Устройство радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для идентификации и охраны различных объектов. Технический результат состоит в использовании одного отражательного встречно-штыревого преобразователя с регулируемым коэффициентом отражения. Для этого в устройство, содержащее корпус, приемно-передающую антенну, звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревой преобразователь (ВШП), соединенный с антенной, хотя бы один отражательный ВШП в одном акустическом канале, введены основной и дополнительный акустические каналы, в основном акустическом канале расположены однонаправленный приемо-передающий ВШП с внутренними отражателями, а отражающий ВШП с числом пар электродов, выбираемым из условия ,

где k - квадрат коэффициента электромеханической связи, соединен с электронным ключом, который замыкает и размыкает отражающий ВШП в определенные моменты времени, образуя кодовую последовательность, и управляется микроконтроллером, который запрограммирован на определенную кодовую последовательность. 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для идентификации и охраны различных объектов.

Известны пассивные устройства радиочастотной идентификации [1], в которых нет источника питания. В этих устройствах с помощью индуктивной связи через переменное магнитное поле производится дистанционное электропитание микросхемы, которая выдает определенный код через эту же индуктивность связи в разпознавающее устройство. Недостатком данной системы является малый радиус действия (до метра) и также достаточно сильный сигнал, обеспечивающий питание микросхемы, что может нанести вред идентифицируемому объекту (особенно, если это животное или человек).

Устранить указанные недостатки позволяет пассивное устройство радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащее корпус, приемно-передающую антенну, звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемо-передающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), соединенный с антенной, и отражательные ВШП в одном акустическом канале [2]. В данном устройстве опрашивающий сигнал принимается антенной, далее с помощью ВШП преобразуется в ПАВ, которые затем отражаются от отражательных ВШП, образуя кодовую последовательность, которая с помощью ВШП, соединенного с антенной, преобразуется в электромагнитный сигнал и излучается на распознающее устройство. В данном случае нет необходимости в электропитании микросхемы, поэтому опрашивающий сигнал может быть ослаблен до значений, не наносящих вред идентифицируемому объекту. Расстояние идентификации также может быть увеличено надлежащим подбором рабочих частот и антенны. Недостатком данной конструкции является достаточно большое ослабление отраженного сигнала по сравнению с падающим на антенну (что снижает динамический диапазон и уменьшает расстояние, на котором может быть произведена идентификация объекта) из-за того, что коэффициент отражения от отражательных ВШП должен быть значительно меньше 1, чтобы отраженные сигналы от соседних отражательных ВШП не искажали бы кодовую последовательность. Кроме того, для получения кодовой последовательности емкостью 128 бит и более необходимо располагать отражательные ВШП достаточно близко друг к другу, а значит опрашивающий импульс должен быть длительностью не более , где l - расстояние между отражательными ВШП, V_ПАВ - скорость ПАВ, т.е. полоса пропускания опрашивающего устройства должна быть в большинстве случаев не менее 20 МГц, что не всегда приемлемо.

Одной из важных задач устройств радиочастотной идентификации является также возможность считывания одновременно нескольких кодов. Действительно при считывании информации одновременно с нескольких устройств идентификации импульсы от нескольких устройств могут наложиться друг на друга и сделать невозможным считывание кода идентификации, что является недостатком существующих устройств радиочастотной идентификации на ПАВ.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании устройства идентификации на ПАВ, лишенного указанных недостатков. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в использовании одного отражательного ВШП с регулируемым коэффициентом отражения.

Это достигается тем, что в него введены основной и дополнительный акустические каналы, в основном акустическом канале расположены однонаправленный приемо-передающий ВШП с внутренними отражателями, а отражающий ВШП с числом пар электродов, выбираемым из условия , где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи, соединен с электронным ключом, который замыкает и размыкает отражающий ВШП в определенные моменты времени, образуя кодовую последовательность, и управляется микроконтроллером, который запрограммирован на определенную кодовую последовательность, и который соединен с источником питания, и который подсоединен к выходному ВШП дополнительного акустического, входной ВШП которого соединен с антенной, причем период этих ВШП отличен от периода ВШП основного акустического канала.

На чертеже показана топологическая структура устройства на ПАВ в соответствии с изобретением.

Устройство содержит звукопровод 1, на котором в основном акустическом канале расположены приемо-передающий однонаправленный ВШП 2, соединенный с антенной 3, отражательный ВШП 4 с числом пар электродов, определяемым из условия , где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи, который соединен с электронным ключом 5, который управляется микроконтроллером 6, к которому подсоединен источник питания 7. Микроконтроллер 6 подсоединен к выходному ВШП 8 дополнительного акустического канала, входной ВШП 9 которого соединен с антенной 3. Звукопровод помещен в герметичный корпус 10.

Устройство работает следующим образом. При подаче опрашивающего импульса с несущей частотой f=V_ПАВ/λ, где λ - период ВШП в основном акустическом канале, на антенну 3 он проходит на приемо-передающий ВШП 2 и возбуждает в подложке 1 ПАВ, которые доходят до отражательного ВШП 4, отражаются от него и снова попадают на ВШП 2 и через антенну 3 излучаются на разпознавающее устройство.

Коэффициент отражения от ВШП с расщепленными штырями определяется по формуле

где Y - нагрузка, подключенная к ВШП. Если ВШП разомкнут, то Y=0 и коэффициент отражения становится равным

где Ga и Ba - активная и реактивная составляющие проводимости ВШП, С_Т - его статическая емкость.

Нетрудно видеть из формулы (2), коэффициент отражения близок к 1, если выражение в скобках равно или близко к нулю, т.е.

На центральной частоте условие f=V_ПАВ/λ (3) выполняется при , где N - число пар электродов в отражательном ВШП, где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи.

Если ВШП короткозамкнут, то Y=∞ и коэффициент отражения R=0.

Однако и при замкнутом ВШП от него отражаются ПАВ как от системы полосков, расположенных на пути распространения ПАВ. Коэффициент отражения от такой системы полосков, как показано в [3], не превышает 0,5. Если в ВШП использовать расщепленные электроды, то короткозамкнутый ВШП имеет коэффициент отражения, как следует из [3], много меньше 1. Но использование расщепленных электродов приводит к тому, что ширина электродов будет в 2 раза меньше, чем у ВШП без расщепленных штырей, что неприемлемо для частот выше 1200 МГц. Поэтому в любом случае при замыкании ВШП (Y=∞) коэффициент отражения его изменится как минимум в 2 раза, что приведет к модуляции отраженного сигнала с глубиной модуляции 50%, что вполне приемлемо для распознавания кода.

При замыкании отражательного ВШП 4 электронным ключом 5 у него, как показано выше, меняется коэффициент отражения. Поэтому отраженные от него ПАВ оказываются промодулированными по амплитуде и, попадая на приемо-передающий ВШП 2, через антенну 3 излучают на разпознавающее устройство модулированный сигнал, образуя определенную кодовую последовательность. Вид этой кодовой последовательности задается микроконтроллером 6, который подает на электронный ключ 5 управляющие сигналы по определенной программе, для формирования определенной кодовой последовательности. При этом контроллер и электронный ключ только замыкает и размыкает ВШП, а ВШП отражает падающую на него ПАВ с коэффициентом отражения, близким к 1, т.е. энергия на излучение электромагнитного излучения берется из падающего на ЛЗ сигнала, а микроконтроллер потребляет энергию только на замыкание и размыкание ВШП. Поэтому этот микроконтроллер потребляет очень малый ток (5-10 мкА) и может быть запитан от маленькой батарейки от ручных часов, и ее хватает на год или более, как и в часах. Полоса частот в этом случае определяется длиной наикратчайшего из отраженных импульсов, которая определяется скоростью замыкания и размыкания ВШП микроконтроллером, и может быть сделана длиной в 0,5-2 мкс, т.е. ширина полосы пропускания будет 0,5-2 МГц на любой несущей частоте. Ясно, что при таком способе кодирования длина кодовой последовательности может быть сделана намного больше, чем величина задержки сигнала в ЛЗ.

