Hallo zusammen,
ich bin neu hier in diesem Forum und möchte mich daher kurz vorstellen.
Man nennt mich André, bin 29 Jahre, Dipl.-Ing. für Informationstechnologie/ Mikrosystemtechnik und promoviere gerade.
In meiner aktuellen Arbeit geht es darum einen Sensor zu entwickeln, mit dem es möglich ist physikalische Größen passiv und drahtlos auszulesen.
Der Sensor ist bereits fertig entwickelt und funktioniert in einer ersten Anwendung auch zuverlässig.
Der Sensor ist als Schwingkreis ausgebildet und die zu ermittelnde physikalische Größe ist mit seiner Resonanzfrequenz verkoppelt, d.h. ändert sich die physikalische Größe, so wird sich die Induktivität und/oder seine Kapazität ändern, was die Resonanzfrequenz des Schwingkreises verändert.
Für die Resonanzfrequenz haben wir uns den freigegebenen Bereich von 7,4 - 8,8 MHz ausgesucht, in dem auch die elektronische Artikelsicherung beheimatet ist. Jeder kennt das, an Artikeln kleben Schwingkreise mit einer Resonanzfrequenz die in dem Frequenzbereich liegt (Breite des Frequenzbandes aufgrund der Fertigungstoleranzen der Etiketten).
Dafür gibt es auch kommerzielle Lesegeräte, die die Aufgabe haben zu schauen ob sich ein Etikett zwischen den Antennen befindet und wenn ja Alarm zu schlagen.
Im Gegensatz zu dieser Aufgabe wollen wir nun die exakte Resonanzfrequenz auslesen und über die Resonanzfrequenz Rückschlüsse auf die physikalische Größe ziehen. Soweit die so gut.
Da die Hersteller solcher kommerziellen Anlagen nicht mit uns kooperieren wollten habe ich damit begonnen ein eigenes System aufzubauen, der aus einem Sender und einem Empfänger besteht. Daran angeschlossen werden müssen nun Antennen und genau hierin liegt meine eigentliche Schwierigkeit.
Die Theorie:
Im Gegensatz zu den gängigen Anwendungen brauche ich eine sehr breitbandige Antenne, die auf die magnetische Feldkomponente anspricht. Dies ist bspw. durch eine Drahtschleife (Induktivität) gegeben. Schalte ich dieser Drahtschleife einen Kondensator parallel, so erhalte ich einen Parallelschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz ich über das parallelgeschaltete C einstellen kann. Für diese Anordnung erhalte ich eine hohe reelle Impedanz im Resonanzfall und eine komplexe Impedanz links und rechts der Resonanzfrequenz.
Ebenso kann ich das C aber auch in Serie schalten und erhalte einen Serienschwingkreis mit einer kleinen reellen Impedanz im Resonanzfall und eine komplexe Impedanz links und rechts der Resonanzfrequenz.
Um einen Parallelschwingkreis breitbandiger zu machen könnte ich nun hergehen und die Antenne mit einem parallel geschalteten, hochohmigen Widerstand bedämpfen. Die Antenne bleibt jedoch nach wie vor sehr hochohmig.
Bei einem Serienschwingkreis kann ich einen Serienwiderstand einfügen. Im Resonanzfall wirkt jedoch eher der Widerstand, da der Serienschwingkreis als "Kurzschluss" wirkt.
Die Praxis:
Ich habe ein Stück Kupferlackdraht mit 0,9mm Drahtdurchmesser genommen und eine Loop von 200mm Durchmesser gebogen. An die beiden Drahtenden der Loop habe ich Kondensatoren (jeweils 1,2nF||22pF = 1,222nF) gelötet, die auf der zweiten Seite miteinander verbunden sind. Mit Hilfe eines Serien-C, welches die Impedanz auf 50-Ohm transformieren soll habe ich das Gebilde dann an den miniVNR angeschlossen, wobei die Verbindungsstelle zwischen den beiden Kondensatoren mein Massepunkt darstellt.
Leider wurde die errechnete Resonanzfrequenz (sowohl Serien- als auch Parallelresonanz) nicht getroffen und die Antenne hat im Resonanzfall immer noch eine verbleibende komplexe Impedanz. Also habe ich weitere 270pF zu den 1,222nF dazugeschaltet, wodurch ich die Parallelresonanz weiter nach unten treiben konnte. Breitbandig ist aber immer noch etwas anderes.
Das Problem:
Ich habe natürlich nicht wahllos irgendwelche Bauteile zusammengeschlossen, sondern versuche die Gegebenheiten mit LT-Spice nachzuvollziehen, bekomme Realität und Simulation bzw. Rechnung nicht auf einen Nenner. Simulation und Rechnung korrelieren noch sehr genau, die Realität ist aber völlig anders.
Im Allgemeinen habe ich noch Verständnisprobleme mit der Impedanzanpassung. Wie bekomme ich eine Loop (Induktivität mit parasitäter Kapazität) breitbandig (1,4MHz) auf eine feste Impedanz, die dann mit Hilfe von Balun's / Unun's oder ähnlichem auf 50-Ohm transformiert wird?
Wie sieht eine breitbandige Antenne für Sender bzw. Empfänger konstruktiv aus? Was für Draht/Leitungen verwendet man? Wie bekomme ich die Antenne über einen großen Frequenzbereich auf reelle Impedanzen? Wie speist man geeignet, wie realisiert man die Impedanzanpassung?
Mir ist soviel bekannt:
Bei den EAS-Systemen ist es Ziel die Fernfeldwirkung möglichst zu unterbinden und nur die Nahfeldwirkung respektive induktive Kopplung zu haben. Daher bildet man mittels der Antenne eine 8-förmige Struktur aus, sprich eine erste Loop, an der sich eine zweite um 180° in der Ebene gedrehte Loop befindet. Durch die sich entgegengesetzt ausbildenden Felder sollen sich die Fernfeldkomponenten nahezu auslöschen.
Im freigegebenen Frequenzband ist die Feldstärke mit 9dBµA/M @ 10m Entfernung angegeben.
Das war nun eine ganze Menge Text doch ich hoffe ich konnte meine Problematik in einem ersten Schritt verständlich erklären. Meine Hoffnung ist, dass ihr mir vielleicht mit eueren Erfahrungen irgendwie weiterhelfen könnt, damit ich ein besseres Verständnis für die Auslegung solche Antennenstrukturen entwickeln kann.
Für euere Anregungen wäre ich sehr dankbar.
Mit besten Grüßen, André
