- Про завдання радіочастотної ідентифікації
- Вимоги для максимізації дальності зчитування RFID-мітки
- Теорія і рівняння
- чисельна модель
- валідація моделі
- Конструкція і оптимізація антени
- Вирішувачі для задачі оптимізації
- Завдання оптимізації та результати
- Регіональні вимоги до частотній характеристиці мітки
- додаткова література
- 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).
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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?
