Ein passiver RFID-Tag ist ein RFID-Tag, der keine interne Stromquelle hat. Er kann nicht von selbst laufen oder senden. Stattdessen funktioniert er nur, wenn er in das Feld eines RFID-Lesegeräts gelangt.
Das Lesegerät sendet Funkenergie aus, der Tag sammelt eine kleine Menge dieser Energie über seine Antenne, schaltet sich kurz ein und sendet dann seine gespeicherten Identifikationsdaten an das Lesegerät zurück. Wenn es kein Lesegerät gibt, bleibt der passive Tag inaktiv.
Ein passiver RFID-Tag besteht in der Regel aus zwei Hauptbestandteilen: einem Mikrochip, der die ID-Daten speichert, und einer Antenne, die die Energie einfängt und die Reaktion ermöglicht.
Funktionsweise von passiven RFID-Etiketten (Schritt für Schritt)
Passive RFID-Etiketten funktionieren durch einen vom Lesegerät gesteuerten Kommunikationsprozess. Der Tag sendet nicht kontinuierlich. Er antwortet nur, wenn er von einem Lesegerät aktiviert wird.
Der Arbeitsprozess verläuft in folgenden Schritten:
Schritt 1: Das Lesegerät sendet Hochfrequenzenergie aus
Ein RFID-Lesegerät erzeugt über seine Antenne ein elektromagnetisches Feld. Dieses Feld überträgt sowohl Energie als auch Kommunikationssignale.
Schritt 2: Die Tag-Antenne fängt Energie ein
Wenn ein passiver RFID-Tag in dieses Feld eintritt, absorbiert seine Antenne einen Teil der Hochfrequenzenergie. Die eingefangene Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Da passive Tags keine Batterie haben, ist diese gewonnene Energie die einzige Stromquelle für den Chip.
Schritt 3: Der Mikrochip schaltet sich ein
Sobald genügend Energie gesammelt wurde, wird der Mikrochip im Inneren des Tags aktiv. Dies wird als Erreichen der Aktivierungsschwelle bezeichnet.
Wenn die Feldstärke zu schwach ist, schaltet sich der Chip nicht ein und das Etikett reagiert nicht.
Schritt 4: Das Lesegerät sendet einen Befehl
Nach der Aktivierung sendet das Lesegerät ein Befehlssignal. Dieser Befehl kann die Identifikationsnummer des Datenträgers abfragen oder eine andere zulässige Operation durchführen, wie z. B. das Lesen bestimmter Speicherdaten.
Schritt 5: Der Tag antwortet per Rückstreuung
Anstatt ein neues Funksignal zu erzeugen, verändert das Etikett das Reflexionsmuster des Signals des Lesegeräts. Dieser Vorgang wird als Rückstreumodulation bezeichnet.
Durch schnelles Umschalten seiner internen Last kodiert der Transponder digitale Daten in das reflektierte Signal.
Schritt 6: Das Lesegerät empfängt und entschlüsselt die Antwort
Das Lesegerät erkennt die kleinen Veränderungen im reflektierten Signal und entschlüsselt die übertragenen Identifikationsdaten.
Der gesamte Vorgang läuft innerhalb von Millisekunden ab.
Passive RFID-Frequenzen
Passive RFID-Systeme werden nach Betriebsfrequenz klassifiziert, da die Frequenz die elektromagnetische Kopplungsmethode, die Antennenstruktur, das Signalverhalten und die typische Einsatzumgebung bestimmt. Die drei Hauptkategorien für passive RFID-Systeme sind Niederfrequenz (LF), Hochfrequenz (HF) und Ultrahochfrequenz (UHF).
LF Passive RFID
Passive LF-RFID bezieht sich im Allgemeinen auf Systeme, die unterhalb von 300 kHz arbeiten. Die beiden gängigsten NF-Frequenzen sind 125 kHz und 134,2 kHz. 125 kHz wird häufig in älteren Zugangskontrollsystemen und älteren Identifikationsanwendungen verwendet. 134,2 kHz wird stark mit der Identifizierung von Tieren in Verbindung gebracht, da diese Frequenz von vielen ISO-basierten Viehzuchtsystemen verwendet wird. Sie werden auch verwandte Frequenzen in der gleichen Umgebung finden, aber 125 kHz und 134,2 kHz sind die praktischen Anhaltspunkte für das Verständnis von NF.
