Проверка Функциональности Дизайна СВЧ RFID-Меток при помощи Моделирования

Fanny Griesmer 20/04/2015
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Версия 5.1 среды COMSOL Multiphysics предлагает новую учебную модель СВЧ RFID-меток. RFID-метки, с помощью электромагнитного излучения, позволяют осуществлять контроль за перемещениями и идентификацию одушевленных (популяции животных, пропускные системы и системы безопасности) и неодушевленных (склады, логистика) предметов. СВЧ RFID-метки обладают большим радиусом действия, чем другие типы радиочастотных меток, что способствует их применению для контроля за подвижными объектами, в частности, за миграцией животных. Мы можем оценить качество метки, анализируя распределение электрического поля на поверхности антенны и диаграмму направленности излучения в дальней зоне.

Использование RFID-Меток на Животных

Метки радиочастотной идентификации (radio-frequency identification — RFID) позволяют идентифицировать объекты беспроводным способом. Диапазон их применений простирается от идентификационных карточек-пропусков (IDbadges) всевозможных систем безопасности до обеспечения обслуживания животных (или даже более экзотические способы использования, такие как часть приемо-передающей системы робота-бабочки ). Ученые также не обошли вниманием RFID-метки, с успехом используя их для слежения за китовыми акулами — самыми большими рыбами в морях и океанах. С помощью этого, они надеются узнать больше об этих нежных созданиях.Более обычным применением является использование RFID-меток в сельском хозяйстве. Фермеры помечают свою собственность (коров, например) для защиты ее от кражи и идентификации животных в случае вспышки заболеваний.

Фото коровы с RFID-меткой в ухе.
Корова с RFID-меткой в ухе. (By Man vyi. Licensed under public domain, via Wikimedia Commons).

СВЧ RFID-Метки

Различают RFID-метки трех типов:

  1. Низко-частотный (НЧ) диапазон
  2. Высоко-частотный (ВЧ) диапазон
  3. Сверхвысоко-частотный (СВЧ) диапазон

СВЧ RFID-метка имеет множество достоинств по сравнению с другими метками, что делает ее более пригодной для работы с животными. Так, например, в отличие от ВЧ альтернативы, СВЧ RFID-метка может считываться, как на близких, так и на дальних расстояниях и, таким образом, может использоваться в большем числе различных применений. Кроме того, они обладают, как правило, большей скоростью передачи информации, чем их НЧ и ВЧ аналоги и имеют более конкурентоспособную цену.

Моделирование Дизайна СВЧ RFID-Метки

В версии 5.1 среды COMSOL Multiphysics, предлагается новая учебная модель, с помощью которой вы сможете начать моделирование разнообразных пассивных СВЧ RFID-меток и карточек. Давайте посмотрим, из чего состоит эта модель.

Следуя общепринятой практике в области дизайна RFID-меток, антенна в нашей модели имеет внешний вид компактно свернутой меандроподобной структуры для уменьшения общего размера метки. Данная структура в виде медных дорожек формируется на поверхности платы из композитного материала FR4. Сосредоточенный порт представляет собой микрочип, который размещается в центре структуры и используется для возбуждения метки и анализа входного сопротивления антенны. В нашей модели сосредоточенный порт имеет эталонное сопротивление 50 Ом. Поблизости от меандра антенны располагается еще одна медная контактная площадка, которая используется для контроля импеданса.

Структура метки закрывается желтым PTFE (PTFE — политетрафторэтилен или фторопласт) корпусом с низкой диэлектрической проницаемостью, и она становится похожей на метку в коровьем ухе, которую мы видели раньше (выше).

Изображение геометрии RFID-метки.
Геометрия СВЧ RFID-метки с половиной платы, показанной с незакрытым корпусом. Сосредоточенный порт представляет собой чип в центре структуры.

Так как у нашей RFID-метки рабочая частота — 915 МГц, для которой медные дорожки антенны имеют толщину большую глубины скин-слоя, то при моделировании металлические детали можно заменять моделью идеального электрического проводника. Хотя это не видно из рисунка выше, но вся наша модель окружена воздушной сферой, ограниченной оболочкой из идеально согласованного слоя (perfectly matched layer — PML), имитирующего условия излучения в бесконечном пространстве. Наличие граничных условий PML, гарантирует отсутствие отраженного потока энергии от границы воздушной области.

В данной модели применяется нестандартный подход, использующий представление коэффициента отражения силовой волны (power wave), которое оперирует с комплексным импедансом. Этот подход позволяет непосредственно оценить согласование компонентов вRFID-метке.

Отметим, что здесь мы забегаем вперед результатов, приведенных в следующем разделе. Чтобы узнать, как данная модель создается последовательно, шаг за шагом, смотрите Галерею Приложений (Application Gallery).

Оценка Функциональности Метки

После завершения настройки модели и процесса моделирования, можно проанализировать полученные результаты для оценки функциональности конструкции метки. Чтобы понять, каким образом электрическое поле распределяется по поверхности антенны, построим график квадрата модуля напряженности электрического поля. Когда антенна находится в резонансе, наиболее интенсивное поле наблюдается возле концов антенны и на некоторых внешних участках линии меандра. Частотный диапазон метки определяется степенью согласованности импеданса между антенной и чипом.

Сначала, проанализируем распределение квадрата модуля напряженности электрического поля (Е-поле) в xy-плоскости, чтобы определить в каких именно участках метки сосредоточено поле. Как можно заметить из графического изображения приведенного ниже, поле распределено симметрично вдоль линии меандра и в пространстве между отрезками линии, а также в области согласования импеданса. Это идеальный случай, поскольку симметричное распределение поля будет генерировать симметричные диаграммы направленности излучения.

При симметричной диаграмме направленности (в данной модели, она, к тому же, является всенаправленной в одной из плоскостей), мы можем смело рассчитывать на то, что метка обладает идеальной угловой конфигурацией излучения. Или, обращаясь к нашему примеру практического использования, эта информация поможет нам понять, как лучше укрепить метку на корове и где расположить считыватель информации RFID-меток, чтобы быть уверенным, что мы контролируем всех коров.

Моделирование Е-поля для полноразмерной цепи СВЧ RFID-метки.
График распределения квадрата модуля E-поля СВЧ RFID-метки для полноразмерной модели электрической цепи.

На следующем этапе анализа, построим диаграмму направленности излучения в дальней зоне. Получившаяся картина будет хорошо знакома инженерам-проектировщикам антенн; диаграмма направленности выглядит практически так же, как и для антенны полуволнового диполя.

Схематичное представление поля излучения в дальней зоне в модели СВЧ RFID-метки.
Диаграмма направленности излучения в дальней зоне для нашей модели СВЧ RFID-метки.

Используя наш подход к моделированию, можно показать, что коэффициент отражения по мощности будет меньше -15 дБ при импедансе согласования чипа — 18+j124 Ω. Это означает, что когда чип RFID-метки переизлучает полученный сигнал через антенну, менее чем -15 дБ мощности отразится обратно в чип. Для сравнения, аналогичное значение для коммерчески доступных антенн среднего уровня, составляет -10 дБ. Учитывая это, наша конструкция может и не является превосходной, но имеет вполне приемлемый уровень. Поскольку диаграмма направленности носит всенаправленный характер вокруг линии меандра, его отклик будет практически тем же самым в любом направлении в этой плоскости. Все это в совокупности говорит о том, что наша метка является вполне надежной и жизнеспособной конструкцией.

Если вы являетесь инженером-конструктором компании по производству RFID-продукции, то можете обратиться к среде моделирования COMSOL Multiphysics для оценки качества изготовления собственной СВЧ RFID-метки. Начните работу, загрузив учебную модель по ссылке ниже.

Информация для Дальнейшего Изучения


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Течения в пористых средах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта