Beschreibung

Lokalisierbarer und energieautarker Backscatter-Transponder zur Erfassung von Messgrößen

Die vorliegende Erfindung betrifft Backscatter-Transponder, die von einer Basisstation über das Funknetz sowohl mit Energie versorgt werden, als auch ausgelesen werden können.

In verschiedenen technischen Bereichen werden RFID (Radio

Frequency Identification) -Anwendungen genutzt, die mit passiven Transpondern arbeiten. Gegenüber aktiven Transpondern sind diese passiven Transponder aufgrund der für sie erforderlichen Kosten, ihrer Größe, Robustheit, Lebensdauer und Wartungsfreiheit von Vorteil. Zudem ist für passive Transponder keine zusätzliche lokale Energieversorgung, beispielsweise in Form einer Batterie oder Solarzelle, erforderlich.

Herkömmliche RFID-Tags bzw. Transponder übertragen für ge- wohnlich nur eine ID (Identification) und sind daher lediglich für einfache Identifikationsaufgaben geeignet. Die für einen passiven Transponder auszuführenden Funktionen sind im Wesentlichen durch die zur Verfügung stehende Energie für diese Funktionen begrenzt. Daher werden voll passive Tags bisher lediglich identifiziert, während Abstandsmessungen zwischen Basisstation und Tag über die Feldstärke im Allgemeinen kaum möglich sind. Die Abstandsmessung wird gerade in metallhaltiger Umgebung durch konstruktive und destruktive Auslöschungen über Mehrwegeausbreitungen behindert, weil die- se den physikalischen Effekt der Feldstärkeabnahme bei zunehmender Entfernung zwischen Basisstation und Transponder teilweise überkompensieren.

Das Problem der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, sich die über das Funkfeld abgestrahlte und durch Zulassungsbeschränkungen begrenzte Energie effizient zunutze zu machen, um durch den passiven Transponder periphere Sensorik auszule-

sen und gleichzeitig seine Ortung durch die Basisstation zu ermöglichen.

Das obige Problem wird durch einen Backscatter-Transponder gelöst, der die folgenden Merkmale aufweist: eine Energieversorgung zur Speisung des Backscatter-Transponders mit Energie derart, dass der Backscatter-Transponder über ein HF-Feld einer Basisstation mit Energie versorgbar ist, eine Steuerung, mittels derer Energie der Energieversorgung auf Sensoren ü- bertragbar ist und Messwerte dieser Sensoren auslesbar sind, und eine Fähigkeit, eine berührungslose Abstandsmessung zwischen Basisstation und Backscatter-Transponder durchzuführen.

Der Backscatter-Transponder ist in Kombination mit einer ent- sprechenden Basisstation in der Lage, zusätzliche Sensoren energieautark auszulesen, die ausgelesenen Größen an die Basisstation zu übertragen sowie eine laufzeitbasierte und damit hochgenaue Abstandsmessung zwischen passivem Transponder und Basisstation bei akzeptablen Reichweiten von mehreren Me- tern durchzuführen. Eine hochgenaue Ortung bzw. Abstandsmessung des passiven Transponders zur Basisstation ist vorteilhaft, um beispielsweise Mehrdeutigkeiten beim Einsatz mehrerer passiver Transponder zu vermeiden.

Wahlweise kann der Transponder auch semi-passiv ausgeführt sein, d. h. der Mikroprozessor wird über eine lokale Energiequelle gespeist.

Die Energieversorgung des Backscatter-Transponders erfolgt erfindungsgemäß über ein schmalbandiges Funksignal während die berührungslose Abstandsmessung des passiven Backscatter- Transponders mit einem breitbandigen Funksignal durchgeführt wird. Der passive Backscatter-Transponder kommuniziert mit einer Basisstation zum Erzeugen und Erfassen von Funksigna- len, die die folgenden Merkmale aufweist: eine Signalverar- beitungs- und Ansteuerungskomponente, einen Empfänger, mit dem ein von einem Backscatter-Transponder ausgesandtes Funk-

signal erfassbar ist, und einen Sender, mit dem ein schmal- bandiges Signal als ein erstes Funksignal eines ersten Frequenzbandes zur Energieversorgung des Backscatter- Transponders und ein breitbandiges Signal als ein zweites Funksignal eines zweiten Frequenzbandes zur Ortung des Backs- catter-Transponders abstrahlbar sind.

