Радиочастотное устройство идентификации на поверхностных акустических волнах

Радиочастотное устройство идентификации на поверхностных акустических волнах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах идентификации объектов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является радиочастотное устройство идентификации на поверхностных акустических волнах, выбранное в качестве прототипа (Патент РФ №2410716, бюл. №3 от 27.01.2011, МПК G01S 13/75). Устройство-прототип содержит приемопередающую антенну, соединенную с встречно-штыревым преобразователем (ВШП), расположенным на пьезоэлектрической пластине, на которой также расположены отражатели, при этом устройством опроса и обработки опрашивают посредством радиосигнала устройство идентификации, обрабатывают переданный от отражателей устройства идентификации сигнал, причем кодирование ответного сигнала задают количеством и положением линейно отражающих по фазе отражателей, причем отражатели, определяющие кодирование, расположены по обе стороны от ВШП в узлах соответствующих сеток, при этом кодирование ответного сигнала определяют совместным расположением отражателей с обеих сторон ВШП.

Недостатком устройства-прототипа является ограниченный диапазон рабочих температур в случае использования фазоманипулированных или частотно-манипулированных кодов (~5°С), а также ограниченный диапазон рабочих температур в случае использования амплитудных или позиционных кодов, что ограничивает применение радиочастотного устройства идентификации в реальных климатических условиях.

Задачей изобретения является создание радиочастотного устройства идентификации на поверхностных акустических волнах (ПАВ), работающего с различными типами кодов в широком диапазоне рабочих температур, соответствующем реальным климатическим условиям.

Технический результат - расширение диапазона рабочих температур радиочастотного устройства идентификации на ПАВ за счет того, что при идентификации неизвестного кода устройства идентификации, содержащегося в одной части формируемого устройством идентификации сигнала, предварительно определяется температура устройства идентификации по известному коду, также содержащемуся в другой части формируемого устройством идентификации сигнала, причем для повышения точности и помехозащищенности определения температуры используется корреляционный метод.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагаемое радиочастотное устройство идентификации на ПАВ содержит приемопередающую антенну, соединенную с встречно-штыревым преобразователем (ВШП), расположенным на пьезоэлектрической пластине, на которой также расположены отражатели, при этом устройством опроса и обработки опрашивают посредством радиосигнала устройство идентификации, обрабатывают сформированный отражателями устройства идентификации сигнал, причем кодирование ответного сигнала задают количеством и положением отражателей устройства идентификации, при этом отражатели, определяющие кодирование, расположены по обе стороны от ВШП в узлах соответствующих сеток, причем кодирование ответного сигнала определяют совместным расположением отражателей с обеих сторон ВШП. В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве идентификации отражатели, расположенные с одной стороны, например, слева от ВШП, участвуют в формировании только первой части сигнала, которая содержит фиксированный код, предназначенный для измерения температуры устройства идентификации, а отражатели, расположенные с другой стороны, например справа от ВШП, участвуют в формировании только второй части сигнала, которая содержит индивидуальный код устройства идентификации, для правильной идентификации кода второй части сигнала используется значение температуры устройства идентификации, определенное по первой части сигнала, а для определения температуры и кода устройства идентификации используется корреляционный метод, при этом отражатели расположены в узлах сетки в соответствии с кодом, который определяет наличие или отсутствие отражателей в данном узле, причем часть отражателей в соответствии с законом фазовой манипуляции может быть смещена из узлов сетки на величину, равную четверти длины волны на рабочей частоте.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства идентификации для случая, когда центральные частоты отражателей, расположенных справа от ВШП и отражателей, расположенных слева от ВШП, равны или примерно равны центральной частоте ВШП f_0P=f_0B=(V₁/V)f₀, где обозначено:

1 - пьезоэлектрическая пластина;

2 - встречно-штыревой преобразователь (ВШП);

3, 4 - первая и вторая группы отражателей, соответственно группы, расположенные слева "В" и справа "Р" от ВШП;

5 - приемопередающая антенна.

На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого устройства идентификации для случая, когда центральные частоты отражателей, расположенных справа от ВШП, равны f₀-Δf=V₁/p_P, и отражателей, расположенных слева от ВШП, равны f₀+Δf=V₁/р_В, причем f₀ - есть центральная частота ВШП, где обозначено:

1 - пьезоэлектрическая пластина;

2 - ВШП;

3, 4 - первая и вторая группы отражателей, соответственно группы, расположенные слева "B" и справа "Р" от ВШП;

5 - приемопередающая антенна.

