СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ
OBJECT IDENTIFICATION SYSTEM

Изобретение относится к телеметрическим системам идентификации материальных объектов с использованием электромагнитных волн сверхвысокочастотного радиодиапазона. Преимущественная область применения - идентификация важных документов, оружия или материальных ценностей, хранящихся в металлических шкафах или сейфах и требующих надежного и оперативного мониторинга.
Известна система идентификации объектов (патент США №4739328, Кл. G01S 13/78, 1988), в состав которой входят: считывающее устройство и пассивная радиометка. Считывающее устройство содержит генератор немодулированных колебаний, приемопередающую антенну, линию передачи, два направленных ответвителя, два смесителя, фазосдвигатель на 90° по высокой частоте, два усилителя низкой частоты (НЧ), демодулятор и пассивную радиометку. Пассивная радиометка содержит последовательно включенные приемопередающую антенну, модулятор и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ПЗУ выдает идентифицирующую последовательность «единиц» и «нулей» в двоичном коде, индивидуальном для каждого объекта. Этим кодом модулируются отражения от антенны радиометки.
Направленные ответвители включены в линию передачи навстречу друг другу, а их выходы, со сдвигом фазы между ними на 90°, подключены к входам смесителей. Выходы смесителей через усилители НЧ подключены к демодулятору.
Считывающее устройство немодулированным ВЧ излучением запрашивает пассивную радиометку.
У считывающего устройства этой системы зона считывания радиометок определяется шириной главного лепестка диаграммы направленности приемопередающей антенны и эффективной выходной мощностью сигнала считывающего устройства. Наличие в зоне считывания металлических стенок вызывает интерференцию прямого ВЧ сигнала считывающего устройства с сигналами, отраженными этими стенками, что приводит к возникновению стоячих волн с максимумами и минимумами амплитуды напряженности электромагнитного поля (ЭМП). Радиометки, находящиеся в минимумах амплитуды напряженности ЭМП, не могут быть считаны, а следовательно, и идентифицированы. В результате не представляется возможной идентификация полного множества радиометок, находящихся в металлическом шкафу, что и является недостатком такого способа и устройства.
Признаками заявляемого изобретения, совпадающими с признаками аналога, являются: генератор немодулированных колебаний, два направленных ответвителя, фазосдвигатель на 90° по высокой частоте, два смесителя, два усилителя низкой частоты и пассивная радиометка.
Известен способ считывания информации на расстоянии с кодового датчика (РФ, патент №2068183, Кл. G01S 13/00, 1993). Устройство, работающее по этому способу, которое принято за прототип изобретения, содержит: СВЧ генератор, направленный ответвитель, модулятор, СВЧ усилитель мощности, циркулятор, смеситель, приемопередающую антенну считывающего устройства, фильтр низких частот, ответвитель, декодер, блок управления генератором импульсов, генератор импульсов и кодовый датчик - радиометку с приемопередающей антенной.
В этой системе считывание радиометок осуществляется в поле электромагнитных волн, которые излучаются приемопередающей антенной считывающего устройства в направлении радиометок.
Если идентифицируемые предметы с радиометками находится внутри металлического шкафа, размеры которого по одной из координат превышают длину волны радиосигнала, то шкаф является многомодовым резонатором [Я.Д.Ширман. Радиоволноводы и объемные резонаторы. - М.: Связьиздат, 1959, стр.227]. При этом из-за слабого спадания амплитуды напряженности поля излучаемой электромагнитной волны (ЭМВ) по закону 1/R, где R - расстояние от приемопередающей антенны до стенки [Г.Т.Марков, Д.М.Сазонов. Антенны. - М.: Энергия, 1975, стр.21], на стенках металлического шкафа возбуждаются высокочастотные (ВЧ) токи, возбуждающие внутри шкафа вторичное ЭМП с амплитудой напряженности, соизмеримой с амплитудой напряженности первичного поля ЭМВ, которое излучается антенной. В результате интерференции первичного и вторичного ЭМП возникают стоячие волны с максимумами и минимумами амплитуды напряженности электромагнитного поля. Среди множества предметов с радиометками в шкафу могут оказаться такие, местоположение которых находится в минимумах амплитуды напряженности ЭМП, где амплитуда напряженности поля недостаточна для считывания пассивных радиометок. В результате считывание радиометок, которые находятся в минимумах, оказывается невозможным, и, поэтому, не обеспечивается считывание полного множества радиометок идентифицируемых предметов. Это является недостатком прототипа изобретения.
Признаками заявляемого изобретения, совпадающими с признаками прототипа (фиг.1), являются: ВЧ генератор (1), ВЧ усилитель (4), делитель ВЧ сигнала (2), циркулятор (5), смеситель (8), фильтр низких частот (10), радиометка (13) с приемопередающей антенной (22). Кроме того, выход генератора (1) соединен с входом делителя (2), а выход ВЧ усилителя (4) соединен с входом циркулятора (5).
Техническим результатом изобретения является надежное считывание считывателем системы идентификации объектов полного множества радиометок идентифицируемых предметов, находящихся в рабочем объеме металлического шкафа. Технический результат достигается благодаря формирователю локальной бегущей поверхностной волны в рабочем объеме металлического шкафа, а раздельное считывание множества радиометок обеспечивается за счет случайной задержки повторяющихся ответных кодовых сигналов каждой радиометки (Фиг.5).
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 представлена структурная схема телеметрического считывателя заявляемой системы идентификации объектов (СИО).
На Фиг.2 представлена конструкция формирователя локальной бегущей поверхностной электромагнитной волны (ФПВ).
На Фиг.3 представлена конструкция металлического шкафа и расположение в нем ФПВ.
На Фиг.4 представлена структурная схема радиометки.
На Фиг.5 представлены эпюры огибающих кодовых сигналов трех радиометок при коллизиях (черные прямоугольники) и без них (белые прямоугольники - метка 1, штрихованные - метка 2 и серые - метка 3).
На фигурах введены обозначения: 1 - генератор (Г); 2 - делитель ВЧ сигнала (Д); 3 - делитель ВЧ сигнала с фазовым сдвигом 90° ВЧ сигналов на его выходах (ДФ); 4 - усилитель ВЧ сигналов (УВЧ); 5 - циркулятор (Ц); 6 - формирователь локальной поверхностной ЭМВ (ФПВ); 7 - согласованная нагрузка (СН); 8 - смеситель (См); 9 - усилитель низкой частоты (УНЧ); 10 - фильтр низких частот (ФНЧ); 11 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 12 - цифровой сигнальный процессор (ЦСП); 13 - радиометка (М); 14 - ВЧ разъем, 15 - металлический стержень; 16 - стойка; 17 - металлический экран; 18 - отрезок линии поверхностной волны; 19 - металлический шкаф; 20 - рабочий объем шкафа 19; 21 - рабочая поверхность ФПВ 6; 22 - антенна радиометки; 23 - микросхема радиометки; 24 - модулятор (Мд) импеданса; 25 - выпрямитель (В) ВЧ сигнала; 26 - электронная схема (С) микросхемы 23.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что система идентификации объектов (СИО) содержит: телеметрический считыватель кодов радиометок (Фиг.1) и металлический шкаф (Фиг.3).
Металлический шкаф 19 предназначен для размещения в нем ФПВ 6 и хранения идентифицируемых предметов с радиометками 13 (Фиг.3). Шкаф 19 имеет габариты:
- длину b, которая должна быть больше λ, где λ - рабочая длина волны считывателя СИО;
- поперечный размер а, который должен быть больше ¼λ;
- высоту с, которая должна быть больше ¼λ.
Рабочий объем 20 локальной поверхностной ЭМВ (обозначен пунктирными линиями на Фиг.3) шкафа 19 имеет габариты:
- длину е;
- поперечный размер d;
- высоту f.
Должны строго соблюдаться неравенства габаритов шкафа и его рабочего объема: b>e; a>d; c>f.
