Пасивна радіомітка на поверхневих акустичних хвилях

Реферат: Пасивна радіомітка на ПАХ, що містить вбудовану антену та п'єзоелектричну підкладку з термостабільними характеристиками, на поверхні якої розміщено верхню та нижню струмопровідні шини, вхідний перетворювач для стиснення ЛЧМ-сигналу та масив електродів, антена з'єднана з верхньою та нижньою струмопровідними шинами призначена для прийому сигналу радіозапиту та передачі сигналу радіовідгуку, вхідний перетворювач з'єднаний з верхньою та нижньою струмопровідними шинами та призначений для узгодженої фільтрації вхідного сигналу радіозапиту з лінійно-частотною модуляцією, масив електродів з'єднаний з верхньою та нижньою струмопровідними шинами та призначений для формування впорядкованої у часі кодової послідовність імпульсів, крім того масив електродів, з'єднаний з верхньою та нижньою струмопровідними шинами, виконано у вигляді пристрою на поверхневих акустичних хвилях для формування двофазного кодованого сигналу, що формує фазокодоманіпульовану вихідну послідовність, а також, електроди вихідного масиву електродів виконані з можливістю зміни їх кількості та полярності підключення до струмопровідних шин, що дозволяє реалізувати довільну кодову послідовність. UA 77898 U (54) ПАСИВНА РАДІОМІТКА НА ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ UA 77898 U UA 77898 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв акустоелектроніки і може бути використана у системах радіочастотної ідентифікації. Відома радіомітка на поверхневих акустичних хвилях [1, 2], що містить п'єзоелектричну пластину, на одній поверхні якої розміщено вхідний/вихідний зустрічно-штировий перетворювач (ЗШП) та масив відбивних структур. На протилежній поверхні пластини виконано шорсткість для придушення утворення об'ємних акустичних хвиль. Вхідний/вихідний перетворювач з'єднаний з антеною для прийому сигналу радіозапиту та випромінювання сигналу радіовідгуку. Радіомітка формує кодований сигнал радіовідгуку відповідно до топології масиву відбивних структур. Недоліком представленого рішення є малий радіус дії, що обмежений амплітудою останнього біту кодової послідовності. Відома радіомітка на поверхневих акустичних хвилях [3,4], що також складається із звукопроводу, вхідного/вихідного ЗШП та масиву відбивних структур. Однак, на відміну від попереднього пристрою, в даній мітці використано принцип ортогонального частотного кодування (ОЧК). Так, кожен біт кодової послідовності формується на окремій частоті. Таким чином, амплітуда бітів однакова і не залежить від його положення в послідовності. Недоліком пристрою є те, що при додавання наступного біту кодової послідовності необхідно розширювати смугу пропускання системи. Окрім того, застосування ОЧК потребує високої частотної селективності відбивної структури, що потребує використання великої кількості електродів або канавок (на практиці, більше 300 для кожної частоти). Найбільш близьким до корисної моделі є радіомітка на ПАХ [5], що містить: п'єзоелектричну підкладку з термостабільними характеристиками, що має верхню та нижню поверхні. На верхній поверхні п'єзоелектричної підкладки розміщено верхню та нижню струмопровідні шини, вхідний перетворювач для стиснення ЛЧМ-сигналу та масив електродів. Вхідний перетворювач призначений для узгодженої фільтрації вхідного сигналу радіозапиту з лінійно-частотною модуляцією. Вихідний масив електродів формує впорядковану у часі кодову послідовність імпульсів, що являє собою ідентифікаційну інформацію про дану радіомітку. Також, пасивна радіомітка містить вбудовану антену, що з'єднана з верхньою та нижньою струмопровідними шинами. Вхідний перетворювач та масив