Die Erfindung betrifft eine magnetisch koppelnde Nahfeld- RFID-Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kontaktlose Identifikationssysteme mit einer kontaktlosen Energie- und Datenübertragung von einer Daten-Sende-/Emp- fangsvorrichtung auf einen tragbaren Datenträger über elektrisches, magnetisches bzw. elektro-magnetisches Wech- selfeld sind hinlänglich bekannt. Insbesondere bei der sogenannten oder Radiofrequenz-Identifizierung (RFID) handelt es sich um eine Möglichkeit, auf tragbaren Datenträgern befindliche Informationen kontaktlos auszulesen oder Daten auf diesen zu schreiben. Von daher eröffnet die RFID-Technik eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise eröffnet sie die Möglichkeiten einer permanenten Überprüfung, ob z.B. bestimmte Güter oder Produkte in Lagern während Produktionsabläufen vorhanden sind oder ob bestimmte Güter mit bestimmten Ausstattungsmerkmalen an bestimmten Orten vorhanden sind.

RFID-Systeme haben mehrere Grundkomponenten und technische Eigenschaften, durch die sie definiert sind. Im allgemeinen ist ein sogenanntes Lesegerät, kurz auch Reader ge- nannt, vorgesehen, welches mit einer Antenne in Verbindung steht. Über die Antenne wird vom Lesegerät ein entsprechendes Abfragesignal ausgesandt. Dieses von einem Tag empfangene Signal dient gleichzeitig zur Energieversorgung des Tags. Die entsprechenden Informationen werden auf dem Tag ausgelesen und an das Sende-Empfangs -Gerät, dem sogenannten Reader zurückgesandt, der über die Antenne das entsprechende Signal auffängt und auswertet. Es handelt sich dabei um einen bidirektionalen Sende-Empfangsweg in einem gleichen Frequenzbereich oder Frequenzband. Dazu sind in den unterschiedlichen Ländern gegebenenfalls unterschiedliche Frequenzbänder für diese Technik freigegeben.

Die erwähnten Tags umfassen üblicherweise neben einem Sub- strat, beispielsweise in Form einer gegebenenfalls biegbaren Folie, eine Datenträger-Antenne sowie eine zugehörige Schaltungsanordnung (Chip) , in welcher die entsprechenden Informationen gespeichert sind, die nach Empfang eines Signals ausgelesen werden können.

In der RFID-Technik sind unterschiedliche Tag-Arten und in Abhängigkeit der Tag-Arten zum Teil auch unterschiedliche Empfangsmethoden (zum Teil auch frequenzabhängig) bekannt geworden.

Die entsprechenden Transponder, nachfolgend auch kurz als Tags bezeichnet, unterscheiden sich beispielsweise nach der Übertragungsfrequenz, aber auch nach ihrem Verwendungszweck.

Bekannt geworden sind beispielsweise dipol- förmige Tags, die die vom Reader ausgestrahlte Energie vor allem aus dem E-FeId oder einer Kombination aus dem E- und dem H-FeId, also dem elektromagnetischen Feld beziehen.

Zudem sind auch eher kleine schleifenförmige Tags bekannt geworden, die primär durch das H-FeId, also das magneti- sehe Feld, angekoppelt werden.

Daneben gibt es auch Mischformen von Transpondern, d.h. Tags.

Ähnlich wie sich die Tags unterscheiden, d.h. ob die Tags primär auf den Empfang bzw. die Aussendung von E-Feldern, von H-Feldern oder auf die Kombination ausgerichtet sind, unterscheiden sich auch die Antennenkonzepte für RFID- Reader.

So werden üblicherweise als RFID-Antennen Patchantennen eingesetzt. Derartige Antennen weisen üblicherweise in ihrem Nahbereich eine sehr geringe Selektivität aus.

Daneben sind auch Schleifenantennen, insbesondere große Schleifenantennen bekannt geworden, die vor allem zum Senden und Empfangen mittels magnetischer Felder geeignet sind.

