ПАССИВНАЯ РАДИОЧАСТОТНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ МЕТКА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к пьезоэлектрическим устройствам, и может быть использована в пассивных радиочастотных идентификационных (РЧИД) метках на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для осуществления автоматического контроля передвижения объектов через зону радиочастотного контроля.
Системы радиочастотной идентификации в последнее время получили широкое распространение благодаря своим многочисленным достоинствам: большой информационной емкости, высокой скорости чтения и расстоянию идентификации до десятков метров для пассивных и сотен метров для активных устройств. Среди них отдельную нишу занимают метки на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Конструкция такой метки состоит из пьезоэлектрической подложки, встречно-штыревого преобразователя (ВШП), системы отражателей и антенны. Электромагнитный сигнал, принятый антенной метки, с помощью ВШП преобразуется в поверхностную акустическую волну (ПАВ). ПАВ распространяется по пьезоэлектрической подложке до системы отражателей, которые находятся на различном расстоянии от ВШП, так что отраженные сигналы возвращаются на ВШП в различные моменты времени. ВШП преобразует акустическую волну в электромагнитную, которая излучается антенной метки. Описанная конструкция является наиболее распространенной для 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 являются возможность их использования в широком диапазоне температур (от -100°C до 300°C), практически бесконечный срок службы, большая дальность идентификации, радиационная стойкость и малые размеры по сравнению с метками на интегральных схемах, учитывая и размеры антенны
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является метка на ПАВ, в которой группы рефлекторов организованы так, что кодируют не только по времени отклика, но и по фазе [патенты US №№: 6759789, МПК H01L 41/08; 7407111 МПК G06K 19/06].
Однако в такой конструкции метки импульс ПАВ последовательно проходит через отражатели, и при каждом отражении энергия импульса ПАВ уменьшается. Поэтому при большом числе отражателей и большом затухании ПАВ получить амплитуду кодовых импульсов достаточного уровня и приблизительно одинаковую в последовательности кодовых импульсов, что требуется для надежного опознавания кода, весьма затруднительно. Для меток на более высоких частотах (например, в разрешенном диапазоне частот 5650-6425 ГГц) эта проблема делает невозможным применение традиционной конструкции меток с однонаправленным ВШП и отражателями, расположенными с одной стороны от ВШП, т.к. при повышении частоты затухание ПАВ увеличивается пропорционально квадрату частоты [Дж. Такер, В. Рэмптон. Гиперзвук в физике твердого тела. - М., "МИР", 1975].
Поэтому на частотах выше 5 ГГц для получения достаточного уровня амплитуды излучаемых кодовых импульсов и сохранения амплитуд в последовательности кодовых импульсов требуется повышение коэффициента отражения от отражателей. Однако при увеличении отражения от отражателя уменьшается амплитуда прошедшей через отражатель ПАВ и снижается амплитуда ПАВ, падающей на следующий отражатель. Это противоречие представляет собой значительную трудность при конструировании высокочастотной метки с рабочей частотой в диапазоне 5-6 ГГц. Трудность заключается в невозможности обеспечить необходимые соотношения коэффициентов отражения отражателей при более высоких потерях ПАВ при сохранении начальной задержки 1 мкс и уровня потерь сигнала в метке.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение рабочей частоты пассивной радиочастотной идентификационной метки на ПАВ.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в пассивной радиочастотной идентификационной метке на поверхностных акустических волнах, содержащей антенну и пьезоэлектрическую подложку, на которой размещены встречно-штыревой преобразователь и система отражателей, последняя состоит из двух групп и расположена по одной группе с каждой стороны встречно-штыревого преобразователя.
Кроме того, заявляется метка, в которой наряду с вышеназванными признаками система отражателей выполнена с одинаковым количеством отражателей в каждой группе.
Кроме того, заявляется метка, в которой наряду с вышеназванными признаками в системе отражателей количество отражателей одной группы отличается от количества отражателей другой группы на единицу.
Кроме того, заявляется метка, в которой наряду с вышеназванными признаками антенна расположена на пьезоэлектрической подложке симметрично относительно центра встречно-штыревого преобразователя и выполнена в виде ломаной линии.
