RFID Spulen

Bei der RFID-Technik werden Daten berührungslos und ohne Sichtkontakt mit Hilfe von Radiowellen von einem Datenträger, dem sog. RFID-Transponder zu einem RFID-Lesegerät (Reader) und umgekehrt übertragen. Bei dieser induktiven Kopplung im Niedrig- und Hochfrequenzbereich spielen RFID Spulen eine wichtige Rolle.

Jedes RFID-System besteht aus zwei Komponenten:

- dem RFID-Transponder, der an dem zu identifizierenden Objekt angebracht wird und den eigentlichen Datenträger darstellt. Er besteht aus einer RFID Spule, die als Antenne fungiert, einem Mikrochip sowie einem Träger bzw. Gehäuse. Aktive Transponder verfügen zusätzlich über eine eigene Energiequelle.
 
- dem RFID-Reader, einem Erfassungs- oder Lesegerät, das die Daten des RFID-Transponders liest bzw. weiterverarbeitet. Der RFID-Reader dient dabei als Sende- und Empfangseinheit. RFID Spulen fungieren dabei ebenfalls als Antennen.

 

Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen:

1.    Energieversorgung des Transponders


Die Energieversorgung des Transponders stellt ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal von RFID-Systemen dar. Man unterscheidet dabei zwischen aktiven und passiven Transpondern.

Aktive Transponder enthalten eine eigene Energieversorgung wie z. B. eine Batterie oder Solarzelle, welche die Energie zum Betrieb des Mikrochips ganz oder wenigstens teilweise zur Verfügung stellt. Dadurch ist eine Datenübertragung über eine größere Entfernung möglich.

Passive Transponder besitzen im Gegensatz dazu keine eigene Energieversorgung. Die Energie zum Betrieb des passiven Transponders muss vollständig aus dem HF-Feld des Lesegeräts (RFID-Reader) entnommen werden: Die RFID Spule des Lesegeräts erzeugt ein magnetisches Wechselfeld mit der Sendefrequenz, das eine Wechselspannung in der RFID Spule des Transponders induziert. Die Spannung wird im RFID-Transponder gleichgerichtet und dient dann zur Energieversorgung des Mikrochips. Der so aktivierte Mikrochip im RFID-Tag decodiert die vom Lesegerät gesendeten Befehle. Zur Datenübertragung vom Transponder an das Lesegerät beeinflusst der RFID-Tag das elektromagnetische Sendefeld des Readers durch Lastmodulation.

2. Frequenz und Reichweite

Die Auslegung der RFID Spulen wird durch die Anforderungen der gewünschten Anwendung bestimmt. Sie hängt vor allem von der Betriebsfrequenz des RFID-Systems und der daraus resultierenden Lese- und Schreibreichweite ab.


Bei RFID-Systemen mit induktiver Kopplung unterscheidet man zwischen zwei Frequenzbereichen:


Low Frequency (LF), 30-300 kHz:
Im Niedrigfrequenzbereich besteht die RFID Spule aus einer definierten Anzahl von Drahtwindungen, aus denen eine bestimmte Induktivität der Antenne resultiert. Man unterscheidet dabei zwischen Rahmenantennen (Luftspulen) und Stabantennen (Spule um Ferritkern). Gängige Frequenzen in diesem Bereich sind 125 kHz und 134 kHz.
Als Technologien werden beispielsweise EM4102, EM4450, Hitag-1, Hitag-2 und Hitag-S und viele mehr eingesetzt.


HF (High Frequency), 3–30 MHz:
Im Hochfrequenzbereich bestehen die RFID Spulen aus einer oder mehreren Windungen und werden über ein angeschlossenes Tuningboard abgestimmt. Das Material der Antennenwindungen sollte möglichst eine große Oberfläche besitzen, da sich im HF-Bereich die Wellen an der Oberfläche des Leiters ausbreiten und bei größerer Oberfläche mehr Strom durchfließen kann, was die Leistung der RFID Spule beeinflusst. RFID-Systeme in diesem Bereich arbeiten meist auf einer Frequenz von 13,56 MHz. Als Technologien kommen hier beispielsweise Legic, I-Code und Mifare zum Einsatz. Der Vorteil gegenüber RFID-Systemen des NF-Bereichs liegt in einer höheren Reichweite sowie der Übertragungsgeschwindigkeit.

