Forum: HF, Funk und Felder Antennenimpedanz messen und anpassen


von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Für einen MIFARE-Kartenleser auf 13,56 MHz würde ich gerne eine externe 
Antenne an mein RC522-Board anbauen. Als Gleichspannungselektriker habe 
ich bis jetzt nur verstanden, dass
- ein paar Wicklungen Kupferlackdraht dafür nicht verkehrt ist
- eine größere Antenne die Reichweite erhöht, aber mehr Leistung 
erfordert (für einen Verstärker gibt´s eine Appnote von NXP)
- die Antenne sinnvoll angepasst sein sollte
- man einen brauchbaren Wert für die Güte braucht.

Für die Antennenanpassung sollte ich deren Impedanz kennen. Wie kriege 
ich die mit meinen Bordmitteln gemessen? Vorhanden sind:
- Digitaloszi
- Spectrum Analyzer (leider ohne Tracking Generator)
- Funktionsgenerator bis 50 MHz
- Frequenzzähler PM6652
- 08/15 Multimeter
- Widerstände und Kerkos in E24 von 1 Ohm und 1pF bis 1MOhm und 1uF.

Blöde Fragen zur Anpassung stelle ich, wenn ich die Antenne vermessen 
habe ;)

Max

von Possetitjel (Gast)


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Max G. schrieb:

> 13,56 MHz

Hmm. Wellenlänge 22m.

> - eine größere Antenne die Reichweite erhöht, aber
>   mehr Leistung erfordert (für einen Verstärker gibt´s
>   eine Appnote von NXP)

Auf wieviel Kilometer möchtest Du die Karte denn auslesen?

> - die Antenne sinnvoll angepasst sein sollte

Bei dieser Frequenz und Abständen im dm-Bereich bist Du
immer im Nahfeld, d.h. die "Antenne" wird zur Spule.

Parallelschalten eines passenden Kondensators gibt
schonmal eine näherungsweise reelle Impedanz. Die
Anpassung kannst Du ggf. über "angezapften" Kondensator
beeinflussen.

> - man einen brauchbaren Wert für die Güte braucht.

Ist zu empfehlen.
Zu geringe Güte gibt zu schlechten Wirkungsgrad, und
zu hohe Güte macht die Abstimmung zu diffizil.

> Für die Antennenanpassung sollte ich deren Impedanz
> kennen. Wie kriege ich die mit meinen Bordmitteln
> gemessen?

Brauchbares C parallelschalten, Resonanz ausmessen, C
ggf. korrigieren -- so würde ich es zumindest probieren.

Und vorm Zuschalten des Nachbrenners vielleicht mal
die Ströme und Spannungen nachrechnen, sonst wird
das eine neue Folge von "Der kleine Sprengmeister..."

von ./. (Gast)


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Ohne Stehwellenmesser oder VNA ist das puzzlig.

Mit ist das recht einfach:

> Brauchbares C parallelschalten
Dafuer einen Drehko nehmen und den nachher ausmessen
und einen passenden Glimmerkondensator einsetzen.

Mit einem Anpassungsnetzwerk (Gamma-Match o.ae.) dann
die Impedanz auf 50 Ohm trimmen.

Nach dem Einbau oder Anbau der Antenne muss wahrscheinlich
nochmal der Kondensator (da sollte ein Trimmer parallel sein)
nachjustiert werden.

Ein blanker Holztisch macht aus einem 1:1.0 z.B. ein 1:1.3.

Bedaempfen kann Mann dann spaeter nach Bedarf, z.B. mit
10k parallel zum Kondensator.


Protipp: Mit duennem CuL wird das eh nichts.
RG58, davon der Aussenleiter, kommt eher hin.

Viel Spass

von Possetitjel (Gast)


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./. schrieb:

> Ohne Stehwellenmesser oder VNA ist das puzzlig.
>
> Mit ist das recht einfach:
>
>> Brauchbares C parallelschalten

Naja. Also mit HF-Generator und Oszi bekomme
ich es gerade so noch hin, die Resonanz eines
Schwingkreises auszumessen...

Ich hatte vorausgesetzt, dass der TO das auch
schafft.

von ./. (Gast)


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Es gibt z.B. von TI recht gute, und auch gut bebilderte Appnotes
wie Mann sowas zu konstruieren hat.

Bei 100-200 mW hat Mann auch nicht viel was Mann verschwenden
koennte. Ein SVW von besser als 1:1.5 sollte Mann da schon
anstreben.

Und da ist die Resonanzfrequenz des Antennengebildes eher
die kleinste Unbekannte.

Sich ein SWV-Messgeraet zu bauen ist ja auch kein Hexenwerk,
da es mit ohmschen Widerstaenden kalibriert werden kann.
Als speisende Quelle steht ja der RFID-Reader mit einigen
100-... mW zur Verfuegung.

Mann darf sich dann halt nicht dumm anstellen.

Oder Mann muss sich halt eins kaufen.

von Huh (Gast)


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./. schrieb:
> wie Mann sowas zu konstruieren hat.
>
> Bei 100-200 mW hat Mann auch nicht viel was Mann verschwenden
> koennte. Ein SVW von besser als 1:1.5 sollte Mann da schon
> anstreben.
>
> Mann darf sich dann halt nicht dumm anstellen.
>
> Oder Mann muss sich halt eins kaufen.

Und wie ist das bei Frauen? ;-(

von ./. (Gast)


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Fuer Weipsfolk gibts den Induktionsherd.

von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Da habe ich ja was losgetreten. Ich bin halt doofer 
Gleichspannungselektriker, mir ist das alles ein bisschen wie schwarze 
Magie. Aber ein bisschen Faust steckt ja in uns allen ;)

Ich will keine Kilometer Abstand erreichen. Mein RC522-Billigboard 
erreicht mit MIFARE-1k-Karten ca. 4 cm Leseabstand. Die Desfire EV1 
dagegen erkennt er nicht mal, was an zu schwachem Feld liegen dürfte [1]
Da das Ziel ist, am Ende durch eine Holzwand von ca. 3cm Stärke 
durchzukommen und auch noch die Desfire EV1 lesen zu können, muss ich 
was tun.

Der Ansatz mit dem RG58 klingt interessant, davon ist noch jede Menge 
da. Eine Wicklung? Mehrere Wicklungen? Wie viele? Kann ich den 
Mittelleiter drinlassen?

Ein SWR-Messgerät gibt´s in der Bucht um 12 Euro, der scheint aber nur 
für CB-Funk zu passen (26-30 MHz). Oder tut´s das auch, wenn ich den 
Frequenzgenerator als Quelle nehme und ihn auf 27 MHz Sinus stelle? Bis 
der Funkmesswagen kommt, bin ich hoffentlich fertig.

Max


[1] Beitrag "Re: Mifare DESFire EV1 - Lesegerät gesucht."

von ./. (Gast)


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> Eine Wicklung?
[x]

> Kann ich den Mittelleiter drinlassen?
[x]

> Ein SWR-Messgerät gibt´s in der Bucht um 12 Euro
Das braucht eher 1 W um zu funktionieren.

-> Selber bauen.

> Oder tut´s das auch, wenn ich den
> Frequenzgenerator als Quelle nehme und ihn auf 27 MHz Sinus stelle?

Das hilft ja fuer 13.56 MHz nun nicht wirklich.

von Possetitjel (Gast)


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Max G. schrieb:

> Ich bin halt doofer Gleichspannungselektriker, mir
> ist das alles ein bisschen wie schwarze Magie.

Naja, ich finde es immer nicht ganz einfach, den Wissens-
stand des Gesprächspartners richtig einzuschätzen...

> Ich will keine Kilometer Abstand erreichen. Mein
> RC522-Billigboard erreicht mit MIFARE-1k-Karten ca. 4 cm
> Leseabstand. Die Desfire EV1 dagegen erkennt er nicht mal,
> was an zu schwachem Feld liegen dürfte [1] Da das Ziel
> ist, am Ende durch eine Holzwand von ca. 3cm Stärke
> durchzukommen und auch noch die Desfire EV1 lesen zu
> können, muss ich was tun.

Okay.
Die "Antenne" wird ja eine Art Flachspule werden; ein
Durchmesser vom Dreifachen der Zielreichweite kommt mir
aus dem Bauch heraus passend vor.

> Der Ansatz mit dem RG58 klingt interessant, davon ist
> noch jede Menge da.

Ich sehe zwar nicht, inwiefern RG58 besser sein soll als
dicker Kupferlackdraht, aber funktionieren wird's wohl
auch...

> Eine Wicklung? Mehrere Wicklungen?

Eine Wicklung, aber mehrere Windungen. :)

> Kann ich den Mittelleiter drinlassen?

Denke schon, ja. Sollte wurscht sein. Kannst ihn auch mit
dem Schirm parallel zusammenschalten.

> Wie viele?

Rechnen!
Erreichbare Größe für Schwingkreiskondensator ansetzen
(Wickel-C), Thomsonsche Schwingungsgleichung,
Induktivitätsformel für Flachspule.

> Oder tut´s das auch, wenn ich den Frequenzgenerator
> als Quelle nehme und ihn auf 27 MHz Sinus stelle?