електродів, також, з'єднані з верхньою та нижньою струмопровідними шинами та конструктивно формують один вхідний/вихідний перетворювач ПАХ. ЛЧМ-сигнал радіозапиту дозволяє підвищити відношення сигнал/шум та підвищити радіус дії систем радіоідентифікації. Вихідний сигнал такої радіомітки являє собою дворозрядний позиційний код, в якому "0" відповідає відсутність імпульсу в часовому інтервалі, а "1" наявність імпульсу. Недоліком пристрою є те, що вихідний сигнал має часову модуляцію. Дія перешкод, таких як: сигнали від сусідніх радіоміток, іскрові розряди, ефекти пов'язані з багатопроменевим поширенням радіохвиль, призводять до втрати корисного сигналу та до неможливості ідентифікації об'єктів. Зміна умов оточуючого середовища (температура, тиск, тощо) призводить до зміни часу затримки, а отже, може призвести до зміни вихідного коду, що також неприпустимо для пристроїв даного типу. Окрім того, враховуючи розміри ПАХ- структур, запропонована методика з'єднання електродів зі спільною шиною є надзвичайно складною в реалізації. Задача корисної моделі - створення пасивної радіомітки із завадостійким вихідним сигналом. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що в пасивній радіомітці на ПАХ з перетворювачем для стиснення ЛЧМ-сигналів, відповідно до корисної моделі масив електродів, з'єднаний з верхньою та. нижньою струмопровідними шинами, виконано у вигляді пристрою для формування двофазного кодованого сигналу, що дозволяє формувати фазокодоманіпульовану вихідну послідовність (ФКМ), а також, електроди вихідного масиву електродів виконані з можливістю зміни їх кількості та полярності підключення до струмопровідних шин. На фіг. 1 представлена конструкція запропонованої пасивної радіомітки на ПАХ з вихідною кодовою послідовністю "1 10 1 0"; на фіг. 2 - приклад сигналу радіозапиту та радіовідгуку відповідної радіомітки; на фіг. 3 - схематичне зображення системи радіоідентифікації для роботи з запропонованою радіоміткою. Пасивна радіомітка на поверхневих акустичних хвилях (фіг. 1) являє собою ретранслюючий одновходовий пристрій на ПАХ, що містить п'єзоелектричний звукопровід 1 з термостабільними характеристиками, на поверхні якого розміщено верхню струмопровідну шину 2, нижню струмопровідну шину 3, вхідний перетворювач для стиснення ЛЧМ - сигналу 4 та масив вихідних електродів 5. Радіомітка містить вбудовану антену 6, що з'єднана з верхньою та нижньою струмопровідними шинами. Для зменшення помилкових сигналів на торцях звукопроводу нанесено поглинаючі покриття 7 та 8. Вхідний перетворювач та масив електродів, 1 UA 77898 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 також, з'єднані з верхньою та нижньою струмопровідними шинами та конструктивно формують один вхідний/вихідний перетворювач ПАХ 9. Від вхідного перетворювача 4 в напрямку масиву електродів 5 поширюється поверхнева акустична хвиля 10. Вхідний перетворювач 4 призначений для узгодженої фільтрації вхідного сигналу радіозапиту з лінійно - частотною модуляцією. У вихідному масиві електродів 5 кодова послідовність формується за рахунок того, що сувора впорядкованість в чергуванні електродів протилежної полярності (+-+-+-+-+-) місцями змінюється (для прикладу, (+-+-+-+-+-). Таким чином, можна довільно задавати фазу високочастотної несучої всередині сигналу радіовідгуку. Узгоджений сигнал радіозапиту 11 (фіг. 2) являє собою сигнал з лінійною частотною модуляцією, і являє обернену в часі імпульсну характеристику вхідного перетворювача (фіг. 1, поз. 4). Вихідний сигнал радіовідгуку 12 містить послідовність з однакових за тривалістю відрізків високочастотної несучої, фаза яких змінюється у відповідності з чергуванням електродів у вихідному