RFID - Technologie: Funktion und Einsatz

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1 RFID - Technologie: Funktion und Einsatz Dr.-Ing. Michael Camp, [email protected] Fachgebiet Hochfrequenz- Technik und Funksysteme Appelstraße 9 A D-3167 Hannover Smart Devices GmbH & Co. KG Produktionstechnisches Zentrum Hannover (PZH) Schönebecker Allee Garbsen

2 Übersicht Smart Devices GmbH & Co. KG RFID - Funktionsprinzip Einsatzmöglichkeiten Forschungsschwerpunkte am Instituts für Hochfrequenztechnik und Funksysteme der - RFID-Antennensysteme - Transponderproduktionsprozesse - RFID-Schreib-/Leseeinheiten - Systemimplementierung - EMV-Aspekte der RFID-Technologie Zusammenfassung

3 Definition Smart Devices GmbH & Co. KG RFID = Radio Frequency Identification Anfrage: Wer bist Du? Antwort: Ich bin Nr Basisstation Funkübertragung Transponder

4 Komponenten eines RFID - Systems Datenverarbeitung Schreib-/Leseeinheit Antenne Transponder Basisstation Sehr Sehr klein klein realisierbar Geringe Produktionskosten Antenne Chip

5 Vollautomatische Produktion Antennensubstrate Chips Flipchip-Produktion

6 Vielzahl an Möglichkeiten zur Klassifizierung von RFID-Systemen Betriebsart Technisches Übertragungsprinzip Datenmodulation Energieversorgung Frequenzbereich Transponderantwortfrequenz Induktiv Kapazitiv Subharmonische Backscatter Vollduplexbetrieb Halbduplexbetrieb Aktiv (Batterie) Passiv HF (125 khz, MHz) UHF (865 MHz 925 MHz) 1:1 1:n... Elektromagnetische Wellen Lastmodulation Sequentielle Verfahren Aktiv/Passiv Wechselbetrieb Mikrowellen 2.45 GHz diverse

8 Einsatz als Echtheitszertifikat Dokumente Währungen

9 Einsatz zur vollautomatischen Lagerverwaltung

10 Einsatz zur Anwesenheitskontrolle

11 Vollautomatische Kassencheckouts

12 Einsatz von RFID in Krankenhäusern Identifizierung von Patienten und Klinikangehörigen Überwachung von Vitalfunktionen Lokalisierung von Personen Realisierung von Zutrittsberechtigungen... RFID-Chip Einfache Erfassung der Patientendaten mittels PDA, Laptop,...

14 Antennendesign - Optimierungskriterien EM-Welle Antenne Chip Derzeit: Derzeit: Einsatz Einsatz einfach einfach strukturierteturierterantennensysteme struk- Optimale Einkopplung liefert maximale Nutzsignalenergie im System!! Optimale Anpassung liefert maximale Nutzsignalenergie im Chip Keine Keine optimale optimale Einkopplung Einkopplung in in die die Antennenstrukturen Antennenstrukturen Keine Keine Optimierung Optimierung der der Antennenparameter Antennenparameter bezüglich bezüglich nationaler nationaler Unterschiede Unterschiede Schlechte Schlechte Anpassung Anpassung an an die die Eingangsimpedanzen Eingangsimpedanzen der der integrierten integrierten Bauelemente Bauelemente Geringe Geringe Reichweiten Reichweiten Fehleranfällig Fehleranfällig

15 1.Schritt: Bestimmung der Chipimpedanz Wafer Messequipment Messequipment PA 2 HS On-Wafer-Prober: On-Wafer-Prober: PA PA 2 2 HS HS (Süss) (Süss) Network Network Analyzer: Analyzer: PNA PNA E8361A E8361A (Agilent) (Agilent)

16 Messung direkt am Wafer Probe Probe Wafer Transponderchips Plazierung Plazierung des des Wafers Wafersund und Fixierung Fixierung durch durch Unterdruckdüsen Unterdruckdüsen Kontaktierung Kontaktierung der der Probes Probesunter mikroskopischer mikroskopischer Überwachung Überwachung

17 2. Schritt: Antennendesign Direktivität und Gewinn Sphärische Nahfeldmesskammer Messtechnik Simulationssoftware Polarisation Antennenwirkfläche On Wafer Prober (1MHz-11GHz) PNA (1MHz-11GHz) HFSS Designer ADS Effektive Länge Rückstreuquerschnitt (radar cross section, RCS)

18 Berechnung mittels Finite Elemente Methode Beispiel: logarithmische Spiralantenne mit einer Umdrehung Die Maximaldimensionen der Volumenelemente sollten kleiner λ/1 sein (je (je kleiner um so so genauer das Ergebnis aber um so so größer die Rechenzeit)

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

20 Problem: Materialien (z.b. menschliches Gewebe) in der Antennenumgebung verändern die Antennenparameter Simulation Einfluß muß für optimale Antennenperformance ebenfalls berücksichtigt werden!

21 -.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 (1 (1 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.1.1 mm mm Frequenz / GHz Polyestersubstrat

22 Einfluss der Umgebungsparameter Hand in unmittelbarer Kartennähe Ohne Ohne Objekt Objekt in in der der Umgebung Umgebung Mit Mit Hand Hand im im Abstand Abstand von von h = 1 mm mm

23 Individuelles Antennendesign erforderlich doi=.9 doi=1. doi=1.1 doi=1.2 doi=1.4 doi=1.5 doi=1.6 doi=1.7 Beispiel: Zweiarmige innengespeiste Spiralantenne

24 Smart Smart Devices Devices GmbH GmbH & & Co. Co. KG KG Logarithmisch periodische Antennen - Simulation Chipposition doi=.5 doi=.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

25 Winkel Smart Devices GmbH & Co. KG Logarithmisch periodische Antennen (Beispiel: Trapezbasisfunktion, 3 Perioden) Transformation y y Originalbereich -15 Bildbereich Abstand -5 5 x

26 Basisfunktion entsprechend dem Einsatzgebiet 4 3 Winkel Basisstruktur: Treppe y Winkel Basisstruktur: Sinus y Winkel Basisstruktur: Kochfraktal y y y 1 y Originalbereich Abstand y Bildbereich -5 5 x Basisstruktur: Trapez Winkel y x Originalbereich Abstand y Bildbereich -5 5 x Basisstruktur: Zickzack Winkel y x Originalbereich Abstand Bildbereich -5 5 x Basisstruktur: ZickZack (2 Perioden) Modulation mit Minkowskifraktal Winkel y y Originalbereich Abstand Bildbereich -5 5 x x Originalbereich Abstand Bildbereich -5 5 x x Originalbereich Abstand Bildbereich x

27 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

28 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

29 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

30 Antennenkrümmung berücksichtigen! Krümmung Antennenstrukur vs. konforme Antennenstruktur RFID-Armbänder RFID-Armbänder erfordern erfordern gekrümmte gekrümmte Antennenstrukturen Antennenstrukturen Planare Planare Antennen Antennen zeigen zeigen andere andere Sende- Sendeund und Empfangseigenschaften Empfangseigenschaften als als gekrümmte gekrümmte Antennen Antennen Erstellung Erstellung entsprechender! entsprechender Simulationsmodelle Simulationsmodelle z y x 4 2

31 Einfluß des Handgelenks berücksichtigen Antennenstrukur vs. konforme Antennenstruktur Material Material in in Antennenumgebunumgebungverändert die die Antennenparameter Antennen- Antennenparameter -1-2 Handgelenk Einfluss Einfluss des des Handgelenks Handgelenks bei bei Antennenentwicklung! berücksichtigen berücksichtigen y x

32 Parametrisiertes Antennensimulationsmodell Handgelenk Einfache Parametervariation mittels Feldsimulationsprogramm möglich Einfluß beliebiger Materialien (z.b. Handgelenk) in Antennenumgebung berechenbar

33 Individuelles Antennendesign je nach Einsatzgebiet (z.b. Reichweitenwunsch) Smart Devices GmbH & Co. KG Große Reichweite Kleine Reichweite

35 Zusammenfassung Smart Devices GmbH & Co. KG Breites Anwendungsspektrum für für RFID --Systeme in in Krankenhäusern -- Identifizierung von Patienten und Klinikangehörigen -- Überwachung von Vitalfunktionen -- Lokalisierung von Personen -- Realisierung von Zutrittsberechtigungen... Individuelles Systemdesign für für optimale Systemperformance erforderlich