???
Oben war noch von 13.56MHz die Rede...?!

Antenne und C zu Parallelschwingkreis zusammenschalten,
mit KURZEN Stippen an Generator anschließen, Spannung am
Schwingkreis mit 1:10-Tastkopf zum Oszi führen.
Maximale Spannung tritt bei Resonanz auf.

> Bis der Funkmesswagen kommt, bin ich hoffentlich fertig.

Wenn der benutzte Bereich für diese Anwendung freigegeben
ist, kommt der nicht. Von Flug- und Polizeifunk solltest
Du aber vielleicht doch Abstand halten... :)

von ./. (Gast)


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> Eine Wicklung, aber mehrere Windungen.

Kwatsch. Er will ja keine Spule wickeln, sondern eine
Antenne bauen. Mehr als eine Windung bringt keinen Vorteil.

Im Freifeld ist der Erfassungsabstand fuer ein ISO15693 Tag
etwa so gross wie die Diagonale/Durchmesser der Antenne.

Ausserdem muss die Antenne dann noch angepasst werden.
Im allgemeinen reichen passende Anzapfunden an der Antenne.
Siehe die empfohlenen Appnotes von TI.
Da gibt/gab es mehrere zum Aufbau von (13.56 MHz-)RFID-Antennen.

Die solltest Du vllt auch mal lesen.

von Possetitjel (Gast)


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./. schrieb:

>> Eine Wicklung, aber mehrere Windungen.
>
> Kwatsch.

Selber Quatsch. Und besser zitieren.

Eine Runde mit dem Draht machen heißt eine WINDUNG ,
eine Gesamtheit von mehr oder weniger vielen Windungen
heißt eine WICKLUNG .

Deshalb: Eine WICKLUNG , aber mehrere WINDUNGEN .

> Er will ja keine Spule wickeln, sondern eine
> Antenne bauen.

Eine Antenne baut man für das Fernfeld. Du magst mir
gern erklären, wie RFID (=Nahfeld), 13.56MHz (22m
Wellenlänge) und Antenne (=Fernfeld) zusammenpassen.

> Mehr als eine Windung bringt keinen Vorteil.

Max sprach von Anpassung, und Anpassung bedeutet
Resonanz.
Resonanz bedeutet aber entweder "hoch mit dem L" oder
"irsinniger Fußpunktwiderstand".

Was eine Anzapfung bringen soll, wenn die Impedanz
sowieso schon im Keller ist, erschließt sich mir
nicht.

Und wenn die RFID-Fritzen etwas als Antenne bezeichnen,
was eigentlich eine Induktionsschleife ist, dann ist
das nicht meine Schuld.

von ./. (Gast)


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Ich sehe mich nicht bemuessigt irgendetwas erklaeren zu muessen.

Aber: Ich habe selbst schon erfolgreich Antennen gebaut.
Sowas nennt Mann wohl praktische Erfahrung.

Das sich Dir etwas nicht erschliesst ist ja nicht mein Problem.

Wenn Du keine praktisch umsetzbaren Vorschlaege hast,
solltest Du vllt einfach den Nuhr machen.

von Horst (Gast)


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Possetitjel schrieb:
> Du magst mir gern erklären, wie RFID (=Nahfeld), 13.56MHz (22m
> Wellenlänge) und Antenne (=Fernfeld) zusammenpassen.

Naja, wenn der TO alles in Ba0.7Sr0.3TiO3 betreibt, sind wir schon nur 
noch bei 33cm Wellenlänge. Wer weiß denn schon, in was für 
high-k-Materialien das ganze stattfinden wird ;)

von Possetitjel (Gast)


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./. schrieb:

> Ich sehe mich nicht bemuessigt irgendetwas erklaeren
> zu muessen.

Muessen sowieso nicht. Allerdings würde es Deine
Glaubwürdigkeit stark erhöhen, falls Du darauf Wert
legst.

> Aber: Ich habe selbst schon erfolgreich Antennen
> gebaut.

Das glaube ich ja.

Ich verstehe nur nicht, was eine Antenne, die ja zur
Abstrahlung elektromagnetischer Wellen (=Fernfeld)
dient, mit Nahfeld-Kommunikation auf Basis des
Magnetfeldes zu tun hat.

> Wenn Du keine praktisch umsetzbaren Vorschlaege
> hast, solltest Du vllt einfach den Nuhr machen.

Max hat nach Anpassung gefragt, und ich habe beantwortet,
wie er die Anpassungsverhältnisse beeinflussen und messen
kann. Damit habe ich nun wiederum praktische Erfahrung.

