HF -Transponder -Technologie - rfid-systems.atrfid-systems.at/07_HF_Transponder_Technologie_2011.pdf · RFID Systems Seite 4 Funktionen im Transponder -Chip im Überblick Der Transponder

HFHF--TransponderTransponder--TechnologieTechnologie

Vorlesung RFID SystemsMichael GebhartTU Graz, Sommersemester 2011

Seite 2RFID Systems

InhaltInhalt

Energiebetrachtung für den Transponder• Spannung an unbelasteter Antenne• Spannung am realen Transponder• Ansprechfeldstärke• Transponder-System-Eigenschaften: Messung der Resonanzfrequenz und der Güte

Quasi-Statische Rückwirkung auf den Reader, „Card Loading“• Strom in der Transponder-Antenne• Magnetisches Moment als Funktion von H• Magnetisches Moment als Funktion der Transponder-Spannung• Dem Reader entnommene Leistung

Leistung für den Transponder-Chip

Spezialfälle• Mehrere Transponder im Reader-Feld• Kleine Transponder-Antennen: Energiebetrachtung• Erhöhung der Lastmodulation

• Topologie mit Parallelkapazität

• Topologie mit Serienkapazität

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Seite 3RFID Systems

Ein paar Überlegungen zumEin paar Überlegungen zumAnalogAnalog--FrontendFrontend

Seite 4RFID Systems

Funktionen im TransponderFunktionen im Transponder--Chip im ÜberblickChip im ÜberblickDer Transponder kann in den Analog- und Digitalteil unterteilt werden.

Der Analogteil ist für die Luftschnittstelle wesentlich und stellt für den Betrieb des Digitalteils nötige Voraussetzungen zur Verfügung.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Transponder-Karte, Smart Label

Transponder

Chip

Schleifenantenne

Analog-TeilTaktgewinnung

Spannungsregler

Modulator,

Demodulator

Digital-Teil

Encoder,

Decoder

Rahmenbildung

CRC

Zugriffs-

Steuerung

CPU

Daten

Speicher

Analogteil:

Überspannungsschutz,

Resonanzkapazität,

Taktgewinnung (aus 13,56 MHz Träger),

Spannungsregler (vulgo Limiter),

Demodulator für Reader-Kommandos,

Modulator für Lastmodulation

Digitalteil:

Decoder (erkennt Reader-Kommandos),

Encoder (für Flussrichtung Transponder => Reader),

Rahmenbildung für Datenübertragung (Puffer...),

Fehlersicherung (je nach Protokoll z.B. CRC),

Zugriffs-Steuerung (auch Rechte, Verschlüsselung,...),

Programm- und / oder Datenspeicher

Seite 5RFID Systems

Versorgung des Chips aus dem FeldVersorgung des Chips aus dem Feld

Da eine geringe Leistungsaufnahme bei Transpondern ein Schlüsselkriterium ist, werden Schaltungen in MOS-Technologie integriert.

Die Antenne des Transponders sieht im Betrieb sehr unterschiedliche H-Feldstärken, während der Digitalteil des Chips mit einer konstanten Spannung betrieben werden soll. Als erster Schritt ist daher eine Regelschaltung zur Begrenzung der Spannung wichtig. Zugleich muss diese Schaltung sinnvoll so implementiert sein, dass wichtige Regeln im Chip-Design eingehalten werden.

Als Ausgangspunkt der Überlegung kann die Antenne im Feld als Konstantstromquelle für den Chip betrachtet werden.

Einerseits möchte man bei geringer H-Feldstärke schon die zum Betrieb des Chips nötige Spannung erreichen. Andererseits muss bei höherer Feldstärke die Verlustleistung am Chip möglichst gering gehalten werden, da die integrierten Strukturen sehr klein sind und sich nicht zu sehr erhitzen dürfen. Die Verlustleistung ist hier etwa proportional zur Spannung bzw. zum Strom an den Antennen-Anschlüssen (nicht quadratisch proportional!).

Man möchte daher nicht nur die Spannung (hinter dem Eingangsgleichrichter) für den Digitalteil, sondern auch die Spannung an den Antennenanschlüssen (über einen weiten Feldstärkebereich) möglichst konstant halten. Daher sucht man nach einer möglichst guten Kontrolle über diese Eingangsspannung, nach einer Regelschaltung.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Seite 6RFID Systems

Versorgung des Chips aus dem FeldVersorgung des Chips aus dem Feld

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Seite 7RFID Systems

EingangsgleichrichterEingangsgleichrichter

Der Eingangsgleichrichter der Schaltung besteht aus n-Kanal-MOS-FETs des Anreicherungstyps, welche auf zwei unterschiedliche Arten betrieben werden:

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Q1, Q2, Q6 und Q7 werden als MOS-Dioden betrieben. Sie arbeiten somit als Dioden, weisen jedoch gegenüber einer PN-Diode eine flachere Kennlinie auf.

Kennlinie der PN-Diode ~ ex,

Kennlinie der MOS-Diode ~ x²

Die Kennlinie der MOS-Diode erlaubt damit bei geringem Strom (in geringerem Feld) eine etwas größere Ausgangsspannung als die PN-Diode, hat jedoch bei größerem Strom im Vergleich zur PN-Diode eine geringere Ausgangsspannung.

Gate

Source

Drain

Bulk

Seite 8RFID Systems

EingangsgleichrichterEingangsgleichrichterQ3 und Q4 hingegen werden als echte Schalter betrieben, die von der Wechselspannung des jeweils anderen Antennenanschlusses auf natürliche Weise gesteuert werden. An diesen beiden Transistoren fällt daher fast gar keine Spannung ab.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Hinweis: Beim Standard-CMOS-Chip Design ist das Substrat immer auf GND gelegt. Es ist eine wichtige Regel, dass am gesamte Chip keine negativere Spannung als am Substrat auftreten darf, da sonst parasitäre Transistoren aufgesteuert werden könnten, die in der Halbleiter-Schichtstruktur immer vorhanden sind!

Q1, Q2, Q6 und Q7 könnten prinzipiell auch geschaltet werden, jedoch

als N-MOS-Anreicherungstyp wäre dafür eine Steuerspannung nötig, die über der Drain-Ausgangsspannung liegt (=> woher kommt die höhere Spannung, bei geringem Feld?),

ausgeführt als P-MOS-Anreicherungstyp wäre Schalten möglich, jedoch besteht bei „make before breake“ auch die Gefahr von Querströmen, die dem Transponder wieder Leistung entziehen.

Seite 9RFID Systems

Regelschaltung für KonstantspannungRegelschaltung für Konstantspannung

Um nun die Spannung „außen“ an den Chip-Anschlüssen zur Antenne, und „innen“ zum Digitalteil hin konstant zu halten, bedient man sich einer Regelschaltung mit Operationsverstärker und steuerbarem Shunt-Widerstand.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Im Betrieb des Transponders kann (normalerweise aus einer Bandgap-Referenzquelle) eine sehr konstante (unveränderliche) Spannung als Referenz für den Operationsverstärker erzeugt werden. Der Operationsverstärker vergleicht nun die Spannung für den Digitalteil des Chips (welche durch einen Spannungsteiler geeignet heruntergeteilt wurde) mit der Konstantspannung.

Steigt die Spannung für den Digitalteil etwas an, so wird Q5 als regelbarer Shunt etwas niederohmiger, es fließt über ihn etwas mehr Strom nach GND ab. Da wir die Antenne im Feld als Stromquelle betrachten, übernimmt der Zweig mit dem Shunt also das Mehr an Strom, und die Spannung für den Digitalteil bleibt idealerweise konstant.

Fällt die Spannung für den Digitalteil etwas ab, so wird der regelbare Shunt hochohmiger, es fließt weniger Strom über diesen Zweig, somit kann die Spannung am Digitalteil (ideal) wieder auf den alten Wert ansteigen.

Seite 10RFID Systems

Regelschaltung für KonstantspannungRegelschaltung für Konstantspannung

Man kann die Schaltung daher auch als einen Knoten auffassen, in den ein veränderlicher Strom von der Antenne her einfließt, und aus dem einerseits ein konstanter Strom ausfließt (Zweig zum Digitalteil), andererseits ein zweiter Zweig mit veränderlichem Strom, der alles über den vom Digitalteil benötigten Strom hinaus gegen GND abfließen läßt.

