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Forum: HF, Funk und Felder RFID-Antennenanpassung


Autor: Matthias H. (matthias_h830)
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Hallo,

ich bin absoluter Anfänger im HF-Bereich.
Habe allerdings die Aufgabe die Reichweite eines RFID-Systems zu 
maximieren durch Optimieren der Antenne und der Antennenschaltung. Die 
Antenne soll selbst entworfen und gewickelt werden. Die verwendete 
Frequenz ist 13,56MHz.
Es ist also eine induktive Kopplung.

Erstmal habe ich dazu ein paar grundlegende Fragen, ob mein 
Vorgehen/meine Annahmen überhaupt richtig ist/sind:

- Ich schließe eine Spule zwischen ANT und GND an. Parallel zur Spule 
kommt ein Kondensator, der XL = XC erfüllt.(Parallel Schwingkreis)
- Die Güte Q der Antenne sollte hoch sein. -> Also die Induktivität soll 
groß sein, der Wirkwiderstand klein.
- Kapazitäten in der Spule sind unerwünscht.
-> Deshalb sollte zwischen den Wicklungen der Spule ein Abstand sein. 
Aber wie groß ?
- Der Draht der Spule sollte möglichst dick sein, damit der 
Wirkwiderstand klein ist.
- Dicke des Drahtes hat keinen Einfluss auf die Induktivität

Wie mache ich eine Impedanzanpassung ? Die Ausgangsimpedanz ist 
unbekannt. Kann man diese ermitteln ?

Vielen Dank schonmal !
Gruß

Autor: Bernd (Gast)
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Matthias H. schrieb:
> - Die Güte Q der Antenne sollte hoch sein.
Für RFID darf die Güte aber nicht zu hoch sein, sonst reicht die 
Bandbreite nicht mehr. In Appnotes zu RFID-Readern gibt es dazu genauere 
Angaben.
Aus dem Datenblatt des CLRC632: "The overall quality factor has to be 
considered to guarantee a proper ISO/IEC 14443 A and ISO/IEC 14443 B 
communication schemes."

> - Der Draht der Spule sollte möglichst dick sein, damit der
> Wirkwiderstand klein ist.
Bei 13,56 MHz dominiert der Skineffekt, HF-Litze ist da ehr angebracht.

Autor: Harald A. (embedded)
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Google mal bitte nach: „rfid impedance vna“

VNA: ein günstiger Network Analyzer für ein paar 100€ kann sehr nützlich 
sein, allerdings wird das Setup zum korrekten Messen anspruchsvoll. Der 
Network Analyzer hat unbalanced Anschlüsse, die Antenne ist dagegen 
balanced. Braucht man also einen passenden BALUN und muss sich sicher 
sein, was man da tut.

P.S. andere Suche noch: rfid impedance vna nxp

: Bearbeitet durch User
Autor: Bert 0. (maschinist)
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Matthias H. schrieb:

> ich bin absoluter Anfänger im HF-Bereich.
> Habe allerdings die Aufgabe die Reichweite eines RFID-Systems zu
> maximieren durch Optimieren der Antenne und der Antennenschaltung. Die
> Antenne soll selbst entworfen und gewickelt werden. Die verwendete
> Frequenz ist 13,56MHz.

Es könnte die Präzision der Antworten signifikant erhöhen, wenn Du uns 
nur daran teilhaben ließest, um welchen RFID-Chip es sich genau handelt.


Gruß... Bert

Autor: Matthias H. (matthias_h830)
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Das hilft mir schonmal weiter. Danke :)

Das RFID-Modul hat noch einen zweiten Antennenausgang (ANT2),
welcher ein 180 grad phasenverschobenes Signal ausgibt.
Was bringt das ? Kann ich diesen ignorieren ?

Über Bandbreite und Skin-Effekt hatte ich auch schon gelesen,
war mir aber über dessen Wichtigkeit nicht bewusst.
(Die Bandbreite darf wegen der Hilfsträger nicht zu breit sein ?)

Es handelt sich um den SM5210 Mini Mifare® Module 3.3V/5V.
Wäre aber auch kein Problem einen anderen zu besorgen, wenn obiger Müll 
ist.

Harald A. schrieb:
> Google mal bitte nach: „rfid impedance vna“
>
> VNA: ein günstiger Network Analyzer für ein paar 100€ kann sehr nützlich
> sein, allerdings wird das Setup zum korrekten Messen anspruchsvoll. Der
> Network Analyzer hat unbalanced Anschlüsse, die Antenne ist dagegen
> balanced. Braucht man also einen passenden BALUN und muss sich sicher
> sein, was man da tut.
>
> P.S. andere Suche noch: rfid impedance vna nxp

Eventuell steht mir soetwas in der Hochschule zur Verfügung.
Danke für den Tipp. Erstmal will ich mich jedoch mit den "einfachen" 
Dingen beschäftigen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Hmmm (Gast)
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Matthias H. schrieb:
> Das RFID-Modul hat noch einen zweiten Antennenausgang (ANT2),
> welcher ein 180 grad phasenverschobenes Signal ausgibt.
> Was bringt das ? Kann ich diesen ignorieren ?

