rfid ansoft 200704

RFID 설계에서 테스트 까지 – Ansoft & NI 조인트 세미나 [2007.4.13]

▶

using Simulation Softwareusing Simulation Software

Brandon Kim

Ansoft Korea


▶내용

Part 1. RFID 안테나 및 시스템 설계 개요

Part 2. Simulation을 이용한 RFID 설계사례

1. UFH RFID Reader & Tag 및 시스템 설계

2. UFH RFID Tag Antenna & System Simulation

3. Smartcard RFID with Fractal Dipole Antenna

4. HFSS와 Q3D를 이용한 13.68MHz RFID 해석

Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com


▶

Part 1Part 1RFID RFID 시스템시스템 설계설계 개요개요


▶ RFID SystemsRFID Systems

특징

-시스템에 맞물려 고정형(or 이동형)

으로 동작하는 Reader와 이동체에 부

착하는 Tag로 구성

- Tag는 능동형과 수동형으로 분류

- Tag는 통상 Reader에서 송출된 전

파 전력을 받아서 전원으로 사용

- Reader에서 Tag로 가는 Downlink

(Forward Link)의 역할이 시스템의 성

공여부에 가장 큰 영향.

ITIT--SystemSystem

Reader

RF 모듈

안테나

TagTagReader / Writer

Tag ID 통신

ITIT--SystemSystem

Reader

RF 모듈

안테나

TagTag

전력공급 &응답요청

Dow

nlink

Uplink



▶ RFID System RFID System 내부내부 구성구성

Reader / Writer Unit

Tx/RxMicroComputer

Data Exchange with Computer Network

Antenna Tag

Radio Tx/Rx

RAM ROM

CPU I/O

Power Supply

필드커플링

Antenna

• RFID Tag의 main chip은 대부분 사서 쓰기 때문에,

RFID 개발의 주요 이슈는 안테나 설계에 있음.

• Reader와 Tag간의 통신성공률은 각각의 안테나 특성과

두 안테나간의 field 분포와 밀접한 관련을 가지며,

그에 따라 그 사이의 방해물에 의한 영향도 결정된다.

• 결국 RFID 개발의 Key는 고신뢰성에 있으며,

Simulation은 그러한 고신뢰성을 강화하기 위한 기초연구 및

응용, 실제 안테나 설계, 시스템 성공률 예측등에 활용된다.


▶ RFID TagRFID Tag의의 종류종류

• 별의 별 모양이 다 있다. 안테나 설계에 따라 아이디어 천국.



▶ RFID RFID 주파수주파수


▶ RFID Link BudgetRFID Link Budget

송신기33dBm 출력

Antenna (Omni)1.4dB gain

0.5 dB mismatch

대기중 전파-40 dB 손실

안테나 (무지향성)1 dB 이득

1 dB 정합손실

수신기-14 dBm 감도

33dBm

+5dB-3dB

35dBm

-40dB-5dBm

0dBi-5dBm

-5dBm

안테나 (원형편파)5dBi 이득

3dB 편파손실

예제:

- 송신기와 수신기 안테나간의 관계는 상대적으로

계산하기가 쉬워 보임. 그러나 실제 동작환경에서는

안테나의 주변환경에 심하게 영향을 받는 다는 것을

명심해야 함.

- 최근의 RFID 시스템은 수백 이상의 Tag와 동시 통신이

가능하도록, 좋은 신뢰성을 확보하는데 주력하고 있음.

즉, 마진이 9dB

가장 예측하기 어려운 부분!거리에 예민하고, 안테나간의 방해물에도

영향을 심하게 받으며 재질의 변화에도 민감하다.

이렇게 정확한 예측이 어려운 부분들은, 모든 parts의

동작을 포함한 시스템적인 Simulation을 통해 도움을

얻을 수 있다.

• 자체전원이 아닌 간접전력을 이용하기 때문에, Power budget을 주의 깊게 잘 계산해야 함.• 즉 통신에 충분한 전력 + 전력마진을 가지는 설계가 중요.



▶ 전파전파 송수신송수신 거리거리 계산식계산식

송신 안테나이득 = GT

Polarization = ρT

반사계수 = ΓT

수신안테나이득 = GR

Polarization = ρR

반사계수 = ΓR

거리 = R신호의 파장 = λ

( )( )2222

11ˆˆ4 RTRTRT

T

R GGRP

PΓ−Γ−•⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= ρρπλ

Friis equation을 이용한 단순계산법은 아래 가정을 포함하고 있다.

