RFID метка

Полезная модель относится к устройству для автоматической радиочастотной идентификации объектов, в частности, RFID метке (радиочастотной метке) для работы (маркировки и идентификации) в составе резинотехнических изделий, например, шин автомобильных и легковых, камер резиновых.
Известна радиочастотная метка, предназначенная для имплантации внутрь резиновых шин, и содержащая радиочастотную микросхему, антенные штырьки на радиочастотной микросхеме, и антенны скрученные в виде цилиндрической спирали (цилиндрической пружины работающей на растяжение) и соединенные со штырьками антенны, при этом, антенные штырьки соединены с антенной при помощи болтообразных соединительных элементов. Кроме того, радиочастотная микросхема, антенные штырьки, болтообразный соединительный элемент и один конец антенны упакованы в рукав с гладкой поверхностью, другой конец антенны выступает из рукава (патент РФ №179289,07.05.2018). Ввиду отсутствия подложки устройство в процессе эксплуатации не повреждает резину, вызванное ее разрезанием острыми концами подложки. Также повышается прочность соединения между штырьками антенны и антеннами.
Недостатком данного устройства, а также устройств, использующих в качестве антенн цилиндрические пружины, является недостаточная дальность действия. Это обусловлено тем, что антенны такой формы имеют довольно широкую диаграмму направленности, то есть, распределение электромагнитной энергии происходит относительно равномерно, но не очень эффективно. Большую эффективность (дальность действия) дают антенные устройства, имеющие ярко выраженную диаграмму направленности.
Другим недостатком устройства является то, что при возникновении механических нагрузок в процессе эксплуатации устройства выполненные в виде спирали (или цилиндрической пружины) антенны растягиваются и сжимаются, тем самым постепенно разрушая резину вокруг себя, что в итоге приводит к образованию канальных полостей и как следствие, к разрушению резинотехнического изделия. Также постоянное растяжение и сжатие антенны способствует повышению риска быстрого разрушения антенн устройства, что снижает надежность устройства.
Кроме того, выполнение антенн в виде цилиндрических пружин усложняет технологию изготовления устройства, поскольку требует дополнительных технологических операций навивки, термообработки проволоки для изготовления антенны.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в разработке RFID (радиочастотной) метки для имплантации внутрь резинотехнических изделий с целью маркировки изделий и их идентификации на дальних расстояниях, характеризующейся долговечностью и минимальным влиянием на свойства резинотехнического изделия, в которое монтируется метка.
Техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационных характеристик устройства, что обеспечивается повышением надежности работы устройства за счет исключения разрушения устройства в процессе эксплуатации и обусловлено высокой устойчивостью устройства к механическим нагрузкам, а также увеличением дальности считывания RFID-метки, повышение безопасности при эксплуатации устройства, что позволяет обеспечить сохранность резинотехнических изделий от повреждений, упрощение технологии изготовления за счет упрощения конструкции антенны.
Указанный технический результат достигается за счет того, что RFID (радиочастотная) метка содержит печатную плату с установленной на ней микросхемой, антенну, состоящую из плоских симметричных плечей волнообразной формы, соединенных круговой перемычкой, при этом, плечи антенны выполнены с различным шагом и амплитудой и соединены с печатной платой.
Микросхема крепится на печатной плате путем пайки. Антенна также припаяна или приварена на печатную плату.
Микросхема является сложным многофункциональным устройством, включающим приемник, передатчик и блок памяти.
Антенна может быть выполнена из проволоки или металлической полосы толщиной 0,1-0,3 мм на основе легированной нагартованной стали типа 12Х18Н10Т.
Круговая перемычка, соединяющая плечи антенны может быть выполнена диаметром 10-14 мм.
Антенна с точки зрения механики представляет собой механический амортизатор, гасящий колебания от внешних воздействий. Придание плечам антенны волнообразной формы с различным шагом и амплитудой позволяет сглаживать (демпфировать, гасить) механические воздействия различной амплитуды и частоты, что обусловлено тем, что, как известно, участки плеч антенн с большой амплитудой и большим шагом лучше гасят медленно меняющиеся воздействия с большой амплитудой и, таким образом, эти участки являются фильтрами низкой частоты, а участки антенн с небольшим шагом и амплитудой, соответственно, являются фильтрами высокой частоты. Возможность устройства гасить механические колебания широкого спектра частот и амплитуд крайне важна при работе устройства внутри автомобильной шины. Поскольку при работе внутри шины, или иного резинотехнического изделия, RFID-метка испытывает значительные ударные, вибрационные и температурные воздействия, каждое из которых может привести к разрушению, или выходу из строя, всей конструкции или ее части. Таким образом, антенная система представляет собой устройство, гасящее механические колебания широкого спектра частот и амплитуд, что позволяет предотвратить отрыв антенной системы и разрушение всего устройства, а также существенно повышает надежность работы устройства.