Vielleicht solltest Du mal einen Blick in die Dokumentation des Moduls 
werfen, der Frage nach hast Du bisher nur die Bezeichnung der Pins 
abgelesen.

Autor: Matthias H. (matthias_h830)
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Hmmm schrieb:
> Matthias H. schrieb:
>> Das RFID-Modul hat noch einen zweiten Antennenausgang (ANT2),
>> welcher ein 180 grad phasenverschobenes Signal ausgibt.
>> Was bringt das ? Kann ich diesen ignorieren ?
>
> Vielleicht solltest Du mal einen Blick in die Dokumentation des Moduls
> werfen, der Frage nach hast Du bisher nur die Bezeichnung der Pins
> abgelesen.

"Antenna  Drive  Pin  2.   180-degree  phase  difference  with
ANT1. Connect to the PCB Antenna’s Ant2 pin."

Mehr steht zu ANT2 nicht im Datenblatt.

Autor: Hmmm (Gast)
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Es gibt noch eine Referenz-Schaltung, wo man klar erkennt, dass die 
Antenne zwischen ANT1 und ANT2 angeschlossen wird.

Zudem werden Bezeichnungen fertiger Antennenmodule des Herstellers 
genannt, die Du Dir als Grundlage angucken kannst.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Matthias Harter schrieb:
>Wie mache ich eine Impedanzanpassung ?

In dem beide Impedanzen, Antenne und Sender gleich sind,
dann hast du Leistungsanpassung.

> Die Ausgangsimpedanz ist unbekannt. Kann man diese ermitteln ?

Ja, belaste den Sender oder Generator mit einem Widerstand,
wenn die Spannung um die hälfte gegenüber der Leerlaufspannung
zurückgegangen ist, entspricht der Widerstand der Impedanz des
Generators.

>Parallel zur Spule
>kommt ein Kondensator, der XL = XC erfüllt.(Parallel Schwingkreis)

Der Resonanzwiderstand bei einem Parallelschwingkreis wird
sehr hoch sein, wenn die Generatorimpedanz nidrig ist mußt
du runter transformieren, das kann man durch Anzapfen
erreichen. Das Übersetzungsverhältnis der Impedanz ist
quadratisch von den Windungszahlen abhängig.

Autor: Bert 0. (maschinist)
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Hmmm schrieb:

> Es gibt noch eine Referenz-Schaltung, wo man klar erkennt, dass die
> Antenne zwischen ANT1 und ANT2 angeschlossen wird.

Und das sollte man auch tunlichst weiterhin so machen, die 
RFID-Controller haben üblicherweise zwei gegenphasige Antennenausgänge 
um bei gegebener Versorgungsspannung eine höhere Sendeleistung zu 
erzielen. Da der Originalposter nach Optimierung und Maximierung der 
Reichweite fragt, sollte man hier buchstäblich nicht mit "halbem Kram" 
anfangen.

> Zudem werden Bezeichnungen fertiger Antennenmodule des Herstellers
> genannt, die Du Dir als Grundlage angucken kannst.

So eins (oder mehrere) würde ich mir besorgen und mit dem VNA vermessen, 
dann das Ergebnis mit dem eigenen Antennenmodul möglichst genau 
nachstellen.

Hilfreich ist bei solchen Tätigkeiten eine Referenz-PICC, eine 
Koppelsonde, die im HF-Feld die Last des Tags simuliert und gleichzeitig 
Meßausgänge für Feldstärke und Modulationssignal liefert.

Erfahrungsgemäß erreicht man die größte Reichweite eher nicht bei 
höchster HF-Leistung, sondern irgendwo darunter:
Mit der Leistung wird nämlich zum einen auch die Modulationstiefe 
(besonders bei ISO14443-B, gibts aber nicht bei Mifare) und das -timing 
beeinflußt sowie zum anderen die Empfängerempfindlichkeit: Die Karte 
erzeugt nämlich einen modulierten Hilfsträger von 846,5kHz ober- und 
unterhalb des Trägers für den Rückkanal, den der Empfänger in 
Anwesenheit des starken Senderssignals noch sauber dekodieren muß.

Da bei diesem Modul scheinbar keine Möglichkeit besteht, die 
Analogparameter des RFID-Controllers zu verändern, ist man ziemlich 
eingeschränkt bei den Optimierungen.

Idealerweise hat man Zugriff auf die Register des RFID-Controller und 
kann Parameter wie I/Q-Konfiguration, Threshold, Preamplification oder 
Collision Detect Level für den Empfänger sowie TX-seitig 
Modulationsparameter an das jeweilige Antennendesign anpassen.


