Produktion

Identifizierung mit Millimeterwellen-Tags

Vision des Radar-Tag-Projektes: Die kompakten 60-GHz-Tags können vollständig in Produkte eingebettet werden.
© Fraunhofer FHR

Vision des Radar-Tag-Projektes: Die kompakten 60-GHz-Tags können vollständig in Produkte eingebettet werden.

 Schematischer Darstellung des Transpondersystems mit den jeweiligen Instituten und ihren Arbeitspaketen.
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Schematischer Darstellung des Transpondersystems mit den jeweiligen Instituten und ihren Arbeitspaketen.

 Erste Version des Reader-Boards. Deutlich zu erkennen sind die Transceiver-Chips sowie die Koppler auf dem Hochfrequenzsubstrat, welche die Sende-Empfangsweiche bilden und die zirkulare Speisung der Antenne übernehmen.
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Erste Version des Reader-Boards. Deutlich zu erkennen sind die Transceiver-Chips sowie die Koppler auf dem Hochfrequenzsubstrat, welche die Sende-Empfangsweiche bilden und die zirkulare Speisung der Antenne übernehmen.

Produktpiraterie ist ein sehr großes Problem, doch RFID-Tags lassen sich meist nur schwerlich in Produkte einbetten. Im Rahmen des Radar-Tag-Projektes soll ein Transpondersystem bei 60 GHz entworfen werden, bei welchem das komplette Tag inklusive Antenne auf einen winzigen Chip (1mm²) integriert wird.

Schutz vor Produktpiraterie durch miniaturisiertes
RFID Tag

Produktpiraterie lässt sich im heutigen weltweiten Handel nur schwerlich eindämmen. Laut Schätzungen des VDMA beläuft sich der Schaden allein in Deutschland auf 7,3 Mrd. Euro jährlich. Zwar existieren vielfältige Schutzmechanismen, doch sind diese für viele Zwecke zu komplex oder lassen sich nur schlecht in Produkte einbetten. Einfache Kennzeichnungen mittels Seriennummer oder QR-Codes müssen aufwendig nachverfolgt werden. Dahingegen versprechen elektronische Kennzeichnungen mittels RFID eine kryptographisch geschützte Authentifizierung, doch diese kommunizieren bisher mittels Near-Field-Communication (NFC; 13,56 MHz) oder im UHF-Band (868 MHz) und benötigen daher große Antennen mit einem Ausmaß von mehreren Zentimetern. Um das gesamte RFID-Tag deutlich kompakter realisieren zu können, soll im Rahmen des Radar-Tag Projektes ein Transpondersystem entworfen werden, welches im 60-GHz-Band arbeitet, so dass die Antenne vollständig auf einen winzigen Chip integriert werden kann und dort zusammen mit Digitalteil, Kryptographie-Modul und Energiegleichrichter das gesamte Tag bildet. Somit bildet der Chip (z. B. 1 mm²) das gesamte Tag und kann einfach in Produkte eingebettet werden. Zum Auslesen wird das Tag dann von einem Reader drahtlos bei 60 GHz mit Energie versorgt. Zur Informationsübermittlung werden dann auf dieses Signal Daten aufmoduliert, die mittels Reader ausgelesen werden können.

Optimale Lösung durch Zusammenarbeit

Das angestrebte Transpondersystem ist nicht nur durch die komplexe Millimeterwellentechnik, sondern auch durch die energiesparende Kryptographie und die aufwendige digitale Kommunikationstechnik eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Um diese anspruchsvolle Aufgabe anzugehen, haben sich die vier Fraunhofer-Institute IPMS, IMS, AISEC und FHR zusammengetan. Das IPMS verfügt über das Know-how zur Realisierung des RFID-Tags , das AISEC ist der Experte für die Realisierung der Kryptographie, das IMS übernimmt das Backend des Transpondersystems und das FHR ist zuständig für die Ausleseeinheit und bringt somit seine Erfahrung im Millimeterwellenbereich ein.

Die Herausforderungen des 60-GHz-Readers

Für die Realisierung des Reader-Frontends ergeben sich einige spannende Herausforderungen. Um ein kompaktes Reader-Modul im Format eines Smartphones zu ermöglichen, soll eine sehr kompakte Bauform angestrebt werden. Zur Energieversorgung des Tags muss eine hohe Sendeleistung erzeugt werden, welche die regulatorischen Limits von 20 dBm EIRP im Fernfeld möglichst ausreizt. Hierbei ist selbstverständlich eine sehr energieeffiziente Signalerzeugung notwendig, um den notwendigen Bauraum zur Kühlung und Energieversorgung möglichst klein zu halten. Sehr anspruchsvoll sind die Anforderungen an den Empfänger, da dieser stets starkes Übersprechen bzw. Reflexionen des 60 GHz Sendesignals empfängt und dennoch hinreichend linear arbeiten muss, um die Rückstreumodulation des Tags sauber dekodieren zu können. Durch diese Kombination von Anforderungen an die Hochfrequenztechnik zusammen mit der angestrebten kostengünstigen Skalierung für den Massenmarkt, eignet sich das Frontend für hervorragend eine Integration des Frontends auf einen Silizium-Germanium Chip.

Eine weitere Herausforderung liegt in der robusten Funkkommunikation unabhängig von der Ausrichtung von Reader und Tag. Aufgrund der Kompaktheit sind die integrierten Antennen auf dem Tag stets linear polarisierend ausgelegt, dennoch soll die Signal- und Energieübertragung für jede Ausrichtung des Readers funktionieren. Zur dreh-unabhängigen Ansteuerung werden die Sende- und Empfangsantennen auf dem Reader zirkular polarisierend ausgelegt und gemeinsam in einer räumlich konzentrierten Antenne realisiert.

Im Rahmen des Projektes konnte bereits einer ersten Version des Readers samt eigenes entwickelten Transceiver Chips realisiert werden. In Tests konnte bereits die notwendige Sendeleistung verifiziert werden und mit Hilfe eines eigens realisierten Dummy-Tags erfolgreich eine Rückstreumodulation sauber am Empfänger dekodiert werden. Aufgrund der erreichten Ergebnisse und der noch bleibenden Herausforderungen zur Integration des Gesamtsystems blickt das Projekt-Team optimistisch in das letzte Projektjahr und rechnet mit einer erfolgreichen Gesamtsystem-Demonstration 2019.