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Forum: HF, Funk und Felder UHF-Transponder auf Alufolie


Autor: Philipp Gomille (gump)
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Hallo Leute,

ich habe eine grundsätzliche Frage zum Thema: UHF-Transponder auf 
Metall.
Wenn man ein RFID-Papierlabel auf eine Alufolie aufbringt, wird es vom 
Lesegerät nicht detektiert. Erst mit etwas Abstand zwischen Label und 
Alufolie ist eine Lesung möglich. Was ist hierfür eigentlich der genaue 
physikalische Hintergrund?

Wäre dankbar, wenn mir da jemand weiterhelfen könnte.

Vielen Dank und Grüße

: Verschoben durch Moderator
Autor: Papierlabel (Gast)
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Das kommt , weil die Folie Fast alle  Funkwellen einfängt und 
kurzschließt.
Deswegen ist der Transponder im Funkschatten der alufolie, sie schirm 
ihn ab.
die sendeenergie kommt ja von aussen und nicht vcom label selbst aber 
auch dann würde die alufolie die antenne auf dem folienlabel gut 
abschirmen.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Papierlabel schrieb:
> Deswegen ist der Transponder im Funkschatten der alufolie

Es ist nicht wirklich ein "Funkschatten" (man sendet ja von der
Seite, auf der der RFID-Transponder sitzt), aber die Folie
reflektiert praktisch die gesamte UHF-Energie in die Umgebung und
bedämpft dabei die Transponderantenne so stark, dass diese nichts
mehr aufnehmen kann, obwohl sie im Prinzip im Bereich der Funksicht
liegt.

Ein entsprechender Vergleich mit Lichtwellen lässt sich schwer
anstellen, allenfalls kommen einem Reflektionen an dünnen Schichten
in den Sinn.  Auch da interferieren hin- und rücklaufende Wellen
so, dass eine partielle Auslöschung gibt (die wellenlängenabhängig
ist), siehe bunt schillernde Seifenblase.  Wenn die Schicht dann
noch dünner wird, kann man plötzlich ohne jegliche Reflektion
durchgucken (Seifenblase kurz vor dem Platzen): man kann den
Gegenstand scheinbar nicht mehr optisch wahrnehmen, obwohl er noch
im Sichtbereich liegt.

Ähnlich ist es mit deiner Alufolie, nur dass aufgrund der viel
größeren Wellenlänge der UHF-Wellen der Abstand mehr als nur einige
100 nm sein kann wie bei der platzenden Seifenblase.

Autor: Ingo (Gast)
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Dann stell dir die Alufolie als Kurzschlusswicklung parallel zur 
Sekundärwicklung eines Trafos vor!
mfG ingo

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Ingo schrieb:
> Dann stell dir die Alufolie als Kurzschlusswicklung parallel zur
> Sekundärwicklung eines Trafos vor!

Würde nur bei einer magnetischen Antenne funktionieren.  Deine
Kurzschlusswicklung würde ja zu echten Verlusten führen, die
Alufolie dagegen führt erst einmal nur zu einer Reflektion: sie
erwärmt sich dabei nicht, die Energie kommt nur nicht wirksam
bis in die Antenne.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Hm. Da fällt mir eine alte persönliche Frage ein:
Warum spiegeln metallische Oberflächen? Ich hörte mal was davon, das bei 
Metallen immer sehr viele Elektronen aus der Oberfläche austreten und 
sozusagen einen Elektronensee auf dem Metall erzeugen. Diese Elektronen 
reflektieren dann elektromagnetische Strahlung.

Was da wer genaueres?

Autor: Frank (Gast)
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In letzter Zeit geht ja die Fußfessel durch die Medien, durch einfaches 
Einpacken der Fessel in Alufolie, wäre diese ja sofort ausgeschaltet? 
Oder habe ich etwas nicht beachtet?

Autor: Peter R. (pnu)
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>Spiegelung

In Metallen sind Elektronen frei beweglich.

Eine auftreffende elektromagnetische Welle findet daher an der 
Oberfläche die Randbedingung E = 0 (bzw. u = 0) Diese wird dadurch 
erfüllt, dass die Elektronen sich sofort mit dem E-Feld mitbewegen. 
Dabei erzeugen Sie eine zweite Welle, die an der Oberfläche genau der 
auftretenden Welle entgegengepolt sind, die wieder abgestrahlt wird.

Der Vorgang ist analog der Reflektion an einem kurzgeschlossenen 
Leitungsende, auch da wird durch U = 0 bei Reflektion eine Welle 
erzeugt, die entgegengesetzte Polung hat und vom Leitungsende zurück 
läuft.

Elektrische Leiter "spiegeln" also eine Welle, indem ihre Elektronen 
eine neue, entgegengepolte Welle erzeugen.

>Feldstärke in der Nähe einer Alufolie

Auch hier ensteht die entgegengesetzt gepolte Welle, die direkt an der 
Oberfläche mit der Feldstärke Null verknüpft ist.
bei zunehmender Entfernung überlagern sich aber ursprüngliche und 
reflektierte Welle, sodass wegen der Phasenverschiebung die E-feldstärke 
in etwa sinusförmig ansteigt, je weiter man von der Metalloberfläche 
entfernt ist. Bei lambda-halbe Entfernung wird zum Beispiel die Leistung 
sogar doppelt so groß wie der ursprünglichen Freifeld-Welle.

Eine Antenne wird also direkt an der Folie nichts empfangen können, mit 
zunehmender Entfernung nimmt die Spannung sinusförmig zu, Eine 
Metallfläche hinter einer Antenne in lambda-viertel Entfernung ist sogar 
ein Reflektor, der die Spannung um 3 dB erhöht.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Hm. Danke. Aber warum spiegelt dann ein Kunststoff wie PVC nicht? Was 
ist dort mit den Elektronen anders? Ist es in Metallblock eine atomare 
Verbindung der Atome, die die Elektronen freiwerden läßt?

Autor: Peter R. (pnu)
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In Metallen gehen die Hüllen der Atome sozusagen ineinander über. Die 
Atome sind so dicht gepackt dass sich ihre äußerste Hülle überlappt und 
im Schnitt ein Elektron je Atom frei beweglich ist. Da können die 
Elektronen selbst dem extrem schnell beweglichen Feld des Lichtes 
(einige THz) folgen und so die Reflexion erzeugen.

Kunststoff (Isolierendes Material) hat keine frei beweglichen 
Elektronen. Sie können dem Feld des Lichtes und anderer 
elektromagnetischen Wellen nur teilweise folgen (elastische Verformung). 
Dadurch entsteht keine vollständige Reflexion - Nur eine Verlangsamung 
der Lichtgeschwindigkeit im Material, die als Brechungsindex angegeben 
wird.

Bei schrägem Auffall des Lichtes entstehen Effekte wie teilweise 
Spiegelung, Polarisation und Totalreflexion durch diese 
Teilbeweglichkeit der Elektronen.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Danke Peter!

Autor: Philipp Gomille (gump)
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Danke Jörg für Deine Hilfe!

Autor: PI314 (Gast)
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UHF-Transponder auf Metall... natürlich geht das! Nicht mit dem 
angesprochenen Label-Transponder klar - weil die Antenne dafür gar nicht 
konzipiert wurde. Der Reader gibt aber 3.8W EIRP ab. Das ist nicht 
gerade wenig! Nimmt man an, dass:
A. die Alufolie nicht unendlich groß und nicht geerdet ist(also nicht 
als Erde fungiert)
und
B. dass durch die Beschaffenheit des Senders (path loss, gain, 
Richtcharakteristik etc.) zumindest 1/5 davon in die "richtige" Richtung 
geht,

so ist das immer noch eine ganze Menge, mit der man ruhig einige 
Hunderte von Tags versorgen könnte. Warum sollte das nicht möglich sein? 
Die Antenne des Tags war einfach an die Alufolie kapazitiv der gesamten 
Länge entlang gekoppelt und dadurch dermaßen verstimmt, dass es 
wahrscheinlich keine Spannung am Pufferkondensator des Chips gab. Die 
Energie war zwar ausreichend vorhanden, nur nicht an der "richtigen" 
Stelle sondern irgendwo in der unbekannten Alufolien-Geometrie, von wo 
sie "unbenutzt" weiter abgestrahlt wurde und der Tag wurde somit 
wahrscheinlich überhaupt nicht aktiviert.

Wahrscheinlich, weil ein passiver UHF Tag zu einem recht wenig Energie 
braucht, weil er selbst gar nicht sendet sondern nur reflektiert (durch 
kurzschließen/"loslassen" der Antenne), und dazu noch versucht sich 
selbst an eine total verstimmte Antenne automatisch anzupassen. Es lässt 
sich also nicht ganz ausschließen, dass der Tag doch aktiviert wurde und 
versuchte auch die reflektierte Welle brav zu modulieren... dachte er 
zumindest :)

Betrachtet man konsequent alle Eventualitäten, kommt man auf noch eine 
mögliche Erklärung. Kann sein, dass alles doch funktioniert hat, nur - 
nicht lange genug, um den Transponder zu Inventarisieren, da es doch für 
eine vollständige Inventarisierung zu wenig Energie gab :) Die 
Kommunikation mit einem Tag besteht aus mindestens drei Schritten je 
Zyklus, alle mit CRC-Überprüfung. Dabei muss der Tag nicht nur eine, 
sondern gleich vier solche Sessions - zwei davon mindestens vier 
Sekunden Lang persistent - unterstützen können. Scheitert eine mit dem 
kompletten chip reset - so weiß der Tag nach dem Aufwachen von nichts 
und starten die Kommunikation erneut. Scheitert sie nicht - muss der Tag 
spätestens im zweiten Schritt zumindest ca. 100 bit übertragen oder noch 
mehr - falls der Reader gleich User Memory Bank angefordert hat. Es 
reicht, dass die CRC irgendwo nicht stimmt, und der Tag wird in dem 
Zyklus "nicht detektiert" und da es keine Tags mehr gibt (keine 
Kollisionen) geht der Reader gleich in die nächste Runde.