масиві електродів (фіг. 1, поз. 5). Ця послідовність являє собою позиційний двійковий код з розрядами "1" та "0", яким відповідають фази "0°» та "180°» відрізків високочастотної несучої. ЛЧМ та ФКМ - сигнали відносяться до складних сигналів та дозволяють збільшити радіус дії систем радіоідентифікації за рахунок збільшення відношення сигнал/шум; а також, забезпечити перешкодозахищеність, так як кореляційна обробка в приймачі зменшує відносний рівень організованих перешкод. Складні сигнали характеризуються базою сигналу B  f  T , де f - ширина спектру сигналу, T - його тривалість. Для ЛЧМ ПАХ - пристроїв без відбивних структур B лежить в межах від 10 до 500. Система радіочастотної ідентифікації (фіг. 3), зазвичай, складається з пристрою опитування та обробки інформації 13 (ПООІ) та декількох радіоміток 14-16. Радіусом дії системи 17 називається максимальна відстань між радіоміткою та ПООІ, при якій приймач ПООІ може виділити корисний сигнал мітки, для подальшої обробки та оцінки, на фоні перешкод та шумів. Робота пристрою опитування та обробки інформації поділена на два етапи. Перший - запит, під час якого передавач через антену надсилає сигнал радіозапиту на всі пристрої в радіусі дії системи; другий етап, це прийом від радіоміток сигналів радіовідгуку. Розглянемо роботу пасивної радіомітки на поверхневих акустичних хвилях у складі системи радіочастотної ідентифікації (фіг 1). Під час радіозапиту, від пристрою опитування та обробки інформації (фіг. 3, поз. 13) узгоджений сигнал радіозапиту через радіоканал поступає на антену 6. Антена перетворює радіосигнал в електричний сигнал, що поступає на вхідну перетворювач 4, що виконує перетворення електричного сигналу в поверхневу акустичну хвилю, разом з тим, виконуючи її стиснення. Стиснута поверхнева акустична хвиля рухається в напрямку вихідного масиву електродів 5. Проходячи під структурою вихідних електродів, відповідно до топології ЗШП, поверхнева акустична хвиля завдяки прямому п'єзоефекту збуджує вихідну кодовану послідовність, з подальшим її випроміненням через антену. Приймач ПООІ, що через радіоканал зв'язаний з радіоміткою на ПАХ, після надходження на нього сигналу радіовідгуку проводить його обробку (підсилення, фільтрацію, кореляційний аналіз, тощо). Визначимо деякі конструктивні параметри пасивної радіомітки на ПАХ, що працює в ISM діапазоні. Приймаємо такі конструктивні параметри: нижня границя спектру сигналу радіозапиту fН  430 МГц; верхня границя спектру сигналу радіозапиту fв  440 МГц; фазова швидкість ПАХ F=3488 м/с (для звукопроводу з ніобіту літію YZ - зрізу); тривалість сигналу радіозапиту лчм  1 мкс; Визначаємо: Ширина спектру сигналу радіозапиту f  fв  fн  10 МГц. Девіація частоти ЛЧМ 7 50 fд  0,5  f  5 МГц. Швидкість зміни частоти ЛЧМ   2fд / лчм  10 МГц/с. Кількість електродів вхідної частини Nлчм  9(fH  fВ ) / f  87 . Тривалість стиснутої ПАХ на виході вхідного ь  2а длчм  10 перетворювача ПАХ tcm  2 / f  0,2мкс мкс. Коефіцієнт стиснення . Смуга пропускання кожної групи електродів вихідного масиву fФКМ  1/ tcm  5 МГц. Центральна частота високочастотної несучої вихідного сигналу f0ФКМ  fН  fд  435 МГц. Кількість електродів в кожній групі вихідного масиву ТФКМ  2f0ФКМ / fФКМ . Тоді, загальна кількість 2 UA 77898 U електродів вихідного масиву становить: N  n  NФКМ  870 , де n - кількість розрядів у вихідній послідовності (для представленої радіомітки n=5). Довжина ПАХ на частоті високочастотної несучої вихідного сигналу   V / fH  8 мкм. Довжина вихідного масиву електродів LФКМ  n  N   / 2  3,5 5 10 15 20 25 30 35 мм. Тривалість вихідної послідовності (сигналу радіовідгуку) ФКМ  L / V  1012 нc. Відношення сигнал/шум на вході радіомітки на ПАХ зі стисненням сигналу в порівнянні з радіоміткою без стиснення визначається співвідношенням: QЛЧМ   f Q0 , (1) де QЛЧМ , Q0 - відношення сигнал/шум для системи зі стисненням сигналу та без стиснення, відповідно; T - тривалість вхідного сигналу. Користуючись виразом (1) для радіомітки із заданими конструктивними параметрами: QЛЧМ / Q0  1мкс  10 МГц  10 /Qo ~ 1 м*с • 10 МГц = 10. Таким чином, стиснення вхідного сигналу забезпечує відношення сигнал/шум, що відповідає підвищенню пікової потужності передавача в 10 разів. Порядок чергування електродів та кількість розрядів у вихідному масиві можуть змінюватися для реалізації довільної кодової послідовності. Так, для представленої радіомітки з 5 розрядами 5 (5 груп вихідних електродів) можливо реалізувати 2 =32 різноманітні коди. В разі використання 10 розрядів - 1024 коди, а для 32 бітної радіомітки кількість можливих кодів перевищує 4 млрд. Це дозволяє використовувати запропоновані пасивні радіомітки на ПАХ для ідентифікації великої кількості об'єктів навіть в умовах дії перешкод. Додатковою перевагою запропонованої пасивної радіомітки на ПАХ є можливість створення на її основі безпровідних сенсорів для систем моніторингу оточуючого середовища. Джерела інформації: 1. Reindl L. SAW-Based Radio Tag and Sensor Systems // Proc. International Conference on New Piezoelectric Materials and High Performance Acoustic Wave Devices.-2002. - P. 71-78. 2. Ostermayer G., Pohl A., Hausleitner С Reindl L., Seifer F. CDMA for wireless SAW sensor application // Proc. IEEE Int. Symp. Spread Spectrum Techniques Appl.-1996. - P. 795-799. 3. Пат. US 7,642,898 Bl США, МПК H04Q 5/22. Orthogonal frequency coding for surface acoustic wave communication, tag and sensor application / Donald C. Malocha (США), Derek Puccio (США); заявник University of Central Florida Research Foundation, Inc., Orlando, FL (США); заявл. 12,08.05; опубл. 5.01.10. 4. Pavlina J. M., Kozlovski N., Santos B. and Malocha D. С SAW RFID Spread Spectrum OFC and TDM Technology // International Conference on RFID.-2009. - P. 110-116. 5. Пат. US 20100060429A1 США, H04Q 5/22, H01L 41/047. SAW sensor tags with enhanced performance: Пат. US 20100060429A1 США, 340/10.1, 310/313 В / Jacqueline H.Hines (США), Leland P.Solie (США), Saul EwingLLP. -№17101; заявл. 06.08.09; опубл. 11.03.10. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 Пасивна радіомітка на ПАХ, що містить вбудовану антену та п'єзоелектричну підкладку з термостабільними характеристиками, на поверхні якої розміщено верхню та нижню струмопровідні шини, вхідний перетворювач для стиснення ЛЧМ-сигналу та масив електродів, антена з'єднана з верхньою та нижньою струмопровідними шинами призначена для прийому сигналу радіозапиту та передачі сигналу радіовідгуку, вхідний перетворювач з'єднаний з верхньою та нижньою струмопровідними шинами та призначений для узгодженої фільтрації вхідного сигналу радіозапиту з лінійно-частотною модуляцією, масив електродів з'єднаний з верхньою та нижньою струмопровідними шинами та призначений для формування впорядкованої у часі кодової послідовність імпульсів, яка відрізняється тим, що масив електродів, з'єднаний з верхньою та нижньою струмопровідними шинами, виконано у вигляді пристрою на поверхневих акустичних хвилях для формування двофазного кодованого сигналу, що формує фазокодоманіпульовану вихідну послідовність, а також, електроди вихідного масиву електродів виконані з можливістю зміни їх кількості та полярності підключення до струмопровідних шин, що дозволяє реалізувати довільну кодову послідовність. 3 UA 77898 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4