Технология RFID-меток. Кейс с расчетом в ANSYS HFSS

Аватар пользователя Денисов Дмитрий
0 141

Radio-frequency identification (RFID) использует электромагнитное поля для автоматической идентификации и отслеживания пути объекта, содержащего метку. RFID метки используются в управлении цепочками поставок во многих областях, например, автоматическое отслеживание фармацевтических препаратов от производственного цеха до аптечных полок. Подобное отслеживание обеспечивает эффективность работы складов и усложняет подделку товару. Таким образом RFID - это перспективная и развивающаяся технология. RFID технология сегодня выходит за рамки чистой идентификации и внедряется во множество интеллектуальных систем и сетей, обеспечивая безопасность и локализацию различных объектов. Применяется как в медицинских технологиях, так и для идентификации транспортных средств:

RFID-метки почти всегда делают пассивными устройствами (питаются только от радиочастот), что снижает их стоимость и увеличивает срок службы. Пассивные RFID метки получают энергию для работы посредством электромагнитных волн, излучаемых RFID-ридером.

Отсутствие внутреннего источника питания ограничивает диапазон, в котором метки могут быть прочитаны. Для больших складов это может оказаться проблемой. Один из подходов к увеличению диапазона, на котором могут считываться пассивные RFID-метки, заключается в использовании реконфигурируемой антенны, которая концентрирует всю беспроводную мощность, генерируемую считывателем, в одном направлении, которое изменяется, когда считыватель сканирует свою среду на наличие меток. До сих пор этот подход был сложным и дорогостоящим, потому что современные реконфигурируемые антенны требуют сети управления и линий электропередачи, а также связанных схем, что существенно увеличивает стоимость и сложность антенны. 
Компания Honeywell предложила запитать коммутаторы, от беспроводной энергии с самой антенны и управлять коммутаторами посредством беспроводного сигнала, что существенно снижает стоимость направленной антенны.

Инженеры разработали концептуальное доказательство этого подхода, используя программное обеспечение для моделирования электромагнитного поля ANSYS HFSS, которое позволило им выполнять итерации концепции проекта всего за несколько минут. Honeywell считает, что эта технология имеет потенциал, и подала несколько патентов на нее. Эта работа была выбрана лучшей на 11-й ежегодной международной конференции IEEE 2017 по RFID.

Основной подход

Предложенная конструкция RFID-системы состоит из двухэлементной антенны типа волновой канал (Yagi–Uda antenna) с главным и паразитным элементами. Автоколебательная система с радиочастотным питанием периодически переключается между двумя комплексными значениями полного сопротивления, чтобы превратить паразитный элемент в директор или отражатель, основываясь на влиянии реактивной нагрузки на паразитный элемент антенны. Это концентрирует мощность антенны в разных направлениях. Инженеры хотели собрать достаточное количество энергии от радиочастотного источника в 20 дБм, чтобы изменить направление антенны на 180 градусов каждый раз, когда цепь переключается между двумя состояниями. Они разработали дискретную многоступенчатую схему сбора энергии RF-DC, подобно тем, которые используются во многих внешних интерфейсах RFID-меток, питающих простой генератор. Схема колеблется и модулирует свой входной RF-порт таким же образом, как интегральная схема RF-метки (IC) модулирует свой антенный порт. Схема была спроектирована таким образом, что, когда она приводится в действие немодулированным радиочастотным сигналом 10 дБм на частоте 900 МГц, она колеблется с частотой приблизительно 0,5 Гц, тратя около 1 секунды в каждом переключенном состоянии. Этого достаточно, чтобы считыватель смог распознать большинство тегов в текущем направлении луча, прежде чем он будет перенаправлен:

Вид экспериментальной установки приведен ниже:

Инженеры измерили значения полного сопротивления схемы на частоте 900 МГц при нескольких различных уровнях мощности в качестве входных данных для своей конструкции антенны. Основными параметрами конструкции, которые влияют на характеристики антенны, являются длина директора, длина отражателя и расстояние между двумя элементами. Без моделирования инженеры использовали бы метод сборки и тестирования, создавая прототип антенны с использованием медных следов на 30-миллиметровой подложке FR4, а затем подключая схему переключения к антенне и измеряя общие характеристики под нагрузкой. Это заняло бы около часа на итерацию. Недостаточно времени было для реализации этого проекта с использованием этого подхода.
На рисунке ниже видно, что измеренные и смоделированные S-параметры окончательного проекта хорошо совпадают.

