引领RFID朝着正确方向迈进

作者:Pavel Nikitin,美国林恩伍德市霍尼韦尔公司前首席RF工程师

条形码技术需要条形码位于读取器视线范围内,相较之下,射频识别(RFID)标签能够提供卓越的库存管理、资产跟踪和供应链管理。RFID技术的应用更广泛,而且通过扩展标签的读取范围能够获得越来越高的准确度。霍尼韦尔公司的工程师利用ANSYS HFSS电磁场仿真软件改善了现有RFID系统。利用HFSS他们可以更快速完成新概念的虚拟评估,从而显著缩短产品研发周期。

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Honeywell RFID

射频识别(RFID)采用电磁场自动识别和跟踪物体上粘贴的标签。RFID标签可用于众多行业的供应链管理,例如:自动跟踪从制药厂到药店货架的药品。准确跟踪可以降低库存水平并防止造假。这是一个不断扩大和发展的市场。RFID技术目前已经超越了单纯的识别功能,并涵盖了具有感应、联网、安全与本地化功能的智能设备与系统以及从医疗技术到车辆识别等各种应用。

antenna model

天线设计的ANSYS HFSS模型

 

与条形码技术不同的是,RFID标签不需要进入读取器视线范围。条形码必须对准光学读取器才能正确采集信息,而RID标签可以把数据反向散射到基于RF波的读取器。改善RFID系统是霍尼韦尔的众多研究领域之一,该公司致力于研发和生产先进技术,以解决能源、安全、安保、生产和全球城市化等领域中的最艰巨挑战。根据对专利数量、专利获准成功率、全球业务覆盖以及发明影响力的分析,霍尼韦尔被Clarivate Analytics认定为全球创新100强公司之一。

RFID标签几乎始终是无源运行(仅由射频驱动),从而可以降低成本并增加使用寿命。无源RFID标签从RFID标签读取器发射的电磁波获取功率。缺少内部电源会限制标签的读取范围。这对大型仓库等一些应用来说是一个问题。扩大无源RFID标签读取范围的一种方法是采用可重构天线,它能够把读取器发射的所有无线功率全部集中到一个方向,并且该方向随着读取器扫描环境中的标签而改变。这种方法在过去不但复杂而且成本高昂,因为当今的可重构天线需要控制和电源线路网络以及相关的电路,它们会大幅提高天线的成本和复杂度。霍尼韦尔计划通过获取天线自身的无线能量,以及借助无线信号来控制开关,从而驱动这些开关,这样可以显著降低天线定向性的实现成本。

工程师采用ANSYS HFSS电磁场仿真软件,研发了针对上述方法的概念验证,该软件使他们能够迭代设计概念,而每次迭代只需几分钟。霍尼韦尔相信这种技术具有巨大潜力,并且已经申请了多项相关专利。有关该课题的一篇论文已经入选IEEE 2017年第11届RFID国际大会最佳论文。

“工程师采用ANSYS HFSS电磁场仿真软件,研发了针对上述方法的概念验证,只需几分钟即可评估新概念。”

基本方法

霍尼韦尔的概念验证设计由双元件平面引向反射天线阵列构成,其包含一个主驱动元件和一个寄生元件。自振荡RF驱动开关电路在两个复数阻抗值之间周期性切换,根据电抗性负载对天线寄生元件的影响,把寄生元件转变成导向器或反射器。这样就能够把天线的功率集中到一个方向。工程师希望从20dBm RF源获得足够的功率,以便当电路每次在两个状态切换时把天线方向改变180度。他们设计了一种独立多级RF到DC功率采集电路,与众多RFID标签前端所用的类似,以便馈送简单的振荡器。电路对其RF输入端口的振荡和调制方式,与RFID标签集成电路(IC)调制天线端口的方式相同。当10dBm未调制RF信号以900MHz的频率驱动该电路时,它将以大约0.5Hz的频率振荡,每个切换状态大约用时1秒。这个时间足够读取器在改变方向之前读取波束当前方向的大部分标签。

reconfigurable antenna schematic

新型可重构天线设计的原理图

 

experimental setup

Simple setup used for the verification of the proof-of-concept

 

霍尼韦尔工程师在电路试验板上构建了开关电路。他们将多个不同的功率电平作为天线设计的输入,并测量了900MHz下的电路阻抗值。影响天线性能的主要设计参数包括导向器长度、反射器长度以及两个元件之间的间距。如果不采用仿真,工程师需要使用构建测试方法,利用30密耳的RF4衬底上的铜迹线制作天线原型,然后把开关电路连接到天线上,并测量在负载情况下的整体性能。如果采用这种方法,每次迭代需要大约一个小时。这样就没有足够的时间完成项目。

S-parameters simulated and measured

测量和仿真中获得的最终设计的S参数良好匹配

 

采用仿真驱动设计过程

霍尼韦尔工程师转而采用ANSYS HFSS推动天线设计。他们采用一个驱动元件和一个寄生元件在HFSS中建立了初始天线设计的模型。两个元件都是5毫米宽平面铜迹线,在30密耳FR4衬底上间隔60毫米,介电常数为4.4。端口1是天线的输入端口,而端口2连接到开关电路。天线的工作频率为900MHz。就两个同轴连接器而言,工程师使用了HFSS库中的同轴连接器模型。

除了与电路板连接的底部外,这些连接器是标准的配置。工程师测量了连接器的宽度和引脚长度,而且修改了模型,以匹配物理连接器。

工程师首先仿真了10个不同的初始设计方案,以评估两个天线元件之间的间距的影响。他们选择了能够在每个状态提供大约4dBi定向增益的间距。接下来,他们针对100种不同情境采用了HFSS中的参数化分析功能,从而研究了每个天线元件在每个组合中具有10种不同长度的情况。然后工程师利用不同RF输入功率测量得到了加载电路的多个不同阻抗值,并根据这些值重复了上述过程。工程师对HFSS进行了配置,使其在无用户干预的情况下执行这些设计方案,并且计算了辐射图和S参数。他们研究了相关结果并且挑选出需要进一步研究的最佳设计方案。仿真预测最佳设计方案可以提供相关辐射图,其能够把绝大部分天线功率交替集中到重叠很少、但可以覆盖360度的两个状态。

simulated radiation pattern
仿真的天线辐射图,径向轴表示在YZ平面内频率为900 MHz时的增益
radiation pattern measured
Measured radiation pattern of self-reconfigurable antenna
 
prototype antenna
最终天线设计的原型

 

仿真预测结果于物理测量值良好匹配

工程师接下来创建了天线的物理原型,并且将其性能与模型进行了对比。仿真得到的S参数与实验测量值非常一致。此外,工程师还通过创建简单的试验测试装置,验证了天线的开关波束行为。RF信号发生器向天线发射了20dBm 900MHz的信号。在开关周期,针对最大增益波束方向(状态1)的接收RF功率改变了大约3dB,与仿真的辐射图相匹配。然后工程师采用参考资料中所述的更复杂装置测量了完整辐射图。

霍尼韦尔已经申请了相关专利,而且正在考虑向外部授权此项技术。相关装置可以用作研究项目;所有必要信息可参考引用的IEEE论文。

无线驱动的可重构天线能够以较低成本增加RFID读取器的范围。这种新方法无需通过增加电源或控制线路来运行开关电路,因此它可以方便进行改造,以适应现有的具有充足发射功率的RFID读取器。此概念能够为创建滤波器、放大器等其它可重构电子组件铺平道路。

参考资料

Nikitin, P. Self-reconfigurable RFID Reader Antenna,
2017 IEEE International Conference on RFID (RFID),
Phoenix, AZ. 2017. pp. 88–95.

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