• 근전계장(near field) 내에 방해물이 없다는 상황 (유전체건 금속이건 뭐건 )• 안테나의 특성은 잘 알고 있다는 상황• 반사와 회절 효과는 고려되지 않았음

…… 문제는문제는 실제실제 이이 공식이공식이 늘늘 맞지는맞지는 않는다는않는다는 거거……..기본적인기본적인 초기값초기값 정도로정도로 활용해야활용해야 함함..


▶ SimulationSimulation의의 적용적용

시스템 Spec 설정

하드웨어 선택 ( Reader, IC )

제조방법 선택 (프린트, 에칭..)조립과정, 크기 결정

안테나 설계

시제품 제작 ( IC & 안테나 )

시제품 테스트

엔지니어링 샘플 출하

실제 조건에서 측정 (user site)

Simulation 적용 가능 부분

대역폭을 늘리기 위한안테나 설계 & 최적화 및

그에 따른 감도해석

패키지 기생성분 분석

Reader 와 단일 Tag간의송수신 성능 시뮬레이션

실제 상황에서의 Reader를 모델링하고, 다량의 tag 사이에 방해물을 놓고

시뮬레이션



▶ Reader Reader 안테나안테나

Reader의 안테나는 선형편파(linear Polarization) 대신 대부분 원형 편파( circular polarization )를사용한다. 선형편파를 사용하면 순간적으로 강한 편파간섭 신호가 들어왔을 때 취약하기 때문이다.

< 선형편파 > < 원형편파 >


▶ Tag Tag 안테나안테나 (UHF)(UHF)

• UHF Tag 안테나의 기본은 Dipole 안테나에서 시작된다.

• 주파수의 파장/2 길이로 이루어진 Dipole 안테나를 제한된 공간내에 어떻게 배치하느냐가 관건

Dipole AntennaDipole Antenna

3D Field 3D Field

3D Radiation Pattern 3D Radiation Pattern

SS--Parameter Parameter



▶ Folded Folded 안테나안테나

• 휴대폰의 경우, 길다란 Monopole을 등가적으로 꼬아서Coil 안테나 형태로 사용함으로써 공간을 절약.

• RFID에서는 제한된 Tag 크기에 맞추어, Dipole을 등가적으로구불구불하게 만드는 법이 선호됨 Folded Type


▶

Folded Type: 원하는 주파수에서 공진이 되도록

Dipole 안테나를 일정하게 구부려서 만든 형태

Capacitor Loading: 안테나 끝단에 큰 금속판을 위치시켜,마치 끝단에 병렬 Capacitor를 단것과

유사한 효과를 냄으로써 안테나 크기 감소

Dielectric Substrate유전체 기판위에 인쇄함으로써,

유효유전율을 증가시켜 안테나 크기를 감소가격이 크게 상승되므로 많이 사용되지는 않음.

안테나안테나 크기크기 축소축소 = Tag = Tag 크기크기 축소축소

• 크기를 줄이는 방법은 대체로 대역폭도 줄어든다는 것에 주의.



▶ Tag Tag 안테나안테나 정합정합 (Antenna Matching)(Antenna Matching)

• Tag 안테나와 칩의 임피던스 정합을 위해서는 아래 요소를 고려해야 한다.

1) Tag 칩의 임피던스- 입사되는 전파의 전력크기 고려- 정합회로 형태 결정

2) 패키징- 와이어 본딩, 플립칩 등의 다양한 패키징 방법에 따라발생하는 기생성분들을 고려 (Parasitic Effect)

- 주파수가 높을수록 기생성분의 영향이 큼.- 기생성분들이 결국 추가적인 RLC 회로로 동작하므로,

경우에 따라 정확한 기생성분 모델링이 필요.

3) 안테나 임피던스- 안테나 임피던스는 안테나의 형태에 크게 의존.- 어떤 재질을 사용했느냐에도 의존- 주변 환경의 변화에 따라 임피던스가 변함 가장 어려운 부분


▶ Tag Tag 안테나안테나 정합정합 (Antenna Matching)(Antenna Matching)

LossChipAntenna

ChipChiprelativeChip PPP

PP

++== η

• Tag의 전력효율은 안테나 손실과패키지 손실에 크게 의존.

