МАЛОГАБАРИТНАЯ РАДИОЧАСТОТНАЯ МЕТКА UHF ДИАПАЗОНА ДЛЯ ЖЕСТКИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области радиочастотной идентификации, к той ее части, которая касается конструкции меток радиочастотной идентификации UHF диапазона (850-950 МГц), среди которых наряду с плоскими метками существует класс объемных меток, т.е. таких меток, у которых излучающие электроды антенны метки, прикрепленные к микросхеме, не лежат в одной плоскости, а находятся на некотором расстоянии друг от друга и в разных плоскостях. Пространство между электродами у этих меток, как правило, заполнено диэлектрическим материалом. Такая конструкция антенны метки фактически является отрезком линии передачи (короткозамкнутой или разомкнутой на конце), обладающей излучательной способностью. Необходимость в создании объемных радиочастотных меток обусловлена требованием обеспечения считывания информации с радиочастотной метки при ее непосредственном контакте с металлическими объектами. Плоские радиочастотные метки не считываются на металлических объектах. Только объемные метки, в том числе такие как эта полезная модель, дают возможность считать информацию с метки при ее прикреплении к металлическому объекту.
Уровень техники
Задача уверенной идентификации UHF-метки, находящейся в контакте с металлом, решается радиочастотными метками с объемной антенной. В общих чертах конструкция таких меток общеизвестна. В составе конструкции антенны для таких меток применяется диэлектрическая вставка с определенным значением диэлектрической проницаемости (ε) и малым значением тангенса диэлектрических потерь (tgδ). Излучающие электроды-плечи антенны располагаются на противоположных сторонах диэлектрической вставки, и к ним присоединяются радиочастотные выводы микросхемы. Электроды антенны объемной метки, как правило, выполняют в виде тонкопленочных металлических структур определенной формы, наклеиваемых или напыляемых на диэлектрическую вставку. В качестве электродов также могут использоваться металлические пластины. Для защиты электродов антенны и микросхемы метки от механических воздействий антенну и микросхему, как правило, помещают в корпус из радиопрозрачного материала. В конструкции корпуса метки предусматривают элементы для крепления метки к маркируемым объектам. Если по условиям эксплуатации защита от механических воздействий не требуется, и метка к объекту приклеивается, то корпус в конструкции метки не используют, а антенну с микросхемой покрывают слоем лакокрасочного материала. В зависимости от условий эксплуатации и степени воздействия факторов окружающей среды объемные радиочастотные метки производят в различных форм-факторах, в корпусном или бескорпусном исполнении.
Материалы, которые используются в конструкции объемных радиочастотных меток, могут быть различными по своим физическим и химическим свойствам. Различны также способы крепления антенны к диэлектрической вставке (приклеивание, напыление), способы присоединения микросхемы к антенне (пайка, сварка или приклейка при помощи токопроводящих клеев), а также типы используемых микросхем (корпусные, бескорпусные).
Объемные радиочастотные метки, выполненные с применением клеевых соединений и использующие для конструкции корпуса или диэлектрической вкладки полимерные материалы с температурой размягчения ниже плюс 200°C, могут деформироваться и терять функциональность, становиться хрупкими и разрушаться при низких температурах. Объемные метки, имеющие пластиковый корпус или лакокрасочное покрытие, не устойчивы к колющим и стирающим воздействиям. Они также не являются стойкими к воздействию некоторых органических веществ. Такие объемные радиочастотные метки не могут применяться для жестких условий эксплуатации и не могут быть аналогами представленной здесь полезной модели, разработанной для жестких условий эксплуатации.
Технические проблемы, решение которых обеспечивается при использовании полезной модели, состоят в том, что:
во-первых, радиочастотная метка функционирует и остается прикрепленной к объекту маркировки при воздействии на нее ударами, наносимыми тупыми или колющими предметами и идущими с разных сторон. Составные части радиочастотной метки не расплавляются, не расслаиваются и не отсоединяются друг от друга при воздействии повышенной до плюс 200°C температуры, равно как и при воздействии пониженной до минус 50°C температуры. Радиочастотная метка устойчива к воздействию воды и широкого класса органических химических веществ: масел, нефти, бензина, химических растворителей. Радиочастотная метка для жестких условий эксплуатации функционирует, не разрушается и остается прикрепленной к объекту как при отдельном воздействии каждого из вышеуказанных факторов, так и при одновременном воздействии всех указанных факторов;
во-вторых, обеспечивается уверенное считывание метки, закрепленной на металлическом объекте при относительно малых габаритах размерах метки (длина полосковой линии не превышает 3 мм, толщина электродов более 1 мм, расстояние между электродами около 3 мм);
в-третьих, расширяется арсенал отечественных технических средств радиочастотной идентификации металлических объектов специального назначения.
Аналогами полезной модели являются радиочастотная метка ROSSWELL компании «Xerafay» (www.xerafy.com Extra Strong Industrial RFTD Tags ROSWELL), радиочастотная метка X-Bolt компании «Confidex» (www.confidex.com Product Selector, X-BOLT), радиочастотная метка Adept 400 (5 layer) компании «Omni-ID» (www.omni-id.com ADEPT 400 (5 layer)). Все указанные аналоги полезной модели имеют в своем составе ударопрочное металлическое обрамление, используют термопрочные диэлектрические материалы, обеспечивают неразъемное механическое соединение с объектом маркировки. Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является радиочастотная метка ROSSWELL компании «Xerafay», имеющая в своей конструкции два проводящих электрода, разделенных между собой диэлектрической вставкой.
Однако аналоги отличаются от предлагаемой полезной модели своей формой, габаритными размерами (толщиной, длиной, шириной), типом материала диэлектрической вставки, формой и толщиной металлических электродов антенны радиочастотной метки, способом присоединения микросхемы к антенне, а также степенью их устойчивости к возможным механическим повреждениям и другим факторам окружающей среды.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической задачей для данной полезной модели является создание устройства для радиочастотной маркировки металлических объектов, обладающего прочностью в жестких условиях эксплуатации, сохраняющего свою функциональность и позволяющее крепить это устройство к металлическому объекту не только методом приклейки, но и методами сварки или пайки. Технический результат заключается в создании возможности идентификации радиочастотной метки, закрепленной на металлическом объекте, находящемся в жестких условиях эксплуатации. Поставленная задача в данном случае решается за счет того, что внешняя поверхность объемной UHF RFID-метки, разработанной по принципу замкнутой полосковой линии передачи, является поверхностью достаточно толстых (ненапыленных) металлических электродов ее антенны, толщина которых составляет не менее одного миллиметра. Это делает метку практически не разрушаемой при воздействии на нее ударов и царапин. Ввиду того, что внешней поверхностью метки является металл, ее возможно прикреплять к объекту любым удобным способом, включая припайку и приварку. Идентификационный чип имеет термопрочный пластиковый корпус, его выводы привариваются (припаиваются) к электродам антенны метки. Чип расположен между электродами и надежно ими защищен от внешних механических воздействий. Пространство между электродами метки заполнено твердым, термостойким диэлектрическим материалом, что также способствует повышению прочности разработанной полезной модели.
Объемные метки могут изготавливаться в вариантах короткозамкнутой или разомкнутой на конце линии передачи и иметь различные габаритные размеры. Из теории двухпроводной линии передачи следует, что для этих двух вариантов наименьшую длину для заданной рабочей частоты (фиксированной длины волны в диэлектрической вставке) будет иметь только отрезок короткозамкнутой линии, т.е. антенна метки, длина которого немногим меньше длины четверть волнового отрезка линии. Для этой же частоты длина антенны, спроектированная на базе линии передачи, разомкнутой на конце, будет находиться в пределах полуволнового отрезка.
Исходя из требования минимизации габаритных размеров метки, в представленной полезной модели антенна выполнена по схеме короткозамкнутой линии передачи, когда с одной стороны антенны электроды физически соединены друг с другом, а с другой стороны они присоединены к выводам UHF-микросхемы.
Электроды антенны в полезной модели имеют П-образную форму и могут быть изготовлены методом фрезерования из цельного куска металла, методом прессования и порошковой металлургии или методом литья расплавленного металла в форму.
Пространство между электродами может быть заполнено жидким диэлектрическим материалом, который после полимеризации в нормальных условиях приобретает требуемую твердость и другие физико-технические свойства, необходимые для обеспечения требуемых параметров метки. Пространство между электродами также может быть заполнено диэлектрической вставкой из радиокерамики или другого материала с требуемой величиной диэлектрической проницаемости (ε) и малым значением тангенса диэлектрических потерь (tgδ). В этом случае диэлектрическая вставка запрессовывается между электродами. Микросхема (в корпусе) своими выводами приваривается или припаивается тугоплавким припоем к планкам, изготовленным на внутренних поверхностях электродов антенны. Приведенные здесь конструктивные и технологические особенности объемной радиочастотной метки обеспечивают ей требуемую устойчивость при жестких условиях эксплуатации.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид в изометрии конструкции радиометки, частично заполненной диэлектрической вставкой и расположенной на металлической поверхности.
На фиг. 2 представлен вид сбоку конструкции радиометки со стороны микросхемы до заполнения пространства между электродами диэлектрической вставкой.
На фиг. 3 представлен вид сбоку конструкции радиометки со стороны микросхемы после заполнения пространства между электродами диэлектрической вставкой.
На фиг. 4 представлен график зависимости дальности считывания радиометки от частоты.
На фиг. 1-4 позициями 1-6 обозначены:
1 - корпус микросхемы;
2 - выводы микросхемы;
3 - электрод антенны радиометки;
4 - планки электрода антенны метки, которые привариваются к микросхеме;
5 - диэлектрическая вставка;
6 - металлическая поверхность.
Осуществление полезной модели
Реализация технического результата, заявленного в формуле полезной модели, была экспериментально проверена на действующем макете объемной метки. Антенна метки была изготовлена из цельного куска бронзы методом фрезерования. Толщина электродов составила 1.5 мм. Расстояние между электродами - 3 мм. Длина линии передач, заполненной диэлектрическим материалом с ε=30-24 мм. Корпусированная UHF-микросхема была припаяна к электродам антенны метки с использованием тугоплавкого припоя ПОС-90.
Метка трижды подверглась ударным нагрузкам (груз массой 3 кг падал на метку с высоты 1 метра) и температурным нагрузкам (нагревалась до плюс 200°С и находилась при этой температуре один час, охлаждалась до минус 50°С и находилась при этой температуре один час). Погружалась в моторное масло на 24 часа.
До и после каждого внешнего воздействия на объемную радиочастотную метку проверялись ее основные параметры: дальность считывания и резонансная частота. Для этого, используя аппаратно-программный комплекс Voyantic, строилась графическая зависимость дальности считывания метки от частоты. Полученные графические зависимости в пределах ошибки измерений ничем не отличались друг от друга, что свидетельствует о выполнении меткой своих функций при жестком воздействии на нее различных внешних факторов. Графическая зависимость дальности считывания макета объемной радиочастотной UHF-метки (полезной модели) от частоты приведена на фиг. 4.