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Forum: HF, Funk und Felder RFID Antennen auslegung reader


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Autor: Raphael W. (rwerner)
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Hallo Leute

Ich bin Student und versuche gerade einen RFID Antenne für einen Reader 
von 13,56Mhz zu bauen. Ich habe gelesen das bei einer Antennenform 
(rechteckige Leiterschleife) die Reichweite abhängig von der länge der 
Leiterschleife ist also z.B. für 5 cm Recihweite einen 5 cm lange 
Antenne.

Nun stellt sich mir aber die Frage wie breit ich diese machen kann. 
Standartmäßig habe ich schon eine Antenne mit 5x3 Abmaße vor  mir liegen 
jedoch möchte ich diese schmaler hinbekommen.


Kann ich da kleiner wie 3 cm gehen, von was ist das Abhängig. Finde da 
leider keine genaueren  Informationen dazu im Netz.

Autor: Karl M. (Gast)
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Hallo lustig,

Die Antennenlänge ist abhängig von der Antennenform und natürlich der 
Arbeitsfrequenz.

Der Einfachheit halber nutzt man diese Formel:

Länge = v * c / Lamda

c = Lichtgeschwindigkeit

Eine Loop ist z.b. 5 % länger bezogen auf die Arbeitsfrequenz, ein Dipol 
hin Gegend hat nur eine Länge von 0,5 bezogen auf die Arbeitsfrequenz.

Der Verkürzungsfaktor v ist abhängig vom Verhältnis: Drahtdicke zur 
Arbeitsfrequenz.

Autor: Karl M. (Gast)
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Noch eine Anmerkung,

Je nach Antennenform gibt es noch Abhängigkeiten zur Aufbauhöhe Punkt 
diese verändert die Resonanzfrequenz der Antenne. Also es gibt eine 
Kopplung-eine kapazitive Kopplung zur Erde-

Autor: rfid-anfänger (Gast)
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Mein Kenntnisstand ist der, dass bei RFID die Fläche der Antennenspule 
ausschlaggebend ist.  Ideal ist rund.

Eine Minute Websuche findet z.B. sowas:
http://edoc.sub.uni-hamburg.de/haw/volltexte/2017/4081/pdf/Bachelorthesis_Griesshammer.pdf

Auf Seite 20 findest Du:
> Die Antenne eines NFC-Lesegerätes ist eigentlich keine Antenne im klassischen 
Sinne.
> Vielmehr ist sie eine Leiterschleife bzw. Spule mit einer Induktivität von 
üblicherweise 0,5…2,5 µH mit ein bis vier Windungen. Die Leiterschleife kann 
entweder als Leiterbahn auf einer Leiterplatte ausgeführt sein oder mit Draht 
gewickelt im Gehäuse des Lesegerätes untergebracht [...]

Autor: Karl M. (Gast)
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Vielleicht noch etwas, eine Antenne hat doch eine Strahlungsrichtung die 
man im Allgemeinen als Polarisationsebene bezeichnet.

Also horizontal und vertikale Polarisation.

Wenn man die Funk Antenne zur Sendeantenne in der falschen Ebene 
betreibt bedeutet das eine Dämpfung von bis zu 20 dB.

Jetzt kannst du Dich fragen was sind 20dB?
Ganz einfach 10 dB entspricht einem Leistungsunterschied vom Faktor 10.

Wenn du in Mathematik fit bist, weißt du auch wie man logarithmisch 
rechnet.

Eine andere Abhängigkeit besteht auch in der übertragene Leistung, das 
heißt der Sender gibt entscheiden vor, wie stark das elektromagnetische 
Feld und somit die Reichweite ist.

Autor: Nils (Gast)
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Hi Raphael,

Du kannst schmaler werden. Auf die Leseentfernung hat das natürlich 
einen negativen Einfluss, aber das ist weniger stark als man denkt. Auch 
wenn Du auf 1.5cm runter gehst wirst Du - gute Anpassung der Antenne 
vorrausgesetzt - in der Praxis locker bis 5cm lesen können.

Welchen Leser willst Du denn verwenden, und welche Tag Technologie 
willst Du einsetzen?

