Erst die Prüfung dann der Einsatz

Dr. Werner Schmidt & Falk Naumann, Eurospace, Chemnitz

Im Besonderen gilt dies für RFID-Transponder, die in Chipkarten jeglicher Art und jeglicher Funktion Verwendung finden. Dafür ist der Einsatz extrem produktiver Prüfverfahren notwendig, um technologisch sichere Produktdesigns zu erhalten.

Die Warenmarkierungstechnologie RFID steht für die Identifikation von Produkten jeglicher Art mittels Hochfrequenzwellen. Hierbei werden winzige Chips zur Warenverfolgung an Produkten oder Verpackungen befestigt, so dass jede Ware berührungsfrei identifizierbar ist und deren Daten automatisch erfasst werden können – ohne Sichtkontakt zwischen Lesegerät und dem RFID-etikettierten Gegenstand.

Eine RFID-Lösung beinhaltet stets die Komponenten Datenträger und Lesegerät (Reader).

Der Datenträger umfasst unabhängig von seiner Bauform – ob als Etikett, Papierticket, Schlüsselanhänger oder Plastikkarte – einen Chip und eine Antenne (Transponder), die miteinander verbunden sind. Das Lesegerät baut ein elektromagnetisches Feld auf, mit dessen Energie der Datenträger über die Antenne die Informationen des Chips an das Lesegerät sendet.

Die Reichweite dieser berührungslosen Kommunikation hängt von den eingesetzten Chiptypen und der Konfiguration der Schreib-/Lese- einheit ab und kann bis zu 12 Meter betragen. RFID-Lösungen sind mit allen üblichen Schnittstellen kompatibel, so dass eine Anbindung an eine bestehende Software ohne Weiteres möglich ist.

Die Antenne als mithin wichtigste Komponente sendet Funksignale aus, um den Transponder anzusteuern, Daten von dort zu lesen und diesen mit Daten zu beschreiben. Antennen sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich und können beispielsweise in einen Türrahmen eingebaut werden, um Daten von die Tür passierenden Personen oder Gegenständen zu erfassen oder an Mautstationen befestigt werden, um den Verkehr auf einer Autobahn zu überwachen. Das elektromagnetische Feld, das durch eine Antenne erzeugt wird, kann immer vorhanden sein, wenn mehrere Transponder ständig erwartet werden. Falls eine ständige Abfrage nicht benötigt wird, kann das Feld durch einen Sensor aktiviert werden.

Das Lesegerät kann entweder als Hand- oder festinstalliertes Gerät konfiguriert werden. Es sendet Radiowellen in verschiedenen Reichweiten, abhängig von der Leistung und der verwendeten Radiofrequenz. Wenn ein RFID-Transponder einen elektromagnetischen Bereich passiert, erfasst dieser das Aktivierungssignal des Lesegeräts. Das Lesegerät entschlüsselt die Daten, die im integrierten Schaltkreis des Transponders (Siliziumchip) verschlüsselt sind, und die Daten werden zur Verarbeitung an den Hostcomputer weitergegeben.

RFID-Transponder gibt es in vielen verschiedenen Formen und Größen. Transponder, die zum Beispiel Tieren unter die Haut eingesetzt werden, um diese zu finden, können so klein wie der Durchmesser einer Bleistiftmine sein oder die Form einer Kreditkarte für den Einsatz bei Zutrittskontrollsystemen haben. Und die Anhänger aus festem Kunststoff, die an die Waren in Kaufhäusern als Diebstahlsicherung angebracht werden, sind RFID-Transponder. Außerdem sind hochleistungsfähige, rechteckige Transponder im Logistikbereich für die Rückverfolgung und Wartung von Containern für den kombinierten Verkehr, große Maschinenanlagen, LKWs und Eisenbahnwaggons einsetz- bar. RFID-Systeme werden auch in den Frequenzbereichen unterschieden. Niederfrequenzsysteme (134,2 kHz) haben kurze Lesereichweiten und geringere Systemkosten und werden am häufigsten bei Zugangskontrollen, Teileverfolgungen und der Tierkennzeichnung verwendet. Hochfrequenzsysteme (13,56 MHz), die große Lesereichweiten und hohe Lesegeschwindigkeiten bieten, werden für Einsatzbereiche wie Lagerverwaltung und Logistik verwendet. Der wesentliche Vorteil aller Arten von RFID-Systemen ist, dass diese berührungslos funktionieren, kein Sichtkontakt erforderlich ist und weltweit eindeutige Identifikationsnummern vergeben werden. Die Transponder können durch eine Vielzahl von Substanzen, wie zum Beispiel Schnee, Nebel, Eis, Farbe, Schmutz, und unter anderen komplizierten baulichen Gegebenheiten gelesen werden, wo Barcodes oder andere optische Lesetechnologien unbrauchbar sein würden. Dazu zählen allerdings nicht Aluminium und Wasser.

Außerdem können RFID-Transponder auch unter schwierigen Bedingungen mit bemerkenswerten Geschwindigkeiten gelesen werden, und die Antwortzeiten liegen in den meisten Fällen im Bereich von weniger als 100 Millisekunden. Die Lese-/Schreibfähigkeit eines aktiven RFID-Systems ist ebenfalls ein bedeutender Vorteil bei interaktiven Anwendungen, wie beispielsweise bei der Verfolgung von Halbfabrikaten oder Wartungsarbeiten. Obwohl es sich im Vergleich zum Barcode um eine kostspieligere Technologie handelt, ist RFID für eine Vielzahl von automatisierten Anwendungen zur Datenerfassung und Identifikation, die anders nicht möglich wären, unverzichtbar geworden.

