Funktionsprinzip eines RFID-Systems
Ein RFID-System besteht aus einem Tag und einem Lesegerät. Das Lesegerät generiert ein Abfragesignal und sendet es an den
RFID-Tag . Ein
aktiver RFID-Tag versorgt seinen Mikrochip über eine Batterie mit Strom und überträgt Signale an das Lesegerät.
Ein passives RFID-Tag wird vom Lesegerät entweder durch magnetische Induktion (Nahfeldkopplung) oder durch elektromagnetische Wellenerfassung (Fernfeldkopplung) mit Strom versorgt. Mit beiden Methoden kann ausreichend Energie an ein passives Tag übertragen werden, um dessen Betrieb aufrechtzuerhalten. RFID-Systeme, die auf Frequenzen zwischen 100 kHz und 30 MHz basieren, arbeiten mit magnetischer Induktion. Im Gegensatz dazu arbeiten RFID-Systeme, die auf Mikrowellenfrequenzen (2,45 und 5,8 GHz) basieren, mit der Erfassung elektromagnetischer Wellen.
Das Faradaysche Prinzip der magnetischen Induktion ist die Grundlage der Nahfeldkopplung zwischen einem Lesegerät und einem Tag (Abbildung 1). Ein magnetisches Wechselfeld wird erzeugt, indem ein großer Wechselstrom durch die Antennenspule des Lesegeräts geleitet wird. Wird der Tag mit der kleineren Antennenspule in dieses Magnetfeld gebracht, entsteht an der Spule des Tags eine Wechselspannung. Diese Spannung führt, sobald sie gleichgerichtet und an einen Kondensator gekoppelt wird, zu einer Ladungsansammlung, die zur Stromversorgung des Chips eines passiven Tags verwendet wird.
Die Datenübertragung vom Tag zum Lesegerät erfolgt mittels Lastmodulation. Der Tag variiert die vom Kondensator an die Spule seiner Antenne abgegebene Energie. Diese Variation wird durch transformatorartige induktive Kopplung vom Tag zum Lesegerät übertragen. Das Lesegerät liest das Signal, indem es die Änderung der Klemmenspannung der Spule seiner Antenne überwacht. Daher hat eine Änderung des an den Spulenanschlüssen der Tag-Antenne angebrachten Lastwiderstands den Effekt einer Spannungsamplitudenmodulation an den Spulenanschlüssen der Antenne des Lesegeräts. Nahfeldkopplung ist der bevorzugte Ansatz zur Implementierung eines passiven RFID-Systems.
Der Betriebsbereich eines Nahfeld-RFID-Systems beträgt jedoch ungefähr c/2πf, wobei es sich um die Lichtgeschwindigkeit und f um die Betriebsfrequenz handelt. Dieser Bereich beträgt 3,5 m bzw. 0,05 m für Frequenzen von 13,56 MHz bzw. 915 MHz. Mit zunehmender Betätigungsfrequenz nimmt die Reichweite ab.
Daher arbeiten Nahfeld-RFID-Systeme mit einer Frequenz von weniger als 100 MHz. Die Stärke des Magnetfelds ist umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstands (r) von der Mitte der Lesespule zum Tag. Wenn die Stärke des Magnetfeldes bei a zu schwach ist
Bei gegebener Entfernung verfügt der Tag nicht über genügend Energie, um sich selbst einzuschalten. Bei 13,56 MHz haben die meisten Nahfeldsysteme eine praktische Reichweite zwischen 0,01 und 0,30 m. Diese mit Nahfeld-RFID-Systemen verbundenen Einschränkungen haben zu Fernfeld-RFID-Systemen (die mit einer Frequenz von mehr als 100 MHz arbeiten) geführt, die auf der Erfassung elektromagnetischer Wellen basieren.
- Erfassung elektromagnetischer Wellen
Das Fernfeld-RFID-System funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie ein Funkgerät. Tags von Fernfeld-RFID-Systemen erfassen elektromagnetische Wellen, die sich von der am Lesegerät angebrachten Dipolantenne ausbreiten (Abbildung 2). Eine kleinere Dipolantenne im Tag empfängt diese elektromagnetische Energie als alternierende Potentialdifferenz. Diese Potentialdifferenz wird gleichgerichtet und zur Ladungsakkumulation an einen Kondensator gekoppelt, der dann zur Stromversorgung des Chips eines passiven Etiketts verwendet wird. Die Daten von Fernfeld- RFID-Tags können nicht über eine transformatorische induktive Kopplung an das Lesegerät übertragen werden, da der Tag außerhalb des Nahfeldbereichs arbeitet. Stattdessen werden die Daten mittels Rückstreuung vom RFID-Tag zum Lesegerät übertragen. RFID-TagsMithilfe der Rückstreuung wird ein Teil der vom Lesegerät gesendeten elektromagnetischen Welle zurück zum Lesegerät reflektiert. Allerdings kann das Etikett die Leistung der reflektierten Welle ändern, indem es den Widerstand einer an seine Antenne angeschlossenen Last variiert. Diese Widerstandsänderung der Last wird durch die zu übertragenden Daten gesteuert. Somit wird die Leistung der reflektierten Welle, die am Lesegerät zurückempfangen wird, durch die Daten des Etiketts gesteuert und ist der Mechanismus zur Übertragung der Daten vom Etikett zum Lesegerät in einem Fernfeld-Rückstreu-RFID-System.
In Fernfeld-RFID-Systemen folgen die an das Tag gelieferte Energie und das an das Lesegerät übertragene Signal einem umgekehrten Gesetz. Dadurch wird die Gesamtsignalstärke um 1/r4 gedämpft, wobei r der Abstand zwischen der Mitte der Lesespule und dem Tag ist. Die Reichweite (ca. 3 m) eines Fernfeld-RFID-Systems wird durch die vom Tag empfangene Energiemenge und die Empfindlichkeit des Lesegeräts gegenüber dem reflektierten Signal begrenzt. Mit den Fortschritten in der Halbleiterindustrie nimmt die Energie, die erforderlich ist, um ein Tag mit einer bestimmten Frequenz zu versorgen, immer weiter ab. Es wurden auch kostengünstige Lesegeräte mit verbesserter Empfindlichkeit entwickelt.
Um eine größere Reichweite zu erreichen und Tags mit höherem Stromverbrauch zu betreiben, verfügen Rückstreu-Tags häufig über eine Pufferbatterie, die den Mikrochip des Tags mit Strom versorgt. Die Tags verfügen im Allgemeinen über einen energiesparenden „Power Down“- oder „Stand-by“-Modus, um zu verhindern, dass die Backup-Batterie des Tags unnötig beansprucht wird. Bewegt sich der RFID-Tag aus der Reichweite des Lesegeräts, schaltet der Tag automatisch in den „Power Down“-Modus. Erst wenn im Lesebereich des Lesegeräts ein ausreichend starkes Signal empfangen wird, wird der RFID-Tag wieder aktiviert und wechselt daraufhin wieder in den Normalbetrieb. Diese Backup-Batterie des Tags liefert niemals Strom für die Datenübertragung zwischen RFID-Tag und Lesegerät, sondern dient ausschließlich der Stromversorgung des Mikrochips des Tags.
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