بهینه سازی محدوده خواندن برچسب RFID و آنتن

امروز، وبلاگ نویس مهمان و مشاور خبره Mark Yeoman از Continuum Blue یک مثال مدل سازی عددی برای برنامه های RFID به اشتراک می گذارد.

ما به این خواهیم پرداخت که چگونه می‌توانیم از نرم‌افزار شبیه‌سازی COMSOL Multiphysics® برای تعیین محدوده خواندن عملکرد یک تگ RFID غیرفعال که توسط میدان بازجویی خواننده تغذیه می‌شود، استفاده کنیم. علاوه بر این، ما به این خواهیم پرداخت که چگونه می توانیم این محدوده عملیاتی را با بهینه سازی طراحی آنتن تگ به حداکثر برسانیم.

درباره برنامه RFID

شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) شامل استفاده بی سیم از میدان های الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی برای انتقال اطلاعات و شناسایی و ردیابی اشیا با استفاده از فرستنده یا برچسب RFID متصل به شی مورد نظر است. این برچسب ها در حال حاضر اغلب در محصولات روزمره، محصولات، کارت های پرداخت و حتی دام ها دیده می شود.

یک خواننده برای بازجویی از برچسب از طریق میدان های الکترومغناطیسی همانطور که در شکل (i) در زیر نشان داده شده است استفاده می شود و اطلاعات از برچسب ارسال می شود. با افزایش روزافزون استفاده از آنها، نیاز فزاینده ای برای کاهش انرژی مورد نیاز و اندازه برچسب ها وجود دارد، در حالی که محدوده خواندن، یعنی فاصله ای که برچسب را می توان در آن شناسایی کرد، حفظ یا حداکثر کرد.

تصویر (i) سیستم RFID و (ii) مدار معادل برچسب RFID.

الزامات برای به حداکثر رساندن محدوده خواندن برچسب RFID

برچسب‌های RFID اساساً از یک آنتن و یک تراشه تشکیل شده‌اند که دارای امپدانس‌های ورودی پیچیده‌ای هستند که در شکل (ii) در بالا نشان داده شده است. تراشه‌ها معمولاً در پایانه‌های آنتن قرار دارند و ولتاژ (V _a ) که در پایانه‌های آنتن از میدان بازجویی خواننده ایجاد می‌شود، تراشه را تغذیه می‌کند.

برای به حداکثر رساندن محدوده خواندن برچسب، کافی است امپدانس آنتن تگ RFID را به طور ایده آل با تراشه مورد استفاده در برچسب تطبیق دهیم (مرجعات ذکر شده در بخش “خواندن بیشتر”) و اطمینان حاصل کنیم که برای یک خواننده خاص، حداقل توان آستانه ( P _th ) در این فاصله به دست می آید تا تراشه در فرکانس های کاری مورد نیاز فعال شود.

نظریه و معادلات

خوشبختانه، در اینجا قصد ندارم وارد تمام تئوری ها شوم. (اگر جزئیات کامل را می خواهید، مقاله من را بررسی کنید “تطابق امپدانس آنتن برچسب برای به حداکثر رساندن محدوده خواندن RFID و بهینه سازی طراحی آنتن برچسب برای یک برنامه خاص” که به زودی از طریق منبع کنفرانس COMSOL 2014 منتشر خواهد شد.) می توان معادله ای برای ضریب انتقال توان τ بدست آورد که مطابقت امپدانس را توصیف می کند. در اینجا، از آنجایی که τ تمایل به وحدت دارد، مطابقت امپدانس بین تراشه و آنتن بهتر است، به شرح زیر:

(1)

در اینجا، Rc و R _{a به ترتیب مقاومت تراشه} و آنتن هستند. Z _c و Z _a به ترتیب امپدانس تراشه و آنتن هستند. علاوه بر این، با استفاده از معادله فضای آزاد فریس، می‌توانیم معادله‌ای برای محدوده خواندن r به دست آوریم :

(2)

در اینجا λ طول موج، _{Pr توان ارسالی توسط خواننده، Gr} بهره آنتن خواننده _، G a _بهره آنتن برچسب گیرنده و P _{th است.}حداقل توان آستانه است. محدوده خواندن پیک، r ، در یک محدوده فرکانس را می توان به عنوان رزونانس برچسب نام برد و با حداکثر ضریب انتقال توان، τ منطبق خواهد شد.

مدل عددی

با COMSOL Multiphysics® و ماژول RF ، می توان یک مدل تجزیه و تحلیل برای برچسب RFID، از جمله زیرلایه، هندسه آنتن و تراشه، و خواص مواد ایجاد کرد. علاوه بر این، می‌توانیم جزئیات سیستم خواننده مانند توان ارسالی، Pr _را وارد کنیم . بهره آنتن خواننده، G _r ; و فرکانس کاری

در مدل عددی خود، می‌توانیم تحلیل میدان الکترومغناطیسی و حوزه فرکانس طراحی ترکیبی تراشه و آنتن را برای تعیین امپدانس پیچیده آنتن، Z _a انجام دهیم . به دست آوردن، G _a ; ضریب انتقال قدرت، τ; و محدوده خواندن، r ، برای یک خواننده و سیستم برچسب ترکیبی.

علاوه بر این، با استفاده از ماژول بهینه سازی ، می توان طراحی هندسی آنتن را برای به حداکثر رساندن محدوده خواندن بهینه کرد. شکل زیر ویژگی های اصلی مدل تگ RFID را نشان می دهد، از جمله دامنه هوا، مناطق لایه کاملاً منطبق (PML)، زیرلایه برچسب و هندسه آنتن و تراشه.

مدل COMSOL Multiphysics® یک برچسب RFID، شامل بستر، آنتن و تراشه.

اعتبار سنجی مدل

برای اطمینان از نتایج تحلیل هر مدل عددی، اعتبارسنجی مدل مهم است. این می تواند یک تمرین بسیار پرهزینه و وقت گیر باشد. با توجه به محدودیت های بودجه و زمانی، ما نتایج عددی COMSOL Multiphysics را با داده های آزمایش فیزیکی به دست آمده از ادبیات مقایسه می کنیم.

در این مورد، ما از داده های آزمایش فیزیکی ارائه شده توسط Rao و همکاران استفاده خواهیم کرد . (2005)، که داده های آزمایش فیزیکی کافی، از جمله محدوده خواندن، r و ضرایب انتقال توان، τ، را در فرکانس های مختلف برای اهداف اعتبار سنجی فراهم می کند. لازم به ذکر است که رائو و همکاران. فقط یک مقدار امپدانس تراشه واحد برای محدوده فرکانس ارائه کرد. علاوه بر این، جزئیات هندسی و متریال طراحی آنتن و تگ از تصاویر و متن های موجود استخراج شد.

ما یک جاروب فرکانس از برچسب معادل را تنظیم و اجرا کردیم. سپس، نتایج محدوده خواندن و ضریب انتقال توان را با داده‌های آزمایش فیزیکی ارائه شده توسط Rao و همکاران مقایسه کردیم. و یافته های خود را به صورت گرافیکی به شرح زیر نشان داد:

مقایسه (i) محدوده خواندن و (ii) ضریب انتقال توان به‌دست‌آمده از مدل در مقابل داده‌های آزمایش فیزیکی از Rao و همکاران.

همانطور که در شکل بالا می بینید، روند مدل مشاهده شده از داده های فیزیکی پیروی می کند، اما پیک های مدل COMSOL Multiphysics در فرکانس های کمی بالاتر از فرکانس های ارائه شده توسط Rao و همکاران هستند. همانطور که انتظار می رفت، به دلیل امپدانس محدود تراشه و داده های مواد ارائه شده در مقالات، تفاوت جزئی بین داده های آزمایش عددی و فیزیکی وجود خواهد داشت. علاوه بر این، ممکن است خطاهای کوچکی در استخراج ابعاد هندسی آنتن رخ داده باشد.

با این حال، درصد انحرافات کوچک از داده های آزمایش فیزیکی را در این شرایط قابل قبول در نظر گرفتیم. ما همچنین روش مدل‌سازی را قادر به پیش‌بینی صحیح محدوده خواندن مشاهده‌شده در نظر گرفتیم.

طراحی و بهینه سازی آنتن

اکنون که یک مدل COMSOL Multiphysics را توسعه داده‌ایم و آن را با داده‌های آزمایش فیزیکی از ادبیات مقایسه کرده‌ایم، به اندازه کافی مطمئن هستیم که از آن برای پیش‌بینی محدوده خواندن برچسب برای طراحی‌های مختلف تراشه یا آنتن، در ترکیب با خواننده و خواننده مختلف استفاده کنیم. سیستم های آنتن اگر از محدوده خواندن کاملاً راضی نیستیم، می‌توانیم طراحی را برای به حداکثر رساندن محدوده خواندن بهینه کنیم.

در این مثال، ما قصد داریم از یک تراشه، خواننده و آنتن خواننده خاص از تامین کنندگان شناخته شده برای یافتن محدوده خواندن یک نمونه طراحی آنتن برچسب استفاده کنیم. طرح نمونه باید دارای حداکثر مساحت 75×45 میلی‌متر باشد و بر اساس طرح آنتن منبت کاری « Murata-A3 » برای یک برچسب بادوام بود. شکل زیر نمونه طراحی آنتن تگ را نشان می دهد و آن را با آنتن موراتا-A3 (95×15 میلی متر) مقایسه می کند.

نمونه طراحی آنتن تگ (71.2×15 میلی متر) و مقایسه با طراحی آنتن اینله Murata-A3 (95×15 میلی متر) برای یک برچسب بادوام.

تراشه، خواننده و آنتن خواننده خاص از تامین کنندگان شناخته شده:

• جزء موراتا MAGICSTRAP® (شرکت تولیدی موراتا، آموزشی ویبولیتین، ژاپن)
  • فرکانس تراشه: 866.5 مگاهرتز
• OBID i-scan® LRU1002 UHF Long Range Reader (FEIG Electronic GmbH، آلمان)
  • قدرت خواننده: 1 وات (مقدار متوسط)
• آنتن خواننده OBID i-scan® UHF (FEIG Electronic GmbH، آلمان)
  • آنتن ریدر: ID ISC.ANT.U.270/270
  • بهره آنتن خواننده: 9 dBi
  • امپدانس تراشه: 15-45 j ω
• جنس زیرلایه برچسب: FR4 (ضخامت 250 میلی متر)

هنگام اجرای این مدل به ترتیب 0.303 و 1.59 متر برای ضریب انتقال توان، τ و محدوده خواندن به دست آوردیم. محدوده خواندن در مقایسه با 2 متر مورد نیاز برای برنامه در دست کمی کم در نظر گرفته شد. در آن زمان بود که ما به ماژول بهینه‌سازی روی آوردیم تا یک طراحی آنتن بهینه را پیدا کنیم که محدوده خواندن بیش از 2 متر را ارائه دهد.

برای به دست آوردن حداکثر دامنه خواندن، می توان کار تجزیه و تحلیل را ساده کرد و ضریب انتقال حداکثر توان، τ را برای طراحی برچسب بهینه کرد و سپس محدوده خواندن را بر اساس رابطه (2) در ترکیب با سیستم خواننده تعیین کرد. متغیرهای هندسی درگیر در فرآیند بهینه سازی آنتن شامل 34 پارامتر طول و عرض همانطور که در زیر نشان داده شده است.

شماتیکی که طراحی آنتن برچسب و متغیرهای هندسی را فقط در یک طرف نشان می دهد.

علاوه بر محدودیت حفظ طراحی آنتن در یک منطقه ردپای 75×45 میلی‌متر، محدودیت‌های تحمل تولید به‌دست‌آمده از یک پیمانکار فرعی و همچنین محدودیت‌هایی در طول و عرض احتمالی اعمال شد.

حل کننده های بهینه سازی

ما به دو روش بهینه‌سازی بدون گرادیان در کار نگاه کردیم. یعنی بهینه سازی کران با روش تقریب درجه دوم (BOBYQA) و روش مونت کارلو. اینها به این دلیل انتخاب شدند که تابع هدف نیازی به متمایز بودن با توجه به متغیرهای کنترلی ندارد و تعریف مسئله و روابط هندسی و محدودیت‌ها ناپیوسته خواهد بود و روش‌های سنتی بهینه‌سازی تپه‌نوردی را نامناسب می‌سازد .

راه حل و نتایج بهینه شده

به طور کلی، برای یافتن طراحی بهینه آنتن، با استفاده از هر دو روش BOBYQA و مونت کارلو به صورت سری، با استفاده از یک رایانه شخصی با دو پردازنده Xeon® E5649 (2.53 گیگاهرتز) در مجموع 42 ساعت و 23 دقیقه زمان شبیه سازی طول کشید. و 32 گیگابایت رم.

مقدار هدف نهایی یافت شده 0.675 بود که یک پیشرفت بسیار زیاد نسبت به 0.303 اولیه بود. هنگامی که در ترکیب با OBID i-scan® LRU1002 UHF Long Range Reader و OBID i-scan® UHF Reader آنتن استفاده می‌شود، برد خواندن 2.38 متر، 0.38 متر بیشتر از حداقل 2 متر مورد نیاز ما بود.

مشخصات هندسی طراحی آنتن تگ بهینه شده در شکل زیر به تفصیل آمده است. همانطور که می بینید، این طراحی آنتن بهینه شده بسیار متفاوت از طراحی اولیه است، جایی که راه حل نهایی درصد زیادی از فضای موجود را پر می کند و طرح طراحی کاملا متفاوتی دارد.

طراحی آنتن تگ RFID بهینه شده

علاوه بر این، با تغییر تنظیمات برق ریدر و نوع آنتن ریدر استفاده شده، می توان مشخصات مختلف سیستم ریدر را نیز ارزیابی کرد. بنابراین، برای مثال، با تقویت خواننده به 2 وات و استفاده از آنتن 600/270 OBID i-scan® UHF Reader بزرگتر، می توان برد خواندن را تا 4.23 متر افزایش داد.

الزامات پاسخ تگ منطقه ای

با این طراحی بهینه، می‌توان پاسخ برچسب را در محدوده فرکانسی برای نیازهای منطقه‌ای مختلف ارزیابی کرد. برای مثال، نیازهای باند رادیویی صنعتی، علمی و پزشکی (ISM) برای اروپا 865-868 مگاهرتز است، در حالی که در ایالات متحده 902-928 مگاهرتز است.

بنابراین، طراحی برچسب مشابه در ایالات متحده چگونه پاسخ خواهد داد؟ ما به راحتی می‌توانیم این را در مدل COMSOL Multiphysics خود آزمایش کنیم. نتایج ضریب انتقال توان τ و محدوده خواندن r به صورت گرافیکی در شکل زیر برای طراحی برچسب از 800 هرتز تا 1000 هرتز ارائه شده است.

پاسخ فرکانسی طراحی بهینه آنتن.

همانطور که از شکل می بینیم، برای ایالات متحده، حداقل محدوده خواندن برچسب 0.73 متر در 928 مگاهرتز است. بنابراین، ما می دانیم که این طراحی در ایالات متحده خوب عمل نمی کند و ما باید به دنبال بهینه سازی طراحی برای ایالات متحده و همچنین برای بازار اروپا باشیم.

در پایان، متوجه شدیم که نرم‌افزار COMSOL Multiphysics نه تنها می‌تواند به ما در یافتن محدوده خواندن طراحی برچسب RFID غیرفعال کمک کند، بلکه می‌تواند به طراحی آنتن‌های بهتر نیز کمک کند، که به طور ایده‌آل با تراشه مطابقت دارد و محدوده خواندن را برای نیازهای خاص به حداکثر می‌رساند. و مناطق در سراسر جهان.

بیشتر خواندن

• Hsieh و همکاران، عوامل کلیدی مؤثر بر عملکرد آنتن های برچسب RFID، روندها و چالش های فعلی در RFID ، فصل 8، 151-170، پروفسور کورنل تورکو (ویرایش)، InTech (2011).
• ND Reynolds، ” طراحی آنتن با فرکانس بسیار بالا برد بلند (UHF) شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) “، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه پوردو (2005).
• سرکان بساط و همکاران، ” طراحی و مدل سازی آنتن های RFID 13.56 مگاهرتز جاسازی شده “، سمپوزیوم بین المللی انجمن آنتن ها و انتشار، IEEE (2005).
• رائو و همکاران، ” مفاهیم تطبیق امپدانس در طراحی ترانسپوندر RFID “، چهارمین کارگاه آموزشی IEEE در مورد فناوری های پیشرفته شناسایی خودکار (2005)
• یومن و همکاران ” استفاده از روش‌های اجزای محدود و الگوریتم‌های ژنتیک در جستجوی یک سیستم پیوند متخلخل تقویت‌شده با پارچه بهینه “، Annals of Biomedical Engineering، 37 (2009).

درباره نویسنده مهمان

OBID i-scan یک علامت تجاری ثبت شده FEIG ELECTRONIC GmbH است.

MAGICSTRAP یک علامت تجاری ثبت شده شرکت Murata Manufacturing Co., Ltd است.