Interessant ist nun noch der Aspekt, dass nicht nur die Spannung nach „innen“, zum Digitalteil hin konstant gehalten wird (unter der Annahme, dass der Digitalteil konstanten Strom verbraucht), sondern ebenfalls die Spannung nach „außen“, an den Antennenanschlüssen. Zwischen diesen beiden Spannungen liegt der Spannungsabfall an Q6 / Q7. Wenn wir jedoch konstanten Strom zum Digitalteil hin annehmen, werden diese beiden MOS-Dioden immer im selben Arbeitspunkt betrieben. Der Spannungsabfall über sie bleibt daher - unabhängig vom Antennenstrom - gleich, und wird durch die MOS-Diode und den Strom zum Digitalteil hin bestimmt.

Der Regelbereich wiederum ist durch den Spannungsabfall an Q1/2 + Q5 bestimmt. Wenn (bei hoher Feldstärke) der Strom im geregelten Zweig so groß wird, dass alle Spannung an Q1/2 abfällt, kann nicht mehr geregelt werden, und die Spannung am Antennenanschluss steigt wieder an.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Regelung der Versorgungsspannung (für Digitalteil)Regelung der Versorgungsspannung (für Digitalteil)Iconst

IVAR

IANT


Taktgewinnung (für Digitalteil)Taktgewinnung (für Digitalteil)Der Takt kann vorteilhaft direkt aus dem H-Feld, aus der 13,56 MHz Trägerfrequenz abgeleitet werden. Für niedrige Taktfrequenzen wird dazu lediglich ein Komparator und gegebenenfalls mehrere Teiler-Stufen benötigt. Für höhere Taktfrequenzen kann beispielsweise eine PLL verwendet werden.


Demodulator (für ReaderDemodulator (für Reader--Kommando)Kommando)Es gibt verschiedene Demodulator-Konzepte, der Demodulator könnte direkt auf die Eingangsspannung schauen, oder auf die Regelspannung bzw. den Regelstrom. Es kann ein Komparator oder ein ADC eingesetzt werden, meist wird eine Referenzspannung mit längerer Zeitkonstante dem Feld nachgeregelt.


Modulator (für Lastmdodulation)Modulator (für Lastmdodulation)Moduliert werden kann vor oder nach dem Eingangsgleichrichter, es kann die Resonanzkapazität C1 verändert werden, oder wie hier dargestellt, in einem weiteren Zweig ein durch die Modulation veränderlicher Strom eingeführt werden.


EnergiebetrachtungEnergiebetrachtung fürfür den Transponderden Transponder

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Spannung an unbelasteter AntenneSpannung an unbelasteter Antenne

Nehmen wir ein magnetisches Wechselfeld (Sinus-Schwingung). Die induzierte Spannung in eine leerlaufende Schleifenantenne ergibt sich nach

ω...............Träger-Kreisfrequenz

N................Windungszahl

AW.............Antennenwirkfläche

µ................Permeabilität

H................Feldstärke (homogenes Feld)

cosα...........Winkel Antennen-Achse zu Feldvektor

( ) ( )

[ ] ( ) ( )[ ] ωµωω ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅=⋅Φ=→

Φ−=

ANHABU

dt

tdtu

Wi

i

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

H

α

Haben wir außerdem einen Winkel zwischen Feld-Richtungsvektor und der Antennenfläche, so wirkt nur die Projektionsfläche der Antenne

αµω cos⋅⋅⋅⋅⋅= HANU i


Spannung an unbelasteter AntenneSpannung an unbelasteter Antenne

Haben wir ein Resonanzsystem, so spielt auch die Güte in dem System entscheidend mit. Die induzierte Spannung erhöht sich um die Systemgüte.

Allgemein ergibt sich die Güte als während einer Periodendauer im System gespeicherte Energie (elektrische Energie der Kapazität oder magnetische Energie der Induktivität) pro Verlustleistung.

Mit Resonanzfrequenz an der Trägerfrequenz kann man die überhöhte Spannung (Amplitude, Effektivwert bei Sinussignal) an einer Transponder-Antenne vereinfacht so darstellen

QT...............Güte des Transponderschwingkreises

(im Betrieb)

Für andere Resonanzfrequenzen ist noch eine genauere Betrachtung des Netzwerkes erforderlich:

αµω cos⋅⋅⋅⋅⋅⋅= HQANU Ti

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Q

IL

Q

iL

Q

WP

Q

CU

Q

Cu

Q

WP

PLeistung

WEnergieQ

LLM

effCCE

22

2

,2

2

2

ωωω

ωωωω

===→

===→=


Spannung am realen Transponder (I)Spannung am realen Transponder (I)

Sehr vereinfacht kann die Antenne und die induzierte Spannung, sowie die wesentlichen Elemente des Transponderchips, wie in folgendem ESB dargestellt werden:

1

1

+++

+=

CC

CAA

CC

C

i

C

CsR

RsLR

CsR

R

U

U

sC

1sLR

Cj

Cj ωω11

−=LjωR

Impedance Laplace

Fourier

L R

C R

Antenne Chip

u uCi C C

A A

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Spannung am realen Transponder (II)Spannung am realen Transponder (II)

Die Gleichung wird umgeformt und vereinfacht.

++

⋅

+++

+⋅=

1

1

1

1

CC

CC

CC

CAA

CC

C

iCCsR

CsR

CsR

RsLsR

CsR

R

UU

( ) ( )C

C

CCCAA

CiC

R

R

RCsRsLR

RUU

1

1

1⋅

++⋅+⋅=

An dieser Stelle kann man s durch jω ersetzen.( )

ωjs

RsCsLR

UU

C

CAA

iC →

+

+⋅+

⋅=

11

1

Die Gleichung wird umgeformt und vereinfacht.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Spannung am realen Transponder (III)Spannung am realen Transponder (III)

Wenn man den Transponder-Stromvernachlässigt...( )

C

C

C

CAA

iC CjR

mit

RCjLjR

UU ωωω

<<

+

+⋅+

⋅=1

11

1

22

1

1

1

RES

CA

CAAC

iC CLmitCLRCj

UUωωω

≡+−

⋅=...und die Resonanz-Kreisfrequenz einsetzt...

ARES

CARES

A

RES

AC

iCL

CundQ

LRmit

RCj

UU2

0

2

2

1

1

1

ωω

ωω

ω

≡⋅

≡

−+

⋅=

unter Berücksichtigung der Antennen-Güte (unloaded Q-factor) folgt schließlich die Formel auf der linken Seite:

−+⋅

⋅=

2

2

0

11

1

RESRES

iC

Qj

UU

ωω

ωω

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Spannung am realen Transponder (IV)Spannung am realen Transponder (IV)

Für die Spannungsbeträge gilt somit für alle Resonanzfrequenzen (unter Vernachlässigung der Belastung durch den Chip):

−+⋅

⋅=

2

2

0

11

1

RESRES

iC

Qj

UU

ωω

ωω

Wenn man nun die Resonanz-Kreisfrequenz ωRES der Trägerkreisfrequenz ω gleichsetzt und kürzt, erkennt man den eingangs erwähnten Spezialfall

( )iiC UQ

Qj

UU ⋅=

+⋅

⋅= 0

0

01

1

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Ansprechfeldstärke (I)Ansprechfeldstärke (I)

• rechnen die parasitäre parallele Antennenkapazität zur Kapazität von Chip und Verbindung

• rechnen den parallelen Antennen-Wirkwiderstand (an 13,56 MHz) zum Chip-Widerstand

• die parallele Induktivität der Antenne setzen wir gleich der seriellen Induktivität LA

dann folgt mit der vorangegangenen Rechnung für die Spannung am Chip...

CONCHIPANTT CCCC ++=

CONCHIPANTT RRRR ////=

L

C R

Antenne Chip

u uCi T T

A

Betrachten wir nun den Transponder, ohne den Chip-Strom zu vernachlässigen, und

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

LRCRC

AntenneChip

C

Verbindung


Ansprechfeldstärke (II)Ansprechfeldstärke (II)

Wenn nur die Spannung, nicht aber die Phasenlage interessiert, kann der Betrag als Wurzel aus dem Quadrat der beiden Terme angeschrieben werden:

T

ARES

T

TRESRES

iCR

Lf

Qmit

Qf

f

f

f

UUπ

ππ

ππ

21

1

2

2

2

21

1

22

2

=

⋅+

−

⋅=

Wenn man die induzierte Spannung ui wieder auflöst, gilt somit für die Spannung am Chip-Eingang

+

−

=2

22

0

21

cos2

T

A

RES

C

R

Lf

f

f

NAHfU

π

αµπ

Alternativ läßt sich für die minimal nötige Spannung für die Funktion des Chip die benötigte Ansprech-Feldstärke Hmin anschreiben:

MINC

T

A

RES

MIN UNAf

R

Lf

f

f

H ,

0

22

2

cos2

21

⋅

+

−

=αµπ

π

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Ansprechfeldstärke (III)Ansprechfeldstärke (III)Für typische Werte hat die Ansprechfeldstärke Hmin über variierte Resonanzfrequenz fRES den folgenden typischen Verlauf

MINC

T

A

RES

MIN UNAf

R

Lf

f

f

H ,

0

22

2

2

21

⋅

+

−

=µπ

π

Die Resonanzfrequenz wird in diesem Beispiel über die Chip-Kapazität variiert.

Erkennbar sind

• optimale Energieaufnahme (geringstes Hmin) bei Resonanzfrequenz an der Trägerfrequenz

• Anstieg der für die Chip-Funktion benötigten Feldstärke ist bei zu niedriger Resonanzfrequenz viel stärker, als bei zu hoher Resonanzfrequenz

1.2 .107

1.25 .107

1.3 .107

1.35 .107

1.4 .107

1.45 .107

1.5 .107

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Resonanzfrequenz in Hz

Ans

prec

hfel

stär

ke in

A/m

L

C R

Antenne Chip

u uCi T T

A

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Ansprechfeldstärke über ToleranzAnsprechfeldstärke über ToleranzTypische Werte für 14443 kompatiblen Transponder (Rechenbeispiel):

f..............................13,56 MHz

LA............................6 µH

N.............................6 Windungen

A.............................0,003 m²

RT...........................5 kOhm

UC, MIN.....................4,5 VAC(eff)

CT...........................hier 18,7 ... 29 pF

Die integrierte Kapazität und die gefertigte Antenne haben eine Toleranz.

Um über die Produktstreuung optimale Ansprechfeldstärke zu erreichen, soll der nominelle Werte der Resonanzfrequenz etwas höher als die Trägerfrequenz liegen!

MINC

T

A

RES

MIN UNAf

R

Lf

f

f

H ,

0

22

2

2

21

⋅

+

−

=µπ

π

1.2 .107

1.25 .107

1.3 .107

1.35 .107

1.4 .107

1.45 .107

1.5 .107

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Resonanzfrequenz in Hz

Ans

prec

hfel

stär

ke in

A/m

+∆f-∆f

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Messung der AnsprechfeldstärkeMessung der Ansprechfeldstärke

• ISO/IEC 14443 kompatibler Controller-Chip

• 4-Windungs-Antenne des Reference PICC

• Kapazität parallel zum Chip variiert

Wie interpretieren wir das?

Minimum Operating H-field

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

12,06 12,56 13,06 13,56 14,06 14,56 15,06

(unloaded) resonance frequency in MHz

H-f

iele

in A

/m (

rms

)

4-turn Ref. PICC

Die „unloaded resonance frequency“ ist gegenüber der Resonanzfrequenz an der Ansprechfeldstärke verschoben! Ursache ist eine geringfügige Änderung der Kapazität im Chip.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Minimum Operating H-field

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

12,06 12,56 13,06 13,56 14,06 14,56 15,06

(unloaded) resonance frequency in MHz

H-f

iele

in A

/m (

rms)

4-turn Ref. PICC

2-turn Ref. PICC

Messung der AnsprechfeldstärkeMessung der Ansprechfeldstärke

• ISO/IEC 14443 kompatibler Controller-Chip

• 4-Windungs-Antenne und 2-Windungs-Antenne

• Die parallele externe Kapazität wurde an der 2-Windungsantenne entsprechend stark erhöht.


Die Güte des Transponderkreises an Hmin ist bei 2 Windungen höher. Bei Resonanzfrequenz an der Trägerfrequenz wird also weniger H-Feldstärke benötigt, jedoch steigt der Bedarf bei abweichender Resonanzfrequenz stärker an!

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


ChipChip--EigenschaftenEigenschaften Parallel input Capacitance Cp, 14443 compliant chip

15,8

16,0

16,2

16,4

16,6

16,8

17,0

17,2

17,4

17,6

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00

Input Voltage Level (V)

Ch

ip in

pu

t c

apac

itan

ce i

n p

F

Cp

Parallel input Resistance Rp, 14443 compliant chip

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00


Ch

ip in

pu

t re

sist

an

ce

in k

Oh

mRp

Dioden des Eingangsgleichrichterssind noch nicht leitend

=> kaum Stromaufnahme am Chip (nur Verluste an integrierter Kap.)

Dioden werden leitend,

Spannung steigt bis zurAnsprechfeldstärke

Spannungsbegrenzung(Limiter) am Chip beginnt zuarbeiten

=> Stromaufnahme steigt

L C

Antenna

R

AC

DC

VDC

CSHUNT

-dφdt

RX BRES

CHIP


Transponder SystemTransponder System--EigenschaftenEigenschaften

Eingangswirkwiderstand und Kapazität des Chips haben keinen festen Wert, sondern ändern sich mit der Spannung am Chip-Eingang.

Parasitäre Kapazität der Gleichrichter-Dioden variiert

=> Resonanzfrequenz variiert!

Widerstand der Gleichrichterdioden und Spannungsregler für den Digitalteil (Limiter) ändern den Eingangswirkwiderstand

=> Q-Faktor variiert!

Chip Input Capacitance Cp

15,8

16,0

16,2

16,4

16,6

16,8

17,0

17,2

17,4

17,6

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00

Coil Voltage Level (V)

Ch

ip i

np

ut

ca

pa

cit

anc

e in

pF

Cp

L C

Antenna

R

AC

DC

VDC

CSHUNT

-dφdt

RX BRES

CHIP

Parallel input Resistance Rp, 14443 compliant chip

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00


Ch

ip in

pu

t re

sis

tan

ce in

kO

hm

Rp

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


ResonanzfrequenzResonanzfrequenz--Messung Messung mitmit Agilent 4395A (I)Agilent 4395A (I)Gerät einschalten

• Preset

Verwendung als Impedanz-Analysator• Meas => Analyzer Type => Impedance Analyzer

Wahl der Frequenzbereiches 10 – 20 MHz• Start => 10 => MHz• Stop => 20 => MHz• Sweep => number of points => 801 => x1

Messung des Serienwirkwiderstands einstellen• Meas => More => Ser (Rs)

Gerät kalibrierenCal => Cal Kit => 3,5 mm => ReturnCal => Calibrate MenuKalibrierstandard am Meßadapter befestigen, festen Sitz des Adapters kontrollierenOpen, Short, Load, DoneKalibrierstandard als 50-Ohm Last angeschlossen lassen und Kalibrierung kontrollieren mitScale Ref => AutoscaleEs soll sich ein horizontaler Verlauf über der Frequenz ergeben. Andernfalls Prozedur wiederholen.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


ResonanzfrequenzResonanzfrequenz--Messung Messung mitmit Agilent 4395A (II)Agilent 4395A (II)Fixture (Meßadapter) kompensieren

Cal => Fixture Compen => Compen MenuID-1Kalibrierspule als Fixture mit SMA-Buchse befestigen=> Short, DoneKontrolle: Ebener Verlauf über Frequenz

Eigentliche Messung der ResonanzfrequenzTransponder in ca. 1 cm Distanz auf Fixture auflegenAmplitude bzw. Power Level passend einstellen...Marker => Search => MaxFrequenz an max. Wirkwiderstand ablesen

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Messung der Resonanzfrequenz und GüteMessung der Resonanzfrequenz und Güte

Die Resonanzfrequenz kann mit Impedanz-Analysator als Maximum des Serien-Wirkwiderstandes Rs gemessen werden.

Die Güte ergibt sich aus Resonanzfrequenz, geteilt durch die Bandbreite, welche durch die beiden Punkte mit den Werten Rs/2 gegeben ist.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Transponder SystemTransponder System--EigenschaftenEigenschaften

Messung der Resonanzfrequenz eines Transponders mit unterschiedlichen H-Feldstärken (hier als Leistung) zeigt die Variation in der Resonanzfrequenz und in der Güte.

Die Feldstärke für Hmin kann ungefähr abgeschätzt werden durch den unsymmetrischen Verlauf der Kurve und die starke Änderung der Güte (hier die beiden grünen Kurven).

START 10 MHz STOP 20 MHz

1 OHM / REF 4 OHMCH1 Rs

15 dBm 2,0540 Ohm 16,6250 MHz

10 dBm 2,8075 Ohm 16,8375 MHz

5 dBm 4,4739 Ohm 16,9000 MHz

0 dBm 6,6344 Ohm 16,9875 MHz

- 5 dBm 7,3512 Ohm 17,3375 MHz

- 10 dBm 7,9983 Ohm 17,4750 MHz

- 20 dBm 8,0005 Ohm 17,4625 MHz

Power Rs Frequency

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


QuasiQuasi--statische Rückwirkung auf den Readerstatische Rückwirkung auf den Reader“Card Loading”“Card Loading”

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Ersatzschaltbild und GrundüberlegungErsatzschaltbild und Grundüberlegung

Ausgangspunkt der Betrachtung ist die zuvor berechnete Eingangsspannung am Chip für das vereinfachte Transponder-Ersatzschaltbild, jedoch wird der Chip-Strom hier nicht vernachlässigt und Betriebsgüte QT verwendet:

L

C R

Antenne Chip

u uCi T T

A

−+⋅

⋅=

2

2

11

1

RESTRES

iC

Qj

UU

ωω

ωω

Der Transponder im Betrieb erzeugt ein eigenes H-Feld, welches in der Sendespule des Readers eine Spannung induziert und einen Strom treibt. Dieses H-Feld des Transponders läßt sich durch ein Magnetisches Dipolmoment beschreiben.