Am Reader kann man solche Aktivitäten nachvollziehen und daraus evtl. 
auf die Problemquelle schließen, ohne - kann man nur darüber spekuliere. 
Vielleicht könnte man sogar den Tag / die Alufolie verschieben oder 
einfach drehen (falls beide Antennen LP sind und nur falsch zueinander 
orientiert sind) und alles würde plötzlich von alleine funktionieren. 
Wie gesagt, es gibt 256000 Möglichkeiten, was da genau schief ging, und 
alle sind ziemlich wahrscheinlich...

Bei UHF RFID lässt sich nie theoretisch sagen, ob die Lesereichweite 
durch den forward link oder den reverse link limitiert wird. Die 
Datasheets helfen da auch wenig, da es dort so gut wie nichts zum Thema 
steht. Man muss alle Teile des Systems zunächst vermessen und zwar im 
Feld und nicht nur im Labor. So findet man die minimale Sendeleistung, 
bei der der verwendete Transponder überhaupt anspringt und misst auch 
backscatter Level bis zu maximal erlaubten Leistung je Frequenzband. Je 
nach Transponder-Modell können beide Werte recht unterschiedlich sein. 
Zusammen mit delta RCS bzw. Backscatter-Phase bestimmen sie Performance 
eines Transponders unter den angestrebten Bedingungen. Daraus, sowie aus 
SNR des verwendeten Readers, geltender Regulierung (US, EU, Asien), der 
Polarisation beider Antennen, der Anzahl/Beschaffenheit der Objekte bzw. 
Überlappungsgrad der Tags (Population-Analyse) ergibt sich TRRmax 
forward und reverse  (Theoretical Read Range) - so etwa von 10~20cm bis 
12~15m. Passt das mit dem, was man so alles vorhat überein plus 
zumindest 1~2 dBm Spielraum je Antenne - wunderbar! Ansonsten lieber 
gleich Finger von dem Transponder-Modell lassen und einen performanteren 
Wählen. Ich füge einige Messergebnisse hinzu, die das mehr oder weniger 
veranschaulichen sollten.

Jetzt aber zurück zu der ursprünglichen Frage :) Die Papier-Label sind 
für die Kunststoffe/Textilien/Stein/Holz aber auf keinen Fall für die 
Metalle/Flüssigkeiten gedacht. Es gibt aber tatsächlich die UHF 
Antennen/Transponder, die in deutlich kleineren Abständen vom Metall als 
Lambda/4 (ab 1~2 mm) perfekt funktionieren. Der Tag selbst wird direkt 
an die Metalloberfläche angeschraubt oder geklebt. Mit speziellen 
Antennen am Reader werden solche Tags nicht nur auf Alufolie, sondern 
auch dahinter, dazwischen und sogar am menschlichen 
Körper/Flüssigkeiten gelesen und beschrieben. Die billigere Labels 
können mit solchen Antennen auch am Körper funktionieren, das ist aber 
wirtschaftlich eher selten vertretbar.

Für die Alufolie plus eine einfachere Patch- oder Chip-Antenne am Reader 
(was erheblich günstiger ist) braucht man einen "on metal" Tag. (z.B. 
Harting oder EuroID). Diese sind zwar teurer als die Papier-Labels, aber 
die Antennen dort werden genau dafür konzipiert. So erkennt man auch die 
echte "on metal" Transponder: im Gegensatz zu den "gefaketen" (wo eine 
ursprünglich für die Labels konzipierte Antenne auf härtere Substrate 
angebracht wurde, um einfach etwas Abstand von der Metalloberfläche zu 
schaffen) zeigen sie tatsächlich "on metal" eine bessere Performance, 
als in der Luft. Dazu gehört noch, dass die Labels gewöhnlich ein Spagat 
zwischen EU (860) und US(920) mit einer breitbandigen Antenne machen, 
derer Fr irgendwo dazwischen (bei GSM :)) liegt. Die besseren "on metal" 
Transponder gibt es eher in zwei unterschiedlichen Ausführungen und von 
daher sind sie auch effizienter... mit dem Nachteil, dass es bei einer 
anderen Regulation evtl. gar nicht geht.

Das einzige, was tatsächlich nicht geht - und da sind wir wieder bei der 
einfacheren Variante der Theorie - einen komplett abgeschirmten 
Transponder anzusprechen :)

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