Werden die Energieversorgung und die Modulationseinheit des Backscatter-Transponders über denselben Frequenzbereich des Funksignals der Basisstation versorgt, kann der Backscatter- Transponder mit nur einer Antenne und nur einem Sender/Empfänger ausgestattet sein. Diese konstruktive Optimierung lässt sich in gleicher Weise auch bei der Basisstation umsetzen. Dadurch wird der Einsatz einer Basisstation und ei- nes Backscatter-Transponders mit geringem schaltungstechnischen Aufwand möglich, da sowohl die Energieversorgung als auch die Durchführung der Ortung bzw. Abstandsmessung des Backscatter-Transponders im selben Frequenzbereich erfolgt.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Energieversorgung des Backscatter-Transponders durch ein von der Basisstation ausgesandtes schmalbandiges Funksignal mit einer ersten Leistung, während die Ortung des Backscatter-Transponders mit einem breitbandigen Funksignal einer zweiten Leistung durchge- führt wird, wobei die erste Leistung aufgrund bestehender Funk-Reglementierungen optimalerweise größer ist als die zweite Leistung.

Die übertragung des schmalbandigen Funksignals zur Energie- Versorgung und die übertragung des breitbandigen Funksignals zur Ortung des Backscatter-Transponders kann sowohl parallel als auch abwechselnd erfolgen. Beispielsweise wird das erste Funksignal durch die Basisstation im Bereich von 2,4 GHz mit einer Breite von 8 MHz abgestrahlt, während das zweite Funk- signal im Bereich von 2,4 GHz liegt und eine Breite von 80 bis 90 MHz aufweist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, ein erstes Funksignal mit einer Frequenz von 869 MHz zur Energie-

Versorgung des Backscatter-Transponders zu nutzen und mit einem zweiten Funksignal im 2,4 GHz-ISM-Band zur Abstandsmessung zu kombinieren.

Basierend auf der oben zusammengefassten Erfindung ist eine genaue Abstandsmessung zwischen Basisstation und passivem o- der semi-passivem (für große Reichweiten) Transponder möglich. Des Weiteren sind Reichweiten des Transponders von ca. 4 m passiv und 15 m semi-passiv realisierbar. Zur weiteren Unterstützung der Leistungsfähigkeit des Backscatter- Transponders können temporär durch Nutzung eines Leistungsakkumulators größere Energiemengen zur Verfügung gestellt werden, als allein bei der Direktspeisung aus dem Funkfeld nutzbar wären. Mit Hilfe der im Backscatter-Transponder reali- sierbaren Modulation ist zudem das gesamte energieautarke lokalisierbare Backscatter-System mehrzielfähig, d. h., mehrere Backscatter-Transponder können durch eine Basisstation mittels dieses Frequenzmultiplexverfahrens kollisionsfrei er- fasst werden. Von praktischer Relevanz ist des Weiteren, dass die von der Basisstation abgestrahlten Funksignale zulassungskonform sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den an- hängenden Ansprüchen hervor. Es zeigen in den begleitenden Zeichnungen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Systemaufbaus des energieautarken lokalisierbaren Backscatter-Systems,

Fig. 2 ein beispielgebendes Blockschaltbild des energieautarken lokalisierbaren Backscatter-Transponders,

Fig. 3 die Ausführungsform eines Aufbaus des ortbaren Backs- catter-Transponders,

Fig. 4 ein Schaltungsbeispiel der Basisstation,

Fig. 5 ein beispielhaftes Blockschaltbild für einen passiven Backscatter-Transponder sowie für die Modulation des Rückstrahlquerschnitts der Antenne,

Fig. 6 eine spektrale Darstellung des EntfernungsSpektrums eines ortbaren RFID-Transponders,

Fig. 7 eine Ausführungsform eines Gleichrichters mit Span- nungsverdoppler (links) und einen Spannungsversechs- facher (rechts) im Backscatter-Transponder, und

Fig. 8 eine Ausführungsform eines Energie-Akkumulators zur temporären Speisung mit höheren Spannungen.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Backscatter-Transponder über eine Basisstation und ein schmalbandiges Funksignal hoher Leistung mit Energie zu speisen. Gleichzeitig oder abwechselnd mit dem schmalbandigen Funksignal wird ein breitbandiges Funksignal von der Basisstation ausgesandt, um eine FMCW (Frequency Modulated Conti- nuous Wave) -Abstandsmessung zwischen Basisstation und Backscatter-Transponder durchzuführen. Dieses breitbandige Funksignal weist zulassungsbedingt eine geringere Leistung als das schmalbandige Funksignal auf und befindet sich im ISM

(Industrial-Scientifical-Medical) -Band. Auf dieser vorzugsweise systematischen Grundlage ist es möglich, sowohl eine Energieversorgung bei relativ großem Abstand zwischen Transponder und Basisstation (ca. 5 m) als auch eine Ortung des Transponders nach dem FMCW-Backscatter-Prinzip innerhalb eines Systems zu ermöglichen. Um den Schaltungsaufwand für Basisstation und Backscatter-Transponder gering zu halten, können vorzugsweise für die Ortung und die Energieversorgung des Backscatter-Transponders der selbe Frequenzbereich ge- nutzt werden. Dies hat den Vorteil, dass man auf Seiten des Backscatter-Transponders nur eine Antenne und einen Sender/Empfänger benötigt.