Autor: Raphael W. (rwerner)
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Hallo Nils

Ich möchte den Leser PN7462 von NXP einsetzen und den Tag MIFARE DESFire 
EV2 4k. Der Reader wird dann später in einem Plastikgehäuse sitzen, ich 
kann da halt nicht größer wie 5 cm (länge) werden. Und 1,5 cm breite 
wären natürlich ideal.

: Bearbeitet durch User
Autor: Nils (Gast)
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Ah, das ist der PN5180 mit integriertem Cortex-M0.

Mit dem wirst Du keine Probleme haben, der hat genug Power und 
Empfindlichkeit um auch mit kleiner Antenne zu laufen.

Du wirst aber ein gutes Antennen Match Netzwerk brauchen. Ich hoffe Du 
hast Zugriff auf einen Netzwerkanalysator und genug Zeit. Wenn es gut 
werden soll ist da viel Try and Error nötig.

Autor: ~Mercedes~ (Gast)
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@Raphael,

Deine Antennenspule ist genau dann richtig
dimensioniert, wenn sie mit der Eingangskapazität
des Readers nen Schwingkreis von 13,56 Mhz bildet.

Dazu brauchst Du nen Generator von 13,56 Mhz und
nen kleinen Feldstärkemesser bestehend aus ner
weiteren Spule mit Diode und Mikroamperemeter
zum Abgleich.

Sag mal, Mifare, ist dies nicht das Chipkartensystem,
das bereits mehrfach gehackt wurde? ;-)

mfg

Autor: Wolfgang (Gast)
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Karl M. schrieb:
> Die Antennenlänge ist abhängig von der Antennenform und natürlich der
> Arbeitsfrequenz.

Raphael geht es um die mechanischen Abmessungen.
Ich habe noch keinen Reader für 13.56MHz gesehen, dessen mechanischen 
Abmessungen auch nur annäherungsweise in die Größenordnung der 
Wellenlänge (λ/2=11,06 Meter) kommen.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Karl M. schrieb:
> Vielleicht noch etwas, eine Antenne hat doch eine Strahlungsrichtung die
> man im Allgemeinen als Polarisationsebene bezeichnet.

Du gehst am Thema vorbei.

Eine RFID Antenne für einen Reader kann z.B. auf einer Leiterplatte mit 
44x24mm bei 4 Windungen realisiert werden.
Die Dinger strahlen nicht ab, sondern koppeln magnetisch.

Autor: Karl M. (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Die Dinger strahlen nicht ab, sondern koppeln magnetisch.

Nana, ohne elektrisches Feld gibt es auch kein magnetisch Feld.

Im Nahbereich mag das magnetisch Feld überwiegen.

Aber das alles will der TO noch lernen.

Und ohne Messtechnik und das KnowHow sie zu nutzen, wird er nicht 
brauchbares zustande bringen.

Autor: ... (Gast)
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Ich habe noch keinen Reader für 13.56MHz gesehen, dessen Antenne
die mechanischen Abmessungen des Tags deutlich unterschreitet.
Eine Loop deren eine Kantenlaenge nur 15 mm betraegt duerfte
alles andere als gut funktionieren.

Mein Tip: Nicht machen.

Anregungen fuer eine minimale Antennengroesse kann man sich
bei (Standard-)Tags holen. Das sind auch die, die regelmaessig
am besten funktionieren.

Autor: Raphael W. (rwerner)
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... schrieb:
> Ich habe noch keinen Reader für 13.56MHz gesehen, dessen Antenne
> die mechanischen Abmessungen des Tags deutlich unterschreitet.
> Eine Loop deren eine Kantenlaenge nur 15 mm betraegt duerfte
> alles andere als gut funktionieren.

Wenn du auf die 5 cm Reichweite anspricht habe ich auch noch  keinen 
gesehen. Habe jedoch einen mit 35x13 vor mir liegen welcher bis 3,5 cm 
gut funktioniert (keinen perfektes Anpassnetzwerk).

Autor: Stefan M. (derwisch)
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Karl M. schrieb:
> Nana, ohne elektrisches Feld gibt es auch kein magnetisch Feld.
>
> Im Nahbereich mag das magnetisch Feld überwiegen.

Richtig, aber nur der Nahbereich ist hier ( für RFID ) interessant.
Es wird bis 13,56 MHz mit Spulen gearbeitet, die mit dem Transponder ( 
auch Spule ) nach dem Trafo Prinzip arbeiten.
Natürlich gibt es auch ein Fernfeld mit E Komponente.
Das ist aber sogar unerwünscht, da es höchstens andere Leser in der 
Umgebung stört.

Das reine E-Feld wird nur bei UHF RFID genutzt ( 868 MHz ).
Da ist die Wellenlänge so kurz, dass die Leser und Transponder z,B. mit 
Dipolantennen oder Patchantennen arbeiten.

Bei 13,56 MHz wäre ein Halbwellendipol nämlich 11m lang.
...da nimmt man doch lieber Spulen...

Autor: Nils (Gast)
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Da hier eine Menge Halbwissen unterwechs ist erzähle ich mal ein bischen 
was:

Um eine optimale Reichweite zu erreichen müssen zwei Bedingungen erfüllt 
sein:

1. Die Kopplung der Reader und Tag Antenne ist ausreichend um genug 
Energie in den Tag zu bekommen. Sonst startet der Tag schlicht nicht.

2. Die Güte der Reader Antenne ist niedrig genug um die Kartenantwort zu 
empfangen. Diese liegt bei 14Mhz bis 16Mhz. Ist der Schwingkreis zu 
selektiv auf 13.56Mhz getuned, dann kommt von der Kartenantwort nicht 
genug Signalanteil beim Chip an.


Da die Kopplung der beiden Antennen rein über das Magnetfeld geschieht 
spielt die Größe der Antenne natürlich eine Rolle, aber die schlechtere 
Kopplung durch eine schmale Reader Antenne lässt sich einfach durch mehr 
Wumps im Transmitter kompensieren.

Der Reader Chip vom TO schafft 0.5 Watt. Das ist sehr anständig. Wenn 
nicht gerade eine Metallplatte in der Nähe ist, die die Energie 
wegsaugt, dann sollte auch eine schmale Antenne ausreichend Energie 
übertragen können.


Um das Matching zu machen geht man in solchem Fall wiefolgt vor:

- Erst mal wird auf maximale Abstrahlung gematched. Dafür misst man mit 
einem VNA das gesammte Antennensystem an den Transmitter Pins des Chips 
und schaut, das man bei 13.56Mhz möglichst dicht an die Impedanz des 
Transmitters kommt. (Beim Chip vom TO liegt das bei etwa 22 Ohm wenn ich 
mich recht erinnere).

- Der Transmitter wird jetzt gestartet und schickt regelmäßig Requests 
raus. Eine Karte wird bei der Zielentfernung in das Feld gebracht. Mit 
einem Oszilloskop schaut man, ob die Karte antwortet. Tut sie das, dann 
ist genug Energie für die Karte da. Ob der Reader-Chip die Antwort sieht 
spielt erst mal keine Rolle.

- Jetzt wird die Leistung soweit reduziert bis noch alle Testkarten 
zuverlässig antworten. Das geht ganz simpel über Spannungsreduzierung 
des Transmitter Supplies. Beim Chip vom TO kann man eh zwischen mehreren 
Spannungen wählen. Das ginge also auch in Software.

- Die Feldstärke wird jetzt gemessen. Das ist die Baseline, die wir 
erreichen wollen.

- Jetzt wird im Matching die Güte soweit reduziert bis wir bei maximaler 
Transmitterspannung und Leistung zu unserer gewünschten Feldstärke 
kommen. Je niedriger die Güte wird, desto stärker wird der Signalanteil 
von 14Mhz bis 16Mhz. In dem Bereich liegt die Kartenantwort.


Und das ist es eigentlich schon. Der Rest ist reines durchprobieren der 
Receiver Parameter im Chip. NXP bietet dafür ein Tool an, welches ganz 
stumpf alle Parameter ausprobiert. Das macht man für einen ganzen Haufen 
Karten und nimmt dann den Parameter, der bei allen Karten funktioniert 
hat.

