CST – RFID והדמיית העברת הספק אלחוטי מתג עד למערכת

אמר זה דן בתכנון ודיגום של התקני RFID הן בעלי תדר נמוך (low frequency – LF) והן בעלי תדר גבוה (high frequency – HF) תוך שימוש ב- . דבר זה ניתן לביצוע ברמת התג האישי, אך גם לגבי המערכת כולה, כולל הקורא, העצם המתויג וסביבותיו. ניתוח של המערכת המלאה בעזרת הדמיה מאפשר לחקור את התאימות של מערכת ה-RFID שנבחרה עבור היישום ויכול לגלות פעולות-גומלין בלתי חזויות שקשה לזהות בעזרת מדידות בלבד.

סקירה כללית
זיהוי בתדר רדיו (Radio frequency identification) (RFID) מאפשר לקטלג, לתייג ולעקוב במהירות אחר פריטים בסביבות תובעניות. בלב של כל מערכות ה-RFID נמצא התג – סליל השראתי או אנטנה המחוברים בד”כ לשבב זעיר. כאשר נשאל על-ידי קורא RFID, שבב זה מפיק שורת נתונים המאפשרת את זיהוי התג ובמידת הצורך, יכול לספק מידע נוסף אל הקורא.  רוב תגי ה-RFID הנמצאים בשימוש מקובל הם פאסיביים, כלומר הם לא כוללים כל מקור הספק. במקום זאת, ההספק להפעלת התג מסופק על-ידי הקורא השואל באמצעות צימוד בשדה-קרוב או רחוק אל הקורא. זה אומר שה-RFID יכול להיות מאוד רגיש לעצמים אחרים בסביבה. השפעות של הפרעות וסיכוכים עשויות להשפיע שתיהן על ביצועי התגים, ויש לקחת אותן בחשבון כאשר שוקלים מערכת RFID. הדמייה אלקטרומגנטית מתארת את ההתנהגות של התקני RFID בפירוט רב, ומאפשרת לחקור כיצד יתנהג התג מבלי לבנות אב-טיפוס.

הדמיית התג
לצורכי הדמיה, ניתן לחלק מערכות RFID בגדול לשתי קבוצות: תדר נמוך (תדרים עד עשרות מגה-הרץ) ותדר גבוה (מאות מגה-הרץ או יותר).
תגי RFID בתדר נמוך הם הרבה יותר קטנים מאורך-הגל של שדה הקורא. הם פועלים בתור סליל השראתי, ומוצמדים רק דרך השדה המגנטי. יישומים מקובלים של RFID LF הם תיוג חיות, בקרת תהליך תעשייתי וכרטוס כרטיסים חכמים. יישומים אלה אינם דורשים לרוב קצבי נתונים גבוהים, אך חייבים להיות חסינים מאוד.  מאחר שהם קטנים חשמלית, תגי RFID LF מודגמים בצורה הטובה ביותר תוך שימוש בפותרן (solver) במישור התדר של ה-CST STUDIO SUITE. עבור תגים אלה, ניתן להשתמש בהדמיה כדי לחשב את שדה ה-H וזרמי המשטח המושרים לתוך הסליל (איור 1), ולבודד מעגל שווה-ערך עבור התג. מערכות RFID HF מאידך מציעות קצבי נתונים גבוהים יותר וטווחים ארוכים יותר, כך שהן מתאימות ליישומים כגון מעקב אחר מלאי וגביית אגרות. בתגי RFID HF, הסליל פועל כמו אנטנה רגילה, בד”כ מקופלת כדי להקטין את השטח שלה. זה אומר שהתאמת העכבות בתגי RFID HF צריכה להיות מיוטבת בזהירות כדי לאפשר לאנטנה הקטנה לפעול ביעילות.
ניתן לדמות תגי RFID HF תוך שימוש בפותרן במישור הזמן או במישור התדר, תלוי בגיאומטריית האנטנה וגודל הדגם (כולל הסביבה). תוצאות שימושיות כאשר דנים בתגי RFID HF כוללות את פרמטרי ה-S שלהם והשדות הרחוקים (farfields) שלהם (איור 2).  ניתן להשתמש בשדות הרחוקים כדי לזהות את המיקום והכיוון הטובים ביותר עבור תגי ה-RFID ביחס לקורא, ותוך שימוש במאקרו “Calculate RFID Read Distance” ב-CST STUDIO SUITE, ניתן לחשב את הטווח הקריא של התג לאורך כל טווח הזוויות האפשריות (איור 3) אם ידוע הספק המוצא והרגישות של אנטנת הקורא. רוב תגי ה-RFID כוללים מעגל משולב המכיל את הנתונים הכרוכים באותו התג. לשבב עצמו יהיו השראות וקיבול אשר ישפיעו על כוונון האנטנה והיכולים גם לכלול מעגל התאמה כדי לשפר את יעילות האנטנה. כדי לאפשר להביא בחשבון את כל אלה בעזרת הדימוי, CST STUDIO SUITE מכיל גם כלי הדמיה לסכמות מעגל המשולב בסביבת התכנון של ה-3D. ניתן להתייחס לדגם ה-3D בתור בלוק ולכלול אותו בהדמיית המעגל, או, תוך שימוש בהדמייה במישור הזמן, ניתן לחבר את השבב בתוך הדגם 3D בתור תיק SPICE או IBIS. הדמייה הכוללת את עכבת השבב המורכבת מוצגת באיור 5.
כדי לשפר את היעילות של תג, ניתן לכוונן את מעגלי התאמה אלה תוך שימוש במייטבים (optimizers) מובנים ב-CST STUDIO SUITE. אלה מאתרים את ערכת הפרמטרים עבור מרכיבי המעגל התואמים בצורה הטובה ביותר מטרה נתונה – לדוגמה הם יכולים למצוא את ערכי המרכיבים הממזערים את ה-S11 של השילוב אנטנה-שבב בתדר התהודה הרצוי.
אולם, הייטוב איננו מוגבל רק למרכיבי המעגל. הממדים של דגם האנטנה 3D ותכונות החומר שלו ניתנים להפיכה לפרמטרים ולייטוב (איור 4) במטרה לשפר את הביצועים שלו. כאשר עוסקים בתגי RFID מאוד קטנים, לגישה זו יש היתרון שהיא יכולה לצמצם את מספר מרכיבי המעגל הנוספים שיש להוסיף לתג במהלך הבנייה.
לדוגמה, הטיית פרמטר או ייטוב על-פי עובי המצע ניתנים לשימוש כדי לכוון את הקיבול והאינדוקטיביות של האנטנה ולשפר את יעילותם מבלי להוסיף מעגל התאמה נוסף. לחלופין, הטיית פרמטר יכולה לשמש כדי לחקור את איכות התכנון כאשר מביאים בחשבון את אפיצויות ושינויי הייצור (איור 5).

הדמיית התג והקורא
התג הוא רק מחצית ממערכת ה-RFID. יש לתכנן בזהירות גם את הקורא כדי לאפשר סריקה יעילה ואמינה. מאחר שקוראי RFID עשויים להיות רגישים מאוד למרחק, המצב והזווית של התג, לעתים קרובות יש צורך בחישוב מהיר של התנהגות המערכת עבור מצבים וכיוונים רבים ושונים. עם ה-CST STUDIO SUITE, ניתן לדגום ביחד את התג והקורא באותה ההדמיה. ניתן להפוך בקלות את קואורדינאטות התג לפרמטרים, וסריקת פרמטרים מאפשרת דרך ישירה לנתח את השפעת חוסר הכיוונון של התג.  איור 6 מראה כיצד בעיות כיוונון שונות משפיעות על התנהגות של מערכת NFC מבוססת-RFID. סלילים מישוריים אלה מתגלים כרגישים ביותר לשינויים קטנים במצב התג ביחס לקורא, אך הם יותר גמישים לשינויים זוויתיים. הזזת התג ב-10 ממ’ הן בניצב והן במקביל לקורא גורמת להפחתה של הספק המוצא כמעט עד 0 ואט, אולם ההשפעה של סיבוב התג על הקורא היא יחסית קטנה.  שיפור היעילות של הקשר בין הקורא והתג דורש ייטוב של מעגל התאמה רב-שערים. לשבבים המשמשים בתגי RFID יש לעתים קרובות פרופילי עכבה תלויים בתדר בעלי חלקים ממשיים ומדומים, דבר האומר שדרוש ייטוב רחב-פס. בנוסף, התאמת הסלילים במיקום יחיד תגרום לבעיות רבות לעומת אלה שהיא פותרת – אי-התאמות רציניות יקרו כאשר מזיזים את האנטנות. ביחד, שני גורמים אלה מקשים על התאמה יעילה.
לשם כך, כלי ה-Optenni Lab הוא אידיאלי. Optenni Lab מחלקת קשר דו-כיווני עם CST STUDIO SUITE, המאפשר חלוקה בין תוצאות ההדמיה ודגמי מעגל בין שני המוצרים. ניתן לאחר מכן לייטב את מעגלי ההתאמה כדי להשיג התאמה טובה בין תחום רחב יותר של תדרים וניתן לכלול את השפעת המעגלים המיוטבים ישירות לתוך הדמיית 3D חדשה.
ההכללה של כלי הדמיה של מעגלים פירושה שניתן לבצע ניתוח מפורט יותר מאשר חישוב פשוט של פרמטר S. המרכיבים האלקטרוניים של השבב והקורא ניתנים לשילוב עם דגם 3D של המערכת (איור 7) ניתן לדמות תוך שימוש ב-AC Task העברת נתונים ממשית. דבר זה יביא בחשבון עיוותים של האות הנגרמים על-ידי אפנון ופענוח, החזרה בתוך המערכת והשפעות טפיליות בלתי-רצויות כגון הפרעה מתגים אחרים.

