Netzwerkanalysator oder Spektrumanalysator?
Berührungslose Messmethoden für RFID
Dieser Artikel gibt einen Überblick, wie durch berührungslose Messungen bei der Arbeitsfrequenz 13,56 MHz RFID-Etiketten (Tags) analysiert werden können. Die beschriebene Methode wird zur Entwicklung, zur Produktion und zum Service von RFID-Tags verwendet.
RFID-IC-Karten, -ID-Aufkleber oder -Anhänger/Etiketten ermöglichen es, die Präsenz eines damit ausgestatteten Objektes zu registrieren und dessen im Chip gespeicherte „Identität“ zu erfassen, ohne das Objekt berühren zu müssen. Seit ca. 1980 wird RFID (Radio Frequency IDentification) genutzt - damals hauptsächlich für maritime Transporte, Verkehrsinformations-Systeme und einige andere spezifische Überwachungsaufgaben. Seit Mitte der 1990er Jahre wurden die RFID-Etiketten deutlich kleiner, und heute werden sie fast überall eingesetzt. Zwischenzeitlich gibt es auch eine Reihe von Standards, die den Frequenzbereich, die Kommunikationsprotokolle und -Methoden sowie den Gebrauch von RFID vorschreiben.
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Verwendete Messaufbauten
Bild 1 zeigt einen vereinfachten prinzipiellen Messaufbau mit einem Netzwerkanalysator. Eine entweder über ein oder zwei Koaxialkabel mit dem Netzwerkanalysator verbundene Schleifenantenne wird benutzt, um das Frequenzband zu scannen. Die Resonanzfrequenz wird gemessen, indem man das RFID-Tag vor die Ring-Antenne hält.
Es gibt dabei zwei Vorgehensweisen: Die eine ist, den Reflexionsparameter S11 zu bestimmen, indem die Antenne mit einem Koaxialkabel an den Netzwerkanalysator angeschlossen wird; die andere ist, den Übertragungs-Parameter S21 zu bestimmen, wobei die Antenne mit zwei Koaxialkabeln mit dem Netz- werkanalysator verbunden ist. Wird zugrunde gelegt, dass das RFID-Tag ein einfaches LCR-Parallel-Resonanz- Glied ist, so ergibt sich nach Thomson die Resonanzgleichung zu:
Beide Koeffizienten und die Impedanz der Antenne ändern sich deutlich bei Frequenzen in der Umgebung der Resonanzfrequenz f0. Die Resonanzfrequenz eines RFID-Tags kann leicht durch das entsprechende Frequenz-Maximum bestimmt werden. Sehr gut lassen sich RFID-Tags mit Netzwerkanalysatoren der Serie ENA bzw. ENA-L (Agilent) untersuchen. Diese Serien bzw. die Geräte E5062B und E5071C bieten eine Reihe von Möglichkeiten, die gerade bei derartigen Messungen wichtig sind:
- Sehr hohe Messgeschwindigkeit: Diese Netzwerkanalysatoren ermöglichen es, die Resonanzfrequenz mehrerer Tags innerhalb einer Sekunde zu messen.
- Sehr geringes Eigenrauschen: Generell wird die Genauigkeit der Resonanzfrequenz-Messung eines Netzwerkanalysators auch durch sein Eigenrauschen bestimmt. Die genannten Serien haben besonders geringes Eigenrauschen, was später noch beschrieben wird.
- Unterstützung sowohl skalarer als auch vektorieller Messungen. Es gibt zwei prinzipielle Methoden, um RFID-Resonanzfrequenzen zu messen: Die eine basiert auf den skalaren Größen (Verlust), die andere basiert auf den Vektorgrößen (Impedanz). Bei der ENA-Serie sind beide Messmethoden möglich, die traditionelle skalare Methode oder die genauere vektorielle Methode.
- Automatische Resonanzfrequenz-Suche: Die automatische Suche nach der Resonanzfrequenz des RFID-Tags, die dann durch die Marker-Funktion dargestellt wird, vereinfacht und beschleunigt den Messvorgang.
- Unterstützung der Kommunikation mit Handhabungs- und Transport-Systemen: Bei Massenproduktionen werden typischerweise Handler und Transportband-Techniken verwendet, wobei die zu fertigenden Produkte und Zulieferteile nacheinander vor eine Antenne gehalten bzw. die Produkte an ihr vorbeigeführt werden. Steuersignale für diese Handler und Transportsysteme stehen an der Rückseite des ENA/ENA-L-Netzwerkanalysators zur Verfügung, so dass diese Systeme direkt dort angeschlossen werden können. Zudem sind diese Systeme mit dem Netzwerkanalysator synchronisierbar, so dass basierend auf den Messwerten Gut/Schlecht-Entscheidungen getroffen werden können und die Handler entsprechend verfahren.
- Integrierte Virtual Basic Application (VBA) eröffnet weitgehende Automatisierung: In die Netzwerkanalysatoren der Serien ENA/ENA-L ist ein VBA-Editor integriert. Dies bedeutet, dass automatische Messabläufe mit dem Netzwerkanalysator programmiert werden können, ohne dass ein PC dazu benutzt werden muss.
- ECal, eine elektronische Kalibrierung: Um systematische Fehler erkennen zu können, werden ECal-Module (mit kundenspezifischen Steckern) genutzt, um die Systemmodule für den jeweilig interessierenden Frequenzbereich zu testen. Mit einer einfachen Verbindung bieten die ECal-Module sehr gute Genauigkeiten. Dadurch spart man Zeit bei der Kalibrierung. Insgesamt bieten die ECal-Module eine deutliche Reduktion der Messzeit, eine erhebliche Vereinfachung der Mess- und Kalibrierprozeduren und eine Reduzierung des Stecker-Verschleißes.
- Berührungslose Messmethoden für RFID
- Unterschied im Gebrauch zwischen einem Netzwerk- und einem Spektrumanalysator.
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