Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID- Transponder (radio frequency identification) sowie einen rückstreubasierten RFID- Transponder mit einer solchen Antenne.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der draht- und kontaktlosen Kommunikation. Sie liegt insbesondere auf dem Gebiet der funkbasierten Kommunikation zum Zwecke der Identifikation von Gegenständen, Tieren, Personen etc. sowie den hierfür einge- setzten Transpondern und „Remote Sensors".

Wenngleich prinzipiell auf beliebige kontaktlose Kommunikationssysteme anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend in Bezug auf RFID-Kommunikationssysterne und deren Anwendungen erläutert. RFID steht hierbei für "Radio Frequency Identification". Bei RFID-Systemen werden zwischen einer stationären oder mobilen Basisstation, die oft auch als Lesegerät, „Reader" oder Schreib-/Lesegerät bezeichnet wird, und einem oder mehreren Transpondern, die an den zu identifizierenden Gegenständen, Tieren bzw. Personen angebracht sind, Daten mit Hilfe von hochfrequenten Funksignalen bidirektional übertragen. Der Transponder, der auch als „Tag" oder „Label" bezeichnet wird, weist regelmäßig eine Antenne zum Empfangen des von der Basisstation abgestrahlten Funksignals sowie eine mit der Antenne verbundene integrierte Schaltung (IC) auf. Die integrierte Schaltung beinhaltet hierbei eine Empfangsschaltung zum Empfangen und Demodulieren des Funksignals sowie zum Detektieren und Verarbeiten der gesendeten Da- ten. Außerdem weist die integrierte Schaltung einen Speicher zum Ablegen der für die Identifikation des entsprechenden Gegenstandes erforderlichen Daten auf. Weiterhin kann der Transponder einen Sensor z.B. zur Temperaturmessung, der z.B. ebenfalls Teil der integrierten Schaltung ist, umfassen. Solche Transponder werden auch als „Remote Sensors" bezeichnet. RFID-Transponder können überall dort vorteilhaft eingesetzt werden, wo eine automatische Kennzeichnung, Erkennung, Abfrage oder überwachung erfolgen soll. Mit Hilfe von solchen Transpondern sind Gegenstände wie z.B. Behälter, Paletten, Fahrzeuge, Maschinen, Gepäckstücke, aber auch Tiere oder Personen individuell markierbar und kontaktlos sowie ohne Sichtverbindung identifizierbar. Bei „Remote Sen-

sors" können darüber hinaus physikalische Eigenschaften bzw. Größen erfaßt und abgefragt werden.

Auf dem Gebiet der Logistik können Container, Paletten und dergleichen identifiziert werden, um beispielsweise im Verlauf ihres Transportes den aktuellen Aufenthaltsort zu bestimmen. Bei „Remote Sensors" kann z.B. die Temperatur der transportierten Waren oder Güter regelmäßig gemessen und abgespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden. Auf dem Gebiet des Plagiatschutzes können Gegenstände wie z.B. integrierte Schaltungen mit einem Transponder versehen werden, um unautorisierte Nachbauten zu verhindern. Im Handelsbereich können RFID- Transponder die vielfach auf Produkten angebrachten Barcodes ersetzen. Weitere Anwendungen bestehen z.B. im Kraftfahrzeugbereich bei Wegfahrsperren oder Systemen zur überwachung des Luftdrucks in Reifen sowie in Systemen zur Personen- Zugangskontrolle.

Passive Transponder verfügen nicht über eine eigenständige Energieversorgung und entnehmen die für ihren Betrieb erforderliche Energie dem von der Basisstation emittierten elektromagnetischen Feld. Semi-passive Transponder weisen zwar eine eigene Energieversorgung auf, verwenden die durch sie bereitgestellte Energie aber nicht zum Senden/Empfangen von Daten, sondern beispielsweise zum Betreiben eines Sensors. RFI D-Systeme mit passiven und/oder semi-passiven Transpondern, deren maximaler Abstand von der Basisstation deutlich über einem Meter liegt, werden in Frequenzbereichen betrieben, die insbesondere im UHF- oder Mikrowellenbereich liegen.

In solchen passiven/semipassiven RFID-Systemen mit relativ großer Reichweite kommt zur Datenübertragung von einem Transponder zur Basisstation im allgemeinen ein Rückstrahlverfahren („Backscattering") zum Einsatz, im Zuge dessen ein Teil der von der Basisstation beim Transponder ankommenden Energie reflektiert (rückgestrahlt) wird. Hierbei wird das von der Basisstation abgestrahlte Trägersignal in der integrierten Schaltung des Transponders entsprechend den an die Basisstation zu übertragenden Daten moduliert und mittels der Transponder-Antenne reflektiert. Solche Transponder werden als rückstreubasierte Transponder bezeichnet.

