Главная

Статьи

Дальність зчитування RFID-міток і оптимізація антени

  1. Про завдання радіочастотної ідентифікації
  2. Вимоги для максимізації дальності зчитування RFID-мітки
  3. Теорія і рівняння
  4. чисельна модель
  5. валідація моделі
  6. Конструкція і оптимізація антени
  7. Вирішувачі для задачі оптимізації
  8. Завдання оптимізації та результати
  9. Регіональні вимоги до частотній характеристиці мітки
  10. додаткова література
  11. Про приглашенном автора

У цій статті запрошений автор і сертифікований консультант Марк Ємен (Mark Yeoman) з компанії Continuum Blue розповість про чисельному рішенні задач радіочастотної ідентифікації.

Ми дізнаємося, як використовувати програмне забезпечення COMSOL Multiphysics® і визначити дальність зчитування пасивної RFID-мітки, що живиться від зовнішнього поля рідера. Крім цього, ми побачимо, як збільшити дальність зчитування, оптимізуючи конструкцію антени.

Про завдання радіочастотної ідентифікації

Радіочастотна ідентифікація (RFID) - метод бездротової передачі інформації за допомогою електромагнітних полів СВЧ-діапазону. Метод дозволяє ідентифікувати і відстежувати об'єкти з прикріпленими RFID-мітками. Ці мітки ви можете часто зустріти в побутових товарах, продуктах, платіжні картки та навіть в мікрочіпах для домашньої худоби.

Зчитує інформацію з мітки спеціальний приймач, званий рідер, що випускає електромагнітний сигнал і реєструючий відповідь мітки, як показано на рис. (I). Чим ширше і масштабніше використовуються мітки, тим важливіше стає зниження їх енергоспоживання і розмірів зі збереженням або збільшенням дальності зчитування - відстані, на якому мітку можна розпізнати.

Система радіочастотної ідентифікації (i) і відповідне електрична схема RFID-мітки (ii) Система радіочастотної ідентифікації (i) і відповідне електрична схема RFID-мітки (ii).

Вимоги для максимізації дальності зчитування RFID-мітки

RFID-мітки складаються головним чином з антени і інтегральної схеми з комплексними вхідними опорами, як показано на рис. (Ii). Інтегральні схеми зазвичай розташовані у роз'ємів антени і працюють під напругою Va, одержуваних антеною від зовнішнього поля, що збуджується рідером.

Щоб максимізувати дальність зчитування мітки, потрібно лише ідеально узгодити комплексні опору антени мітки і інтегральної схеми (посилання на літературу по цій темі представлені в розділі « додаткова література ») І переконатися, що мінімальна потужність Pth, необхідна для спрацьовування схеми, досягається на даному відстані від обраного рідера в необхідному діапазоні частот.

Теорія і рівняння

На щастя для читача, ми не будемо тут вдаватися в теоретичні подробиці. (Детальний опис теоретичних основ ви можете знайти в моїй статті Impedance Matching of Tag Antenna to Maximise RFID Read Ranges & Optimising a Tag Antenna Design for a Particular Application ( «Узгодження комплексних опорів для максимізації дальності зчитування RFID-міток і оптимізація конструкції антени мітки для приватних задач »), яка опублікована в матеріалах Конференції COMSOL 2014.) Проте наведемо рівняння для коефіцієнта передачі потужності τ, який описує узгодження комплексних опорів. Чим ближче τ до одиниці, тим краще узгоджені комплексні опору антени і схеми:

(1)

\ Quad \ tau = {\ frac {4R {_c} R {_a}} {| Z {_c} + Z {_a} | ^ 2}}

Тут Rc і Ra - опору схеми і антени відповідно, Zc і Za - комплексні опору схеми і антени відповідно. Крім того, користуючись формулою передачі Фріїса для вільного простору, можна отримати рівняння для дальності зчитування

r:

(2)

\ Quad r = {\ frac {\ lambda} {4 \ pi}} \ sqrt {\ frac {P {_r} G {_r} G {_a} \ tau} {P {_t} {_ h}}}

Тут λ - довжина хвилі, Pr - передана рідером потужність, Gr - коефіцієнт посилення антени рідера, Ga - коефіцієнт підсилення антени мітки, Pth - мінімальна порогова потужність для роботи схеми. Оптимальна дальність зчитування в деякому діапазоні частот r зазвичай називається резонансом мітки і збігається з максимумом коефіцієнта передачі потужності τ.

чисельна модель

За допомогою модуля Радіочастоти в COMSOL Multiphysics® можна розробити модель RFID-мітки, що включає геометрію і властивості матеріалів підкладки, антени і схеми. Крім цього, ми можемо поставити властивості рідера: передану потужність Pr, коефіцієнт посилення антени рідера Gr і робочу частоту.

За допомогою нашої чисельної моделі ми провели частотний аналіз електромагнітного поля антени та схеми, щоб визначити комплексний опір антени Za, коефіцієнт посилення Ga, коефіцієнт передачі потужності τ і дальність зчитування r для системи з рідера і мітки.

Далі за допомогою модуля Оптимізація можна поліпшити конструкцію антени і збільшити дальність зчитування. На малюнку нижче показані основні частини моделі RFID-мітки: повітряна область, області ідеально узгодженого шару (PML), підкладка, антена і інтегральна схема.

Модель RFID-мітки в COMSOL Multiphysics включає підкладку, антену і інтегральну схему
Модель RFID-мітки в COMSOL Multiphysics включає підкладку, антену і інтегральну схему.

валідація моделі

Щоб бути впевненими в результатах розрахунку будь-чисельної моделі, важливо виконати її валідацію. Це завдання може бути дуже дорогою і трудомісткою. Для простоти ми порівняємо чисельну модель в COMSOL Multiphysics з результатами фізичних випробувань, взятих з літератури.

В цьому випадку ми скористаємося випробуваннями зі статті Rao et al., 2005 , В якій наведено достатньо експериментальних даних для валідації моделі, в тому числі дальність зчитування r і коефіцієнти передачі потужності τ на різних частотах. Варто зауважити, що в статті наведено лише одне значення комплексного опору схеми для всього діапазону частот. Крім цього, геометричні параметри і властивості матеріалів антени і схеми були взяті з малюнків і тексту.

Ми створили модель і провели частотний аналіз еквівалентної схеми мітки. Після цього ми порівняли розрахункову дальність зчитування і коефіцієнт передачі потужності з даними фізичних випробувань зі статті Rao et al., 2005, і зібрали наші дані на графіку нижче:

Порівняння дальності зчитування (i) і коефіцієнта передачі потужності (ii) за даними моделі і фізичних випробувань зі статті Rao et al, 2005
Порівняння дальності зчитування (i) і коефіцієнта передачі потужності (ii) за даними моделі і фізичних випробувань зі статті Rao et al, 2005.

Як видно з малюнка вище, розрахункові криві добре відповідають експериментальним даним, але максимуми кривих з COMSOL Multiphysics трохи зміщені в бік більш високих частот у порівнянні з даними Rao et al. Як ми і очікували, чисельні та експериментальні дані трохи відрізняються через неповноту даних про комплексне опір схеми і властивості матеріалів в довідковій літературі. Крім того, можливі невеликі похибки у визначенні геометричних розмірів антени.

При цих умовах ми, втім, вважаємо відхилення від даних фізичного експерименту в кілька відсотків допустимими. Таким чином, ми вважаємо, що моделювання може коректно передбачити експериментальну дальність зчитування.

Конструкція і оптимізація антени

Розробивши модель в COMSOL Multiphysics і порівнявши її з експериментальними даними з літератури, ми можемо з упевненістю використовувати її для розрахунку дальності зчитування міток з відмінною конструкцією схеми і антени і для різних рідерів та їх антен. Якщо нас не влаштовує дальність зчитування, ми можемо оптимізувати конструкцію, щоб збільшити дальність.

У нашому прикладі ми використовуємо дані про схему, рідері і його антени від відомих постачальників, щоб розрахувати дальність зчитування для зразка конструкції антени мітки. Зразок конструкції мав займати площу не більше 75 × 45 мм. В його основі лежала конструкція RFID-антени Murata-A3 з довговічною міткою. На малюнку нижче показаний зразок конструкції антени в порівнянні з антеною Мurata-A3 розміром 95 × 15 мм.

Зразок конструкції антени мітки (71,2 × 15 мм) і RFID-антена Murata-A3 (95 × 15 мм) з довговічною міткою
Зразок конструкції антени мітки (71,2 × 15 мм) і RFID-антена Murata-A3 (95 × 15 мм) з довговічною міткою.

