Akıllı sayaç PCB'si için entegre RFID etiket anteninin tasarım optimizasyonu
Akıllı üretimin ilerletilmesi ve geliştirilmesi sürecinde, akıllı sayaçların bilgi izlenebilirliğinde radyo frekansı tanımlama (RFID) teknolojisi giderek daha fazla kullanılmaktadır. RFID teknolojisinin kilit noktalarından biri olan etiket anteninin kurulumu ve performansı, tüm akıllı cihaz bilgi izlenebilirlik sisteminde hayati bir rol oynar. Şu anda, Alien, Impinj ve Yuanwanggu gibi yerli ve yabancı üreticilerin kendi RFID etiket anten çözümleri vardır.Ancak çoğu bağımsız etiket antenleri, sayaçların minyatürleştirme gereksinimlerini karşılayamamaktadır. Takma ve diğer yöntemler, etiketin genellikle zor kurulum, kolay düşme ve kurulumdan sonra performans düşüşü gibi dezavantajlara sahip olmasını sağlar.
Bu bağlamda en iyi çözüm, akıllı sayacın baskılı devre kartı (PCB) üzerindeki etiket antenini aşındırmak için yama antenine benzer bir çözüm kullanmaktır. Yama antenlerinin tasarım yöntemi üzerine yapılan araştırmada ABBOSH A, devre kartının etiket antenlerinin performansı üzerindeki etkisini ölçmek için baskılı devre kartlarının dielektrik sabiti için doğru bir hesaplama yöntemi verdi; Wang Xin, mikro şeridi basitleştirmek için eşdeğer dielektrik sabitini kullandı. Anten tasarım süreci. Anten tasarım uygulamasında Dai Xiaojun, Lu Shanyong, BAEK J J vb., Tasarladıkları antenlerin üzerine yerleştirilen kabukları simülasyon tasarımına dahil etti. Bununla birlikte, halihazırda tasarlanan antenlerin çoğu, izlenen ekipmanın PCB kartından bağımsızdır.Tasarımcı, akıllı cihaz PCB kartı ve kablolama gibi çevresel faktörlerin, esas olarak baskılı devre kartının boyutundaki değişikliklerde ortaya çıkan etiket anten üzerindeki etkisini dikkate almamıştır. Sayacın frekans kayması, sayacın dağlama devresinin varlığı, empedans uyumunu bozar ve sayaç muhafazası sinyal gücünü azaltır Son olarak, fiili kullanımda tanıma mesafesinin azalması gibi sorunlar ortaya çıkar.
Bu makale, araştırma nesnesi olarak akıllı sayaçları alır, akıllı sayaç PCB kartı üzerindeki RFID etiket antenini oyar, akıllı sayaç PCB kartını, dağlama devresini, muhafazayı ve diğer faktörleri kapsamlı bir şekilde ele alır ve akıllı sayaç PCB kartının anten rezonans frekansı değişikliği üzerindeki etkisini analiz eder. , Aşındırma devresi ile etiket anteni arasındaki bağlantı ilişkisini inceleyin ve bir anten optimizasyon planı verin ve son olarak, pratik gereksinimleri karşılayan (bundan böyle "etiket anteni" olarak anılacaktır) akıllı sayaç PCB kartına entegre bir RFID etiket anteni tasarlayın.
1 Etiket anten tasarımı ve optimizasyon planı
1.1 Akıllı sayaç ve etiket anten yapısı
Bu yazıda önerilen etiket anten, akıllı sayaç PCB'nin boş kısmına kazınmıştır.Etiket anteninin üstü ve arkası akıllı sayacın kazınmış devreleridir.PB kartı akıllı sayaç yuvasına yerleştirilmiştir.Yapının şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir.
Akıllı sayaç PCB kartı, 88 mm × 52 mm × 1 mm boyutunda 4,4 nispi dielektrik sabiti olan bir FR-4 dielektrik substrat kullanır. Kabuk malzemesi PTFE'dir, göreceli dielektrik sabiti 2.08'dir ve kabuk boyutu 110 mm × 150 mm × 60 mm'dir.
PCB kartı ve dağlama devresi gibi karmaşık ortamın etiket anteni üzerindeki etkisi göz önüne alındığında, etiket anteninin basit yapı ve kolay ayarlama özelliklerine sahip olması gerekir.Bu yazıda, bu RFID etiketi olarak eşleşen halka yapısına sahip bükülmüş bir çift kutuplu etiket anten seçilmiştir. Anten tasarımının temel modeli, PCB üzerindeki etiket anteninin temel fikri Şekil 2'de gösterilmektedir.
RFID anteni simetrik bir yapıya sahiptir ve eşleşen bir halka, bükülmüş bir dipol ve bir uç yükleme ünitesinden oluşur Besleme portu, eşleşen halkaya bağlanmak için bir Alien Higgs3 radyo frekansı çipi kullanır. Alien Higgs3 radyo frekansı çip empedansı 26 + 199j 'dir. Her bir birimin yapısal parametrelerinin sembolleri Şekil 3'te verilmiştir ve eşleşen halka ve bükülmüş çift kutup üzerindeki işaretsiz iz genişliklerinin tümü W1'dir.
1.2 Etiket anten modeli ve performans analizi
Tanıma mesafesi, pratik uygulamalarda etiket antenlerin en önemli göstergelerinden biridir. Etiket anteninin maksimum okuma mesafesi r FRIIS formülü ile verilebilir:
Bunlar arasında okuyucu tarafından iletilen sinyalin dalga boyu, Pt okuyucunun anten iletim gücü, Gt okuyucu anten kazancı, Pth radyo frekansı çipinin eşik aktivasyon gücü, Gr etiket anten kazancı ve S11 anten portudur Geri dönüş kaybı.
Denklemden (1), okuyucu ve radyo frekansı çipleri gibi dış koşullar dikkate alınmaksızın, etiket anteninin maksimum okuma mesafesinin dönüş kaybı ve kazancı ile belirlendiği görülmektedir.
Anten portunun dönüş kaybı, denklem (2) 'de gösterildiği gibi, besleme portunun eşdeğer empedansı Za ve radyo frekansı çipinin empedansı Zc ile belirlenir:
Genel durumdan farklı olarak, bu yazıda tasarlanan etiket anteni akıllı sayaç PCB kartı üzerine entegre edildiğinden, karmaşık devre ortamı sadece etiket anteninin rezonans frekans kaymasını çalışma frekansı bandının dışına çıkarmakla kalmaz, aynı zamanda empedans eşleşmesini de değiştirir, bu da sonunda çalışma frekans bandına yol açar. S11 daha da kötüleşiyor. Aynı zamanda kabuğun varlığı da elektromanyetik dalgaların sinyal gücünü belli ölçüde azaltır. Yukarıdaki faktörlerin tümü, etiket anteninin okuma mesafesini azaltacaktır, bu nedenle etiket anteninin yapısal parametrelerinin optimize edilmesi ve ayarlanması gerekir.
1.3 Etiket anteninin optimize edilmiş tasarım şeması
Etiket anteninin normal çalışma mesafesine ulaşmasını sağlamak için bu yazıda etiket anteninin tasarım optimizasyon şeması Şekil 4'te gösterilmektedir. Gerçek sahnelerdeki frekans kayması ve empedans uyumsuzluğu sorunlarına yönelik olarak, ikisinin nedenleri ve mekanizması incelenir ve anten yapısı parametreleri ile ikisi arasındaki ilişki açıkça tanımlanır. Aynı zamanda, sinyal gücünün düşürülmesi sorunu göz önüne alındığında, terminal yükleme alanını artırma yöntemi, nihayetinde etiket anten tasarımını tamamlamak için benimsenmiştir.
2 Etiket anten yapısı parametrelerinin analizi ve optimizasyonu
Akıllı ölçüm cihazına entegre etiket anteni için, dielektrik substrat, cihaz muhafazası ve dağlama devresi gibi etkileyen faktörlerin varlığı, etiketin performansını birçok yönden etkileyecek ve bu da etiket anteninin performansında önemli bir düşüşe neden olacaktır. Bu nedenle, her bir etkileyen faktörün mekanizmasını açıklığa kavuşturmak ve radyo frekansı teorisine dayalı olarak her bir etkileyen faktörün neden olduğu performans düşüşünü ortadan kaldırmak gerekir.
2.1 Frekans kayması ve çözümü üzerine araştırma
Sıradan bir doğrusal çift kutuplu anten için, rezonans frekansı f0 ile çift kutuplu anten uzunluğu L arasındaki ilişki aşağıdaki formülle verilmiştir:
Bunlar arasında c, vakumdaki ışığın hızıdır; e, substratın eşdeğer dielektrik sabitidir.Bu makalede, değeri havanın dielektrik sabiti (01), dielektrik substratın bağıl dielektrik sabiti (1 = 4.4) ve cihaz muhafazasından oluşur. Cismin bağıl dielektrik sabiti (2 = 2.08), eklem hareketi ile üretilir. Farklı ortamlarda aynı antenin frekans kaymasının ana sebebinin ortamdaki değişiklikler nedeniyle substratın eşdeğer dielektrik sabitinin değişmesi olduğu görülebilmektedir. Aynı zamanda, substratın eşdeğer dielektrik sabiti değiştirildikten sonra, çift kutuplu antenin uzunluğu değiştirilerek rezonans frekansı sabit tutulabilir.
Akıllı sayaç ortamındaki dielektrik sabitinin anten uzunluğu ile rezonans frekansı arasındaki ilişkiye etkisini daha da netleştirmek için her anten uzunluğu ve ortamının S11 değeri deneylerle toplanmıştır. Antenin boyutunu küçültmek amacıyla, bu kağıt doğrusal bir yapı yerine bükülmüş bir çift kutuplu birim kullanır, bu nedenle burada açıklanan anten uzunluğu L, bükülmüş dipolün bükülmüş kısımlarının uzunluklarının toplamıdır. Farklı ortamlar ve anten uzunlukları altındaki S11 eğrisi Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5'te L, akıllı sayaca yerleştirilen farklı uzunluklardaki RFID antenlerinin S11 eğrisidir ve L smart, akıllı sayaca yerleştirilmeyen 73,5 mm uzunluğundaki RFID antenidir. Şekilden, RFID anteni gerçek ortama girdikçe 73,5 mm uzunluğundaki etiketin rezonans frekansının 915 MHz'den 74 MHz'e düştüğü görülmektedir.RFID anteni akıllı sayaç içerisine yerleştirildikçe e'nin arttığı hesaplanabilir. Orijinalinden 1,18 kat daha büyük.
Aynı zamanda antenlerin farklı uzunluklardaki rezonans frekans noktaları karşılaştırılarak anten uzunluğunun azaltılmasıyla ofset rezonans frekans noktalarının 860 MHz'den 960 MHz'e kadar radyo frekansı çipinin çalışma frekansı bandına girecek şekilde düzeltilebileceği bulunmuştur. Öte yandan antenin minyatürleştirilmesi, uzunluğun kısaltılmasından doğrudan fayda sağlar.
2.2 Empedans modeli ve empedans optimizasyon yönteminin önerilmesi ve doğrulanması
Bu yazıda önerilen etiket anten için, eşdeğer empedansı üç unsurdan oluşur: eşleşen döngü empedansı, bükülme çift kutuplu empedans ve terminal yükleme empedansı Eşdeğer devre Şekil 6'da gösterilmiştir.
Etiket anteninin eşdeğer devre şemasında, Z1 eşleşen döngünün empedansıdır, Z2 bükülmüş dipolün empedansıdır ve Z3, terminal yüklemesinin empedansıdır. Şekil 2'de Z2 ve Z3'ün seri olduğu ve Z1 ile ilk ikisi arasındaki ilişkinin Şekil 3'te (1 + a) 2: 1 dönüş oranına sahip bir transformatör modeline ve a ve L2'ye eşdeğer olabileceği görülmektedir. Uzunluk yakından ilişkilidir. Şu anda, besleme portundaki etiket anteninin eşdeğer empedansı Za şu şekilde ifade edilebilir:
Denklemden (4), Za'nın sadece etiket anteninin üç elemanının empedansıyla ilgili olmadığı, aynı zamanda birleştirme kuvveti a'dan da etkilendiği görülebilir. Akıllı ölçerin dağlama devresi ve etiket antenin her ikisi de bakırdan yapıldığından, dağlama devresinin varlığı, kaçınılmaz olarak etiket anteninin her biriminin bağlantı kapasitansına neden olacaktır, bu da empedansta karşılık gelen bir değişikliğe yol açacaktır. Bu nedenle, bu makalede bahsedilen empedans uyumsuzluğu fenomeni yukarıdaki değişkenlerle ilişkilendirilmelidir.
Aşındırma devresinin etiket anteni üzerindeki etkisini daha fazla incelemek için, bu makale aşındırma devresini etiket antenine yakın bir metal yatay çubuğa denktir Yatay çubuk tarafından yüklenen RFID anteninin şematik diyagramı Şekil 7'de gösterilmektedir.
Şekil 7'de antenin üst kısmında metal yatay şeritlerin varlığından dolayı çalışma esnasında anten üzerindeki yük Şekil 7'deki gölgeli kısımda birikmekte ve antenin her bir biriminin kaplin kapasitansı değişecek şekilde denklem (4) 'de Z1, Z2 ve Z3 değişmektedir. Sonunda Za'nın değerini değiştirin ve empedans uyumsuzluğunun oluşmasına neden olun.
Yukarıdaki durumu iyileştirmek ve makul bir anten empedansı elde etmek için, bu makale, etiket anten empedansını, anten bağlantı kuvvetini yeniden ayarlayarak, böylece empedans eşleşmesini tekrar elde edebilecek şekilde geliştirmek için birleştirme kuvvetini dikkate almaktadır.
Bu sebeple deneyler yoluyla, Şekil 8'de gösterildiği gibi, etiket anteninin dağlama devresi olmayan, dağlama devresi ve dağlama devresi ile empedansı ile L2 uzunluğunun frekansla değiştirilmesi arasındaki ilişki elde edilmiştir.
Şekil 8'de, R, etiket anten empedansının direnç kısmıdır ve X, etiket anten empedansının reaktans kısmıdır. Şekil 8 (a) ve Şekil 8 (b) karşılaştırıldığında, aşındırma devresinin görünümünün, yatay çubuk yükleme modelinin varsayımını doğrulayan etiket anteninin empedansında keskin bir artışa yol açtığı görülebilir ve bu sırada empedans uyumsuzluğu olgusu kaçınılmaz hale gelir.
Aşındırma devresinden etkilenen etiket anten empedansının, denklem (4) 'de verilen temel ilkeye göre tekrar RF yonga empedansı ile eşlenik eşleşme durumuna ulaşması için, bu kağıt etiket anteninin bağlantı gücünü değiştirerek her bir birimin empedansını yeniden ayarlar. Etiket anten empedansı. Deneysel doğrulama ve karşılaştırmadan sonra, anten yapısı parametresinin L2 ayarlanmasının etiket anteninin bağlantı kuvvetini etkili bir şekilde ayarlayabildiği bulunmuştur. Şekil 8 (c), L2'yi ayarladıktan sonra etiket anten empedansını göstermektedir Şekil 8 (b) ile karşılaştırıldığında, L2 arttıkça, etiket anteninin empedansının önemli ölçüde azaldığı ve empedans direnci ve reaktans eğrisinin göreceli konumunun Şekil 8'dekine benzer olduğu görülebilir. (a), aşındırma devresinin etiket anten üzerindeki etkisinin, L2'nin uzunluğunu değiştirerek etkili bir şekilde dengelenebileceğini gösterir.
2.3 Güç azaltma sinyalinin çözümü
He Jun, FAUDZIM ve diğerlerinin araştırma sonuçlarına göre, bu yazıda, uç yükleme, dipol ünitesi büküldükten sonra ayarlanır ve daha fazla şarj biriktirmek için daha büyük bir radyasyon yaması kullanılır, böylece RFID anteninin eşdeğer kapasitansı arttırılır. Daha büyük kapasitans, antenin kapasitif reaktansını daha da azaltır ve RFID anteninin, büyük kapasitif reaktanslı Alien Higgs3 yongası için eşlenik eşleştirme elde etmesini kolaylaştırır. Aynı zamanda, uç yükleme, RFID anten radarının kesit alanını etkili bir şekilde artırabilir ve RFID anten kazancını artırabilir. Kazançtaki artış ve dönüş kaybındaki azalma, muhafazanın neden olduğu sinyal gücü kaybını telafi eder.
3 Anten tasarım sonuçlarını ve performansını etiketleyin
Bölüm 2'deki analiz sayesinde, Tablo 1'de gösterildiği gibi, antenin optimal tasarım boyutu parametre optimizasyonu yoluyla elde edilir.
Akıllı ölçere gömülü RFID etiket anteninin parametre indeksi Şekil 9'da gösterilmektedir.
Şekil 9'dan görülebileceği gibi akıllı sayaçta gömülü etiket anteninin rezonans frekansı 920 MMz'dir.Bu zamanda S11 -29.69 dB ve rezonans frekansındaki anten giriş empedansı 16.87 + j207.78 olup radyo frekansına bağlı olduğunu gösterir. Çipin eşleşme derecesi mükemmeldir ve enerji iletim verimliliği% 95'in üzerindedir. 860 MHz ila 960 MHz frekans bandında, S11, -15 dB'nin altındaki endeksi karşılar ve bağıl bant genişliği% 11'dir, bu da bilgi izlenebilirlik sürecindeki bant genişliği gereksinimlerini karşılar. Etiket anteninin maksimum kazancı, çok yönlü gereksinimleri karşılayan 2.71 dB'ye ulaşır.
4. Sonuç
Akıllı sayacın bilgisinin izlenmesi işlemi sırasında etiket anteninin kurulum zorluğu, kolay düşme ve performans düşüşü göz önüne alındığında, bu makale akıllı sayacın PCB'si üzerine doğrudan kazınmış bir etiket anten önermektedir. Bu ortamda azaltılmış okuma mesafesi problemini çözmek için, bu makale etiket anten frekans kayması ve empedans uyumsuzluğu fenomeni üzerinde teorik analiz yapmış, olgunun nedenini açıklığa kavuşturmuş ve deneysel doğrulama yoluyla hedeflenen bir çözüm önermiştir. Aynı zamanda, mevcut tasarım deneyiminden yararlanarak, kabuğun neden olduğu sinyal gücü kaybını azaltmak için terminal yükleme alanını daha da arttırır. Son olarak, etiket anteninin rezonans frekansı 920 MHz'de kontrol edilir ve anten empedansı, radyo frekansı çipi ile iyi bir eşleşme performansına sahip olan 16.87 + j207.78 'ye ayarlanır, böylece etiket anten, farklı ülkelerin çalışma frekansı bantlarında ve anten yönünde iyi bir dönüş kaybına sahiptir. Temel olarak çok yönlü gereksinimleri karşılayın.
Bu makale, bilgi izlenebilirliği sürecinde akıllı sayaçların etiket anten tasarım optimizasyonu için referans fikirler ve yöntemler sağlamak için araştırma nesnesi olarak akıllı sayaçları kullanır, ancak bazı sınırlamalar da vardır.Örneğin, bu makale elektronik bileşenleri dikkate almamaktadır. Devredeki RFID performansı üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olabilecek endüktif bir bileşendir.
Referanslar
ABBOSH A. Basılı merkezden beslenen dipollerin doğru etkin geçirgenlik hesabı ve Yagi-Uda antenleri gibi uygulamaları. IEEE İşlemleri Antenler ve Yayılma, 2013, 61 (4): 2297-2300.
Wang Xin, Wang Qidong, Cao Liqiang. Entegre anten paketlemesi (AiP) için düşük profilli, düşük maliyetli milimetre dalgalı mikro şerit anten tasarımı Modern Elektronik Teknoloji, 2017, 40 (19): 1-5.
Dai Xiaojun, Du Guohong, Deng Wei, vb. Neşter için anti-metal pasif RFID etiket anten tasarımı Journal of Microwaves, 2019, 35 (2): 60-63.
Lu Shanyong, Lu Xiang, Deng Yun. Giyilebilir UHF RFID etiketi bükülmüş anten tasarımı. Elektronik Cihazlar, 2017, 40 (5): 1083-1087.
BAEK J J, KIM S W, PARK K H, et al. E-cilt sensörü uygulaması için 13.56 MHz pasif RFID'nin tasarım ve performans değerlendirmesi.IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2018, 28 (12): 1074-1076.
Jing Yuwen, Cui Yinghua.Küçük bir pasif UHF anti-metal etiket anteninin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (11): 19-22.
Dong Jian, Yu Xiaping, Ren Huabin, ve diğerleri.UHF bandı bükülmüş çift kutuplu RFID anten tasarımı.Elektronik Bileşenler ve Malzemeler, 2016, 35 (2): 47-51.
HU T, LIU C. UHF etiket anten yapısının tasarımı ve analizi.Mikrodalga Konferansı, IEEE, 2011.
Mohammed N A, Demarest K R, Deavours D D. Gömülü T-match kullanarak UHF RFID antenlerinin analizi ve sentezi. IEEE Uluslararası Rfid Konferansı. IEEE, 2010.
Deng Xiaoying, Wang Yong, He Yejun.Pasif RFID elektronik etiket anten teorisi ve mühendisliği Pekin: Tsinghua University Press, 2016.
Zhang Min. UHF RFID etiket anteninin tasarımı ve araştırması Nanjing: Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, 2016.
Haz. Pasif UHF RFID etiket anteninin araştırılması ve tasarımı Mianyang: Southwest University of Science and Technology, 2016.
FAUDZI N M, ALI M T, ISMAIL I, et al. UHF-RFID etiket anteni, minyatürleştirme teknikleri ile Elektrik Mühendisliği / Elektronik, Bilgisayar, Telekomünikasyon ve Bilgi Teknolojisi (ECTI-CON), 201310. Uluslararası Konferans IEEE, 2013.
yazar bilgileri:
He Zehao 1, Hong Tao 1, Chen Jiayan 1, Jiang Tianqi 2
(1. Kalite ve Güvenlik Mühendisliği Okulu, Çin Jiliang Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang; 2. Hangzhou Zhihui Information Technology Co., Ltd., Hangzhou 310018, Zhejiang)