• 안테나 정합은 통상의 임피던스 정합과마찬가지로, 서로 임피던스의 허수부가반대의 부호를 가지도록Conjugate Matching을 해야함.



▶ Tag Tag 칩의칩의 입력입력 임피던스임피던스

• RFID Tag 칩의 공정은 생산원가가 가장 싼 CMOS 공정을 주로 사용하는데,최근의 실리콘 CMOS IC 공정에서는 대부분 PAD의 ESD 특성강화를 위해 PAD 자체에쇼트키 다이오드를 이용한 보호회로(Protection Circuit)가 들어간다.

• Tag 칩의 입력 임피던스는 실제 입력회로자체보다 입력되는 PAD의 다이오드에 의해임피던스가 결정되는 경우가 많다.

• 여기서 이 다이오드 자체가 수용가능한 전력이 대부분 -40dBm~10dBm 범위 이내에머무르며, 고로 일반적인 실리콘 공정에서 최대 입력전력이 10dBm 이라는 제한이 있다는점을 기억해둘 필요가 있다.


▶ 패키지의패키지의 기생성분기생성분 모델링모델링

다양한 패키지 형태들은 실제 안테나-칩 간의 임피던스 정합에 큰 영향을 주기 때문에,

적절한 모델링을 통해 패키지의 기생성분을 반영할 필요가 있다.

본딩 와이어 플립칩 TSSOP

>> 각 패키지형태별로 간략화된 등가회로 모델



▶ TagTag상에서의상에서의 칩칩 위치위치


▶ Tag Tag 안테나안테나 설계시의설계시의 고려사항들고려사항들

주변에 금속체가존재하는 경우

온/습도의 영향

재질변화(tolerance 문제)

주변의 다른Tag와의 간섭문제

도체 두께와 폭의Variation

이러한 예민한 문제들을 실제에서 측정하거나 통계화하기는 힘들지만,시뮬레이션 상에서는 매우 쉬운 일임



▶

Part 2Part 2SimulationSimulation을을 이용한이용한 RFID RFID 설계사례설계사례


▶ 설계사례설계사례

11. UFH RFID Reader & Tag . UFH RFID Reader & Tag 및및 시스템시스템 설계설계

0

SP

output

CCONST

SP

tag_in

AWGN

SP

tag_out

1234567

891011121314

ref

Input_PAD RChip

U2tag_2p2

868MHz RFID ASK test ( one arbitrary tag )

power splitter90?shift

ASK modulator 90% modulation,50 % duty cycle

NEXXIM subcircuitof transponder inputcircuit



▶ Reader Antenna SimulationReader Antenna Simulation

• Reader 안테나는 Tag 안테나에 비해선 상대적으로 간단하고 쉬움.

• 3차원 전자장 tool로 쉽고 빠르게 설계 가능. (Ansoft HFSS)


▶ Reader Reader 안테나안테나 최적화최적화

• 원판의 직경과 급전점을 변수로 설정

• 원하는 주파수에서의 공진점을 가장 좋게 만드는 Dimension으로 최적화



▶ Reader Reader 안테나안테나 특성특성

Return LossGain

Axial Ratio vs. ThetaRealized gain ( Phi vs Theta polarisation )


▶ Mesh & Field DataMesh & Field Data

• 3차원 해석을 위한 mesh • Near Field



▶ UHF Tag Antenna SimulationUHF Tag Antenna Simulation

• 역시 3차원 전자기장 툴 (HFSS)를 이용


▶ TagTag의의 변수화변수화

X_gndsize

Y_gndsizew

Dist_gnd

Dist_y Y_loop

Dist_x

Dist_card

GNDGND

FoldedFoldedAntennaAntenna

Transponder Chip

• 주요 파라미터를 모두 변수로 만들어 자동화된 설계에 적용



▶ Parametric SimulationParametric Simulation

- 안테나 길이

- 안테나 선폭

- GND 크기

- GND와 안테나간의 거리

- 안테나 도선간의 간격

과 같은 변수들에 Min/Max/Step의

범위를 정해주면 자동으로 sweep시켜

그 각각의 조합의 특성을

일목요연하게 확인 가능.

각 설계변수들의 변화에 따른

결과 Trend를 한눈에 파악

안테나의 길이를 바꿀 때 마다

공진주파수가 바뀌는 것이 확인됨

이를 바탕으로 아예 목표 spec을 주고

그를 만족하는 변수값들을 자동으로

찾아주는 최적화 실행.


▶ Tag Tag 안테나안테나 설계완료설계완료

868MHz에서 공진하는 안테나 완성



▶ AntennaAntenna--Chip Impedance MatchingChip Impedance Matching

회로 시뮬레이터(Nexxim/AD)에 내장된 Smith tool을 이용하여

안테나 입력 임피던스와 칩의 입력 임피던스를 정합.

직렬 L

병렬 C


▶ Reader + Multiple Tag SimulationReader + Multiple Tag Simulation

Reader 와 여러 개의 Tag를 동시에 Simulation



▶ Reader + Multiple Tag SimulationReader + Multiple Tag Simulation

실제에서 측정이 어려운 Field 분포를 Simulation으로 확인


▶ TagTag에서의에서의 수신전력수신전력 SimulationSimulation

• 각기 다른 위치에 존재하는 Tag마다의 수신전력을 한꺼번에 계산함으로써,

Reader-Tag의 거리 문제 및 인접한 Tag간의 문제등을 종합적으로 고찰해볼 수 있다.

실제에선 개별 Tag 마다의 수신전력측정이 거의 불가능하지만,

Simulation으로는 간단하게 알아볼 수 있음.



▶ RFID System Simulation setupRFID System Simulation setup

.

.

.

Reader와 다중Tag 간의 3D simulation

TX Reader

P_tag1

P_tag2

P_tagn

수직편파

수평편파

magΦ

• 3차원으로 해석된 Reader+Multiple Tag simulation 결과에

Reader와 Tag의 실제 신호 입출력 모델링을 추가


▶ System Simulation SchematicSystem Simulation Schematic

Tags

0

SP

output

CCONST

SP

tag_in

AWGN

SP

tag_out

1234567

891011121314

ref

Input_PAD RChip

U2tag_2p2

868MHz RFID ASK test ( one arbitrary tag )

power splitter90?shift

ASK modulator 90% modulation,50 % duty cycle

NEXXIM subcircuitof transponder inputcircuit

ASK 변조 모델링

3D 해석결과전체를 입력



▶ Real Signal Simulation (Transient)Real Signal Simulation (Transient)

이렇게 Setup된 시스템상에 실제 ASK/PSK신호를 입력하여

BER과 같은 통신성능까지 check.



22. UFH RFID Tag Antenna & System Simulation. UFH RFID Tag Antenna & System Simulation



▶ UHF Tag AntennaUHF Tag Antenna

l, w, s, d, a, b 와 같은 변수를 직접 조절하여

칩과 안테나간의 임피던스 정합을 시도

초기값

안테나 입력 임피던스Za = 16 + j 350 Ω


▶

칩 임피던스Zc = 35 - j 155 Ω

Re(Zin_tag)

Im(Zin_tag)

Capacitive

Ω

2V

RectifierVoltage Regulator

Envelope Detector

Modulator

Target ImpedanceTarget Impedance



▶

inductive reactance

저항을 줄이기 위한 Loading Bar

목표 임피던스에 맞추기 위한 최적화

2.5D EM Simulation (AD)2.5D EM Simulation (AD)


▶

Za = 12.5 + j 148 Ωl = 77.7 mmb = 7 mms = 5 mm

칩 임피던스Zc = 35 - j 155 Ω

목표

Za = 34.3 + j 155 Ωl = 121 mmb = 2.85 mm

Before

Afterloading bar 삭제

선로 길이를 줄여서

Inductive 성분 감소

너무 낮음!

최적화최적화 결과결과

선로 형태 변경으로임피던스 정합 완료!



▶ Swept Frequency PerformanceSwept Frequency Performance

Imaginary Part of Impedance

Real Part of Input Impedance

UHF RFID 대역 전체에 걸쳐서 비교적 평탄한 정합이 만들어짐.


▶ FarFar--field Radiationfield Radiation

1.95 dB Gain

광대역 무지향성 패턴 완성



▶

NSAMP=sample_numSAMPLE_RATE=sample_ratPERIOD=sample_ea_per/sample_ratA=1VDUTY=0.63T1=0sT2=0s

NSAMP=sample_numSAMPLE_RATE=sample_ratPERIOD=sample_ea_per/sample_ratA=1VDUTY=0.79T1=0sT2=0s

VTHRESHOLD=0.5V

SP

PWM_out

PRBS

NB=sample_num/(sample_ea_per/2)BR=sample_rat/sample_ea_perT=1VF=0VV0=0VTS=1/sample_ratTR=0sTF=0sSEED=0

SAMPREP

NOR=NOR

SP

AM_out

RTOGGLE

NS=numRTcal*2*sample_ea_per

RCONST

CONSTANT=1VNSAMP=sample_numSAMPLE_RATE=sample_rat

SPreg_vdd

SPdemod_sig

SPclock

SPrst

SPagnd

antp

reg_vdddemod_signal

clockrst

env_

o

env_

of

rect

_oag

nd

tag_

in

tx_bb

U1tag_rfanalog_tps5

SPen

v_o

SPen

v_of

SPre

ct_o

SPtag_in

SPantp

AMMOD

FC=fcP=10dBmREF=Vpp_bb/mod_index - Vbb_max

0.63

0.79

0

0

00

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

antp

reg_vdddemod_signal

clockrst

env_o env_of rect_o

agnd

tag_in

tx_bb

agnd

antn

antp

clockdemod_signal

env_

o

env_

of

mod_in

rect

_o

reg_vdd

rst

I

1

2

3

ref

50

R19

4850

R19

49

1 2

34

ref

740.

1fF

C19

52

50nH

L1953

50

R195650

R195750

R196150

R196250

R196850

R196950

R197050

R197150

R197250

R197350

R1974

tran_opt

method=trapezoidal

s_elem_opt

mor=0convolution=0

enforce_passivity=1reltol=0.001

WavePort1:1

WavePort2:1

LumpPort1:1

LumpPort2:1LumpPort3:1

LumpPort4:1LumpPort5:1LumpPort6:1

LumpPort7:1LumpPort8:1LumpPort9:1


LumpPort12:1

Nexxim Subcircuit

System Simulation

Nexxim subcircuit netlist(spectre format)

HFSS Dynamic Link Component (Reader_antennaAir Tag antenna)

UpUp--link Simulation Setuplink Simulation Setup


▶

Tag 입력

복조신호 Regulated_vdd

UpUp--link Simulation link Simulation 결과결과

Clock generation

Reset



▶

SP

PWM_out

PRBS

NB=sample_num/(sample_ea_per/2)BR=sample_rat/sample_ea_perT=1.2VF=0VV0=0VTS=1/sample_ratTR=0sTF=0sSEED=0

SAMPREP

NOR=NOR

SP

AM_out

RTOGGLE

NS=numRTcal*2*sample_ea_per

RCONST


SPreg_vdd

SPdemod_sig

SPclock

SPrst

SPagnd

antp

reg_vdddemod_signal

clockrst

env_

o

env_

of

rect

_oag

nd

tag_

in

tx_bb

mod_in

bs

U1tag_rfanalog_tps2

SPen

v_o

SPen

v_of

SPre

ct_o

SPtag_in

SPantp

AMMOD

FC=fcP=20dBmREF=Vpp_bb/mod_index - Vbb_max

RCONST


SPbs_wave

SAMPREP

NOR=NOR

SPmod_dat

SPmix_out

in out

U9LPF

SPLPF_out

RSC

ALE

System Simulation

Nexxim Subcircuit

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

00

antp

reg_vdd

demod_signalclock

rst

env_o env_of rect_o

agnd

tag_in

tx_bb

mod_in

bs

agnd

antn

antp

clock

demod_signal

env_

o

env_

of

mod_in

rect

_o

reg_vdd

rst

I

1

2

3

ref

50

R19

48

1 2

34

ref

740

.1fF

C19

52

50nH

L1953

50

R195650

R195750

R196150

R196250

R196850

R196950

R197050

R197150

R197250

R197350

R1974

tran_opt

method=trapezoidal

s_elem_opt

mor=0convolution=0

enforce_passivity=1reltol=0.001

G2065

TRANS=100megMAX=50megMIN=0

V20

71

DC

=0.4

G2078

TRANS=100megMAX=50megMIN=0

V20

81

DC

=0.6

WavePort1:1

WavePort2:1

LumpPort1:1

LumpPort2:1

LumpPort3:1LumpPort4:1LumpPort5:1LumpPort6:1

LumpPort7:1


LumpPort10:1

LumpPort11:1

LumpPort12:1

Nexxim subcircuit netlist(in spectre format)

HFSS Dynamic Link Component (Reader_antennaAir Tag antenna)

DownDown--linklink Simulation Setup


▶

Regulated Vdd

Clock

변조신호

DownDown--link Simulation link Simulation 결과결과

Reader로 되돌아와 감지된 변조신호

변조신호




33.Smartcard RFID with Fractal Dipole Antenna.Smartcard RFID with Fractal Dipole Antenna

(UHF band)(UHF band)


▶ Dipole AntennaDipole Antenna의의 변형변형 #1#1

W = 1mm W = 21mm

W=1 mm

W=11 mm

W=21 mm

• Dipole의 폭은 주로대역폭의 변화에 약간 관여.

• 공진 주파수는 Dipole의 길이에의존하기 때문에 폭이 변해도변화가 거의 없음.



▶ Dipole AntennaDipole Antenna의의 변형변형 #2#2

W = 1mm W = 41mm

W=1mmW=21mmW=41mm

• Dipole 끝단의 폭은 주로공진주파수 자체와 관련됨

Bow-Tie Antenna

• Bow-Tie 특성상, 끝단이 넓을수록광대역 특성이 나타남.


▶ RFID RFID 통신거리통신거리 SimulationSimulation

Tag

dfres,Dipol=2.45GHz

Read

er/W

riter

d=50mm

d=150mm

d=75mm

d=120mm

Reader – Tag 안테나간의 거리를 조정하며

3D Radiation Pattern을 관찰.



▶ 통신거리통신거리 예측예측

• 안테나 반사계수 관찰 (S11)- 거리가 멀어지면서 공진이 나빠지다가

잠시 좋아진 후 큰 변화가 없어짐.

- 반사계수가 일정해지는 경우는,

이미 거리가 멀어서 통신과 무관하게

자체적인 전자파 방출만 있기 때문.

• 신호전달계수 관찰 (S21)-거리가 멀어지면서 당연히(?)

신호의 전달은 점점 더 어려워짐.

- 실질적인 통신거리의 계산은

전달계수(s21)에 기반하여 판단.


▶ Fractal Dipole Antenna for Smartcard RFIDFractal Dipole Antenna for Smartcard RFID

MathMathCalculationCalculation

n=3

Initiator Generator

n=1 n=2

n=3

HFSSANSOFTANSOFTHFSSHFSS

Dipole 안테나를 나름의

법칙으로 구겨 넣은 형상.



▶

스마트 카드 크기길이=86.5mm

폭=54mm두께=0.76mm

er=2.25 (Polyethylen)

L=80mm

Dipolfres=1.6GHz

L=80m

m

Ds=1.2 Ds=1.3

port

Fractal Dipole Antenna SimulationFractal Dipole Antenna Simulation

port

Fractal Parameter Ds를

가변해가면서 공진주파수와

대역폭을 관찰

Ds = 1.3

공진주파수 = 880MHz대역폭 = 32MHz

Ds = 1.2

공진주파수 = 730MHz대역폭 = 24MHz


▶ Hand EffectHand Effect

Hand Model

(인체의 유전율을 적용한 가상의 손 모델)

스마트 카드

h

h → ∞

h = 10mm

h = 1mm

• 스마트카드를 Reader에 접촉시, 대부분 손으로 잡고 대기 때문에

RFID 스마트 카드의 뒷면에 인체의 손재질을 모델링하여 적용

• 손과 카드와의 거리를 변수로 Parameter Simulation을 통해,

손과 카드간의 간격에 의한 안테나 특성의 변화를 예측.

실제로 시스템 동작시 요구되는 성능을 미리 예측함.



▶ Hand Effect : Hand Effect : 필드분포의필드분포의 변화변화

fres = 880 MHz

손과 스마트카드간의거리 = 1 mm

XY 평면 YZ 평면

• 손의 영향에 의한 3차원 필드분포의 변화를 관찰

실제로는 일일히 측정하기 힘든 부분이나 Simulation에서는 매우 간단한 일.


▶ Metal EffectMetal Effect

금속판

h=0mm

h=10mm

h=20mm

h=30mm

h=40mm

h=50mm

• 스마트 카드 뒷면에 금속판이 위치한 경우를 가정한 Simulation.

• 손의 경우와 마찬가지로 거리가 가까울수록 주파수 공진특성이 심하게 나빠지며,

손에 비해 공진특성의 악화가 훨씬 심하다.

• 어느정도 원리적으로 막기 힘든 현상이나, 이러한 최악의 경우를 가정한 상황의

결과를 Simulation으로 확인.




44. HFSS. HFSS와와 Q3DQ3D를를 이용한이용한

13.56MHz RFID 13.56MHz RFID 해석해석


▶

• L: 인덕턴스

• R: 직류저항

• C: 선로간의 캐패시턴스

• Q: Quality factor ＝ X／R

• fo: 자기공진주파수 ＝ 1/2π√LC C

LR

C

L

R

RFID RFID 등가회로모델등가회로모델



▶ HFSS & Q3DHFSS & Q3D

- 주파수 응답특성 해석용- 주파수 한계가 없음

-- RLC RLC 등가회로등가회로 추출용추출용- 주파수가 낮을수록 정확

• 둘다 비슷한 3D 전자기 해석 툴이지만, 각기 뽑아내는 파라미터와 용도가 약간 다르다.

• 해석 환경이나 방법론은 유사함.

• 같은 해석체라도 용도에 맞게 선택적으로 활용하면 효율성과 정확성을 높일 수 있음


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도체에 전류가 흐를때, 주파수가 높을 수록 도체의 표면에만 전류가 집중되어 흐르는 현상

각 주파수에 따른 도체표면의 전류밀도분포

1Hz

100MHz

1GHz

높음

낮음

전류밀도

r0μfσ22δμπ

=

f ： 신호주파수σ ： 도체의 도전율（S/m）μr ： 도체의 비투자율 (일반적으로 1)μ0 ： 공기의 비투자율 : 4π×10-7Web/Am

도전율：3.8×107 S/m인 알루미늄의13.56MHz 에서의 Skin Depth는 22μm 가 된다.

설계시설계시 고려해야고려해야 할할 것들것들 –– Skin EffectSkin Effect



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도체두께

Skin Depth

8MHz에 이르러 전류가 도체표면쪽으로흐르기 시작함을 알 수 있다. 13MHz 에서는 어느정도 Skin Effect가 발생하고있으므로, 정확한 L과 R의 계산을 위해서는이를 고려해야 한다. (본 예제에서 직류RL과 교류 RL을 비교할 것임)

설계시설계시 고려해야고려해야 할할 것들것들 –– Skin EffectSkin Effect


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• 형상：사각형 (57x85mm)

• 금속두께 (Skin Effect)：30um (알루미늄)

• 기판두께：40um (PET 38um + 앞뒤 접착제면 1um)

설계설계 모델모델[ HFSS / Q3D 공통사용 ]



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• 금속두께(Skin)：30um

• 기판두께：40um

• 참고측정오차：±0.4% (± 0.5pF)

→ ε＝ ±0.011

• 측정치：145.0±0.5pF

ε= 2.964

캐패시터 부분의패턴을 추출

±0.011

±0.5pF

실효유전율실효유전율 계산계산[ LCR미터 실측치와 Q3D의 최적화 기능을 이용하여 계산 ]


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• Net – Source / Sink (Q3D)- 전류 입력 / 출력- 도체 단면에 직접 전류를

흘리는 방식

•• Lumped Port Lumped Port (HFSS) (HFSS)

- 주파수응답 해석용

- 공진해석은 불필요

- 포트임피던스 : 50Ω

해석모델해석모델

• 추출하는 파라미터의 종류에 따라 이론적인 입력조건은 다름.

[ 포트 / 전류 입출력 조건 설정 ]



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• HFSS – 고유치해석

– fo = 13.76MHz Q = 88.3

• Q3D – 직류 해석

– fo = 13.65MHz Q = 54.5

– L=933.21nH、C=145.51pF、R=234mΩ

• Q3D – 교류 해석

– fo = 13.36MHz Q = 38.5

– L=974.60nH、C=145.51pF、R=338mΩ

주: 유전율은 모두 실효유전율 사용

해석결과해석결과

미묘하게 차이가 있지만, 거의 비슷한 해석결과를 보임.

[ 공진주파수와 Q값 ]


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사용된 컴퓨터： CPU Intel Mobile 1.5GHz、RAM 1GBOS ： Windows 2000

계산시간– 공진주파수 해석시간 (HFSS)

• Mesh 개수 = 약 23,000개• CPU Time = 34분• Memory = 330MB

– LCR 추출 해석시간 (Q3D)• Mesh 개수 = 2,617개(C추출)、2,837개(교류 LR추출)• CPU Time = 28초(C)、18초(ACLR)、• Memory = 34MB(C)、34MB(ACLR)

해석결과해석결과[ 계산시간 비교 ]

주파수가 낮은 구조에서, 공진주파수를 찾는 해석은Q3D와 같은 RLC 추출방법이 훨씬 효율적임



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Q

S11

Tag Tag 특성평가특성평가 (HFSS)(HFSS)[ 주파수 특성 – S파라미터, Q값 ]


▶ Tag Tag 특성평가특성평가 (HFSS)(HFSS)[ 10m Far field 전계 (dBuV/m) ]

Omni-directional 특성을 보임



▶ Tag Tag 특성평가특성평가 (HFSS)(HFSS)[ Near field 해석 ]


▶ Tag Tag 특성평가특성평가 (HFSS)(HFSS)[ Reader 회로 추가 ]

Reader 안테나

Tag



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S11 (루프안테나)

Tag ~ ReaderTag ~ Reader간의간의 전송특성전송특성 평가평가 (HFSS)(HFSS)[ Reader의 루프안테나 S 파라미터]


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S21/S12S11 (Reader)

S22 (Tag)

Tag ~ ReaderTag ~ Reader간의간의 전송특성전송특성 평가평가 (HFSS)(HFSS)



▶ Tag ~ ReaderTag ~ Reader간의간의 전송특성전송특성 평가평가 (HFSS)(HFSS)[ Near field 해석 ]

Reader와 Tag가Field적으로 강하게 결합하고 있다.


▶ Tag~ReaderTag~Reader간의간의 거리를거리를 변수로한변수로한 Parametric Parametric 해석해석

Tag와 Reader간의 거리가 변할 때,

전송특성이 어떻게 변하는지 관찰

TagTag--Reader Reader 간간 전송특성전송특성

Reader와 Tag가 실제 사용되어야 하는

거리상에 놓여있지 않으면, 공진 Peak가

크게 변화한다.



▶ 거리거리 변화에변화에 따른따른 전송특성전송특성 변화변화 튜닝튜닝

ReaderReader와와 TagTag간간 거리거리 변화에변화에따른따른 전송특성의전송특성의 변화변화

한번 해석모델이 구축되면,실시간으로 거리를 튜닝하면서 전송특성의변화를 관찰할 수 있다.


▶ 변조변조 신호의신호의 송수신송수신 특성특성 평가평가

Reader 변조회로 Tag 복조회로

• 시스템 시뮬레이터와 HFSS의 결합을 통해,

3차원 해석결과에 실제 파형을 입력한 후 그 결과를 관찰



▶ 해석결과해석결과

• ASK 변조신호가 Reader~Tag를경유한 후 전송된 복조신호를 관찰

• Tag~Reader간의 거리를 튜닝하면서수신신호의 품질변화를 관찰

Reader와 Tag의 형상/거리 조건에 따른RFID 시스템 전체의 송수신 성능을종합적으로 판단, 최적화


▶결론 – 13.56MHz RFID 해석

• RFID Tag의 전자계 해석을 위해서는, 실제 금속 단면 전체를 고려할 것이 아니라

주파수에 따른 Skin Effect를 고려한 금속단면 두께를 고려해야 한다.

• 전자기해석(Electromagnetic Simulation)을 통해 주파수응답특성 및 필드분포 변화와

구조체의 등가회로 모델을 얻을 수 있다.

• 형상에 따른 공진특성을 관찰하는 경우는 등가회로모델 Simulation 이 유리하다.

• Tag와 Reader간의 거리를 변수로 Parametric 해석을 함으로써, 거리변화에 따른 전송

특성의 변화를 관찰할 수 있다. 이는 실제로 측정하기가 매우 어려운 부분이므로,

Simulation을 통해 직관력을 키우고 최적화된 설계가 가능해진다.

• 3D 전자기해석과 회로/시스템 시뮬레이션의 결합을 통하여, 단순한 신호의 전송특성

뿐 아니라 실제 RFID ASK/PSK 변복조신호의 품질 변화와 송수신 성능을 종합적으로

관찰하고 최적화가 가능하다.


rfid ansoft 200704

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