Дальность считывания RFID-меток и оптимизация антенны

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.

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.

Система радиочастотной идентификации (i) и соответствующая электрическая схема RFID-метки (ii).

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.

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:

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

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.

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.

Модель RFID-метки в COMSOL Multiphysics включает подложку, антенну и интегральную схему.

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:

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.

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.

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
  • Мощность ридера: 1 Вт (на средних дальностях)
  • Антенна ридера: ID ISC.ANT.U.270/270
  • Коэффициент усиления антенны ридера: 9 дБи
  • Комплексное сопротивление схемы: 15–45 j ω

  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.

  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.

  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.

  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
  • 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).
  • N. D. 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).
  О приглашенном авторе

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

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

  📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