הדמיה של מערכת מלאה
לא די עבור תג RFID לפעול בבידוד. כל יישום RFID מעשי דורש גם להביא בחשבון את השפעת הסביבה, כולל כיוון מחוץ לתדר העבודה (detuning), סיכוך וצימוד בין התגים. להשפעות אלו עשויות להיות סיבות שונות רבות, הכוללות תגים אחרים, מבני מתכת, אנשים ובעלי-חיים בקרבה והעצם המתויג בעצמו. הדמיה היא הדרך היחידה לחשב השפעות מורכבות אלו לפני תחילת שלב האב-טיפוס.  איור 8 מראה דוגמה אחת: שש-עשרה קופסאות גלולות (pill boxes) המסומנות בתגי RFID, כולן ממוקמות בקרבה זו מזו. תגים אלה מתושאלים על-ידי קורא הממוקם במרחק-מה. איור 9 מראה את פרמטרי ה-S עבור תג אחד בכל שורה, המסודרים החל מאלה הקרובים ביותר לאנטנה לאלה המרוחקים ביותר. ההדמיה מגלה שתג ה-RFID בשורה הראשונה, הקרובה ביותר לאנטנה, הוא צמוד במידה פחותה מאשר תגים הממוקמים במרכז המשטח, בשל הפרעות במבנה. השפעה זו תהיה קשה ביותר לחישוב מבלי לבצע הדמיה מלאה. מצב אחר בו הדמיה מלאה היא שימושית מוצג באיור 10. כאן, תג ה-RFID מובנה בתוך סביבה מתכתית מורכבת, הכוללת גלילים אחדים של כבל הממוקם 3 מ”מ בתוך תיבה המחוזקת על-ידי מסגרת מתכתית. כל המתכת הזו תסכך את תג ה-RFID, כלומר היא יכולה להיות קריאה בכיוונים מסוימים – או, גרוע מכל, כלל לא.
הדמיה בגל-שלם של המערכת יכולה לחשב את השדה הרחוק של תג ה-RFID (איור 11) כדי למצוא את שיאי השידור והאפסים שלו, כדי לאפשר למהנדס להחליט היכן יהיה המיקום הטוב ביותר עבור הקורא והתג. בהשוואה לאיור 2, ברור שהסביבה שינתה את השדה הרחוק משמעותית.  הפותר במישור הזמן של ה-CST STUDIO SUITE תומך במחשוב ה-GPU, אשר יכול להאיץ בצורה דרמטית את הדמיית הדגמים הגדולים או המורכבים. דבר זה מאפשר את הדמיית החלקים הגדולים של הסביבה, ויכול, במיוחד כאשר משולב במחשוב מבוזר (distributed computing -DC) כדי לפתור מערכות בעלי תגים מרובים, להיות הרחבה מאוד שימושית לכלי ההדמיה.

סיכום
ניתן להשלים שיטות תכנון מקובלות של RFID על-ידי הדמיית EM במגמה להבין טוב יותר את התנהגות ההתקן. תרגום לפרמטרים וייטוב משמע שניתן לחקור שינויי תכנון רבים כחלק של ניתוח סיבתי, וניתן לכוונן ולהתאים אנטנות לשם יעילות יתר. ניתן לדמות את המערכת המלאה, כולל הקורא, תגים מרובים וסביבות ההתקן, דבר המאפשר למהנדסים לחקור כיצד תתנהג המערכת בסביבה ממשית. השפעות סביבתיות אלה הם קשות מאוד לגילוי מבלי להשתמש בהדמיה.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת מאל-סיון
Marc Rutschlin is a Market Development Manager for Microwave and RF applications, CST AG