Метка радиочастотной идентификации (RFID) с произвольным углом считывания
RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION (RFID) TAG WITH ARBITRARY READING ANGLE

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к системам радиочастотной идентификации (далее – RFID) и может быть использовано в качестве RFID-меток ультравысокочастотного диапазона (далее – УВЧ).
Конструктивно RFID-метка представляет собой чип, к порту (портам) которого подключена антенна (антенны). Вся эта система располагается на подложке из диэлектрика.
Известной проблемой в области разработки RFID-меток УВЧ-диапазона является тот факт, что антенны многих меток обладают неравномерными диаграммами направленности (ДН), и зачастую имеют минимумы (нули). Поэтому не исключены ситуации, когда объект будет расположен так, что размещенная на нем метка будет направлена минимумом ДН по отношению к антенне устройства считывания-опроса (далее УСО), и информация с нее не будет считана.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому решению (прототипом) является решение для двухпортового чипа и метки этикеточного типа на его основе, описанное в патенте США US9142881B1, разработанное Impinj, Inc. (США), а также похожее по своей технической сущности решение АО "Микрон" (РФ), серийно выпускаемое с коммерческим названием M3D.S. Решение представляет собой печатный турникет на основе четырех F-образных излучателей, известных также как PIFA (planar inverted F-antenna), объединенных в диагональные пары для работы в симметричном тракте и имеющие два симметричных ВЧ порта, соединенные с соответствующими портами чипа типа Monza 4 производства Impinj. Решение обеспечивает по каждому порту квазиизотропную ДН с двумя нулями, своего рода классическую ДН линейной поляризации, свойственную электрически-короткому вибратору. ДН двух излучателей метки развернуты на угол 90° и взаимно ортогональны, а порты антенны взаимно развязаны в рабочем диапазоне частот. Чип обеспечивает независимое детектирование по каждому из портов и последующее сложение сигналов. Таким образом, т.н. "итоговая ДН" метки, измеряемая по круговой поляризации УСО, формируется скалярным сложением двух описанных ДН и поэтому не содержит явных нулей. К одному из недостатков решения следует отнести значительно сниженную энергетику на краях диапазона рабочих частот, о чем, однако, не говорится в тексте патента, а показанная авторами ДН соответствует ДН метки в середине диапазона частот, и что в условиях близкорасположенных металлических объектов может привести к формированию нулей в направлении антенн УСО и снижению энергетики каналов соответственно. Вторым недостатком является принципиальная необходимость наличия у чипа двух портов.
Известно решение для двухпортового чипа и метки этикеточного типа на его основе, описанное в патенте США US9087281B2, разработанное Impinj, Inc. (США), а также похожее по своей технической сущности решение АО "Микрон", серийно выпускаемое с коммерческим названием M3D с чипом Monza 4 производства Impinj, отличающееся от описанного выше тем, что используются несколько разные частоты настройки ортогональных элементов антенны, что позволяет улучшить диапазонные свойства метки, однако за счет этого энергетика в рассматриваемом поляризационном базисе УСО снижается во всем рабочем диапазоне частот, в особенности на его краях. Для реализации такого решения, как и в предыдущем случае, необходим чип с двумя портами.
Известно решение для метки этикеточного типа, описанное в заявке на патент США US20150076238A1, разработанное SMARTRACIPB.V. (Нидерланды) и серийно выпускаемое с коммерческим названием FROG-3D с чипом типа Monza 4 производства Impinj. Решение использует в качестве антенны похожий турникет на основе F-образных излучателей, которые, однако, используют по каждому порту круговой поляризационный базис и технически некоторым образом отличаются от вышеописанных решений схемой питания. Использование в решении чипа типа Monza 4 позволяет в условиях свободного пространства осуществлять прием и передачу сигналов УСО на левой круговой поляризации (далее – ЛКП) и правой круговой поляризации (далее – ПКП). Для реализации такого решения, как и всех описанных выше, необходим чип с двумя портами.
