АНТИКОЛЛИЗИОННАЯ РАДИОЧАСТОТНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ МЕТКА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

АНТИКОЛЛИЗИОННАЯ РАДИОЧАСТОТНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ МЕТКА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к пьезоэлектрическим устройствам, и может быть использована в радиочастотных идентификационных метках (РИМ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для осуществления автоматического контроля передвижения одновременно многих объектов через зону радиочастотного контроля.
Системы радиочастотной идентификации с РИМ на ПАВ в последнее время получили широкое распространение благодаря своим многочисленным преимуществам перед РИМ на интегральных схемах, а именно устойчивостью к внешним воздействиям в виде интенсивных потоков ионизирующих излучений, мощных электромагнитных полей, невозможностью подделки или стирания кода, работоспособностью при высоких температурах (до 800К) при большой информационной емкости, высокой скорости чтения и больших расстояниях идентификации – до десятков метров для пассивных устройств.
Конструкция РИМ на ПАВ состоит из пьезоэлектрической подложки, встречно-штыревого преобразователя (ВШП), системы отражателей и антенны. Электромагнитный импульс запроса, принятый антенной метки, с помощью ВШП преобразуется в импульс ПАВ, который распространяется по пьезоэлектрической подложке до системы отражателей, находящихся на различном расстоянии от ВШП. Отраженные импульсы ПАВ возвращаются на ВШП в различные моменты времени. ВШП преобразует акустические импульсы в электромагнитные, которые излучаются антенной метки. Описанная конструкция является наиболее распространенной для используемых в настоящее время меток на ПАВ (S. Harma and V. P. Plessky. Surface Acoustic Wave RFID Tags. Development and Implementation of RFID Technology. I-Tech Education and Publishing. 2009, V. P. Plessky, L. M. Reindl. Review on SAW RFID Tags. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 57, pp. 654–668, 2010; С. Багдасарян, Ю. Гуляев. Технологии ПАВ в радиочастотной идентификации//Chip news – 2005 - №3 (96)).
Метки данной конструкции работают на частотах от 800 МГц до 2450 МГц. Достоинствами таких меток, как уже отмечалось, является возможность их использования в широком интервале температур (от -100 ºC до 500 ºC), а также практически неограниченный срок службы.
Однако такие метки не могут применяться, когда в зоне облучения устройства считывания кодов (ридера) находится одновременно несколько меток. При ответе на импульс запроса ридера каждая метка излучает свою пачку кодовых импульсов и на входе приемника ридера образуется смесь кодовых импульсов, из которой выделить коды отдельных меток невозможно. Такое явление называют коллизией кодов.
В антиколлизионных РИМ на ПАВ в настоящее время существует два способа устранения коллизии кодов – корреляционный способ (см. патент РФ на ИЗ № 2486665, МПК Н03Н9/145, G06К7/01, опубликован 27.06.2013 г.), и способ дискретно-временного кодирования (см. патент РФ на ИЗ № 2344437, МПК G01S13/00, опубликован 20.01.2009 г.).
Корреляционный способ состоит в использовании в качестве сигнала запроса не одного импульса, а кодовой пачки импульсов. Тогда метка, код которой совпадает с кодовой пачкой запроса, отвечает максимальным по амплитуде автокорреляционным сигналом, а если не совпадает, то отвечает кросскорреляционным сигналом значительно меньшей амплитуды. Количество одновременно распознаваемых меток определяется превышением автокорреляционного сигнала над кросскорреляционным и не превышает 40 меток (Brown, P.Asset Tracking on the International Space Station Using Global SAW Tag RFID Technology [Текст] / P. Brown, P. Hartmann, A. Schellhase, A. Powers, T. Brown, C. Hartmann, D. Gaines // inProc. IEEE International Ultrasonics Symposium – 2007. – P. 72-75) при их близком расположении, но значительно сокращается при их удалении друг от друга на расстояния, превышающие 1-3 длин электромагнитной волны вследствие нарушения временного условия соответствия минимума кросскорреляционных сигналов моменту генерации автокорреляционного сигнала (Сучков, С.Г. К вопросу об антиколлизионной защите пространственно удаленных радиочастотных идентификационных меток на поверхностных акустических волнах [Текст] / С.Г. Сучков, С.А. Никитов, С.С.Янкин, В.А. Николаевцев, С.В. Комков, А.А. Пиловец, Д.С. Сучков, Ю.А. Шатрова // Радиотехника и электроника — 2016. Т. 61, № 8. –С. 806-810).
0
100
Способ дискретно-временного кодирования заключается в определении кода по времени задержки единственного ответного импульса РИМ. Для этого устанавливается, например, 100 временных интервалов, начиная от t=1 мкс с момента излучения радиоимпульса опроса (РИО) и кончая t=1+100× Δt , где Δt - временная кодовая позиция. Каждой временной кодовой позиции соответствует пространственная кодовая позиция на поверхности кристаллической подложки, по которой распространяется ПАВ. Кодовый отражатель ПАВ размещается в середине пространственной кодовой позиции. В такой конструкции возможно одновременное распознавание 100 РИМ, расположенных друг от друга на расстоянии не более 2-3 длин электромагнитной волны.