Um bei rückstreubasierten Transpondern eine möglichst große Reichweite zu erzielen, ist es erforderlich, einen möglichst hohen Anteil der von der Basisstation beim Transponder ankommenden Energie der integrierten Empfangsschaltung des

Transponders zuzuführen. Leistungsverluste jeglicher Art sind hierbei zu minimieren. Hierzu sind einerseits Transponder-Antennen mit einem relativ breiten Empfangsfrequenzbereich erforderlich. Solche relativ breitbandigen Antennen können darüber hinaus den Vorteil bieten, die Anforderungen mehrerer nationaler oder regionaler Regulierungsbehörden mit nur einem Antennentyp zu erfüllen. Andererseits ist die von der Transponder-Antenne aufgenommene Energie möglichst ungeschmälert der integrierten Empfangsschaltung zuzuführen, die üblicherweise eine kapazitive Eingangsimpedanz, d.h. eine Impedanz mit negativem Imaginärteil aufweist.

Aus der DE 103 93 263 T5 ist eine Antenne für ein RFID-System bekannt, die eine Planarwendelstruktur mit zwei Zweigen aufweist. Ausgehend von einem zentralen Bereich erstrecken sich die beiden Zweige jeweils wendeiförmig nach außen. Die Eingangsimpedanz dieser Antenne ist ebenfalls kapazitiv.

Nachteilig ist hierbei, dass die Impedanz dieser Antenne stark vom konjugiert komplexen Wert der Impedanz des Chipeingangsschaltkreises abweicht und deshalb zwischen Antenne und Chip ein zusätzlicher, separater Anpassungsschaltkreis mit einer Spule und einem Kondensator erforderlich ist. Aufgrund von parasitären Widerständen dieser Bauelemente kommt es transponderseitig zu Leistungsverlusten, die nachteiligerweise die Reichweite reduzieren. Weiterhin schränkt der separate Anpassungsschaltkreis die Freiheit bei der Platzierung des Chips ein und verursacht aufwendigere und daher kostenintensivere Implementierungen des Transponders.

Aus dem in Electronics Letters, Vol. 41 , No. 20, 29. September 2005 auf den Seiten 1091-1092 erschienenen Artikel „Broadband RFID tag antenna with quasi-isotropic radiation pattern" von C. Cho, H. Choo und I. Park ist eine Antenne für ein UHF- RFID-System bekannt, die zwei geknickte Dipole und ein Doppel-T- Anpassungsnetzwerk aufweist. Der Flächenbedarf dieser Antenne beträgt 79mm x 53mm. Für die Reichweite des RFID-Systems ist ein Bereich von 1 ,7m bis 2,4m angegeben.

Bei vielen Anwendungen steht für die Antenne jedoch nur eine kleinere Fläche zur Verfügung. Für manche Anwendungen sowie für eine einfache Herstellung der An- tenne auf einem Band sind darüber hinaus längliche Antennen mit einer relativ kleinen Breite bis ca. 35mm und einer Länge von bis zu 100mm vorteilhaft. Außerdem erfordern viele Anwendungen eine größere Reichweite.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder mit einer integrierten Empfangsschal-

- A - tung (IC) zum Empfangen eines spektral in einem Betriebsfrequenzbereich liegenden Funksignals anzugeben, die einfachere und kostengünstigere Implementierungen sowie größere Reichweiten ermöglicht und dennoch einen sehr breitbandigen Empfang von hochfrequenten Funksignalen erlaubt und eine möglichst omnidirektionale Richtcharakteristik aufweist. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, einen einfach und kostengünstig zu realisierenden rückstreubasierten RFID-Transponder anzugeben, der eine größere Reichweite bei einem sehr breitbandigen, omnidirektiona- len Empfang von hochfrequenten Funksignalen aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Antenne und einen rück- streubasierten RFID-Transponder mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 25.

Die erfindungsgemäße Antenne beinhaltet a) zwei Antennenzweige, die sich von einem Anschlussbereich, in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung verbindbar sind, nach außen erstrecken, b) einen bügeiförmigen ersten Leiterbahnabschnitt, der ausgestaltet ist, die Antennenzweige miteinander zu verbinden, wobei c) jeder Antennenzweig einen mit dem Anschlussbereich verbundenen U-förmigen zweiten Leiterbahnabschnitt aufweist, und d) jeder Antennenzweig einen mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt verbundenen und parallel zum zweiten Leiterbahnabschnitt verlaufenden U-förmigen dritten Leiterbahnabschnitt aufweist. Der erfindungsgemäße rückstreubasierte RFID-Transponder weist eine integrierte Empfangsschaltung mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz sowie eine mit der integrierten Empfangsschaltung verbundene erfindungsgemäße Antenne auf.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, zwei U-förmige, parallel zueinander verlaufende und miteinander verbundene (kontaktierte) Leiterbahnabschnitte in jedem der beiden Antennenzweige anzuordnen. Dies ermöglicht Antennen und Transponder, die nur eine sehr kleine, z.B. längliche Fläche in Anspruch nehmen und einfacher und kostengünstiger implementiert werden können. Gleichzeitig ermöglicht eine solche Antenne größere Reichweiten und erlaubt dennoch einen sehr breitbandigen und weitgehend richtungsunabhängigen Empfang von hochfrequenten Funksignalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu entnehmen.