In Fig. 1 ist der Aufbau des Backscatter-Systems mit dem e- nergieautarken, lokalisierbaren Backscatter-Transponders 1 schematisch dargestellt. Der Backscatter-Transponder 1 wird über das HF (Hochfrequenz) -Feld (z. B. 2,4 GHz) der Basisstation 40 mit Energie versorgt. Mit Hilfe dieser Energie, die der Backscatter-Transponder 1 aus dem von der Basisstation 40 ausgesandten Funksignal zieht, werden Sensoren 90 gespeist, deren Messgrößen erfasst und an die Basisstation 40 übertra- gen. Beispielgebend für derartige Sensoren sind ein Drucksensor, ein Temperatursensor, ein Erschütterungsdetektor und ein Helligkeitssensor. Es sind jedoch noch weitere Sensoren denkbar, soweit diese mit der dem Backscatter-Transponder 1 zur Verfügung stehenden Energie ausreichend gespeist werden kön- nen . Des Weiteren ist der Backscatter-Transponder 1 durch die Basisstation 40 lokalisierbar, d. h., es wird ein Verfahren zu einer drahtlosen bzw. berührungslosen Abstandsmessung zwischen Basisstation 40 und Backscatter-Transponder 1 bereitgestellt.

Fig. 2 zeigt ein technisches Blockschaltbild einer Ausführungsform des Backscatter-Transponders. Der Backscatter- Transponder 1 besteht aus einer Energieversorgung 10, einer Steuerung 20 für einen MikroController 25, einer Sensordaten- erfassung und aus einem Backscatter 30 zur Modulation und Rückstreuung eines Funksignal-Anteils zur Datenübertragung und eines Funksignal-Anteils zur Entfernungsmessung. Auf dieser konstruktiven Grundlage vereint der Backscatter- Transponder 1 eine laufzeitbasierte Abstandsmessung mit einer Energieversorgung aus dem ihn umgebenden bzw. dem von der Basisstation 40 ausgesandten Funkfeld. Zudem kann er angeschlossene Sensoren 90 mit Energie versorgen und auslesen und bildet auf diese Weise einen identifizierbaren, energieautarken und ortbaren Backscatter-Transponder 1. Das grundlegende Prinzip zur laufzeitbasierten Ortung des Backscatter- Transponders 1 durch die Basisstation 40 ist in der DE 199 46 161 Al beschrieben.

Eine technische Anforderung an den beschriebenen Backscatter- Transponder 1 besteht darin, dass die laufzeitbasierte Ortung gemäß der Auflösungsformel

c d„;„ =

2x5

bei möglichst großer Bandbreite B stattfinden muss. d _m i _n bezeichnet in der obigen Formel das Auflösungsvermögen, während c die Lichtgeschwindigkeit symbolisiert. Des Weiteren sollte die Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1 aufgrund der Reichweitenanforderungen bei maximaler Leistung erfolgen. Die laufzeitbasierte Ortung bzw. die FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) -Ortung des Backscatter-Transponders 1 ist im UHF-Bereich auf die zulassungsfreien ISM-Bänder (beispielsweise 2,4 GHz) wegen der dort zur Verfügung stehenden Bandbreite angewiesen. Die ISM-Bänder gestatten jedoch breitban- dig nur eine maximale Leistung von ungefähr 10 mW, was für eine Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1 über das Funkfeld der Basisstation 40 nicht ausreichend ist.

Daher wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Basisstation 40 derart konfiguriert, dass sie im selben Frequenzbereich sowohl ein schmalbandiges Funksignal mit hoher Leistung als auch ein breitbandiges Funksignal mit niedriger Leistung aussendet. Bevorzugt wird im Bereich von 2,4 GHz ein schmalbandiges Funksignal mit einer Breite von ungefähr 8 MHz durch die Basisstation 40 gesendet. Dieses schmalbandige Funksignal überträgt eine Leistung von ca. 4 W in einem Frequenzbereich von z. B. 2,446 bis 2,454 GHz. Des Weiteren überträgt die Basisstation 40 ein breitbandiges Funksignal zur Ortung im ISM-Band. Dieses breitbandige Funksignal überträgt eine Leistung von ungefähr 10 mW in einem Frequenzbereich von vorzugsweise 2,4 bis 2,483 GHz.