Die Reichweite von passiven RFID-Systemen ist neben der Frequenz auch maßgeblich von der Größe der RFID Spulen abhängig. Ihre Reichweite nimmt dabei mit kleineren Antennen rapide ab.


Bauarten von RFID-Transpondern

RFID-Transponder gibt es in den verschiedensten Bauformen hinsichtlich Beschaffenheit, Farbe, Form und Größe. Maßgeblich für die Bauform ist dabei die verwendete Technologie sowie das Einsatzgebiet des RFID-Transponders.

Bei den zum Einsatz kommenden RFID Spulen handelt es sich größtenteils um Backlackspulen, d. h. freitragende Luftspulen, bei denen die einzelnen Windungen durch Erhitzen miteinander „verbacken“ wurden. Es gibt jedoch auch RFID-Transponder mit Ferritspulen, d. h. Spulen mit einem magnetischen Kern. Typische Anwendungen für diese Art von RFID Spulen sind Transponder für Metallumgebungen und Glastransponder.


Transponder-Inlays:
Transponder-Inlays stellen die herstellungstechnische Vorstufe für die passiven RFID-Transponder dar. Hierbei wird der Mikrochip mit Hilfe von Bondverfahren an die RFID Spule (Antenne) ankontaktiert und anschließend in eine durchsichtige PET-Folie einlaminiert. Dadurch sind die Inlays wasserfest verschlossen und bestens gegen Beschädigungen bei der Weiterverarbeitung geschützt. Mit Hilfe modernster Verfahren wie Ultraschallverschwei-ßung oder Verspritzung können die Transponder-Inlays daraufhin in die verschiedensten Gehäuse eingebaut werden. Besonders in Schlüsselanhängern, Transponderkarten oder -uhren kommen diese ultraflachen PET-Transponder häufig zum Einsatz.   

Transponderkarten:
Diese kontaktlosen Chipkarten haben die gleiche Bauform wie Scheckkarten mit dem Unterschied, dass der Mikrochip durch einen RFID-Transponder ersetzt ist und die Daten damit kontaktlos ausgelesen werden können. Bei der RFID Spule im Inneren der Chipkarte handelt es sich um eine großflächige Luftspule aus mehreren Drahtwindungen. Bei einer Übertragungsfrequenz von 13,56 MHz sind 5 Windungen typisch, bei 125 kHz einige 100 Windungen. Aufgrund der größeren Fläche der RFID Spule in der Chipkarte haben Transponderkarten den Vorteil einer höheren Reichweite.


Schlüssel und Schlüsselanhänger:
Für Anwendungen der Wegfahrsperre oder Türschließsysteme wird häufig ein RFID-Transponder in den Schlüsselknauf eines mechanischen Schlüssels eingegossen bzw. eingespritzt.
Bei Zutrittssystemen zu Gebäuden oder Büroräumen werden die RFID Spulen in verschiedenste Bauformen von Schlüsselanhängern eingelegt und sicher verschlossen.


Glastransponder:
Zur Identifizierung von Tieren wurden Glastransponder entwickelt, die unter die Haut des Tieres injiziert werden können und eine Länge von nur 12 - 32 mm haben. Im Glasgehäuse befinden sich ein Mikrochip sowie ein Chipkondensator zur Glättung der gewonnenen Versorgungsspannung. Die RFID Spule wird dabei aus nur 0,03 mm dickem Draht auf einen Ferritkern gewickelt. Zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität werden diese Komponenten in einen Weichkleber eingebettet.


Werkzeug- und Gasflaschenidentifikation:
Eine spezielle Bauform von RFID-Transpondern wurde für den Einbau in Metalloberfllächen entwickelt. Da Interferenzen mit Metall die Übertragung stören, wird die RFID Spule in einen Ferritschalenkern gewickelt. Der Mikrochip wird auf der Rückseite des Ferritschalenkerns montiert und mit der RFID Spule kontaktiert. Anschließend werden die Komponenten in einer Halbschale aus Plastik vergossen.  


Zusätzlich zu diesen wichtigsten Bauformen gibt es unzählige anwendungsspezifische Sonderbauformen von Transpondern.