【無(wú)線射頻仿真】-仿真助力評(píng)估超高頻RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

1/1仿真助力評(píng)估超高頻RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)COMSOLMultiphysics5.1版本引入了新的超高頻RFID標(biāo)簽教程模型。RFID標(biāo)簽使您可以通過(guò)使用電磁場(chǎng)來(lái)識(shí)別并監(jiān)控?zé)o生物和生物。超高頻RFID標(biāo)簽的應(yīng)用范圍大于其他類型的RFID標(biāo)簽，常用于動(dòng)物識(shí)別。我們可以通過(guò)分析電場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式來(lái)評(píng)估該標(biāo)簽的性能。

對(duì)動(dòng)物使用RFID標(biāo)簽

射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽可供在無(wú)線連接下識(shí)別對(duì)象。它們可用于各類應(yīng)用，從ID證件到動(dòng)物養(yǎng)護(hù)等，甚至支持更具制造性和科幻顏色的用途：作為機(jī)器蝴蝶的一部分?？茖W(xué)家還使用RFID標(biāo)簽來(lái)追蹤鯨鯊這種海洋中最大的魚(yú)類。盼望借此能更多地了解這些溫柔的海洋生物。RFID標(biāo)簽更常用于農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物。農(nóng)夫們會(huì)在奶牛等動(dòng)物身上加標(biāo)簽，證明這些牲畜的全部權(quán)、防止偷盜，并能在突然爆發(fā)疾病時(shí)標(biāo)識(shí)這些動(dòng)物。

圖1、耳朵上釘有RFID標(biāo)簽的奶牛。（圖片供應(yīng)者：Manvyi。已獲得publicdomain授權(quán)，并通過(guò)WikimediaCommons共享）。

超高頻RFID標(biāo)簽

目前有三種RFID標(biāo)簽類型：

1、低頻(LF)范圍

2、高頻(HF)范圍

3、超高頻(UHF)范圍與其他RFID相比，超高頻RFID標(biāo)簽擁有眾多優(yōu)勢(shì)，因此特別適用于動(dòng)物監(jiān)控。與高頻標(biāo)簽不同，超高頻RFID標(biāo)簽支持在較近和較遠(yuǎn)的距離讀取，因此應(yīng)用范圍更廣。這些標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸通常比低頻和高頻標(biāo)簽更快，且價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)超高頻RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)建模（動(dòng)物除外）

COMSOLMultiphysics5.1版本新增了教程模型，可關(guān)心您開(kāi)頭模擬無(wú)源超高頻RFID標(biāo)簽。讓我們看看教程中包含哪些內(nèi)容。

設(shè)計(jì)RFID標(biāo)簽時(shí)，較常見(jiàn)的做法是，將模型中的天線來(lái)回彎折，以使整體標(biāo)簽更小。天線由在FR4板上形成圖案的銅線路組成。集總端口表示將用于激勵(lì)標(biāo)簽并分析標(biāo)簽天線的輸入阻抗的微型芯片。集總端口的參考阻抗為50?？拷鼜澱劬€處是另一個(gè)銅條，用于掌握阻抗。

全部這些組件上均覆有一層黃色的低介電PTFE層，看起來(lái)與我們?cè)谀膛６渖峡吹降臉?biāo)簽相像。

圖2、超高頻RFID標(biāo)簽的幾何，一半電路板暴露在外。集總端口表示芯片。

由于我們將RFID標(biāo)簽的工作頻率設(shè)為915MHz，且銅線路比集膚深度更厚，因此，可以將設(shè)計(jì)的金屬部分作為完善電導(dǎo)體(PEC)來(lái)建模。盡管上圖未顯示，但整個(gè)模型被一個(gè)空氣域環(huán)繞，空氣域本身又由完善匹配層(PML)包裹。PML層會(huì)汲取全部向外的輻射。

我們通過(guò)選擇功率波反射系數(shù)項(xiàng)來(lái)處理復(fù)數(shù)阻抗，采納了一種特別規(guī)的仿真方式。因此可以計(jì)算RFID標(biāo)簽中的匹配屬性。

留意：我們將在下一節(jié)直接跳至結(jié)果部分。如盼望逐步學(xué)習(xí)構(gòu)建本教程模型，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)App庫(kù)。

評(píng)估標(biāo)簽性能

建立并求解模型后，我們可以分析結(jié)果，以評(píng)估標(biāo)簽設(shè)計(jì)的性能。為了理解電場(chǎng)在整個(gè)天線中的分布，可以討論電場(chǎng)模繪圖。當(dāng)天線發(fā)生諧振時(shí)，將在每個(gè)末端及彎折線的部格外邊觀看到較強(qiáng)的場(chǎng)。天線與芯片間的阻抗匹配可以確定標(biāo)簽的范圍。

首先，我們分析xy平面的缺省電場(chǎng)模（E場(chǎng)），以確定標(biāo)簽中電場(chǎng)的限制范圍。正如下圖所示，電場(chǎng)沿彎折線以及彎折線與阻抗匹配帶之間的空間對(duì)稱。這是特別抱負(fù)的狀況，由于對(duì)稱的場(chǎng)可能產(chǎn)生對(duì)稱的輻射模式。

在對(duì)稱輻射模式下（在此模型中，是一個(gè)平面上的全向模式），我們可以輕松推想標(biāo)簽的最抱負(fù)角度配置。在本用例中，可以依據(jù)這一信息確定將標(biāo)簽附在奶牛的哪個(gè)部位，并確定RFID讀卡器的位置，以確保能監(jiān)控全部奶牛。

圖3、全尺寸電路板超高頻RFID模型的E場(chǎng)模繪圖。

接下來(lái)，我們可以看一下遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。進(jìn)行其他天線設(shè)計(jì)的仿真工程師們也將熟識(shí)這一模式；該輻射模式看起來(lái)很像半波偶極天線。

圖4、超高頻RFID標(biāo)簽?zāi)Ｐ偷倪h(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。

通過(guò)仿真我們發(fā)覺(jué)，與芯片18+j124的阻抗相比，標(biāo)簽的功率波反射系數(shù)低于15dB。這意味著當(dāng)傳遞到RFID芯片的功率經(jīng)過(guò)標(biāo)簽再次輻射時(shí)，反射回芯片的功率將低于-15dB。對(duì)比本設(shè)計(jì)與能供應(yīng)-10dB功率的一般性能商用天線，據(jù)此，我們的設(shè)計(jì)雖然不是最精彩的，但完全可以接受。由于輻射模式在彎折線四周為全向模式，它在同一平面任意方向的響應(yīng)基本相同。這說(shuō)明我們的標(biāo)簽特別穩(wěn)定牢靠。

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