Modellierung von HF Schleifenantennen und ihre Anwendung bei der RFID Systemoptimierung

Transkript

1 1 Modellierung von HF Schleifenantennen und ihre Anwendung bei der g Wei Lin Bernd Geck Christian Lanschützer Hermann Eul Institut für Hochfrequenztechnik und Funksysteme Prof. Dr. Hermann Eul

2 2 Index 1. Zielsetzung 2. Modellierung 3. Systemoptimierung 4. Messung 5. Zusammenfassung

3 3 Index 1. Zielsetzung 2. Modellierung 3. Systemoptimierung 4. Messung 5. Zusammenfassung

4 4 RFID System Data PICC: Proximity Integrated Circuit Card PCD: Proximity Coupling Device

5 5 Vereinfachtes Ersatzschaltbild des RFID-Systems M Rcoil C2=Ccoil+Cic L1 Lcoil Ccoil U2 Cic Ric PCD-Spule Spule IC

6 6 Index 1. Zielsetzung 2. Modellierung 3. Systemoptimierung 4. Messung 5. Zusammenfassung

7 7 Verifizierung der L C Parallelschaltung Vergleich der äquivalenten Induktivität einer L C Parallelschaltung mit Messdaten

8 8 Verschiedene Methoden Formeln und Tabellen F. W. Grover, Inductance Calculations-Working Formulas and Tables. USA: Dover Publications, Inc., Vereinfachung Rechnergestützte Analyse durch Diskretisierung Exakte Formel für vereinfachte Spulen entwickeln und auf dieser Basis Geometriefaktoren einführen

9 9 Spulengeometrie b a D w g h d p

10 10 Skin Effekt Dass der AC Widerstand eines Leiters mit der Frequenz steigt, wird als Skin Effekt bezeichnet MHz

11 11 Die exakte Lösung für einen runden Leiter 1 δ = mm für Kupfer bei MHz π fµ σ 0 k = 2 δ 1 ber( kr) bei'( kr) bei( kr) ber'( kr) Rskin = 2 2 2π rσδ { ber'( kr) } + { bei'( kr) } Rskin Skin _ factor = R dc ber(), bei(): Realer und imaginärer Teil der Bessel Funktion der ersten Art

12 12 Vergleich der simulierten Daten mit der exakten Lösung Die exakte Lösung: d(mm) k*r Skin_faktor skin factor Simulationsdaten: d(mm) Skin_faktor d (mm) Curve fitting Formel für Berechnung des Skin_faktors

13 13 Skin Effekt 17.5 um 0.2 mm MHz

14 14 Proximity Effekt Wenn mehrere Leiter nebeneinander liegen, wird die Stromdichteverteilung eines Leiters durch das magnetische Feld der nebenbei liegenden Leiter beeinflusst. Dieses Phänomen wird als Proxmity Effekt bezeichnet. Pitch=0.4 Pitch=0.3mm Pitch=0.5 Pitch=0.2mm d=0.112 mm

15 15 Hochpräzise Spulen

16 16 Vergleich mit den Messdaten Laserstrukturierte rechteckige Spulen: N coil : 3 a: 72mm b: 42mm w (um) g (um) R_m (Ohm) R_c (Ohm) Diff (%) L_m (uh) L_c (uh) Diff (%) C_m (pf) C_c (pf) Diff (%)

17 17 Index 1. Zielsetzung 2. Modellierung 3. Systemoptimierung 4. Messung 5. Zusammenfassung

18 18 Ansprechfeldstärke H min = u 2 ωl R coil ic + ωr coil ( C coil 2 + Cic ) + 1 ω L ωµ A N 0 2 eff c coil ( C coil + C ic ) + R R coil ic 2 u 2 = 4 V Im Modell verwendeter Aktivierungspegel IC Parallelschaltung von einem Widerstand und einer Kapazität

19 19 Parameterkombinationen x: Geeignete Parameterkombination. a,b: Spulenlänge und breite Nc: Windungszahl d: Drahtdurchmesser p: Pitch

20 20 Ansprechfeldstärke vs. Nc Parameter Anfanfagswert Tuning parameter berechnen Hmin berechnen Plot Parameter ändern a=80mm b=48mm d=0.112mm p variiert

21 21 Ansprechfeldstärke vs. Cic (1) a=80 mm b=48 mm w=0.2 mm Nc, g variiert Cic=49 pf Nc=4

22 22 Ansprechfeldstärke vs. Cic (2) g=2.47 mm Optimaler Wert: Cic=49 pf Nc=4 g=2.47 mm

23 23 Index 1. Zielsetzung 2. Modellierung 3. Systemoptimierung 4. Messung 5. Zusammenfassung

24 24 Wahl der Messspulen Sieben TestSpulen sind produziert

25 25 Messeinrichtung

26 26 Messergebnis bei Ric=470 Ohm Nr Nc Gap (mm) Measured (A/m) Calculated (A/m) Diff. (%)

27 27 Messergebnis bei Ric=5560 Ohm Nr Hmin Measured (A/m) Hmin Calculated (A/m) Error (%)

28 28 Index 1. Zielsetzung 2. Modellierung 3. Systemoptimierung 4. Messung 5. Zusammenfassung

29 29 Zusammenfassung Präzise Beschreibung der Spulen Feldtheoretische Untersuchung Genaue Simulationsdaten Systemoptimierung Verifiziert mit Messung

30 30 Literatur F. W. Grover, Inductance Calculations-Working Formulas and Tables. USA: Dover Publications, Inc., G. Spahlinger, Eine Näherungsformel zur Bestimmung der Induktivität von flachen Spulen, AEÜ, Band 39, Heft 1, 1985 T.Takano, S. Hayano, and Y. Saito, Coil impedance computation having arbitrary geometrical shape, IEEE, M. A. Bueno and A.K.T.Assis, A new method for inductance calculations, J. Phys. D: Appl. Phys , Microchip, Appl. Note 710. N. Klemmer, Inductance Calculations for MCM System Design and Simulation, IEEE, H. A. Wheeler, Inductance Formulas for Circular and Square Coils, in Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 12, R. Lundin, A Handbook Formula for the Inductance of a Single-Layer Circular Coil, IEEE, J.D.Jackson, Klassische Elektrodynamik. Berlin: Walter de Gruyter & Co., F. Ollendorff, Berechnung magnetischer Felder. Wien: Springer-Verlag, R. L. Stoll, The analysis of eddy currents. Oxford: Clarendon press, N. W. McLachlan, Bessel functions for engineers. Oxford: At the Clarendon press, Finkenzeller, K.: RFID-Handbuch. München: Carl Hanser Verlag, 2002