In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antenne sind die zweiten und dritten Leiterbahnabschnitte so ausgestaltet, dass die Antenne eine Ein-

gangsimpedanz mit einem im Betriebsfrequenzbereich induktiven Blindwiderstand aufweist, dessen Frequenzgang im Betriebsfrequenzbereich einen Wendepunkt und/oder einen lokalen Maximalwert und/oder einen lokalen Minimalwert aufweist. Hierzu wird vorzugsweise eine Bahnlänge entlang der zweiten und dritten Leiter- bahnabschnitte so gewählt, dass diese Forderung an den Frequenzgang erfüllt ist. Dies ermöglicht sehr große Reichweiten und einen besonders breitbandigen und weitgehend richtungsunabhängigen Empfang von hochfrequenten Funksignalen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die zweiten und dritten Leiterbahnabschnitte jeweils stückweise gerade ausgestaltet. Hierdurch läßt sich bei einer vorgegebenen rechteckigen oder quadratischen Fläche eine bessere Flächenausnutzung durch die Antenne erreichen.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist der erste Leiterbahnabschnitt derart ausgestaltet, dass die Antenne im Betriebsfrequenzbereich Werte einer induktiven Eingangsimpedanz aufweist, die derart an die konjugiert komplexen Werte der kapazitiven Eingangsimpedanz angenähert sind, dass zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist. Vorzugsweise ist der erste Leiterbahnabschnitt 24 derart ausgestaltet, dass die Antenne im Betriebsfrequenzbereich Werte einer induktiven Eingangsimpedanz aufweist, deren Realteil unterhalb von 35 Ohm liegt und deren Imaginärteil be- tragsmäßig oberhalb von 170 Ohm liegt. Auf diese Weise ergeben sich besonders hohe Reichweiten sowie besonders einfach zu implementierende Transponder.

Vorzugsweise weist jeder Antennenzweig einen mäanderförmigen vierten Leiterbahnabschnitt auf, der ausgestaltet ist, den Anschlussbereich mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt des Antennenzweiges zu verbinden. Hierdurch kann vorteilhaft die Gesamtlänge der durch die Antenne belegten Fläche reduziert werden. Vorzugsweise weisen die vierten Leiterbahnabschnitte hierbei eine dritte Bahnbreite auf, die kleiner ist als eine erste Bahnbreite eines zweiten oder dritten Leiterbahnabschnitts. Hierdurch lassen sich vorteilhaft kleine Wirkwiderstandswerte der Antennenimpedanz erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgernäßen RFID-Transponders ist die integrierte Empfangsschaltung im Anschlussbereich der Antenne angeordnet. Dies ermöglicht sehr einfache Implementierungen des Transponders.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform umfaßt jeder Antennenzweig eine dünne leitfähige Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und ist die integrierte

Empfangsschaltung auf diesem Substrat ausgebildet. Dies ermöglicht besonders einfache Implementierungen des Transponders.

Fig. 1 ein RFID-System mit einem erfindungsgemäßen Transponder; Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne; und Fig. 3 einen Frequenzgang der Eingangsimpedanz einer Antenne gemäß Fig. 2.

Figur 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines RFID-Systems. Das RFID-System 10 weist eine Basisstation 11 und mindestens einen erfindungsgemäßen Transponder 15 auf. Mit Hilfe von hochfrequenten Funksignalen tauscht die Basisstation 11 kontaktlos und bidirektional Daten mit dem oder den Transpondern 15 aus.

Die Basisstation 11 weist mindestens eine Antenne 12 zum Senden und Empfangen von Funksignalen in einem Betriebsfrequenzbereich fB, eine mit der/den Antenne(n) verbundene Sende-/Empfangseinheit 13 zum Senden und Empfangen von Daten sowie eine mit der Sende-/Empfangseinheit verbundene Kontrolleinheit 14 zum Steuern der Sende-/Empfangseinheit 13 auf.

Der rückstreubasierte, passive oder semi-passive Transponder 15 weist eine Antenne 16 zum Empfangen des spektral im Betriebsfrequenzbereich fB liegenden Funksignals und eine mit der Antenne verbundene Empfangsschaltung 17 zum Demodu- lieren des empfangenen Funksignals und zum Detektieren der darin enthaltenen Daten auf. Die Empfangsschaltung 17 ist hierbei Teil einer in Figur 1 nicht dargestellten integrierten Schaltung (IC), z.B. eines ASICs (application specific integrated circuit) oder eines ASSPs (application specific Standard product), die außerdem regelmäßig einen Speicher zum Ablegen der für eine Identifikation der entsprechenden Gegens- tände erforderlichen Daten aufweist. Gegebenenfalls beinhaltet der Transponder 15 bzw. die integrierte Schaltung weitere in Fig. 1 nicht dargestellte Komponenten wie z.B. einen Sensor zur Temperaturbestimmung. Solche Transponder werden auch als „Remote Sensors" bezeichnet.

Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass der Betriebsfrequenzbereich fB im UHF-Frequenzband liegt, und zwar in einem Frequenzbereich zwischen ca. 840 MHz und ca. 960 MHz. Alternativ kann sich der Betriebsfrequenzbereich auch im nahezu weltweit verfügbaren ISM-Band (industrial, scientific, medical) zwischen 2,4 und 2,5

GHz erstrecken. Weitere alternative Betriebsfrequenzbereiche liegen bei 315 MHz, 433 MHz bzw. 5,8 GHz.

Aufgrund von unterschiedlichen aktuellen Anforderungen der Regulierungsbehörden bzgl. der im Frequenzbereich zwischen 840 und 960 MHz maximal zulässigen Sen- deleistungen werden im Lesebetrieb Reichweiten von ca. 5rn für den europäischen Markt (500 mW ERP) und ca. 1 1 m für die USA (4 W EIRP) angestrebt.

Die integrierte Empfangsschaltung 17 bzw. der Eingangsschaltkreis des IC weist eine komplexwertige Eingangsimpedanz Z1 mit einem Realteil (Wirkwiderstand) R1 und einem Imaginärteil (Blindwiderstand) X1 auf. Der Wirkwiderstand R1 ist hierbei zur Minimierung von Leistungsverlusten vorzugsweise relativ klein. Der Blindwiderstand X1 ist regelmäßig kapazitiv (X1<0) und insbesondere bei kleinen Werten des Wirkwiderstandes R1 betragsmäßig größer als der Wirkwiderstand: |X1 |>R1.

Von der Anmelderin entwickelte integrierte Empfangsschaltungen 17 weisen Eingangsimpedanzen Z1 mit Wirkwiderständen R1 im Bereich von ca. 4...35 Ohm und kapazitiven Blindwiderständen X1 , deren Absolutwerte über ca. 170 Ohm liegen, auf. Der Betrag des Imaginärteils (|X1 |) übersteigt den Realteil (R1) damit deutlich: |X1 | > 4 ^* R1. Bei fortschreitender Herstellungstechnologie von integrierten Schaltungen und damit abnehmenden Strukturgrößen ist von betragsmäßig weiter zunehmenden kapazitiven Blindwiderständen X1 auszugehen. Die Antenne 16 des Transponders 15 weist Antennenzweige auf, die sich von einem Anschlussbereich, in dem die Antennenzweige mit der Empfangsschaltung 17 verbunden (kontaktiert) sind, nach außen erstrecken. Vorzugsweise sind die Antennenzweige und die integrierte Empfangsschaltung 17 auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Antenne 16 beschrieben.

Figur 2 zeigt in einer Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne für einen rückstreubasierten RFID-Transponder 15 gemäß der vorstehenden Beschreibung.

Die Antenne 20 weist genau zwei Antennenzweige 21 und 22 auf, die sich vom An- Schlussbereich 23, in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung 17 (Fig. 1) verbunden sind, nach außen erstrecken. Die Zweige 21 , 22 sind hierbei mittels eines bügeiförmigen Leiterbahnabschnitts 24 miteinander verbunden. Jeder Antennenzweig 21 , 22 weist einen mit dem Anschlussbereich 23 verbundenen mäanderförmigen Leiterbahnabschnitt 25 auf, einen mit dem Abschnitt 25 verbünde-

nen und sich daran anschließenden U-förmigen Leiterbahnabschnitt 26 und einen weiteren, mit dem Abschnitt 26 verbundenen und sich daran anschließenden U- förmigen Leiterbahnabschnitt 27 auf, der parallel zum Abschnitt 26 verläuft.

Jeder Schenkel des U-förmigen Abschnitts 26 ist hierbei parallel zu einem jeweiligen, benachbarten Schenkel des U-förmigen Abschnitts 27 desselben Antennenzweiges angeordnet, so dass die drei Schenkel des Abschnits 26 parallel und in einem einheitlichen, festen (konstanten) Abstand d verlaufen zu den drei Schenkeln des Abschnitts 27 desselben Antennenzweiges. Außerdem ist in jedem Zweig der Abschnitt 26 in einem vom Abschnitt 27 umfassten Innenraum (Innenfläche) angeordnet, wobei die öffnungen der beiden U-förmigen Abschnitte in dieselbe Richtung zeigen.

Bezeichnet man die jeweils zwei Enden der U-förmigen Leiterbahnabschnitte 26 mit 26a und 26b und diejenigen der U-förmigen Abschnitte 27 mit 27a und 27b, so ist in jedem Antennenzweig 21 , 22 ein äußeres Ende 26b des Abschnitts 26 mit einem äußeren Ende 27a des Abschnitts 27 verbunden, so dass die U-förmigen Abschnitte 26, 27 desselben Antennenzweiges an jeweils einem äußeren („ersten") Ende 26b, 27a elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Unter einem „äußeren" Ende ist hierbei dasjenige („erste") Ende des entsprechenden Abschnitts zu verstehen, das ausgehend vom Anschlussbereich 23 entlang der Leiterbahnabschnitte (im Sinne einer Wegstrecke) weiter entfernt ist vom Anschlussbereich 23 als das jeweils andere, innere („zweite") Ende desselben Abschnitts. Das „äußere" Ende entspricht also jeweils dem (entlang der Abschnitte) vom Anschlussbereich 23 abgewandten Ende.

