МОДУЛЯТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Полезная модель относится к области радиочастотной идентификации и предназначена для модуляции электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне длин волн, проходящего через устройство и отраженного от него.
Известно управляемое устройство отражением электромагнитных волн, представляющее собой защитный экран, который состоит из сплошной металлической отражающей подложки, в качестве которой может быть использована электропроводящая защищаемая поверхность, слоя радиопрозрачного материала и планарной решетки, вмонтированной в слой радиопрозрачного материала и расположенной от отражающей подложки на расстоянии 1/4 длины волны электромагнитного поля, при этом планарная решетка представляет собой систему параллельных горизонтальных звеньев, расположенных на равном расстоянии друг от друга, каждый из которых состоит из последовательно соединенных активных элементов-проводников с управляемой проводимостью (RU №2272341, H01Q 15/10, H01Q 15/14, опубл. 20.03.2006). Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостаток данного решения заключается в принципиальной узкополосности устройства, обусловленной обязательным расположением планарной решетки от отражающей подложки на расстоянии 1/4 длины волны электромагнитного поля. Таким образом, устройство имеет резонансные свойства, задаваемые конструкционными размерами, и, следовательно, эффективно только вблизи своей резонансной частоты, что снижет эксплуатационную эффективность такого решения как средства защиты. Наличие задней пластины не позволяет модулировать проходящую волну. В прототипе диоды расположены в шахматном порядке, что также не позволяет добиться широкополосности. Применение в качестве коммутирующих компонентов низкочастотных диодов типа Д220Б, указанных в прототипе, не обеспечивает работу устройства на высоких частотах в силу наличия высокой собственной емкости этих диодов. Жесткая форма кассеты существенно уменьшает удобство применения данного устройства в качестве экранирующего средства защиты. Наличие в прототипе только одной, горизонтально ориентированной модулирующей решетки, приводит к зависимости эффективности функционирования от поляризации падающей электромагнитной волны, например при вертикальной поляризации, эффективность устройства вообще нулевая.
Таким образом, недостатками данного устройства являются невозможность модуляции проходящей волны (задняя пластина), узкополосность устройства (задняя пластина и шахматный порядок коммутаторов), слабая эффективность на высоких частотах (диоды Д220Б), чувствительность к поляризации падающей волны (горизонтальная решетка) и жесткая форма (плоская кассета).
Достигаемый технический результат заключается в повышении эффективности и надежности идентификации удаленного объекта с установленным на нем модулятором, путем увеличения уровня модуляционных компонентов в принимаемом сигнале и применения многочастотного метода идентификации.
Указанный технический результат достигается тем, что:
в параметрическом модуляторе не содержится статически отражающих или экранирующих элементов - электропроводящих поверхностей значительной величины, так как модулятор выполнен на радиопрозрачной тонколистовой основе, на одной стороне которой параллельными рядами закреплены образующие решетку электропроводящие нитеобразные элементы, состоящие из проводников одинаковой длины и, соединяющих проводники между собой, высокочастотных коммутаторов,
коммутаторы выполнены на основе высокочастотных pin-диодов,
расстояние между рядами (период решетки) равно длине проводника,
расстояние между коммутаторами в соседних рядах минимально,
электропроводящие нитеобразные элементы дополнены с одного края токозадающими резисторами, и соединены по концам с шинами, пропущенными вдоль краев основы и подключенными к источнику модулирующего сигнала,
на другой стороне основы закреплена ортогонально установленная дополнительная решетка, по конструкции аналогичная первой, и смещенная относительно первой по вертикали и горизонтали на расстояние, равное половине периода решетки.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 изображена конструкция параметрического модулятора, осуществляющего широкодиапазонную модуляцию падающих на него электромагнитных волн.