Кроме того, заявляется метка, в которой наряду с вышеназванными признаками антенна выполнена S-образной с центром, совпадающим с центром встречно-штыревого преобразователя.
Кроме того, заявляется метка, в которой наряду с вышеназванными признаками длина каждого антенного электрода лежит в диапазоне от 0,2λ до 0,4λ, где λ - длина замедленной электромагнитной волны.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении рабочей частоты метки, что достигается за счет расположения отражателей с двух сторон от ВШП. В такой конструкции вдвое уменьшается количество отражателей в каждом акустическом канале и увеличивается амплитуда ПАВ, пришедшей на последние отражатели, что, в свою очередь, увеличивает амплитуду кодовых импульсов. Кроме того, расположение отражателей с обеих сторон от ВШП позволяет использовать простой широкополосный ВШП вместо однонаправленного, что упрощает технологию изготовления. При работе в широкой полосе частот (ширина полосы 775 МГц в диапазоне 6 ГГц вместо 83 МГц в диапазоне 2,45 ГГц) простой широкополосный ВШП имеет большую эффективность по сравнению с однонаправленным ВШП, который обеспечивает высокую направленность только в узкой полосе частот.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг., на которой изображена заявляемая конструкция пассивной РЧИД метки на ПАВ.
На Фиг. позициями 1-5 обозначены:
1 - антенна;
2 - пьезоэлектрическая подложка;
3 - встречно-штыревой преобразователь (ВШП);
4 - контактная шина ВШП;
5 - отражатель.
Пассивная радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах содержит антенну 1 и пьезоэлектрическую подложку 2, на которой размещены: ВШП 3, контактные шины 4 ВШП и отражатели 5. Система отражателей 5 состоит из двух групп, расположенных по обеим сторонам от ВШП 3. В частном случае реализации полезной модели антенна 1 может быть выполнена полосковой и размещена на пьезоэлектрической подложке 2. В таком случае антенна 1, выполненная в виде ломаной линии, размещена симметрично по обеим сторонам относительно центра ВШП 3 и соединена с ним контактными шинами 4. Антенна 1 может иметь S-образную форму.
Устройство работает следующим образом.
Радиочастотный импульс запроса, формируемый считывателем (или ридером), принимается антенной 1. Через контактные шины 4 ВШП радиочастотный сигнал поступает на электроды ВШП 3, в котором происходит преобразование электрического поля радиоимпульса в акустическое поле ПАВ. Возбужденная ПАВ распространяется по пьезоэлектрической подложке 2 в обе стороны от ВШП 3 в виде акустических импульсов в направлении отражателей 5. Количество отражателей 5 в обеих группах может быть одинаковым или отличаться на единицу, что зависит от конкретной реализации метки. Отражатели 5 могут иметь различную конструкцию:
- одиночные полоски металла или диэлектрика, нанесенные на поверхность пьезоэлектрической подложки, коэффициент отражения от которых определяется их толщиной и шириной;
- многополосковые отражатели, коэффициент отражения от которых определяется также количеством полосок и электрической нагрузкой в случае металлических полосок;
- одиночные канавки, коэффициент отражения от которых зависит от их глубины.
От каждого отражателя 5 происходит отражение части энергии акустического импульса, в результате чего на ВШП 3 в разное время приходят акустические импульсы, которые преобразуются ВШП 3 в радиоимпульсы и излучаются антенной 1 в пространство. Таким образом метка формирует кодовую последовательность импульсов, которую принимает считыватель и обрабатывает ее для идентификации объекта, несущего РЧИД метку.
При расположении отражателей 5 по обеим сторонам от ВШП 3 появляется возможность применить антенну 1 электрического типа, расположенную непосредственно на поверхности пьезоэлектрической подложки 2. Электрическая антенна в своей классической конфигурации в виде двух коллинеарных отрезков длиной λ/4 имеет более приближенную к сферической диаграмму направленности, чем традиционно применяемая магнитная антенна. Резкое снижение амплитуды излучения электрической антенны в направлении излучающих отрезков устраняется применением формы излучающих отрезков в виде ломаной линии, что обеспечивает близкую к сферической диаграмму направленности антенны. Такая диаграмма направленности обеспечивает слабую зависимость от пространственной ориентации амплитуд принятых считывателем кодовых сигналов.