Gruß... Bert

Autor: Maik .. (basteling)
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Versuch Dich ersteinmal in die Grundlagen einzulesen.
HF-Wissen vorhanden oder in der Nähe?
Die fehlende "Begeisterung" über den Gegentaktausgang lässt leider 
schlimmes ahnen. (nicht böse gemeint)

Von NXP gab es mal einen tollen Foliensatz von etwa 100 Seiten in 
mehreren pdfs den irgendeine deutsche Hochschule für ihre RFID-Vorlesung 
im Internet stehen hat(te). Der erschlug ziemlich viel. Das RFID 
Handbuch von Finkenzeller ist zwar schön, aber von einem "Nicht 
-Hochfrequenztechniker" geschrieben. Es gab bislag für Anpasschaltungen 
oder Optimierungen nicht genügend Substanz her.

Dazu gibt es auch ältere  Applikationnschriften von Microchip, TI und 
ST.

Schlachtentscheidend sind allerhand parasitäre Parameter, insbesondere 
wenn Du an der Maximalreichweite herumkitzeln musst. Da stört bei 
13,56MHz schon das Eine oder Andere Picofarad der Tastköpfe...

Grundsätzlich solltest Du dich mit den Anpasschaltungen und deren 
Auswirkungen auseinandersetzen. Also wirklich schauen - was 
transformiert welche Impedanz wohin. Dazu haben in der Wirkung 
identische, aber andersrum aufgebaute Schaltungstopologien teilweise 
verheerende EMV- Eigenschaften.

Du passt i.d.R. einen sehr niederohmigen Chipausgang an einen recht 
hochimpedanten Parallelschwingkreis an. Da willst Du Deine Leistung ohne 
große Reflexionen reinschieben.

Dieser Schwingkreis muß aber ausreichend breitbandig sein, um die 
angesprochenen Modulationsseitenbänder um 847kHz über und unter der 
13,56MHz Trägerfrequenz vom Transponder ohne zu große Bedämpfung zu 
empfangen Das kann dan auch ein als konzentriertes Bauteil vorhandener 
Serien- ooder Parallelwiderstand sicherstellen..

vg

Maik

Autor: Wolfgang (Gast)
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Maik .. schrieb:
> Von NXP gab es mal einen tollen Foliensatz von etwa 100 Seiten in
> mehreren pdfs den irgendeine deutsche Hochschule für ihre RFID-Vorlesung
> im Internet stehen hat(te).

In der alten AN Micore Reader IC Family; Directly Matched Antenna Design 
von Philips findet sich zu den Stichworte Mifare, ICode, Micore, RC400, 
RC500, RC530, RC531, RC632, RFID-Reader, Directly Matched Antenna Design 
auch einiges.
https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN077925.pdf

Autor: Ga Gast (Gast)
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Bernd schrieb:
> Bei 13,56 MHz dominiert der Skineffekt, HF-Litze ist da ehr angebracht.

Nein. Halbwegs dicker Draht reicht. Schau Dir Hand-Funken an. Oder 
BOS-Geräte

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne) Benutzerseite
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13,56 MHz macht 22m Wellenlänge das ist defakto noch Gleichstrom selbt 
im VHF und UHF kann man nochgut mit massiv Draht arbeiten.  Hf litze war 
eigentlich für die unteren Frequenzbänder interessantwenn die spulen 
viele windungen aufwiesen aber ab 10MHz aufwärts habe ich soetwas kaum 
gesehen.

Da dann eher versilbertes Material.

Namaste

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Autor: Wolfgang (Gast)
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Matthias H. schrieb:
> (Die Bandbreite darf wegen der Hilfsträger nicht zu breit sein ?)

Ganz im Gegenteil, die Bandbreite muss hoch genug sein, damit der 
Hilfsträger noch vernünftig über die Antenne kommt. Die Güte darf nicht 
zu hoch sein.

Autor: Matthias H. (matthias_h830)
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Wolfgang schrieb:
> Matthias H. schrieb:
>> (Die Bandbreite darf wegen der Hilfsträger nicht zu breit sein ?)
>
> Ganz im Gegenteil, die Bandbreite muss hoch genug sein, damit der
> Hilfsträger noch vernünftig über die Antenne kommt. Die Güte darf nicht
> zu hoch sein.
Wie du es beschrieben hast, habe ich es auch verstanden.
Vielleicht war das ein wenig blöd ausgedrückt.

Maik .. schrieb:
> Die fehlende "Begeisterung" über den Gegentaktausgang lässt leider
> schlimmes ahnen. (nicht böse gemeint)
Wie gesagt, bin absoluter Anfänger.

Vielen Danke an Alle.
Ich denke, ich bin erstmal mit Lesestoff und Ideen versorgt.

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Autor: Name H. (hacky)
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Aus der Praxis. Bei einem antennengespiesenen 13.56MHz Tag ist die 
Reichweite etwa gleich dem Antennendurchmesser, also benoetigt man fuer 
1m Reichweite eine Antennen von 1m Durchmesser. Gleichzeitig sollte eine 
gewisse Leistung am Tag ankommen. Deshalb skaliert die benoetigte 
Leistung mit der Flaeche der Antenne, also quadratisch zum Radius.
Mit fremdgespiesenen Tags kann man sehr viel mehr Reichweite erreichen. 
Vielleicht das 5 fache.

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