З
Размер f и расстояния от краев ФПВ до стен шкафа определяются экспоненциальным законом уменьшения амплитуды напряженности поля поверхностной ЭМВ в направлении стен шкафа. Амплитуда напряженности поля поверхностной волны на внутренних стенках камеры 19 должна уменьшаться не менее чем в 10 раз, что соответствует приблизительному равенству , где к - коэффициент замедления поверхностной ЭМВ, равный отношению скорости света к фазовой скорости поверхностной волны.
Телеметрический считыватель СИО (Фиг.1) содержит: генератор (Г) 1, первый и второй делители ВЧ сигнала (Д) 2, делитель ВЧ сигнала с фазовым сдвигом (ДФ) 3, усилитель высокой частоты (УВЧ) 4, циркулятор (Ц) 5; формирователь локально поверхностной ЭМВ (ФПВ) 6, согласованную нагрузку (СН) 7, первый и второй смесители (См) 8, первый и второй усилители низкой частоты (УНЧ) 9, первый и второй фильтры низких частот (ФНЧ) 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, цифровой сигнальный процессор (ЦСП) 12 и радиометки (М) 13, входной и выходной ВЧ разъемы 14; металлические стержни 15; крепежные стойки 16; металлический экран 17; отрезок линии поверхностной волны 18, антенны 22 радиометок 13; микросхемы 23 радиометок 13, в которые входят модуляторы (Мд) 24 импеданса, выпрямители (В) 25 ВЧ тока и электронные схемы (С) 26.
Генератор (Г) 1 ВЧ сигналов имеет выход немодулированного ВЧ сигнала частотой 860-960 МГц и мощностью не менее 10 мВт. Генератор Г 1 может быть выполнен, например, на микросхеме HMC821LP6C (Hittite).
Делитель ВЧ сигнала (Д) 2 предназначен для деления мощности входного ВЧ сигнала на два и может быть выполнен, например, на микросхеме ВР2С (Mini-Circuits), имеет вход и два выхода ВЧ сигнала.
Делитель (ДФ) 3 предназначен для деления входного ВЧ сигнала на два с фазовым сдвигом между ними на 90° на его выходах и может быть выполнен, например, на микросхеме QCN-12 (Mini-Circuits). ДФ 3 имеет вход, первый и второй выходы сдвинутых по фазе ВЧ сигналов.
Усилитель ВЧ сигнала (УВЧ) 4 может быть выполнен, например, на микросхеме HMC453ST89 (Hittite); он работает в полосе частот от 860 МГц до 960 МГц, имеет усиление не менее 20 дБ, имеет вход и выход ВЧ сигнала.
Циркулятор (Ц) 5 обеспечивает подачу немодулированного ВЧ сигнала на вход-выход формирователя поверхностной волны (ФПВ) 6, а также передачу отраженного антенной 22 радиометки ВЧ сигнала, промодулированного кодом метки, на вход второго делителя Д 2. В качестве циркулятора может быть использовано, например, устройство MAFRIN0494 (М/А-СОМ Technology Solutions). Ц 5 имеет вход немодулированного ВЧ сигнала, выход-вход ВЧ сигнала и выход ВЧ сигнала, отраженного антенной 22 радиометки М 13.
Формирователь поверхностной ЭМВ (ФПВ) 6 (Фиг.2) предназначен для создания в металлическом шкафу 19 локального поля бегущей поверхностной ЭМВ, необходимой для считывания радиометок М 13. Выполнен ФПВ в виде отрезка линии поверхностной волны. Длина отрезка этой линии должна быть меньше длины шкафа b, ширина - меньше его поперечного размера а. Толщина ФПВ определяется заданным волновым сопротивлением линии и она существенно меньше (в 10 и более раз) размера f рабочего объема камеры 19.
Отрезок линии поверхностной волны может быть выполнен в виде металлической гребенчатой или слоистой металлодиэлектрической структуры (Фиг.2) по технологии изготовления печатных плат. ФПВ 6 имеет вход-выход ВЧ сигнала и выход ВЧ сигнала.
Согласованная нагрузка (СН) 7 с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению отрезка линии поверхностной волны 18, например, 75 Ом, предназначена для обеспечения в ФПВ 6 режима бегущих волн и может быть выполнена, например, из феррита. СН 7 имеет вход ВЧ сигнала, ее КСВН в диапазоне частот ВЧ сигнала должен быть не более 1,04.
Смеситель (См) 8 может быть выполнен, например, на микросхеме ADEX-10 (Mini-Circuits), имеет вход гетеродинного ВЧ сигнала, сигнальный вход и выход сигнала низкой - промежуточной частоты.
Усилитель низкой частоты (УНЧ) 9 может быть выполнен, например, на микросхеме операционного усилителя AD8606ARM (Analog Devices) с коэффициентом усиления не менее 20 дБ, имеет вход и выход НЧ сигнала.
Фильтр низких частот (ФНЧ) 10 с полосой пропускания до 1000 кГц, например, может быть выполнен в виде Г-образного или П-образного фильтра из набора резисторов, конденсаторов и индуктивностей.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11 может быть выполнен на микросхеме AD9201ARS (Analog Devices), имеет два входа ортогональных низкочастотных сигналов и один выход цифрового сигнала с 2-х канальным мультиплексированием (последовательным переключением во времени) шины выходных цифровых данных.
Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) 12 является цифровым вычислительным устройством, которое производит квадратурную обработку ортогональных сигналов, обеспечивающую независимость амплитуды демодулированного НЧ сигнала от фазы отраженного радиометкой ВЧ сигнала, а также селектирует временное несовпадение, т.е. отсутствие коллизии, сигналов радиометок (Фиг.5) и передает пользователю системы идентификации (СИО) коды каждой отселектированной радиометки М 13 из всего полного множества радиометок, которые находятся в рабочем объеме 20 шкафа 19.
ЦСП 12 может быть выполнен на микросхеме ADSP BF56115 ВВ600 (Analog Devices); он имеет один вход, предназначенный для ввода цифровых данных АЦП 11, и один выход для вывода информации СИО.
Система идентификации объектов содержит N пассивных радиометок М 13, где N число не менее двух. Радиометка 13 (Фиг.4) предназначена для хранения в энергонезависимой памяти ее идентификационного кода и воспроизведение его. Каждая радиометка 13 содержит: антенну 22, модулятор импеданса 24, выпрямитель 25 ВЧ тока и электронную схему 26 с генератором случайных сигналов, обеспечивающих случайный период повторения считываемого кода радиометки. Антенна 22, модулятор 24 и выпрямитель 25 соединены параллельно. Выход выпрямителя 25 соединен с входом электронной схемы 26, а ее управляющий выход соединен с управляющим входом модулятора 24. Все N радиометок М 13 своими антеннами 22 связаны с формирователем ФПВ 6 посредством поверхностной ЭМВ.
В качестве входного и выходного ВЧ разъемов 14 может быть применен разъем типа SMA-BJ1.
Стержни металлические 15 предназначены для электрического соединения центральных проводников ВЧ разъемов 14 с входом и выходом отрезка линии поверхностной волны 18. Они могут быть выполнены, например, из латуни или меди диаметром не менее 0,8 мм.
Стойки 16 предназначены для крепления печатной платы на заданном расстоянии над металлическим экраном 17. Выполнена стойка 16 в виде стержня из диэлектрика с малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла потерь меньше 0,01), например, из полистирола.
Металлический экран 17 может быть выполнен, например, из латунного или медного листа.
Отрезок линии 18 поверхностной волны выполняют в виде печатной схемы на плате - диэлектрической подложке из материала с малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла потерь меньше 0,001).
Антенна 22 радиометки М 13 может быть выполнена в виде симметричного полуволнового вибратора.
Микросхема 23 радиометки М 13 (Фиг.4) состоит из модулятора импеданса (Мд) 24, выпрямителя (В) 25 ВЧ тока и электронной схемы (С) 26, генерирующей со случайным периодом повторения код радиометки. Микросхема 23 содержит все упомянутые электронные компоненты радиометки, необходимые для ее функционирования. Может быть использована, например, микросхема ЕМ4123 (ЕМ Microelectronic-Marin SA).
Модулятор (Мд) 24 импеданса микросхемы 23 представляет собой переменный резистор, сопротивление которого изменяется в такт с величиной управляющего кодового сигнала электронной схемы С 26. Мд 24 подключен параллельно входу микросхемы 23, поэтому изменение его сопротивления приводит к изменению импеданса микросхемы и, следовательно, к изменению коэффициента отражения ЭМВ от антенны 22 в такт с напряжением кодового идентификационного сигнала радиометки М 13. Мд 24 имеет вход управляющего сигнала с выхода электронной схемы С 26. В качестве Мд 24 может использоваться полевой транзистор с изолированным затвором.
Выпрямитель (В) 25 ВЧ сигнала предназначен для питания электронной схемы С 26 и имеет вход ВЧ сигнала и выход сигнала постоянного тока. Он может быть выполнен, например, на основе полупроводниковых диодов с барьером Шоттки.
В состав электронной схемы (С) 26 радиометки М 13 входит генератор сигналов считывания кода радиометки со случайным периодом повторения, с помощью которого реализуется антиколлизионный протокол, т.е. разрешаются коллизии - наложение сигналов разных радиометок. Согласно методу ALOHA [К. Финкенцеллер. RFID-технологии. Справочное пособие / пер. с нем. - М.: Додэка-XXI, 2010, стр.238], случайная задержка повторяющихся сообщений - ответных сигналов каждой радиометки, обеспечивает правильное считывание ее кодовых идентификационных сигналов (Фиг.5). Электронная схема С 26 может быть выполнена на основе микроконтроллера и энергонезависимой памяти.
Электронная схема С 26, модулятор Мд 24 импеданса и выпрямитель В 25 ВЧ сигнала реализуются в составе микросхемы 23, например, типа ЕМ4123 (ЕМ Microelectronic-Marin SA).
Технический результат изобретения обеспечивается за счет того, что внутри металлического шкафа, в его рабочем объеме, где размещены идентифицируемые предметы с радиометками 13, формируют локальную бегущую поверхностную ЭМВ, а раздельное считывание радиометок 13 обеспечивается за счет случайной задержки повторяющихся ответных сигналов каждой радиометки, что обеспечивается принципиальной схемой и алгоритмом работы ЦСП 12 (Фиг.1).
При соответствующем выборе соотношения размеров шкафа, его рабочего объема, коэффициента замедления и амплитуды напряженности поля поверхностной ЭМВ у стенок шкафа добиваются отсутствия стоячих волн в рабочем объеме шкафа, что создает возможность считывания всех радиометок 13 в этом объеме. Раздельное считывание радиометок обеспечивается за счет случайной задержки повторяющихся ответных сигналов каждой радиометки (Фиг.5).
Электрические связи
Выход Г 1 соединен с входом первого Д 2, один выход которого соединен с входом УВЧ 4, а второй выход соединен с входом ДФ 3.
Выход УВЧ 4 соединен с входом Ц 5, выход-вход которого соединен с входом-выходом формирователя поверхностной ЭМВ ФПВ 6, а выход - с входом второго Д 2. Выход формирователя ФПВ 6 соединен с входом СН 7.
Один выход ДФ 3 соединен с гетеродинным входом первого смесителя См 8, а второй - с гетеродинным входом второго смесителя См 8.
Один выход второго делителя Д 2 соединен с сигнальным входом первого смесителя См 8, а второй - сигнальным входом второго смесителя См 8. Выходы первого и второго См 8, через последовательно соединенные УНЧ 9 и ФНЧ 10, соединены с квадратурными входами I и Q АЦП 11. Выход АЦП 11 соединен с входом ЦСП 12, выход которого является выходом СИО.
Антенны 22 радиометок 13 связаны с формирователем ФПВ 6 локальной поверхностной волной.
Устройство функционирует следующим способом.
3
Формирователь поверхностной ЭМВ ФПВ 6 его экраном размещают на стенке шкафа 19 большей длины (Фиг.), так чтобы расстояния от краев ФПВ 6 до соседних стенок шкафа были больше 0,1λ, а от рабочей поверхности 21 формирователя ФПВ 6 до противоположной ей стенки шкафа - не менее , где к - коэффициент замедления поверхностной ЭМВ, равный отношению скорости света к фазовой скорости этой поверхностной волны. При таком размещении ФПВ 6 амплитуда напряженности поля поверхностной ЭМВ на внутренних стенках шкафа 19 снижается не менее чем в 10 раз. Соответственно, в рабочем объеме 20 шкафа амплитуда напряженности вторично возбужденного поля ЭМВ более чем в 10 раз меньше амплитуды напряженности первичного поля поверхностной ЭМВ; следовательно, стоячие волны с минимумами амплитуды напряженности поля в этом рабочем объеме пренебрежимо малы.
Предметы с прикрепленными радиометками М 13 размещают внутри металлического шкафа 19 в рабочем объеме 20 формирователя поверхностной ЭМВ 6. На генератор Г 1, УВЧ 4, УНЧ 9, АЦП 11 и ЦСП 12 подают электропитание. Генератор Г 1 начинает генерировать немодулированный ВЧ сигнал. С помощью первого делителя Д 2 сигнал генератора делят пополам, одну половину сигнала подают на вход усилителя УВЧ 4, а другую - на вход делителя ДФ 3. На выходах ДФ 3 фазы ВЧ сигналов сдвинуты на 90° друг относительно друга, т.е. находятся в квадратуре (ортогональны), используются в качестве гетеродинных сигналов, поступают на соответствующие гетеродинные входы смесителей См 8.
С выхода усилителя высокой частоты УВЧ 4 сигнал подается на вход циркулятора Ц 5, а с его выхода-входа на вход-выход формирователя поверхностной ЭМВ ФПВ 6. Образующаяся над рабочей поверхностью 21 ФПВ 6 поверхностная волна принимается приемопередающими антеннами 22 всех N радиометок М 13, размещенных в металлическом шкафу 19 на идентифицируемых предметах. Электронные схемы С 26 радиометок 13 получают питание постоянным током от своих выпрямителей В 25 и начинают одновременно вырабатывать сигналы - каждая свой идентификационный код со случайной задержкой периода повторения. Сигналы кодов поступают на управляющие входы своих модуляторов Мд 24. Модуляторы в такт с идентифицирующими кодовыми сигналами изменяют импеданс своих микросхем 23, являющихся нагрузками антенн 22; при этом отраженные от приемопередающих антенн 22 радиометок 13 сигналы модулируются кодовыми идентификационными сигналами и через формирователь ФПВ 6 поступают на выход-вход циркулятора Ц 5, а с его выхода - на вход второго делителя Д 2. С выходов второго делителя Д 2 синфазные ВЧ сигналы поступают на соответствующие сигнальные входы первого и второго смесителей См 8. В смесителях См 8 происходит преобразование спектров ВЧ сигналов, отраженных радиометками М 13, в ортогональные спектры НЧ сигналов, т.е. в квадратурные составляющие НЧ сигналов I и Q, которые после усиления в усилителях УНЧ 9 и фильтрации в фильтрах ФНЧ 10 поступают на вход АЦП 11, где оцифровываются. После оцифровки сигналы поступают в ЦСП 12, в котором завершается их квадратурная обработка и селекция коллизий - совпадений по времени кодовых сигналов радиометок, находящихся в рабочем объеме 20 шкафа 19.
I
м
Q
м
м
м
Цифровой сигнальный процессор ЦСП 12 производит финишную операцию обработки квадратурных составляющих НЧ сигналов I и Q: s=(u·sinφ) и s=(u·cosφ), где u - огибающая сигнала, соответствующая идентификационному коду радиометки 13, а φ - разность фаз между отраженным радиометкой ВЧ сигналом и гетеродинными сигналами на входе смесителей См 8. В результате выполнения в цифровой форме операции  устраняется зависимость амплитуды сигнала u от фазы отраженного радиометкой ВЧ кодового сигнала.
Кроме того, ЦСП 12 селектирует сигналы радиометок М 13, которые не имеют коллизий с сигналами других радиометок, находящихся в шкафу 19. В результате коллизии, изменяется длительность и нарушается внутренняя структура кодового сигнала. Используя эти признаки, ЦСП 12 в цифровой форме отфильтровывает наложившиеся друг на друга кодовые сигналы меток и передает на выход коды считанных радиометок, параметры которых не нарушены коллизиями (Фиг.5).
С выхода ЦСП 12 идентификационная информация поступает пользователю системы идентификации объектов СИО для констатации наличия всех помещенных в шкафу радиометок М 13, т.е. для определения результата проведенной инвентаризации или мониторинга идентифицируемых предметов.
Радиометка М 13 является пассивным устройством, ее источником питания служит выпрямленный ВЧ ток антенны 22, которая питается энергий поверхностной ЭМВ.
Для функционирования радиометки необходимо наличие ЭМП с амплитудой напряженности, превышающей пороговую величину, называемую чувствительностью пассивной радиометки. Принцип действия радиометки М 13 состоит в модуляции ЭМВ, отраженной ее антенной 22. Модуль коэффициента отражения и, следовательно, глубина амплитудной модуляции напряженности поля отраженной ЭМВ зависит от импеданса нагрузки этой антенны.
ВЧ энергия, принимаемая антенной 22, поступает на микросхему 23, в состав которой входит выпрямитель В 25, необходимый для обеспечения питанием электронной схемы С 26 радиометки 23, содержащей генератор сигнала со случайной частотой повторения для считывания кода с энергонезависимой памяти, в которой хранится идентификационный код радиометки. Кодовый сигнал радиометки 13 поступает на модулятор Мд 24 импеданса микросхемы 23, которая является нагрузкой антенны 22, вызывая тем самым модуляцию отраженных антенной ЭМВ.
В состав электронной схемы С 26 микросхемы 23 входит генератор сигнала со случайной частотой повторения, с помощью которого реализуется антиколлизионный протокол, т.е. разрешаются коллизии - наложение сигналов множества радиометок. При этом, согласно методу ALOHA [К.Финкенцеллер. RFID-технологии. Справочное пособие / пер. с нем. - М.: Додэка-XXI, 2010, стр.238], используется случайная задержка повторяющихся сообщений - ответных сигналов радиометки, в результате чего СИО правильно считывает информацию каждой радиометки, не имеющей совпадения по времени ее кодового сигнала с кодовыми сигналами других радиометок, находящихся в рабочем объеме 20 шкафа 19 (Фиг.5).
Реализация изобретения
Изобретение выполнено в соответствии с фигурами 1, 2 и 3.
Металлический шкаф 19 выполнен в виде сейфа в форме прямоугольного параллелепипеда, который имеет габариты полости:
- длину b=600 мм,
- поперечный размер а=250 мм,
- высоту с=200 мм.
Рабочий объем 20 шкафа 19 имеет габариты:
- длину=450 мм,
- поперечный размер d=160 мм,
- высоту f=150 мм.
Генератор (Г) 1 ВЧ немодулированного сигнала с частотой 900 МГц и мощностью 10 мВт выполнен на микросхеме HMC821LP6C (Hittite).
Делители ВЧ сигнала (Д) 2 и ДФ 3 выполнены на микросхемах соответственно ВР2С (Mini-Circuits) и QCN-12 (Mini-Circuits).
Усилитель ВЧ сигнала (УВЧ) 4 выполнен на микросхеме HMC453ST89 (Hittite) и работает на частоте 900 МГц, имеет усиление 20 дБ.
Циркулятор (Ц) 5 выполнен на устройстве типа MAFRIN0494 (М/А-СОМ Technology Solutions).
Формирователь поверхностной ЭМВ (ФПВ) 6 выполнен в виде отрезка линии поверхностной волны, которая изготовлена из металлического меандра по технологии печатных плат и имеет волновое сопротивление 75 Ом. Подложка печатной схемы выполнена из диэлектрика типа FR-4.
Габариты печатной платы:
- длина 420 мм,
- ширина 160 мм,
- толщина 0,5 мм.
Согласованная нагрузка (СН) 7 выполнена с волновым сопротивлением 75 Ом в виде конуса из феррита, КСВН=1,04.
Стержни металлические 15 выполнены из проволочной латуни длиной 10 мм и диаметром 0,8 мм.
Стойки 16 в виде стержня из полистирола длиной 15 мм и диаметром 5 мм.
Металлический экран 17 выполнен из латунного листа толщиной 0,5 мм, длиной 500 мм и шириной 160 мм.
Смеситель (См) 8 выполнен на микросхеме ADEX-10 (Mini-Circuits).
Усилитель низкой частоты (УНЧ) 9 имеет усиление 20 дБ и выполнен на микросхеме операционного усилителя AD8606ARM (Analog Devices).
Фильтр низких частот (ФНЧ) 10 с полосой пропускания 1000 кГц выполнен из набора 2 резисторов и 3 конденсаторов по Г-образной схеме фильтров.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11 выполнен на микросхеме AD9201ARS (Analog Devices).
Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) 12 на микросхеме ADSP BF56115 ВВ600 (Analog Devices).
Количество меток М 13 равно трем. Радиометка 13 выполнена на микросхеме ЕМ4123 (ЕМ Microelectronic-Marin SA) по схеме Фиг.4 и содержит: антенну 22, выполненную в виде симметричного вибратора, и микросхему 23. В состав микросхемы входят: модулятор импеданса (Мд) 24, выполненный из полевого транзистора с изолированным затвором, выпрямитель (В) 25 ВЧ тока, выполненный из полупроводниковых диодов с барьером Шоттки, и электронная схема (С) 26, включающая энергонезависимую память EEPROM и генератор случайных сигналов задержки повторяющихся ответных сигналов радиометки (Фиг.5).
В качестве входного и выходного ВЧ разъемов 14 применен разъем типа SMA-BJ1.
Антенна 22 радиометки М 13 выполнена в виде симметричного полуволнового вибратора.
Отличительные признаки изобретения
Второй делитель ВЧ сигнала, делитель ВЧ сигнала с фазовым сдвигом 90° (3), формирователь поверхностной электромагнитной волны (6), согласованная нагрузка (7), второй смеситель (8); первый и второй усилители низкой частоты (9), второй фильтр низких частот (10), аналого-цифровой преобразователь (11), цифровой сигнальный процессор (12), металлический шкаф (19) и N-1 радиометка, где N число не менее двух.
Каждая радиометка (23) содержит модулятор импеданса (24), выпрямитель (25) ВЧ тока и электронную схему (26) с генератором случайных сигналов, обеспечивающих случайный период повторения считываемого кода радиометки. Антенна 22, модулятор (24) и выпрямитель (25) соединены параллельно. Выход выпрямителя (24) соединен с входом электронной схемы (26), а ее управляющий выход соединен с управляющим входом модулятора (24).
Один выход первого делителя ВЧ сигнала (2) соединен с входом ВЧ усилителя, а его другой выход соединен с входом делителя ВЧ сигнала с фазовым сдвигом 90° (3), выходы которого соединены с гетеродинными входами первого и второго смесителей. Кроме того, выход-вход циркулятора (5) соединен с входом-выходом формирователя поверхностной электромагнитной волны (6), выход которой соединен с согласованной нагрузкой (7).
Выход циркулятора (5) соединен с входом второго делителя ВЧ сигналов (2), выходы которого соединены с сигнальными входами первого и второго смесителей (8) соответственно, выход каждого смесителя через последовательно соединенные усилитель низких частот и фильтр низких частот соединены с соответствующими квадратурными входами аналого-цифрового преобразователя (11), выход которого соединен с входом цифрового сигнального процессора (12).
Формирователь поверхностной электромагнитной волны (6) размещен внутри шкафа (19) у одной из его стенок, а радиометки (13) закреплены на идентифицируемых объектах, которые размещены над формирователем поверхностной электромагнитной волны (6) в рабочем объеме (20) металлического шкафа (19).
Формирователь поверхностной электромагнитной волны (6) выполнен в виде отрезка линии поверхностной волны металлической гребенчатой или слоистой металлодиэлектрической структуры.
Первый, второй делители ВЧ сигнала (2) и делитель ВЧ сигнала с фазовым сдвигом 90° (3) выполнены с делением входного ВЧ сигнала на два равных по амплитуде выходных ВЧ сигнала.