Устройство - управляемый параметрический модулятор для модуляции электромагнитных волн - относится к области техники, связанной с созданием полуактивных маркеров, применяемых в радиочастотной идентификации для размещения на удаленных объектах. При этом система радиочастотной идентификации состоит из облучателя, формирующего облучающую немодулированную электромагнитную волну, приемника, регистрирующего модулированный сигнал, и маркера, размещенного на объекте, содержащего модулятор падающего радиосигнала по закону, позволяющему произвести идентификацию объекта. Конструкция таких маркеров должна обеспечивать удобство крепления маркера на объекте сложной формы, а также обеспечивать уверенную идентификацию объекта при ослаблении сигнала, в условиях помех и изменениях в путях прохождения электромагнитной волны в пространстве между облучателем и маркером, а также изменении их взаимного расположения. Такие изменения могут происходить из-за:
взаимного движения маркера и облучателя, вследствие чего в принимаемом сигнале возникает доплеровское смещение частоты,
взаимного вращения маркера и облучателя, вследствие чего попадающие на модулятор и приемник электромагнитные волны могут изменять плоскость поляризации,
изменения электромагнитной конфигурации среды между маркером и облучателем вследствие попадания между ними проводящих предметов.
Кроме того, при наличии сложной электромагнитной конфигурации среды между маркером и облучателем, вследствие интерференции может образоваться локальная «тень» в зоне нахождения маркера при облучении моночастотным сигналом. Для повышения устойчивости считывания информации с маркера в этом случае целесообразно применять многочастотный метод облучения в широком диапазоне облучающих частот.
С этой целью к свойствам модулятора предъявляются требования обеспечения:
максимальной эффективности модуляции как падающей, так и проходящей сквозь поверхность модулятора электромагнитной волны,
независимости модуляционных свойств в широком частотном диапазоне,
независимости модуляционных свойств от поляризации падающего сигнала,
возможность криволинейности и гибкости поверхности модулятора.
Устройство - управляемый параметрический модулятор для модуляции электромагнитных волн (предназначен для модуляции переизлученного радиосигнала, падающего на поверхность изделия) - представляет собой листовую структуру произвольной формы, содержащую «решетку», состоящую из параллельных «нитей», с управляемой проводимостью. Проводимость нитей изменяется по заданному закону под действием управляющего электрического тока, поступающего из генератора управляющего сигнала.
Устройство (фиг.1) содержит тонколистовую радиопрозрачную основу 1 (например, полиимидная пленка, гибкий материал тканой основы, негибкая пластина их текстолита и т.д.), на которой или в которой в плоскости основы закреплены электропроводящие нитеобразные элементы 2, каждый нитеобразный элемент выполнен из проводников 3 одинаковой или неодинаковой длины и высокочастотных коммутаторов 4 между концами каждых двух смежно расположенных проводников 3. На основе 1 нитеобразные проводники расположены параллельно друг другу (параллельными рядами). Коммутаторы 4 в соседних рядах расположены на минимальном расстоянии друг от друга, вдоль воображаемых линий разреза проводников 3, перпендикулярных нитям. Pin-диоды в параллельных рядах в смежно-расположенных нитях установлены на общей мнимой лини, перпендикулярной направлению нитеобразных элементов.
При этом на оборотной стороне основы ортогонально установленные электропроводящие нитеобразные элементы смещены относительно электропроводящих нитеобразных элементов на лицевой стороне основы, а высокочастотные pin-диоды на оборотной стороне установлены в параллельных рядах на общей мнимой линии, перпендикулярной направлению нитеобразных элементов, которые подсоединены к источнику питания, и смещены относительно мнимой линии расположения pin-диодов на лицевой стороне основы.
В качестве коммутатора 4 применяется высокочастотный pin-диод (например с частотой среза 6 ГГц), обеспечивающий коммутацию радиосигналов в заданном частотном диапазоне.
Рабочий диапазон частот изделия определяется частотой среза коммутатора, а также геометрическими параметрами решетки:
длиной нити, т.е. количеством периодических элементов, умноженных на длину элемента - определяет нижнюю граничную частоту работочего диапазона;
длиной единичного элемента - определяет верхнюю граничную частоту работочего диапазона.
