Hallo,
laut den Gesetzen für RFIDs auf 13,56MHz ist ja die zulässige Leistung
durch die magnetische Feldstärke (bei 13,56MHz auf 60 dbµA/m) begrenzt,
laut
http://www.mikrocontroller.net/articles/Allgemeinzuteilung#Induktive_Funkanwendungen
Meine Frage ist nun, wie komme ich bei einer gegebenen Antenne (magnetic
loop mit einigen -zig cm Durchmesser) auf die zulässige
HF-Eingangsleistung an der Antenne? Natürlich wird das vom Wirkungsgrad
der Antenne abhängen, aber gibt es vielleicht grobe Faustformeln, so
dass man sagen kann, mit xx mW wird man auf keinen Fall über den
Grenzwert kommen? Allgemein würde mich der Rechenweg interessieren, und
ob es eine einfache, hobbytaugliche Möglichkeit gibt, die Feldstärke zu
messen.
Gruß,
Effe
Diese Messung ist ein etwas dickeres Brett. Wenn man gemäß Vfg. das
E-Feld in 10 m Entfernung misst und über den Feldwellenwiderstand
umrechnet, gibt es Fehler, weil bei λ von 22 m eigentlich da noch
Nahfeld herrscht. Außerdem geht die Geometrie der Sendeantenne selbst
ein (Wirkungsgrad resp. Verluste); eine einfache Hobby-Lösung gibt es
IMHO eher nicht.
Funkamateure sind bei größeren Leistungen (> 10 W EIRP) verpflichtet,
Nachweis über die Feldstärken ihrer Station zu führen und in den
Ortsverbänden des DARC findet man daher oft Messkoffer, die mit
Schleifenantennen (entsprechend kalibriert) solche Messungen durchführen
können. Das Amateurfunkband 20 m = 14 MHz liegt nicht weit von deiner
Arbeitsfrequenz, das sollte passen.
Danke für die Antwort, ich habe mir schon gedacht, dass es nicht ganz
trivial wird ;)
Habe noch dieses gefunden:
http://www.iks.tugraz.at/lehre/unterlagen/rfid-systems/3-nahfeld-grundlagen
Damit kann man zumindest von einem gegebenen Grenzwert auf den Strom in
einer (idealen) Magloop-Antenne zurückrechnen, jetzt muss ich nur noch
von dem Strom auf die Eingangsleistung kommen.
Gruß,
Effe
Sehr vollständig und nützlich, was die TU Graz da ausweist. Wollte aber
noch auf das Problem der sog. magnetischen Antennen hinweisen, dass man
da an Teilstücken im Resonanzfall extrem hohe Spannungen hat, so dass an
der Stelle wieder der auf magnetische Durchflutung umgerechnete Wert
lokal zu hoch wäre. Man wird also die Antenne unter Umständen in einen
'Abstandshalter' einpacken müssen. Naheliegend wäre alternativ die
elektrische Schirmung der Schleife (es werden elektrisch geschirmte
Empfangsantennen vertrieben, die so nur die magnetische Komponente
auswerten und die elektrische Komponenten eines störenden Nahfeldes
unterdrücken sollen. Teilweise wird von guten Erfolgen berichtet).
Nebenbei: Verstehe ich die Verfügung so richtig, dass man zwar in 10 m
Entfernung misst, aber am Ort des Strahlers die Feldstärke limitiert,
man also zurückrechnen muss? Dann würde mich die Umrechnungsformel
interessieren, denn so ein Antennenfeld ist ja immer
inhomogen/unsymmetrisch und umweltbeeinflusst.
Günter Richter schrieb:> Verstehe ich die Verfügung so richtig, dass man zwar in 10 m> Entfernung misst, aber am Ort des Strahlers die Feldstärke limitiert,> man also zurückrechnen muss?
Ja, das scheint so zu sein. Ich habe mal für eine grobe Rechnung eine
koaxiale Anordnung von Sende- und Empfangsantenne angenommen (S.15) und
die betragsmäßige Darstellung des H-Feldes in diesem Fall (S.16) mit der
Formel für das magnetische Moment einer Leiterschleife (S.8) verwurstet,
um bei gegeneber Feldstärke in 10m (bei angenommener koaxialer Anordnung
zur Messantenne!) den Strom in der Sendeantenne zu bestimmen. Dazu
dieses Scilab-Skript (Freier matlab-Clone):
1
H = 0.001 // limit: 60dB(uA/m) = 1mA/m
2
3
lamb = 300/13.56 // wavelength (13,56MHz)
4
r = 10 // distance
5
rant = 0.5 // antenna radius
6
n = 1 // number of loop turns
7
8
9
// coaxial layout
10
11
m = H * (2 * %pi *(lamb^2) * (r^3))/(lamb^4 + lamb^2 * r^2)
12
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// antenna current
14
iant = m / (rant^2 * %pi * n)
Hinweis: Das ist kurz vor dem Schlafengehen zusammengefrickelt,
möglicherweise teilweise oder ganz falsch ;)
Günter Richter schrieb:> Wenn man gemäß Vfg. das> E-Feld in 10 m Entfernung misst und über den Feldwellenwiderstand> umrechnet, gibt es Fehler, weil bei λ von 22 m eigentlich da noch> Nahfeld herrscht.
Das ist ja auch der wesentliche Grund, warum die Allgemeinzuteilung
den Betrieb bei dieser Frequenz (und den noch niedrigeren) als
"magnetische Anwendung" bezeichnet und ausschließlich Grenzwerte für
die magnetische Feldstärke vorgibt. Eine wirkliche Abstrahlung des
Felds steht im Allgemeinen bei derartigen Anwendungen nicht im
Vordergrund.
...bin auch noch nicht zum Rechnen gekommen. Grundsätzlich die Anordnung
als einen Transformator mit ganz niedrigem k bzw ωM zu betrachten ist
einerseits gut, weil die Nahfeldeffekte herausfallen (kapazitive
Kopplung klein), andererseits schlecht, wenn durch Umweltabsorption in
der Messschleife weniger induziert wird, weil unterwegs auf der
Messstrecke Verluste sind und man sozusagen am Sender mehr erregen
müsste. Daher läuft es darauf hinaus, im freien Feld zu rechnen und zu
messen; danach einen als sicher betrachteten Strom einzuspeisen und mit
dem Ergebnis zufrieden zu sein, auch wenn die Reichweite dann später
wegen Umwelt (Bodenleitfähigkeit, Reflexionen etc.) schlechter wird.
(Etwas verquast, hoffe, dass da der Sinn 'rüberkommt).
Während der eigentlichen Messung kann man ja dann ruhig mehr einspeisen,
damit am Empfänger genug messbar ist (eventuell sehr selektiv messen).
OK, damit hätte man dann in 10 m Entfernung von der Sendeantenne die 1
mA/m.
Ich habe Deine Aufgabe aber anders aufgefasst: Du willst in einer
Leiterschleife von 1 m Durchmesser im Zentrum 1 mA/m erzeugen und fragst
nach der Leistung, die in die Schleife einzuspeisen ist. Eigentlich
bietet sich doch dafür eher der Ansatz nach Biot-Savart an: Die Schleife
ist halbwegs klein gegenüber der Wellenlänge und der Strombelag auf der
Schleife halbwegs konstant, wenn man bei der 'Magnetantenne' den Umfang
von ca 3 m bei λ = 22 m noch als klein gegen die Viertelwellenlänge
duldet (bei der dann der Leiter kein End-C brauchen würde).
Eventuell ist es sogar sinnvoll, diese Schleife noch kleiner im
Durchmesser zu machen (wie groß ist denn der Empfänger?), damit der
Strombelag noch weniger zum kapazitiv belasteten Ende abnimmt.
Oder wolltest Du jetzt mit der Anordung nur dein Messgerät kalibrieren?
Dann ist das i.O.
BTW bereits die angenäherte Biot-Savart-Lösung liefert 837 µA/m,
garnicht so sehr daneben. Jetzt muss man nur noch die Aufgabe lösen, den
Strom in der Sendeloop zu messen. Wenn der Sender 50 Ω hat und man wie
üblich mit einer Koppelschleife einspeist, ließe sich das über die Güte
des so angeregten Schwingkreises errechnen; die ist auch nicht so leicht
zu bestimmen wegen der Strahlungsverluste.
Ansonsten zu Deiner Anordnung: Wäre es nicht eine Möglichkeit, eine
kleine Loop (meinetwegen nur 10 cm Durchmesser aus geschirmtem Koax in
Reihe mit einem 50-Ω-Abschluss zu betreiben? Dann wäre der Strombelag
fast konstant, das E-Feld abgeschirmt und man könnte sich den Abstand
errechnen, wo die 1 mA/m herrschen.
Ja das mit der Güte ist nun die entscheidende Frage :
Normalerweise wird so eine RFID Antenne z.B. durch einen
Parallelwiderstand bewußt bedämpft, um über eine Güte von 10 - 20 die
notwendige Bandbreite zur Übertragung der Modulationsseitenbänder zu
bekommen.
Kennst Du den Parallelwiderstand und die Schwingkreisdaten (z.B. aus
Simulation oder Messung) kannst Du daraus bei bekannter eingespeister
Leistung das Gewünschte errechnen. Die Verluste der Spule und der
Parallelkondensatoren sind hingegen deutlich geringer.
Alternativ mittels niederkapazitivem FET Tastkopf (ggfs differentiell)
die Spannung über dem Schwingkreis messen und daraus den Strom
ermitteln.
Aber Vorsicht : zusätzlich zum Feldstärkegrenzwert gemäß VfG.. sind auch
noch Personenschutzgrenzwerte einzuhalten. Diese sind an die INCPR
Empfehlungen angelehnt und werden soweit ich mich erinnere von den BGs
rausgegeben. Da gibt es dann verschieden Expositionsklassen (Feldstärke
/ Dauer) einzuhalten. Die Werte lagen unter 10A/m und werden im Nahfeld
unter 10cm schon bei Leistungen unter 1W überschritten.
Desweiteren gibt es eine EN - Norm die unter anderem den Personenschutz
regelt und SAR Berechnungsmethoden behandelt. Die wird dann für Deine CE
Erklärung interessant ;)
Die Abweichungen aus o.g. Berechnungen zu den Messwerten einer
magnetischen Meßantenn in 10m Entferung und einem EMV H-Feld
Handsondensatz in absoluten Nahbereich lagen bei etwa 10dB.
viel Spaß....
Günter Richter schrieb:> OK, damit hätte man dann in 10 m Entfernung von der Sendeantenne die 1> mA/m.>> Ich habe Deine Aufgabe aber anders aufgefasst
Nein, meine Frage ging zunächst schon dahin, wie weit man beim
Antennenbau bzw. der Endstufe für RFID-Zwecke legal gehen darf.
Schaut man sich im Netz dazu um, gibt es nicht viel: Wenn nicht einfach
die eingebauten Endstufen der RFID-Readerchips verwendet werden (die
vermutlich auch mit "guten" Antennen die Grenzwerte nicht erreichen,
zumal ja auch wegen der Bandbreite, wie HF-Freund schon schrieb, die
Güte ggf.künstlich verschlechtert werden muss), dann wird halt mal
rausgehauen, was geht. Genauer messen oder rechnen macht keiner.
Die Idee mit der kleinen, geschirmten Loop ist gut, wenn man damit eine
selbstgebastelte "Referenz"sonde "kalibrieren" könnte.
HF Freund schrieb:> Die Abweichungen aus o.g. Berechnungen zu den Messwerten einer> magnetischen Meßantenn in 10m Entferung und einem EMV H-Feld> Handsondensatz in absoluten Nahbereich lagen bei etwa 10dB.
Das ist gut zu wissen, als Hausnummer kommt das also hin.
Vielen Dank Euch!
mal als Beispiel eine meiner Schnüffelsonden zur EMV-Suche auf Boards.
Ca. 2 cm Durchmesser aus Semirigid mit 47-Ω-HF-Melf als Abschluss. (Wer
hier Ähnlichkeit mit den Konstruktionen aus dem KONTRON-Messkoffer
vermutet, liegt genau richtig ;-)