Для повышения безопасности при эксплуатации устройства и обеспечения сохранности резинотехнических изделий от повреждений в процессе эксплуатации конструкция метки должна оказывать минимальное влияние на резинотехническое изделие. Этого можно достичь при минимальной площади соприкосновения метки с резиновой оболочкой. Для достижения минимального контакта RFID-метка с резиновой оболочкой, антенная система выполнена плоской. Выполнение антенны плоской формы также позволяет повысить безопасность устройства при эксплуатации, поскольку такая форма антенны исключает ее растяжение и сжатие при воздействии механических нагрузок, и, как следствие, разрушение резины вокруг себя, что в итоге приводит к образованию канальных полостей и разрушению резинотехнического изделия.
Также выполнение антенны плоской формы существенно упрощает технологию ее производства и устройства в целом. Это обеспечивается тем, что при изготовлении антенны не требуется ее последующая навивка, как при получении антенн, выполненных в виде пружин. Антенна может быть получена за одну технологическую операцию – штамповкой из металлической полосы или путем выгибания из проволоки в одной плоскости.
Дальность считывания является одним из основных параметров работы RFID метки. Метки, предназначенные для работы на дальних дистанциях изготавливаются по технологии UHF (ultra high frequency) RFID. При этом, указанный параметр напрямую зависит от среды работы RFID метки. Это объясняется различной диэлектрической проницаемостью сред. Диэлектрическая проницаемость (ε) является одним из «электромагнитных параметров» среды, влияющих на распределение компонент напряжённости электромагнитного поля в пространстве и описывающих среду в материальных уравнениях электродинамики (уравнениях Максвелла). Так для воздуха ε≅1,0, для различных типов резин ε=2,5÷7,0.
Таким образом, устройства с одинаковой конструкцией характеризуются различной дальностью считывания при их использовании в различных средах, например, воздушной и резинотехнической. Известно, что RFID метки с высокой дальностью действия в воздушной среде  будут характеризоваться низкой дальностью действия при использовании в резинотехнической среде. Таким образом, разработка конструкции RFID метки, обладающей высокой дальностью считывания в резинотехнической среде является актуальной задачей.
Известные RFID метки для имплантации внутрь резиновых шин, в том числе, устройство, описанное в аналоге (патент РФ №179289), с антеннами в виде цилиндрических спиралей, представляют собой полуволновый вибратор (диполь Герца). Так называют широко распространенную на практике вибраторную антенну, излучающие элементы которой, представляют собой незамкнутые на концах проводники. Антенны, данного типа, настраиваются на нужную частоту путем правильного расчета и подбора длин двух симметричных проводников, общая электрическая длина которых, при работе в воздухе, должна быть близка к λ/2 (где λ – длина волны). При данном соотношении в антенне возникает резонанс, что позволяет максимально эффективно передавать подводимую к антенне мощность в виде электромагнитного излучения.
Применительно к устройствам, изготовленных по технологиии UHF RFID, в соответствии со стандартом ISO18000-6C(63), работающим на частотах 860-930 МГц, общая длина, общая длина двух симметричных проводников должна составлять 150-170 мм. Однако, при такой длине проводников, механические нагрузки, действующие на шину и достигающие амплитуды в десятки мм, неизбежно разорвут антенную систему или, если антенная системы выполнена из прочного материала, повредят шину об антенную систему. Этим объясняется применение в аналоге, в качестве антенной системы коротких цилиндрических пружин, расположенных по прямой линии по сторонам основания устройства. Данное решение выглядит как простое, однако обладает невысокой дальностью действия.
Как известно, дальность действия беспроводного устройства, при прочих равных условиях, определяется коэффициентом усиления антенны (Ку):
Ку=D*n,
где D – коэффициент направленного действия антенны (КНД), для антенн в виде плоских фигур имеет значение прямо пропорциональное площади антенны,
n – коэффициент полезного действия антенны (КПД), определяется как отношение излученной антенной мощности к мощности, подведенной к антенне.
Таким образом, чем выше значение коэффициента усиления антенны (Ку), тем выше дальность действия устройства.
Известны различные способы уменьшения линейных размеров антенн, среди них изготовление антенн в виде спиралей, меандров и т.д. Однако они не лишены недостатков, например, антенна в виде спирали обладает круговой поляризацией, а антенна в виде меандра, из-за ярко выраженных горизонтальных и вертикальных участков, излучает электромагнитные волны как горизонтальной, так и вертикальной поляризации, что нежелательно.
Выполнение плечей антенны волнообразными с различной амплитудой и шагом в настоящем техническом решении, а также соединение плечей перемычкой кругообразной формы позволяет как значительно уменьшить длину антенны (что увеличивает устойчивость устройства к механическим воздействиям), так и увеличить ее площадь, что значительно повышает коэффициент направленного действия антенны и, соответственно, коэффициент усиления и дальность действия устройства. Экспериментально установлено, что волнообразная конструкция с различной амплитудой и шагом также наиболее устойчива к механическим воздействиям в виде вибрационных и ударных нагрузок.
С целью увеличения эффективности работы в средах резиновых изделий, длина проводников была уменьшена, относительно общепринятой длинны λ/2 для работы в воздухе (это объясняется различными значениями диэлектрической проницаемости сред -ε), в также добавлен дополнительный элемент в виде круговой перемычки.
Перемычка в виде круга, в данном случае, представляет собой индуктивный контур и выполняет роль согласующего устройства, позволяющего согласовать волновое сопротивление антенны с выходными каскадами микросхемы. Данное согласование позволяет увеличить эффективность передачи энергии в антенну, что определяется как увеличение значения коэффициента полезного действия антенны и безусловно приводит к увеличению коэффициентом усиления антенны и, таким образом, дальности действия устройства.
Таким образом, соединение плечей антенны круговой перемычкой, а также выполнение плечей антенны волнообразной формы с различной амплитудой и шагом позволяет получить систему (RFID-метку) с дальностью действия 2-15 м при работе в среде резинотехнических изделий.
Выполнение антенны в виде плоской фигуры также обеспечивает большую эффективность (дальность действия) устройства, что обусловлено наличием у таких устройств ярко выраженной диаграммы направленности в плоскости перпендикулярной плоскости расположения антенного устройства.
Кроме того, дополнительно печатная плата с закрепленной на ней микросхемой, фрагменты плечей антенны в месте их крепления к печатной плате и фрагменты круговой перемычки в месте их крепления к плечам антенны могут быть замоноличены в высокопрочный компаунд. Это обеспечивает дополнительное повышение прочности соединения данных компонентов устройства, что в процессе эксплуатации предохраняет печатную плату, с микросхемой, а также места крепления плечей антенны и круговой перемычки от механических и температурных воздействий. Это позволяет исключить разрушение устройства в процессе эксплуатации и дополнительно повысить надежность работы устройства. Изготовление антенной системы из высокопрочного и жаропрочного металла, обладающего пружинными свойствами, также обеспечивает необходимую устойчивость изделия к внешним воздействиям и также дополнительно повышает надежность устройства.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1, на которой изображена схема RFID метки (вид сверху).
На фигуре позициями 1-6 обозначены:
1 – микросхема,
2 – печатная плата,
3 – антенна,
4 – плечи антенны,
5 – круговая перемычка,
6 – компаунд.
Основание метки включает микросхему 1 и закрепленную на ней путем пайки печатную плату 2. Размер основания составляет 10х2 мм. Таким образом, выполнение элементов устройства минимальных размеров, позволяет минимизировать площадь соприкосновения метки с резиновой оболочкой и повысить безопасность устройства.
На печатную плату 2 припаяна антенна 3, включающая плечи 4 волнообразной формы с шагами 9,0 и 2,0 мм и амплитудой 4,3 мм и 2,4 мм. Антенна выполнена плоской из проволоки на основе легированной нагартованной стали типа 12Х18Н10Т. Толщина антенны составляет 0,1 мм. Плечи антенны соединяют круговой перемычкой 5 с диаметром  10 мм. Печатную плату, микросхему, фрагменты плечей антенны в месте их крепления к печатной плате и фрагменты круговой перемычки в месте их крепления к плечам антенны заливают эпоксидным компаундом. Таким образом, размер готовой RFID метки изделия составляет не более 110х21х1,5 мм.
RFID метка может наклеиваться на поверхность резинотехнического изделия, либо встраиваться в изделие на этапе производства.
При облучении внешним радиосигналом от RFID считывателями стандарта ISO18000-6C(63) RFID метка формирует ответный радиосигнал, содержащий уникальный код. По этому, уникальному коду и производится идентификация метки и конкретного изделия.
Приведённый пример является частным случаем и не исчерпывает всех возможных реализаций полезной модели.
Таким образом, разработанная RFID метка характеризуется простотой в изготовлении, увеличенной дальностью действия в среде резинотехнического изделия, что позволяет осуществлять считывание метки на расстоянии 2-15 м, а также высокой надежностью конструкции устройства и безопасностью при эксплуатации.