Известно решение для чипа с цепями автоподстройки комплексного входного сопротивления и метки на его основе, описанное в патенте США USRE47755E, предложенное Impinj, Inc. (США). Решение подразумевает каскадное включение в тракт метки между портом чипа и его входными цепями симметричного четырехполюсника с электрически изменяемым значением комплексного сопротивления цепи адаптивной подстройки, позволяющей путем оценки уровня согласования автоматически осуществлять настройку комплексного сопротивления порта чипа, приведенного к входу такой цепи, в некоторых пределах по описанному в решении алгоритму. Это позволяет адаптивно изменять энергетику метки в зависимости от условий ее использования. Недостатком решения является невозможность учета явления многолучевого распространения, в частности, когда снижение энергетики канала не обусловлено рассогласованием трактов антенны и чипа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке метки с антенной поляризации близкой к круговой и максимально равномерной ДН для обеспечения возможности уверенного обмена данными между меткой и УСО при произвольном угловом расположении их друг относительно друга. При этом метка может иметь в своем составе как двух-, так и однопортовые чипы.
Технический результат состоит в формировании, по меньшей мере, одной турникетной антенны, способной принимать и излучать электромагнитные волны поляризации близкой к круговой, ДН которой, как известно, не имеет явных нулей. Указанный технический результат достигается за счет включения цепей согласования, фазовращателя и устройства сложения в тракт метки между антенной и входными цепями существующих решений чипов, в частности, чипа типа Monza 4. Такая схема имеет выигрыш в энергетике, по сравнению с прототипом.
Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов.
На фиг. 1 показана структурная схема метки, включающая антенну 1 с двумя портами, которые будем называть п. 1 и п. 2, цепи согласования 2, фазовращатель 3, неразвязанный равноамплитудный синфазный сумматор (далее – сумматор) 4 и чип 5. Антенна 1 представляет собой турникет и осуществляет прием опросного сигнала от УСО и излучение ответного сигнала метки, формируя квазиизотропную ДН. Цепи согласования 2, соединенные с портами антенны 1 с одной стороны и с фазовращателем 3 и сумматором 4 с другой, обеспечивают энергетически оптимальное сопряжение тракта антенны 1 с трактами фазовращателя 3, сумматора 4 и чипа 5. Фазовращатель 3, включенный между цепями согласования 3 и сумматором 4 в любой из двух каналов (под каналом понимается сигнальный тракт от п. 1 либо п. 2 антенны 1) обеспечивает поворот фазы ВЧ-сигнала в его цепи на минус 90°, а сумматор 4 осуществляет сложение каналов, формируя максимально согласованное питание антенны. Чип 5 обеспечивает прием опросного и формирование ответного сигналов метки в соответствии с записанной в его энергонезависимую память информацией.
На фиг. 2,а и 2,б показан пример топологии метки со стороны верхнего слоя, а на фиг. 3,а и 3,б – со стороны нижнего слоя проводников. Антенна 1 метки представляет собой два ортогонально-скрещенных и конструктивно объединенных, но электрически взаимно развязанных полосковых излучателя (плечи обозначены как 6 и 7), зажимы портов которых (точки питания) п.1 и п.2 обозначены как 8 и 9 соответственно. Цепи согласования 2 и фазовращатель 3 частично выполнены на дискретных элементах (L и C), частично на длинных линиях и схемотехнически представляют собой Г-звено в симметричном (дифференциальном) включении. Сумматор 4 выполнен по неразвязанной схеме и фактически представляет собой объединение трех ветвей в симметричном (дифференциальном) исполнении, две из которых соответствуют трактам объединяемых каналов, а одна является результирующей и соединяется с соответствующим зажимом порта чипа 5. Верхний и нижний слои метки соединяются через соответствующие межслойные переходы 10.
Описанное выше техническое решение метки предполагает использование однопортового чипа, однако технически допустимо применение двухпортового чипа с задействованием только одного порта, в то время как второй порт чипа не используется.
Вариантом технического решения является реализация двух турникетных антенн, работающих на разные порты двухпортового чипа. Такое решение позволяет обеспечить энергетику в общем смысле лучше, чем предыдущее, однако требует использование принципиально двухпортового чипа и имеет несколько большую геометрическую площадь метки.
На фиг. 4 показана структурная схема метки, включающая две аналогичные антенны 1 (обозначенные как 1.1 и 1.2), две цепи согласования 2 (обозначенные как 2.1 и 2.2), два фазовращателя 3 (обозначенные как 3.1 и 3.2), два сумматора 4 (обозначенные как 4.1 и 4.2) и двухпортовый чип 5. Схема предполагает построение двух раздельных функционально идентичных вышеописанному решению трактов формирования ДН, подключенных к отдельным портам п. 1 и п. 2 чипа 5.
