Устройство кодирования на поверхностных акустических волнах для пассивного транспондера - RU2270517C1

Чертежи

Описание

Предлагаемое техническое решение относится к радиолокационной технике, в частности к транспондерам для систем радиочастотной идентификации подвижных и неподвижных объектов.

Системы радиочастотной идентификации и регистрации объектов (RFID-системы) получили широкое распространение в начале 90-х годов. В данных системах идентификация объекта производится по уникальному цифровому коду, излучаемому закрепленной на объекте меткой-транспондером. Опрос транспондера производится автоматически с помощью приемопередающего устройства (ридера). В настоящее время в зависимости от требований к системе применяются как активные, с питанием от встроенной батареи, так и пассивные транспондеры. Энергию, необходимую для формирования ответного сигнала, пассивный транспондер получает от энергии запросного сигнала ридера. Ридер может опрашивать транспондер за счет ультразвуковой, световой или др. энергии.

Существующие в настоящее время системы RFID различных производителей, как правило, различаются радиусом действия, несущей частотой используемых сигналов, типом модуляции, протоколом радиообмена и объемом возвращаемой меткой-транспондером информации.

В настоящий момент наибольшим спросом пользуются высокочастотные транспондерные устройства, которые позволяют идентифицировать объекты на достаточно больших до 15 метров расстояниях и движущихся со скоростями до 200 км/час.

Существенное снижение стоимости высокочастотного оборудования возможно за счет использования в системах RFID устройств на поверхностных акустических волн (ПАВ).

Известно маркерное устройство по патенту РФ №2176092, МПК⁷ G 01 S 13/79, опубликовано 20.11.2001 г. Маркерное устройство для системы радиочастотной идентификации содержит плату и размещенные на ней приемную и излучающую антенны, а также устройство на поверхностных акустических волнах, выполненное в виде подложки из пьезоэлектрического материала, на которой размещены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Причем выходной ВШП представляет собой пары электродов, подключенные к суммирующим шинам в соответствии с заранее выбранным кодом.

Максимальное количество кодовых комбинаций для данного устройства составляет 2^N, где N - количество пар выходных электродов. При реально допустимых размерах устройства на ПАВ для маркеров число знаков N варьируется в пределах от 16 до 32. Дальнейшее увеличение числа N приводит к недопустимо большим размерам подложки устройства. Кроме того, максимальное количество выходных электродов ограничено затуханием ПАВ, распространяющейся по звукопроводу.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство кодирования на ПАВ с параллельными трактами распространения акустической волны, описанное в патенте США №4620191, МПК G 01 S 013/80, опубликовано 28.10.86 г.

Известное устройство кодирования на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для пассивного транспондера, используемого в системах идентификации объектов, содержит пьезоэлектрическую подложку и N пар встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки параллельными рядами по ее ширине, причем каждая пара ВШП состоит из одного входного ВШП и одного выходного ВШП и настроена на определенную рабочую частоту. Входные ВШП, на которые поступает сигнал запроса, расположены по ширине подложки в одной плоскости один под другим. Тогда как выходные ВШП могут быть расположены по ширине подложки ступенчато или в различных участках подложки. Электрически входные и выходные ВШП могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно.

Предлагаемое в прототипе расположение выходных преобразователей обусловлено необходимостью снижения влияния помех одного акустического канала распространения ПАВ на другой. Фазовое кодирование ответного сигнала производится за счет так называемых фазовых площадок, т.е. площадок металлизации участков звукопровода перед электродами выходных преобразователей, на которых скорость распространения ПАВ меньше, чем на свободной поверхности звукопровода за счет закорачивания тангенциальной составляющей электрического поля.

Недостатками описанного выше устройства является сложность топологического выполнения выходного преобразователя и невозможность получения большого количества кодовых комбинаций на ограниченной рабочей площади подложки устройства на ПАВ. Для устройства на ПАВ точность выполнения фазовых площадок для частот около 1 ГГц должна составлять не менее 0,01 мкм, что для современного развития технического уровня прецизионной литографии составляет большие трудности. Кроме того, число вариаций кода в строке такого устройства, не превышающего четырех знаков в горизонтальной строке, составляет 2⁴, то есть 16-ти. Трудно представить выполнение такого устройства на частоту 2,45 ГГц, так как для его реализации в настоящее время технические средства изготовления отсутствуют.

Таким образом, при наличии числа параллельных акустических каналов (5-7), что соответствует реальным размерам максимальной ширине изготовляемых подложек из синтетических пьезоматериалов, максимально возможное число кодовых комбинаций для данного устройства не превышает 120.

Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства кодирования на ПАВ для транспондера, в котором достигалось бы значительное увеличение числа возможных кодовых комбинаций без увеличения общих размеров кристалла пьезоэлектрической подложки.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве кодирования на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для пассивного транспондера, используемого в системах идентификации объектов,

содержащем пьезоэлектрическую подложку и

N пар встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки параллельными рядами по ее ширине,

причем каждая пара ВШП состоит из одного входного ВШП и одного выходного ВШП и настроена на определенную рабочую частоту,

N входных ВШП, на которые поступает сигнал запроса, расположены по ширине подложки в одной плоскости один под другим и соединены электрически параллельно между собой,

N выходных ВШП, с которых снимается ответный сигнал, расположены ступенчато по ширине подложки в базовых позициях относительно соответствующих входных ВШП, причем выходные ВШП размещены в соседних рядах либо слева от выходного ВШП в предыдущем ряду, либо справа от него, и также соединены электрически параллельно между собой,

предлагается, чтобы

по меньшей мере две пары ВШП имели разные рабочие частоты, выбираемые из М различных значений,

чередование пар ВШП, имеющих разные рабочие частоты, было бы индивидуально для каждого устройства на ПАВ и соответствовало заранее выбранной кодовой комбинации. Каждый из N выходных ВШП может быть установлен по длине подложки со сдвигом относительно базовой позиции в одной из фиксированных позиций, индивидуальной для каждого устройства на ПАВ и соответствующей заранее выбранной кодовой комбинации.

Таким образом, максимальное количество кодовых комбинаций для данного устройства составит (M×L)^N, где М - число рабочих частот устройства, L - число фиксированных позиций выходных ВШП, включая базовую, N - количество пар ВШП.

За счет использования в предлагаемом устройстве различных рабочих частот, на которые настроены разные пары преобразователей и введения дополнительного пространственного позиционирования выходных ВШП, удается значительно увеличить число возможных кодовых комбинаций, которое может содержать устройство. При этом размеры подложки не увеличиваются, т.к. расстояния между дополнительными позициями, на которые предлагается сдвигать выходные ВШП, и базовыми позициями выходных ВШП незначительны.

Дополнительным отличием устройства кодирования является то, что одна из пар ВШП, в которой выходной ВШП расположен от входного на минимальном расстоянии в фиксированной базовой позиции, выполнена в виде опорной, задающей начальную задержку срабатывания выходных ВШП.

Введение дополнительной строки с опорными преобразователями позволяет достичь более точного отсчета временных интервалов в выходном сигнале, что эквивалентно точному определению пространственного положения выходных ВШП.

Расстояние между входным и выходным опорными преобразователями определяет начальную, отсчетную, задержку устройства (Тнач).

Еще одним дополнительным отличием является то, что в устройстве на ПАВ для пассивного транспондера М выбирают равным двум, a L - трем, что соответствует наиболее оптимальному соотношению между числом кодовых комбинаций устройства и стоимостью его изготовления.

Сущность заявляемого устройства кодирования на ПАВ для транспондера иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен общий случай выполнения устройства кодирования на ПАВ, где 1 - пьезоэлектрическая подложка, 2 - входной опорный ВШП, 3 - выходной опорный ВШП, 4 - входные ВШП, 5 - выходные ВШП.

F₀ - частота (пространственный период) опорных ВШП,

N - число входных и выходных ВШП. Его максимальная величина определяется отношением максимально возможной шириной подложки к минимально возможной величине апертуры ВШП, составляющих строку.

М - число частот (пространственных периодов) устройства. Максимальное значение определяется частным от деления разрешенной рабочей полосы и полосы ВШП. L - число фиксированных позиций, которое может занимать каждый выходной ВШП в строке. Максимальное число L определяется максимальной длиной звукопровода и числом частичных выходных ВШП (максимально возможным числом строк). В реальных технически реализуемых устройствах N может достигать величины 10-12, М может быть 5-7, а L может быть 3-4.

На фиг.2 приведен пример реализации заявляемого устройства с четырьмя рабочими частотами, для графического упрощения ВШП показаны в виде прямоугольников.

На фиг.3 показана амплитудно-частотная характеристика (модуль коэффициента передачи) для примера реализации устройства, приведенного на фиг.2.

На фиг.4 приведена пространственная частотно-кодированная последовательность импульсов откликов транспондера для примера реализации устройства, приведенного на фиг.2 (импульсная характеристика устройства).

Описание работы устройства на примере реализации, приведенной на фиг.2.

Каждая строка, состоящая из входного и выходного частичного ВШП, имеет свой частотный канал Δf₁, Δf₂, Δf₃ и Δf₄. При этом каждый частотный канал обладает своей центральной частотой: f₁, f₂, f₃ и f₄. Так как входные и выходные частичные ВШП в каждой из своей группы электрически соединены параллельно, то общий вид частотной характеристики устройства имеет гребенчатую структуру, показанную на фиг.4

Порядок изменения этих частот в вертикальной строке входных ВШП и представляет собой частотную кодировку устройства. Для рассматриваемого устройства частотный код будет выглядеть следующим образом: f₂-f₃-f₁-f₄ (если каждой частоте присвоить двоичный код, то эту частотную последовательность можно выразить в цифровом двоичном коде).

В то же время каждый выходной ВШП в своей строке может занимать одно из фиксированных позиций, относительно базовых. Это: 0, + Δt, - Δt, +2 Δt, -2 Δt.

Выходные ВШП могут занимать в своей строке либо базовую - нулевую - позицию, обозначенную на фиг.1 и 2 цифрой 0, либо одну из дополнительных позиций, близких к базовой и сдвинутых от нее на какое-либо дискретное значение - плюс/минус (s Δt), где s - целое число (фиг.2). Кодировка заключается в пространственном расположении выходных ВШП в строках в соответствии с заранее выбранной кодовой комбинацией. Минимальный пространственный сдвиг выходного ВШП, соответствующий минимальному дискретному значению Δt, может составлять половину длины волны ПАВ, соответствующей частоте данного ряда устройств. В этом случае фазовый сдвиг выходного сигнала будет составлять 180 градусов относительно входного сигнала, т.е. будет осуществляться фазовая манипуляция выходного сигнала.

При опросе транспондера с таким устройством кодирования коротким радиоимпульсом, поступающим от ридера, импульсом с широким спектром, перекрывающим всю рабочую полосу - ΔF устройства, откликом будет пространственная частотно-кодированная последовательность, показанная на фиг.4. В этой последовательности первым от начала координат, т.е. опорным радиоимпульсом, и первым по времени поступления является импульс с частотой f₂. Следующим в последовательности будет радиоимпульс с частотой f₃. Затем будет следовать сигнал с частотой f₁, причем f₁ 2 3. Для другого экземпляра устройства на ПАВ чередование частот будет иным, например f₃, f₄, f₂ и f₁, при этом может измениться и временное положение импульсов последовательности. Второй импульс может быть сдвинут относительно его опорного положения вдоль направления распространения ПАВ на +2 Δt, а третий импульс на - Δt. Таким образом, для каждого конкретного экземпляра устройства на ПАВ реализуется свой, только ему присущий индивидуальный код, причем число переборов таких кодов определяется из выражения - (M×L)^N. Устройство, подобное описанному, может быть изготовлено на высокопрецизионном фотонаборном оборудовании с точностью позиционирования элементов 0,02-0,03 мкм, с минимальными размерами элементов 0,35-0,40 мкм, что соответствует рабочим частотам ПАВ около 2,5 ГГц.

Технико-экономический эффект от предлагаемого технического решения заключается в том, что при сохранении технических требований к точности технологического оборудования и фиксированных геометрических размерах звукопровода устройства на ПАВ возможно увеличение более чем на два порядка информационной емкости транспондера на ПАВ при сохранении его геометрических размеров. Так, например, на звукопроводах размерами 10×10×0,5 мм может быть достигнут свыше 4,5 млрд. вариантов кодов.

Реферат

Изобретение относится к радиолокационной технике, в частности к транспондерам для систем радиочастотной идентификации подвижных и неподвижных объектов. Техническим результатом является увеличение числа возможных кодовых комбинаций без увеличения общих размеров кристалла пьезоэлектрической подложки. Устройство кодирования на ПАВ для пассивного транспондера содержит пьезоэлектрическую подложку и N пар ВШП, расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки параллельными рядами по ее ширине, причем каждая пара ВШП состоит из одного входного ВШП и одного выходного ВШП и настроена на определенную рабочую частоту, N входных ВШП, на которые поступает сигнал запроса, расположены по ширине подложки в одной плоскости один под другим и соединены электрически параллельно между собой, N выходных ВШП, с которых снимается ответный сигнал, расположены ступенчато по ширине подложки в базовых позициях относительно входных ВШП и также соединены электрически параллельно между собой, при этом по меньшей мере две пары ВШП имеют разные рабочие частоты, выбираемые из М различных значений, чередование пар ВШП, имеющих разные рабочие частоты, индивидуально для каждого устройства на ПАВ и соответствует заранее выбранной кодовой комбинации, каждый из N выходных ВШП может быть установлен со сдвигом относительно базовой позиции в одной из фиксированных позиций, индивидуальной для каждого устройства на ПАВ и соответствующей заранее выбранному коду, таким образом, максимальное количество кодовых комбинаций для данного устройства составляет (M×L)^N, где М - число рабочих частот устройства, L - число фиксированных позиций выходных ВШП, включая базовую, N - количество пар ВШП. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула