Neue Antennentechnik überwindet metallische Störeinflüsse
Vorstoß in die dritte Dimension
Der Startschuss zur WM ist gefallen, die Austragungsorte haben sich herausgeputzt und das Fussballfieber grassiert. Zu einem gelungenen Fußballerlebnis gehört für viele Fans nicht nur spielerisches Geschick und voller Einsatz ihrer Mannschaft, sondern auch ein erfrischendes Bier in der Halbzeit. In Deutschland wird Bier zu 30 Prozent in Metallfässer und Kegs abgefüllt. Aber wie kommt das metallische Keg nach dem Befüllen, den Transport über den Bierverlag und gegebenenfalls das Gasthaus sicher zurück an seinen Platz im Lager des Herstellers? Die Nähe von Wasser und Metall bedeutet für RFID-Technologie traditionell: rote Karte. Bei der Verwendung einer neuartigen dreidimensionalen Antennentechnik können Transponder der problematischen Wirkung von Metall und Flüssigkeiten jedoch ein Schnippchen schlagen.
Veröffentlicht: Juniausgabe 2006 "RFID im Blick"
RFID-Anwendungen in der Transport- und Produktionslogistik verlangen zunehmend nach hohen Lesereichweiten - auch in der Nähe von Flüssigkeiten und Metallen. Informationen über Hersteller, Inhalt, Produktionsdatum, Seriennummer und Eigentümer des Objektes sollen jederzeit verfügbar sein. Gleichzeitig besteht der Wunsch, entlang der Supply Chain aktuelle Informationen auf dem Chip speichern zu können. Diese Vorgänge erfolgen ohne direkten Sichtkontakt auf das Objekt und ohne manuelles Eingreifen. Lösungen im Frequenzbereich 125 kHz beziehungsweise 13,56 MHz sind seit Jahren im Einsatz. Durch die Magnetfeldkopplung sind die Reichweiten aber auf wenige Zentimeter bis maximal ein Meter begrenzt. In letzter Zeit sind passive Transponder im UHF-Bereich stark in den Vordergrund getreten, da sich mit der Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen Distanzen von zehn bis zwölf Metern überbrücken lassen. Herkömmliche, folienbasierte Smart Labels sind für den Einsatz in der Nähe von Metallen oder Flüssigkeiten nicht geeignet, da ihre Antennen verstimmt werden und dann nur noch Lesedistanzen von wenigen Zentimetern bewältigen. MID-Technologie (MID = Molded Interconnect Devices) kann hier Abhilfe schaffen.
Neue Einsatzbereiche erobern
MIDs sind spritzgegossene Kunststoffteile, die elektrische Leiterbahnen tragen. Als Grundkörper finden diverse Kunststoffe wie PBT, PA und LCP Verwendung. In einem 3D-MID-Verfahren lassen sich Richtantennen mit integriertem RFID-Chip aufbauen, die eine Anwendung in rauer Industrieumgebung möglich macht. Der passive Transponder HARfid LT 86 (HT) erzielt eine Lesereichweite von maximal fünf Metern auf metallischen oder flüssigen Objekten. Robuste und variantenreiche Gehäusebauformen bieten vielfältige Befestigungsoptionen. Somit sind Fortschritte in der Prozesskontrolle, Produktionssteuerung und Logistik-Optimierung in Echtzeit möglich. Einsparpotentiale ergeben sich in der Industrieautomation sowie in anderen Industrie-Applikationen.
Für die Integration im industriellen oder logistischen Umfeld wird dabei die Anbindung an Ethernet (LAN/WAN) immer wichtiger. Der Informationstransfer am Lese-/Schreib-Ort (Gate) kann erhebliche Datenmengen erreichen, die sicher mit Datenbanksysteme kommunizieren müssen.
Die Bauform macht den Unterschied
Für passive RFID-Transponder im UHF-Bereich (868 MHz in Europa, 915 MHz in den USA) müssen Antennenbauformen mit Richtcharakteristik eingesetzt werden. Diese sind gegenüber leitenden Oberflächen der Objekte abgeschirmt. Als Antennenprinzipien kommen beispielsweise Patch-, Inverted-F- oder Dipol-Antennen mit verkürzten Dimensionen in Frage, die jeweils direkt über einem Reflektor angeordnet werden. Ausgesuchte dreidimensionale Antennenmodelle (unter anderem Inverted-F oder Dipol mit Reflektor) wurden auf ihre Eignung zur Realisierung in MID untersucht und hinsichtlich ihrer Strahlungseffizienz optimiert.
Vielfältige Applikationen möglich
Der Wirkungsgrad der Antenne setzt sich aus den internen Verlusten (ohmsche und dielektrische sowie Verluste aus der Impedanztransformation zwischen Antennenfußpunkt und Chip-Impedanz) zusammen. Ausgesuchte thermoplastische Kunststoffe weisen einen geringen Verlustfaktor und eine Dielektrizitätskonstante von etwa 3.1 auf. Hinzu kommt die verminderte Strahlungseffizienz durch die Verkürzung auf zirka 1/6 gegenüber der freien Wellenlänge. Mit resultierenden Antennengewinnen von >-4dBi und einer maximalen Strahlungsleistung des Readers von 2W ERP (in Europa) können Entfernungen über fünf Metern überbrückt werden. Mit Hilfe von CAD-Software und Hochfrequenz-Simulationstools (CAE) können darauf aufbauend neuartige Produkte zielgerichtet entwickelt werden, die dem Anwender eine Vielzahl an Applikationsvarianten eröffnen – der Phantasie sind dabei kaum Grenzen gesetzt.
Zeitoptimales Flip-Chip-Verfahren
Der Spritzgusskörper aus Thermoplast wird mit einer laserstrukturierten Metallisierung (Laser Direct Structuring; ein Verfahren der Firma LPKF) als dreidimensionales Leiterbild versehen. Das Umgehäuse des RFID-Transponders ist gleichzeitig der Schaltungsträger. Der RFID-Chip wird mittels des NCA-Flip-Chip-Verfahrens (NCA: Non Conductive Adhesive) kontaktiert. Ein Höchstmaß an Qualität wird durch High-Tech-Kunststoffe erzielt, die eine Produktlebensdauer und Zuverlässigkeit auch für hohe Temperaturen bis 180°C ermöglichen. Durch die hermetisch geschlossene Bauform hält der Transponder dauerhaft auch den Witterungsverhältnissen im Freien stand. Durch das Verschließen der Gehäuse mittels Ultraschall-Schweißen können Schutzarten von IP54 bis IP67 erreicht werden. Mit dem MID-Verfahren kann Harting jetzt „gehäuste“ 3D-Antennen (Antennen- und Massestrukturen auf den Innenseiten eines spritzgegossenen Gehäuses) aufbauen, so dass die Transponder auch Industrieumgebungen trotzen.
ROI mittelfristig realisierbar
Die aufgebauten Funktionsmuster mit verschiedenen Antennenprinzipien zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen. Die Funktion von passiven RFID-Transpondern im UHF-Bereich konnte nachgewiesen werden und erreicht Lesereichweiten von zirka sechs Metern. Auch der Einsatz in Feldversuchen in der Transportlogistik verlief erfolgreich und wird mit weiteren Varianten fortgesetzt. Der HARfid LT 86 (HT) ermöglicht im Zusammenspiel mit Systemkomponenten Einsatzmöglichkeiten von der Prozesskontrolle bis hin zur Abwehr von Plagiaten im Ersatzteilmanagement. Passive UHF RFID-Transponder erzielen ihre Leistungen im Gesamtsystem einer Anwendung. Bei sorgfältiger Projektanalyse und systematischer Implementierung können RFID-Systeme bereits nach sechs Wochen bis vier Monaten einen Return-of–Invest (ROI) erzielen. Insbesondere das umfassende Interesse von Logistikunternehmen sowie der Automobil- und Luftfahrtindustrie an dieser Technologie sind ein deutlicher Hinweis auf die zu erwartenden Optimierungspotenziale für diese Branchen.
Jörg Hehlgans ist seit 2002 bei der HARTING Technologiegruppe im Bereich Mikrosystemtechnik tätig. Seit einem Jahr arbeitet er als Leiter Marketing & Vertrieb bei der HARTING Mitronics AG mit dem Schwerpunkt passive UHF RFID-Transponder.
