Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка меток радиочастотной идентификации низкой стоимости на основе частотного различения кода 21
1.1 Постановка задачи. Суть радиочастотной идентификации на основе частотного различения 21
1.2 Предлагаемая конструкция RFID-метки и принцип работы 22
1.3 Электродинамическая модель RFID-метки 26
1.4 Метод конструкторского синтеза геометрии метки 38
1.5 Алгоритм представления кода метки 42
1.6 Расчёт, численное моделирование и экспериментальное исследование характеристик метки. Анализ результатов 45
1.7 Выводы по главе 1 59
Глава 2. Разработка считывающего устройства для меток радиочастотной идентификации на основе частотного различения кода 61
2.1 Постановка задачи. Общая схема считывающего устройства и принцип работы 61
2.2 Антенная система. Конструктивные реализации «на прохождение» и «на отражение» 63
2.3 Блок радиочастотной обработки сигнала 68
2.4 Блок цифровой обработки сигнала и система управления базами данных 76
2.5 Физическая модель тракта радиочастоты 77
2.6 Численное моделирование и экспериментальное исследование характеристик считывающего устройства. Анализ результатов 83
2.7 Выводы по главе
Глава 3. Разработка идентификационных меток СВЧ-диапазона с кодовым различением 92
3.1. Постановка задачи. Электродинамические характеристики меток с кодовым различением 92
3.2. Предлагаемая конструкция антенны и принцип работы 94
3.3. Электродинамическая модель антенны 96
3.4. Синтез согласующего устройства для работы с чипом ЕМ4223
3.5 Численное моделирование и экспериментальное исследование характеристик метки. Анализ результатов
3.6 Выводы по главе 3 114
Заключение
- Предлагаемая конструкция RFID-метки и принцип работы
- Метод конструкторского синтеза геометрии метки
- Антенная система. Конструктивные реализации «на прохождение» и «на отражение»
- Электродинамическая модель антенны
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из наиболее перспективных и быстроразви-вающихся в настоящее время технологий автоматической идентификации является радиочастотная идентификация (англ. Radio Frequency Identification, RFID). Однако, несмотря на лидирующую позицию на рынке средств автоматической идентификации, распространённость RFID-систем даже на мировом уровне носит весьма локальный характер в связи с высокой стоимостью идентификационных меток. Задача же глобализации внедрения этой технологии, например, для автоматической идентификации потребительских и других товаров может быть решена, только если цена на идентификационные метки составит менее некоторого критического значения. К тому же, с учётом тенденции к постоянному снижению этой стоимости, использование многих даже самых современных разработок не может позволить добиться повсеместного внедрения RFID-технологии.
Новый подход к решению задачи минимизации стоимости меток был развит в работе [Л1], где предложена мультичастотная метка на основе частотного различения. Данная метка относится к классу т.н. «безчиповых» (англ. Chipless RFID), поскольку не имеет в своём составе интегральных схем (ИС), и может быть изготовлена инновационным методом предложенным в [Л2-Л4] и получившим название «Ink-Jet печати». Метка представляет собой набор полосок-резонаторов на диэлектрической подложке, каждый из которых при облучении электромагнитным полем (ЭМП) формирует максимальную амплитуду отклика на собственной частоте. Основным недостатком решения [Л1] является низкая добротность полосок. Известно [Л5], что разомкнутые резонансные элементы имеют менее выраженные частотно-селективные свойства, чем замкнутые, в связи с чем они имеют гораздо меньшую амплитуду поля резонансного рассеяния и, как следствие, большую подверженность различного рода внешним помехам. Принципиальным здесь является отсутствие сплошных металлических поверхностей объекта идентификации. В случае наличия таких поверхностей процесс идентификации может стать невозможным.
Очень важным является ограничение на использование решения [Л6], связанное с жёсткими требованиями к поляризации излучения опросного сигнала считывателя. Такая поляризационная зависимость может существенно ухудшить характеристики RFID-системы и привести к возрастанию ошибок при считывании меток.
Кроме того подчеркнём, что технологию антиколлизионного мультидоступа значительно проще реализовать в случае поляризационной независимости системы метка-считыватель. При этом использование решения [Л6] совместно с круговой поляризацией антенной системы считывателя является недопустимым, поскольку в этом случае существенную роль будет играть взаимное расположение меток относительно плоскости поляризации.
