Kurzanleitung RFID-UHF-Antenne Mid Range ANT820

Kurzanleitung
RFID-UHF-Antenne
Mid Range
704979 / 00
01 / 2012
ANT820
DE
RFID-UHF-Antennen
Inhalt
1 Vorbemerkung����������������������������������������������������������������������������������������������������� 3
2 Sicherheitshinweise��������������������������������������������������������������������������������������������� 3
3 Produktbeschreibung������������������������������������������������������������������������������������������� 4
3.1 Low Range-Antennen��������������������������������������������������������������������������������� 4
3.2 Mid Range-Antennen ��������������������������������������������������������������������������������� 4
3.3 Wide Range-Antennen ������������������������������������������������������������������������������� 5
3.4 Antennentyp nach Lesereichweite und Transponderform��������������������������� 6
4 Technische Daten ����������������������������������������������������������������������������������������������� 8
5 Reader-Ausgangsleistung����������������������������������������������������������������������������������11
6 Normenkonformität ������������������������������������������������������������������������������������������� 12
7 Montage������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 14
8 Typische Applikationen ������������������������������������������������������������������������������������� 16
9 Technischer Anhang ����������������������������������������������������������������������������������������� 17
9.1 Antennen-Gewinn������������������������������������������������������������������������������������� 17
9.2 ERP: Effektive Strahlungsleistung������������������������������������������������������������� 18
9.3 EIRP: Effektive Isotrope Strahlungsleistung��������������������������������������������� 18
9.4 Beispiele – Antennen – Eingangsleistung������������������������������������������������� 18
10 Abkürzungen��������������������������������������������������������������������������������������������������� 19
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RFID-UHF-Antennen
1 Vorbemerkung
Lesen Sie dieses Dokument vor dem Einsatz, damit Sie mit Einsatzbedingungen,
Installation und Betrieb vertraut werden. Bewahren Sie das Dokument während
der gesamten Einsatzdauer des Gerätes auf.
Sicherheitshinweise befolgen.
DE
2 Sicherheitshinweise
Vor dem Beginn der Installationsarbeiten bzw. vor dem Austausch des Gerätes
muss die mitgelieferte Kurzanleitung sorgfältig gelesen und ihr Inhalt verstanden
werden.
Die detaillierten Angaben in den Datenblättern und in dieser Kurzanleitung müssen
bei der Installation und während des Betriebs sorgfältig eingehalten werden!
Das Installations-Team muss ordnungsgemäß qualifiziert und mit den im jeweiligen
Land geltenden Sicherheitsvorschriften vertraut sein.
Der Anschluss, die Einrichtung und die Wartung des Gerätes sowie andere
Arbeiten am Gerät dürfen nur von entsprechend qualifizierten und geschulten
Mitarbeitern durchgeführt werden.
Das Gerät darf nur für den vom Hersteller vorgesehenen Zweck verwendet werden.
Durch unbefugte Änderungen und die Verwendung von Ersatzteilen und Zusatzgeräten, die nicht vom Hersteller verkauft bzw. empfohlen werden, können Brände,
Stromschläge und Verletzungen verursacht werden. Derartige Handlungen führen
daher zum Haftungsausschluss und die Herstellergarantie (Gewährleistung) wird
nichtig.
Für das Gerät gilt die Version der Herstellergarantie (Gewährleistung), die zum
Kaufzeitpunkt gültig war. Für die ungeeignete manuelle oder automatische Einstellung der Geräteparameter und die unangemessene Verwendung des Gerätes wird
keine Haftung übernommen.
Reparaturen dürfen nur von befugtem Personal durchgeführt werden. Durch Öffnen des Gerätes und Reparaturversuche gehen alle Garantie-/Gewährleistungsansprüche verloren! Durch unsachgemäße Arbeiten am Gerät kann die elektrische
Sicherheit des Gerätes beeinträchtigt werden.
Der Hersteller haftet nicht für Unfälle, die durch das Öffnen des Gerätes durch den
Benutzer verursacht worden sind!
Bei der Durchführung von Arbeiten am Gerät müssen die geltenden Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden.
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RFID-UHF-Antennen
3 Produktbeschreibung
Die ifm RFID-UHF-Antennenfamilie besteht aus verschiedenen UHF-ReaderAntennen, welche die Anforderungen nahezu jeder RFID-Applikation erfüllen können. Die Antennen sind in drei Produktlinien bezüglich der Lesereichweite unterteilt: Low Range-, Mid Range- und Wide Range-Antennen.
3.1 Low Range-Antennen
Bei Abmessungen von 90 x 63 mm verfügen die Low Range-Antennen über eine
hohe Feldkonzentration im Nahbereich bei gleichzeitig extrem reduziertem Antennengewinn im Fernfeld. Die Antennen erzielen durch diese Eigenschaften Reichweiten bis zu 10 cm mit einer typischen Selektivität von 5 cm.
Die Low Range-Antennen gibt es in den Typen Low Range (ANT810/ANT910) und
Ultra Low Range (ANT805). Die Ultra Low Range Antenne wurde darauf ausgelegt, dipolförmige Tags („Fernfeld-Tags“) in einer sehr begrenzten Entfernung zu
lesen. Diese Antenne kann darüber hinaus schleifenförmige Tags („Nahfeld-Tags“)
bis auf 3 cm ansprechen. Für eine größere Reichweite wurde die Low Range
Antenne entwickelt, die sich insbesondere für Nahfeld-Tags eignet. Die Antennenzuordnung nach Lesereichweite und Transponderform ist in Kapitel 3.4 dargestellt.
Abbildung: ANT810 / ANT910 Low Range Antenne
Abbildung: ANT805 Ultra Low Range Antenne
3.2 Mid Range-Antennen
Für Applikationen im Bereich zwischen Nah- und Fernfeld wurde die Mid RangeAntenne ANT820 entwickelt. Dabei wurde besonders auf eine kompakte Bauform
für die Integration in bauraumkritischen Umgebungen Wert gelegt. Bei Abmessungen von 156 x 126 mm sind dennoch Lesereichweiten von mehr als 2 m
möglich. Gleichzeitig besitzt die Mid Range-Antenne bei geringen Leseabständen
gegenüber herkömmlichen Antennen eine erhöhte Selektivität. Somit eignet sich
diese Antennenausführung für die Verwendung im sogenannten Übergangsbereich
mit verschiedenen Transpondertypen.
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RFID-UHF-Antennen
DE
Abbildung: ANT820 Mid Range Antenne
3.3 Wide Range-Antennen
Für die klassischen Fernfeld-Anwendungen mit Lesereichweiten über 10 m bietet
ifm eine Wide Range-Antenne an, die sich durch eine Halbwertsbreite von 70°
auszeichnet (ANT830). Die für UHF-Anwendungen üblicherweise benötigte zirkulare Polarisation wurde im Vergleich zu den am Markt verfügbaren Antennen signifikant verbessert. Bei dem sogenannten Achsverhältnis, das als Kennwert für die
zirkulare Polarisation verwendet wird, erzielt die neue Variante Werte von typisch
1 dB. Der marktübliche Wert liegt, wenn überhaupt spezifiziert, bei circa 3 dB.
Die verbesserte Zirkularität
führt zu einer deutlich reduzierten Abhängigkeit der
Leseergebnisse von Lage
oder Ausrichtung der Transponder. Zudem wurde ein
großes Augenmerk auf das
Vor-/Rückverhältnis der Antennen gelegt, um Einflüsse
der näheren (Montage-)Umgebung auf die Antenneneigenschaften zu verringern.
Alle Antennen verfügen über
eine sehr hohe Schutzklasse, die ihren problemlosen
Einsatz in jeder Umgebung
gewährleistet.
Abbildung: ANT830 Wide Range Antenne
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RFID-UHF-Antennen
3.4 Antennentyp nach Lesereichweite und Transponderform
Antennentyp
Lesereichweite
Tag-Art
Schleifenförmig
ANT805
ANT810
ANT910
Hybrid
Dipolartig
0-10 cm
10-30 cm
ANT820
30-100 cm
> 100 cm
10-30 cm
ANT830
30-200 cm
> 200 cm
Die richtige Kombination von Reader-Antenne und Transponder ist wesentlich
für jede RFID-Applikation. Die korrekte Wahl sichert eine hohe Leserate und den
zuverlässigen Betrieb des Systems.
Die Low Range- (ANT810/ANT910) und Ultra Low Range-Antennen (ANT805)
können die schleifenförmigen, die Hybrid- und die dipolartigen Transponder bis zu
10 cm lesen und verfügen über eine sehr gut definierte Lesereichweite.
Die Mid Range-Antenne (ANT820) kann die schleifenförmigen Transponder bis zu
30 cm ansprechen, die Hybrid- bis zu 100 cm und die dipolartigen Transponder bis
zu mehreren Metern.
Die Wide Range-Antenne (ANT830) ist für die typischen dipolartigen Transponder
mit Lesereichweiten von über 10 m ausgelegt, sie kann aber auch die NahfeldSchleifenförmigen und Hybrid-Transponder bei einer geringen Entfernung lesen.
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RFID-UHF-Antennen
Die typischen Lesereichweiten der vorgestellten Antennen sind in der folgenden
Abbildung zu sehen.
10m
DE
8m
6m
4m
ANT830 70° 33 ERP
ANT820 100° 27 ERP
ANT805/ANT810
2m
4m
2m
0
2m
4m
Abbildung: Lesereichweiten der RFID-UHF-Antennen
Um beste Lese- bzw. Schreibergebnisse zu erzielen, wird empfohlen, die
ifm UHF-RFID-Reader-Antennen ausschließlich mit den UHF-Readern von
ifm zu betreiben.
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RFID-UHF-Antennen
4 Technische Daten
Typ Nr.
ANT820
Frequenzbereich
MHz
865-870
Antennen-Gewinn
dBic
4
Polarisation
Rechtshändig zirkular (RHC)
VSWR
< 1,3 : 1
Impedanz
Ω
50
Vor-/Rückverhältnis
cm
> 10
Max. abgestrahlte Leistung
(ETSI EN 302 208)
W ERP
0,5
Fernfeld-Öffnungswinkel
°
100
Anschluss
TNC-Buchse
Schutzklasse
IP 67
Gewicht
g
Abmessungen (B x H x T)
mm
320
156 x 126 x 36
Material
Antennenhaube: Polymer-Blend
Montage
Vier Durchgangsbohrungen Ø 4,2 mm für M4-Schrauben
Temperaturbereich
Lagertemperatur: -40° C – +85° C
Umgebungstemperatur: -20° C – +55°C
Die Antenne ANT820 ist rechtshändig zirkular polarisiert und besitzt einen typischen Antennengewinn von 4 dBic. Im folgenden Bild ist der zirkulare Gewinn
über der Frequenz aufgetragen, grau hinterlegt ist der Arbeitsbereich der Antenne.
Außerhalb des Arbeitsbereiches fällt der Gewinn der Antenne ANT820 ab. Durch
diese Absenkung werden Störungen durch andere Systeme minimiert, ebenso wie
Störungen für andere Systeme. Bild „Richtcharakteristik im Azimuth (RHC)“ zeigt
die rechtszirkulare Richtcharakteristik der Antenne ANT820. Die Halbwertsbreite
beträgt ca. 100° und das Vor-/Rückverhältnis liegt bei >10 dB. Das Achsverhältnis
(AR, engl. axial ratio) der ANT820 liegt für den Großteil der oberen Halbkugel
(θ = ± 90°) deutlich unter 2 dB.
Die Anpassung über der Frequenz liegt unter -18 dB im Arbeitsbereich der Antenne. Die 10-dB-Bandbreite ist größer als 20 MHz.
Die Bilder beziehen sich auf eine reflexionsfreie Umgebung. Für reale, reflexionsbehaftete Umgebungen können sich Abweichungen von den hier dargestellten
Werten ergeben (siehe hierzu Punkt 7 Montage/Befestigung)
8
Gewinn [dB]
RFID-UHF-Antennen
DE
Frequenz [MHz]
Abbildung: Zirkularer Antennengewinn über der Frequenz
Abbildung: Richtcharakteristik im Azimuth (RHC)
9
S-Parameter [dB]
RFID-UHF-Antennen
Frequenz [MHz]
Abbildung: Anpassung S11
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RFID-UHF-Antennen
5 Reader-Ausgangsleistung
Die maximale Ausgangsleistung des Readers ist durch die ETSI-Norm
EN 302 208-1 V1.2.1 (vom April 2008) definiert. Sie wird durch den Antennengewinn, die Halbwertsbreite der Antenne und die Kabeldämpfung der Verbindung
Reader - Antenne bestimmt.
Für Antennen mit einer Halbwertsbreite bis zu 70° ist eine Leistung von
PERP,max = 2 W ERP (Effective Radiated Power) erlaubt. Für andere Halbwertsbreiten gilt eine reduzierte Leistung von PERP,max = 0,5 W ERP.
Die ERP wird nach EN 302 208-1 folgendermaßen in Ausgangsleistung PC am
Reader umgerechnet:
PC,max = PERP,max - GIC + 5,15 + CL
Für die Antenne ANT820 ergibt sich somit folgende maximale Ausgangsleistung:
PC,max = 27 dBm - 4 dBic + 5,15 + 0 dB = 28,15 dBm = 0,653 W
Hierbei bezeichnet:
PC,max:die maximale Ausgangsleistung des Readers in dBm,
PERP,max: die maximale effektiv abgestrahlte Leistung der Antenne in dBm,
GIC: den zirkularen Antennengewinn in dBic,
CL:den Kabelverlust in dB (hier zu 0 dB angenommen)
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DE
RFID-UHF-Antennen
6 Normenkonformität
Da es sich bei RFID-Systemen um Funkanlagen handelt, fallen diese u. a. unter
die Richtlinie 1999/5/EG der Europäischen Kommission (Funkanlagen und Telekommunikationsendeinrichtungen R&TTE).
Zum Nachweis der Konformität mit den grundlegenden Anforderungen dieser
Richtlinie existieren eine Reihe harmonisierter Normen, die im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht werden.
Die ifm Antenne ANT820 ist eine passive Antennenstruktur. Verantwortlich für die
Einhaltung der Normen ist von daher der Systemintegrator – also derjenige, der
die Einzelkomponenten eines RFID-Systems, insbesondere Reader und Antennen, miteinander verbindet. Es wird ausdrücklich empfohlen, sich diese Normen
zu beschaffen.
Zwei wichtige Normen im Zusammenspiel mit den Antennen sind (ohne Anspruch
auf Vollständigkeit) EN 302208 und EN 50364: Erstere behandelt Funkspektrumangelegenheiten und limitiert die maximal abgestrahlte Leistung, während sich die
EN 50364 mit der Begrenzung der Exposition von Personen gegenüber elektromagnetischen Feldern beschäftigt.
Gemäß EN 50364 ist Konformität gegeben, sofern in einem Abstand von 20 cm
um die Antennen festgelegte Grenzwerte der elektrischen und magnetischen Feldstärke nicht überschritten werden. Unter Einhaltung der in der Norm EN 302208
spezifizierten maximalen Antenneneingangsleistung werden die festgelegten
Grenzwerte der elektrischen und magnetischen Feldstärke von der Antenne
ANT820 im Abstand von 20 cm unterschritten. Die Normenkonformität ist somit
gewährleistet.
Da die Antenne ANT820 für spezielle Anwendungen auch im Lesebereich unter
20 cm eingesetzt werden kann, wurden zusätzlich numerische Berechnungen
der spezifischen Absorptionsrate (SAR) durchgeführt. Die ermittelten SAR-Werte
werden mit den Basisgrenzwerten der EN 50364 – unterschieden nach beruflicher
Exposition und Exposition der Allgemeinbevölkerung sowie nach lokaler Exposition
von Kopf und Rumpf bzw. der Extremitäten – verglichen.
Die dabei zu Grunde gelegten Annahmen (wie z. B. Betriebsart des RFID-Systems
und Eigenschaften des menschlichen Gewebes) gewährleisten eine konservative
Abschätzung der Exposition (Worst Case-Szenario).