Die prinzipielle Funktionsweise eines RFID-Systems bedeutet, dass das Lesegerät neben den Daten auch Energie durch induktive Koppelung zur Chipkarte überträgt. Im Inneren der kontaktlosen Chipkarte befindet sich hierfür eine großflächige Spule aus mehreren Windungen Draht. Zum Betrieb der Anlage erzeugt das Lesegerät zunächst mittels seiner eigenen Antenne ein hochfrequentes Magnetfeld. Im Zusammenhang mit Chipkartenanwendungen liegt der Richtwert üblicherweise bei 13,56 MHz. Von dieser Frequenz werden weitere benötigte Systemtakte durch binäre Teilung abgeleitet. Jedoch können auch andere Sendefrequenzen, die innerhalb der frei zugänglichen ISM(Industry-Science-Medicin)-Frequenzbänder von 30 kHz bis 2,5 GHz liegen, für RFID Verwendung finden. Befindet sich die Chipkarte im Bereich eines Magnetfeldes, wird in der Spule eine Spannung induziert und anschließend gleichgerichtet. Diese Gleichspannung versorgt den Kartenchip mit Energie. Demnach wird keine zusätzliche Batterie oder Ähnliches zur Spannungsversorgung benötigt. Deshalb wird auch von passiven Systemen gesprochen, die eine praktisch unbegrenzte, funktionsfähige Lebenszeit aufweisen. Um eine effektive transformatorische Koppelung zwischen Lesegerät und Transponder zu gewährleisten, wird parallel zur Induktivität der Chipkartenspule eine Kapazität geschaltet. So entsteht ein Parallelschwingkreis. Die Resonanzfrequenz entspricht der Sendefrequenz von 13,56 MHz. Die resultierende Resonanzüberhöhung verbessert den Wirkungsgrad der Energieübertragung erheblich und ermöglicht so den nötigen Energietransport zur Chipkarte.

Die flexibelsten RFID-Systeme arbeiten mit einer Up-and-Down-Linkfunktion (Lese-/Schreibfähigkeit), das heißt die Informationen auf dem Chip sind veränderbar. Die Datenübertragung von dem Lesegerät zur kontaktlosen Chipkarte, der sogenannte Downlink, erfolgt im elementarsten Fall durch eine Amplitudentastung (ASK – Amplitude Shift Keying), bei der das hochfrequente Feld einfach ein- und ausgeschaltet wird. Der Chipsatz der Karte kann ein ASK-moduliertes Signal schließend sehr einfach de-modulieren, indem dieser die in der Kartenspule induzierte Spannung gleichrichtet. Die umgekehrte Datenübertragung von der Chipkarte zum Lesegerät, der sogenannte Uplink, nutzt die Eigenschaft der transformatorischen Koppelung zwischen der Leseantenne und der Chipkartenspule aus. Eine Änderung des Stromes in der sekundären Spule der Chipkarte bewirkt auch eine Änderung des Stromes beziehungsweise der Spannung an der primären Spule des Lesegerätes, ganz wie bei einem Transformator. Durch das Ein- und Ausschalten eines zusätzlichen Lastwiderstandes in der Chipkarte im Takt der zu übertragenden Binärfolgen können so Daten an das Lesegerät gesendet werden. In der Fachterminologie wird dieser Vorgang als Lastmodulation bezeichnet.

Das Testen von RFID-Systemen auf Funktion und Qualität erfordert eine reproduzierbare Messumgebung. Einen Messaufbau für Chipkarten, der sich an der Norm ISO/IEC 10373–6 orientiert, zeigt Bild 2. In Verbindung mit üblicher HF-Laboreinrichtung wird so das Frequenzverhalten der Chipkarte in einem breiten Frequenzbereich untersucht. Im Anschluss daran lassen markante Resonanzstellen Rückschlüsse auf physikalische Funktionalität und Fertigungsqualität zu. Dieser Test ist für Transponder mit und ohne aufgebondeten Chip gleichermaßen geeignet. Ebenso sind die minimal und maximal zulässigen Chipkartenreichweiten durch Variation der magnetischen Feldstärke überprüfbar.

Um das extrem schwache Signal des Lastmodulators (–60 bis –80 dB unter dem Trägersignal) im Empfänger des Lesegerätes besser detektieren zu können, wird in Chipkarten meist ein zusätzlicher Hilfsträger verwendet, dem die Daten aufmoduliert werden. Damit sind die Frequenzen für Energieversorgung und für Informationsübertragung voneinander getrennt. Durch diese Eigenschaft kann das schwache Informationssignal aus dem genutzten Frequenzbereich isoliert, verstärkt und anschließend ausgewertet werden. Mit Hilfe der entsprechenden Messtechnik lassen sich demnach eine Verifikation und Bewertung des Datenflusses bezüglich Amplitude des Hilfsträgers, Codierung im Basisband und verwendeter Modulationsverfahren abbilden. Daraus wiederum können Rückschlüsse auf eine erfolgreiche Kommunikation zwischen Chipkarte und Lesegerät gezogen werden. Denkbar sind solche Tests auch bei Störeinflüssen jeglicher Art.

Zusammenfassend lassen sich zwei Testschwerpunkte nennen: Zum einen die Überprüfung der Resonanzstellen der miteinander agierenden Komponenten (physikalische Funktionalität) und zum anderen die Informationen in den Modulationsseitenbändern (Datenverifikation). Der gesamte Testaufbau muss deshalb so geordnet sein, dass Tests an der Hochfrequenz-Schnittstelle, die technisch betrachtet die empfindlichste ist, den RFID-Systemen den Weg zum Massenartikel ebnen. Insgesamt muss also nicht nur der Wirkungsgrad der Technik durch akustische oder thermologische Analysen verbessert werden, sondern die Systeme müssen einfach billiger werden.

EPP 437