Der Chip vom TO kann die Last durch die Karte messen und dann die 
Leistung reduzieren. Das sollte man unbedingt machten. Ansonsten 
riskiert man, das man die Karte grillt wenn man sie direkt auf die 
Antenne legt oder das man den Reader-Chip grillt wenn man eine 
Metallplatte auf die Antenne legt.

Im optimalen Fall sucht man danach für alle leistungsreduzierten 
Bereiche, die man definiert hat noch mal die besten Receiver Parameter.

Autor: tnzs (Gast)
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Raphael W. schrieb:
> Hallo Nils
>
> Ich möchte den Leser PN7462 von NXP einsetzen und den Tag MIFARE DESFire
> EV2 4k. Der Reader wird dann später in einem Plastikgehäuse sitzen, ich
> kann da halt nicht größer wie 5 cm (länge) werden. Und 1,5 cm breite
> wären natürlich ideal.

Ich habe mit dem Chip schon gearbeitet. 5x1,5cm ist ein ungünstiges 
Verhältnis. Insbesondere wenn man mit kleinen Tags/Schlüsseelanhängern 
arbeitet wird das noch kritischer, da die Kopplung bescheiden ist. Mit 
den großen Karten wird es wieder besser.
ID lesen ist auch selten ein Problem, spannend wird es wenn Du AES und 
alles benutzt, das kostet Energie und dann merkst Du schnell ob die 
Kopplung passt.
Aufpassen musst du beim PN mit dem maximalen Strom bei den 
Antennenanschlüssen.
Netzwerkanalyser ist schon sinnvoll, muss kein HighTech sein, aber hilft 
ungemein. Sonst wird das mit der Anpassung und der Auslegung des 
Anpasskreises nix.

Autor: Nils (Gast)
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Hallo tnzs,

Ich hab mit dem PN5180 gearbeitet (nahezu identisch, hat aber etwas mehr 
Wumps) und habe sehr sehr lange in Laboren gesessen und Antennen 
optimiert.

Ich habe für einen Prototypen ein quick and dirty Matching für eine 
Antenne gemacht, die sehr dicht an 5x1.5cm war. Direkt daneben war noch 
ein Display mit Schirmung. Die Situation war also alles andere als 
ideal.

Ich hatte kein Problem im Zentrum Reichweiten über 4cm zu erreichen. 
Kritisch waren die EMVCo Messpunkte seitlich des Zentrums, dort wo das 
Display war. Da haben wir nicht die von EMVCo geforderte minimale 
Spannung erreicht. Die legen aber auch krasse Grenzwerte vor, die mit 
der Praxis nur sehr wenig zu tun haben.

Real existierende Karten funktionierten tadellos.


Das mit dem Transmitterstrom ist ein guter Hinweis. Ich hab es selbst 
nicht geschafft den Chip zu grillen. Davor hat mich der Thermal Shutdown 
gerettet.

Zum VNA: Der ist meiner Meinung nach unbedingt nötig. Allerdings reicht 
der günstige MiniVNA vollkommen aus. Wir haben den im Labor mal gegen 
ein geeichten Rhode und Schwarz Schlachtschiff antreten lassen. Klar war 
die Billig Lösung ein bischen off in der Messung, aber ein Unterschied 
von 0.2 Ohm in der Impedanz macht bei NFC wirklich nicht den 
Unterschied. Da ist in der Bauteiltoleranz allein schon mehr Spiel drin.

Autor: tnzs (Gast)
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Ich habe alles mit MiniVNA gemessen. Das mit der Metallkante am TFT ist 
Mist. Das Problem hatten wir auch. Aber die Reichweite ist mit 4cm in 
Ordnung.
Die Antenne haben wir in die Frontfolie integriert läuft super.

Autor: Raphael W. (rwerner)
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Danke für die vielen Antworten und wichtigen Tips.
Werde mich mal daran versuchen und euch später Rückmeldung geben wies 
lief :-)

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