Weiterhin ist in jedem Antennenzweig 21 , 22 ein inneres Ende 26a des Abschnitts 26 mit einem inneren Ende 27b des Abschnitts 27 verbunden, so dass die U-förmigen Abschnitte 26, 27 desselben Antennenzweiges am jeweils anderen, inneren („zwei- ten") Ende 26a, 27b ebenfalls elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Außerdem ist in jedem Antennenzweig 21 , 22 das innere Ende 26a sowie das innere Ende 27b mit dem Anschlussbereich 23 verbunden, und zwar über ein äußeres, d.h. vom Anschlussbereich 23 abgewandtes, Ende 25b des Abschnitts 25 und über diesen Abschnitt 25 selbst. Damit sind die U-förmigen Abschnitte 26, 27 desselben An- tennenzweiges am jeweils anderen, inneren („zweiten") Ende (26a, 27b) elektrisch leitend mit dem äußeren Ende 25b des mäanderförmigen Abschnitts 25 desselben Antennenzweiges verbunden.

Der bügeiförmige Leiterbahnabschnitt 24 verbindet die mäanderförmigen Abschnitte 25 der beiden Antennenzweige 21 , 22 miteinander und bildet eine zwischen die An-

tennenzweige 21 , 22 geschaltete Parallelinduktivität. Vorzugsweise weist der bügeiförmige Leiterbahnabschnitt 24 zwei zueinander parallele erste Teilabschnitte 24a und einen senkrecht zu den ersten Teilabschnitten angeordneten und diese miteinander verbindenden zweiten Teilabschnitt 24b auf. Ausgehend vom Anschlussbe- reich 23 erstreckt sich der bügeiförmige Leiterbahnabschnitt 24 vorzugsweise in ein unbelegtes Gebiet zwischen den äußeren Enden 26b, 27a des oberen Antennenzweiges 21 und den äußeren Enden 26b, 27a des unteren Antennenzweiges 22.

Jeder mäanderförmige Abschnitt 25 bildet eine in seinen Antennenzweig eingebrachte Serieninduktivität. Zusätzlich zu den Abschnitten 24-27 weist die Antenne 20 vorzugsweise einen weiteren Leiterbahnabschnitt 28 auf, der die zwei U-förmigen Abschnitte 27 der beiden Antennenzweige 21 , 22 miteinander verbindet. Hierbei verbindet der Abschnitt 28 die beiden inneren Enden 27b der Abschnitte 27 der beiden Antennenzweige 21 , 22 und damit auch die beiden inneren Enden 26a der Abschnitte 26 der beiden Antennen- zweige sowie die beiden äußeren Enden 25b der mäanderförmigen Abschnitte 25 der beiden Antennenzweige elektrisch leitend miteinander.

Die Leiterbahnabschnitte 24 und 26-28 sind vorzugsweise stückweise gerade bzw. polygonal ausgestaltet, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Die Winkel zwischen den geraden Teilabschnitten betragen hierbei vorzugsweise jeweils 90 Grad. In weiteren Aus- führungsformen sind „Ecken" der Leiterbahnen rundlich oder abgeschrägt z.B. mit 45- bzw. 135-Grad-Winkeln ausgeführt.

Die beiden Antennenzweige 21 , 22 sind in ihrer Form vorzugsweise symmetrisch zueinander ausgestaltet. Der in Fig. 2 unten dargestellte Antennenzweig 22 entspricht einer Spiegelung des oben dargestellten Antennenzweiges 21 an einer horizontalen, durch den Anschlussbereich 23 verlaufenden Achse bzw. Ebene S - und umgekehrt.

Weiterhin sind die Antennenzweige 21 , 22 vorzugsweise planar ausgebildet und liegen in einer gemeinsamen Ebene (Zeichenebene der Fig. 2).

Vorzugsweise umfassen die beiden Antennenzweige 21 , 22 jeweils eine dünne leitfähige Schicht z.B. aus Kupfer, Silber etc., die auf einem gemeinsamen Substrat z.B. aus Polyimid oder auf einer Leiterplatte ausgebildet ist. Vorzugsweise ist auf diesem Substrat auch die integrierte Empfangsschaltung 17 (Fig. 1 ) des Transponders ausgebildet. Alternativ kann die dünne leitfähige Schicht auf einer Folie aufgebracht sein, auf der mittels Flip-Chip-Technik die integrierte Empfangsschaltung angeordnet

ist. Der zumindest aus Antenne und integrierter Empfangsschaltung bestehende Transponder wird schließlich an dem zu identifizierenden Gegenstand angebracht.