Technisch gesehen arbeitet LF im Nahfeld und beruht auf induktiver Kopplung. Das Lesegerät erzeugt ein Magnetfeld, und das Etikett nutzt eine Spulenantenne, um diese Energie zu nutzen. Aus diesem Grund enthalten LF-Tags häufig eine Spulenstruktur, entweder als gewickelte Spule in einer Glaskapsel oder als geformte Spulenbaugruppe in einer Ohrmarke oder einem gekapselten Gehäuse. Da die Energieübertragung magnetisch und im Nahfeld erfolgt, sind NF-Systeme nicht für das Lesen über große Entfernungen ausgelegt. Der Vorteil von NF liegt darin, dass es sich in der Regel in der Nähe von Materialien mit hohem Wassergehalt wie tierischem Gewebe vorhersehbarer verhält.
HF Passive RFID
HF passives RFID konzentriert sich auf 13,56 MHz, und in der Praxis bedeutet HF fast immer 13,56 MHz. Dieses Band wird für eine Vielzahl von passiven Etikettenformaten verwendet, darunter Karten, Etiketten, Armbänder und eingebettete Etiketten. HF ist auch die Grundlage für NFC, aber NFC ist nicht einfach ein Frequenzetikett. NFC ist eine Familie von Protokollen, die auf der 13,56-MHz-HF-Technologie aufbauen.
Auch die HF arbeitet hauptsächlich im Nahfeld und nutzt wie die NF die induktive Kopplung, allerdings bei einer viel höheren Frequenz. Die Antenne des Transponders ist in der Regel eine flache Spule, die auf ein Inlay oder in eine Karte gedruckt oder geätzt ist, so dass HF-Transponder in der Regel dünn und flach sind. In kontrollierten Leseumgebungen ist HF sehr beliebt, da es eine Identifizierung im Nahbereich mit besserer Kontrolle über den Lesebereich ermöglicht als UHF mit großer Reichweite, was bei Zugangskontrollen, Fahrkartenverkauf, Bibliothekssystemen und Authentifizierungsabläufen hilfreich ist.
13,56 MHz bedeutet jedoch nicht automatisch universelle Kompatibilität. Im HF-Bereich gibt es mehrere weit verbreitete Normen, die dieselbe Frequenz nutzen, sich aber in der Art der Kommunikation und den unterstützten Funktionen des Tags unterscheiden. Zum Beispiel wird ISO 14443 üblicherweise mit Proximity-Karten und viele sichere Kartenimplementierungen, während ISO 15693 für HF-Etiketten in der Nähe üblich ist, die oft auf etwas größere Arbeitsabstände und andere Anwendungsfälle ausgerichtet sind. Zwei Tags können beide 13,56 MHz haben und trotzdem nicht von demselben System gelesen werden, wenn die Protokollfamilie nicht mit dem übereinstimmt, was das Lesegerät unterstützt.
Passive UHF-RFID
Passive UHF-RFID-Etiketten werden im Allgemeinen im Bereich von 860 bis 960 MHz betrieben. Im Gegensatz zu LF und HF wird der UHF-Bereich stark von regionalen Vorschriften beeinflusst, so dass das genaue Betriebsband davon abhängt, wo das System eingesetzt wird. So wird in Nordamerika gemäß den FCC-Bestimmungen in der Regel das 902- bis 928-MHz-Band verwendet, während viele europäische Systeme gemäß den ETSI-Bestimmungen im Bereich 865 bis 868 MHz betrieben werden. In anderen Regionen werden verschiedene Bereiche innerhalb des breiteren 860- bis 960-MHz-Bandes verwendet.
Passives UHF-RFID nutzt in der Regel die elektromagnetische Kopplung im Fernfeld und kommuniziert durch Rückstreuung. Das Lesegerät sendet HF-Energie aus, das Etikett nimmt einen kleinen Teil davon auf, um seinen Chip mit Strom zu versorgen, und reagiert dann mit einer Änderung seiner Antennenimpedanz, um die Reflexion des Lesesignals zu modulieren. Da UHF auf Fernfeld- und Rückstreuung basiert, können wesentlich größere Lesedistanzen als bei NF oder HF erreicht werden. Es wird häufig in der Logistik, der Lagerverfolgung, der Bestandsaufnahme im Einzelhandel und der Identifizierung mit hohem Durchsatz eingesetzt, wo sich viele Tags in derselben Lesezone befinden können.