Für das magnetische Moment des Transponders ist wiederum der Strom in der Antennenspule entscheidend. Dieser wird daher im ersten Schritt ausgerechnet.

ANTENNEANTENNED IANM ⋅⋅=

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Spannungen im TransponderSpannungen im Transponder--ESBESB

Der Strom in der Antennenspule ergibt sich zu L

C R

Antenne Chip

u uCi T T

A

A

iCL

Lj

UUI

Z

UI

ω−

=→=

−⋅

−+⋅

⋅=ω

ω

ωω

ωω

REST

RESTRES

iC jQ

Qj

UU

2

2

11

1

( )αµω cos0 ANHjU i −=

−+

−⋅=

ωω

ωω

ωω

RES

RES

T

REST

iC

jQ

jQ

UU

1

Wir formen die Bedingung für die Chip-Spannung etwas um...

...und erhalten die beiden Spannungen uC=f(ui) und ui = f(H) als Zwischenergebnis.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Strom in der TransponderStrom in der Transponder--AntenneAntenneDer Strom in der Transponder-Antenne kann als Funktion der induzierten Spannung und der Chip-Eingangsspannung berechnet werden...

A

iCL

Lj

UUI

ω−

=

−+

−−−−

⋅=

−

−+

−⋅=

ωω

ωω

ωω

ωω

ωω

ωω

ωω

ωω

ω

ωRES

RES

T

RES

RES

TRES

T

A

i

RES

RES

T

REST

A

iL

jQ

jQjQ

Lj

U

jQ

jQ

Lj

UI

1

1

1

1

( )

−+

+⋅=

−+

+⋅=

ωω

ωω

ωω

ωαµω

ωω

ωω

ωω

ωRES

RES

T

RES

T

ARES

RES

T

RES

T

A

iL

jQ

jQ

Lj

ANHj

jQ

jQ

Lj

UI

1

1cos

1

10

... ausmultiplizieren, kürzen und ui nach der äquivalenten homogenen HREADER auflösen...

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Magnetisches Moment als Funktion von HMagnetisches Moment als Funktion von H

Der Strom in der Transponder-Antenne als Funktion des (äquivalenten homogenen) H-Feldes des Readers ergibt sich damit zu

( )

−+

+⋅=

ωω

ωω

ωω

αµ

RES

RES

T

RES

T

T

L

jQ

jQ

L

ANHI

1

1cos0

Das magnetische Moment ergibt sich damit als Funktion des H-Feldes des Readers

( )

−+

+⋅=

=⋅=

ωω

ωω

ωω

αµ

RES

RES

T

RES

T

T

LT

jQ

jQ

L

HNA

ANIM

1

1cos22

0

Als Vereinfachung bei Resonanzfrequenz gleich Trägerfrequenz und sehr hoher Güte ergibt sich daraus

( ) ( )T

T

T jQL

HNAM ⋅≈

αµ cos22

0

Das maximale magnetische Moment des Transponders ist damit

T

T

T QL

HNAM ⋅≈

22

0µ

Das unbekannte QT kann durch das bekannte Q0 angenähert werden, solange die Spannung am Transponder ungehindert mit ansteigendem Reader-Feld steigen kann!

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Magnetisches Moment als Funktion der Magnetisches Moment als Funktion der TransponderTransponder--SpannungSpannung

Die Spannung am Transponder wird im normalen Betrieb durch den Limiter begrenzt, der für den Digitalteil des Chip eine konstante Spannung zur Verfügung stellt, und über den Eingangsgleichrichter (Spannungsabfall!) auch die Wechselspannung am Eingang des Chip konstant hält, sobald der Mindest-Wert erreicht ist. Durch die Spannungsregelung wird die System-Güte QT vermindert.

ωω

ωω

ωω

ωω

ωω

ωω

REST

RES

RES

T

i

RES

RES

T

REST

iC

jQ

jQ

U

jQ

jQ

UU

−

−+

=→

−+

−⋅=

1

1

ωω

ωω

ωω

ωω

ωω

ω

ω RES

RES

T

T

C

REST

RES

RES

T

C

T

L

Q

jQ

L

U

jQ

jQ

ULj

I

+⋅−=

−

−+

−⋅⋅=11

11

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Magnetisches Moment als Funktion der Magnetisches Moment als Funktion der TransponderTransponder--SpannungSpannung

... neu anordnen mit

00

0 11

ωω

µµ

ωω

ωω

ω TREST

RES

T

T

CL

QA

A

Q

jQ

L

UI ⋅⋅

+⋅−=

+⋅⋅=

2

2

0

22

0 1

RESREST

C

T

T jQA

NU

L

AM

ωω

ωω

ωµµ

Als Vereinfachung bei Resonanzfrequenz gleich Trägerfrequenz und sehr hoher Güte ergibt sich daraus

( )jA

U

L

NAM C

T

D ⋅⋅≈ωµ

µ

0

22

0

Das maximale magnetische Moment des Transponders ist damit

ωµµ

A

U

L

NAM C

T

MAXT

0

22

0, 4,1 ⋅⋅≈

Diese Formel gilt, sobald der Transponder in stabilem Betrieb die Eingangsspannung begrenzt auf einen bekannten Wert!

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Magnetisches Moment und Güte eines realen Magnetisches Moment und Güte eines realen TranspondersTransponders

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Beim realen Transponder ergibt sich bei geringer Feldstärke zunächst der erste Fall der unlimitierten Spannung (Magnetisches Moment als Funktion von H). Die Güte ist hoch, begrenzt nur durch Wirkwiderstände in Antenne und Verlusten an der integrierten Kapazität. Die Rückwirkung auf den Reader ist - prozentual zur abgegebenen H-Feldstärke - am höchsten.

Mit zunehmender H-Feldstärke steigt die Spannung am Chip, es ändert sich etwas die Kapazität (=> Verschiebung der Resonanzfrequenz). Schließlich wird das Spannungslimit zur Versorgung des Digitalteiles am Chip erreicht, und die Spannungsbegrenzung wird wirksam. Hier beginnt der zweite Fall der konstanten Spannung (Magnetisches Moment als Funktion der Transponder-Spannung). Die Güte des Transponders wird in erster Linie durch den Chip bestimmt, der als immer niederohmigerer Parallel-Wirkwiderstand erscheint. Damit nimmt die Güte mit zunehmender H-Feldstärke ab und ebenso wird die Rückwirkung auf den Reader - prozentual zur abgegebenen H-Feldstärke - geringer.


Dem Reader entnommene Leistung (I)Dem Reader entnommene Leistung (I)

Mit dem magnetischen Moment des Transponders wird wieder eine Spannung in die Reader-Antenne induziert. Diese läßt sich mit Hilfe der Gegeninduktivität bzw. dem Koppelfaktor beschreiben:

mit

k....................Koppelfaktor zw. Reader- und Transponderantenne

MTR................Gegeninduktivität Reader -Transponder

LR..................Induktivität Reader-Antenne

LT..................Induktivität Transponder-Antenne

IT...................Strom in Transponder-Antenne

ω..................Träger-Kreisfrequenz

2

, LTRREADERi ILLkjU ⋅⋅−= ω

( ) ( )R

LTRREADERiL

ILLkUω

ω12222

, ⋅⋅=

( ) 22

2

,

LT

R

READERiILk

L

U⋅⋅= ω

ω

Der linke Ausdruck hat nun die Dimension einer Leistung in Watt. Dies ist die dem Reader vom Transponder-Kreis entnommene Leistung, die nun nicht mehr zur emittierten H-Feldstärke beitragen kann!

TR

TR

LL

Mk = und

TTRREADERiTTRREADERi IMjUIMdt

dU ⋅⋅−=→⋅⋅−= ω

ω,,

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Dem Reader entnommene Leistung (II)Dem Reader entnommene Leistung (II)Wir haben nun eine Reduktion der Reader-Leistung durch den Strom in der Transponder-Antenne ausgedrückt. Mit Hilfe der Definition der Güte läßt sich die Beziehung umformen in einen Strom in der Reader-Antenne. Dieser wirkt dem Reader-Antennenstrom im unbelasteten Fall entgegen.