с
s
s
С
n
Наиболее близким к заявляемойполезной модели являетсяметка на ПАВ, представляющая собой линию задержки (ЛЗ) с приемо-передающим встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и только с одним отражающим ВШП. В разных ЛЗ идентифицируемой группы меток отражатели расположены на расстояниях от соответствующих приемо-передающих ВШП, отличающихся друг от друга на одну и ту же величину (длину кодовой позиции) L =Vτ, где V – скорость ПАВ, τ – длительность радиоимпульса опроса (см. патент РФ на ИЗ № 2344437, МПК G01S13/00, опубликован 20.01.2009 г.). В этой конструкции реализован способ дискретно-временного кодирования, описанный выше. Временная кодовая позиция имеет длительность, равную двум длительностям импульса опроса, то есть Δt=2τ, а пространственная кодовая позиция имеет длину L. Код, который вырабатывает метка, имеет номер n, соответствующий n-ой кодовой позиции, и определяется ридером по времени задержки ответного радиоимпульса, которое складывается из времени распространения электромагнитного сигнала от ридера до метки и обратно, и времени задержки в самой ЛЗ, определяемому расстоянием от ВШП до n-ого отражателя L. Обычно длительность РИО в разрешенных диапазонах частот 860-960 МГц и 2400-2483 МГц составляет около 40 нс и около 20 нс соответственно. Если метки находятся друг от друга на расстоянии, например, 3 м, то задержка по электромагнитному каналу составляет 20 нс, что сравнимо с величиной временной кодовой позиции. Это приводит к ошибке в определении кода.
Недостатком данного прототипа является то, что предложенную конструкцию меток можно использовать только для близко расположенных (не далее 1 м) меток и, соответственно, помечаемых ими объектов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении размера области расположения меток (идентифицируемых объектов) ΔR, в которой ошибки в определении кодов исключаются.
n
n
S
0
S
0
Указанный технический результат достигается тем, что антиколлизионная радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах, предназначенная для размещения в пределах допустимого интервала расстояний ΔR от антенны ридера в группе из k аналогичных идентифицируемых меток из набора N меток, включает приемо-передающий встречно-штыревой преобразователь и отражатель, расположенные на подложке, согласно решению расстояние L между приемо-передающим встречно-штыревым преобразователем и отражателем кода выбрано из условия: L = V/2 (t+n(τ+2ΔR/c)), где V – скорость поверхностных акустических волн, t – начальная задержка кодового импульса, τ – длительность радиоимпульса опроса ридера, с – скорость света, n∈ [1; N] – номер метки в наборе.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена область расположения идентифицируемых объектов. На фиг. 2 приведены радиочастотные идентификационные метки с дискретно-временным кодированием с расширенной временной кодовой позицией для трех ближайших кодовых позиций. На фиг. 3 – расширенная временная кодовая позиция.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – ридер;
2 – группа идентифицируемых меток;
3 – подложка;
4 –приемо-передающий ВШП ПАВ;
5 – отражатель ПАВ.
Описание устройства
P
1
1
P
Антиколлизионная радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах, предназначена для размещения в пределах допустимого интервала расстояний от ридера 1 ΔR = R - R, где R– минимальное расстояние, R–максимальное расстояние, в качестве одной из группы, содержащей k аналогичных идентифицируемых меток 2 (Фиг. 1). Группу из k меток выбирают произвольным образом из набора N меток, в котором максимальное количество меток N ограничено потерями сигнала в метке, зависящими от частотного диапазона меток (k и N – любое целое положительное число, k не больше N). При этом вся группа из k меток идентифицируется одновременно. На Фиг. 2 изображена ЛЗ, состоящая из подложки 3, которая может быть выполнена из пьезоэлектрического кристалла, например, ниобата лития, с нанесенными на ее поверхность металлизированными структурами ВШП 4, и отражателя ПАВ 5, который может состоять из системы металлических полосок или канавок на поверхности подложки.
d
0
С
n
n
n
n
n
На Фиг.3 изображена временная диаграмма, на которой указаны время начала временной кодовой зоны T=t(минимальное время задержки в ЛЗ, обычно 1 мкс), время последней кодовой позиции временной кодовой зоны Т, возможные предельные положения ответного кодового радиоимпульса (пунктир) и некоторое среднее его положение, соответствующее расстоянию от ридера R (сплошная заливка), в расширенной n-ой временной кодовой позиции, середина которой T=(t+t+1)/2, где t – момент начала n-го временного интервала (временной кодовой позиции).
В конструкции заявляемой полезной модели используется расширенная кодовая позиция , определяемая из условия:
(У)
S
V – скорость ПАВ, ΔR – допустимый интервал расстояний от ридера, с – скорость света, τ – длительность радиоимпульса опроса.
n
Расстояние L между приемо-передающим ВШП и отражателем кода в метке с номером n, учитывая условие расширенной кодовой позиции (У), определяется соотношением:
n
S
0
L = V/2 (t+n(τ+2ΔR/c)),
0
где t – начальная задержка кодового импульса.
Принцип работы
Радиочастотный импульс опроса, формируемый ридером 1, излучается антенной ридера на область расположения D группы k идентифицируемых меток 2. Все РИМ принимают РИО и отвечают каждая своим импульсом, время задержки которого не выходит за пределы своей кодовой позиции, если выполняется условие (У). При этом ридером одновременно определяются коды всех k меток, расположенных в области D, по наличию ответных импульсов в пределах расширенных временных кодовых позиций.
Пример конкретного выполнения
1
2
100
Так для метки на подложке из ниобата лития среза Y+128°, работающей в диапазоне частот 860-960 МГц, имеющей номер кода n=1, расстояние между ВШП и отражателем составляет L=2 мм, для метки с номером кода n=2 – L=2.08 мм, для метки с номером кода n=100 – L=10 мм и т.д. до номера N. Максимальное значение N для заданного диапазона частот составляет 1000 штук. Такие метки работают при максимальном размере области расположения объектов ΔR=5 метров и допускают одновременное определение кодов любых групп k меток, в том числе и при k=N.
Для диапазона частот 2400-2483 МГц значение N составляет 200 штук.
Для диапазона частот 5650-6425 МГц значение N составляет 50 штук.