Passive UHF-Etiketten haben in der Regel dipolartige Antennen, die auf dünne Inlays geätzt oder gedruckt sind, weshalb UHF-Etiketten oft als Etiketten oder Hängeetiketten verwendet werden. Wenn UHF-Etiketten direkt auf Metalloberflächen funktionieren müssen, sind in der Regel spezielle Etikettenkonstruktionen erforderlich, wie z. B. Abstände, Abschirmungen oder speziell angefertigte Metallgehäuse, da Metall die Antenne verstimmen und die empfangene Leistung verringern kann. Außerdem wird passives UHF-RFID in der Lieferkette und im Inventar meist mit EPC Class 1 Gen2, auch bekannt als ISO 18000-6C, in Verbindung gebracht. Wenn in vielen realen Systemen von UHF-Passiv-RFID die Rede ist, ist implizit Gen2 mit seinem Antikollisionsverhalten, seinen Speicherkonventionen und seinen Lesebefehlen gemeint.
Passiver RFID-Leseabstand
Die Leseentfernung bei passiven RFID-Transpondern variiert je nach Frequenz erheblich. Da passive Tags vollständig auf die Energie des Lesegeräts angewiesen sind, ist die erreichbare Entfernung eng mit der Kopplungsmethode und dem Betriebsband verbunden.
LF Passive RFID Leseabstand
Passive LF-RFID-Systeme, die mit 125 kHz oder 134,2 kHz arbeiten, sind für die Identifizierung im Nahbereich konzipiert. Die typische Lesedistanz beträgt 3 bis 10 cm mit Handlesegeräten und Standard-Tag-Größen.
Bei Tierkennzeichnungssystemen mit 134,2-kHz-Ohrmarken beträgt die praktische Lesedistanz oft 5 bis 20 cm, je nach Größe der Leseantenne und Konstruktion der Marke. Glaskapseltransponder erreichen aufgrund der kleineren Spulengeometrie im Allgemeinen kürzere Entfernungen als größere geformte Ohrmarken.
HF Passiv RFID Leseabstand
Passive HF-RFID mit 13,56 MHz ermöglicht bei den meisten karten- und etikettenbasierten Systemen Leseabstände zwischen 2 und 30 cm.
Proximity-Karten nach ISO 14443 sind in der Regel auf weniger als 10 cm begrenzt, was für sichere Zugangskontroll- und Zahlungssysteme beabsichtigt ist.
ISO 15693-konforme Tags können die Lesedistanz weiter erhöhen und erreichen unter optimierten Antennenbedingungen typischerweise bis zu 1 Meter. Viele kommerzielle Implementierungen arbeiten jedoch unterhalb dieses Maximums, um kontrollierte Lesezonen zu erhalten.
UHF Passive RFID Leseabstand
Passive UHF-RFID, die im Frequenzbereich von 860 bis 960 MHz arbeitet, ermöglicht deutlich größere Leseabstände. Standard-EPC-Gen2-Etiketten erreichen in typischen stationären Lesegeräten eine Reichweite von 3 bis 10 Metern bei normalen gesetzlichen Leistungsgrenzen.
Leistungsstarke Tags in Kombination mit optimierten Antennen können in kontrollierten Umgebungen eine Reichweite von 10 bis 15 Metern erreichen.
UHF-Handlesegeräte erreichen in der Regel eine Reichweite von 1 bis 5 Metern, je nach Antennenverstärkung und Markierungsempfindlichkeit.
UHF bietet die längste Lesedistanz unter den passiven RFID-Technologien und wird häufig in der Logistik, der Lagerverwaltung und in Inventarsystemen eingesetzt, wo das Ablesen von mehreren Zählern erforderlich ist.
Arten von passiven RFID-Etiketten
Passive RFID-Etiketten werden üblicherweise in LF-, HF- und UHF-Systeme eingeteilt. In diesen Bändern sind die gängigsten Formfaktoren Inlays oder Etiketten und robuste, harte Tags, die das Inlay und den Chip schützen sollen.
LF Passive RFID-Tags
NF-Tags enthalten in der Regel eine gewickelte Spulenantenne. Da bei niedrigen Frequenzen eine relativ große Induktionsspule erforderlich ist, um genügend Energie zu gewinnen, sind NF-Etiketten oft dicker und starrer als Etiketten für höhere Frequenzen.
Gängige LF-Tag-Formen sind:
- Glaskapseltransponder für die Implantation bei Tieren
- Geformte Kunststoffohrmarken mit eingebetteten Spulenbaugruppen
- Gekapselte Schlüsselanhänger und Zutrittsmarken
Die Spulenantenne ist normalerweise im Inneren sichtbar, wenn das Gehäuse der Marke transparent ist. Bei Vieh-Ohrmarken ist die Spule in ein versiegeltes Kunststoffgehäuse eingebettet, um sie vor Feuchtigkeit und mechanischer Belastung zu schützen.
LF-Etiketten werden selten als ultradünne Etiketten hergestellt, da die Spulenstruktur Volumen erfordert.
Passive HF-RFID-Tags
HF-Tags verwenden planare Spulenantennen, die auf flache Substrate geätzt oder gedruckt werden. Da die Antenne zweidimensional und nicht gewickelt ist, sind HF-Tags in der Regel dünn und flach.
Gängige HF-Tag-Formen sind:
- PVC-Chipkarten
- Klebeetiketten aus Papier oder Kunststoff
- Armbänder
- Bibliotheks-Tags
- Eingebettete Inlays in Dokumenten oder Tickets
HF-Antennen erscheinen in der Regel als spiralförmige oder rechteckige Leiterbahnen, wenn sie belichtet werden. Aufgrund ihrer flachen Struktur eignen sie sich für kartenbasierte und etikettenbasierte Formate.
Passive UHF-RFID-Etiketten
UHF-Etiketten verwenden in der Regel dipolartige Antennen, die auf dünne Aluminium- oder Kupferschichten geätzt oder gedruckt werden. Da die Antenne im Fernfeld arbeitet, kann sie als leichtes Inlay implementiert werden.
Gängige Formen von UHF-Tags sind:
- Dünne Klebeetiketten
- Anhängeetiketten für Kleidung
- Papierbasierte Smart Labels
- Industrieanhänger aus Hartplastik
- Auf-Metall-Tags mit Abstandshalterstrukturen
UHF-Inlays sind oft extrem dünn und flexibel. Das Dipol-Antennenmuster ist in der Regel länglich und symmetrisch. Beim Einsatz auf Metalloberflächen werden UHF-Tags mit dickeren Gehäusen oder integrierten Abstandshaltern gebaut, um eine Verstimmung der Antenne zu verhindern.
Passive RFID-Tags Anwendungen
Passive RFID-Etiketten werden in vielen Branchen zur Identifizierung, Verfolgung und Datenzuordnung eingesetzt. Die spezifische Anwendung hängt von der Wahl der Frequenz, den Anforderungen an den Leseabstand und den Umgebungsbedingungen ab.
Identifizierung des Viehbestands
Passive LF-RFID mit 134,2 kHz wird häufig zur Tierkennzeichnung verwendet. Elektronische Ohrmarken und injizierbare Glastransponder werden bei Rindern, Schafen, Ziegen und Haustieren eingesetzt. Die Marke speichert eine eindeutige Identifikationsnummer, die mit landwirtschaftlichen oder nationalen Datenbanken verknüpft ist. Aufgrund der kurzen Lesedistanz und der stabilen Leistung in der Nähe des Tiergewebes ist LF für diesen Zweck geeignet.
Zugangskontrolle und Authentifizierung
Passive HF-RFID mit 13,56 MHz wird häufig für Zugangskontrollkarten, Ausweise, Fahrkarten und Sicherheitsausweise verwendet. Die kontrollierte kurze Lesedistanz unterstützt eine bewusste Benutzerinteraktion, was bei sicherheitsrelevanten Systemen wichtig ist. Viele HF-Einsätze beruhen auf ISO 14443 oder verwandten Normen für Kompatibilität und Datenstruktur.
Bibliothek und Dokumentenverfolgung
Passive HF-RFID wird auch in Bibliotheken, Dateiverwaltungssystemen und bei der Dokumentenverfolgung eingesetzt. Dünne, etikettenähnliche Tags werden in Bücher und Ordner eingebettet. Der moderate Leseabstand ermöglicht ein effizientes Scannen bei gleichzeitiger Beibehaltung kontrollierter Lesezonen.
Einzelhandel und Inventarverwaltung
Passive UHF-RFID-Etiketten werden häufig im Einzelhandel, in der Lagerverwaltung und in der Logistik eingesetzt. Klebeetiketten werden an Produkten, Kartons oder Paletten angebracht. Die Lesedistanz von mehreren Metern ermöglicht ein schnelles Scannen mehrerer etikettierter Artikel mit stationären oder tragbaren Lesegeräten.
Asset Tracking und industrielle Nutzung
Passives UHF-RFID wird zur Verfolgung von Werkzeugen, Geräten, Mehrwegbehältern und Industrieanlagen eingesetzt. Harte Tags mit Schutzgehäusen werden im Freien oder in rauen Umgebungen eingesetzt. Auf-Metall-Tags werden eingesetzt, wenn eine direkte Montage auf leitenden Oberflächen erforderlich ist.
Wie viel kosten passive RFID-Etiketten?
Die Kosten für passive RFID-Etiketten variieren je nach Frequenz, Chiptyp, Antennendesign, Material und Auftragsvolumen. Der Mikrochip selbst macht nur einen Teil der Gesamtkosten aus. Die Anforderungen an Verpackung, Verkapselung und Haltbarkeit haben oft einen größeren Einfluss auf den Preis.
LF Passive RFID Kosten
Passive LF-Etiketten, die zur Tierkennzeichnung oder Zugangskontrolle verwendet werden, sind aufgrund ihrer Spulenantennenstruktur und ihres geformten Gehäuses im Allgemeinen teurer als dünne UHF-Etiketten.
Typische Preisspannen:
- Glas-Kapsel LF-Transponder: ca. $1 bis $3 pro Einheit je nach Volumen
- LF-Ohrmarken für Nutztiere mit gegossenem Gehäuse: typischerweise $1.50 bis $4 pro Einheit je nach Chiptyp und Anpassung
Kundenspezifischer Druck, Lasermarkierung oder Vorcodierung können die Kosten erhöhen.
HF Passive RFID Kosten
HF-Etiketten bei 13,56 MHz werden in der Regel als Karten oder Etiketten-Inlays hergestellt.
Typische Preisspannen:
- HF-Etiketten-Inlays: ca. $0,20 bis $0,60 pro Einheit im Umfang
- HF-PVC-Karten: typischerweise $0,50 bis $2 pro Einheit, je nach Speichertyp und Sicherheitsmerkmalen
Sichere Chips mit Verschlüsselungsfunktion erhöhen die Kosten im Vergleich zu reinen Speicherchips.
UHF Passive RFID Kosten
Passive UHF-RFID-Etiketten sind in der Regel die kostengünstigste Lösung, wenn sie in hohen Stückzahlen produziert werden, insbesondere bei Anwendungen in der Lieferkette.
Typische Preisspannen:
- UHF-Etiketten-Inlays: etwa $0,05 bis $0,20 pro Einheit in großen Mengen
- UHF-Hardtags: typischerweise $0,50 bis $3 pro Einheit je nach Gehäuse und Haltbarkeit
- Industrieanhänger auf Metall: häufig $2 bis $10 pro Einheit je nach Leistungsanforderungen
Spezielle Industrie- oder Hochtemperaturanhänger können diese Bereiche überschreiten.
Passive und aktive RFID-Etiketten
Passive und aktive RFID-Etiketten unterscheiden sich vor allem darin, wie sie mit Strom versorgt werden und wie sie kommunizieren. Das Vorhandensein oder Fehlen einer internen Stromquelle wirkt sich auf die Lesereichweite, die Größe, die Kosten, die Wartungsanforderungen und die Einsatzszenarien aus.
Passive RFID-Tags
Passive RFID-Tags enthalten keine interne Batterie. Sie arbeiten durch Energiegewinnung aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegeräts und reagieren nur, wenn sie mit Energie versorgt werden. Da sie kein eigenes Signal erzeugen, sind passive Etiketten in der Regel kleiner, dünner und kostengünstiger. Sie werden häufig in Identifizierungs- und Inventarsystemen eingesetzt, die über eine Lesegeräte-Infrastruktur verfügen.
Aktive RFID-Tags
Aktive RFID-Tags enthalten eine interne Batterie, die den Chip und den Sender mit Strom versorgt. Aktive Tags können Signale aussenden, ohne auf die von einem Lesegerät aufgenommene Energie angewiesen zu sein. Dies ermöglicht deutlich längere Kommunikationsdistanzen, die je nach Systemkonfiguration oft mehrere Dutzend Meter oder mehr betragen. Die Batterie ermöglicht auch zusätzliche Funktionen wie die Integration von Sensoren oder die regelmäßige Übertragung von Baken.
Wichtige Unterschiede:
| Besonderheit | Passive RFID | Aktives RFID |
| Stromquelle | Keine interne Batterie | Interner Akku |
| Signalübertragung | Reagiert nur, wenn er vom Leser aktiviert wird | Kann unabhängig senden |
| Typischer Leseabstand | Zentimeter bis mehrere Meter | Dutzende von Metern oder mehr |
| Größe | Klein und dünn | Größer wegen der Batterie |
| Kosten pro Tag | Niedrig | Höher |
| Wartung | Keine Wartung der Batterie | Batteriewechsel erforderlich |
| Typische Anwendungsfälle | Einzelhandel, Logistik, Vieh-ID, Zugangskontrolle | Echtzeit-Tracking, Anlagenüberwachung, Sensorsysteme |
Häufig gestellte Fragen
Die Lesedistanz hängt von der Frequenz ab. LF-Tags werden in der Regel innerhalb von wenigen Zentimetern gelesen. HF-Tags funktionieren in der Regel innerhalb von mehreren Zentimetern und in einigen Konfigurationen bis zu einem Meter. UHF-Tags ermöglichen im Allgemeinen eine Lesedistanz von mehreren Metern unter den standardmäßigen gesetzlichen Leistungsgrenzen. Die tatsächliche Leistung hängt von der Systemkonfiguration und den Installationsbedingungen ab.
Wie sieht ein passiver RFID-Tag aus?
Ein passiver RFID-Tag kann je nach Frequenz und Anwendung sehr unterschiedlich aussehen, enthält aber immer einen kleinen Mikrochip, der mit einer Antenne verbunden ist. NF-Etiketten sind oft dicker und können als Glaskapseln für die Implantation in Tiere oder als geformte Kunststoff-Ohrmarken mit einer eingebetteten Spule aussehen. HF-Tags sehen in der Regel aus wie flache Karten, Aufkleber oder Armbänder mit einem sichtbaren spiralförmigen Antennenmuster im Inneren. UHF-Etiketten sind in der Regel dünne Klebeetiketten oder Hängeetiketten mit einem länglichen metallischen Antennendesign, während Industrieversionen aus Gründen der Haltbarkeit in Hartplastikgehäusen untergebracht sein können.
Einige passive RFID-Tags unterstützen einen Nur-Lese-Speicher, während andere das Schreiben oder Aktualisieren von Daten erlauben. Viele UHF-EPC-Gen2-Tags erlauben das Beschreiben des Benutzerspeichers und können nach der Programmierung auch gesperrt werden. HF-Tags können je nach Chiptyp unterschiedliche Speicherstrukturen unterstützen. Ob ein Tag umgeschrieben werden kann, hängt von der Chipspezifikation ab.
Bei passiven Standard-Tags kann es zu Leistungseinbußen kommen, wenn sie direkt auf Metall montiert werden, da Metall die Antenne verstimmen kann. Spezialisierte On-Metal-Tags sind mit Abstandshaltern oder Abschirmungsstrukturen ausgestattet, um einen ordnungsgemäßen Betrieb auf leitenden Oberflächen zu gewährleisten.
Passive RFID-Etiketten haben keine Batterie, die sich abnutzen könnte, so dass ihre Lebensdauer in der Regel durch die physische Haltbarkeit und nicht durch die Elektronik begrenzt wird. Unter normalen Bedingungen ist die Datenaufbewahrungszeit des Chips oft auf viele Jahre ausgelegt.