Während das von der Basisstation 40 ausgesandte und durch den Backscatter-Transponder 1 erfasste schmalbandige Funksignal

nur zur Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1 über das Funkfeld dient, wird durch die Basisstation 40 eine Rampe für die FMCW-Radarortung des Backscatter-Transponders 1 erzeugt. Das Aussenden und Empfangen des schmalbandigen und des breitbandigen Funksignals durch Basisstation 40 und Backscat- ter-Transponder 1 kann parallel und kontinuierlich aber auch abwechselnd erfolgen. Wird die Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1 parallel zur mit dem breitbandigen Funksignal realisierten Ortung ausgeführt, muss der Bereich um den leistungsstarken Träger im Funksignal softwaremäßig ausgeblendet werden, was effektiv zu einer Bandbreiten- Reduktion und somit zu einer Beeinträchtigung der Auflösung führt.

Durch die Realisierung sowohl der Energieversorgung des

Backscatter-Transponders 1 als auch dessen Ortung innerhalb desselben Frequenzbereichs benötigt man im Backscatter- Transponder 1 nur eine Antenne und Empfangseinheit. Dies verringert den konstruktiven Aufwand und auch den Platzbedarf des Backscatter-Transponders 1.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des Backscatter- Transponders 1 schematisch dargestellt. Die RFID-Einheit mit MikroController generiert den spezifischen Modulationstakt, der mit einem Phasenmodulator (PM = Phase Modulation, PSK =

Phase Shift Keying) oder einem Amplitudenmodulator (AM = Amplitude Modulation) angesteuert wird. Das System bestehend aus Basisstation 40 und Backscatter-Transpondern kann des Weiteren pulkfähig ausgeführt werden, so dass über die empfangenen Daten ein selektives Einschalten des Modulators erfolgen kann, um einzelne Backscatter-Transponder 1 innerhalb der Lesereichweite der Basisstation 40 gezielt ansprechen zu können. Zudem ist es mit dieser Funktion möglich, Energie zu sparen. Die oben genannte Pulkfähigkeit, die auch als Viel- fachzugriff (multi-access) bezeichnet wird, kann z. B. über Frequenzmultiplex (FDMA = Frequency Division Multiple Access) , Zeitmultiplex (TDMA = Time Division Multiple Access)

oder Codemultiplex (CDMA = Code Division Multiple Access) erreicht werden. Insbesondere im intermittierenden bzw. umschaltenden oder abwechselnden Betrieb kann über einen Down- link, d. h. einen Datentransfer von der Basisstation 40 zum Backscatter-Transponder 1, eine Protokoll- und Betriebsart vereinbart werden, die eine Multitagfähigkeit, also eine Nutzung von mehreren Transpondern in Verbindung mit einer Basisstation, garantiert. In diesem Zusammenhang ist die Kombination mit der Energieversorgung aus dem Funknetz von Vorteil. Zu diesem Zweck wird der Downlink-Datenstrom von der Basisstation 40 zum Backscatter-Transponder 1 dem Funksignal zur Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1 aufgeprägt. Anschließend erfolgt die übermittlung der Daten vom Backscatter-Transponder 1 zur Basisstation 40 in einem multitagfähi- gen Uplink über die Einprägung in das reflektierte FMCW- Abfragesignal .

Das Backscatter-System bestehend aus Basisstation 40 und Backscatter-Transponder 1 wird bezüglich der verwendeten Fre- quenzbänder bevorzugt in zwei Versionen ausgeführt: 1) Es werden zwei getrennte Bänder zur Energieversorgung und zur Ortung des Backscatter-Transponders 1 verwendet. Bevorzugt erfolgt die Energieversorgung bei einer Frequenz von 869 MHz und die Ortung im 2,4 GHz-ISM-Band. Dies hat den Vorteil, dass bei der niedrigen Frequenz der Energieversorgung der Wirkungsgrad der Dioden-Gleichrichterschaltung zur Nutzung der Funkfeldenergie höher ist und des Weiteren in der Basisstation keine Störbeeinflussung durch den starken CW-Träger auftreten kann. Die Ortung bei 2,4 GHz kann bei voller ISM- Bandbreite von 80 MHz durchgeführt werden.

