- Chipless RFID speichert Information in passiven Strukturen statt auf einem Siliziumchip.
- Die Technologie ist besonders geeignet für Anwendungen mit sehr hohen Stückzahlen zur kostengünstigen Identifikation.
- Robuste Auslesung in komplexen Umgebungen und höhere Speicherkapazitäten sind aktuell zentrale Forschungsherausforderungen.
- Chipless RFID benötigt keine direkte Sichtverbindung, was Vorteile gegenüber Barcodes und klassischen RFID-Systemen bietet.
Ines Bakri, Doktorandin an der Hochschule RheinMain (HSRM) im Fachgebiet IoT und Digitale Kommunikationstechnik, erklärt, wie Chipless RFID Identifikation ohne Siliziumchip ermöglicht. Im Mittelpunkt stehen der Stand der Forschung, die technischen Potenziale und die Frage, warum passive Strukturen für Massenanwendungen in Logistik, Verpackung und Industrie eine skalierbare Alternative zu klassischen RFID-Tags sein könnten.
Besonders relevant ist die Technologie für Anwendungen mit sehr hohen Stückzahlen, etwa in der Logistik mit einer großen Anzahl an Paletten, Ladungsträgern oder anderen wiederverwendbaren Objekten. Diese werden heute häufig mit direkter Sichtverbindung erfasst. Chipless RFID könnte hier eine kontaktlose Identifikation ermöglichen und die wiederholte Erfassung entlang logistischer Prozesse vereinfachen.
Funktionsweise und technologischer Perspektivwechsel
Chipless RFID liegt technologisch nahe an der gedruckten Elektronik. Statt eines Siliziumchips nutzt das Tag passive Strukturen wie Resonatoren oder gedruckte Muster, die auf Folien, Papier oder Verpackungen aufgebracht werden können. Diese Strukturen speichern keine Daten im klassischen Sinn, sondern erzeugen eine elektromagnetische Signatur, die von einem Lesegerät erkannt und in eine ID übersetzt werden kann.
Bakri macht deutlich, dass die Information damit nicht mehr in einem Silizium-IC gespeichert wird, sondern im physikalischen Design des Tags liegt. Genau darin zeigt sich der technologische Perspektivwechsel: Die Intelligenz wandert vom Chip in die Struktur. Wird das Muster per Druckverfahren hergestellt, wird aus Chipless RFID eine besonders einfache Form funktionaler gedruckter Elektronik.
Potenziale, Herausforderungen und Forschungsbedarf
Aus Sicht von Ines Bakri ist Chipless RFID besonders für Anwendungen interessant, bei denen sehr viele Objekte kostengünstig identifiziert werden müssen. Der Verzicht auf Silizium kann Materialkosten senken, Ressourcen schonen und die Abhängigkeit von globalen Chip-Lieferketten reduzieren.
Gleichzeitig sind noch wichtige Forschungsfragen offen. Dazu gehören höhere Speicherkapazitäten, robustere Detektionsverfahren, eine zuverlässige Auslesung in komplexen Umgebungen sowie standardisierte Schnittstellen zu bestehenden RFID- und IoT-Systemen.
Objektidentifikation jenseits der Halbleiterkette
Für den Chipless-RFID-Kontext ist entscheidend, dass nicht die Gewinnung von Silizium den größten Kosten- und Ressourcenfaktor darstellt, sondern dessen Reinigung, Aufbereitung und Verarbeitung zu elektronischen Bauelementen.
Der Verzicht auf Siliziumchips kann daher insbesondere bei sehr großen Stückzahlen wirtschaftlich relevant sein. Eingespart werden nicht einfach Rohstoffe wie „Sand“, sondern aufwendige Halbleiterfertigung, zusätzliche Materialien, Energie, Montageaufwand und Teile der damit verbundenen Lieferkette.
Die Technologie kann jedoch auch bei geringeren Stückzahlen Vorteile bieten. Passive, chiplose Strukturen eignen sich potenziell für Einsatzbereiche, in denen klassische elektronische Komponenten durch hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, Witterungseinflüsse oder andere anspruchsvolle Umgebungsbedingungen an Grenzen stoßen. Gleichzeitig können sie die kontaktlose Identifikation von Objekten ermöglichen, die bislang häufig nur mit direkter Sicht erfasst werden.
Chipless RFID könnte damit die Abhängigkeiten in der Objektidentifikation teilweise verschieben. Während klassische RFID-Tags auf Siliziumchips und die global verzweigte Halbleiterindustrie angewiesen sind, basieren chiplose Systeme auf passiven, strukturierten Tags. Der Chip als kritische Komponente entfällt.
Dies kann besonders bei Massenanwendungen sowie bei wiederverwendbaren Objekten wie Paletten, Ladungsträgern oder industriellen Komponenten relevant sein. Vollständig unabhängig von Lieferketten wird die Technologie dadurch jedoch nicht. An die Stelle der Chipfertigung treten Anforderungen an geeignete Materialien, präzise Druck- und Fertigungsprozesse, leistungsfähige Reader-Hardware sowie standardisierte Schnittstellen.
Reichweite von Chipless RFID
Die Reichweite von Chipless RFID ist nicht fest definiert, sondern hängt stark vom Tag-Design, vom Frequenzbereich, vom Reader beziehungsweise Radarsystem und von der Umgebung ab. In einfachen experimentellen Aufbauten liegen die Distanzen häufig im Bereich von wenigen Zentimetern bis etwa einem Meter. Für Long-Range-Anwendungen wird jedoch daran geforscht, chiplose Tags auch über mehrere Meter zuverlässig zu detektieren.
Technologisch entscheidend ist dabei die Rückstreuung des Tags. Das Lesesystem sendet ein elektromagnetisches Signal aus, das vom chiplosen Tag reflektiert wird. Diese Rückstreuung enthält die charakteristische elektromagnetische Signatur des Tags. Je stärker und eindeutiger diese Signatur ist, desto größer kann der Abstand zwischen Reader und Tag sein.
Die mögliche Reichweite wird durch mehrere Faktoren begrenzt: die Größe und Geometrie der Resonatorstrukturen, den Radar Cross Section des Tags, die Sendeleistung und Empfindlichkeit des Readers, den Antennengewinn, den verwendeten Frequenzbereich sowie Störeinflüsse durch Metall, Flüssigkeiten oder Mehrwegeausbreitung in realen Umgebungen. Besonders in Industrie- und Logistikumgebungen können Reflexionen das Signal überlagern und die Detektion erschweren.
Für größere Distanzen kommen daher Verfahren wie MIMO-Systeme, optimierte Antennen, robuste Detektionsalgorithmen und intelligente Signalverarbeitung zum Einsatz. Ziel ist es, schwache Rückstreusignale zuverlässiger zu erkennen, die Signatur des Tags von Umgebungsreflexionen zu trennen und damit auch Long-Range-Anwendungen zu ermöglichen.
Kurz gesagt: Chipless RFID kann im Nahbereich relativ einfach funktionieren. Für größere Reichweiten im Meterbereich braucht es jedoch ein optimiertes Gesamtsystem aus Tag-Design, Reader-Hardware, Antennen und Signalverarbeitung.
Chipless RFID klingt zunächst nach einer sehr technischen Speziallösung. Wie lässt sich einfach erklären, wie diese Technologie funktioniert?
M.Eng. Ines Bakri: Im Kern funktioniert Chipless RFID ohne klassischen Mikrochip. Das Tag besteht stattdessen aus passiven Strukturen, zum Beispiel aus Resonatoren oder speziellen Mustern, die auf eine Folie oder ein anderes Trägermaterial gedruckt werden können. Diese Strukturen reagieren auf elektromagnetische Signale auf eine ganz charakteristische Weise.
Wo wird die Information gespeichert, wenn kein Chip vorhanden ist?
M.Eng. Ines Bakri: Die Information steckt in der physikalischen Struktur des Tags. Jedes Muster erzeugt eine einzigartige elektromagnetische Signatur. Das kann zum Beispiel ein bestimmtes Frequenz- oder Phasenmuster sein. Diese Signatur lässt sich auslesen und anschließend in einen binären Code übersetzen. So repräsentiert jede Tag-Konfiguration eine eindeutige ID.
Können chiplose RFID-Tags genauso viele Informationen speichern wie klassische RFID-Tags mit Speicherchip?
M.Eng. Ines Bakri: Nein, nicht in derselben Form. Klassische RFID-Tags können, wenn sie über Speicher verfügen, deutlich mehr Informationen enthalten als nur eine ID. Chipless RFID besitzt keinen solchen Speicher. Die Information ist in der Struktur des Tags codiert. Dadurch lassen sich eindeutige IDs und begrenzte Zusatzinformationen abbilden.
Sensorische Anwendungen sind möglich, funktionieren aber anders: Der Tag speichert keine Messwerte aktiv, sondern seine elektromagnetische Signatur verändert sich durch Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder andere Einflüsse.
Wie erkennt ein Lesegerät diese ID?
M.Eng. Ines Bakri: Die Detektion funktioniert ähnlich wie bei Radar. Ein Lesegerät sendet ein elektromagnetisches Signal aus. Trifft dieses Signal auf den chiplosen RFID-Tag, wird es vom Tag reflektiert beziehungsweise zurückgestreut. Das zurückgestreute Signal wird anschließend analysiert. Daraus lässt sich erkennen, ob ein Tag vorhanden ist und welche ID er enthält.
Was ist der wichtigste Unterschied zu klassischer RFID-Technologie?
M.Eng. Ines Bakri: Der zentrale Unterschied besteht darin, dass bei Chipless RFID kein Siliziumchip benötigt wird. Klassische RFID-Tags enthalten in der Regel einen integrierten Schaltkreis, der Informationen speichert und verarbeitet. Bei Chipless RFID übernimmt die Struktur des Tags selbst diese Funktion.
Warum ist der Verzicht auf den Chip ein Vorteil?
M.Eng. Ines Bakri: Weil dadurch Material- und Herstellungskosten sinken können. Außerdem sind keine komplexen Verbindungen zwischen Chip und Antenne notwendig. Das macht die Tags einfacher im Aufbau.
Welche Rolle spielt die Robustheit?
M.Eng. Ines Bakri: Chipless-RFID-Tags können sehr robust sein, weil sie passiv arbeiten und keine eigene Energieversorgung benötigen. Sie können witterungsbeständig ausgelegt und in flexible Materialien, Etiketten oder Verpackungen integriert werden. Gerade für industrielle Anwendungen, Logistikprozesse oder Massenkennzeichnungen kann das ein großer Vorteil sein.
Wie unterscheidet sich Chipless RFID von Barcodes oder anderen kamerabasierten Identifikationssystemen?
M.Eng. Ines Bakri: Der wichtigste Unterschied ist: Chipless RFID benötigt keine direkte Sichtverbindung. Während Barcodes oder QR-Codes optisch erfasst werden müssen, kann ein Chipless-RFID-Tag auch dann ausgelesen werden, wenn er verdeckt ist, etwa unter Verpackungen oder bestimmten Materialien.
Was bedeutet das für den praktischen Einsatz?
M.Eng. Ines Bakri: Die Technologie kann auch bei schlechtem Licht, Verschmutzung oder beschädigten Oberflächen Vorteile bieten. Kamerabasierte Systeme sind stark davon abhängig, dass der Code sichtbar und optisch gut erfassbar ist. Bei Chipless RFID erfolgt die Identifikation dagegen über elektromagnetische Signale.
Ist die Technik auch kostenseitig interessant?
M.Eng. Ines Bakri: Ja. Die Lesesysteme basieren auf RF-Hardware und kommen ohne komplexe Optik oder aufwendige Bildverarbeitung aus. Je nach Anwendung kann das die Systemarchitektur vereinfachen und Kosten reduzieren.
Was muss passieren, damit Chipless RFID großflächig eingesetzt werden kann?
M.Eng. Ines Bakri: Entscheidend sind konkrete Anwendungsfälle und Pilotprojekte. Die Technologie muss in Industrie, Logistik und Produktion unter realen Bedingungen zeigen, wo sie zuverlässig funktioniert und welchen Mehrwert sie bietet. Daraus können Best-Practice-Szenarien entstehen.
Welche technischen Herausforderungen gibt es noch?
M.Eng. Ines Bakri: Ein wichtiges Ziel ist die Erhöhung der Speicherkapazität und Datendichte. Es geht also darum, mehr IDs beziehungsweise mehr Bits pro Tag abbilden zu können und die Daten zuverlässiger auszulesen. Auch höhere Datenraten können je nach Anwendung relevant werden.
Welche Rolle spielen Störungen aus der Umgebung?
M.Eng. Ines Bakri: Eine sehr große. Elektromagnetische Signale können durch Umgebungsobjekte, Reflexionen oder sogenannte Multipath-Effekte beeinflusst werden. Deshalb muss die Robustheit der Systeme weiter verbessert werden, damit Tags auch in komplexen industriellen Umgebungen zuverlässig erkannt werden.
Braucht es dafür auch Standards?
M.Eng. Ines Bakri: Ja. Für eine breite Nutzung sind standardisierte Protokolle und Schnittstellen wichtig. Chipless RFID muss sich sinnvoll in bestehende RFID- und IoT-Systeme integrieren lassen. Erst wenn Unternehmen die Technologie einfach in vorhandene Prozesse einbinden können, wird sie für den großflächigen Einsatz wirklich attraktiv.
Vita Ines Bakri
Seit 2024 promoviert Ines Bakri am Campus Rüsselsheim der Hochschule RheinMain im Fachgebiet IoT und Digitale Kommunikationstechnik. Betreut wird ihre Promotion von Prof. Mohamed El Hadidy, IEEE Senior Member und international ausgewiesenem Experten für Chipless RFID mit zahlreichen Veröffentlichungen auf diesem Forschungsgebiet.
Ines Bakri forscht innerhalb eines Teams aus insgesamt fünf Doktorandinnen und Doktoranden, das unterschiedliche Teilbereiche chiploser RFID-Systeme untersucht. Dazu gehören unter anderem Lokalisierung, KI-gestützte Detektion, Tag-Design, Beamforming Networks, IoT-Anbindungen sowie weitere Aspekte der Systementwicklung und Signalverarbeitung.
In ihrer Masterarbeit entwickelte sie ein Chipless-RFID-Identifikationssystem für realistische Kommunikationskanäle und befasste sich dabei mit Kanalmodellierung, Frequency Sweeping, Reader-Implementierung und Blind Detection.
Ihre aktuellen Forschungsschwerpunkte liegen auf chiplosen RFID-Systemen, Detektionsalgorithmen, Kanalmodellierung und Systememulation, MIMO-Kommunikationssystemen sowie Indoor-Positionierung, Lokalisierung und Navigation. Bislang war sie an sechs IEEE-Veröffentlichungen beteiligt. Eine weitere Publikation wurde eingereicht, zudem arbeitet sie an ihrem ersten Journal-Beitrag.
Darüber hinaus ist Ines Bakri Mitgründerin und Chair des IEEE Student Branch an der Hochschule RheinMain.
