Вхідний/вихідний перетворювач для сенсорів на поверхневих акустичних хвилях

Реферат: Вхідний/вихідний перетворювач для сенсорів на поверхневих акустичних хвилях містить електроди, період слідування та ширина яких змінюється. Перетворювач містить групи електродів різного періоду і є узгодженим фільтром для прийому та стиснення частотномодульованого вхідного сигналу, а також, групи електродів виконані з можливістю зміни їх кількості та порядку слідування. UA 77735 U (54) ВХІДНИЙ/ВИХІДНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ СЕНСОРІВ НА ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ UA 77735 U UA 77735 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до пристроїв акустоелектроніки і може бути використана у вимірювальній техніці. Відомий перетворювач для сенсорів на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) [1, 2], що являє собою широкосмуговий зустрічно-штировий перетворювач (ЗШП) ПАХ. Перетворювач призначений для сенсорів на ПАХ з ортогональним частотним кодуванням (OFC), що дозволяє реалізовувати множинний доступ у вимірювальних системах з пасивними безпровідними сенсорами на ПАХ, а також значно підвищувати радіус дії таких сенсорів (від 1 м до 10 м). Перетворювач має смугу пропускання, що дорівнює сумі смуг пропускання відбиваючих структур, використаних для кодування вимірювальної інформації. Недоліком такого перетворювача є його широка смуга пропускання та відсутність частотновибіркових властивостей. Таким чином, шуми оточуючого середовища, наведені на антену, будуть перетворюватися в ПАХ та заважати нормальній роботі сенсору. Окрім того, даний перетворювач не дозволяє реалізувати стиснення вхідного сигналу, реалізація якого дозволяє підвищити відношення сигнал/шум на вході сенсору та підвищити радіус дії сенсору. Також, широкосмугові перетворювачі мають низьку ефективність перетворення електричного сигналу в ПАХ в порівнянні з вузькосмуговими. Найбільш близьким до корисної моделі є перетворювач [3], що використовується в дисперсійних акустоелектронних лініях затримки і являє собою ЗШП, що містить електроди, період слідування та ширина яких змінюється за лінійним законом (призначений для сигналів з лінійною частотною модуляцією). Окрім перетворення електричного сигналу в ПАХ, даний перетворювач виконує його стиснення, що дозволяє підвищити відношення сигнал/шум та підвищити радіус дії сенсору. Перетворювач є широкосмуговим, однак його ефективність вище за перетворювач попереднього типу, адже, по суті, він являє собою набір вузькосмугових перетворювачів. Недоліком перетворювача є неможливість реалізації множинного доступу за допомогою ортогонального частотного кодування. Для реалізації множинного доступу може бути використана класична CDMA (множинний доступ з кодовим розділенням) технологія для ПАХ, але вона вимагає використання масиву відбивачів, що призводить до: зростання втрат корисного сигналу в сенсорі та зменшення його радіусу дії; під відбивні структури відводиться значна кількість місця на поверхні звукопроводу, що зменшує зону взаємодії та призводить до зменшення точності та чутливості сенсору. Отже, сенсор з таким перетворювачем можна використовувати лише в системах з малим радіусом дії (не більше 1 м) та малою кількістю одночасно працюючих сенсорів (доцільно використовувати такі перетворювачі лише в радіомітках на ПАХ). Задача корисної моделі - забезпечення стиснення вхідного сигналу в сенсорах на ПАХ та забезпечення множинного доступу у вимірювальних системах побудованих на їх основі. Поставлена задача вирішується тим, що перетворювач ПАХ, відповідно до корисної моделі виготовляється у вигляді груп електродів різного періоду, з'єднаних спільною шиною, і є узгодженим фільтром для прийому та стиснення частотно-модульованого сигналу радіозапиту. Кількість груп електродів (частот кодування) та порядок їх слідування може змінюватись для забезпечення унікальної адреси сенсору та режиму множинного доступу у вимірювальних системах, побудованих на основі цих сенсорів. На фіг. 1 зображено приклад топології вхідного/вихідного перетворювача з 5-ма частотами кодування; на фіг. 2 - приклад сигналу радіозапиту, що є узгодженим для представленого перетворювача; на фіг. 3 зображено конструкцію радіомітки на ПАХ з представленим вхідним/вихідним перетворювачем. Вхідний/вихідний перетворювач (фіг. 1) містить п'ять груп електродів 1…5 різного періоду, кожна з яких призначена для перетворення електричного сигналу певної частоти ( f1 , f2 ,…, f5 ) в ПАХ та навпаки. Електроди з'єднані з шинами 6 та 7, через які на них надходить електричний сигнал. Порядок слідування частот кодування може змінюватися, за рахунок чого реалізується множинний доступ у вимірювальних системах, адже кожен сенсор отримує свою унікальну адресу. Опитування кожного окремого сенсору проводиться узгодженим до нього сигналом радіозапиту. Перетворення електричного сигналу в ПАХ відбувається за рахунок зворотного п'єзоефекту, а ПАХ в електричний сигнал за рахунок прямого п'єзоефекту. Ширина смуги пропускання та форма амплітудно-частотної характеристики кожної групи електродів головним чином визначається півперіодом слідування електродів dn та їх шириною, кількістю електродів в кожній групі Nn та апертурою перетворювача W. Півперіод електродів dn вибирається рівним половині довжини ПАХ: dn  VПАХ / 2ƒ 0 n , де VПАХ - швидкість поширення ПАХ в звукопроводі,   1 UA 77735 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 f0 n - центральна частота, на яку розрахована група електродів. Кількість електродів Nn визначається з умови рівності акустичної та електричної добротностей перетворювача, а апертура W з умов узгодження перетворювача з навантаженням. Узгоджений сигнал радіозапиту (фіг. 2) являє собою набір сигналів з різною частотою, тривалість яких однакова, а порядок слідування визначається топологію вхідного/вихідного перетворювача ПАХ. При надходженні такого сигналу на перетворювач відбувається його стиснення з коефіцієнтом стиснення К, де К - кількість частот кодування. Радіомітка на ПАХ належить до пристроїв для ідентифікації об'єктів на відстані, що також можуть бути віднесені до сенсорів. На поверхні п'єзоелектричного звукопроводу 1 (фіг. 3) розміщено вхідний/вихідний перетворювач 2 та відбивну структуру 3. Вхідний/вихідний перетворювач 2 з'єднаний з антеною 4, що забезпечує прийом сигналу радіозапиту та передачу сигналу радіовідгуку. Середовищем поширення радіохвиль 5 зазвичай виступає повітря. Розглянемо роботу вхідного/вихідного перетворювача для сенсорів на поверхневих акустичних хвилях у складі радіомітки (фіг. 3). Від пристрою опитування та обробки інформації узгоджений сигнал радіозапиту через радіоканал 5 надходить на антену 4. Антена 4 перетворює радіосигнал в електричний сигнал, що надходить на вхідний/вихідний перетворювач 2. Перетворювач 2 виконує перетворення електричного сигналу в поверхневу акустичну хвилю, разом з тим, виконуючи його стиснення. Стиснута поверхнева акустична хвиля 6 рухається в напрямку відбивної структури 3. Після відбиття відбита поверхнева акустична хвиля 7 знову надходить на вхідний/вихідний перетворювач 2, де відбувається її перетворення в електричний сигнал, з подальшим його випромінюванням через антену 4. Пристрій опитування та обробки інформації, що через радіоканал 5 зв'язаний з сенсором на ПАХ, після надходження на нього сигналу радіовідгуку проводить його обробку (кореляційний аналіз та вимірювання часу затримки). Розглянемо більш детально процес стиснення сигналу у вхідному/вихідному перетворювачі. Порядок слідування частот кодування в узгодженому сигналі радіозапиту відповідає порядку слідування цих частот у перетворювачі. Таким чином, в представленому прикладі на фіг. 2 та фіг. 3, першим на перетворювач надходить сигнал з частотою f5 , далі сигнал з частотою f1 і т.д. Тривалість сигналу кожної частоти дорівнює часу поширення ПАХ через відповідну групу електродів перетворювача. Отже, на сигнал з частотою f5 "реагує" лише група електродів F5 , перетворюючи його у ПАХ. Після проходження цієї ПАХ через групу F5 на перетворювач надходить сигнал з частотою f1 , на який реагує група електродів F1 , перетворюючи його на ПАХ. При цьому відбувається додавання ПАХ створеної групою F5 та групою F1 Так продовжується, доки ПАХ не проходить останню групу електродів F4 . Результуюча ПАХ на виході перетворювача має амплітуду в 5 разів більшу за амплітуду ПАХ, створеної окремою групою електродів. Визначимо конструктивні параметри вхідного/вихідного перетворювача для безпровідного сенсору на ПАХ, що працює в ISM діапазоні. Приймаємо такі конструктивні параметри: - нижня границя смуги пропускання fH =430 МГц; - верхня границя смуги пропускання fB =440 МГц; - кількість частот кодування - 5; Визначаємо: Максимальна смуга пропускання системи f  fB  fH  10 МГц. Смуга пропускання частоти кодування fn  f/3  3,333 МГц. Визначимо частоти кодування: перша частота кодування f1  fH  0,5  fn  431,667 МГц; друга частота кодування f2 =433,333 МГц; третя частота кодування f3 =435,000 МГц; четверта частота кодування f3 =436,667 МГц; п'ята частота кодування f5 =438,333 МГц. Виберемо ширину смуги пропускання групи електродів як половину ширини смуги пропускання частоти кодування fгр.елек.  0,5fn  1667 МГц. , Відносна смуга пропускання групи електродів fгр.елек. %  0,38% . 2 UA 77735 U Кількість електродів в кожній групі N  2fn / fгр.елек.  N1  518 , N2 =520, N3 =522, N4 =524 та N5 =526. Кількість електродів може бути зменшена за рахунок використання функції аподизації електродів. Півперіод електродів dn  VПАХ / 2f0 n для ніобіт літію ( VПАХ =3488 м/с) дорівнює d1 =4,040  5 10 15 20  мкм, d 2 =4,025 мкм, d3 =4,009 мкм, d 4 =3,994 мкм та d5 =3,979 мкм. Отже, вхідний/вихідний перетворювач забезпечує стиснення вхідного сигналу в сенсорах на ПАХ та забезпечує множинний доступу у вимірювальних системах, побудованих на їх основі. Додатковою перевагою запропонованого вхідного/вихідного перетворювача для сенсорів на поверхневих акустичних хвилях є його компактне розміщення на поверхні звукопроводу. За рахунок чого, є можливість виділення додаткового місця під зону взаємодії вимірювальної величини з ПАХ, що можне бути використано для підвищення точності та чутливості сенсорів на ПАХ. Джерела інформації: 1. Пат. US 7,623,037 В1 США, МПК G08B 13/14, Н03Н 9/00, Н04В 1/00. Multitransducer/antenna surface acoustic wave device sensor and tag / Donald С. Malocha (США); заявник University of Central Florida Research Foundation, Inc., Orlando, FL (США); заявл. 15.09.06; опубл. 24.11.09. 2. Пат. US 7,642,898 В1 США, МПК H04Q 5/22. Orthogonal frequency coding for surface acoustic wave communication, tag and sensor application / Donald С. Malocha (США), Derek Puccio (США); заявник University of Central Florida Research Foundation, Inc., Orlando, FL (США); заявл. 12.08.05; опубл. 5.01.10. 3. Пат. 5,469,170 США, МПК G01S 13/80, H01L 41/08. Passive SAW-ID tags using chirp transducer / Elio A. Mariani (США); заявник The United States of America as represented by the Secretary of the Army, Washington, D.C (США); заявл. 20.10.94; опубл. 21.11.95. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Вхідний/вихідний перетворювач для сенсорів на поверхневих акустичних хвилях, що містить електроди, період слідування та ширина яких змінюється, який відрізняється тим, що перетворювач містить групи електродів різного періоду і є узгодженим фільтром для прийому та стиснення частотно-модульованого вхідного сигналу, а також, групи електродів виконані з можливістю зміни їх кількості та порядку слідування. 3 UA 77735 U 4 UA 77735 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 5