Wie funktioniert ein RFID-Tag?

Ein RFID-System besteht aus Transponder, Lesegerät und Middleware.

Der Transponder, meist Tag oder Chip genannt, sendet an das Lesegerät. Das Lesegerät überträgt die Rohdaten an die Middleware, wo sie zur Weiterleitung an die operativen Systeme gefiltert und aufbereitet werden. Das Wort „Transponder“ setzt sich aus „Transmitter“ und „Responder“ zusammen. Es handelt sich also im Wortsinn um ein Gerät, das Daten überträgt, und zwar als Antwort auf ein Signal; inzwischen senden aber aktive RFID-Tags auch eigenständig.

Ein RFID-Tag besteht aus Antenne, Mikrochip und einer Vorrichtung zur Stromversorgung.

RFID erklärt: Die Antenne (1) erzeugt durch das Signal des Lesegeräts ein elektromagnetisches Feld, das Energie liefert. Der Kondensator (2) speichert die Energie, ähnlich einer Batterie. Der Mikrochip (3) erzeugt ein Signal, indem er durch den Kontakt (4) den Stromkreislauf unterbricht. Eingebettet ist der gesamte Mechanismus in ein Trägermaterial (5), etwa Kunststoff oder Papier.

RFID-Tags werden häufig als Funketikett aufgeklebt.

Viele Anwendungen setzen die Transponder aber erschwerten Bedingungen aus – Erschütterungen, Chemikalien oder extreme Temperaturen. Deshalb gibt es eine Vielzahl an möglichen Substraten, also Trägermaterial für die Bestandteile des Transponders. Eine Schutzhülle aus Kunststoff oder Glas reicht oft schon, um die empfindliche Elektronik zu schützen. Es gibt auch Umkleidungen in anwendungsspezifischen Designs, etwa Tags in Nagelform, die man in Baumstämme oder andere Holzobjekte schlägt.

Ist von RFID oder Auto-ID generell die Rede, fällt oft auch der Begriff NFC.

Was ist das? NFC steht für Near Field Communication. Viele Angebote erwecken den Eindruck, NFC und RFID seien grundverschiedene Technologien – in Wahrheit handelt es sich bei NFC aber um eine Variante von RFID. Der entscheidende Unterschied: Anders als normale RFID-Tags kann ein NFC-Tag zwischen Sende- und Empfangsmodus wechseln. NFC-Geräte können also Daten untereinander austauschen.

Aktuell ist ihre Reichweite noch sehr begrenzt (einige Zentimeter), und sie übertragen nur kleine Dateien wie Internet-Links. Damit könnten sie in Kürze QR-Codes in vielen Bereichen ersetzen, z.B. auf Plakaten.








Die Antenne kann verschiedene Formen einnehmen, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften haben
Die Antenne kann verschiedene Formen einnehmen, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften haben

Funktionsweisen der Antenne


Die Antenne ist der auffälligste Teil des Transponders: Es handelt sich dabei um die Leiterbahnen, die oft kreisförmig oder rechteckig angeordnet sind. Meist bestehen sie aus Kupfer, Silber oder Aluminium. Diese Leiterbahnen werden zur Energieversorgung durch elektromagnetische Induktion benötigt.

Die Antennen des Transponders und des Lesegerätes sind Stromkreise, die sich gegenseitig beeinflussen; der Transponder zieht Energie aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegerätes. Schaltkreise unterbrechen den Stromfluss in den Leiterbahnen für kleinste Zeitabstände. Dadurch entsteht ein Signal im elektromagnetischen Feld.

Diese gegenseitige Beeinflussung nennt man induktive Kopplung. Die meisten RFID-Tags nutzen zur Übertragung die induktive Kopplung. Es gibt aber Alternativen: Wenn zwei stromdurchflossene Leiter eng aneinander liegen, kann Energie überspringen. Das nennt sich kapazitive Kopplung und wird für bestimmte RFID-Lösungen genutzt – zum Beispiel, wenn ein Tag aufgelegt oder in ein Lesegerät gesteckt werden soll. Hier kann aus Sicherheitsgründen eine extrem kurze Reichweite erwünscht sein. Andere Transponder nutzen Rückstreuung (engl. Backscatter). Dabei wird das Signal des Lesegerätes gespiegelt und moduliert, was größere Reichweiten ermöglicht.

Herkömmliche rechteckige oder kreisförmige Antennen sind nicht immer die beste Wahl
Herkömmliche rechteckige oder kreisförmige Antennen sind nicht immer die beste Wahl

Mikrochip und Stromversorgung


Der Mikrochip ist das eigentliche „Gehirn“ des Transponders. Vor allem seine Speicherkapazität ist wichtig, denn von ihr hängt ab, wofür der Transponder eingesetzt werden kann. Bereits ein kleiner Speicher genügt, um eine einzigartige Identifikationsnummer zu speichern.

Komplexere Chips können eine Reihe von Produktdaten aufnehmen, manche bieten sogar Wiederbeschreibbarkeit. Die einfachsten Tags speichern nur die bei der Herstellung aufgespielten Informationen (Read Only).

Auf anderen können einmalig Daten gespeichert werden (WORM – Write Once, Read Many). Lediglich sogenannte Read/Write-Tags sind wiederbeschreibbar: Auf ihnen können mehrfach Daten gespeichert, gelöscht und ersetzt werden. Die einfachste Lösung zur Stromversorgung des Transponders ist ein Kondensator. Er speichert die Spannung, die sich durch die Induktion aufbaut.

Ein Kondensator funktioniert ähnlich wie eine Batterie, nur kann er deutlich weniger Energie speichern. Dafür lädt und entlädt er schneller. Seine elektrische Kapazität wird übrigens in der Einheit Farad (F) gemessen – nach Michael Faraday, dem „Vater der Elektroindustrie“. Ein Transponder kann statt des Kondensators auch eine „richtige“ Batterie haben. Teils dient die Batterie nur zur Stromversorgung des Mikrochips – zum Senden wird immer noch die Energie des Lesegerätes gebraucht. Andere Transponder sind komplett batteriebetrieben; ihnen dient das Signal des Lesers nur als „Weckruf“.

An diesen unterschiedlichen Stromlösungen orientiert sich die häufigste Klassifizierung von RFID-Tags: Tags mit Kondensator sind „passiv“. Tags mit Batterie, die trotzdem Energie vom Lesegerät brauchen, sind „halbpassiv“. Tags mit komplett eigener Stromversorgung sind „aktiv“. Passive Tags sind weniger vielseitig und leistungsstark als Tags mit Batterie, dafür ist ihre Lebensdauer wesentlich höher.

RFID-Varianten im Vergleich – Faktor Stromversorgung

  RFID Passiv RFID Halbpassiv RFID Aktiv
Reichweite Niedrig Mittel Hoch
Lebensdauer Hoch Gering Gering
Vorteile • Preiswert • Mehr Speicher
• Verbindung z.B. mit Sensoren möglich
• Mehr Speicher
• Verbindung z.B. mit Sensoren möglich
Nachteile • Reichweite niedrig
• Weniger Anwendungen möglich
• Lebensdauer begrenzt
• Größer und teurer
• Lebensdauer begrenzt
• Größer und teurer
Radiowellen, Sonnenlicht und Röntgenstrahlung sind alle elektromagnetisch – lediglich die Frequenz unterscheidet sie und verleiht ihnen ihre jeweiligen Eigenschaften!
Radiowellen, Sonnenlicht und Röntgenstrahlung sind alle elektromagnetisch – lediglich die Frequenz unterscheidet sie und verleiht ihnen ihre jeweiligen Eigenschaften!

Die optimale Frequenz


Wie Heinrich Hertz nachweisen konnte, breitet sich elektromagnetische Strahlung in Wellenform aus. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz eines Funksignals. Diese Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen: Ein Hertz entspricht einem Wellenzyklus pro Sekunde. Unterschieden werden Low Frequency (LF), High Frequency (HF), Ultra High Frequency (UHF) und Super High Frequency (SHF, besser bekannt als Mikrowellen).

