Netzwerkanalysator-Familie. Der Autor

Eine Anwendung Das Sony-FeliCa-Entwicklungs-Labor (FeliCa ist eine kontaktlose IC-Karten-Technologie, die von der Sony Corporation entwickelt wurde) bietet eine Umgebung an, in der Ingenieure die

5 Netzwerkanalysator oder Spek...A Rolf Nestele studierte berufsbegleitend Informationstechnik an der Berufsakademie Stuttgart mit den Schwerpunkten Netz- und Softwaretechnik. Während und nach seiner Studienzeit arbeitete er als Vertriebsingenieur bei Agilent Technologies in Böblingen. Seit Februar 2010 ist er im Bereich Technischer Vertriebsinnendienst bei datatec ATP beschäftigt. datatec ATP ( vertreibt High-End-Messgeräte von Agilent Technologies in Deutschland. wha Teil 2 von 2 1. Berührungslose Messmethoden für RFID 2. Unterschied im Gebrauch zwischen einem Netzwerk- und einem Spektrumanalysator WEKA FACHMEDIEN GmbH. Alle Rechte vorbehalten. /m... /m

Seit Februar 2010 ist er im Bereich Technischer Vertriebsinnendienst bei datatec ATP beschäftigt. datatec ATP (www.datatec-gruppe.

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