Из альтернативных решений можно выделить [Л7-Л8], где предложены RFID-метки на основе ИС и пленарных антенн различных конфигураций. Общим недостатком всех решений является существенная неравномерность диаграмм направленности (ДН) и поляризационной характеристики (ПХ) применяемых антенн, что является очень нежелательным и может привести к резкому сокращению расстояния считывания и возникновению ошибок. Наконец, стоит отметить решение [Л9], свободное от перечисленных недостатков. Однако его использование также является нерациональным, поскольку применяется спиральная антенна с большим количеством витков, что исключает возможность размещения устройства для согласования импедансов ИС и антенны в исполнении [Л2-Л4].
Немаловажным требованием к любой разработке является максимальная доля теоретических исследований с изготовлением и тестированием лишь финального опытного образца изделия. Это позволяет существенно минимизировать затраты труда и материалов на опытное производство и экспериментальные исследования. При этом решающим фактором является разработка эффективных математических моделей и методов, поскольку именно они определяют требуемое расчётное время и точность получаемых результатов. В некоторых случаях разработчику бывает достаточно использовать существующие САПР, в большом изобилии имеющиеся на современном рынке, однако, когда речь идёт о больших объёмах вычислений при синтезе и оптимизации устройств, численные алгоритмы, используемые САПР могут оказаться малоэффективными за счёт большого расчётного времени. В этих случаях требуется разработка других алгоритмов для конкретной задачи с большим быстродействием за счёт максимального содержания аналитических решений.
Таким образом, задача по разработке и созданию инновационных систем радиочастотной идентификации с улучшенными технико-экономическими характеристиками по сравнению с известными российскими и зарубежными аналогами является, на наш взгляд, весьма актуальной.
Цель работы - теоретическая и экспериментальная разработка системы радиочастотной идентификации на основе частотного различения кода, а также разработка идентификационных меток с улучшенными характеристиками для систем с кодовым различением.
Основные задачи работы:
разработка инновационных меток радиочастотной идентификации для использования в составе систем с частотным и кодовым различением и построение электродинамических моделей меток;
техническая реализация идентификационных меток на основе частотного и кодового различений, экспериментальное исследование их характеристик и сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов;
построение упрощённой электродинамической модели устройства для считывания меток с частотным различением;
- техническая реализация устройства для считывания меток с частотным
различением, экспериментальное исследование его характеристик (со
вместно с метками) и сравнительный анализ теоретических и экспери
ментальных результатов.
Методы исследований. Первую часть работы составляют методы математического моделирования: математический аппарат электродинамики, аппарат теории сингулярных интегральных уравнений (СИУ), численные методы решения интегральных уравнений. Численные результаты получены с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных на ПЭВМ.
Другая часть работы основана на экспериментальных исследованиях. Использовано оборудование для антенных измерений: генераторы Г4-78 (1.16... 1.78 ГГц), Г4-79 (1.78... 2.56 ГГц), Г4-80 (2.56... 4.00 ГГц); усилитель измерительный У2-8, антенны измерительные: П6-23А (1-18ГГц), LX-1080 (1-8ГГц, A-info Inc.) антенна, предложенная в [Л10]; анализатор параметров электрических цепей Agilent FieldFox N9912А.
Научная новизна работы.
разработаны конструкции и экспериментальные образцы меток с частотным различением без использования ИС, имеющие низкую стоимость изготовления, простой производственный цикл и улучшенные технические характеристики в сравнении с аналогами.
предложены конструкции меток с кодовым различением на основе ИС и антенны особой формы, обладающие улучшенными технико-экономическими характеристиками в сравнении с аналогами.
построены электродинамические модели, на основе теории СИУ разработаны методы анализа меток с частотным и кодовым различением, отличающиеся высоким быстродействием по сравнению с аналогами (FDTD и др.), приведён приближённый метод конструкторского синтеза мультичастотных меток.
предложена методика считывания меток с частотным различением кода для разработки новых считывателей.
разработан приближённый метод электродинамического анализа считывателей вида «на прохождение» и «на отражение» для систем с частотным различением, приведены конструкции и экспериментальные образцы считывателей, адаптированные для производственных линий промышленных предприятий.
