CC BY
19
DOI 10.36622/^ТО.2020.16.6.012 УДК 621.396
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗГИБА RFID МЕТКИ НА ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ С.М. Фёдоров, Е.А. Ищенко, Е.В. Папина, К.А. Бердников, Ю.Д. Савкина
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается пассивная радиочастотная метка, которая находится на гибкой подложке, что приводит к появлению проблемы с изменением характеристик при изгибе метки. В процессе исследования производилось моделирование для трех ситуаций: плоской метки, изогнутой внутрь и наружу. Благодаря современным методам электродинамического моделирования возможно определить все основные характеристики КИГО метки - в активном режиме: обратные потери, диаграмму направленности; в пассивном режиме: диаграмму обратного рассеяния, токи и напряжения в нагрузке. При моделировании были построены графики зависимости амплитуд токов и напряжений в нагрузке от частоты, пиковые значения эффективной площади рассеяния. Благодаря полученным данным можно определить наиболее оптимальные частоты для облучения КИ1Б метки, чтобы обеспечить ее работу в активном режиме (высокие токи и напряжения в нагрузке), а также в режиме обнаружения - большие значения ЭПР. Приводятся графики и таблицы для сравнения исследуемых случаев, по которым видны изменения характеристик при изгибе метки, что делает невозможным применение системы в широких диапазонах частот, так как стоит учитывать ее возможные изгибы
Ключевые слова: КИГО метка, диаграмма обратного рассеяния, эффективная площадь рассеяния
Введение
Средства радиочастотной идентификации (КИГО) окружают нас повсеместно, так самыми простыми их представителями являются пассивные метки, которые становятся активными лишь при их облучении электромагнитной волной. После этого в цепи индуцируются токи, которые достаточны или для обрыва участка цепи, или для активации микросхемы, которая способна передать ответный сигнал. Логическая микросхема при этом выдает изначально заложенный программный код [1], при этом коды могут обладать системой защиты от помех, что позволяет обеспечить работу, например, банковских карт [2]. На передающей (изначально излучающей) части возможна также передача кодовой комбинации [3], а пассивная КИГО система способна обработать данный сигнал и послать ответный. Особенностью функционирования пассивной системы является то, что она обладает очень высокой надежностью и защищена от выхода из строя [4].
Большинство радиочастотных меток наносятся на гибкие материалы, что приводит к важности учета изгиба системы на ее характеристики. Типичным материалом-подложкой выступает простая бумага, которая способна упростить конструкцию и удешевить производство, а также различные виды пластмасс.
Основные параметры пассивных радиочастотных меток
Так как КИГО метка представляет собой систему, которая состоит из антенны и логической части (микросхема, место обрыва цепи), то при ее разработке следует добиться максимально широкой диаграммы направленности, что обеспечит должный уровень эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) [5, 6]. Благодаря современным инструментам электродинамического моделирования возможно определить уровень токов в установленной нагрузке, а также зависимость данных значений от частоты.
При оптимальном выборе частот возможна реализация системы быстрого реагирования, так при облучении частотой, которая соответствует появлению максимальных значений токов в нагрузке - обрыв системы, а следовательно, ее выход из строя, если же выбрать частоту, на которой ЭПР метки максимален, то ее можно легко обнаружить, а следовательно, подать сигнал тревоги. Подобная система реализована в большинстве супермаркетов и магазинов одежды.
Основные характеристики исследуемой RFID метки
Предложенная для исследования конструкция КИГО метки приведена на рис. 1.
В качестве материала проводника выступают тонкие медные проводники, а в виде ди-
© Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Папина Е.В., Бердников К.А., Савкина Ю.Д., 2020
электрической подложки - бумага (£ = 2,31, толщина стандартного листа бумаги 0,1 мм -позволяет излучать в 2 стороны).
По полученной диаграмме направленности видно, что ширина главного лепестка составляет 86,4°, что выполняет одно из основных требований к ЯРЮ меткам.
Исследование влияния изгиба метки на ее характеристики
При проведении данного исследования рассматривались три случая: метка не изогнута; метка изогнута внутрь с радиусом изгиба 60 мм; метка изогнута наружу с радиусом 60 мм (рис. 4).
Рис. 1. Модель исследуемой ЯПБ метки
Первоначальное моделирование производится, когда в разрыв цепи помещается дискретный порт питания с волновым сопротивлением 50 Ом, что позволяет определить Бц параметры метки (рис. 2), а также построить ее диаграмму направленности (рис. 3), которая должна обладать большой шириной главного лепестка.
5 'Рз: аох Сеа РЬепкиОе т ¡¡В}
■е
Г '.Г ' А С ^ г\г~ "V"
/ V
¥ Ч 1
■12
й> Л к 40 * V Я ГУ Л
Рис. 2. Бп параметры ЯПБ метки
Как видно, минимальное значение коэффициента отражения наблюдается на частоте 818,18 МГц и составляет -18,33 дБ.
