РАДИОМЕТКА ДЛЯ СИСТЕМ ИДЕНТИФИКАЦИИ НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
RFID-TAG FOR IDENTIFICATION SYSTEMS BASED ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиочастотной идентификации [1], в частности к технологиям построения радиометок на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
l
2
n
Известен способ построения радиометок с отражательными структурами в виде расположенных на звукопроводе металлизированных полосок (канавок) либо отражательных встречно-штыревых преобразователей (ВШП) [1, 2]. В конструкции радиометки для преобразования поступающего из антенны опросного электрического сигнала в ПАВ используется входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП), обеспечивающий вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта преобразование электрического сигнала в ПАВ. Отражательные структуры расположены на поверхности звукопровода таким образом, что после отражения и преобразования ПАВ во входном ВШП, в антенну радиометки поступает кодовая последовательность импульсов с соответствующими задержками по времени t, t, …t. Число отражателей соответствует разрядности формируемой кодовой последовательности и выбирается из условия получения необходимого коэффициента отражения при приемлемом уровне вносимых потерь и ложных сигналов.
Известно устройство радиометки на ПАВ с отражательными структурами в виде ВШП, описанное на рисунке 10.7 в работе [2] и в работе [3]. Коэффициент отражения в такой структуре регулируется геометрией ВШП. Принцип работы устройства аналогичен принципу работы описанной выше радиометки. Принятый антенной сигнал, преобразуется в ПАВ во входном ВШП и распространяется в звукопроводе в направлении отражательной структуры во входном ВШП. ПАВ, отраженная от парциальных ВШП (ВШП-1, ВШП-2, …ВШП-n), достигает входного ВШП и преобразуется в нем вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта в электрический сигнал, который излучается антенной в виде кодовой последовательности разделенных по времени импульсов.
По основным параметрам вышеописанные радиометки аналогичны. В первом варианте кодирующими элементами являются отражающие металлизированные полоски (канавки), а во втором - отражающие встречно-штыревые преобразователи (ВШП1, ВШП2, …ВШПn).
К числу основных недостатков обоих вариантов построения радиометок с отражательными структурами следует отнести значительное ослабление акустического сигнала на двойном пути прохождения структуры отражательных элементов, а также большое число ложных переотраженных сигналов при прямом и обратном прохождении ПАВ.
Известны и другие радиометки, в конструкции которых были предусмотрены решения, направленные на снижение вышеуказанных негативных последствий путем распараллеливания акустических каналов в радиометке и на повышение отражательной способности кодирующих ВШП [4, 5, 6, 7]. Однако все принимаемые меры приводили к существенному увеличению поперечных размеров радиометки (пропорционально числу параллельных акустических каналов) и усложнению процедуры согласования импеданса антенны и входных ВШП.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство, описанное на с. 393-395 в работе [2], принятое за прототип. Структурная схема устройства-прототипа представлена на с. 394 (рис. 10.3) в работе [2].
Устройство-прототип содержит антенну, звукопровод с расположенными на нем в одном акустическом канале входным встречно-штыревым преобразователем (ВШП-1) и кодирующим встречно-штыревым преобразователем (ВШП-2) и соединенными с антенной.
В качестве кодирующих элементов выступает ВШП-2, и при формировании кодовой последовательности используются последовательно восстановленные сигналы в кодирующих элементах ВШП-2.
В прототипе высокочастотный опросный импульс принимается антенной радиометки. При этом часть энергии поступает на ВШП-1, где преобразуется в ПАВ, которая последовательно достигает кодирующего ВШП-2, на котором происходит прямое преобразование ПАВ в электрический сигнал, соответствующий кодовой последовательности.
Прототипу присущи следующие недостатки:
- сложность согласования ВШП с антенной, поскольку входной импеданс на рабочей частоте зависит от кодовой последовательности;
- многократная регенерация ПАВ в ВШП-2, поскольку он находится на общей шине с ВШП-1 и, как следствие, появление «паразитных» откликов на импульсной характеристике;
- трудности получения качественных кодовых последовательностей с разрядностью более десяти.
- увеличенный уровень вносимых потерь из-за того, что ПАВ проходят удвоенное расстояние для попадания на приемо-передающий ВШП. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании устройства радиочастотной идентификации на ПАВ, лишенного указанных недостатков.
Технический результат заключается в снижении вносимых потерь и снижении«паразитных» откликов за счет разделения во времени приема и передачи импульсов кодовой последовательности.
Для решения поставленной задачи в радиометке для систем идентификации на основе поверхностных акустических волн, содержащей расположенные в одном акустическом канале входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП1) и кодирующий встречно-штыревой преобразователь (ВШП2), состоящий из последовательности парциальных ВШП, а также антенну, электрически связанную с ВШП1 и ВШП2, электрическая связь ВШП1 с антенной выполнена гальванической, а электрическая связь ВШП2 с антенной осуществлена посредством невзаимного устройства, выполненного в виде циркулятора Y-типа, первый вывод которого подключен к соединительной шине, второй вывод - к антенне и одновременно к ВШП1, а третий вывод - к балластной нагрузке.
Изобретение поясняется чертежом фиг. 1, где представлена структура радиометки для систем идентификации на основе ПАВ.
На фиг. 1 изображено:
1 - звукопровод;
2 - антенна;
3 - входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП1);
4 - кодирующий встречно-штыревой преобразователь (ВШП2);
5 - невзаимное устройство, например циркулятор Y-типа, в котором I, II, III - входы циркулятора Y-типа;
6 - балластная нагрузка.
Циркулятор Y-типа представляет собой устройство передачи информации в одном направлении в определенной полосе частот.
В циркуляторе Y-типа 5 круговой стрелкой указано направление движения электронного потока против часовой стрелки, при этом условно принято направление постоянного магнитного потока  - к наблюдателю).
Заявляемая радиометка содержит звукопровод 1 с пьезоэлектрической подложкой на ниобате лития, антенну 2, входной ВШП1 3 и кодирующий ВШП2 4, а также циркулятор Y-типа 5 и балластную нагрузку 6.
К антенне 2 подключен входной ВШП1 3. Кодирующий ВШП2 4 состоит из параллельно соединенных парциальных ВШП, находящихся в одном акустическом канале, для генерации кодовой последовательности. Радиометка не требует внешних источников питания, а ее принцип работы основан на последовательной задержке сигнала, преобразованного в поверхностную акустическую волну (ПАВ) и последующего преобразования в электрический сигнал и излучения его антенной.
При этом кодирующий ВШП2 4 подключается не напрямую (как в прототипе), а через невзаимное устройство, в качестве которого, например, использован циркулятор Y-типа 5, первый вывод которого присоединен к соединительной шине, второй вывод - к антенне 2 и одновременно к входному ВШП1 3, а третий вывод - к балластной нагрузке 6. В результате, кодирующий ВШП2 4 оказывается развязанным от входного ВШП1 3.
Принцип действия радиометки следующий.
1
2
n
Высокочастотные опросные импульсы от считывателя принимаются антенной 2 радиометки и поступают на электроды входного ВШП1 3. При этом часть энергии, поступающей на циркулятор Y-типа 5, поглощается на пути II-III в балластной нагрузке 6. Далее, возбужденная во входном ВШП1 3 поверхностная акустическая волна последовательно достигает парциальных ВШП кодирующего ВШП2 4 через интервалы времени t, t…t. Эти интервалы получаются всегда больше длины импульсного отклика однонаправленного ВШП1, и импульсы в получившейся последовательности не перекрываются. Там она, в свою очередь, вновь преобразуется в электрическую составляющую, которая, пройдя путь I-II в циркуляторе Y-типа 5, излучается антенной 2 радиометки. Движения электронного потока по пути I-III невозможно в силу свойства циркулятора Y-типа - однонаправленности.
По сравнению с прототипом, из-за отсутствия поглощения обратной волны в материале подложки и электродах кодирующего ВШП2 4, ослабление ПАВ в радиометке составляет примерно 50%, что даже для 8-битной метки составляет 20÷25 дБ. Активные потери в циркуляторе Y-типа 5 на рабочей частоте несопоставимо малы (~0,3÷0,5 дБ.) по сравнению с получаемым выигрышем. Из вышеизложенного следует, что радиометка практически свободна от недостатков прототипа, в т.ч. в части зависимости согласования антенны от кода метки, поскольку она развязана от кодирующих элементов ВШП2 4 через циркулятор Y-типа 5 с ослаблением ~25 дБ, а паразитные отклики на импульсной характеристике в среднем на 10-12 дБ ниже основных откликов.
Ниже приведен пример выполнения заявляемого устройства.
Радиометка на ПАВ выполнена в герметичном корпусе со звукопроводом из ниобата лития YX/128° среза 1. На звукопроводе расположены входной ВШП1 3, имеющий апертуру 80 длин ПАВ на центральной частоте и кодирующий ВШП2 4 с числом секций равным N=8. При этом входной ВШП1 3 может быть выполнен однонаправленным, а расстояние между секциями кодирующего ВШП2 4 выбрано равным или большим длины однонаправленного ВШП вдоль направления распространения ПАВ.
Центральная частота ВШП1 3 выбрана, исходя из требований Международного Регламента [1], равной 860 МГц, полоса пропускания кодирующего ВШП2 4 выбирается, исходя из требований Международного Регламента [1], равной 5 МГц. Антенна 2 подсоединяется к ВШП2 4 и ВШП1 3 через циркулятор Y-типа 5, к которому подсоединена балластная нагрузка R=50 Ом.
Как показали измерения, уровень паразитных откликов, связанный с переотражениями от ВШП, на 25-30 Дб ниже основных сигналов, что существенно ниже, чем в прототипе, за счет того, что антенна 5 подсоединена к ВШП1 3 через циркулятор. При этом, вносимые потери в радиометке равны 28-30 дБ, что ниже, чем в прототипе (32-35 дБ).
Источники информации
[1] - Сандип Лахири. RFID. Руководство по внедрению. Пер. с англ. - М. КУДИЦ - ПРЕСС. - 2007. - 312 с., илл.;
[2] - Балышева О.Л. и др. Акустоэлектронные устройства обработки генерации сигналов. Принцип работы, расчета и проектирования. / О.Л. Балышева, В.И. Григоровский, Ю.В. Гуляев, В.Ф. Дмитриев, Г.Д. Мансфельд. Монография / под ред. Акад. РАН Ю.В. Гуляева - М.: Радиотехника, 2012. - 576.: илл.;
[3] - Dudzik, Abedi А и др. Wireless sensor system based on SAW coded passive devices for multiple access // 2008. JEEE Int. Ultra. Symp. Proc. P 1116-1119;
[4] Патент RU 2270517 C1 от 20.02.2006;
[5] Патент RU 2326403 C2 от 10.06.2008;
[6] Патент RU 2326404 C2 от 10.06.2008;
[7] Патент RU 2326405 С1 от 10.06.2008.