Die Berechnung wurde unter anderem für die empfindlichste Konstellation durchgeführt, nämlich für den Fall, dass sich Mitglieder der allgemeinen Bevölkerung
mit Kopf oder Rumpf dauerhaft in unmittelbarer Nähe der Antenne aufhalten. Falls
der Abstand zwischen der Person und der Antenne weniger als 3 cm beträgt, ist
bei der Antenne ANT820 die Unterschreitung der maximal erlaubten SAR mit einer
Antenneneingangsleistung von bis zu 0,34 W (25,31 dBm) sicher gestellt. In allen
anderen Fällen kann die ANT820 mit der im Datenblatt spezifizierten maximalen
abgestrahlten Leistung von 0,5 W ERP (27 dBm) bzw. einer Antenneneingangsleistung von 0,653 W (28,15 dBm) betrieben werden.
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RFID-UHF-Antennen
Die Tabelle unten zeigt die maximalen Eingangsleistungen mit der die Antenne
gespeist werden darf, um sicherzustellen, dass die Basisgrenzwerte der SAR nicht
überschritten werden. Dabei wird zwischen den verschiedenen Arten der Exposition unterschieden.
Maximale Eingangsleistung ANT805
Abstand
Mensch - Antenne
< 3 cm
Abstand
Mensch - Antenne
≥ 3 cm
Allgemeine Bevölkerung
Grenzwerte Kopf und Rumpf 2 W/kg
Pein = 340 mW
(25,31 dBm)
Pein = 653 mW
(28,15 dBm)
Allgemeine Bevölkerung
Grenzwerte Lokale Gliedmaßen 4 W/kg
Berufliche Exposition
Grenzwerte Kopf und Rumpf 10 W/kg
Grenzwerte Lokale Gliedmaßen 20 W/kg
DE
Pein = 653 mW
(28,15 dBm)
Tabelle: Maximale Eingangsleistungen
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RFID-UHF-Antennen
7 Montage
Zum Erreichen der maximalen Reichweite der Antenne dürfen sich keine störenden Gegenstände zwischen Antenne und zu lesendem Tag befinden. Die Funktionsweise der Antenne wird durch die Art der Befestigung und die Umgebungsmaterialien beeinflusst. Für ein optimales Antennenverhalten sollten sich keine
leitenden Objekte in der Nähe der Antenne befinden. Als ausreichende Abstände
werden folgende Maße angegeben:
Der Abstand zu großen metallischen Flächen und zum Boden sollte mindestens
70 cm betragen (siehe Bild 1).
Falls sich die Montage vor einer metallischen Fläche nicht vermeiden lässt, kann
eine Montagehalterung verwendet werden, die einen Abstand von exakt 12 cm
zwischen Antennenrückwand und Metallfläche herstellt (siehe Bild 2).
Bei direkter Montage auf einer metallischen Fläche (z. B. einer Platte als Teil
einer Montagehalterung) ist auf eine quadratische Metallplatte zu achten,
welche die Maße 16 x 16 cm nicht überschreiten sollte (siehe Bild 3).
Darüber hinaus beeinflussen andere Gegenstände wie z. B. Behälter mit Flüssigkeiten in unmittelbarer Nähe die Funktionalität der Antenne.
Wenn diese empfohlenen Abstände auf Grund der örtlichen Gegebenheiten nicht
eingehalten werden können, verändern sich die Antenneneigenschaften so, dass
eine Neubewertung der Antenne in der speziellen Einbausituation nötig wird.
1
2
Mindestabstand zu allen Seiten: 70 cm
3
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RFID-UHF-Antennen
Die Kabelführung sollte senkrecht (siehe rechtes Bild) von der Antenne weg und
auf direktem Weg erfolgen. Die Kabellänge ist so kurz wie möglich zu wählen, um
Kabelverluste zu minimieren. Kabelschleifen um die Antenne herum oder eine
Verlegung des Kabels vor der Antenne (linkes Bild) sind zu vermeiden.
DE
X
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RFID-UHF-Antennen
8 Typische Applikationen
●● Logistikanwendungen bei Anbringung an Flurförderfahrzeugen
●● Fördertechnik-Anwendungen
●● Gate-Anwendungen zur Warenerfassung
●● Bulk- und Single-Tag-Anwendungen
●● Zugangssysteme (z. B. Skilift, Kontrollsysteme für Fahr-, Eintrittskarten)
Beachten Sie beim Einsatz der Antennen die jeweils geltenden Landesvorschriften und evtl. speziell für das Einsatzgebiet bzw. den Einsatzort
geltende Normen und Richtlinien.
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RFID-UHF-Antennen
9 Technischer Anhang
9.1 Antennen-Gewinn
Der Gewinn ist das Verhältnis der Strahlungsleistungsdichten in Hauptstrahlrichtung der betrachteten Antenne und einer Referenzantenne bei gleicher Speiseleistung.
DE
Referenzantennen sind Isotroper-Kugelstrahler oder λ/2 – Dipol
Häufige logarithmische Angaben:
- dBi: linearer Gewinn bezogen auf isotropen Kugelstrahler
- dBd: linearer Gewinn bezogen auf Dipol
- dBic: zirkularer Gewinn bezogen auf isotropen Kugelstrahler
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RFID-UHF-Antennen
Der isotrope Kugelstrahler ist ein verlustloser punktförmiger Strahler mit kugelförmiger Strahlungscharakteristik gleichmäßig in alle Raumrichtungen. Seine Leistungsdichte ist gleichmäßig über einer Sphäre mit Fläche von 4π²r verteilt.
Der Gewinn des λ/2 – Dipols ist 1,64 und die Leistungsdichte, die es
produziert, ist 1,64 mal größer.
Eine Beispielantenne mit Gewinn von 6 dBi erzielt 6 dB größer Leistungsdichte als
die von dem Kugelstrahler.
9.2 ERP: Effektive Strahlungsleistung
Produkt der in eine Sendeantenne eingespeisten Leistung multipliziert mit ihrem
auf den λ/2-Dipol bezogenen Gewinn.
9.3 EIRP: Effektive Isotrope Strahlungsleistung
Produkt der in eine Sendeantenne eingespeisten Leistung, multipliziert mit ihrem
auf den isotropen Kugelstrahler bezogenen Gewinn.
Bei UHF-RFID ist die maximale ERP gesetzlich festgelegt. Bei Einsatz von
Antennen mit hohem Gewinn muss folglich die Reader-Leistung entsprechend
reduziert werden. Die Lesereichweite steigt somit nicht mit dem Antennengewinn
an – lediglich die Breite des Lesebereichs wird verändert.
ERP [dBm] = Pin [dBm] + G [dBd]
EIRP = ERP * 1,64
EIRP [dBm] = Pin [dBm] + G [dBi]
EIRP [dBm] = ERP [dBm] + 2,15 dB
9.4 Beispiele – Antennen – Eingangsleistung
Europa: ERP-Leistung ist laut EN 302208 auf 2 W (33 dBm) begrenzt.
Eine Antenne hat Gewinn 8,5 dBic
Umrechnung von dBic in dBi:
8,5 dBic = 8,5 - 3 = 5,5 dBi
Umrechnung von dBi in dBd:
5,5 dBi = 5,5 - 2,15 = 3,35 dBd
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Antenne-Eingangsleistung: 33 dBm - 3,35 dBd = 29,65 dBm (0,922 W)
RFID-UHF-Antennen
USA: EIRP-Leistung ist laut FCC Part 15 auf 4 W (36 dBm) begrenzt.
1. Antennen-Gewinn kleiner oder gleich 6 dBi
Antennen-Eingangsleistung ist gleich 30 dBm (1 W)
2. Antennen-Gewinn größer 6 dBi (z. B. 7 dBi)
Antennen-Eingangsleistung muss reduziert werden: 36 dBm – 7 dBi =
29 dBm (0.794 W)
DE
10 Abkürzungen
In der Kurzanleitung verwendete Abkürzungen:
DIN
Deutsches Institut für Normung
EN
Europäische Norm
ERP
Effective Radiated Power
Effektive Strahlungsleistung
RFID
Radio Frequency Identification
SAR
Spezifische Absorptionsrate
UHF
Ultra High Frequency
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