На фиг. 5,а и 5,б показан пример топологии метки со стороны верхнего слоя, а на фиг. 6,а и 6,б – со стороны нижнего слоя проводников. Антенна 1 метки состоит из двух турникетных излучателей 1.1 и 1.2, развернутых друг относительно друга на угол 135° и конструктивно объединенных, но работающих электрически индивидуально, каждый из которых выполнен аналогично вышеописанному техническому решению, показанному на фиг. 2 и фиг. 3. Плечи полосковых излучателей из состава турникета 1.1 обозначены как 6.1 и 7.1. Плечи излучателей из состава турникета 1.2 обозначены как 6.2 и 7.2. Условные зажимы портов излучателей (точки питания) п.1 и п.2 обозначены как 8.1, 9.1 и 8.2, 9.2 соответственно. Цепи согласования 2.1, 2.2, фазовращатели 3.1, 3.2 и сумматоры 4.1 и 4.2 схемотехнически выполнены аналогично вышеописанному техническому решению. Элементы 2.1, 3.1, 4.1 размещены на верхнем слое метки, элементы 3.2, 4.2 и 5 – на нижнем, а элемент 2.2 на верхнем и нижнем слоях. Соединение слоев осуществляется через соответствующие межслойные переходы 10.
Первый вариант устройства работает следующим образом. Компоненты электромагнитного поля опросного сигнала, излученного в пространство антенной УСО принимаются полосковыми излучателями 6 и 7 антенны 1 и поступают на цепи согласования 2, осуществляющие сопряжение импеданса антенны 1 с импедансом фазовращателя 3, сумматора 4 и чипа 5. После этого компонента, соответствующая условной фазовой задержке 0° поступает на фазовращатель 3, где осуществляется фазовая задержка на 90°, и далее на порт неразвязанного равноамплитудного и синфазного сумматора 4, а вторая компонента, соответствующая условной фазовой задержке 90° поступает на другой порт сумматора 4 без дополнительной фазовой задержки. Таким образом, обе компоненты, поступающие на сумматор 4, складываются, после чего суммарный сигнал поступает на порт чипа 5. При этом квадратурные компоненты, принимаемые антенной 1, выравниваются по фазе и синфазно и равноамплитудно складываются сумматором, в то время как компоненты, отличные от квадратурных, складываются в общем случае несинфазно, формируя квазиизотропную ДН в общем случае с поляризацией, значительно отличающейся от круговой. В случае использования двухпортового чипа 5 на второй порт сигнал не поступает. Ответный сигнал метки, формируемый чипом 5, преобразуется в обратном порядке, после чего сформированные квадратурные компоненты излучаются в пространство.
Второй вариант устройства работает следующим образом. Условно первая пара компонент электромагнитного поля опросного сигнала, излученного в пространство антенной УСО, принимается полосковыми излучателями 6.1 и 7.1 из состава турникета 1.1, после чего ее компоненты обрабатываются аналогично вышеописанному варианту и поступают на порт 1 чипа 5. В то же время условно вторая пара компонент поля, повернутых относительно компонент первой пары на 135° (что соответствует повороту пары излучателей на тот же угол), принимается излучателями 6.2 и 7.2, после чего ее компоненты обрабатываются аналогично вышеописанному варианту и поступают на порт 2 чипа 5. При этом положения, касаемые приема квадратурных и неквадратурных компонент излучателями 6.1 и 7.1, а также 6.2 и 7.2 соответствуют вышеописанному техническому решению, в т.ч. относительно формирования квазиизотропной ДН в общем случае с поляризацией, значительно отличающейся от круговой. Таким образом, с учетом относительно небольшой корреляции сигналов на портах 1 и 2 чипа 5 ввиду обеспечения достаточного уровня развязки между турникетами 1.1 и 1.2 имеет место быть дополнительный выигрыш в энергетике метки в интервале от нуля (что наблюдается при обработке чисто квадратурных компонент и соответствует ДН с круговой поляризацией излучения) до 2…2.5 дБ (что наблюдается для коррелированных компонент и соответствует ДН с поляризацией близкой к линейной) относительно первого варианта. Ответный сигнал метки, формируемый чипом 5 по обоим портам преобразуется в обратном порядке, после чего сформированные компоненты излучаются в пространство.
Представленное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, при этом топологии на рисунках показаны и описаны условно, и специалисту должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения с учетом сохранения числа и типов структурных единиц и схемотехники их функционирования (принципа работы).