Gütefaktor einer RFID-Reader-Antenne

[E. K. (eyuep)]

Hallo Leute,

Seit kurzem beschäftige ich mich mit der Hochfrequenztechnik und 
versuche eine induktive gekoppelte RFID-Antenne zu basteln. Ich 
simuliere die Antenne mit ADS und bin dabei auf ein Problem gestoßen, 
den ich seit Wochen nicht lösen kann: ich habe ein ziemlich schlechten 
Gütefaktor (Q). Mit Werten wie Impedanz, S-Parameter und Induktivität 
der Spulenantenne bin ich zufrieden. Nur der Gütefaktor will einfach 
nicht den Wert annehmen, den ich mir wünsche. Ich versuche seit Wochen 
die Bandbreite meiner Antenne zu schrumpfen (da ja lediglich 
Q=f0/Bandbreite) um ein größeres Q zu erzielen, doch ich komm einfach 
nicht drauf, wie ich das machen soll. Ich habe versucht sowohl die 
Geometrie als auch die Parameter des Anpassnetzwerks der Antenne zu 
ändern, konnte aber keine Besserung des Gütefaktors feststellen. Die 
Operationsfrequenz liegt bei 13.56 MHz. Ich habe eine Gesamtimpedanz von 
50 Ohm und die Induktivität liegt bei 5.8 µH. Oben im Bild (rechts) 
könnt ihr den Verlauf des S-Parameters sehen und die Bandbreite ablesen.

Könnte mir jemand weiter helfen? Was mach ich falsch? Ist dies etwa der 
bestmöglich Gütefaktor (für L=5.8 µH, Z=50 Ohm und f=13.56 MHz), oder 
kann man durch diverse Techniken ein besseren Gütefaktor erzielen?

[Pandur S. (jetztnicht)]

Naja, weniger Verluste. Das L und das C sollten in einem vernuenftigen 
Verhaeltnis stehen. Und deine 5.8uH mit den 23pF stehen eben nicht in 
einem vernuenftigen Verhaeltnis. Mach das C groesser, das L kleiner. Was 
willst du mit den 50 Ohm ? Du erwartest nicht, dass der Schwingkreis 
grad an 50 Ohm passt, oder doch ? Neee. Tut er natuerlich nicht.

Und.. haben die Komponenten die richtigen Spezifikationen. zB ist das C 
hinreichend spannungsfest. Die Spannung skaliert mit Wurzel Q

[Hp M. (nachtmix)]

Eyüp K. schrieb:
> ur der Gütefaktor will einfach
> nicht den Wert annehmen, den ich mir wünsche

Welcher wäre das?

Im Übrigen denke ich, dass ein Q von knapp 10 hinkommt: omega*L = 477 
Ohm
Q=477/50 = 9,5

[E. K. (eyuep)]

Hp M. schrieb:
> Eyüp K. schrieb:
>> ur der Gütefaktor will einfach
>> nicht den Wert annehmen, den ich mir wünsche
>
> Welcher wäre das?
>
> Im Übrigen denke ich, dass ein Q von knapp 10 hinkommt: omega*L = 477
> Ohm
> Q=477/50 = 9,5

Ein Q im Bereich von 5-10 wäre schön. Allerdings dachte ich, dass bei
der Formel Q=wL/R das R der Drahtwiderstand der Spule ist, nicht der
parallel geschaltete Widerstand (vom Anpassnetzwerk). Der
Drahtwiderstand beträgt etwa 4 Ohm. Somit erhalte ich ein anderes Q.
Außerdem steht das Ergebnis im Widerspruch zu Q=f0/Bandbreite bzw. die
Bandbreite im Graph ist zu groß.

Außerdem wäre das Q vom Gesamtsystem, also mit Anpassnetzwerk, doch
0,008/50 statt 477/50 (siehe impedance-angabe im Bild).

Oder irre ich mich?

[Pandur S. (jetztnicht)]

Jetzt vergesst doch mal diese 50 Ohm. Das mag zwar die Quellenimpedanz 
eines ueblichen Generators sein, aber nicht die Impedanz eines 
Schwingkreises. Der Schwingkreis wird ueber ein C oder einen Trafo 
angekoppelt, und kann irgendwas sein.

Das maximale Q ist in der Tat der Verlustwiderstand des Schwinkreises, 
aber moeglicherweise muss man das Q reduzieren, wenn man mehr Bandbreite 
braucht. Die Seitenbanden bei 13.56MHz Tags sind glaub bei 100kHz oder 
so, ich muesst nachschauen, das wuerde das Q auf 130 oder so limitieren.

[Hp M. (nachtmix)]

Eyüp K. schrieb:
> Oder irre ich mich?

Kommt auf die Schaltung an.
Ich war von einer R-L-C Reihenschaltung ausgegangen, wobei L und C 
verlustfrei sind und R mit 50 Ohm der Widerstand des Generators ist.

Aber vielleicht zeigst du mal deine Schaltung und schreibst, was du 
wirklich erreichen willst.

[./. (Gast)]

Eine simple Schleife aus RG58 mit passender Anpassung und
passendem Kondensator ist bereits zu 'gut' und muss
mit einem Widerstand breitbandiger gemacht werden.

Verschwende also nicht zuviel Energie darauf...

[Günter Lenz (Gast)]

Eyüp Karakoc schrieb:
> ich habe ein ziemlich schlechten
>Gütefaktor (Q).