Высокочастотные pin-диоды в каждой нити последовательно соединены таким образом, чтобы анод предыдущего pin-диода соединяется с катодом последующего. Регулировка проводимости радиосигнала pin-диодами в нитях осуществляется путем изменения тока, проходящего через них. Величина тока, проходящего через каждую нить, определяется величиной сопротивления резисторов 8, включенных последовательно с нитями, и величиной подаваемого на нить напряжения.
Электропроводящие нитеобразные элементы соединены по концам с шинами 5, пропущенными вдоль краев основы 1 и подключенными к источнику модулирующего сигнала (не показан). Подключение осуществляется через контактную группу 6 на основе 1.
Эффективность модуляционных свойств изделия определяется площадью решетки, т.е. количеством нитей, умноженных на длину одной нити.
Принцип действия заключается в одновременном изменении пропускающих и отражающих свойств изделия, путем согласованного управления проводящими свойствами коммутаторов, в соответствии с требуемым законом модуляции.
На тыльной стороне основы могут быть закреплены дополнительные электропроводящие нитеобразные элементы 7, выполненные из проводников 3 одинаковой длины и коммутаторов 4 между концами каждых двух смежно расположенных проводников, которые расположены в направлении, перпендикулярном направлению расположения нитеобразных элементов на лицевой стороне основы, и со смещением (например, как предпочтительный вариант, на половину расстояния между нитеобразными элементами). Дополнительные электропроводящие нитеобразные элементы 7 выполнены совпадающими по конструкции с выполнением нитей 2 для лицевой стороны основы. Такая модификация устройства, состоящего из двух ортогональных решеток, обеспечивает независимость эффективности модуляционных свойств изделия от поляризации падающей волны. Обе решетки могут питаться от общих шин, но могут иметь автономное подключение через свои шины к отдельным источникам управляющего сигнала.
Шины и проводники выполняются на основе токопроводящих проводников, внедренных в структуру материала основы или полученных травлением на поверхности стороны основы. Высокочастотные pin-диоды припаиваются к краям проводников. Исключение из конструкции металлической пластины, примененной в прототипе и выполняющей функцию поглощающего экрана, достигается главное свойство - возможность модулировать проходящую волну. При использовании двух совмещенных ортогональных решеток, для обеспечения поляризационной независимости и широкополосности устройства, необходимо совмещать решетки таким образом, чтобы pin-диоды в совмещаемых решетках находились строго в узлах воображаемой квадратной сетки. Выполнение решетки в форме гибкого листа изменяемой формы достигается сервисное свойство - удобство размещения параметрического модулятора на объекте сложной формы.
Устройство работает следующим образом. Под действием управляющего (модулирующего) сигнала изменяется способность коммутаторов в нитях проводить токи высокой частоты, индуцируемые в нитях падающей электромагнитной волной. Вследствие этого изменяется величина переизлученной электромагнитной волны с поверхности модулятора и величина проходящей сквозь модулятор электромагнитной волны. Таким образом, переизлученная и проходящая волны оказываются промодулированы по закону изменения управляющего сигнала. В случае содержания в управляющем сигнале идентификационной информации в аналоговой или цифровой форме, в переизлученном и проходящем сквозь модулятор радиосигналах формируется модуляционная компонента, несущая идентификационную информацию об объекте.
Настоящая полезная модель промышленно применима, позволяет простыми средствами повысить эффективность радиочастотной идентификации удаленных объектов путем применения модулятора, состоящего из электропроводящих нитеобразных элементов, выполненных из проводников одинаковой длины и pin-диодов. Устройство может применяться также в любых областях техники, где целесообразно обеспечивать параметрическую модуляцию электромагнитных полей в широком диапазоне частот, например таких как связь, радиолокация, защита информации, и др.