Simulation und Messung einer 13.56Mhz RFID PCB-Antenne

January 23, 2018

Abb.1

PCB RFID Antenne

Kommunikation mit kleinen Tags, die in Chipkarten oder als Schlüsselanhänger realisiert werden können, erfolgt meist durch eine PCB Antenne. Oben in der Abbildung ist eine Antenne zur Kommunikation mit solchen Tags dargestellt. Diese Loop-Antenne erzeugt ein hauptsächlich magnetisches Feld. Wie der Name near-field-communication(NFC) schon ausdrückt, erfolgt die Koppelung zum Tag im Nahfeld. Der Tag hat eine ganz änliche antenne integriert. Die Tags haben normalerweise keine Stromversorgung und bedienen sich daher aus dem magnetischen Feld, Stichwort “Energy Harvesting”.

Die rechte Handregel(Strom in Richtung des Daumens, mag. Feld in Richtung der gekrümmten Finger) gib einen Hinweis auf die Richtung des Magnetfeldes. Fließt der Strom in Richtung der Leiterbahnen, so ist das Magnetfeld normal (senkrecht) zur Fläche der Platine.

Abb.2 Magnetisches Feld

Typischerweise wird der Tag dann so in das Feld eingebracht, das die Spule auch wieder senkrecht durchflutet wird.

Abb.2 Magnetisches Feld

Modulation

Der Tag moduliert die Daten, die er an den Reader durch Kurzschluss (backscatter modulation) seiner Spule. Der Reader muss also die Fluktuationen der Spannung in seiner eigenen Spule detektieren. Der Reader kann seine Daten auch per backscatter modulieren, aber mit erhöter Anfälligkeit für Störspannungen.
Zudem kann der Reader per FSK(Frequency Shift Keying) oder PSK(Phase Shift Keying) aufmodulieren.

Siehe Microchip Passiv RFID Basics

Ermittelung der Antenneneigenschaften

Induktivität

Zur Ermittelung der Induktivität auf analytischem Wege nach Siehe NXP An1445

x 1 = a a v g l o g ( 2 a a v g b a v g ( b a v g 2 + a a v g 2 + a a v g ) d ) x 2 = b a v g l o g ( 2 a a v g b a v g ( b a v g 2 + a a v g 2 + b a v g ) d ) x 3 = 2 ( - b a v g 2 + a a v g 2 + b a v g + a a v g ) x 4 = b a v g + a a v g 4 a a v g = a 0 - N a ( w + g ) b a v g = b 0 - N a ( w + g )

$\large L=\frac{\mu_{0}*(x_4-x_3+x_2+x_1)/*Na^{1.8}}{\pi}$

$\large L=1.33\mu H$

Simulation

Diese RFID Antenne wurde mit OpenEMS simuliert. Thorsten Liebig openEMS openEMS ist eine elektromagnetischer FDTD Feld-Solver. Die FDTD (Finite-difference time-domain method) kann über eine sehr hohe Bandbreite in der Frequenz angewendet werden um elektrodynamische Probleme numerisch zu lösen. Die zu lösende Struktur wird dabei durch ein Netz (mesh) diskretisiert.

Obwohl das Verhältnis von Wellenlänge zur Größe der Antenne etwas ungünstig ist (Antenne 50mm zu Wellenlänge um die 30m) führten erste Versuche mit openEMS schon zu realistischen Ergebnissen. Zur Simulation dieser PCB Antenne wurde das hyperlynx Tutorial von Thorsten Liebigs openEMS angepasste. Vielen Dank in seine Richtung für dieses großartige Programm. Zunächst wurde die PCB-Antenne in Kicad (wahlweise auch in Eagle) als Platinen-Layout erstellt. openEMS ist in der Lage das hyperlynx Layoutformat zu importieren welches von Eagle direkt oder durch user language programms (ULP) unterstützt wird. Kicad ist dazu nicht in der Lage. Durch die Verwendung von pcb-rnd(freies Layoutprogramm) kann ein Kicad Layout in hyperlynx konvertiert werden.

Man importiert also die Layoutdaten mit der openEMS-hyperlynx-Schnittstelle und kann dann mittels der Matlab/octave api von openEMS auf Bauteil-Pads zugreifen. So ist es möglich passive Bauteile und Erregungs- bzw. Mess-Schnittstellen für die Simulation zu platzieren. Allerdings muss man die 3-dimensionale Struktur natürlich so einfach wie möglich halten, da der Rechenaufwand sonst schnell unüberwindbar wird.

Abb.3 Simulation der Induktivität

$\large L=\frac{101.7 \Omega}{2*\pi*13.56*10^6*1/s}=1.2\mu H$

Anpassung auf 50 $\Omega$

Siehe Ti sloa135a

Für die verschiednen Datenübertragungsraten wird eine Bandbreite von 2MHz gewählt:

$Q=F_0/BW=13.56MHz/2MHz=6.78$

$\large Q=R_p/X_l=\frac{R_p}{2*π*13.56MHz*1.2μH}$

$\large R_p=720\Omega$

Der Parallelwiderstand muss also mindesten 720 $\Omega$ haben.

Abb.4 Smithchart der Simulation 13-14MHz

Im Smith-Chart (Abb.4) an Punkt 1 ist die Antenne ohne Anpassung $(0.4+101.7*i) \Omega$. Eine Parallel-Kapazität rotiert die Impedanz zu Punkt 2. Ein Parallel-Widerstand von $910\Omega$ verschiebt die Impedanz nach Punkt 3 und eine Serien-Kapazität rotiert die Impedanz in das Zentrum des Smith-Chartes.

Feldstärke

Für eine gute Kommunikation ist eine Feldstärke von rund $100mA/m$ notwendig.

Analytische Lösung der Feldstärke für eine rechteckige Spule mit 4 Windungen, wobei mittlere Kantenlängen a,b angesetzt werden. Des weiteren kann der Strom durch die Spule bei dieser Topologie und dem ermittelten Anpassungsnetzwerk auf ca. 80mA beziffert werden.

$\large H=4*\frac{2\cdot I\cdot a\cdot b\cdot \left( 8\cdot {{z}^{2}}+{{b}^{2}}+{{a}^{2}}\right) }{\pi \cdot \left( 4\cdot {{z}^{2}}+{{a}^{2}}\right) \cdot \left( 4\cdot {{z}^{2}}+{{b}^{2}}\right) \cdot \sqrt{4\cdot {{z}^{2}}+{{b}^{2}}+{{a}^{2}}}}$

Abb.5 Feldstärke A/m im Zentrum der Spule in Richtung Z

Womit sich eine sichere Lesereichweite von 40-50mm ergibt.

Messungen

to be done