Использование моделирования для управления процессом проектирования

Вместо этого инженеры Honeywell использовали Ansys HFSS для управления конструкцией антенны. Первоначальная конструкция антенны была смоделирована в HFSS с использованием одного ведомого элемента и одного паразитного элемента. Оба элемента представляют собой плоские медные следы шириной 5 мм, расположенные на расстоянии 60 мм друг от друга на 30-миллиметровой подложке FR4 с диэлектрической проницаемостью 4,4. Порт 1 является входным портом антенны, а порт 2 подключается к коммутационной цепи. Антенна была разработана для работы на частоте 900 МГц. Инженеры использовали модель коаксиального соединителя из библиотеки HFSS для двух коаксиальных соединителей.

Эти разъемы стандартизированы, за исключением основания, которое крепится к плате. Инженеры измерили ширину разъема и длину контактов и изменили модель, чтобы она соответствовала физическим разъемам.


Сначала инженеры смоделировали 10 различных первоначальных проектов, чтобы оценить влияние расстояния между двумя элементами антенны. Они выбрали интервал, который обеспечивает усиление направленности около 4 дБи в каждом состоянии. Затем они использовали возможность параметрического анализа в HFSS для запуска 100 различных случаев, в которых изучалась каждая комбинация из 10 различных длин для каждого антенного элемента. Затем этот процесс был повторен для нескольких различных значений сопротивления цепи нагрузки, доступных из измерений с использованием различной входной мощности РЧ. Инженеры сконфигурировали HFSS для запуска этих конструкций без вмешательства пользователя и рассчитали их диаграмму направленности и S-параметры. Они изучили результаты и выбрали лучшие проекты для дальнейшего изучения. Моделирование предсказывало, что лучшая конструкция обеспечит диаграмму направленности, в которой подавляющее большинство мощности антенны будет попеременно делиться на два состояния, которые будут иметь небольшое перекрытие и при этом охватывать 360 градусов.
Смоделированная диаграмма направленности антенны с радиальной осью, представляющая реализованное усиление на частоте 900 МГц в плоскости YZ:

Измеренная диаграмма направленности самонастраиваемой антенны:

Ниже изображен прототип окончательной конструкции антенны:

Моделирование и соответствие физическим измерениям

Затем инженеры создали физический прототип антенны и сравнили ее характеристики с моделью. Моделируемые S-параметры хорошо согласуются с экспериментальными измерениями. Инженеры также проверили поведение антенны при переключении луча, построив простую экспериментальную тестовую установку. Генератор РЧ-сигнала передавал сигнал 20 дБм 900 МГц в антенну. В течение цикла переключения принимаемая РЧ-мощность для максимального направления луча усиления (состояние 1) изменялась приблизительно на 3 дБ, что соответствовало моделируемым диаграммам излучения. Полная диаграмма излучения была затем измерена с использованием более сложной установки, описанной в ссылке.

Honeywell подала патенты и рассматривает возможность лицензирования этой технологии для сторонних интересов. Устройство может быть построено как исследовательский проект; Вся необходимая информация находится в справочном документе IEEE.
Настраиваемые антенны с беспроводным питанием могут увеличить диапазон считывателей RFID при относительно низкой стоимости. Этот новый подход не требует добавления силовых или управляющих линий для работы коммутационной схемы, поэтому его можно легко установить на существующие считыватели RFID, которые передают достаточную мощность. Эта концепция может проложить путь к созданию других реконфигурируемых электронных компонентов, таких как фильтры и усилители.
 

Дополнительные материалы к статье

Источник: https://www.ansys.com/-/media/ansys/corporate/resourcelibrary/article/pointing-rfids-in-the-right-direction-aa-v12-i2.pdf
Видео-материал на сайте cae-club.ru в качестве пояснения к применению RFID-меток: https://cae-club.ru/videos/rfid-sistemy-na-bortu-kvadrokopterov

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии