COMSOL引入RFID技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)物追蹤

　　COMSOL Multiphysics 5.1 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(lèi)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(lèi)應(yīng)用，從 ID 證件到動(dòng)物養(yǎng)護(hù)等，甚至支持更具創(chuàng)造性和科幻色彩的用途：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(lèi)。希望借此能更多地了解這些溫和的海洋生物。RFID 標(biāo)簽更常用于農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物。農(nóng)民們會(huì)在奶牛等動(dòng)物身上加標(biāo)簽，證明這些牲畜的所有權(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。

　　耳朵上釘有 RFID 標(biāo)簽的奶牛。(圖片提供者：Man vyi。已獲得 public domain授權(quán)，并通過(guò) Wikimedia Commons分享)。

　　超高頻 RFID 標(biāo)簽

　　目前有三種 RFID 標(biāo)簽類(lèi)型：

　　低頻 (LF) 范圍

　　高頻 (HF) 范圍

　　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)，因此非常適用于動(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)

　　COMSOL Multiphysics 5.1 版本新增了教程模型，可幫助您開(kāi)始模擬無(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 Ω?？拷鼜澱劬€處是另一個(gè)銅條，用于控制阻抗。

　　所有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)簽相似。

　　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 915 MHz，且銅線路比集膚深度更厚，因此，可以將設(shè)計(jì)的金屬部分作為完美電導(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，空氣域本身又由完美匹配層 (PML) 包裹。PML 層會(huì)吸收所有向外的輻射。

　　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，采用了一種非常規(guī)的仿真方式。因此可以計(jì)算 RFID 標(biāo)簽中的匹配屬性。

　　注意：我們將在下一節(jié)直接跳至結(jié)果部分。如希望逐步學(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，可以研究電場(chǎng)模繪圖。當(dāng)天線發(fā)生諧振時(shí)，將在每個(gè)末端及彎折線的部分外邊觀察到較強(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(chēng)。這是非常理想的情況，因?yàn)閷?duì)稱(chēng)的場(chǎng)可能產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的輻射模式。

　　在對(duì)稱(chēng)輻射模式下(在此模型中，是一個(gè)平面上的全向模式)，我們可以輕松推測(cè)標(biāo)簽的最理想角度配置。在本用例中，可以根據(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)控所有奶牛。

　　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悉這一模式;該輻射模式看起來(lái)很像半波偶極天線。

　　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)現(xiàn)，與芯片 18+j124 Ω 的阻抗相比，標(biāo)簽的功率波反射系數(shù)低于 – 15 dB。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 -15 dB。對(duì)比本設(shè)計(jì)與能提供 -10 dB 功率的普通性能商用天線，據(jù)此，我們的設(shè)計(jì)雖然不是最出色的，但完全可以接受。由于輻射模式在彎折線周?chē)鸀槿蚰Ｊ剑谕黄矫嫒我夥较虻捻憫?yīng)基本相同。這說(shuō)明我們的標(biāo)簽非常穩(wěn)定可靠。

　　如果您是 RFID 標(biāo)簽公司的一名設(shè)計(jì)工程師，可以借助 COMSOL Multiphysics 仿真軟件來(lái)評(píng)估超高頻 RFID 標(biāo)簽的性能。您可以從下載以下教程模型開(kāi)始體驗(yàn)。