مدلسازی تگ RFID UHF

View Categories

مدلسازی تگ RFID UHF

7 min read

PDF

مدلسازی تگ RFID UHF
معرفی
تگ های UHF RFID به طور گسترده ای برای شناسایی و ردیابی حیوانات استفاده می شود. این مثال یک برچسب شناسایی غیرفعال فرکانس رادیویی (RFID) را برای محدوده فرکانس UHF شبیه سازی می کند.
با توجه به امپدانس پیچیده ترانسپوندر تراشه، یک ضریب بازتاب محاسبه می شود. این کار با استفاده از رویکردی انجام می‌شود که با یک مقدار امپدانس مرجع واقعی با روش تحلیل پارامتر پراکندگی معمولی متفاوت است.
شکل 1: هندسه تگ RFID شامل ردهای مسی است که بر روی یک تخته FR4 که توسط یک مورد PTFE دی الکتریک کم محصور شده است، طرح ریزی شده است. حوزه هوای اطراف و لایه‌های کاملاً منطبق که برای شبیه‌سازی مورد نیاز هستند، در این شکل گنجانده نشده‌اند.
تعریف مدل
در این مثال، فرکانس کاری تگ RFID 915 مگاهرتز است. در این فرکانس، بخش فلزی تگ RFID را می توان به عنوان یک رسانای الکتریکی کامل (PEC) مدل کرد، زیرا در حالی که ردهای مسی طرح ریزی شده روی برد FR4 از نظر هندسی بسیار نازک هستند، اما بسیار ضخیم تر از عمق پوست هستند.
کل برد مدار داخل یک محفظه PTFE بدون تلفات قرار می گیرد. این برچسب در یک حوزه هوای کروی، که توسط لایه‌های کاملاً منطبق (PML) محصور شده است، مدل‌سازی می‌شود که تمام تشعشعات خروجی از برچسب را جذب می‌کند.
یک پورت توده ای با امپدانس مرجع 50  Ω در محل تراشه RFID استفاده می شود. این کار برای برانگیختن تگ و ارزیابی امپدانس ورودی قسمت آنتن تگ انجام می شود که به صورت خط پیچ و خم مدل سازی شده است. یک نوار مسی اضافی در مجاورت خط پیچ و خم قرار می گیرد تا امپدانس را کنترل کند.
پارامتر S معمولی فقط با امپدانس مرجع واقعی به خوبی کار می کند. با این حال، امپدانس تراشه RFID پیچیده است و پارامتر S محاسبه‌شده زمانی که از یک امپدانس مرجع پورت پیچیده استفاده می‌شود، فیزیکی نیست.
در Ref. 1 ، عبارت ضریب انعکاس موج قدرت معرفی شده است. برای ارزیابی خواص تطبیق تگ RFID قابل استفاده است:
که در آن l امپدانس بار مختلط و ref امپدانس مرجع پیچیده است.
نتایج و بحث
شکل 2 هنجار میدان E پیش فرض را در صفحه xy نشان می دهد . نمودار توزیع میدان نشان می دهد که میدان الکتریکی به طور متقارن در امتداد خط پیچ و خم و همچنین در ناحیه بین خط پیچان و نوار تطبیق امپدانس محدود شده است.
الگوی تابش میدان دور تگ در شکل 3 نشان داده شده است . قابل توجه است که الگوی تشعشع برچسب بسیار شبیه به الگوی تابشی آنتن دوقطبی نیمه موج است.
امپدانس ارزیابی شده تگ حدود 18 +  j 124  Ω است و ضریب انعکاس موج توان، بر حسب دسی بل، زیر 15- دسی بل است.
شکل 2: نمودار هنجار فیلد E نشان می دهد که در کجا میدان به شدت در تگ محدود شده است.
شکل 3: الگوی تابش میدان دور شبیه آنتن دوقطبی نیمه موج است.
ارجاع
1. K. Kurokawa، “موج های قدرت و ماتریس پراکندگی”، IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ، جلد 13، 1965.
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/Antennas/uhf_rfid_tag
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard ، روی  3D کلیک کنید .
2
در درخت انتخاب  فیزیک ، فرکانس رادیویی   امواج الکترومغناطیسی،  دامنه فرکانس  (emw) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Frequency  Domain را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش مطالعه  1 ، روی مرحله  1:  دامنه فرکانس  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات دامنه فرکانس  ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
3
در قسمت متن فرکانس ، 915[MHz] را تایپ کنید .
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions روی Parameters  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
ارزش
شرح
Zc
15-j*125[اهم]
(15-125i) اوه
امپدانس تراشه
هندسه 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Geometry  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید .
3
از لیست واحد طول  ، میلی متر را انتخاب کنید .
واردات 1 (imp1)
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  واردات کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای واردات ، بخش واردات را پیدا کنید .
3
 روی Browse کلیک کنید .
4
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل uhf_rfid_tag.mphbin دوبار کلیک کنید .
5
 روی Import کلیک کنید .
6
 روی دکمه Wireframe  Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
یک کره برای دامنه هوای اطراف تگ RFID و لایه‌های کاملاً منطبق که بعداً پیکربندی می‌شوند، اضافه کنید.
کره 1 (sph1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Sphere کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Sphere ، بخش Size را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Radius عدد 150 را تایپ کنید .
4
برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام لایه
ضخامت (میلی متر)
لایه 1
30
5
 روی Build  All  Objects کلیک کنید .
6
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
تعاریف
متغیرهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید .
یک متغیر برای محاسبه ضریب بازتاب بین دو امپدانس پیچیده تعریف کنید.
2
در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
واحد
شرح
گاما
(emw.Zport_1-conj(Zc))/(emw.Zport_1+Zc)
ضریب بازتاب برای تطبیق امپدانس پیچیده
کاملاً منطبق بر لایه 1 (pml1)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی لایه  کاملاً  منطبق  کلیک کنید .
2
فقط دامنه های 1-4 و 9-12 را انتخاب کنید.
اینها همه از بیرونی ترین حوزه های کره هستند.
3
در پنجره تنظیمات برای لایه کاملاً  منطبق  ، قسمت هندسه را پیدا کنید .
4
از لیست Type ، Spherical را انتخاب کنید .
امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (EMW)
هادی الکتریکی کامل 2
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ،  دامنه فرکانس (emw) کلیک راست کرده و شرایط مرزی Perfect Electric Conductor را انتخاب کنید .
2
 روی دکمه Zoom  In در نوار ابزار Graphics ، چند بار کلیک کنید تا دید واضحی از برچسب RFID داشته باشید.
3
فقط مرزهای 25، 27 و 54 را انتخاب کنید.
پورت انجماد 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Lumped  Port را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 35 را انتخاب کنید.
برای پورت اول، تحریک موج به طور پیش فرض روشن است .
3
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
4
 روی دکمه Zoom  In در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
دامنه میدان دور 1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و دامنه Far-Field  Domain را انتخاب کنید .
مواد را اضافه کنید
1
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material باز شود .
2
به پنجره Add  Material بروید .
3
در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید .
4
روی Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
5
در درخت، Built-in>FR4  (Circuit  Board) را انتخاب کنید .
6
روی Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
7
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material بسته شود .
مواد
FR4 (برد مدار) (mat2)
فقط دامنه 7 را انتخاب کنید.
مواد 3 (mat3)
1
در پنجره Model  Builder ، روی Materials کلیک راست کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه 6 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
مجوز نسبی
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
2.1
1
پایه ای
نفوذپذیری نسبی
mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0
1
1
پایه ای
رسانایی الکتریکی
sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0
0
S/m
پایه ای
مش 1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Mesh  1 کلیک راست کرده و Build  All را انتخاب کنید .
برای مشاهده ساختار شبکه ای دستگاه، برخی از مرزها را از نمای آن حذف کنید.
تعاریف
پنهان کردن برای فیزیک 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی View  1 کلیک راست کرده و Hide  for  Physics را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پنهان کردن  فیزیک  ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، Boundary را انتخاب کنید .
4
فقط مرزهای 6، 10، 16، 37، 40 و 42 را انتخاب کنید.
مش 1
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
چند برش
1
در پنجره Model  Builder ، گره Electric  Field  (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Multislice کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Multiplane  Data را پیدا کنید .
3
زیربخش X-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید .
4
زیربخش Y-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید .
5
در نوار ابزار Electric Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید .
6
 روی دکمه Go  to  XY  View در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
چند بار زوم کنید تا دید خوبی از برچسب RFID داشته باشید.
نمودار بازتولید شده را با شکل 2 مقایسه کنید .
میدان دور دو بعدی (EMW)
الگوی تابش E-plane شبیه آنتن دوقطبی است.
الگوی تشعشع 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره 3D  Far  Field،  Gain  (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Radiation  Pattern  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع  ، بخش ارزیابی را پیدا کنید .
3
زیربخش Angles را پیدا کنید . در قسمت متنی Number  of  azimuth  angles عدد 40 را تایپ کنید .
4
در نوار ابزار 3D Far Field، Gain (emw) ، روی  Plot کلیک کنید .
جدول
1
به پنجره Table بروید .
شکل 3 را بازتولید کنید .
نتایج
ارزیابی جهانی 2
1
در نوار ابزار نتایج ، روی ارزیابی  جهانی  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ارزیابی جهانی  ، روی جایگزینی عبارت در گوشه سمت راست بالای بخش عبارات کلیک کنید . از منو، Component (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain>Ports>emw.Zport_1 – Lumped port impedance – Ω را انتخاب کنید .
3
 روی ارزیابی کلیک کنید .
ارزیابی جهانی 3
1
در نوار ابزار نتایج ، روی ارزیابی  جهانی  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ارزیابی جهانی  ، بخش عبارات را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
اصطلاح
واحد
شرح
20*log10(abs(گاما))
4
 روی ارزیابی کلیک کنید .