Das ist der Strom, um den der Reader-Antennenstrom reduziert wird!

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

MitQ

IL

Q

EP

Leistung

EnergieQ

2ωωω ==→⋅= folgt für den Reader-Antennenstrom

( )ω

ωω

ω12

22

,

TT

R

RR

R

READERiILk

Q

IL

L

U⋅⋅⋅=≡

222

T

R

TRR I

L

LkQI ⋅⋅⋅=→

T

TTT

TT

TTT

R

TRRRL

L

QHNA

AN

MImitI

L

LQkII 0

0

µ=

⋅=→⋅⋅⋅−=


Dem Reader entnommene Leistung (III)Dem Reader entnommene Leistung (III)

Mit dem reduzierten Antennenstrom läßt sich z.B. mit Biot-Savart, oder mit dem Magnetischen Moment, die H-Feldstärke unter Belastung ausrechnen. Problem dabei: H ist rekursiv enthalten! Für eine Näherung ist es jedoch oft ausreichend, das unbelastete H einzusetzen.

Betrachtet man das Moment, gilt übrigens auch folgende einfachere Näherung:

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

TRRRL MQkMM −= 0

TTT

TR

RRRL QHNA

LL

QkII 00 µ⋅

⋅⋅−= IRL ist der Reader-Antennenstrom unter

Belastung durch den Transponder.

IRL..................Strom in Reader-Antenne unter Belastung IR0..................Strom in Reader-Antenne ohne Belastung

LR..................Induktivität Reader-Antenne

LT..................Induktivität Transponder-Antenne

AT.................Fläche der Transponder-Antenne

QR..................Güte der Reader-Antenne

QT..................Güte der Transponder-Antenne

MRL..............Magnet. Moment des Readers unter Belastung

MT...............Magnet. Moment des Tranponders


Parameter in der Simulation (I)Parameter in der Simulation (I)

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Um eine bessere Vorstellung vom Verlauf der interessanten Parameter über Feldstärke zu bekommen, ist eine einfache Simulation mit den behandelten Zusammenhängen hilfreich.

0 0.5 1 1.50

1

2

3

4

5

H-field in A/m(rms)

Tra

nsp

onder

Q-f

acto

r

. 4

0 0.5 1 1.50

5 .105

1 .104

1.5 .104

2 .104

H-field in A/m(rms)

Tra

nsp

onder

Mom

entu

mDie Güte des Transponders hat ihren höchsten Wert an der Ansprechfeldstärke, danach ergibt sich starker Abfall. Transponder mit kleineren Antennen erreichen höhere Güte, damit fallen einerseits Verluste in der Antenne noch stärker ins Gewicht, andererseits werden die empfangenen Pulse für den Demodulator stärker verzerrt.

Das Moment wiederum bleibt nach Erreichen der Limter-Spannung konstant.


Parameter in der Simulation (II)Parameter in der Simulation (II)

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Die Reduktion der H-Feldstärke des Readers ergibt sich in absoluten Werten, und relativ:

Bei geringen Feldstärken ist die Auswirkung (relativ) am größten, mit Erreichen des konstanten Transponder-Momentes ergibt sich ein gleichbleibender Offset in den Absolutwerten.

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

H-field in A/m(rms)

Rea

der

H-f

ield

(unlo

aded

to l

oad

ed)

0 0.5 1 1.50.6

0.7

0.8

0.9

1

H-field in A/m(rms)

H-f

ield

red

uct

ion d

ue

to L

oad

ing


Parameter in der Simulation (III)Parameter in der Simulation (III)

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Der Strom im Shunt-Widerstand des Transponders wiederum ergibt sich durch die Regelung:

Der Strom nimmt also linear mit der Feldstärke zu. Das entspricht der Erfahrung, dass die thermische Belastung des Transponders durch die Verlustleistung ebenso linear mit der Feldstärke ansteigt (konstante Spannung mal linear ansteigender Strom = linear ansteigende Leistung).

0 0.5 1 1.50

2

4

6

8

H-field in A/m(rms)

Avai

lable

Chip

Curr

ent

(mA

) over

H-f

ield


Zusammenfassung über die RückwirkungZusammenfassung über die Rückwirkung

Zusammenfassend läßt sich über die Rückwirkung des Transponders also sagen:

• Rückwirkung steigt mit dem magnetischen Moment des Transponders an, und dieses• steigt mit der Fläche der Antenne an,• steigt mit Q-Faktor (Güte im Betrieb) des Transponders an,• Q steigt mit der Spannung am Transponder an,• Q steigt mit dem Strom (insbesondere Blindstrom) an.

• Rückwirkung steigt mit der Güte der Reader-Antenne an,

• Rückwirkung steigt mit der Kopplung Reader - Transponder an.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Leistung für den TransponderLeistung für den Transponder--ChipChip

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Leistung für die TransponderLeistung für die Transponder--Operation (I)Operation (I)

Die gesamte vom Transponder aufgenommene Leistung teilt sich auf in die Verlustleistung, welche hauptsächlich im parasitären Wirkwiderstand der Antenne, sowie als Verluste in der integrierten Kapazität abgebaut wird, und in die Leistung, welche von den funktionalen Elementen des integrierten Chips verbraucht wird.

Man kann die beiden Teile über eine Betrachtung der Güte aufschlüsseln:

Q

CU

Q

Cu

Q

EP

PLeistung

EEnergieQ

effCC

2

,2

2

ωωωω ===→=

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Man kann nun die Verlustleistung des Resonanzkreises messen, wenn man die Wechselspannung am Eingang des Chips so wählt, dass die Dioden des Eingangsgleichrichters noch sperren (z.B. < 0,3 Vpp). Der Chip nimmt damit praktisch keine Leistung auf. Hier läßt sich der „unloaded Quality factor Q0“ bestimmen.

0

0

2

,2P

Q

CUf effCC ≅π

Bei hoher Feldstärke ist dagegen der Stromverbrauch des Chips dominierend (Limiter verbraucht so viel Strom, dass die Spannung auf einem niedrigen, konstanten Wert bleibt), und Verluste des Resonanzkreises können vernachlässigt werden. Q wird hauptsächlich durch den Chip bestimmt.

CHIP

CHIP

effCCP

Q

CUf≅

2

,2π


Leistung für die TransponderLeistung für die Transponder--Operation (II)Operation (II)

Im Allgemeinen kann man somit auf zwei Güten aufteilen und schreiben:

CHIP

CHIP

effCC PPQQ

CUf +=

+ 0

0

2

,

112π

Es wirkt also wie eine Parallel-Schaltung der beiden bestimmenden Güten im System.

Besonders interessant ist nun der Grenzfall der Ansprechfeldstärke, wenn also die Spannung am Chip gerade den mindest nötigen Wert erreicht. Hier gilt

MINCHIP

effMIN

C

MAXCHIP

MAXCHIP

MINTPP

CUf

QQ

QQQ

,0

2

,

,0

,0

, 2+

=+

⋅= π

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Für Resonanzfrequenz gleich Trägerfrequenz giltTrCi QHNAfU ⋅= µµπ 02

( ) ( )rMAXTC

effMINCHIP

rC

effMINCHIP

MAXCHIP

RMSMINNAQf

U

NAf

U

QQH

µµπµµπ 0,

,

0

,

,0

,22

11=⋅

+=

Damit erhält man für die Ansprechfeldstärke einen Ausdruck, der auf Verlustleistung im Resonanzkreis, und auf die mindest nötige Leistung für den Chip aufteilt:


Lastmodulation als Rückwirkung auf den Lastmodulation als Rückwirkung auf den ReaderReader

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Prinzip LastmodulationPrinzip LastmodulationLastmodulation ist eine externe Modulation, die durch gezielte Änderung der Rückwirkung auf die Reader-Antenne, verursacht durch das magnetische Moment des Transponders, zustande kommt. Wirkung ist ähnlich wie der Empfang modulierter Signale auf oberer und unterer Hilfsträgerfrequenz.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Hilfsträger fc / 16 = 847,5 kHz

Datenstrom in Kanalocodierung (z.B. Manchester)

UNDmodulierter (ein-/ausgeschalteter) Hilfsträger

HF-Träger mit fc = 13,56 MHz (Sinuswelle)

Lastmodulation

H-Feld Träger (13,56 MHz) mit Lastmodulation

k

0 Hz- fdata + fdata Frequenz

0 Hz- 848 kHz + 848 kHz

0 Hz

13.56 MHz

14.41 MHz12.71 MHz


Kurvenform / KonversionsfaktorKurvenform / Konversionsfaktor

Der Transponder erzeugt Lastmodulation, indem

• entweder ein Wirkwiderstand (Shunt) parallel zum Limiter geschaltet wird, was Q vermindert, oder

• eine Kapazität parallel zur Resonanzkapazität geschaltet wird, was die Resonanzfrequenz und ebenfalls Q ändert.