Несколько ранее считывающего импульса с несущей частотой f посылается опорный импульс с частотой f₁=V_ПАВ/λ₁, где λ₁ - период ВШП в дополнительном акустическом канале на ВШП 8. Этот импульс поступает на вход микроконтроллера 6 с ВШП 9 и запускает его. Микроконтроллер 6 запрограммирован таким образом, что начинает замыкать ВШП 3 не сразу после запуска, а через определенное время, в тот момент когда на антенну должен прийти считывающий импульс с частотой заполнения f. Если время запуска получается больше, чем отражаемая кодовая последовательность, в 2 раза, то появляется возможность послать еще один опрашивающий импульс, который будет теперь отражаться от другого устройства идентификации, в котором микроконтроллер начал размыкать отражательный ВШП. При этом от первого устройства отражений не будет, так как отражательный ВШП замыкается микроконтроллером после посылки необходимой кодовой последовательности. Если время запуска будет в 4 раза больше посылаемой кодовой последовательности, то появляется возможность послать третий опрашивающий импульс, который уже будет отражаться от третьего устройства идентификации, а первые два не будут отражать, поскольку отражательный ВШП в них будут замкнуты. Если в четвертом устройстве микроконтроллер будет запрограммирован на замыкание ВШП через время, в 8 раз больше посылаемой кодовой последовательности, то посылаемый на него опрашивающий импульс будет отражаться именно от него, а остальные три устройства отражать не будут, так как их отражательные ВШП будут замкнуты. Таким образом, можно организовать опрос 5, 10 и даже несколько тысяч устройств, поскольку микроконтроллер можно запрограммировать на срабатывание хоть через несколько секунд.

Пример выполнения. Устройство идентификации на ПАВ на центральную частоту 650 МГц и полосу пропускания около 15 МГц с конструкцией, показанной на фиг.1. Отражательный ВШП выполнен с расщепленными штырями, чтобы при замыкании он почти не отражал ПАВ.

Приемо-передающий ВШП 2 выполнен однонаправленным. Длина этого ВШП равна 35 длин ПАВ. Длина отражательного ВШП 4 вдвое меньше. Апертура обоих ВШП 80 длин ПАВ на центральной частоте. Расстояние между ВШП равно 4 мм, т.е. задержка отраженного сигнала составляет 2 мкс. ВШП 8, 9 в дополнительном акустическом канале выполнены аналогично ВШП 2. ЛЗ расположена в SMD корпусе 6×10×1,5 мм. В качестве электронного ключа использован полевой транзистор, сток и исток которого подсоединены к отражательному ВШП, а затвор к микроконтроллеру. В качестве микроконтроллера используется микроконтроллер, в котором средний потребляемый ток равен 15 мкА. В качестве источника питания используются батарейки от часов общим напряжением 3 В.

Список использованных источников

1. Патент PCT (WO) 94/06104 A1.

2. Патент ФРГ №1279785 А.

3. Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М., «Радио и связь», 1990 г. Приложение Д.

Устройство радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах, содержащее корпус, приемно-передающую антенну, звукопровод на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревой преобразователь (ВШП), соединенный с антенной, и отражательный ВШП в основном акустическом канале, отличающееся тем, что в него введен дополнительный акустический канал, при этом в основном акустическом канале расположены однонаправленный приемопередающий ВШП с внутренними отражателями, и отражающий ВШП с числом пар электродов, выбираемым из условия , где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи, который соединен с электронным ключом, замыкающим и размыкающим отражающий ВШП в определенные моменты времени, образуя кодовую последовательность, и управляется микроконтроллером, который запрограммирован на определенную кодовую последовательность и который соединен с источником питания и который подсоединен к выходному ВШП дополнительного акустического канала, входной ВШП которого соединен с антенной, причем период этих ВШП отличен от периода ВШП основного акустического канала.