COMSOL引入RFID技術(shù)應用于動物追蹤

　　COMSOL Multiphysics 5.1 版本引入了新的超高頻 RFID 標簽教程模型。RFID 標簽使您可以通過使用電磁場來識別并監(jiān)控無生物和生物。超高頻 RFID 標簽的應用范圍大于其他類型的 RFID 標簽，常用于動物識別。我們可以通過分析電場與遠場輻射模式來評估該標簽的性能。

　　對動物使用 RFID 標簽

　　射頻識別 (RFID) 標簽可供在無線連接下識別對象。它們可用于各類應用，從 ID 證件到動物養(yǎng)護等，甚至支持更具創(chuàng)造性和科幻色彩的用途：作為機器蝴蝶的一部分。科學家還使用 RFID 標簽來追蹤鯨鯊這種海洋中最大的魚類。希望借此能更多地了解這些溫和的海洋生物。RFID 標簽更常用于農(nóng)場動物。農(nóng)民們會在奶牛等動物身上加標簽，證明這些牲畜的所有權(quán)、防止偷盜，并能在突然爆發(fā)疾病時標識這些動物。

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

　　超高頻 RFID 標簽

　　目前有三種 RFID 標簽類型：

　　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 標簽擁有眾多優(yōu)勢，因此非常適用于動物監(jiān)控。與高頻標簽不同，超高頻 RFID 標簽支持在較近和較遠的距離讀取，因此應用范圍更廣。這些標簽的數(shù)據(jù)傳輸通常比低頻和高頻標簽更快，且價格更具競爭力。

　　對超高頻 RFID 標簽設計建模(動物除外)

　　COMSOL Multiphysics 5.1 版本新增了教程模型，可幫助您開始模擬無源超高頻 RFID 標簽。讓我們看看教程中包含哪些內(nèi)容。

　　設計 RFID 標簽時，較常見的做法是，將模型中的天線來回彎折，以使整體標簽更小。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標簽并分析標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，看起來與我們在奶牛耳朵上看到的標簽相似。

　　超高頻 RFID 標簽的幾何，一半電路板暴露在外。集總端口表示芯片。

　　由于我們將 RFID 標簽的工作頻率設為 915 MHz，且銅線路比集膚深度更厚，因此，可以將設計的金屬部分作為完美電導體 (PEC) 來建模。盡管上圖未顯示，但整個模型被一個空氣域環(huán)繞，空氣域本身又由完美匹配層 (PML) 包裹。PML 層會吸收所有向外的輻射。

　　我們通過選擇功率波反射系數(shù)項來處理復數(shù)阻抗，采用了一種非常規(guī)的仿真方式。因此可以計算 RFID 標簽中的匹配屬性。

　　注意：我們將在下一節(jié)直接跳至結(jié)果部分。如希望逐步學習構(gòu)建本教程模型，請訪問App 庫。

　　評估標簽性能

　　建立并求解模型后，我們可以分析結(jié)果，以評估標簽設計的性能。為了理解電場在整個天線中的分布，可以研究電場模繪圖。當天線發(fā)生諧振時，將在每個末端及彎折線的部分外邊觀察到較強的場。天線與芯片間的阻抗匹配可以確定標簽的范圍。

　　首先，我們分析 xy 平面的缺省電場模(E 場)，以確定標簽中電場的限制范圍。正如下圖所示，電場沿彎折線以及彎折線與阻抗匹配帶之間的空間對稱。這是非常理想的情況，因為對稱的場可能產(chǎn)生對稱的輻射模式。

　　在對稱輻射模式下(在此模型中，是一個平面上的全向模式)，我們可以輕松推測標簽的最理想角度配置。在本用例中，可以根據(jù)這一信息確定將標簽附在奶牛的哪個部位，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 場模繪圖。

　　接下來，我們可以看一下遠場輻射模式。進行其他天線設計的仿真工程師們也將熟悉這一模式;該輻射模式看起來很像半波偶極天線。

　　超高頻 RFID 標簽模型的遠場輻射模式。

　　通過仿真我們發(fā)現(xiàn)，與芯片 18+j124 Ω 的阻抗相比，標簽的功率波反射系數(shù)低于 – 15 dB。這意味著當傳遞到 RFID 芯片的功率經(jīng)過標簽再次輻射時，反射回芯片的功率將低于 -15 dB。對比本設計與能提供 -10 dB 功率的普通性能商用天線，據(jù)此，我們的設計雖然不是最出色的，但完全可以接受。由于輻射模式在彎折線周圍為全向模式，它在同一平面任意方向的響應基本相同。這說明我們的標簽非常穩(wěn)定可靠。

　　如果您是 RFID 標簽公司的一名設計工程師，可以借助 COMSOL Multiphysics 仿真軟件來評估超高頻 RFID 標簽的性能。您可以從下載以下教程模型開始體驗。