Wie sieht denn die Antenne aus? Mach mal ein Foto oder
beschreibe sie mal. Durchmesser, Anzahl der Windungen
Drahtquerschnitt? Die Güte wird immer dann besser, wenn
wenn man die Verluste verringert, und hängt auch noch von
der Anpassung ab. Die Leerlaufgüte ist immer besser als
die Betriebsgüte.

[Günter R. (guenter-dl7la)]

Nur als Anmerkung: Eine gute Antenne hat durchaus eine niedrige 
Betriebs-"Güte", wenn man überhaupt da von Güte reden sollte, besser 
wäre die Angabe des Rückflusses also des s11 oder meinetwegen auch des 
SWR. Gerne/oft so formuliert: Die Antenne als Wellentypwandler soll 
möglichst viel der zugeführten Energie an den "Strahlungswiderstand" - 
sprich das gewünschte räumliche Zielgebiet - abgeben (im Empfangsfall 
dann halt umgekehrt).

Dem steht (im Gegenteil sogar) nichts dagegen, dass das Leitermaterial 
der Antenne verlustarm ist.

[E. K. (eyuep)]

Ich habe eine planare quadratische Antenne mit der Länge 60mm x 60mm, 8 
Windungen. Die Dicke des Kupfers beträgt 35µm, die Weite 0,4mm und der 
Abstand zwischen den Leitungen 1,2mm.


Die Beschaltung könnt ihr im Bild sehen. Das war die bestmögliche 
Dimensionierung, die ich erreichen konnte.

Und meine Frage ist nun, ob man eine kleinere Bandbreite bzw. eine 
bessere Güte erreichen kann. Oder ist das das bestmögliche Ergebnis und 
ich soll mich zufrieden geben?

[dfIas (Gast)]

E. K. schrieb:
> Ich habe eine planare quadratische Antenne mit der Länge 60mm x 60mm, 8
> Windungen. Die Dicke des Kupfers beträgt 35µm, die Weite 0,4mm und der
> Abstand zwischen den Leitungen 1,2mm.
>
>
> Die Beschaltung könnt ihr im Bild sehen. Das war die bestmögliche
> Dimensionierung, die ich erreichen konnte.
>
> Und meine Frage ist nun, ob man eine kleinere Bandbreite bzw. eine
> bessere Güte erreichen kann. Oder ist das das bestmögliche Ergebnis und
> ich soll mich zufrieden geben?

47 Ohm, 22 pF, 5,8 µH => 14 MHz, Q = 0,091
47 Ohm, 22 nF, 5,8 nH => 14 MHz, Q = 91

Wenn das L, insbesondere auch die 8 Windungen, so vorgegeben ist, kann 
man natürlich nichts dran drehen. Die Frequenz muss ja passen. 
Allerdings habe ich das mit der Anpassung des Gebildes an den TRX und ob 
die 47 Ohm einzig von dort kommen auch noch nicht verstanden ...

[Günter R. (guenter-dl7la)]

Du hast jetzt einen Parallelschwingkreis auf um etwa 13 MHz hochohmig 
(nur auf der HF-Tapete grob überschlagen) mit 47Ω parallel bedämpft. 
Damit hat man zwar Anpassung an einen 50Ω-Generator, aber wieviel von 
der Spannung vom Schwingkreis abgestrahlt wird, hängt von seinen 
mechanischen Abmessungen ab. Bei 6 x 6 cm und einer Wellenlänge von grob 
22 m dürfte das nicht allzuviel sein. Andererseits reicht das 
vielleicht, wenn dein Empfänger ausreichende Empfindlichkeit hat oder 
der Sender ausreichende Leistung (und der 47Ω das aushält).

Eventuell wirst du mit dem Problem "gute Abstrahlung trotz kleiner 
Antennenabmessungen" bei den sogenannten "magnetischen Antennen" der 
Funkamateure auch fündig.

Bei dir wird jedenfalls ein ziemlicher/der groeszte Teil der 
Sendeleistung in den 47Ω verbraten.

[Günter Lenz (Gast)]

E. K. schrieb:
>Und meine Frage ist nun, ob man eine kleinere Bandbreite bzw. eine
>bessere Güte erreichen kann.

Ja, kann man, in dem du den 47 Ohm Widerstand weglässt.
Wenn dein TRX 50 Ohm sehen möchte, mach bei der Spule
eine Anzapfung, vielleicht bei einer Windung, oder
den Schwingkreiskondensator als kapazitiven Spannungsteiler.
Die Schwingkreiskapazität würde ich auch größer machen
und die Induktivität kleiner, also weniger Windungen.

[Günter R. (guenter-dl7la)]

Dem schließe ich mich an, und noch was...
:
>> Ich habe eine planare quadratische Antenne mit der Länge 60mm x 60mm, 8
>> Windungen. Die Dicke des Kupfers beträgt 35µm, die Weite 0,4mm und der
>> Abstand zwischen den Leitungen 1,2mm.
>>

...könnte man die Leiterbahnen nicht sowieso breiter als 1,2 mm machen, 
bei nur 8 Windungen ist doch noch viel Platz auf (60 x 60 )mm². 
Irgendwie passt da was nicht. Breitere Leiterbahnen senken die 
Cu-Verluste (Skineffekt vermindert) und größere Abstände auch 
(verminderter Proximity-Effekt).