Обоснованность и достоверность. Все результаты, полученные в рамках теоретического подхода, с хорошей точностью подтверждены экспериментально. Использованные приближенные методы решения СИУ корректны с формальной математической точки зрения. Контроль результатов на разных этапах осуществлялся: сравнением данных, полученных теоретически в рамках предлагаемых подходов с данными, полученными альтернативными, в основном, численными методами (FDTD, FEM и др.); исследованием внут-
ренней сходимости численных алгоритмов; сравнением теоретических и экспериментальных результатов.
Практическая ценность работы. В работе рассмотрены задачи разработки, реализации и модернизации систем радиочастотной идентификации СВЧ-диапазона: систем с частотным различением кода, включая теоретическую и экспериментальную разработку меток и устройств считывания; систем с кодовым различением, включая теоретическую и экспериментальную разработку меток и определение требований к считывающим устройствам.
Результаты, полученные в работе, имеют большое теоретическое и практическое значение, связанное с вопросами расчета характеристик, конструирования, адаптации под необходимые производственные и другие промышленные условия, а также непосредственно практического применения в тестовой и коммерческой эксплуатации рассмотренных типов идентификационных систем.
Разработанные в диссертации методики, модели и методы расчета использованы в научно-исследовательских проектах по созданию инновационной технологии радиочастотной идентификации, разработке меток низкой стоимости и устройств для их считывания.
В подтверждение практического применения результатов получено 2 акта внедрения по результатам совместных исследовательских проектов с корпорацией Самсунг Электронике Ко., Лтд. (1-я и 2-я главы) и 1 акт внедрения на предприятие ФГУП НИИ «Экран» (3-я глава).
Результаты диссертационной работы могут быть в дальнейшем использованы в качестве основы для многих перспективных разработок в области систем радиочастотной идентификации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методы электродинамического анализа меток с частотным и кодовым различением, отличающиеся высоким быстродействием в сравнении с существующими аналогами и метод приближённого конструкторского синтеза меток с частотным различением.
-
Конструкции, экспериментальные образцы меток без ИС и устройств считывания меток для систем радиочастотной идентификации с частотным различением кода.
3. Конструкции и экспериментальные образцы меток радиочастотной
идентификации с кодовым различением, имеющие улучшенные характери
стики в сравнении с существующими аналогами.
4. Инновационная система радиочастотной идентификации на основе час
тотного различения для использования на производственных линиях про
мышленных предприятий.
Личный вклад автора. В совместных работах научному руководителю принадлежит общая постановка задач и определение направлений ведения исследований. Непосредственно идеи, разработки, реализации, подробное проведение рассуждений, доказательств, расчетов, изготовление и тестирование экспериментальных образцов, а также анализ результатов принадлежат соискателю.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях:
X МНТК «Проблемы техники и технологии телекоммуникации». — Самара, 2009;
IX МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов». — Челябинск, 2010;
X МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов». — Самара, 2011;
XII МНТК «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». — Казань, 2011;
- V Межрегиональный экономический форум «Самарская инициатива:
кластерная политика - основа инновационного развития национальной
экономики», Самара, 2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК, а также 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 89 наименований, приложения, и содержит 133 страницы текста, в том числе 33 рисунка и 6 таблиц.
Предлагаемая конструкция RFID-метки и принцип работы
Предлагаемый вариант RFID-метки резонансного типа основан на методе ЧР и может быть изготовлен специальным методом, получившим название InkJet-печати. Этот метод стал известен благодаря работам [21-23] и в последние несколько лет получил весьма широкое распространение в кругах ведущих производителей и разработчиков систем радиочастотной идентификации. Он предполагает замену технологии классического печатного монтажа при массовом производстве RFID-меток струйной либо лазерной печатью высокопрово-дящими чернилами на диэлектрической подложке (полиэтилен, полиэфирсуль-фон, и др.) с последующей термообработкой заготовки. Значения удельной проводимости чернил современных разработок лежат в пределах о-= (7.10 -1.05-107)См/л , тогда как для алюминия а = 3.7210 См/м. Подробнее о результатах разработки таких чернил и средств их нанесения см. [21-23,38].
Селективными звеньями RFID-метки служат кольцевые резонаторы, общее количество п которых определяет разрядность кода метки (в битах). Конструктивно метка представляет собой пассивное устройство, содержащее набор замкнутых микрополосковых (МПЛ) элементов, расположенных на диэлектрической подложке. Информация о кодовых битах закладывается в собственные частоты резонаторов метки, лежащие в диапазоне [/min;/max]- Этот диапазон складывается из совокупности малых областей А/ , каждая из которых соответствует полосе /-го резонатора, где i = \,n. Тогда общий отклик метки в частот ной области складывается из совокупности резонансных пиков, максимумы которых приходятся на собственные частоты резонаторов.