б)
в)
Рис. 3. Диаграмма направленности ЯПО метки
Рис. 4. Исследуемые случаи ЯПБ меток: а) плоская метка без изгиба; б) изгиб внутрь (Я=60 мм); в) изгиб наружу (Я=60 мм)
Над каждой ЯЛГО меткой на высоте 25 мм помещался пробник ЭПР объекта, который позволяет изменить значение в пределах исследуемого частотного диапазона, в позицию активного компонента помещался сосредоточенный элемент с сопротивлением 50 Ом.
В процессе моделирования было замечено, что происходит изменение форм диаграмм обратного моностатического рассеяния, амплитуд токов и напряжений.
На рис. 5 приводятся полученные картины диаграмм обратного рассеяния (ДОР); на рис. 6 приводятся значения токов в нагрузке от частоты; на рис. 7 - значения напряжений в нагрузке от частоты; на рис. 8 - пиковые значения ЭПР метки на высоте 25 мм от ее центра.
Рис. 5. Диаграммы обратного рассеяния КИГО метки
По полученным картинам видно, что произошло снижение эффективной поверхности рассеяния метки, в табл. 1 приводятся сравнительные характеристики ДОР для всех трех случаев.
Таблица 1
Сравнение характеристик диаграмм обратного рассеяния
Характеристика Плоская метка Изгиб внутрь Изгиб наружу
ЭПР макс, м2 0,00315 0,00217 0,00212
Ширина главного лепестка (3 дБ), ° 87 87,8 87,9
lunged Element Current [Magnitude]
C.CX2
:
[ с i-*; i
W IS UAI ■ 5e-B -
Д ¡1
:s,' i
j! r^V
■/г\ !. » !!
--■elementl [n*i] Inside
.....elementl [pwj Outside
-element! [>..; Pane
Рис. 6. Амплитуды токов в нагрузке
Как видно из полученных графиков при сохранении стандартной формы метки (без изгиба) амплитуда тока превышает 0,2 мА в диапазоне частот от 834 до 932 МГц; если же рассматривать ситуацию с изгибом внутрь превышение уровня в 0,2 мА наблюдается в трех диапазонах (774-800 МГц, 885-905 МГц, 912940 МГц), при изгибе наружу данная ситуация наблюдается только в частотном диапазоне: 873-888 МГц. Итоговые результаты при сравнении значений токов приводятся в табл. 2.
Таблица 2
Сравнение характеристик токов в нагрузке
Характеристика Плоская метка Изгиб внутрь Изгиб наружу
Ток 1тах, мА 0,235 0,372 0,242
Частота 1тах, МГц 910,09 928,07 881,12
Диапазоны превышения 0,2 мА, МГц 834-932 774-800 885-905 912-940 873-888
1 tin (I1 F ■ ■ 'ill V» l.fj*' (".tyn 't»' J
--•dementi [pw] Inside
— dementi [pw] Plane
Г:
исц >11 или !
! ! r>f\
\ \ / д
г. j i
0 00
л Яч у. /. I i\i
0 и?
.СО iЭС } ю +:о '.эс е.» ко к 90С 10
Рис. 7. Амплитуды напряжений в нагрузке
В данном случае в качестве порогового значения срабатывания выбрано напряжение в 0,01 В. Подробные характеристики приведены в табл. 3.
Таблица 3 Сравнение характеристик напряжений в нагрузке
Характеристика Плоская метка Изгиб внутрь Изгиб наружу
Напряжение П В 0,0117 0,0186 0,0121
Частота итах, МГц 910,09 928,07 881,12
Диапазоны 774-800
превышения 834-932 885-905 873-888
0,01 В, МГц 912-940
Как видно из полученных результатов частоты пиковых значений токов и напряжений совпадают, что вызвано идеальной нагрузкой, которая представляет из себя только 50 Ом без паразитных индуктивности и емкости.
Рис. 8. Значения ЭПР метки на расстоянии 25 мм от центра
При исследовании характеристик эффективной поверхности рассеяния особый интерес вызывает максимальное значение и частота его наблюдения. В ситуации с плоской меткой без изгиба максимальное значение составило 0,0091 м2 на частоте 938,06 МГц; при изгибе внутрь уровень ЭПР после 887,76 МГц начал резко увеличиваться и достиг пикового значения на максимальной частоте исследуемого диапазона - 1000 МГц и составил 0,0092 м2; если же изгиб метки был наружу, то пиковое значение ЭПР составило 0,0189 м2 при частоте 922,08 МГц.
