Дальность считывания RFID-меток и оптимизация антенны

Guest Mark Yeoman 08/10/2014
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

В этой статье приглашенный автор и сертифицированный консультант Марк Йемен (Mark Yeoman) из компании Continuum Blue расскажет о численном решении задач радиочастотной идентификации.

Мы узнаем, как использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® и определить дальность считывания пассивной RFID-метки, питающейся от внешнего поля ридера. Кроме этого, мы увидим, как увеличить дальность считывания, оптимизируя конструкцию антенны.

О задачах радиочастотной идентификации

Радиочастотная идентификация (RFID) — метод беспроводной передачи информации с помощью электромагнитных полей СВЧ-диапазона. Метод позволяет идентифицировать и отслеживать объекты с прикрепленными RFID-метками. Эти метки вы можете часто встретить в бытовых товарах, продуктах, платежных картах и даже в микрочипах для домашнего скота.

Считывает информацию с метки специальный приемопередатчик, называемый ридер, испускающий электромагнитный сигнал и регистрирующий ответ метки, как показано на рис. (i). Чем шире и масштабнее используются метки, тем важнее становится снижение их энергопотребления и размеров с сохранением или увеличением дальности считывания — расстояния, на котором метку можно распознать.

Illustration of i RFID system and ii equivalent circuit of RFID tag Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны Система радиочастотной идентификации (i) и соответствующая электрическая схема RFID-метки (ii).

Требования для максимизации дальности считывания RFID-метки

RFID-метки состоят главным образом из антенны и интегральной схемы с комплексными входными сопротивлениями, как показано на рис. (ii). Интегральные схемы обычно расположены у разъемов антенны и работают под напряжением Va, получаемым антенной от внешнего поля, возбуждаемого ридером.

Чтобы максимизировать дальность считывания метки, требуется лишь идеально согласовать комплексные сопротивления антенны метки и интегральной схемы (ссылки на литературу по этой теме представлены в разделе «Дополнительная литература») и убедиться, что минимальная мощность Pth, требуемая для срабатывания схемы, достигается на данном расстоянии от выбранного ридера в требуемом диапазоне частот.

Теория и уравнения

К счастью для читателя, мы не будем здесь вдаваться в теоретические подробности. (Подробное описание теоретических основ вы можете найти в моей статье Impedance Matching of Tag Antenna to Maximise RFID Read Ranges & Optimising a Tag Antenna Design for a Particular Application («Согласование комплексных сопротивлений для максимизации дальности считывания RFID-меток и оптимизация конструкции антенны метки для частных задач»), которая опубликована в материалах Конференции COMSOL 2014.) Тем не менее приведем уравнение для коэффициента передачи мощности τ, который описывает согласование комплексных сопротивлений. Чем ближе τ к единице, тем лучше согласованы комплексные сопротивления антенны и схемы:

(1)

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

Здесь Rc и Ra — сопротивления схемы и антенны соответственно, Zc и Za — комплексные сопротивления схемы и антенны соответственно. Кроме того, пользуясь формулой передачи Фрииса для свободного пространства, можно получить уравнение для дальности считывания

r:

(2)

\quad r = {\frac{\lambda}{4\pi}} \sqrt{\frac{P{_r}G{_r}G{_a}\tau}{P{_t}{_h}}}

Здесь λ — длина волны, Pr — передаваемая ридером мощность, Gr — коэффициент усиления антенны ридера, Ga — коэффициент усиления антенны метки, Pth — минимальная пороговая мощность для работы схемы. Оптимальная дальность считывания в некотором диапазоне частот r обычно называется резонансом метки и совпадает с максимумом коэффициента передачи мощности τ.

Численная модель

С помощью модуля Радиочастоты в COMSOL Multiphysics® можно разработать модель RFID-метки, включающую геометрию и свойства материалов подложки, антенны и схемы. Кроме этого, мы можем задать свойства ридера: передаваемую мощность Pr, коэффициент усиления антенны ридера Gr и рабочую частоту.

С помощью нашей численной модели мы провели частотный анализ электромагнитного поля антенны и схемы, чтобы определить комплексное сопротивление антенны Za, коэффициент усиления Ga, коэффициент передачи мощности τ и дальность считывания r для системы из ридера и метки.

Далее с помощью модуля Оптимизация можно улучшить конструкцию антенны и увеличить дальность считывания. На рисунке ниже показаны основные части модели RFID-метки: воздушная область, области идеально согласованного слоя (PML), подложка, антенна и интегральная схема.

