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Modellierung, Simulation und Entwurf induktiv gekoppelter Transpondersysteme

Soffke, Kai Oliver :
Modellierung, Simulation und Entwurf induktiv gekoppelter Transpondersysteme.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellierung, Simulation und Entwurf induktiv gekoppelter Transpondersysteme
Language: German
Abstract:

Für die Simulation und den Entwurf von Transpondersystemen sind Modelle erforderlich, die direkt im Schaltungssimulator verwendet werden können. Zur Implementierung dieser Modelle bieten sich Beschreibungssprachen zur Modellierung analoger Systeme an, wohingegen vereinfachte Modelle eine erste Abschätzung des Systemverhaltens erlauben, ohne dass Simulationen durchgeführt werden müssen. Darüber hinaus stellt ein gutes Verständnis vom Verhalten der Antenne des Lesegerätes und dem prinzipiellen Einfluss ihrer Abmessungen eine Voraussetzung für den systematischen Entwurf solcher Systeme dar. Für induktiv gekoppelte Transpondersysteme kommen Schleifenantennen zum Einsatz, die durch die Serienschaltung zweier Widerstände und einer Spule modelliert werden können. Die Widerstände stellen zum einen die Verluste, die in der Antenne selbst entstehen, und zum anderen die abgestrahlte Leistung dar. Die Spule beschreibt die im Nahfeld gespeicherte Energie. Die Bestimmung der Induktivität und des Strahlungswiderstandes kann aus der von der Antenne erzeugten Feldverteilung erfolgen. Dabei wird zunächst nicht zwischen Nah- und Fernfeld unterschieden, sondern das tatsächlich erzeugte Feld bestimmt. Anhand dieser Ergebnisse lässt sich dann zeigen, dass der Ansprechbereich typischer Transponder in einem Gebiet um die Antenne liegt, in dem das erzeugte Feld durch eine Nahfeldnäherung ausreichend gut beschrieben ist. Die Induktivitätsbestimmung führt im Falle einer kreisförmigen Antenne zu elliptischen Integralen, die nicht geschlossen dargestellt werden können, so dass die Integrale numerisch gelöst werden müssen. Mit Hilfe der nichtlinearen Regression lassen sich schließlich mögliche Näherungformeln ableiten. Auch die Analyse des Strahlungswiderstandes führt zu einem Integral, das nicht geschlossen lösbar ist. Die Annahme, dass die Antenne elektrisch klein ist, liefert aber gleichzeitig eine Näherung für den Integranden, so dass eine geschlossene Darstellung des Strahlungswiderstandes möglich wird. Für die Verluste muss schließlich die Stromverteilung im Leiter bekannt sein. Aus der Stromverteilung ergibt sich das zugehörige Magnetfeld und aus beiden zusammen die Verlustleistung, welche proportional zum Hochfrequenzwiderstand des Leiters ist. Unter der Annahme der Anpassung der kreisförmigen Schleifenantenne an den Ausgangstreiber kann man eine optimale Antennengröße und ein Modell für die erreichbare Ansprechentfernung des Transponders ableiten. Es lässt sich darüber hinaus zeigen, dass bei einer vorgeschriebenen Beschränkung der Feldstärke, die in einer bestimmten Entfernung von der Lesegerätantenne herrscht, eine Erhöhung der Leistung bei gleichzeitiger Verringerung der Antennengröße keine Überschreitung der maximal erlaubten Feldstärke in der festgelegten Entfernung nach sich zieht und dennoch die Ansprechentfernung vergrößert wird. Allerdings gibt es für letztere eine theoretische Grenze. Aus dem gekoppelten System, bestehend aus Lesegerät und Transponder, kann die maximal übertragbare Leistung und die zugehörige optimale Schaltungskonfiguration ermittelt werden. Es zeigt sich, dass im Falle einer schwachen Kopplung diese beim Entwurf der Anpassnetzwerke vernachlässigt werden kann. Die Ergebnisse weichen dennoch nur minimal von der optimalen Lösung ab. Dies gilt zwar nur für eine schwache Kopplung, aber da diese für die Energieübertragung zum Transponder kritischer ist als eine starke Kopplung, ist es ausreichend, die Anpassung für diesen Fall zu optimieren. Die Modellierung des Gesamtsystems zur Integration in Schaltungssimulatoren erfolgt mit Hilfe der Hardwarebeschreibungssprache Verilog-A, die um Modelle auf der Basis ein- und auslaufender Wellen erweitert wird. Zu diesem Zweck kann eine weitere Disziplin hinzugefügt werden, welche die einlaufende Welle als Fluss und die Auslaufende als Potential darstellt. Ein entsprechendes Konvertermodul setzt den Strom und die Spannung an einem seiner beiden Tore auf die zugehörigen Wellengrößen am anderen Tor um. Zusätzlich wird ein Verbindungselement vorgestellt, welches sicherstellt, dass die auslaufenden Wellen eines Moduls die entsprechenden einlaufenden Wellen eines anderen angeschlossenen Moduls darstellen. Innerhalb dieses Rahmens können dann die eigentlichen Modelle direkt beschrieben werden. Die Ergebnisse werden auf ein praktisches Beispiel angewendet: Der Entwurf eines einfachen Transponders und die Simulation seines Verhaltens im Gesamtsystem, welches aus Lesegerät, gekoppelten Antennen und dem Transponder besteht. Der Entwurf des Transponders erfolgt dabei auf Transistorebene, wobei allerdings auch Dioden und passive Elemente zum Einsatz kommen. Die restlichen Komponenten des Systems liegen entweder als Verhaltensmodell oder in Form konkreter Schaltungen vor. Aufgrund der extrem geringen Fertigungskosten sind Massendruckverfahren zur Realisierung von Transpondern in gedruckter Elektronik sehr interessant. Beim Einsatz neuer Technologien zur Realisierung von Schaltungen und Systemen treten allerdings des öfteren Fragen zur Zuverlässigkeit auf. Aufbauend auf den Ideen von Neumanns werden die erreichbaren Zuverlässigkeiten beim Einsatz modularer Redundanz theoretisch untersucht und die Ergebnisse mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen verifiziert. Anschließend wird eine Methode zur statistischen Beschreibung von Gatternetzwerken vorgestellt, die sowohl Aspekte der statistischen Analyse des Zeitverhaltens sowie eine statistische Betrachtung der Spannungsverläufe über der Zeit umfasst.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Simulation and design of RFID systems require models that can be used directly in the circuit simulator. Languages for analog system modelling are well suited for the implementation of these models. In contrast, simplified models enable the estimation of the system behaviour on the first glance, without performing simulations. In addition, a good understanding of the behaviour of the interrogator antenna and the influence of its geometry is a prerequisite for the systematic design of such systems. For inductively coupled systems loop antennas are used which can be modelled by the series connection of two resistors and one inductor. The resistors represent the losses in the antenna and the radiated power. The energy which is stored in the near-field is represented by the inductor. Inductivity and radiation resistance can be determined from the fields generated by the antenna. As a start, the real field is calculated rather than distinguishing between near- and far-field. From this results it can be shown that the activation region of typical transponders lays in an area around the antenna where the fields are sufficiently described by the near-field approximation. The inductance calculation of a circular loop antenna yields elliptic integrals which cannot be solved analytically. Thus, numerical methods have to be applied. Approximation formulas can be derived by means of nonlinear regression. Analysis of the radiation resistance also leads to an integral which has no analytical solution. Nevertheless, the assumption of electrically small antennas implies an approximation for the integrand yielding a closed expression for the radiation resistance. Finally, in order to calculate the losses in the antenna, the current distribution within the conductor is required. From that distribution the magnetic field and finally the losses are found. The high frequency resistance is directly related to the losses. In case of a matched circular loop antenna the optimal antenna size and a model for the achievable reading range is derived. It can be shown that the reading range can be enhanced by increasing the interrogator power and simultaneously decreasing the antenna size without violating a mandatory limit for the magnetic field strength in a given distance. Nevertheless, there is a theoretical limit for the reading range in that particular case. The model of the coupled system consisting of the interrogator an the RFID tag is used to determine the maximum power available at the transponder. The corresponding optimal circuit configuration is given. In the case of weak coupling, the matching networks can be designed without taking the coupling coefficient into account. However, the results are close to the optimal solution. This is true for weak coupling only, but as this case is more critical for energy transfer than the case of strong coupling, it is sufficient to optimise the matching networks for that particular case. Modelling and integration of the overall system is performed by means of Verilog-A. In addition, a methodology to integrate models based on wave quantities into Verilog-A is presented. This is done by adding a new discipline mapping the incident wave to the flow and the reflected wave to the potential of the branches of the model network. A special converter is used to switch between voltage/current and wave domain. Furthermore, a connection module is presented which ensures that the reflected wave of a port represents the incident wave of another port connected to the first one. Within that framework the models can directly be implemented. The results are applied to a practical example: The design of a simple RFID tag and the simulation of this tag in a complete system model consisting of the interrogator, the coupled antennas and the tag itself. The tag is designed at transistor level. Nevertheless, also diodes and passive components are used. The remaining system is implemented either as behavioural model or in form of concrete circuits. Due to the ultra low costs printing technologies are very interesting for the manufacturing of RFID tags. However, the application of new technologies frequently raises the question of reliability. Based on the ideas of von Neumann, the circuit reliability which can be achieved by modular redundancy is theoretically investigated and the results are verified by Monte-Carlo simulations. Afterwards, a method for the statistical modelling of gate networks is presented. The method covers both statistical timing and noise.English
Uncontrolled Keywords: Systemoptimierung, Modellierungssprachen, Verilog-A
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Systemoptimierung, Modellierungssprachen, Verilog-AGerman
Inductive Coupling, Near-Field CouplingEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000882
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8825
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Glesner, Prof. Dr. Manfred and Jakoby, Prof. Dr.- Rolf
Advisors: Glesner, Prof. Dr. Manfred
Refereed: 1 October 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/882
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