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
Und hier ein Magloop-Rechner, der den Strom im Resoanzfall anzeigt: http://www.66pacific.com/calculators/small_tx_loop_calc.aspx Bin dann mal rechnen ...
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 | |
13 | // 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).
Effe schrieb: > Dazu > dieses Scilab-Skript (Freier matlab-Clone): Die Wurzel hat gefehlt:
1 | // calculation of maximal rf power |
2 | // http://www.iks.tugraz.at/lehre/unterlagen/rfid-systems/3-nahfeld-grundlagen |
3 | |
4 | H = 0.001 // limit: 60dB(uA/m) = 1mA/m |
5 | |
6 | lamb = 300/13.56 // wavelength (13,56MHz) |
7 | r = 10 // distance |
8 | rant = 0.5 // antenna radius |
9 | n = 1 // number of loop turns |
10 | |
11 | |
12 | // coaxial layout |
13 | |
14 | m = H * (2 * %pi *(lamb^2) * (r^3))/(sqrt((lamb^4 + lamb^2 * r^2))) |
15 | |
16 | // antenna current |
17 | iant = m / (rant^2 * %pi * n) |
Output mit den Werten im Quellcode:
1 | -->m = H * (2 * %pi *(lamb^2) * (r^3))/(sqrt((lamb^4 + lamb^2 * r^2))) |
2 | m = |
3 | |
4 | 5.7254787 |
5 | -->// antenna current |
6 | -->iant = m / (rant^2 * %pi * n) |
7 | iant = |
8 | |
9 | 7.2899059 |
Also ca. 7A Strom in der Loopantenne.
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!
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DL7LA_Sniffer.JPG
320 KB
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 ;-)
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