Заключение
В процессе исследования было обнаружено, что характеристики гибкой пассивной ЯЛГО метки сильно зависят от направления изгиба, так при изгибе происходит сужение диапазонов наблюдения пиковых значений токов и напряжений в нагрузке, изменение пиковых значений эффективной площади рассеяния.
Такие искажения способны привести к сбоям в работе ЯЛГО системы, так для предложенных ситуаций наиболее оптимальной частотой облучения для индуцирования максимальных токов является частота 838,74 МГц, тогда во всех рассмотренных трех случаях ток превышает 0,2 мА. В качестве частоты обнару-
жения метки по ЭПР рекомендуется частота 931,62 МГц, что обеспечит высокий уровень во всех трех рассмотренных случаях.
Литература
1. Пирогов А.А., Буслаев А.Б., Костюков А.С. Разработка моделей и алгоритмов проектирования цифровых устройств с использованием программируемых логических интегральных схем // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 4. С. 88-95.
2. Пирогов А.А. Методы повышения помехозащищенности и эффективности кодирования сетей связи абонентского доступа // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 1. С. 162-163.
3. Методика проектирования синтезатора частот прямого цифрового синтеза на базе ПЛИС / А.А. Пирогов, Е.А. Бочаров, Э.В. Сёмка, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 6. С. 108-116.
4. Сравнение статистических методов испытаний надёжности РЭС / А.С. Костюков, И.С. Бобылкин, Л.Н. Никитин, А.А. Пирогов // Надежность и качество: тр. междунар. Симпозиума, 2018. Т. 2. С. 35-37.
5. Galler F., Neunteufel D., Arthaber H.Complex-valued delta RCS simulation of RFID tags of time of flight ranging performance assessment // 2019 IEEE International Conference on RFID Technology and Applications (RFID-TA). 2019. Pp. 285-290.
6. Thomaskutty M., Ziai M.A., Batchelor J. RCS and Read Range of a UHF RFID Tag // 2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility. 2010. Pp. 460-462.
Поступила 22.10.2020; принята к публикации 21.12.2020 Информация об авторах
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Папина Елизавета Владимировна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Савкина Юлия Дмитриевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
STUDY OF THE INFLUENCE OF RFID TAG BENDING ON BASIC CHARACTERISTICS S.M. Fyedorov, E.A. Ishchenko, E.V. Papina, K.A. Berdnikov, Yu.D. Savkina Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses a passive RFID tag that sits on a flexible substrate, which leads to a problem with changing characteristics when the tag is bent. In the course of the study, we carried out modeling for three situations: a flat tag, curved inward and outward. Thanks to modern methods of electrodynamic modeling, it is possible to determine all the main characteristics of an RFID tag - in the active mode: return loss, radiation pattern; in passive mode: diagram of backscatter, currents and voltages in the load. During the simulation, we plotted graphs of the dependence of the amplitudes of currents and
88
voltages in the load on frequency, peak values of the effective scattering area. Thanks to the data obtained, it is possible to determine the most optimal frequencies for irradiation of an RFID tag in order to ensure its operation in an active mode (high currents and voltages in the load), as well as in the detection mode - large ESR values. The article provides graphs and tables for comparing the cases under study, which show changes in characteristics when the tag is bent, which makes it impossible to use the system in wide frequency ranges, since its possible bends should be taken into account
Key words: RFID tag, backscatter plot, radar cross section
References
1. Pirogov A.A., Buslaev A.B., Kostyukov A.S. "Development of models and design algorithms for digital devices with the use of programmable logical integral schemes", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudar-stvennogo technicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 4. pp 88-95.
2. Pirogov A.A. "Methods of increase of noise immunity and efficiency of coding of communication networks user's access", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2011, vol. 7, no. 1. pp 162-163.
3. Pirogov A.A., Bocharov E.A., Syemka E.V., Makarov O.Yu. "Method of designing the frequency synthesizer of direct digital synthesis on FPGA", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 6. pp 108-116.
4. Kostyukov A.S., Bobylkin I.S., Nikitin L.N., Pirogov A.A. "Comparison of statistical methods for testing the reliability of radio electronic devices", Proc. of the International Symposium: Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr.mezhdunar. simpoziuma), 2018, vol. 2. pp. 35-37.
5. Galler F., Neunteufel D., Arthaber H. "Complex-valued delta RCS simulation of RFID tags of time of flight ranging performance assessment", 2019 IEEE International Conference on RFID Technology and Applications (RFID-TA), 2019, pp. 285-290.
6. Thomaskutty M., Ziai M.A., Batchelor J. "RCS and read range of a UHF RFID tag", 2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2010, pp. 460-462.
Submitted 22.10.2020; revised 21.12.2020
Information about the authors
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Elizaveta V. Papina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Yuliya D. Savkina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