Im Anschlussbereich 23 sind die Antennenzweige 21 , 22 mit der integrierten Empfangsschaltung 17 des Transponders 15 kontaktiert (Fig. 1). Die Empfangsschaltung 17 ist vorzugsweise direkt im Anschlussbereich 23 angeordnet. Hierdurch vereinfacht sich vorteilhaft die Implementierung des Transponders.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, weisen die Leiterbahnabschnitte 24-28 eine Bahnbreite auf, die entlang der Teilabschnitte stückweise konstant ist. Die Bahnbreite bleibt vorzugsweise in jedem geraden Teilabschnitt konstant, ändert sich aber „sprunghaft" von Teilabschnitt zu Teilabschnitt. Ausgehend vom Anschlussbereich 23 kann der erste Teilabschnitt eine erste Breite aufweisen, der nächste gerade Teilabschnitt eine zweite, größere Breite, und der dritte Teilabschnitt eine dritte (im Vergleich zu zweiten Breite wiederum) größere Breite etc..

Vorzugsweise stimmt die Bahnbreite der U-förmigen Abschnitte 26 mit der Bahnbrei- te der U-förmigen Abschnitte 27 und ggf. mit der Bahnbreite des Abschnitts 28 überein. Diese Bahnbreite, die in Fig. 2 mit Wb2 bezeichnet ist, nimmt beispielsweise einen Wert von 2,0mm an. Demgegenüber sind die Bahnbreiten im bügeiförmigen Abschnitt 24 und den mäanderfömnigen Abschnitten 25 vorzugsweise kleiner als in den Abschnitten 26, 27. In Fig. 2 weisen die Abschnitte 24 und 25 exemplarisch dieselbe Bahnbreite Wb1 auf. Sie nimmt beispielsweise einen Wert von 0,5mm an.

Die in Fig. 2 dargestellte Antenne 20 beansprucht eine Fläche mit einer Gesamtlänge L von ca. 87mm und einer Gesamtbreite W von ca. 23rnm, so dass sich diese Antenne insbesondere für eine Herstellung auf einem Band (W < ca. 35mm) und/oder für Anwendungen eignet, bei denen eine längliche Fläche für die Antenne zur Verfü- gung steht. Die größte geometrische Abmessung (L) dieser Antenne liegt damit für alle Wellenlängen λ = c/f des Betriebsfrequenzbereichs fB (mit f=840 ... 960 MHz) unterhalb des Wertes λ / π = 99mm, so dass es sich bei der Antenne 20 gemäß der Definition von Wheeler (1975) um eine „elektrisch kleine" Antenne handelt. Die Antenne 20 ist damit besonders platzsparend, so dass besonders einfache und kosten- günstige Transponderrealisierungen ermöglicht werden.

Die komplexwertige Eingangsimpedanz der Antenne 20 ist nachfolgend mit Z2 = R2 + j ^* X2 bezeichnet, wobei R2 den Wirkwiderstand und X2 den Blindwiderstand der Antenne angeben.

Vorzugsweise sind die U-förmigen Leiterbahnabschnitte 26, 27 so ausgestaltet, dass die Antenne 20 eine Eingangsimpedanz Z2 mit einem im Betriebsfrequenzbereich fB induktiven Blindwiderstand X2>0 aufweist, dessen Frequenzgang X2(f) im Betriebsfrequenzbereich fB einen Wendepunkt im mathematischen Sinne aufweist. Weiterhin ist der bügeiförmige Leiterbahnabschnitt 24 vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die Antenne 20 im Betriebsfrequenzbereich fB Werte einer induktiven Eingangsimpedanz Z2 aufweist, die derart an die konjugiert komplexen Werte Z1 ¹ der kapazitiven Eingangsimpedanz Z1 der integrierte Empfangsschaltung 17 angenähert sind, dass zwischen Antenne und integrierter Empfangsschaltung keine Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung erforderlich ist (siehe Fig. 1).

Diese Sachverhalte sind nachfolgend mit Bezug auf Fig. 3 näher erläutert.

Figur 3 zeigt schematisch den Frequenzgang der Eingangsimpedanz Z2 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbei- spiel. Im oberen Teil der Figur ist hierbei der Blindwiderstand X2, d.h. der Imaginärteil von Z2, über der Frequenz f aufgetragen, während im unteren Teil der Wirkwiderstand R2, d.h. der Realteil von Z2, dargestellt ist. Der o.g. Betriebsfrequenzbereich fB zwischen ca. 840 MHz und ca. 960 MHz ist in Fig. 3 hervorgehoben.

Aus dem Frequenzgang X2(f) des Blindwiderstandes ist zu erkennen, dass der Blindwiderstand X2 schon an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbereichs fB, d.h. bei ca. 840 MHz, einen hohen induktiven Wert von über 200 Ohm erreicht. Mit zunehmenden Frequenzwerten steigt der Blindwiderstand X2 bis auf einen lokalen Maximalwert 32 von ca. 214 Ohm an, fällt anschließend leicht auf einen lokalen Minimalwert 33 von ca. 208 Ohm ab und steigt anschließend wieder an, bis an der obe- ren Grenze des Betriebsfrequenzbereichs fB, d.h. bei ca. 960 MHz, ein Wert von ca. 215 Ohm erreicht wird. Ungefähr in der Mitte des Betriebsfrequenzbereichs fB, d.h. bei ca. 900 MHz, liegt ein Wendepunkt 31 des Frequenzgangs X2(f).

Die U-förmigen Leiterbahnabschnitte 26, 27 der vorstehend beschriebenen Antenne 20 sind so ausgestaltet, dass der Blindwiderstand X2 der Antenne im gesamten Be- triebsfrequenzbereich fB induktiv (X2>0) ist und einen Frequenzgang X2(f) aufweist, der im Betriebsfrequenzbereich fB sowohl einen Wendepunkt 31 als auch einen lokalen Maximalwert 32 und einen lokalen Minimalwert 33 hat, die jeweils nicht an einem Rand des Betriebsfrequenzbereichs fB liegen. Hierzu ist in Fig. 2 insbesondere die Bahnlänge Lu entlang der Leiterbahnabschnitte 26, 27, d.h. die Summe der Weglän-

gen der U-förmigen Abschnitte 26, 27 so gewählt, dass der Wendepunkt 31 und die lokalen Maximal- und Minimalwerte 32, 33 innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs fB liegen.

In weiteren Ausführungsformen der Antenne sind die U-förmigen Leiterbahnabschnit- te so ausgestaltet, dass der Frequenzgang X2(f) im Betriebsfrequenzbereich fB ausschließlich einen Wendepunkt, nicht jedoch lokale Extremwerte aufweist oder aber einen Wendepunkt sowie entweder einen lokalen Maximalwert oder einen lokalen Minimalwert aufweist.

Die in Fig. 3 dargestellten Werte des induktiven Blindwiderstands X2 der Antenne 20 entsprechen im Betriebsfrequenzbereich fB in guter Näherung den vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 angegebenen Absolutwerten |X1 | des kapazitiven Blindwiderstands X1 der integrierten Empfangsschaltung 17.

Aus dem Frequenzgang R2(f) des Wirkwiderstandes ist zu erkennen, dass der Wirkwiderstand R2 an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbereichs fB einen kleinen Wert von ca. 5 Ohm annimmt. Mit zunehmenden Frequenzwerten steigt auch der Wert des Wirkwiderstandes R2, bis ungefähr in der Mitte des Betriebsfrequenzbereichs fB bei ca. 900 MHz ein maximaler Wert 34 von ca. 22 Ohm erreicht ist. Bei weiter steigenden Frequenzwerten fällt der Wirkwiderstand R2 anschließend wieder ab und erreicht bei der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbereichs fB einen Wert von ca. 8 Ohm. Damit liegt ein lokaler Maximalwert 34 von R2(f) innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs fB.

Aufgrund der geringen Steilheiten der Frequenzgänge R2(f), X2(f) im Betriebsfrequenzbereich fB weist die Antenne 20 eine hohe Bandbreite auf. Die Bandbreite des Gesamtsystems (Transponder) hängt stark von der Impedanz der integrierten Emp- fangsschaltung, vom Antennensubstratträger und vom Untergrund, auf dem der Transponder angebracht ist, ab. Untersuchungen der Anmelderin haben Bandbreiten des Gesamtsystems von ca. 80 MHz ergeben.

Die in Fig. 3 dargestellten Werte des Wirkwiderstands R2 der Antenne 20 entsprechen im Betriebsfrequenzbereich fB in guter Näherung den vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 angegebenen Werten R1 des Wirkwiderstands R1 der integrierten Ernpfangs- schaltung 17.

Unter den vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 erläuterten Randbedingungen ist die Eingangsimpedanz Z2 = R2 + j ^* X2 der Antenne 20 damit im Betriebsfrequenzbereich fB hinreichend genau an die konjugiert komplexen Werte ZV = R1 — j ^* X1 der Eingangs-

impedanz Z1 = R1 + j ^* X1 der integrierten Empfangsschaltung 17 angenähert. Eine separate Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung ist vorteilhaft nicht erforderlich. Hierzu ist der bügeiförmige Leiterbahnabschnitt 24 der Antenne 20 entsprechend ausgestaltet. Insbesondere die Bahnlänge entlang der Teilabschnitte 24a, 24b, aber auch die Bahnbreite Wb 1 ist hierzu so gewählt, dass im Betriebsfrequenzbereich fB der Idealfall Z2=Z1 ' möglichst gut angenähert wird. So hat beispielsweise eine Verlängerung der Teilabschnitte 24a um 1 mm eine Zunahme von |X2| um ca. 5 Ohm und eine Verlängerung um 2mm eine Zunahme um ca. 10 Ohm zur Folge, so dass durch eine solche Variation eine Feinjustierung der Impedanzanpassung erfolgen kann.

Auf diese Weise werden transponderseitige Leistungsverluste reduziert, so dass sich hohe Reichweiten ergeben und ein breitbandiger sowie omnidirektionaler Empfang im gesamten Betriebsfrequenzbereich fB möglich ist. Untersuchungen der Anmelderin haben Reichweiten im Lesebetrieb von ca. 10m für die USA (4 W EIRP) und ca. 5m für den europäischen Markt (500 mW ERP) ergeben. Außerdem kann die integrierte Empfangsschaltung 17 hierdurch vorteilhaft ohne Beschränkungen durch separate Bauelemente zur Impedanzanpassung direkt in einem Anschlussbereich der Antenne 16 platziert werden, so dass besonders einfache und kostengünstige, aber dennoch leistungsstarke Transponderrealisierungen ermöglicht werden. Wie nahe die induktive Eingangsimpedanz Z2 der Antenne im allgemeinen an die ebenfalls induktive Impedanz Z1' herangeführt werden kann, hängt von vielen, insbesondere aber den folgenden Randbedingungen ab: a) der frequenzmäßigen Lage und Breite des gewünschten Betriebsfrequenzbereichs fB, b) dem Wert der kapazitiven Eingangsimpedanz Z1 der Empfangsschaltung 17 sowie dessen Verlauf im Be- triebsfrequenzbereich, und c) der genauen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind die U-förmigen Leiterbahnabschnitte 26, 27 und der bügeiförmige Leiterbahnabschnitt 24 vorzugsweise so ausgestaltet, dass die von der Antenne 20 belegte Fläche W x L optimal ausgenutzt wird. So entspricht in Fig. 2 die horizontale Ausdehnung der äußeren U-förmigen Leiterbahnabschnitte 27 im wesentlichen der horizontalen Ausdehnung der Antenne im Bereich des bügeiförmigen Leiterbahnabschnitts 24 und diese wiederum im wesentlichen der Gesamtbreite W der Antenne. Weiterhin entspricht die Summe der Längen der beiden rechten vertikalen Teilabschnitte der U-förmigen Abschnitte 27 und des Teilabschnitts 24b bis auf einzuhaltende vertikale Mindestabstände zwischen den äußeren Enden 26b, 27a der

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U-förmigen Abschnitte und den Teilabschnittten 24a der Gesamtlänge L der Antenne. Sowohl in den U-förmigen Abschnitten 26, 27 als auch im bügeiförmigen Leiterbahnabschnitt 24 wird die jeweils erforderliche gesamte Bahnlänge daher vorzugsweise so auf die jeweiligen horizontalen und vertikalen Teilabschnitte verteilt, dass die Antenne eine möglichst kleine Fläche möglichst vollständig nutzt.

In weiteren Ausführungsbeispielen weist die erfindungsgemäße Antenne keine mä- anderförmigen Abschnitte auf. Stattdessen sind beispielsweise die U-förmigen Leiterbahnabschnitte derart ausgestaltet, dass die Antenne eine länglichere Fläche belegt. Dies ist bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen die Gesamtbreite W der Anten- ne streng nach oben durch einen kleinen Maximalwert begrenzt ist, der Wert der Gesamtlänge dagegen von untergeordneter Bedeutung ist.

Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. So ist die Erfindung beispielsweise weder auf passive oder semipassive Transponder, noch auf die angegebenen Frequenzbänder oder die angegebenen Impedanzwerte der integrierten Empfangsschaltung etc. beschränkt. Die Erfindung kann vielmehr vorteilhaft in unterschiedlichsten kontaktlosen Kommunikationssystemen eingesetzt werden.

- - Bezuqszeichenliste

10 RFI D-System

1 1 Basisstation, Schreib-/Lesegerät, Lesegerät, Reader

12 Antenne der Basisstation

13 Sende-/Empfangseinheit der Basisstation

14 Kontrolleinheit der Basisstation

15 Transponder bzw. Remote Sensor

16 Antenne des Transponders

17 integrierte Empfangsschaltung des Transponders

20 Antenne

21 , 22 Antennenzweig

23 Anschlussbereich der Antenne

24-28 Leiterbahnabschnitt

24a, 24b Teilabschnitt

25a, 25b Enden des Leiterbahnabschnitts 25

26a, 26b Enden des Leiterbahnabschnitts 26

27a, 27b Enden des Leiterbahnabschnitts 27

31 Wendepunkt von X2(f)

32 lokaler Maximalwert von X2(f)

33 lokaler Minimalwert von X2(f)

34 lokaler Maximalwert von R2(f)

EIRP emitted isotropic radiated power

ERP emitted radiated power

ISM industrial, scientific, medical

RFID radio frequency identification

d Abstand f Frequenz fB Betriebsfrequenzbereich

L Gesamtlänge

Lu Bahnlänge

R1 , R2 Wirkwiderstand von Z1 bzw. Z2, Realteil von Z1 bzw. Z2

R2(f) Frequenzgang von R2

W Gesamtbreite

Wb1 , Wb2 Bahnbreite

X1 , X2 Blindwiderstand von Z1 bzw. Z2, Imaginärteil von Z1 bzw. Z2

X2(f) Frequenzgang von X2

Z1 =R1 +j*X1 Eingangsimpedanz der integrierten Empfangsschaltung

Z2=R2+j*X2 Eingangsimpedanz der Antenne