Схема, рідер і його антена від відомих постачальників:

  • Електронний компонент Murata MAGICSTRAP® (Murata Manufacturing Co., Ltd., Japan)
    • Центральна частота схеми: 866,5 МГц
  • Рідер великої дальності OBID i-scan® LRU1002 UHF (FEIG Electronic GmbH, Germany)
    • Потужність рідера: 1 Вт (на середніх дальностях)
  • антена OBID i-scan® UHF (FEIG Electronic GmbH, Germany)
    • Антена рідера: ID ISC.ANT.U.270 / 270
    • Коефіцієнт посилення антени рідера: 9 дБи
    • Комплексне опір схеми: 15-45 j ω
  • Матеріал підкладки мітки: FR4 (товщина 250 мкм)

Розрахувавши цю модель, ми отримали значення 0,303 і 1,59 м для коефіцієнта передачі потужності τ і дальності зчитування відповідно. Дальність зчитування виявилася трохи нижче необхідного для прикладної задачі значення в 2 м. Тоді ми вирішили застосувати модуль Оптимізація для пошуку оптимальної конструкції антени, яка забезпечить дальність зчитування більше 2 м.

Щоб максимізувати дальність зчитування, можна полегшити задачу і знайти конструкцію мітки з максимальним коефіцієнтом передачі потужності τ, а потім розрахувати дальність зчитування з рівняння (2), знаючи параметри рідера. В процесі оптимізації антени беруть участь 34 параметра довжини і ширини, як показано нижче.

Схематична ілюстрація конструкції антени мітки і геометричні параметри (тільки з одного боку)
Схематична ілюстрація конструкції антени мітки і геометричні параметри (тільки з одного боку).

Крім обмеження на максимальну площу антени в 75 × 45 мм, були враховані обмеження по точності виготовлення, відомі від субпідрядника , А також деякі обмеження на можливу довжину і ширину.

Вирішувачі для задачі оптимізації

В роботі вивчалися два безградіентних методу оптимізації: обмежена оптимізація з квадратичним наближенням (BOBYQA) і метод Монте-Карло. Ми вибрали методи, в яких цільова функція не зобов'язана бути дифференцируемой по керуючим змінним, а формулювання завдання, геометричні зв'язку і обмеження не повинні бути безперервними; традиційні методи пошуку екстремуму тут не підходять .

Завдання оптимізації та результати

Щоб знайти оптимальну конструкцію антени, послідовно використовуючи метод BOBYQA і метод Монте-Карло, нам треба було 42 години 23 хвилини машинного часу на ПК з двома процесорами E5649 Xeon® 2,53 ГГц і 32 Гбайт оперативної пам'яті.

Останнє значення цільової функції виявилося рівним 0,675 - значно краще початкового значення в 0,303. Це дає дальність зчитування в 2,38 м з використанням рідера великої дальності OBID i-scan® LRU1002 UHF з антеною OBID i-scan® UHF, що на 0,38 м вище мінімального вимоги в 2 м.

Геометричні параметри оптимальної конструкції антени мітки показані на малюнку нижче. Як можна помітити, оптимальна конструкція сильно відрізняється від початкової: оптимальна конструкція займає більшу частину доступною площі і виглядає зовсім по-іншому.

Оптимізована конструкція антени RFID-мітки
Оптимізована конструкція антени RFID-мітки.

Далі, змінюючи параметри потужності зчитувача і тип використовуваної їм антени, можна також оцінити різні характеристики системи рідера. Так, наприклад, збільшуючи потужність до 2 Вт і використовуючи антену більшого розміру 600/270 OBID i-scan® UHF, можна збільшити дальність зчитування до 4,23 м.

Регіональні вимоги до частотній характеристиці мітки

Можна також оцінити відгук мітки з оптимізованої конструкцією антени в діапазоні частот, що відповідає різним регіональним вимогам. Наприклад, діапазон ISM для промислових, наукових і медичних приладів в Європі займає смугу 865-868 МГц, а в США - 902-928 МГц.

Як та ж конструкція мітки буде працювати в США? Ми можемо легко перевірити це за допомогою моделі в COMSOL Multiphysics. Розрахунки коефіцієнта передачі потужності τ і дальності зчитування r представлені графічно на малюнку нижче в діапазоні частот від 800 МГц до 1000 МГц.

АЧХ оптимізованої конструкції антени
АЧХ оптимізованої конструкції антени.

Як видно з графіка, дальність зчитування мітки для прийнятого в США діапазону виявляється рівною 0,73 м на частоті 928 МГц. Тобто ця конструкція не буде працювати в США, тому потрібно оптимізувати антену для роботи і в Європі, і в США. В кінцевому підсумку програмне забезпечення COMSOL Multiphysics дозволяє не тільки розрахувати дальність зчитування пасивної RFID-мітки, а й спроектувати оптимальні антени, ідеально узгоджені з інтегральною схемою, і отримати максимальну дальність зчитування з урахуванням регіональних та інших специфічних вимог.