In der zweiten Version wird derselbe Frequenzbereich für die Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1 und dessen Ortung verwendet. Dieser Frequenzbereich befindet sich bevor- zugt im 2, 4-GHz-Bereich mit dem Vorteil, dass der Backscatter-Transponder 1 nur eine Antenne und einen Empfänger benötigt und daher extrem einfach ausgeführt werden kann.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zu einer bevorzugten Basisstation 40 gemäß der oben genannten zweiten Version. In diesem Blockschaltbild bedient man sich eines CW-Oszillators zur Erzeugung des leistungsstarken monofrequenten Trägersignals für die Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1. Gleichzeitig wird über einen I/Q-Mischer daraus das für die FMCW-Abstandsmessung benötigte Rampensignal abgeleitet. Beide Signale werden mit einer gemeinsamen Sendeantenne abge- strahlt. Im Empfängerzweig der Basisstation 40 wird die ausgestrahlte Rampe mit dem vom Backscatter-Transponder 1 empfangenen rückgestreuten und modulierten Signal gemischt. Das resultierende Signal liefert ein Spektrum, wie es beispielgebend in Fig. 6 dargestellt ist. Aus diesem Spektrum kann di- rekt der gemessene Abstand zwischen Basisstation 40 und Backscatter-Transponder 1 abgeleitet werden.

Wie man aus dem Blockschaltbild in Fig. 5 erkennen kann, wird durch den Modulator im Backscatter-Transponder 1 das einge- streute Funksignal phasen- oder amplitudenmoduliert. Daraus folgt, dass der Backscatter-Transponder 1 als Backscatter fungiert und somit zur Laufzeitmessung und Ortung desselben verwendet werden kann. Diese Laufzeitmessung nach dem Back- scatterprinzip basiert auf der Offenbarung der DE 199 46 161.

Durch die Verbindung der Energieversorgung des Backscatter- Transponders 1 aus dem Funkfeld und der oben beschriebenen Realisierung der Basisstation 40 ist es möglich, mit einem voll passiven Backscatter-Transponder mit nur einer Empfän- gereinheit eine zentimetergenaue Ortung bis zu einer Entfernung von ungefähr fünf Metern zwischen Basisstation 40 und Backscatter-Transponder 1 sowie die gleichzeitige Datenübertragung von beispielsweise einem zusätzlichen Messfühler oder Sensor zwischen Backscatter-Transponder und Basisstation 40 zu gewährleisten. Diese Kombination führt zu einer kostengünstigen und einfachen Basisstation 40, die es möglich macht, voll passive Transponder hochgenau zu orten und

gleichzeitig energieautark Messgrößen auszulesen. Zudem ist das gesamte Backscatter-System bestehend aus Basisstation 40 und Backscatter-Transponder 1 funkzulassungsfähig. In der „semi-passiven" Ausführung wird der Backscatter-Transponder 1 mit Energie versorgt und erzielt Reichweiten von ca. 15 m.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Energieversorgung aus dem Funknetz im Backscatter-Transponder 1 besteht aus den Komponenten einer Anpassungsschaltung, einem Gleichrichter, einem Energie-Akkumulator, einer Ladungspumpe und einem Triggerbaustein. Fig. 7 zeigt den verwendeten Gleichrichter, der auch als Spannungs-Vervielfacher in kaskadierter Form ausgeführt werden kann, um eine höhere AusgangsSpannung bereitzustellen. Für die Auswahl der Gleichrichterdioden sind gerade im Hin- blick auf die aus dem Funknetz zu gewinnende Energie folgende Dimensionierungskriterien von Bedeutung: geringe Sperrschichtkapazität von möglichst weniger als 100 fF, geringer Serienwiderstand von möglichst weniger als 10 Ohm, geringer Sperrstrom der Dioden und eine geringe Schwellenspannung von möglichst 350 mV. Eine Optimierung könnte ergänzend dadurch erfolgen, dass integrierte Gleichrichter-Packages eingesetzt werden.

Um die von der Energieversorgung des Backscatter-Transponders 1 erzielten AusgangsSpannungen und somit dessen Reichweite noch zu erhöhen, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform bevorzugt, einen Energie-Akkumulator, wie er beispielgebend in Fig. 8 dargestellt ist, in dem Backscatter-Transponder 1 einzusetzen. In diesem Energie-Akkumulator wird die Energie in einem Kondensator gesammelt. Ist eine bestimmte elektrische Spannung erreicht, schließt der Schalter Sl, der in Form einer verlustarmen Triggerschaltung realisiert ist. Mit dieser bevorzugten Ausgestaltung kann man den Backscatter- Transponder 1 in einer größeren Entfernung zur Basisstation 40 temporär versorgen und somit höhere Reichweiten des Backscatter-Transponders 1 erzielen, als es die Energieversorgung aus dem Funknetz zulassen würde.