На рисунке 1 приведена геометрия одной из возможных 2" кодовых комбинаций метки для круглой (а) и овальной (б) формы элементов. Код этой комбинации 1111 1111, где значение бита «1» соответствует наличию в метке i-го элемента и его отклика соответственно.
Альтернативные комбинации достигаются за счёт удаления некоторого числа элементов, при котором в отклике исчезают соответствующие им резонансные пики. Соискатель вошёл в состав исследовательской группы, которой была разработана система радиочастотной идентификации для таких комбинаций и получен патент РФ на RFID-метки [17].
Принцип идентификации объекта с помощью предлагаемых меток можно пояснить исходя из следующих соображений. Пусть имеется объект идентификации - картонная коробка с некоторым товаром, в которой помимо самого товара содержится идентификационная метка, расположенная таким образом, что её плоскостъ параллельна одной из стенок коробки 2. В первом случае основой для нанесения метки может служить непосредственно наружная либо внутренняя стенка коробки, во втором - упаковочный материал аксессуаров. При необходимости возможно изготовление метки как самостоятельного элемента на отдельной диэлектрической основе. в дальнейшем будем для краткости опускать индексы «О», обозначающие резонансные параметры метки: Я ,
Метка может содержать информацию о товаре, либо его аксессуарах. Для идентификации кода метки СВЧ-генератор качающейся частоты (ГКЧ), входящий в состав считывателя, формирует сигнал с линейно-изменяющейся частотой (ЛЧМ-сигнал), который излучается в пространство передающей направленной антенной в виде электромагнитных волн в некоторой полосе частот. Эти волны распространяются в направлении объекта идентификации. Возбуждая RFID-метку, волны селективно взаимодействуют с её электромагнитным полем рассеяния, после чего сформированный отклик принимается второй антенной считывателя и в виде сигнала поступает на приёмное устройство. Далее происходит обработка опорного сигнала и принятого отклика и их преобразование в код, который с помощью специальных проверочных комбинаций программно тестируется на возможные ощибки и поступает в базу данных, где и происходит сам процесс идентификации.
Одной из основных задач при разработке мультичастотной метки является учёт взаимного влияния соседних колец-резонаторов за счёт наличия электрической и магнитной связей. Из-за большого числа зашифрованных кольцами комбинаций кода найти закономерность этого влияния опытным путём не представляется возможным. Гипотетически, применяя функции оптимизации и численного синтеза, в изобилии имеющиеся в составе современных САПР, таких как CST Microwave Studio, Ansoft HFSS, EMSS FEKO, и мн. др. возможно найти закономерность влияния колец друг на друга. Однако, методы используемые этими пакетами в больщинстве своём чисто численные, а расчёты такими методами даже структуры с простой геометрией приводят к весьма существенным вычислительным и временным затратам, зачастую на грани здравого смысла.
В настоящей работе была поставлена задача расчета амплитудной диаграммы направленности (ДН) электрического поля Е в дальней зоне REID-метки с круглой формой колец в диапазоне резонансных частот колец, а также частотной зависимости амплитуды поля рассеяния в конкретной точке пространства. Для решения данной задачи была построена строгая электродинамическая модель метки в виде набора планарных кольцевых резонаторов. Возбуждение структуры осуществлялось плоской электромагнитной волной (ПЭМВ), падающей по нормали к поверхности метки. Т.е. решалась задача дифракции. При этом плоский фронт волны имитирует излучение опросного сигнала антенной считывателя.
Метод конструкторского синтеза геометрии метки
При разработке мультичастотных идентификационных меток очень важным является алгоритм представления кода метки конкретной конфигурации. Другими словами, такой алгоритм должен определять, каким образом кодируется бит информации в метке. В первоначальных опытных конструкциях меток использовался т.н. метод «прямого кодирования». Согласно этому методу общее число колец-резонаторов мультичастотной метки выбиралось равным числу разрядов её кода в битах пргз = пЫт. Другими словами один бит кодировался одним резонатором и соответствующим ему резонансом, см. п.1.1, п. 1.5.
Однако, в процессе всестороннего экспериментального исследования характеристик мультичастотных меток, и разработки методики и устройств для их считывания было установлено, что использование метода прямого кодирования приводит к чрезмерно большому количеству ошибок при считывании и дешифровании кода меток. Причина этого - паразитное смещение резонансных пиков отклика при кодировании определённых комбинаций. В частности, считывание кода, содержащего последовательности вида «00», «000», и т.д. было практически невозможно произвести из-за ошибки, возникавшей в результате смещения и искажения резонансного пика, кодирующего бит «1», предшествующий последовательности нулей.
С точки зрения электродинамики такое смещение и искажение формы можно объяснить локальным изменением эффективной диэлектрической проницаемости структуры при удалении части колец. Существенную роль также играет добротность кольцевого резонатора, которая существенно зависит от взаимного расположения резонаторов, см. п.1.4.
Данный алгоритм кодирования, предложенный И.М. Подобедом в работе [19], создан на основе физических соображений о предотвращении эффекта смещения, вызванного взаимодействием резонансных элементов метки. Метод т.н. «компенсирующих резонансов» предложен в настоящей работе соискателем.
На рисунке 4 показан пример откликов двух различных меток в частотном спектре. Мы не будем в данном разделе подробно останавливаться на анализе резонансного отклика, его свойствах и сравнении расчётных и экспериментальных данных, ограничившись представлением кода в виде набора резонансов. Анализ откликов меток различных кодовых
В правой части графика, закрашенной тёмно-серым цветом, расположена область резонансов не несущих информацию о коде меток. Первый опорный резонанс служит для фиксации резонанса, расположенного слева от него, а также для идентификации типа метки, так как предполагается использовать разные типы кодирования. Перед дешифрованием кода, считыватель должен определить конкретный тип метки по первому опорному резонансу, или по группе резонансов, которые планируются использовать в последующих модификациях меток. Справа от первого резонанса на рисунке 5 расположен компенсирующий резонанс.
Компенсирующий резонанс необходим для поддержки первого опорного резонанса или группы резонансов, так как фиксация положений опорных пиков является не менее важной, чем пиков, содержащих информационный код метки (т.н. «значащих»).
Левая часть графика состоит из несколько сменяющихся белых и серых полос. В белых полосах ожидаются резонансные пики, наличие или отсутствие которых соответствует значениям определённых бит кода метки. В серых полосах располагаются т.н. «опорные» резонансные пики, которые поддерживают пики, расположенные слева от них, и присутствуют только тогда, когда в соседних белых полосах резонансных пиков нет. Такой порядок чередования резонансов позволяет равномерно распределить резонансные пики по всему частотному диапазону, занимаемому резонансными элементами метки. При этом максимальное число подряд идущих полос без резонансных пиков - 3.
На каждый бит идентификационного кода приходится в общем случае более одного резонансного элемента метки. В теории кодирования такие методы принято называть избыточными, и в то же время, избыточность позволяет сделать процесс считывания более устойчивым, так как при повреждении одного или нескольких бит, есть возможность найти и исправить ошибку. Для всех кодов существует способы оценки и предел их помехоустойчивости. Этот предел принято называть границей Хемминга [51]: АШ) .—Г4- , q v t І п \ і k=0\KJ где q = 2 - число значений, которое принимает каждый бит, н = 8 -длина кода, d=1 - минимальное расстояние между разрещёнными комбина d-\ или минимальное число ошибок, которые теоретически можно исправить, А = 256 - мощность кода или число передаваемых кодом комбинаций. Подставляя в выражение для границы Хемминга параметры описанного метода кодирования, получаем 2(8,1) 2 =256. Это значит, что код по терминологии Хемминга совершенный, т.е. его мощность принимает значение максимально возможное для данных характеристик (п,q,d,t).
Антенная система. Конструктивные реализации «на прохождение» и «на отражение»
В настоящее время на российском и международном рынках предлагается большое разнообразие систем радиочастотной идентификации для различных применений. Обязательным атрибутом всех этих систем является наличие того или иного устройства для считывания кода идентификационных меток, хранящих информацию о товаре. Надо сказать, что подавляющее большинство предлагаемых считывающих устройств ориентированы на работу с метками СКР и СВР, притом специфика работы этих систем не позволяет использовать считывающие устройства для меток СЧР. Это связано с весьма существенными различиями, как в принципах представления кода, так и в формировании самого отклика меток, а также в передаче его на считыватель и дешифровании.
На основании вышеизложенного было принято решение разработать технологию считывания мультичастотных RFID-меток [17], конструкции устройств для их считывания, а также метод приближённого электродинамического анализа системы «метка-считыватель» для адаптирования моделей под конкретные промышленные условия с учётом минимизации затрат на изготовление образцов.
В качестве исходных данных для разработки использованы результаты предыдущей главы, где предложены мультичастотные метки СЧР, а также актуальность использования систем радиочастотной идентификации в условиях производственного конвейера.
Однако следует отметить, что конструкция должна обладать определенной универсальностью и при весьма несущественной доработке может быть также использована во многих других отраслях промышленности: логистика, торговля, и т.д.
Структурная схема и основные узлы считывателя Генератор качающейся частоты (ГКЧ) типа ГУН, входящий в состав БРЧО формирует сигнал с линейно-изменяющейся частотой (ЛЧМ-сигнал), который излучается в пространство направленной передающей антенной А, в виде электромагнитных волн (ЭМВ) в некоторой полосе частот /min - - /max диапазона сверхвысоких частот (СВЧ).
ЭМВ распространяются в направлении идентифицируемой коробки с товаром, внутри (либо на поверхности) которой расположена RFID-метка. Воз буждая метку, волны селективно взаимодействуют (интерферируют) с её электромагнитным полем рассеяния, после чего сформированный отклик фиксируется приёмной антенной А2 и поступает на приёмник БРЧО. Здесь происходит обработка опорного и измеренного сигналов и их аналогово-цифровое преобразование (АЦП) в сигнал, который поступает на БЦОС и далее в СУБД, где и происходит сам процесс идентификации кода.
АС помещена в защитную экранирующую рамку для исключения влияния внешних объектов и электромагнитных полей на процесс идентификации. Внутренняя поверхность рамки покрыта слоем радиопоглощающего материала для минимизации внутренних паразитных переотражений, улучшения отношения сигнал/шум системы и снижения неравномерности калибровки. В последующих подразделах описаны основные структурные узлы RFID-считывателя. Разработано 2 модели считывателя, отличающиеся по принципу идентификации и конструкции АС. Антенны и метка
В качестве А, и Ах использованы широкополосные спиральные излучатели круговой поляризации, обладающие осевой направленностью. Наиболее подходящими антеннами, отвечающими вышеизложенным требованиям являются планарные двухзаходные спирали Архимеда, работающие в режиме противофазного возбуждения. При максимальной простоте конструкции и хороших массо-габаритных характеристиках они имеют более осесимметричную диаграмму направленности (ДН) и лучшие поляризационные свойства в срав нении с однозаходными [55].
Электродинамическая модель антенны
В настоящее время при разработке инновационных систем радиочастотной идентификации повышенный интерес проявляется к идентификационным системам диапазона СВЧ. В этом диапазоне существуют специально выделенные полосы частот для работы систем автоматической идентификации. Наиболее часто применяются частоты 860-960МГц, 2.45ГГц и 5.1 ГГц. Это связано, прежде всего, с повышенной дальностью действия таких систем и высокой скоростью считывания кода идентификационной метки.
Антенна метки с кодовым различением обычно изготавливается в виде пла-нарной печатной конструкции на диэлектрической подложке [5-8], либо представляет собой монолитную структуру в корпусе для поверхностного (англ. Surface Mount Device, SMD) монтажа [59], например SOT-23 [60]. Монолитные антенны СВЧ-диапазона выпускаются сегодня многими ведущими производителями электронных компонентов, такими как Murata, Epcos, TDK, Rainsun и др. Кроме антенны конструкция метки СКР, как уже было отмечено выше, содержит ИС с памятью ПЗУ, а также согласующее устройство - четырёхполюсник, обеспечивающий согласование импедансов антенны и ИС.
Наиболее существенным недостатком, свойственным подавляющему большинству известных конструкций меток СКР является то, что подавляющее число их разработчиков используют для построения согласующего устройства внешние элементы: конденсаторы, катушки индуктивности в SMD-исполнении. Это весьма существенно отражается на стоимости меток, поскольку использование подобных элементов усложняет производственный цикл. Однако такое усложнение производства и удорожание метки считается разработчиками оп равданным, поскольку при этом согласующее устройство оказывается весьма компактным, что позволяет использовать максимум свободного места на подложке для размещения планарной антенны.
Также немаловажным недостатком, свойственным большинству типовых решений, является большая неравномерность угловых диаграмм направленности [5-7] и поляризационных характеристик [5-8] применяемых в метках антенн.
Диаграммы направленности (ДН) имеют ярко выраженную неравномерность, которая проявляется в наличии глубоких провалов или т.н. «мёртвых зон» (англ. “Dead area”) в боковом (азимутальном) либо осевом (меридиональном) направлениях. Эти участки могут стать причиной значительного уменьшения расстояния считывания в этих направлениях и одновременно существенного возрастания коэффициента ошибок.
Не менее значительным является недостаток решений, связанный с неравномерностью поляризационных характеристик антенн меток СКР. Он обусловлен линейной поляризацией большинства конструкций антенн. Нужно сказать, что большинство считывателей СКР также изготавливается с антеннами линейной поляризации. Это позволяет получить большее значение коэффициента усиления антенны при меньших габаритах [55]. Таким образом, в СКР возможна существенная поляризационная развязка между антеннами метки и считывателя [24,61], результатом которой может быть резкое уменьшение коэффициента передачи и возрастание количества ошибок считывания аналогично описанному случаю с неравномерностью ДН.
Таким образом, для построения качественных, надёжных в эксплуатации, а самое главное - доступных по цене СКР требуется разработка новых антенн, адаптированных для использования в метках. При этом упор разработчика должен делаться на оптимизацию ДН и поляризационной характеристики антенны с целью максимального уменьшения указанных неоднородностей. Это, на взгляд соискателя, позволит добиться считывания метки из произвольной угловой позиции и с практически произвольной поляризацией излучения считывателя.
В диссертационной работе произведена разработка конструкции антенны, обладающей слабонаправленной ДН, которая не содержит «мёртвых зон», а также имеющая равномерную поляризационную характеристику. (б) формой витков Указанные свойства достигаются реализацией в антенне т.н. «режима смешанных волн» тока [24,61] и круговой поляризации излучения. Кроме того, такая антенна позволяет получить коэффициент усиления Gd, значительно превышающий Gd для монолитных конструкций [59] в 8MD-исполнении.
Режим смешанных (или частично стоячих) волн [24,50,55], применяемый в конструкции, возникает при неполном отражении на конце электродинамической структуры (линии передачи). Суммарная волна при этом образуется в результате интерференции падающих и отраженных волн неравных амплитуд. Такое соотношение амплитуд возможно в том случае, когда часть энергии, переносимая падающей волной, расходуется в нагрузочном сопротивлении на конце линии. Однако, интерференция волн с неравными амплитудами также возможна при наличии излучения, например, когда амплитуда волны тока, распространяющейся по проводнику структуры от точки запитки, убывает с ростом координаты. При этом даже в случае полного отражения от конца проводника прямая и отражённая волны будут иметь различные амплитуды (антенны). В данном случае, роль нагрузки играет сопротивление излучения антенны (при наличии потерь - сумма сопротивлений потерь и излучения). Таким образом, смешанную волну можно представить как суперпозицию бегущей и стоячей волн.
В конструкции применяется антенна в виде планарной двухзаходной спирали Архимеда, круглой, рисунок 26,а, либо прямоугольной, рисунок 26,6, формы, расположенная на диэлектрической подложке из гибкого СВЧ-диэлектрика. В качестве подложки могут быть использованы любые гибкие диэлектрические основы: полиимид (ПФ), фторопластовый полиимид (ПФФ), фторопласт (ФФ), полиэфирсульфон и др. Материал проводника спирали - медь, алюминий. Структура разработана на основе решения [62], с некоторыми изменениями.
Отличительной особенностью предлагаемых конструкций антенн является малое количество витков в заходах - 2 V., тогда как существующие решения, например [63] и др. подобные имеют значительно большее количество витков. Впоследствии будет сделан важный вывод о том, что подобное «вырезание» части «нерезонансных» витков спирали не приводит к сколь-либо существенному уменьшению коэффициента усиления антенны и искажению её ДН и ПХ. Тогда как освобождение значительной площади, занимаемой витками антенны, может быть использовано для реализации печатного согласующего перехода.