додаткова література

  • Hsieh et al., Key Factors Affecting the Performance of RFID Tag Antennas , Current Trends and Challenges in RFID , Chapter 8, 151-170, Prof. Cornel Turcu (Ed.), InTech (2011).
  • ND Reynolds, " Long Range Ultra-High Frequency (UHF) Radio-frequency Identification (RFID) Antenna Design ", MSc Thesis, Purdue University (2005).
  • Serkan Basat et al., " Design and Modeling of Embedded 13.56 MHz RFID Antennas ", Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE (2005).
  • Rao et al., " Impedance Matching Concepts in RFID Transponder Design ", Fourth IEEE Workshop on Automatic Identification Advanced Technologies (2005)
  • Yeoman et al. " The Use of Finite Element Methods & Genetic Algorithms in Search of an Optimal Fabric Reinforced Porous Graft System ", Annals of Biomedical Engineering, 37 (2009).

Про приглашенном автора

Марк Йомен - засновник компанії Continuum Blue . Він отримав інженерну освіту і ступінь доктора по чисельному моделюванню і прикладної математики. Його подальша науково-дослідницька діяльність була присвячена розробці серцево-судинних імплантатів для компанії Medtronic Inc. за допомогою методів чисельного моделювання і генетичних алгоритмів. Перш ніж заснувати компанію Continuum Blue, він читав лекції з прикладної динаміці і машинобудуванню. За 15 років роботи він застосовував мультіфізіческое моделювання в багатьох галузях, в тому числі для задач нафтогазової, аерокосмічної, автомобільної, хімічної та біомедичної промисловості.

OBID i-scan - зареєстрований товарний знак FEIG ELECTRONIC GmbH.

MAGICSTRAP - зареєстрований товарний знак Murata Manufacturing Co., Ltd.

Як та ж конструкція мітки буде працювати в США?

Новости

Увлекательные походы в Карпаты.

Наконец-то, пришло тепло, солнышко с каждым днем пригревает сильнее, зацвели сады и, природа манит своими красотами в поход. Что может быть лучше, чем пеший поход по родному краю? Ведь, это одновременно

Поход на вулкан Немрут Даг

Как давно вам не приходилось испытывать острых ощущений? Можно смело предположить, что очень давно. К сожалению или к счастью, но наш мир давно уже не такой, каким был раньше. Он стал намного тише

Антикварный магазин Домовой
В вашем доме есть домовой? Этакое противоречивое и непредсказуемое существо, которое разбрасывает и прячет вещи, топает по ночам и в то же время оберегает домашний очаг и всю семью. . . Кто же такой

Хуэй Чжун Дан
На просторах интернета мы нашли интересный сайт, который предлагает китайские шарики для усиления мужской силы. Ради интереса мы зашли на этот сайт Хуэй Чжун Дан. Сразу на первой странице Вы видите

Капсулы для похудения Лишоу
В наше время, наверное, каждый стремится выглядеть действительно красиво и привлекательно. И в первую очередь все мы бы хотели, что бы наша фигура была идеальной. Но нам из-за отсутствия времени очень

Регата Marmaris Race Week
5  мая 2018 года у  юго-западных берегов Турции стартует традиционная майская « Русская парусная неделя  Volvo» . В  этот раз крупнейшее российское яхтенное соревнование

Дешевая аптека в Ромнах
Добрый день, хотелось бы рассказать вам дорогие друзья про одно место, где вы можете приобрести очень качественные лекарства. Речь пойдет об аптеке, то есть, если вы любитель конкретики, то сеть аптек

Упражнения по арт терапии
Особенности арт-терапевтической сессии: • Доверие (открытость, знакомство с группой, интерес к себе и другим). • Концентрация (привлечение внимания к другим и себе, концентрация на чувствах,

Купить диван в Киеве недорого
Благодаря неустанным стараниям воровской власти нашей страны, уровень жизни населения стремительно падает. Но всем хочется позволить себе маленькие радости, в том числе и в вопросах обновления интерьера.

Домашние тараканы фото
Обычно, таракан – это нежеланный гость. С собой он приносит массу заморочек, потому что является разносчиком зараз, а избавиться от бессчетных колоний достаточно проблематично. Но если вы будет знать,