Bei Verwendung eines Hilfsträgers entsteht ein Rechteck-Signal mit welchem die Spannung am Chip, sowie der Q-Faktor des Transponders moduliert wird.

Die Kurvenform ist jedoch nicht rechteckförmig, da wegen der Güten im Resonanzsystem Zeitkonstanten an den Übergangsflanken wirksam werden. Diese können mit einem Konversionsfaktor miteinbezogen werden.

HOCH

NIEDERHOCH

OFFEN

NGESCHLOSSEOFFEN

Q

QQ

U

UUm

−=

=−

=mit

m......................Modulationsgrad

UOFFEN..............Limiter-Spannung im normalen Betrieb

UGESCHLOSSEN.....Limiter-Spannung mit Shunt,

QHOCH................Q-Faktor im normalen Betrieb,

QNIEDER..............Q-faktor bei geschlossenem Shunt

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


KonversionsfaktorKonversionsfaktor

Die Amplitude der Grundwelle des Hilfsträger-Signals ist

CHIPNGESCHLOSSEOFFEN

SC UUU

U ∆⋅=−

⋅=ππ2

2

4

Der Q-Faktor des Transponders hat ebenfalls Einfluß auf die Kurvenform der Rückmodulation. Ein guter Ausgangspunkt ist die Wahl eines mittleren Q-Faktors.

Damit ergibt sich insgesamt ein Konversionsfaktor für beide Hilfsträger zu

±−

±

−+

⋅=

SC

SCHOCH

KONV

ff

f

f

ffmQ

mg

0

0

0

0

2

2

2

21

1

π

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Lastmodulation als Rückwirkung auf die Reader-Antenne kann schließlich wie zuvor für die statische Belastung mit dem magnetischen Moment des Transponders auf die Reader-Antenne abgeschätzt werden.


SpezialfälleSpezialfälle

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Mehrere Transponder im ReaderMehrere Transponder im Reader--Feld (I)Feld (I)

Oft befinden sich mehrere Transponder nahe beisammen (z.B. Karten in einer Geldbörse) im Ansprechbereich eines Readers. Dazu vorab ein Experiment:

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 1 2 3 4 5 6

Anzahl gestapelter Karten

An

sp

rec

hfe

lds

tärk

e,

H-F

eld

in

A/m

SmartCard 1 Resonanzfrequenz 13,6 MHz

SmartCard 2 Resonanzfrequenz 16,6 MHz

SmartCard 3 Resonanzfrequenz 16,6 MHzLow QISO-Limit



Mehrere Transponder im ReaderMehrere Transponder im Reader--Feld (II)Feld (II)

Es besteht nennenswerte Kopplung zwischen zwei Transponder-Antennen, die so nahe beieinander sind. Der Koppelgrad k kann als rein geometrische Größe dargestellt werden, für koaxiale Anordnung ist er

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

( )322

121

2

2

2

1

21

cos...

xrrr

rr

LL

Mk

+⋅⋅

⋅⋅==

⋅=

φParameter:

r1 .... Reader-Antennenradius

r2..... Transponder-Antennenradius

Φ .... Winkel zueinander (0 ° für koaxiale Anordnung)

x ..... Distanz zwischen Antennenmittelpunkten

Die Resonanzfrequenzen der beiden Transponder-Schwingkreise ändern sich dadurch.

Die Resonanzfrequenz jedes Kreises teilt sich auf 2 Resonanzen auf, von denen mit zunhemender Kopplung eine zu einer höheren Frequenz, die andere zu einer niedrigeren Frequenz wandert. Im Grenzfall, bei k = 1, strebt die höhere Resonanz gegen unendlich, die niedrigere zu einem endlichen Wert, gegeben durch

2

1 ,

,

2

12

1

∑=

=

n

i iRES

MINRES

f

f

ππ


Mehrere Transponder im ReaderMehrere Transponder im Reader--Feld (III)Feld (III)

Die Resonanzfrequenz jedes Kreises teilt sich auf 2 Resonanzen auf, von denen mit zunehmender Kopplung eine zu einer höheren Frequenz, die andere zu einer niedrigeren Frequenz wandert. Im Grenzfall, bei k = 1, strebt die höhere Resonanz gegen unendlich, die niedrigere zu einem endlichen Wert.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Fr e que nc y

4MHz 8MHz 12MHz 16MHz 20MHz 24MHz 28MHzV( R120: 2) / I ( R120)

0

20

40

60

k=0. 7k=0. 8

k=0. 6k=0. 5

k=0. 4

k=0. 3

k=0. 2

k=0. 1

k=0

Calculated limit


Mehrere Transponder im ReaderMehrere Transponder im Reader--Feld (IV)Feld (IV)

Dieser Aspekt der Verstimmung durch lose Kopplung gedämpfter Schwingkreise ist vor allem bei Systemen mit geringer Distanz (Proximity, ISO/IEC14443, FeliCa, NFC,...) bedeutend.

Rechenbeispiel:

2 fest gekoppelte Transponder mit je 13,6 MHz Resonanzfrequenz:

Für eine Resonanzfrequenz einer einzelnen Karte von 16,6 MHz ergibt sich damit ca. 11,7 MHz als gemeinsame untere Resonanz.

In der Praxis findet man zwischen Karten tatsächlich Koppelgrade von 1 ... 90 %. Die untere gemeinsame Resonanzfrequenz liegt damit jeweils noch etwas höher, als der so berechnete Grenzwert. Durch höhere Resonanzfrequenz der einzelnen Karte ist es also möglich, mehrere Karten energetisch besser zu versorgen.

Auch zwischen Reader- und Transponderantenne kommt es zu einer ählichen Verstimmung. Man wird die Resonanzfrequenz des Readers jedoch trotzdem auf die Trägerfrequenz abstimmen, da bei starker Kopplung ohnehin viel Energie übertragen wird, und bei schwacher Kopplung bzw. größerer Distanz zwischen Reader und Transponder die Verstimmung zu vernachlässigen ist.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

MHz

f

fn

i iRES

MINRES 62,9

106,132

1

106,132

12

1

2

12

1

2

6

2

6

2

1 ,

, =

⋅+

⋅

=

=

∑=

πππ

ππ


Mehrere Transponder im ReaderMehrere Transponder im Reader--Feld (V)Feld (V)

Es ist aus diesem Zusammenhang heraus offensichtlich von Vorteil, die Resonanzfrequenz einer Transponder-Karte deutlich höher, als auf Resonanzfrequenz abzustimmen, wenn das energetisch für die einzelne Karte möglich ist.

Das gelingt wiederum besser für Transponder mit geringer Eingangskapazität, weil dabei der Anstieg der mindest nötigen Feldstärke (Ansprechfeldstärke) relativ flach ist.

Neben der Auslegung des HF-Systems für mehrere Transponder im Feld (gestapelte Karten) ist auch ein zuverlässiger Anti-Kollisions-Mechanismus im Protokoll notwendig, um eine einzelne Transponderkarte selektieren und sicher ansprechen zu können.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Kleine TransponderKleine Transponder--AntennenAntennenFür das häufig eingesetzte, standardisierte Karten-Format ID-1 (86,5 x 56 x 0,76 mm) hat sich eine übliche Antennengröße für Transponder etabliert, die als Klasse 1 durch die technischen Arbeitsgruppen ebenfalls beschrieben und standardisiert wurde [5].

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

PICC antenna zone

Äußere Grenze: 81 x 49 mm

Innere Grenze: 64 x 34 mm

Rand der Karte ~ 3 mm

Es gibt in machen Karten allerdings Hindernisse, welche es nicht erlauben, die übliche Antennengröße einzubauen (z.B. Embossing in Kontaktlos-Kreditkarten). Ebenso kann es interessant sein, Transponder in verschiedene Objekte einbauen zu können, die ebenfalls Form und Fläche der Antenne beschränken. Daher wird der Aspekt anderer, insbesondere kleinerer Transponder-Antennen immer wichtiger. Für die HF-Funktion ist es wieder wesentlich, die Aspekte

• Energieversorgung

• Lastmodulation

zu betrachten. Auch ist es derzeit noch eine offene Frage, ob jeder Reader auch sehr kleine Transponder ansprechen können muss, oder ob sowohl auf Seite der Transponder, als auch auf Seite der Reader eine neue Einteilung getroffen wird.