Zur Veranschaulichung:

Eine der Standard-Niedrigfrequenzen liegt bei 134,2 KHz. Pro Sekunde entstehen bei dieser Frequenz 134.200 Wellen mit einer Länge von jeweils ca. 2,2 km. Auf der in Europa gebräuchlichen UHF-Frequenz 869 MHz entstehen dagegen – bei einer Wellenlänge von 35 cm – 869.000.000 Wellen pro Sekunde! Damit sind UHF-Funkwellen aber immer noch weit vom sichtbaren Licht entfernt: Die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlen, die wir (als Licht) sehen können, bewegen sich im Nanometerbereich – ein Nanometer (nm) ist ein Milliardstel Meter.

Die Frequenz darf nicht willkürlich gewählt werden: Um Funkchaos zu vermeiden, schreiben die meisten Länder vor, wofür welche Frequenzen genutzt werden dürfen. Die Frequenzen für RFID müssen auf einem ISM-Frequenzband (Industrial, Scientific and Medical) liegen.

Auch ist eine hohe Frequenz nicht automatisch besser. Generell gilt: Je höher die Frequenz, desto schneller die Übertragung. Der Nachteil hoher Frequenzen ist die schlechte Materialdurchdringung. Niedrige Frequenzen können also die bessere Lösung sein, zum Beispiel, wenn Nutztieren Tags implantiert werden. Ein RFID-System, mit dem vorbeifahrende Autos identifiziert werden, nutzt dagegen eine hohe Frequenz, weil die Übertragung schnell passieren muss.

RFID-Varianten im Vergleich – Faktor Frequenzen

  RFID Passiv RFID Halbpassiv RFID Aktiv
Reichweite Niedrig Mittel Hoch
Übertragungs­tempo Langsam Schnell Sehr schnell
Materialdurch­dringung Gut Schlecht >Sehr schlecht

Welche Reichweite hat RFID?


Auf Internetseiten zum Thema RFID findet man die verschiedensten Reichweitenangaben. Ein Grund dafür ist sicherlich das Erstelldatum der Seiten, die dann einen älteren Stand der Technik beschreiben. Es ist schwer, allgemeine Werte anzugeben, denn die Reichweite hängt von unzähligen Faktoren ab – einer der Gründe, weshalb gute Beratung so wichtig ist. Den größten Einfluss haben Frequenz, Größe und Material der Antenne, Ausrichtung der Antenne zum Lesegerät und – nicht zu vergessen – Umwelteinflüsse:

Die Leistung hängt auch davon ab, ob RFID im freien Feld eingesetzt wird oder in einer Lagerhalle mit vielen Stahlgestellen oder „dämpfenden“ Materialien wie Flüssigkeiten.

Extreme Reichweiten über mehrere Kilometer werden durch eine Umkehr des klassischen RFID-Prinzips erreicht. Statt auf ein Signal vom Lesegerät zu warten, senden die Tags eigenständig. Das Lesegerät konzentriert sich aufs Empfangen und kann dadurch viel schwächere Signale wahrnehmen als herkömmliche RFID-Reader.

Folgende Tabelle beschreibt die Reichweiten einiger häufig genutzter Tags:

Frequenz-Art
Frequenzbereich
Häufigste Frequenz
Low Frequency
30 - 300 kHz
Meist 125 - 134 kHz
High Frequency
3 - 30 MHz
Meist 13,53 MHz
Ultra High Frequency
200 MHz - 2 GHz
Meist 860 - 960 MHz
Super High Frequency
Über 2 GHz
Meist 2,45 GHz
Passiv 10 - 30 cm
Spezialanwendung: 2 m
1 - 1,5 m
Spezialanwendung: 3 m
Ältere Modelle: 1,5 m
EPC Gen2: Bis 16 m
 
Halbpassiv     Bis 50 m  
Aktiv     Anpassbar!
30 cm - 3 Km
100 m
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