So ist beispielsweise gemäß der US 2008/0048867 Al die Verwendung einer eher rechteckförmigen oder kreisförmigen RFID-Antenne bekannt geworden, die in Umfangsrichtung mit einer oder mehreren Kapazitäten bestückt ist. Die kapazitive Bestückung kann letztlich auch durch eine Unterbre- chung oder mehrere Unterbrechungen in Umfangsrichtung der beispielsweise grundsätzlich eher kreisförmig gestalteten Antenne realisiert sein. Eine derartige Antenne soll sich insbesondere als UHF-RFID-Antenne unter Erzeugung einer magnetischen Kopplung mit im Antennebereich befindlichen Tags eignen. Allerdings erzeugen derartige Antennen eine nicht unbeachtliche elektromagnetische Strahlung senkrecht zur Schleifenachse ähnlich wie bei Dipolen. Zudem ist bei derartigen Antennen zur Erzielung einer Verbesserung die Verwendung eines Reflektors erforderlich. Auch deshalb ergibt die Antenne insgesamt eine vergleichsweise große Bauform auch aufgrund des nötigen Abstandes zwischen der Schleifenantenne und dem Reflektor. Dabei sollen gemäß dieser Vorveröffentlichung derartige Schleifen- oder Loop- Antennen erzeugt werden, bei denen die Länge der Schleifenabschnitte, die jeweils über einen Kondensator voneinander getrennt sind länger sein können als die Wellenlänge des Erreger-Signal.

Eine weitere segmentierte Schleifen- oder Loop-Antenne ist auch aus der Veröffentlichung "Segmented Magnetic Antennas for Near-field UHF RFID", Microwave Journal and Horizon House Publications, Vol. 50, No. 6 Juni 2007 bekannt ge- worden. Die Antenne weist grundsätzlich eine polygonale Form auf und ist hochgradig segmentiert. Jedes einzelne Segment ist aus einer Metallleitung gebildet, die einen in Reihe geschalteten Kondensator zum nächsten Segment um- fasst. Aus dieser Veröffentlichung ist beispielsweise eine Acht-Polygonale-Antenne mit sechs Kondensatoren oder beispielsweise eine Sechszehn-Polygonale-Antenne mit fünfzehn Kondensatoren in einer Größe von 1 pF und einem Widerstand von 10 Ω als bekannt zu entnehmen.

Schließlich sind auch Antennenkonzepte bekannt geworden, bei denen Antennen auf der Basis einer Mikrostreifenlei- tung aufgebaut sind. Dies ist beispielsweise aus der US 2007/0268143 Al als bekannt zu entnehmen. Derartige Anten- nen besitzen Längen ≥ λ/2 und werden zur Realisierung einer E-Feld-Kopplung verwendet. Typischerweise ist die Länge einer derartigen Antenne größer als λ/2 (bezogen auf die Betriebsfrequenz) und kleiner als λ (wobei λ die WeI- lenlänge im Dielektrikum ist) .

Derartige Antennen können als nicht strahlende Antennen realisiert sein, beispielsweise in Form von mäanderförmigen Antennen. Eine derartige mäanderförmige Antenne ist auf der Oberfläche eines Substrates (oberhalb einer Massefläche) angeordnet, wobei die mäanderförmige Antenne an ihrem einen Ende gespeist und an ihrem gegenüberliegenden Ende abgeschlossen ist, und zwar unter Verwendung gegenüber Masse geschalteten Widerstandes.

Bei einem derartigen Antennenaufbau können mittels E- Feld- Kopplung beispielsweise mit geeigneten Tags versehene Etiketten ausgelesen werden, die unmittelbar benachbart über die betreffende Antenne hinweg bewegt werden.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte magnetisch koppelnde Nahfeld-RFID-Antenne zu schaffen, die eine möglichst kleine Bauform aufweist und dabei eine möglichst geringe Leistungsabstrahlung verursacht, um auch dadurch eine hohe Selektivität zu gewährleisten, so dass im unmittelbaren Nahfeld eines an der Antenne vorbeigeführten Tags sichergestellt ist, dass stets nur ein einziger unmittelbar im Antennenbereich befindlicher Tag ausgelesen werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange- geben.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Nahfeld- RFID-Antenne vorgeschlagen, bei der die Leistungsabstrah- lung auf ein Minimum reduziert ist. Mit anderen Worten lässt sich im Rahmen der Erfindung sicherstellen, dass beispielsweise weniger als 20%, insbesondere weniger als 15%, 10% oder sogar weniger als 8%, 6%, 4% oder sogar 2% der Leistung abgestrahlt wird.

Die erfindungsgemäße Antenne ist dabei auf magnetische Tags hin optimiert, also auf Tags, die überwiegend über das magnetische Feld gespeist und angesprochen werden. Dabei wird durch die erfindungsgemäße Antenne im Nahfeld ein starkes H-FeId erzeugt.

Die erfindungsgemäße Antenne weist dabei eine Schleifenform auf, die von der Grundform her durchaus in Bereichen variieren kann, beispielsweise kreisförmig, oval, quadra- tisch oder eher rechteckförmig, n-polygonal oder dergleichen sein kann. Entscheidungserheblich ist, dass die als schleifenförmige Antennen bezeichnete Antenneneinrichtung von einer Speisestelle über eine geschlossene Bahn möglichst nahe zur Speisestelle zurückgeführt und dort über einen Abschlusswiderstand gegenüber Masse abgeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Nahfeld-RFID-Antenne besteht aus einer Mikrostreifenleitung, die an ihrem einen Ende ge- speist und am anderen Ende mit der Leitungsimpendanz abgeschlossen ist. Dadurch lässt sich eine rein fortschreitende Welle erzeugen. Die Länge L des Streifenleiters der rahmenförmigen Antenne beträgt dabei weniger als λ/2 (wo- bei λ die Wellenlänge, d.h. Betriebswellenlänge im Dielektrikum ist) . Bevorzugt beträgt die Länge weniger als λ/3.

Der Spalt zwischen Speisepunkt und Abschlusswiderstand ist dabei idealerweise möglichst gering. Unabhängig davon, wie die Streifenleitungs-Rahmenantenne im Konkreten geformt ist, also ob sie eher kreisförmig, elliptisch, rechteck- förmig etc. gestaltet ist. Dadurch lässt sich realisieren, dass die Stromrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der gesamten Leitung immer gleich ist, wodurch sich eine gute Verstärkung des magnetischen Feldes und eine Reduzierung des elektrischen Feldes ergibt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne gegen- über großen magnetischen (segmentierten) Antennen liegt in der Breitbandigkeit bezüglich der Anpassung. Dies liegt zum einen in der nicht resonanten Struktur des erfindungs- gemäßen Antennenaufbaus begründet .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:

Figur 1 : eine schematische räumliche Darstellung einiger Objekte, die beabstandet vonein- ander an einer Nahfeld-RFID-Antenne vorbei bewegt werden;

Figur 2 : eine schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Nahfeld- RFID-Antenne eines Readers;

Figur 3 : eine schematische Querschnittsdarstellung durch dieses Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ; und

Figur 4 : ein zu Figur 2 abweichendes Ausführungsbeispiel .

In Figur 1 ist beispielsweise schematisch eine Art Förderband oder Transportweg wiedergegeben, auf welchem mehrere Objekte 3 längs bewegt werden können, die sich im Abstand zueinander auf dem Laufband 1 befinden.

Jedes dieser Objekte 3 soll mit einem Tag (Transponder) versehen sein, der bevorzugt aus einem passiven Transponder, d.h. einem passiven Tag besteht, der die benötigte Energie nur aus dem magnetischen Antennenfeld entnimmt und mit Hilfe dieser Energie dann die im Tag gespeicherten Informationen auslesen und zur RFID-Antenne des Readers senden kann .

In Figur 1 ist dabei ferner eine einem Reader zugehörige magnetisch koppelnde Nahfeld-Antenne 11 gemäß eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles gezeigt, wobei an der Nahfeld-Antenne 11 im dichten Abstand auf dem Förderband/Transportweg 1 die einzelnen Objekte 3 nacheinander vorbeibewegt werden, um die auf dem Tag gespeicherten Informationen auszulesen. Durch die Nahfeld-Antenne 11 wird dabei ein eng umgrenzter Lesebereich 13 definiert, so dass stets immer nur ein sich im Lesebereich 13 befindliches Objekt anhand des darauf befindlichen Tags identifiziert werden kann.

Die Antenne ist hoch selektiv, so dass jeweils nur ein sich in unmittelbarer Nähe zur Nahfeld-Antenne 11 befindlicher Tag ausgelesen werden kann, nämlich in dem in Figur 1 wiedergegebenen Lesebereich 13. Die außerhalb des Lesebereiches befindlichen Objekte mit den separaten Tags können nicht ausgelesen werden.

Die erfindungsgemäße magnetisch koppelnde Nahfeld-Antenne besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer schleifen- oder rahmenförmigen Struktur 15, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Streifenleitung realisiert ist. Der zugehörige Streifenleiter 19 ist auf der Oberseite 21a auf einem Substrat bzw. Dielektrikum 21 aufgebaut. Das Dielektrikum kann dann dabei die Elektrizitäts-Werte ε _r von beispielsweise mehr als 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 bzw. auch Werte kleiner als 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4 oder 3, 2 aufweisen. Bevorzugt dient als Substrat 21 das Material FR4 , dessen ε _r typischerweise zwischen 4,0 und 4,7 liegt.

Insbesondere bei Verwendung eines Substrates 21 aus FR4 erweist es sich als günstig, wenn der Wellenwiderstand der Streifenleitung 50 Ohm oder ca. 50 Ohm ist.

Auf dem so geschilderten Substrat oder Dielektrikum 21 oder bei Luft als Dielektrikum unter Verwendung einer Trag- und Haltekonstruktion ist dann auf der Oberseite des Dielektrikums der zugehörige Streifenleiter 19 vorgesehen, der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel exakt kreisförmig verlaufend ausgebildet ist, und zwar mit einem Radius R. Der maximale Radius R der schleifen- oder rahmenförmigen Antenne wird letztlich von der Wellenlänge im Dielektrikum bestimmt. Der Umfang der schleifen- oder rahmenförmigen Antenne soll dabei kleiner als λ/2 sein. Typischerweise wird dieser Umfang U kleiner oder gleich λ/3 sein.

Soll die Antenne beispielsweise bei 865 MHz und auf einem Substrat mit einem e _r = 1 (Luft) betrieben werden, würde dies bedeuten, dass - wenn der Umfang kleiner als λ/2 sein soll - dieser Umfang letztlich einen Wert von kleiner als 17,3 cm aufweisen soll.

Im bevorzugten Bereich soll dieser Umfang wie erwähnt kleiner als λ/3 sein, also kleiner oder gleich 11,6 cm. Mit anderen Worten ergibt sich dadurch ein Radius, der kleiner oder gleich 2,7 cm ist und bevorzugt kleiner oder gleich 1,9 cm beträgt.

Theoretisch könnte der Radius minimal werden, also gegen 0 tendieren. Allerdings würde dadurch das Lesefeld, also der Lesebereich zu stark verkleinert werden. Von daher kann als minimaler Radius ein Wert von etwa 5 mm benannt werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich, dass die Streifenleitung 19 an ihrem einen Ende 19a gegen Masse gespeist wird, wozu in dem Substrat eine senkrecht dazu verlaufende Bohrung oder Ausnehmung 23 vorgesehen ist, die mit einer entsprechenden Bohrung oder Ausnehmung 23 ' in der auf der Unterseite des Substrates/Dielektrikums 21 befindlichen Massefläche 25 fluchtet.

Hierdurch läuft eine Speiseleitung 27 zu einem Kontaktie- rungspunkt am unmittelbaren Ende 19a der Streifenleitung 19.

Das gegenüberliegende zweite Ende 19b der Streifenleitung 19 ist durch einen Abschlusswiderstand 29 abgeschlossen, also mit einem Widerstand entsprechend der Leitungsimpedanz . Der zwischen den beiden Enden 19a und 19b der Streifenleiter 19 gebildete Spalt oder Abstand 31 soll dabei möglichst minimal sein. Die Größe des Spaltes oder Abstandes 31 zwischen dem Start- und dem Endpunkt 19a, 19b der Streifenleitung 19 soll dabei bevorzugt weniger als 10% und insbesondere weniger als 5%, 4%, 3%, 2% oder sogar weniger als 1% der Gesamtlänge der Streifenleitungen 19 betragen.

Der erwähnte Abschlusswiderstand 29 ist dabei mit der auf der Unterseite 21b des Substrats 21 befindlichen Massefläche 25 über eine oder mehrere Durchkontaktierungen 33 verbunden.

Möglich wäre auch, dass von dem Ende 19b der Streifenleitung 19 eine kurze Leitung auf die Unterseite 21b des Substrates/Dielektrikums 21 geführt ist, beispielsweise ebenfalls mittels einer Durchkontaktierung, wobei auf der Unterseite des Substrats oder Dielektrikums 21 in der Massefläche 25 eine ausreichende (kleindimensionierte) Aussparung vorgesehen ist, wobei in dieser Aussparung der Massefläche dann der Widerstand zum Abschluss des Streifenleiters 19 auf der Unterseite 21b des Substrates/Dielektrikums 21 realisiert sein kann, der dann dort über eine oder mehrere Leitungen direkt mit Masse 25 verbunden ist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Streifenleitung 19 gemäß Figur 2 kreisförmig gestaltet.

Die schleifen- oder rahmenförmige Streifenleiter-Antenne kann aber auch davon abweichende Formen aufweisen, beispielsweise oval gestaltet sein, rechteckförmig oder qua- dratisch, allgemein n-polygonal. In Figur 4 ist eine abweichende Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der beispielsweise die Streifenleiter-Antenne 15 in Draufsicht einen quadratisch verlaufenden Streifenleiter wiedergibt. Aber auch hier ist der Abstand zwischen dem Anfangs- und dem Endpunkt 19a, 19b des Streifenleiters 19 möglichst klein und schmal gestaltet, so dass auch hier dieser Abstand bevorzugt weniger als 10%, d.h. weniger als 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2% oder sogar weniger als 1% der Gesamt- länge des Streifenleiters 19 aufweist. Es können gerade und/oder kurvige Abschnitte zusammengefügt sein. Entscheidend ist lediglich, dass eine umlaufende Streifenleitung geschaffen wird, deren Anfang 19a und Ende 19b möglichst dicht beieinander liegen. Dadurch wird letztlich sicher- gestellt, dass eine derartige Antenne, wie vor allem gemäß Pfeilrichtung 35 in Figur 1 gezeigt ist, ein magnetisches H-FeId erzeugt, ohne dass in relevanter Weise elektromagnetische Energie abgestrahlt wird. Dadurch lässt sich im Rahmen der Erfindung sicherstellen, dass beispielsweise weniger als 20%, insbesondere weniger als 15%, 10% oder sogar weniger als 8%, 6%, 4% oder sogar 2% der Leistung abgestrahlt wird. Dadurch wird eine hochselektive nur im unmittelbar benachbarten Bereich zur Antenne wirksame magnetisch koppelnde Nahfeld-RFID-Antenne geschaffen, bei der sichergestellt ist, dass jeweils nur ein am nächsten liegender Tag ausgelesen werden kann.

Dabei wird ferner sichergestellt, dass keine oder nur eine minimale elektromagnetische Energie auf das mit dem Tag versehene Produkt eingeleitet wird, was in vielen Anwendungsfällen wie beispielsweise auch im medizinischen oder pharmazeutischen Bereich gewünscht wird. Die erfindungsgemäße Antenne ist insbesondere für einen Frequenzbereich von 800 MHz bis 1 GHz geeignet, beispielsweise 865 MHz bis 870 MHz -Bereich geeignet. Sie kann aber ebenso beispielsweise im Bereich von 900 MHz bis 930 MHz eingesetzt werden.

Das Ausführungsbeispiel ist anhand eines dielektrischen Substrates beschrieben worden. Als Dielektrikum kann aber auch Luft in Frage kommen. In diesem Falle müsste der Streifenleiter 19 durch eine geeignete Tragkonstruktion verankert und gehalten werden und zwar im Abstand vor einer Massefläche 25.