Energie kleiner TransponderEnergie kleiner Transponder--Antennen (I)Antennen (I)

Für gleiche Versorgungsspannung des Transponders aus Antennen unterschiedlicher Fläche würde man einerseits die induzierte Spannung betrachten:

=> die Versorgungsspannung ist direkt proportional zu Windungszahl x Fläche, also könnte man die Windungszahl entsprechend erhöhen.

Jedoch muss man bedenken, dass die Systeme mit Hilfe deutlicher Resonanzüberhöhung arbeiten. Der Transponder mit kleinerer Antenne soll also auch wieder eine bestimmte Resonanzfrequenz erreichen. Da die Chip-Eingangskapazität eine feste Größe haben soll, muss die Antennen-Induktivität wieder einen bestimmten Wert erreichen.

Man erkennt, beide Bedingungen sind nicht gemeinsam erreichbar, da die Induktivität mit der Windungszahl stärker anwächst.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

ANHQANU Ti ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= ~cosαµω

2

0

2 ~4

ln)( Nd

rrNNLS

⋅⋅

⋅⋅⋅=π

µ


Energie kleiner TransponderEnergie kleiner Transponder--Antennen (II)Antennen (II)

Man kann nun die Antennen-Induktivität als Kriterium heranziehen und gleich lassen. Wegen der damit nötigen geringeren Antennen-Wirkfläche N x A verzichtet man damit auf einen Teil der Versorgungsspannung des Transponders.

Die Ansprechfeldstärke steigt damit für kleinere Flächen folgendermaßen an [8]:

Man kann also N x A für unterschiedliche Antennenflächen ins Verhältnis setzen, um ausgehend von der Ansprechfeldstärke bei Klasse 1 für eine kleinere Antenne entsprechend höhere Ansprechfelstärke zu finden. Die Resonanzfrequenz der unterschiedlichen Antennen bleibt dabei konstant gleich.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

AN

konstU

NAf

R

Lf

f

f

H MINC

T

A

RES

MIN ⋅⋅

+

−

= ~cos2

21

,

0

22

2

αµπ

π

( )( ) 1,

1

, ~ CLASSMIN

XCLASS

CLASS

XCLASSMIN HAN

ANH ⋅

⋅

⋅

Dieser Ansatz stellt implizit den Anspruch auf Änderung der Anforderungen an die Reader-Infrastruktur.


Energie kleiner TransponderEnergie kleiner Transponder--Antennen (III)Antennen (III)

Man kann alternativ dazu die Anforderungen an die Reader-Infrastruktur gleich belassen, und die Resonanzfrequenz verändern, sodass sich mit gleichem Chip bei größerer und kleinerer Antenne wiederum gleiche Ansprech-Feldstärken ergeben. Man wird dabei die Resonanzfrequenz der kleinsten Antenne nahe an die Trägerfrequenz legen, und die Resonanzfrequenz größerer Antennen entsprechend höher ansetzen.

Dieses Konzept hat zusätzlich den Vorteil, bei ID-1 großen Antennen die Verstimmung bei mehreren gekoppelten Karten besser auszugleichen, sie setzt jedoch Chips mit sehr niedriger Leistungsaufnahme voraus, die mit standardkonformer Ansprechfeldstärke auch bei höherer Resonanzfrequenz betrieben werden können.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Lastmodulation kleiner TransponderLastmodulation kleiner Transponder--AntennenAntennen

Ebenfalls vermindert sich bei kleineren Außenabmessungen von Transponder-Antennen die Lastmodulation, durch ein geringeres magnetisches Moment einerseits, und durch geringere Kopplung zu einer (im Allgemeinen) größeren Reader-Antenne. Bei gleichbleibender Empfindlichkeit des Readers hat das eine Verminderung der Kommunikations-Distanz zur Folge.

Dem kann man entgegenwirken

• durch eine Erhöhung des magnetischen Moments des Transponders

das bedeutet, den Blindstrom in der Antenne zu erhöhen (und damit Q), oder andererseits

• durch eine Erhöhung der Güte des Transponders (im Betrieb bei gleicher Feldstärke), da die Güte im Betrieb vor allem durch die Limiter-Spannung bestimmt wird, bedeutet das eine Erhöhung der Spannung an der Transponder-Antenne.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

↑→⋅⋅= IIANM ANTENNEANTENNED


2 Topologie2 Topologie--Optionen:Optionen:

LRCRC

AntennaChip

C

Connection

PPP

R

R

LRCRC

AntennaChip Connection

PPPC

ext. Cap.

C

R

RLRCRC

AntennaChip

C

Connection

PPP

ext. Cap.

C

R

R

Zusätzliche Parallel-Kapazität

- Blindströme erhöhen

=> magnetisches Moment erhöhen,

=> Q erhöhen,

=> Rückwirkung erhöhen (auch ∆∆∆∆Q)!

Zusätzliche Serien-Kapazität

- Impedanz-Transformation

=> Spannung an Antenne erhöhen

=> Q erhöhen,

=> Rückwirkung erhöhen (auch ∆∆∆∆Q)!

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Topologien: Parallele Kapazität (I)Topologien: Parallele Kapazität (I)

Man kann zunächst die Induktivität und seriellen Wirkwiderstand der Antenne, z.B. einer kreisrunden Schleife, durch Formeln beschreiben

2

0

2 ~4

ln)( Nd

rrNNLS

⋅⋅

⋅⋅⋅=π

µ

NturnRNNR SS ~)1()( ⋅=

( ) ( ) ( )( )( )NR

NLNRNR

S

SSP

22 ω+=

( ) ( ) ( )( )( )NL

NLNRNL

S

SSP 2

22

ωω+

=

Werte:

µ0 = 4π10-7 Vs/Am......Magnetische Feldkonstante

r .................................Radius Transponder-Antenne

d = 0.15 mm...............Drahtdurchmesser

N.................................Anzahl der Windungen

ω = 2π 13.56 MHz.......Träger-Kreisfrequenz

Serielle Impedanzen werden dann mit Hilfe der Formel für die Güte in parallele Impedanzen umgeformt (gilt nur an der Trägerfrequenz!)


Chip-Widerstand und Antennenwirkwiderstand, sowie die gesamte Kapazität werden aufaddiert

( ) ( )( )NRR

NRRNR

PIC

PICSUM +

⋅=

EXTAPICSUM CCCC ++=

( ) ( )( )NL

NRNQ

P

SUMT ⋅

=ω

Values:

Chip resistance RIC ~ 4000 Ohm

Chip input Capacitance CIC ~ 17 pF

parasitic Antenna Capacitance CAP ~ 4 pF

external parallel Capacitance must beadded to achieve resonance frequency~ carrier frequency

0 2 4 6 8 100

5

10

15radius 2.2 cmradius 3 cm

Transponder circular Antenna turns N

Tra

nspo

nder

Q-f

acto

r (A

nten

na +

Chi

p)

Topologien: Parallele Kapazität (II)Topologien: Parallele Kapazität (II)

Der Q-faktor des gesamten Transponders ergibt sich damit zu

Um Q zu maximieren, gibt es eine optimale Windungszahl für die jeweiligen Verhältnisse!

Ein hohes Q ergibt hohe quasi-statische Belastung des Transponders und erlaubt auch hohes ∆Q und damit hohe Lastmodulation!


Für eine höhere parallele Kapazität ist also der Strom wichtig.

Ein Transponder arbeitet normalerweise mit einer Limitierung der Betriebsspannung für den Digitalteil, sodass sich (mit zusätzlichem Spannungsabfall am Eingangsgleichrichter) auch eine annähernd konstante Spannung am Antennenanschluss bzw. an der Kapazität ausbildet.

Vernachlässigen wir Zuleitungswiderstände, dann gilt für den Strom an der gesamten Kapazität

Cj

UI

Z

UI SUMC

ω1

=→=

Topologien: Parallele Kapazität (III)Topologien: Parallele Kapazität (III)

Für 13,56 MHz ergibt sich damit

pFmACAP CUI ⋅⋅= 0852,0

Man muss also auf ausreichend hohe Strombelastbarkeit der Zuleitungswege achten, besonders falls die gesamte Kapazität integriert werden soll.

Geringe Zuleitungswiderstände sind außerdem wichtig, damit die parallele Kapazität ihren Zweck erfüllen kann und sich hohe Blindströme ausbilden.


TopologiesTopologies: Parallel : Parallel CapacitanceCapacitance (3)(3)

0 2 4 6 8 100

2

4

6

8

10radius 2.2 cmradius 3 cmLimitOperational


Max

imum

Coi

l Vol

tage

V

Energy Consideration:

CREADERCTRANSP QiMfU ⋅⋅⋅= π2

Quality factor:

When the induced voltage gets too high, a voltage regulator limits the Chip voltage. This also limits the Q-factor of theTransponder.

