仿真助力评估超高频 RFID 标签设计

2015年 4月 20日

COMSOL Multiphysics 5.1 版本引入了新的超高频 RFID 标签教程模型。RFID 标签使您可以通过使用电磁场来识别并监控无生物和生物。超高频 RFID 标签的应用范围大于其他类型的 RFID 标签,常用于动物识别。我们可以通过分析电场与远场辐射模式来评估该标签的性能。

对动物使用 RFID 标签

射频识别 (RFID) 标签可供在无线连接下识别对象。它们可用于各类应用,从 ID 证件到动物养护等,甚至支持更具创造性和科幻色彩的用途:作为机器蝴蝶的一部分。科学家还使用 RFID 标签来追踪鲸鲨这种海洋中最大的鱼类。希望借此能更多地了解这些温和的海洋生物。RFID 标签更常用于农场动物。农民们会在奶牛等动物身上加标签,证明这些牲畜的所有权、防止偷盗,并能在突然爆发疾病时标识这些动物。

耳朵上钉有 RFID 标签的牛。
耳朵上钉有 RFID 标签的奶牛。(图片提供者:Man vyi。已获得 public domain 授权,并通过 Wikimedia Commons分享)。

超高频 RFID 标签

目前有三种 RFID 标签类型:

  1. 低频 (LF) 范围
  2. 高频 (HF) 范围
  3. 超高频 (UHF) 范围

与其他 RFID 相比,超高频 RFID 标签拥有众多优势,因此非常适用于动物监控。与高频标签不同,超高频 RFID 标签支持在较近和较远的距离读取,因此应用范围更广。这些标签的数据传输通常比低频和高频标签更快,且价格更具竞争力。

对超高频 RFID 标签设计建模(动物除外)

COMSOL Multiphysics 5.1 版本新增了教程模型,可帮助您开始模拟无源超高频 RFID 标签。让我们看看教程中包含哪些内容。

设计 RFID 标签时,较常见的做法是,将模型中的天线来回弯折,以使整体标签更小。天线由在 FR4 板上形成图案的铜线路组成。集总端口表示将用于激励标签并分析标签天线的输入阻抗的微型芯片。集总端口的参考阻抗为 50 Ω。靠近弯折线处是另一个铜条,用于控制阻抗。

所有这些组件上均覆有一层黄色的低介电 PTFE 层,看起来与我们在奶牛耳朵上看到的标签相似。

RFID 标签几何图片。
超高频 RFID 标签的几何,一半电路板暴露在外。集总端口表示芯片。

由于我们将 RFID 标签的工作频率设为 915 MHz,且铜线路比集肤深度更厚,因此,可以将设计的金属部分作为完美电导体 (PEC) 来建模。尽管上图未显示,但整个模型被一个空气域环绕,空气域本身又由完美匹配层 (PML) 包裹。PML 层会吸收所有向外的辐射。

我们通过选择功率波反射系数项来处理复数阻抗,采用了一种非常规的仿真方式。因此可以计算 RFID 标签中的匹配属性。

注意:我们将在下一节直接跳至结果部分。如希望逐步学习构建本教程模型,请访问App 库

评估标签性能

建立并求解模型后,我们可以分析结果,以评估标签设计的性能。为了理解电场在整个天线中的分布,可以研究电场模绘图。当天线发生谐振时,将在每个末端及弯折线的部分外边观察到较强的场。天线与芯片间的阻抗匹配可以确定标签的范围。

首先,我们分析 xy 平面的缺省电场模(E 场),以确定标签中电场的限制范围。正如下图所示,电场沿弯折线以及弯折线与阻抗匹配带之间的空间对称。这是非常理想的情况,因为对称的场可能产生对称的辐射模式。

在对称辐射模式下(在此模型中,是一个平面上的全向模式),我们可以轻松推测标签的最理想角度配置。在本用例中,可以根据这一信息确定将标签附在奶牛的哪个部位,并确定 RFID 读卡器的位置,以确保能监控所有奶牛。

超高频 RFID 标签全电路板的电场仿真。
全尺寸电路板超高频 RFID 模型的 E 场模绘图。

接下来,我们可以看一下远场辐射模式。进行其他天线设计的仿真工程师们也将熟悉这一模式;该辐射模式看起来很像半波偶极天线。

超高频 RFID 的模型示意图显示了它的远场辐射模式。
超高频 RFID 标签模型的远场辐射模式。

通过仿真我们发现,与芯片 18+j124 Ω 的阻抗相比,标签的功率波反射系数低于 – 15 dB。这意味着当传递到 RFID 芯片的功率经过标签再次辐射时,反射回芯片的功率将低于 -15 dB。对比本设计与能提供 -10 dB 功率的普通性能商用天线,据此,我们的设计虽然不是最出色的,但完全可以接受。由于辐射模式在弯折线周围为全向模式,它在同一平面任意方向的响应基本相同。这说明我们的标签非常稳定可靠。

如果您是 RFID 标签公司的一名设计工程师,可以借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件来评估超高频 RFID 标签的性能。您可以从下载以下教程模型开始体验。

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