Wenn Max nach der falschen Sache gefragt hat, kann ich
da nix für.

von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Ach Leute, ich hatte doch ganz oben im ersten Post geschrieben, dass ich 
Gleichspannungselektriker bin. Habt doch Nachsicht.


Prinzipiell ist auch mir klar, dass der Aufbau eher einem Trafo als 
einer richtigen Antenne ähnelt. Das ist dann die Geschichte mit Nahfeld 
und Fernfeld, wenn meine mageren Kenntnisse mich nicht täuschen.

Unterscheidet sich die Impedanzanpassung denn nun zwischen einer Antenne 
(Fernfeld) und einer Koppelspule (Nahfeld)?

Ansonsten noch zu einigen Antworten:
- Ba0.7Sr0.3TiO3: ich weiß nicht, was das ist, aber mit Strontium wollte 
ich nicht rumbasteln. Luft und Holz ist im Feld, siehe 
Beitrag "Re: Antennenimpedanz messen und anpassen"
- Die Idee mit der Messung bei 27 MHz kam daher, dass es für diese 
Frequenz ein spottbilliges SWR-Meter gibt. Selber bauen geht natürlich, 
aber das Basteln artet dann ganz schnell aus.
- Windung und Wicklung: wir sind erkennbar in einem deutschen Forum ;)

Possetitjel schrieb:
> Antenne und C zu Parallelschwingkreis zusammenschalten,
> mit KURZEN Strippen an Generator anschließen, Spannung am
> Schwingkreis mit 1:10-Tastkopf zum Oszi führen.
> Maximale Spannung tritt bei Resonanz auf.

Das klappt dann, wenn ich den Generator auf Ausgangsimpedanz 50 Ohm 
stelle, richtig?
Wie komme ich dann zu einer brauchbaren Güteeinstellung?

Max

von B e r n d W. (smiley46)


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> Wie komme ich dann zu einer brauchbaren Güteeinstellung?

Die Güte ergibt sich aus den verwendeten Schwingkreisbauteilen. Nun ist 
die dazugehörige Anpassung gesucht.

von Possetitjel (Gast)


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Max G. schrieb:

> Ach Leute, ich hatte doch ganz oben im ersten Post geschrieben,
> dass ich Gleichspannungselektriker bin.

Ja, war schon beim ersten Mal angekommen.

> Habt doch Nachsicht.

Habe ich doch :)

> Prinzipiell ist auch mir klar, dass der Aufbau eher einem
> Trafo als einer richtigen Antenne ähnelt. Das ist dann die
> Geschichte mit Nahfeld und Fernfeld, wenn meine mageren
> Kenntnisse mich nicht täuschen.

Genau richtig.

> Unterscheidet sich die Impedanzanpassung denn nun zwischen
> einer Antenne (Fernfeld) und einer Koppelspule (Nahfeld)?

Rein elektrisch gesehen unterscheidet es sich nicht.

Die Wirkung dagegen ist sehr wohl unterschiedlich: Die
Antenne strahlt die Leistung ab und ist fertig. Ob das
jemand empfängt, und wann und wo das stattfindet, ist
der Sendeantenne relativ wurscht.

Die Koppelspule muss die Leistung irgendwie über das
Magnetfeld an jemanden im Nahfeld weiterreichen, oder
in ihrem reellen Verlustwiderstand verfeuern. Abstrahlen
im eigentlichen Sinne kann sie nicht.

Und es gibt noch einen praktischen Unterschied: Die
Anpassung einer Antenne kannst Du mechanisch beeinflussen,
indem Du ihre Geometrie veränderst. Das funktioniert bei
der Koppelspule deutlich schlechter; hier bist Du auf
elektrische Maßnahmen angewiesen.

> Ansonsten noch zu einigen Antworten:
> - Ba0.7Sr0.3TiO3: ich weiß nicht, was das ist, aber mit
> Strontium wollte ich nicht rumbasteln.

Das war Ironie.

> - Die Idee mit der Messung bei 27 MHz kam daher, dass es
> für diese Frequenz ein spottbilliges SWR-Meter gibt. Selber
> bauen geht natürlich, aber das Basteln artet dann ganz
> schnell aus.

So ganz verstehe ich den Gedanken dahinter nicht. Die
Anpassung ist frequenzabhängig; wenn Deine Mimik bei 13.56MHz
arbeiten soll, musst Du auch die Anpassung bei 13.56MHz
messen.

> - Windung und Wicklung: wir sind erkennbar in einem
> deutschen Forum ;)

Tut mir leid... die Anfälle werden zwar seltener, sind
aber noch nicht ganz verschwunden... :)

> Possetitjel schrieb:
>> Antenne und C zu Parallelschwingkreis zusammenschalten,
>> mit KURZEN Strippen an Generator anschließen, Spannung am
>> Schwingkreis mit 1:10-Tastkopf zum Oszi führen.
>> Maximale Spannung tritt bei Resonanz auf.
>
> Das klappt dann, wenn ich den Generator auf Ausgangsimpedanz
> 50 Ohm stelle, richtig?

Wenn's da etwas umzuschalten gibt: Ja.

Notfalls kleinen Längswiderstand zusätzlich als Vorwiderstand
vor den Schwingkreis schalten (Spannung aber weiter am
Schwingkreis messen).

Am Besten wäre theoretisch, wenn Du den Generator auf die
Quellimpedanz bringen könntest, die Dein RFID-Chip hat.
Dann sind die Labormessungen nämlich auf den Realfall
übertragbar.

> Wie komme ich dann zu einer brauchbaren Güteeinstellung?

Schwieriges Thema. Kann ich nur mit allgemeinen Phrasen
beantworten.

Grundsätzlich: Abstruserweise wirst Du das Problem haben,
dass die Kreisgüte eher zu hoch als zu niedrig ist.
Daher musst Du den Kreis irgendwie bedämpfen, d.h. nicht
nur Leistung hineinpumpen, sondern auch Wirkleistung aus
dem Kreis abziehen.

Abstrahlung (--> Antenne) fällt aus verschiedenen Gründen
aus. Also musst Du einen (reellen) Verlustwiderstand vorsehen,
der die Leistung verfeuert.

Ich sehe folgende Möglichkeiten:
- Du kannst die Kreisgüte durch Auswahl hinreichend "schlechter"
  Bauteile niedrig genug halten,
- Du kannst den Kreis durch einen zugeschalteten Widerstand
  bedämpfen,
- Du wählst das L/C-Verhältnis des Kreises hinreichend
  abseitig, so dass der Innenwiderstand der Quelle den Kreis
  schon hinreichend bedämpft.
Die Maßnahmen schließen sich nicht gegenseitig aus, können
also kombiniert werden.

von Possetitjel (Gast)


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B e r n d W. schrieb:

>> Wie komme ich dann zu einer brauchbaren Güteeinstellung?
>
> Die Güte ergibt sich aus den verwendeten Schwingkreisbauteilen.

Nicht nur. Sie ergibt sich auch aus den Anforderungen, die
die Anwendung stellt.

Wenn z.B. die Umgebung variabel ist, ist eine zu hohe Güte
tödlich (--> Handempfindlichkeit), auch wenn die Bauteile
diese Güte hergeben würden.

von MarcOni (Gast)


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Possetitjel schrieb:
>> Die Güte ergibt sich aus den verwendeten Schwingkreisbauteilen.
>
> Nicht nur. Sie ergibt sich auch aus den Anforderungen, die
> die Anwendung stellt.

Es gilt zu unterscheiden zwischen Leerlaufgüte und Betriebsgüte.

Die Leerlaufgüte soll möglichst hoch sein, damit die Verluste in L und C 
gering bleiben.

Die Betriebsgüte (Güte mit angeschlossener Last) kann den Erfordernissen 
angepasst werden. Man macht sie nur so hoch wie nötig.

von MarcOni (Gast)


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von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Genau das wollte ich ja nicht. Klar ist es befriedigender, wenn man das 
theoretisch durchdrungen hat, aber es ist auch schön, wenn es einfach 
tut :)

Ansonsten: worauf genau sollte dein Google-Link gehen? Das Paper von 
Yun?

von MarcOni (Gast)


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Max G. schrieb:
> worauf genau sollte dein Google-Link gehen? Das Paper von
> Yun?

Genau, hier ist der Direktlink:
http://www.rle.mit.edu/per/JournalPapers/JPtpesep06p1484.pdf

von Possetitjel (Gast)


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Max G. schrieb:

> Genau das wollte ich ja nicht.

Musst Du ja auch nicht. - Ganz ohne rechnen wird es aber
auch nicht gehen.

> Klar ist es befriedigender, wenn man das theoretisch
> durchdrungen hat, aber es ist auch schön, wenn es
> einfach tut :)

Naja, woran hängt es?

Dein Auto hat ja nur zwei Schrauben - die Resonanzfrequenz
und die Kreisgüte.

von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Possetitjel schrieb:
> Naja, woran hängt es?

Dass ich meinen Allerwertesten nun bewegen muss, anstatt nur ins Forum 
zu tippseln ;)
Kann ein bisschen dauern, andere Projekte + SWMBO + Familie + Job sind 
auch noch da...

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