0 2 4 6 8 100

5

10

15radius 2.2 cmradius 3 cm


Tra

nspo

nder

Q-f

acto

r (A

nten

na +

Chi

p)

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

254 turns6 turns

Transponder circular Antenna radius (mm)

Tra

nspo

nder

Q-f

acto

r (A

nten

na +

Chi

p)


TopologiesTopologies: Parallel : Parallel CapacitanceCapacitance (4)(4)

Load Modulation at thereader antenna isproduced by a change of the Transponder systemQ-factor!

If Q is high for the non-modulated case, ∆Q canbe high.

=> high loadmodulationamplitude!

There must also besufficient voltage for Chip operation!

=> find optimum for bothconditions, individualChip, specific application. 0 2 4 6 8 10

0

20

40

60

80


Load

Mod

ulat

ion

Am

plitu

de in

mV

(pp)

L C

Antenna

R

AC

DC

C

-dφdt

RX BRES

CHIP

R


Topologie: Serielle Kapazität (1)Topologie: Serielle Kapazität (1)

Anstatt die Windungszahl zu reduzieren, kann man sie auch erhöhen.

Das hat zunächst eine unerwünschte Reduktion der Resonanzfrequenz zur Folge, auch unter 13,56 MHz.

=>Lösung: Ein Kondensator in Reihe erlaubt, die Parallelresonanz zu gewünschten, höheren Frequenzen zu schieben (und führt auch noch eine weitere Resonanzstelle ein).

LRCRC

AntennaChip Connection

PPPC

ext. Cap.

C

R

R

1 .107

1.15 .1071.3 .10

71.45 .10

71.6 .10

71.75 .10

71.9 .10

72.05 .10

72.2 .10

72.35 .10

72.5 .10

70

1000

2000

3000

Impedance with Cserial = 18p F

Impedance without Cserial

Impedance with Cserial = 18p F

Impedance without Cserial

Imped

ance

in O

hm

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417



Die Anordnung aus serieller und paralleler Kapazität kann nun auch als ein Anpassnetzwerk gesehen werden, das den Chip (mit begrenzter Betriebs-Spannung) an eine Antenne mit höherer Impedanz ankoppelt.

CC

R

Antenna Matching Chip

Wesentlich ist dabei, dass die Spannung an der Antenne nun viel höher als am Chip sein darf. Die Güte des Transponders ist bei gleicher H-Feldstärke entsprechend höher.

Die quasi-statische Rückwirkung, aber auch die Lastmodulation wird damit wesentlich größer.

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417



Praktische Messung der Lastmdoulation an einer kleinen, kreisförmigen Transponder-Antenne:

Normale Topologie

=>Lastmodulation zu niedrig!

Load Modulation (Sideband Levels) small antenna normal Topology

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

1 2 3 4 5 6 7 8

H-field in A/m (rms)

Sid

eban

d L

evel

s in

mV

(p)

Lower SBL

Upper SBL

ISO-Limit Class 1

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417



Load Modulation (Sideband Levels) small antenna C serial

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

1 2 3 4 5 6 7 8

H-field in A/m (rms)

Sid

eban

d L

evel

s in

mV

(p)

Lower SBL

Upper SBL

ISO-Limit Class 1

Praktische Messung der Lastmdoulation an einer kleinen, kreisförmigen Transponder-Antenne:

Topologie mit serieller Kapazität

=>Lastmodulation mehr als ausreichend!

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


ReferenzenReferenzen

[1] An Introduction to Circuit Analysis, Donald E. Scott, McGraw-Hill 1987, ISBN 0-07-100309-6

[2] ISO/IEC JTC1/SC17/WG8/TF2 N394, LETI/CEA Grenoble, T. Thomas

[3] SC17 WG8 TF2 N597 Multiple PICCs in a single Operating Field (IFX, 2008)

[4] ICode Coil Design Guide, Philips Semiconductors Application Note, Rev. 3.0, 2002

[5] ISO/IEC JTC1/SC17/WG8/TF2 N 415R1, ISO/IEC JTC1/SC17/WG8 N 947R1

[6] N553 Measurement methods for antenna classes (NXP, 06/2007)

[7] N554 Introducing generic concept to classify PICC antennas (NXP, 06/2007)

[8] N567 Small Antenna Classes, Classification, Requirements and Measurement methods (IFX, 04/2008)

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Trainingsfragen zur VerständniskontrolleTrainingsfragen zur Verständniskontrolle

• Wie ergibt sich die induzierte Wechselspannung an einem Transponder (Einflussfaktoren)?

• Wie verläuft die Ansprechfeldstärke eines Transponders bezogen auf seine Resonanzfrequenz? Soll man die Resonanzfrequenz eher über, oder unter die Trägerfrequenz legen? Wie optimiert man für Bauteil-Streuung?

• Welche Vor- und Nachteile hat eine hohe Eingangskapazität?

• Hat ein unlimitierter Parallelresonanzkreis mit Resonanz auf der Trägerfrequenz mit mehr oder weniger Antennen-Windungen stärkere quasi-statische Rückwirkung auf den Reader? Warum?

• Was kann man tun, um die Lastmodulation eines Transponders zu erhöhen?

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417


Messreihe zur quasiMessreihe zur quasi--statischen Rückwirkung statischen Rückwirkung unlimitierter Transponderunlimitierter Transponder

Abhängig von der Windungszahl ergeben sich mit externem Parallel-Wirkwiderstand die folgenden Güten am Transponder:

LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Ohm Q total H-Reduktion Q total H-Reduktion Q total H-Reduktion Q total H-Reduktion100000 57,03 0,893 67,42 0,893 86,73 0,861 107,17 0,78410000 25,00 0,867 30,94 0,883 41,49 0,854 57,79 0,7951800 6,51 0,939 8,28 0,929 11,40 0,904 17,34 0,871470 1,83 0,978 2,35 0,973 3,25 0,963 5,08 0,948100 0,40 0,992 0,51 0,992 0,71 0,989 1,12 0,987

100000 57,03 0,869 67,42 0,879 86,73 0,835 107,17 0,74010000 25,00 0,872 30,94 0,852 41,49 0,810 57,79 0,7331800 6,51 0,926 8,28 0,909 11,40 0,881 17,34 0,847470 1,83 0,975 2,35 0,968 3,25 0,957 5,08 0,938100 0,40 0,994 0,51 0,992 0,71 0,989 1,12 0,984

100000 57,03 0,789 67,42 0,757 86,73 0,671 107,17 0,55710000 25,00 0,790 30,94 0,758 41,49 0,693 57,79 0,6101800 6,51 0,884 8,28 0,855 11,40 0,816 17,34 0,760470 1,83 0,958 2,35 0,943 3,25 0,927 5,08 0,898100 0,40 0,983 0,51 0,981 0,71 0,979 1,12 0,971

Anzahl Windungen Transponder-Antenne (78,6 x 23 mm)6 5 4 3

Rüc

kwirk

ung

auf

ISO

/IE

C10

373-

6 P

CD

-Ant

enne

Sen

de-

ante

nne

Q

= 1

2

Sen

de-

ante

nne

Q

= 1

9

Sen

de-

ante

nne

Q

= 3

5


Messreihe zur quasiMessreihe zur quasi--statischen Rückwirkung statischen Rückwirkung unlimitierter Transponder (II)unlimitierter Transponder (II)


LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

100000 10000 1800 470 100

6 Windungen 5 Windungen 4 Windungen 3 Windungen


QuasiQuasi--Statische Rückwirkung unlimitierter Statische Rückwirkung unlimitierter TransponderTransponder


LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Reduktion der Feldstärke der Q35 Antenne durch Rückwirkung des Transponders

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 20 40 60 80 100

Güte des Transponders

Red

ukt

ion

der

H-F

eld

stär

ke

6 Windungen

5 Windungen4 Windungen

3 Windungen




LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Reduktion der Feldstärke der Q19 Antenne durch Rückwirkung des Transponders

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 20 40 60 80 100


Red

ukt

ion

der

H-F

eld

stär

ke

6 Windungen


3 Windungen




LV 440.417LV 440.417LV 440.417LV 440.417

Reduktion der Feldstärke der Q12-Antenne durch Rückwirkung des Transponders

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 20 40 60 80 100


Red

ukt

ion

der

H-F

eld

stär

ke

6 Windungen


3 Windungen


Documents

HF -Transponder -Technologie - rfid-systems.atrfid-systems.at/07_HF_Transponder_Technologie_2011.pdf · RFID Systems Seite 4 Funktionen im Transponder -Chip im Überblick Der Transponder