Warum ist die Reichweite der Nahfeldkommunikation (NFC) auf etwa 20 cm begrenzt?

Die entsprechende Wellenlänge ist 22,11 Meter lang, aber wir wollen unsere EM-Wellen auch in die Umwelt emittieren. Das heißt, wenn wir eine schöne Halbwellen-Dipolantenne bekommen , bräuchten wir sie etwa 11 Meter lang,$\lambda/2$. Was für mobile Geräte ziemlich groß ist.

Ok, lassen Sie uns die Größe reduzieren, indem Sie eine Viertelwellenantenne wie in WiFi verwenden, basierend auf den Ideen eines Viertelwellen-Impedanztransformators , und wir erhalten 5,53 m.$\lambda/4$, was aus Größensicht immer noch nicht akzeptabel ist.

Vielleicht sollten wir einen anderen Antennentyp verwenden? Der erste Gedanke, eine Antenne für Smartphones zu verwenden, ist die Verwendung einer Rahmenantenne am Rand des Telefons.

Theorie

Vielleicht sollten wir nicht nur die Art der Antenne ändern, sondern auch die Idee, Daten an die Umgebung zu senden. Und hier kommen RFID- Antennen, als eine Art Rahmenantennen. Beachten Sie, dass NFC vollständig auf Fortschritten im Bereich RFID basiert .

Es gibt zwei verschiedene RFID-Designansätze für die Energieübertragung vom Lesegerät zum Tag: magnetische Induktion und elektromagnetische Wellenerfassung. Die beiden Designs nutzen diese Ansätze und heißen Nahfeld und Fernfeld:

Nahfeld-RFID
Nahfeld-RFID verwendet magnetische Induktion zwischen einem Lesegerät und einem Transponder. Während ein RFID an seinem Standort ein Magnetfeld erzeugt , leitet es einen Wechselstrom durch eine Lesespule. Wenn ein RFID-Tag mit einer kleineren Spule in Reichweite des Lesegeräts platziert wird, erscheint die Wechselspannung darüber und das Magnetfeld wird durch auf dem Tag gespeicherte Daten beeinflusst. Die Spannung wird gleichgerichtet und versorgt das Etikett. Beim Einschalten werden die Daten unter Verwendung von Lastmodulation an das Lesegerät zurückgesendet.

Fernfeld-RFID-
Tags, die Fernfeldprinzipien verwenden, arbeiten über 100 MHz, typischerweise im Bereich >865–915 MHz bis zu 2,45 GHz. Sie verwenden Backscatter-Kopplungs-Betriebsprinzipien. Im Fernfeld wird das Signal des Lesegeräts reflektiert und auf eine Wechselpotentialdifferenz moduliert, um Daten zu übertragen. Die Reichweite des Systems wird durch die vom Lesegerät gesendete Energieübertragung begrenzt. Aufgrund von Fortschritten in der Halbleiterfertigung nimmt die Energie, die zum Betreiben eines Tags benötigt wird, weiter ab. Die mögliche maximale Reichweite erhöht sich entsprechend Near Field Communication (NFC): From Theory to Practice, von Vedat Coskun

Berechnungen:

Wir interessieren uns für das Nahfeld, betrachten Sie also das von einer kreisförmigen Rahmenantenne erzeugte Magnetfeld:

$$\ B_z = \mu_0*I*N*a^2/2(a^2+r^2)^{3/2} \ ,$$ wo $I$- aktuell, $r$-Abstand von der Drahtmitte, $\mu_0$- Durchlässigkeit des freien Raums und gegeben als $4\pi*10^7$(Henry/Meter), $a$-Radius der Schleife

Der maximale magnetische Fluss, der durch die Tag-Spule fließt, wird erreicht, wenn die beiden Spulen (Lesegerät-Spule und Tag-Spule) parallel zueinander angeordnet sind.

Ein optimaler Spulendurchmesser, der die minimale Anzahl von Amperewindungen für einen bestimmten Lesebereich erfordert, kann aus der vorherigen Gleichung ermittelt werden, wie z. B.:

$$\ NI = K*(a^2+r^2)^{3/2}/a^2 \ , \ K =2*B_z/\mu_0$$ Durch Ableitung nach dem Radius a, $$\ d(NI)/da = K *3/2*(a^2+r^2)^{1/2}*(2a^3) - 2a*(a^2+r^2)^{3/2}/a^4 = K(a^2-2*r^2)(a^2+r^2)^{1/2}/a^3$$ Die obige Gleichung wird minimiert, wenn: $$\ a = \sqrt{2}*r$$

Das Ergebnis zeigt, dass der optimale Schleifenradius,$a$, ist das 1,414-fache der geforderten Lesereichweite$r$.

Im Detail können Sie dies mit komplexen Gleichungen für Spiralschleifen und unterschiedliche Schleifengrößen ablesen.

Und bedenken Sie, dass eine Lesereichweite von 20 cm eine Schleife von 28,8 cm ergibt, was für Tablets akzeptabler ist als für Telefone.

Nahfeldkommunikation hat nichts mit Nahfeld zu tun - jemand mit einer vagen Erinnerung an Physik (oder jemand, der Wiki durchsucht) fand, dass es cool klang.

Die Entfernungsbegrenzung ist darauf zurückzuführen, dass der Chip (bei Verwendung in einer Karte und nicht in einem Telefon) vom Lesegerät induktiv mit Strom versorgt wird. Grob induktive Leistung funktioniert gut, wenn die Reichweite mit der Größe der Antennenspule im Lesegerät vergleichbar ist.

p.s. 20cm sind etwas optimistisch, das sind mehrere Antennendurchmesser. Realistischer ist ein Bereich von 3-4cm, also etwa ein Durchmesser.