На фиг.3 представлен отдельный отражатель, состоящий из 5 отражательных элементов, где обозначено:

6 - отражательные элементы;

На фиг.4 представлен формируемый устройством идентификации сигнал с ФМ-кодом, включающем 24 символа: {1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1}. Символ кода "-1" означает, что отражатель сдвинут из узла сетки на четверть длины волны.

На фиг.5 представлен формируемый устройством идентификации сигнал с четырехпозиционным кодом, включающем 20 символов {0,2,2,2,0,0,0,1,2,1,1,0,1,2,0,1,0,0}. Символ кода "0" означает, что отражатель расположен на первой позиции, символ кода "1" означает, что отражатель расположен на второй позиции, и т.д.

На фиг.6 представлен корреляционный отклик устройства идентификации (ξ_b,Ti(t)) при температуре Т_МС=-50°С, вычисленный согласно (1).

На фиг.7 представлено изменение максимумов (ξ_b,Ti(t) в зависимости от температуры T_i при различных внешних температурах (показаны на выносках) и вычисленные согласно (1).

Предлагаемое радиочастотное устройство идентификации на ПАВ (фиг.1) содержит ВШП 2 и группы отражателей 3 и 4, которые сформированы на пьезоэлектрической пластине методами оптической фотолитографии и ионно-химического травления.

Отражатели первой группы 3 (группы "B", расположенной слева от ВШП) предназначены для формирования части сигнала с известным кодом (например, кодом Баркера). Эта часть сигнала предназначена для измерения температуры устройства идентификации.

Отражатели второй группы 4 (группы "Р", расположенной справа от ВШП) предназначены для формирования части сигнала, содержащей индивидуальный для данного устройства идентификации код.

Для идентификации кода, содержащегося во второй части сигнала, используется значение температуры устройства идентификации, определенное по первой части сигнала, формируемой отражателями группы "B". Обе части сигнала, формируемые отражателями групп "B" и "Р", имеют либо пространственное либо частотное разделение.

Отражатели могут быть выполнены в виде нескольких (5…50) канавок или металлических полосок, расположенных на поверхности пьезоэлектрической пластины. Каждая канавка (или металлическая полоска) представляет собой отражательный элемент. Глубина канавок или толщина полосок определяется центральной частотой устройства идентификации и длиной используемого идентификационного кода. Так, для частоты 860 МГц и при длине кода, равной 24 символам, глубина канавок составит ~40 нм при их ширине ~1.1 мкм.

Число отражательных элементов в отражателях увеличивается по мере удаления от ВШП (например, 8 - для первого от ВШП отражателя и 16 - для последнего отражателя при общем числе отражателей в группе "P", равном 24). Формируемый устройством идентификации (с параметрами указанными выше) сигнал с фазоманипулированным кодом показан на фиг.4, а сигнал с четырехпозиционным кодом, включающем 20 символов, показан на фиг.5.

ВШП используется для преобразования принятого антенной сигнала в ПАВ и обратно. Отражатели групп "B" и "Р" расположены на поверхности пьезоэлектрической пластины таким образом, чтобы получить информационный сигнал, используя задержку во времени отраженных волн.

Отраженные волны с задержками t 1 P , t 2 P , t 3 P , … , t N P и могущие иметь фазовую манипуляцию в виде фиксированного кода (например, кода Баркера), несут информацию о температуре устройства идентификации, а отраженные сигналы с задержками t 1 B , t 2 B , t 3 B , … , t N B несут информацию о коде устройства идентификации.

В качестве кода устройства идентификации могут быть использованы любые коды, имеющие хорошие корреляционные свойства (позиционные, фазоманипулированные, частотно-манипулированные или их комбинации).

Радиочастотное устройство идентификации на ПАВ работает следующим образом.

При опросе на вход устройства идентификации поступает принятый его антенной короткий (50-100 нс) радиоимпульс. В ответ устройство идентификации формирует кодированную последовательность радиоимпульсов меньшей амплитуды. Кодированная последовательность включает две группы импульсов, одна из них (группа "B") содержит информацию о температуре устройства идентификации и вторая группа (группа "Р") содержит индивидуальный код устройства идентификации. Затем через ту же антенну сигнал излучается в направлении считывающего устройства, где в результате обработки определяется температура и индивидуальный код устройства идентификации.

Принятый устройством идентификации сигнал S_R(t), так же как и переданный, содержит две части, расположенные на разных временных интервалах (либо на одном временном интервале, но с различными центральными частотами). Первая часть сигнала S_b(t) содержит фиксированный код, а вторая часть сигнала S_p(t) содержит индивидуальный код устройства идентификации. Вместе с тем, обе части принятого сигнала могут быть искажены (растянуты или сжаты во времени) температурной вариацией скоростей V и V₁ в пьезоэлектрической пластине.

Отражатели группы "B" формируют сигнал с заранее известным кодом, но растянутый или сжатый во времени, что обусловлено температурной вариацией скорости ПАВ в пьезоэлектрической пластине. По величине сжатия или растяжения этой части сигнала может быть определена температура пьезоэлектрической пластины и коэффициент масштабирования второй части сигнала, содержащей неизвестный код, подлежащий идентификации. Масштабирование второй части сигнала соответствует приведению его к виду, который имел бы сигнал при известной температуре, например 20°С.

Алгоритм определения кода устройства идентификации по ответному сигналу S_R(t) включает последовательное выполнение ряда процедур. Во-первых, используя первую часть сигнала S_b(f), содержащую фиксированный код, например код Баркера, определяется температура устройства идентификации T_i и коэффициент масштабирования ζ_i импульсного отклика, компенсирующий его температурные вариации. Для этого вычисляются взаимно-корреляционные функции (ВКФ) ξ_b,Ti(t) принятого сигнала S_b(t) и хранящихся в памяти компьютера копии оцифрованных импульсных откликов устройства идентификации этой части сигнала при различных температурах S_b,Ti(t).

ξ b , T i ( t ) = ∫ − ∞ ∞ S b ( τ ) ⋅ S b , T i ( τ − t ) d τ .   ( 1 )

Значения S_b,Ti(t) могут быть также получены масштабированием импульсного отклика, полученного при известной температуре Т₀:

S b , T i ( t ) = ℜ { S b , T 0 ( t ) , ζ i } ,   ( 2 )

где S_b,To(t) - импульсный отклик устройства идентификации, полученный при известной температуре, например Т₀=20°С.

Коэффициент масштабирования ζ_i равен

ζ i = 1 − ( T − i T 0 ) ⋅ α ,   ( 3 )

где T_i - температура, при которой определяется импульсный отклик, α=94·10^-6 градус^-1 - температурный коэффициент задержки для ниобата лития YZ-среза, символ ℜ - означает процедуру преобразования дискретных значений отсчетов импульсного отклика, в результате которой он сжимается в ζ_i раз без изменения шага оцифровки.

В результате вычисления ряда функций ξ_b,Ti(t) может быть определен импульсный отклик S_b,Tm(t), который дает максимальное значение пика ξ_b,Tm(t) (фиг.6). Температура, которой он соответствует, и является искомой температурой T_m устройства идентификации.

Число температурных точек, при которых необходимо иметь оцифрованные импульсные отклики устройства идентификации (полученные либо экспериментально, либо расчетом по (2)), определяется длиной используемого кода и диапазоном рабочих температур. Например, при использовании 24-символьного ФМ кода (фиг.4) необходимо иметь копии с шагом по температуре ~2°С, а точность определения температуры составит ~±1°С (смотри фиг.7). Если же использовать 4-позиционный 20-символьный код (фиг.5), то необходимо иметь копии сигнала с шагом по температуре ~3°С, а возможная точность определения температуры составит ~±1.5°С.

Затем, зная коэффициент ζ_m (поскольку он соответствует уже определенной температуре T_m), необходимо в соответствии с (2) преобразовать вторую часть принятого сигнала S p , T m x ( t ) , которая содержит индивидуальный код устройства идентификации, в сигнал S p , x T o ( t ) .

В результате данного преобразования сигнала S p x , T m ( t ) , полученный при температуре T_m, будет приведен к сигналу S p , T o x ( t ) который был бы, если температура устройства идентификации была бы Т₀.

Наконец, необходимо вычислить ВКФ ( ξ p k ( t ) ) сигнала S p , T o x ( t ) и хранящихся в памяти компьютера эталонных оцифрованных импульсных откликов данной части сигнала всех устройств, подлежащих идентификации S p k ( t ) :

ξ p k ( t ) = ∫ − ∞ ∞ S p , T o x ( τ ) ⋅ S p k ( τ − t ) d τ .   ( 4 )

Импульсный отклик S p k = n ( t ) , который дает максимальное значение пика ξ p n ( t ) при условии, что он превышает прочие на заданную величину (например, 6 дБ), является импульсным откликом устройства идентификации с номером k=n.

В предлагаемом устройстве идентификации период расположения отражательных элементов справа от ВШП р_Р и период расположения отражательных элементов слева от ВШП р_В равны (p_P=p_B=р) и примерно равны полупериоду следования электродов ВШП р₀, а центральные частоты ВШП и отражателей, расположенных справа f_0P и слева f_0B от ВШП, равны, т.е. f_0P=f_0B=(V₁/V)f₀, причем f₀=V/p₀, f_0B=V₁/p_B, f_0P=V₁/p_P, где V - скорость ПАВ под ВШП, V₁ - скорость ПАВ под отражателями.

В этом случае для пространственного разделения двух частей сигнала первый отражатель справа от ВШП смещен на расстояние, равное расстоянию от ВШП до последнего отражательного элемента слева от ВШП D 1 P ≥ D N B + p B n n N , где n_N - число отражательных элементов в последнем отражателе (фиг.1), а сигналы, формируемые отражателями, расположенными справа и слева от ВШП, расположены на разных временных интервалах и не перекрываются.

В предлагаемом устройстве идентификации период расположения отражательных элементов справа от ВШП р_Р не равен периоду расположения отражательных элементов слева от ВШП р_В, причем р_В<р₀<р_Р, а центральные частоты отражателей сдвинуты относительно центральной частоты ВШП f_0B=f₀+Δf, f_0P=f₀-Δf.

В этом случае в предлагаемом устройстве идентификации для частотного разделения двух частей сигнала отражатели, расположенные слева, и отражатели, расположенные справа от ВШП, могут формировать сигналы на одном временном промежутке, при этом сдвиг первого отражателя справа и слева относительно ВШП примерно равен: D 1 P ≈ D 1 B (фиг.2).

Таким образом, в отличие от прототипа предлагаемое техническое решение позволяет расширить диапазон рабочих температур радиочастотного устройства идентификации на ПАВ за счет того, что при идентификации неизвестного кода устройства идентификации, содержащегося в одной части формируемого устройством идентификации сигнала, предварительно определяется температура устройства идентификации по известному коду, также содержащемуся в другой части формируемого устройством идентификации сигнала, причем для повышения точности и помехозащищенности определения температуры используется корреляционный метод, а возможность раздельного приема двух частей сигнала обеспечивается либо пространственным, либо частотным разделением двух частей сигнала, формируемых отражателями групп "B" и "P"

Источники информации

1. Патент РФ №2410716, бюл. №3 от 27.01.2011, прототип.

Радиочастотное устройство идентификации на поверхностных акустических волнах, содержащее приемопередающую антенну, соединенную с встречно-штыревым преобразователем (ВШП), расположенным на пьезоэлектрической пластине, на которой также расположены отражатели, при этом устройством опроса и обработки опрашивают посредством радиосигнала устройство идентификации, обрабатывают сформированный отражателями устройства идентификации сигнал, причем кодирование ответного сигнала задают количеством и положением отражателей устройства идентификации, причем отражатели, определяющие кодирование, расположены по обе стороны от ВШП в узлах соответствующих сеток, при этом кодирование ответного сигнала определяют совместным расположением отражателей с обеих сторон ВШП, отличающееся тем, что отражатели, расположенные с одной стороны, например слева от ВШП, участвуют в формировании только первой части сигнала, которая содержит фиксированный код, предназначенный для измерения температуры устройства идентификации, а отражатели, расположенные с другой стороны, например справа от ВШП, участвуют в формировании только второй части сигнала, которая содержит индивидуальный код устройства идентификации, для правильной идентификации кода второй части сигнала используется значение температуры устройства идентификации, определенное по первой части сигнала, а для определения температуры и кода устройства используется корреляционный метод, при этом отражатели расположены в узлах сетки в соответствии с кодом, который определяет наличие или отсутствие отражателей в данном узле, причем часть отражателей, в соответствии с законом фазовой манипуляции, смещена из узлов сетки на величину, равную четверти длины волны на рабочей частоте.