COMSOL Multiphysics model of an RFID tag Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны
Модель RFID-метки в COMSOL Multiphysics включает подложку, антенну и интегральную схему.

Валидация модели

Чтобы быть уверенными в результатах расчета любой численной модели, важно выполнить ее валидацию. Это задача может быть очень дорогостоящей и трудоемкой. Для простоты мы сравним численную модель в COMSOL Multiphysics с результатами физических испытаний, взятых из литературы.

В этом случае мы воспользуемся испытаниями из статьи Rao et al., 2005, в которой приведено достаточно экспериментальных данных для валидации модели, в том числе дальность считывания r и коэффициенты передачи мощности τ на разных частотах. Стоит заметить, что в статье приведено только одно значение комплексного сопротивления схемы для всего диапазона частот. Кроме этого, геометрические параметры и свойства материалов антенны и схемы были взяты из рисунков и текста.

Мы создали модель и провели частотный анализ эквивалентной схемы метки. После этого мы сравнили расчетную дальность считывания и коэффициент передачи мощности с данными физических испытаний из статьи Rao et al., 2005, и собрали наши данные на графике ниже:

Comparisons of i read range and ii power transmission coefficient Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны
Сравнение дальности считывания (i) и коэффициента передачи мощности (ii) по данным модели и физических испытаний из статьи Rao et al, 2005.

Как видно из рисунка выше, расчетные кривые хорошо соответствуют экспериментальным данным, но максимумы кривых из COMSOL Multiphysics немного смещены в сторону более высоких частот по сравнению с данными Rao et al. Как мы и ожидали, численные и экспериментальные данные немного отличаются из-за неполноты данных о комплексном сопротивлении схемы и свойствах материалов в справочной литературе. Кроме того, возможны небольшие погрешности в определении геометрических размеров антенны.

При этих условиях мы, впрочем, считаем отклонения от данных физического эксперимента в несколько процентов допустимыми. Таким образом, мы считаем, что моделирование может корректно предсказать экспериментальную дальность считывания.

Конструкция и оптимизация антенны

Разработав модель в COMSOL Multiphysics и сравнив ее с экспериментальными данными из литературы, мы можем с уверенностью использовать ее для расчета дальности считывания меток с различной конструкцией схемы и антенны и для разных ридеров и их антенн. Если нас не устраивает дальность считывания, мы можем оптимизировать конструкцию, чтобы увеличить дальность.

В нашем примере мы используем данные о схеме, ридере и его антенне от известных поставщиков, чтобы рассчитать дальность считывания для образца конструкции антенны метки. Образец конструкции должен был занимать площадь не более 75 × 45 мм. В его основе лежала конструкция RFID-антенны Murata-A3 с долговечной меткой. На рисунке ниже показан образец конструкции антенны в сравнении с антенной Мurata-A3 размером 95 × 15 мм.

Example tag antenna design Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны
Образец конструкции антенны метки (71,2 × 15 мм) и RFID-антенна Murata-A3 (95 × 15 мм) с долговечной меткой.

Схема, ридер и его антенна от известных поставщиков:

  • Электронный компонент Murata MAGICSTRAP®(Murata Manufacturing Co., Ltd., Japan)
    • Центральная частота схемы: 866,5 МГц
  • Ридер большой дальности OBID i-scan® LRU1002 UHF (FEIG Electronic GmbH, Germany)
    • Мощность ридера: 1 Вт (на средних дальностях)
  • Антенна OBID i-scan® UHF (FEIG Electronic GmbH, Germany)
    • Антенна ридера: ID ISC.ANT.U.270/270
    • Коэффициент усиления антенны ридера: 9 дБи
    • Комплексное сопротивление схемы: 15–45 j ω
  • Материал подложки метки: FR4 (толщина 250 мкм)

Рассчитав эту модель, мы получили значения 0,303 и 1,59 м для коэффициента передачи мощности τ и дальности считывания соответственно. Дальность считывания оказалась немного ниже требуемого для прикладной задачи значения в 2 м. Тогда мы решили применить модуль Оптимизация для поиска оптимальной конструкции антенны, которая обеспечит дальность считывания более 2 м.

Чтобы максимизировать дальность считывания, можно облегчить задачу и найти конструкцию метки с максимальным коэффициентом передачи мощности τ, а затем рассчитать дальность считывания из уравнения (2), зная параметры ридера. В процессе оптимизации антенны участвуют 34 параметра длины и ширины, как показано ниже.

tag antenna design and geometric variables on one side Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны
Схематическая иллюстрация конструкции антенны метки и геометрические параметры (только с одной стороны).

Кроме ограничения на максимальную площадь антенны в 75 × 45 мм, были учтены ограничения по точности изготовления, известные от субподрядчика, а также некоторые ограничения на возможную длину и ширину.

Решатели для задачи оптимизации

В работе изучались два безградиентных метода оптимизации: ограниченная оптимизация с квадратичным приближением (BOBYQA) и метод Монте-Карло. Мы выбрали методы, в которых целевая функция не обязана быть дифференцируемой по управляющим переменным, а формулировка задачи, геометрические связи и ограничения не должны быть непрерывными; традиционные методы поиска экстремума здесь не подходят.

Задача оптимизации и результаты

Чтобы найти оптимальную конструкцию антенны, последовательно используя метод BOBYQA и метод Монте-Карло, нам потребовалось 42 часа 23 минуты машинного времени на ПК с двумя процессорами E5649 Xeon® 2,53 ГГц и 32 Гбайт оперативной памяти.

Последнее значение целевой функции оказалось равным 0,675 — значительно лучше начального значения в 0,303. Это дает дальность считывания в 2,38 м с использованием ридера большой дальности OBID i-scan® LRU1002 UHF с антенной OBID i-scan® UHF, что на 0,38 м выше минимального требования в 2 м.

Геометрические параметры оптимальной конструкции антенны метки показаны на рисунке ниже. Как можно заметить, оптимальная конструкция сильно отличается от начальной: оптимальная конструкция занимает большую часть доступной площади и выглядит совсем по-другому.

optimized RFID tag antenna design Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны
Оптимизированная конструкция антенны RFID-метки.

Далее, изменяя параметры мощности считывателя и тип используемой им антенны, можно также оценить различные характеристики системы ридера. Так, например, увеличивая мощность до 2 Вт и используя антенну большего размера 600/270 OBID i-scan® UHF, можно увеличить дальность считывания до 4,23 м.

Региональные требования к частотной характеристике метки

Можно также оценить отклик метки с оптимизированной конструкцией антенны в диапазоне частот, отвечающем различным региональным требованиям. Например, диапазон ISM для промышленных, научных и медицинских приборов в Европе занимает полосу 865-868 МГц, а в США — 902-928 МГц.

Как та же конструкция метки будет работать в США? Мы можем легко проверить это с помощью модели в COMSOL Multiphysics. Расчеты коэффициента передачи мощности τ и дальности считывания r представлены графически на рисунке ниже в диапазоне частот от 800 МГц до 1000 МГц.

frequency response of optimized RFID antenna design Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны
АЧХ оптимизированной конструкции антенны.

Как видно из графика, дальность считывания метки для принятого в США диапазона оказывается равной 0,73 м на частоте 928 МГц. Т.е. эта конструкция не будет работать в США, поэтому требуется оптимизировать антенну для работы и в Европе, и в США. В конечном итоге программное обеспечение COMSOL Multiphysics позволяет не только рассчитать дальность считывания пассивной RFID-метки, но и спроектировать оптимальные антенны, идеально согласованные с интегральной схемой, и получить максимальную дальность считывания с учетом региональных и других специфических требований.

Дополнительная литература

О приглашенном авторе

Mark Yeoman Дальность считывания RFID меток и оптимизация антенны
Марк Йомен — основатель компании Continuum Blue. Он получил инженерное образование и степень доктора по численному моделированию и прикладной математике. Его дальнейшая научно-исследовательская деятельность была посвящена разработке сердечно-сосудистых имплантатов для компании Medtronic Inc. с помощью методов численного моделирования и генетических алгоритмов. Прежде чем основать компанию Continuum Blue, он читал лекции по прикладной динамике и машиностроению. За 15 лет работы он применял мультифизическое моделирование во многих отраслях, в том числе для задач нефтегазовой, аэрокосмической, автомобильной, химической и биомедицинской промышленности.

OBID i-scan — зарегистрированный товарный знак FEIG ELECTRONIC GmbH.

MAGICSTRAP — зарегистрированный товарный знак Murata Manufacturing Co., Ltd.


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 Геометрическая оптика Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции 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 модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта