Содержание к диссертации
Введение
1 Принципы действия и область применения систем радиочастотной идентификации на ПАВ-метках. Структурное построение радиометок и требования к ним 11
1.1 История РЧИ меток 11
1.2 Классификация и область применения РЧИ-меток 12
1.3 Принципы действия систем радиочастотной идентификации на ПАВ-метках 15
1.4 Структурное построение радиометок и требования к ним 21
1.5 Основные выводы главы .24
2 Системные характеристики радиолиний РЧИ на основе технологий на ПАВ в реальных условиях эксплуатации 25
2.1 Оценка дальности считывания радиометки в системе РЧИ движущегося транспорта 26
2.2 Оценка дальности считывания метки, находящейся в полупроводящей среде 34
2.3 Оценка ослабления радиосигнала в гранулированной воздушной смеси 40
2.4 Основные выводы главы 46
3 Оптимизация структуры построения радиометки на ПАВ систем РЧИ для экстремальных условий 47
3.1 Сравнительный анализ методов реализации временной задержки в радиометке 47
3.2 Радиометки с отражательными структурами на основе ВШП 49
3.3 Радиометка с кодирующей структурой на основе ВШП 58
3.4 Основные выводы главы 64
4 Технологические аспекты реализации радиометок на ПАВ, интегрированных с антенным устройством 66
4.1 Антенны радиометки со слабонаправленной ДН
4.2 Низкопрофильные антенные устройства кругового излучения 74
4.3 Варианты размещения радиометок на объектах идентификации 78
4.4 Основные выводы главы 83
Заключение
- Принципы действия систем радиочастотной идентификации на ПАВ-метках
- Структурное построение радиометок и требования к ним
- Оценка дальности считывания метки, находящейся в полупроводящей среде
- Радиометка с кодирующей структурой на основе ВШП
Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время в России и за рубежом наблюдается устойчивый интерес к применению систем радиочастотной идентификации (РЧИ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в сфере обеспечения безопасности жизнедеятельности человека: в службах МЧС, на железнодорожном и автомобильном транспорте, важных промышленных объектах. Поскольку носителем информации в системах РЧИ выступает акустоэлектронная метка, то имеют место такие преимущества технологии ПАВ перед другими системами идентификации, как энергонезависимость радиометок, большая дальность считывания, реализуемость антиколлизии, долговечность (срок ее жизни практически не ограничен), устойчивость к воздействию окружающей среды и др.
Идея использования эффекта временной задержки поверхностной акустической волны в радиотехнических устройствах была выдвинута в 60-х годах Гуляевым Ю.В. и Пустовойтом В.И. Сегодня работы по созданию и внедрению систем РЧИ на ПАВ активно ведутся как за рубежом, так и в России (ИРЭ РАН им. В.А. Котельникова, АО «Авангард», Ростовский НИИ радиосвязи, НПП «ТРИиС», ЦНИРТИ им. А.И. Берга, «Радар ММС», Концерн «Вега», Концерн «Созвездие» и др.). Однако практически все исследования относились к эксплуатации радиометок в нормальных условиях (логистика, торговля, радиодоступ и т.д.). Но надо иметь в виду, что в процессе эксплуатации воздействующие на радиометку фрагменты полупроводящей среды как в естественных условиях, так и в результате природных и техногенных катастроф будут приводить к снижению качества и дальности считывания метки. При этом при размещении меток на движущемся транспорте также возникают проблемы снижения качества и дальности считывания. Однако отмеченные факты не нашли отражения в работах указанных выше авторов. Учитывая новые реалии эксплуатации системы РЧИ на ПАВ и необходимость при этом разработки радиометок с повышенной эффективностью, данная работа представляется актуальной.
Основная научная задача. Обоснование и разработка путей и методов повышения эффективности функционирования (дальность и достоверность) систем РЧИ на ПАВ в экстремальных условиях эксплуатации.
Объект исследования. Радиочастотные метки на
поверхностных акустических волнах для систем РЧИ.
Предмет исследований. Потери и искажения в
радиочастотном и акустическом трактах систем РЧИ на ПАВ и пути их снижения.
Целью диссертации является повышение эффективности (дальности и достоверности считывания информации) систем радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах для экстремальных условий эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка критериев и методов оценки реализуемости
систем РЧИ на ПАВ для движущегося транспорта и в экстремальных
условиях эксплуатации;
- определение необходимого энергопотенциала и дальности
идентификации в радиоканале систем РЧИ в указанных условиях;
- оптимизация структуры построения радиометки на ПАВ для
указанных условий эксплуатации;
- создание радиочастотных меток на ПАВ с повышенной
эффективностью. Теоретическое и экспериментальное
подтверждение их характеристик.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались теория акустоэлектроники, математический аппарат теории вероятностей, теория распространения радиоволн в полупроводящих и неоднородных средах, теоретические основы проектирования низкопрофильных полосковых антенн, оптимизация решений по методу анализа иерархий, имитационное моделирование.
Результаты исследований:
- получены обоснованные критерии допустимого снижения
параметров в системе РЧИ при нахождении радиометки на
движущемся объекте и при воздействии на нее различных
полупроводящих сред;
- разработана методика расчёта и проведена оценка
необходимого энергопотенциала радиоканала системы РЧИ,
обеспечивающая работоспособность системы в экстремальных
условиях;
- выбрана оптимальная структура построения радиометки,
совмещенной с низкопрофильным антенным устройством;
- предложен ряд оригинальных решений по структуре и облику
радиометок, имеющих повышенную эффективность.
Научная новизна исследований:
- впервые показана закономерность считывания информации с
радиометок в зависимости от скорости движения транспортных
средств;
- определен необходимый энергопотенциал для
соответствующей дальности идентификации с учетом нахождения
радиометки в полупроводящей среде (снег, лед, сель, уголь и др.), в
том числе для угля в виде воздушно-гранулированной среды,
характерной для реальных условий эксплуатации;
- представлен вариант радиометки (по патенту РФ),
отличающийся от известных наличием невзаимного устройства,
устраняющего возможность регенерации многократно возбужденных
акустических волн;
- разработаны два исполнения низкопрофильных антенн:
слабонаправленной U-образной и ненаправленной в полосковом
исполнении; выполнен расчет характеристик антенн.
Практическая значимость результатов:
- на основе систем РЧИ на ПАВ показана возможность
считывания и идентификации транспортных средств, движущихся на
скорости до 300 км/ч;
- установлена возможность считывания радиометок,
находящихся в полупроводящей среде, что важно при применении
системы в службах спасения МЧС; определены пределы дальности
действия в таких системах;
- разработана топология кристалла 20-битной и 52-битной
меток, пригодная для производства, что подтверждено двумя
свидетельствами о государственной регистрации Федеральной
службы по интеллектуальной собственности (правообладатель
Минпромторг РФ);
- разработана базовая технология монтажа кристаллов
акустоэлектронных ПАВ меток в керамике LTCC.
Основные положения, выносимые на защиту:
- критерии реализуемости систем РЧИ на ПАВ, оцениваемые
по уровню энергопотенциала системы, при котором обеспечивается
возможность считывания радиометки, расположенной на
движущемся транспорте и в полупроводящей среде;
необходимый энергопотенциал и дальность считывания радиометки в системе РЧИ на ПАВ, определяемые диэлектрическими параметрами среды (sm и ) и скоростью движения транспортного средства; экспериментальное подтверждение результатов численных расчётов;
оптимизация структуры построения радиометки за счет комплексного подхода по снижению акустических потерь в радиометке, выравнивание импульсных откликов от отражателей метки, реализация антенны метки с повышенным КУ, согласование импедансов антенны и метки;
- конструкторско-технологический облик радиометки,
интегрированной с антенным устройством (варианты исполнения и
их характеристики).
Достоверность полученных результатов. Достоверность подтверждается корректностью поставленных задач, использованием апробированных, а также альтернативных методов их решения, в т.ч. методом имитационного моделирования.
Внедрение научных результатов.
Представлены 3 акта внедрения, в том числе: ФГБОУ ВО Воронежский институт ГПС МЧС России, ОАО «Концерн Росэнергоатом» Ленинрадская АЭС-2, АО «Концерн «Созвездие».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 11 конференциях и представлены в разделе «Опубликованные работы».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 научные работы, в том числе 8 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получены 1 патент РФ на изобретение и 2 свидетельства о регистрации топологии интегральных схем.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, приведенных в конце автореферата, лично автором в [1] предложена методика и выполнены расчёты по ослаблению сигналов в системе РЧИ на ПАВ при нахождении метки в полупроводящей
среде; [2] – проведен расчёт дальности считывания метки, находящейся в полупроводящей среде в зависимости от длительности интегрирования; [3] – выполнена разработка топологии фотошаблонов многослойных плат корпуса метки LTCC; [4, 5] – выполнен расчёт дальности считывания метки для движущегося транспорта и обоснована предельная скорость движения; [6] – исследовано распределение энергопотенциала по компонентам радиоканала и возможность повышения эффективности систем РЧИ на ПАВ; [7] – аналитически обосновано и экспериментально подтверждено снижение потерь в радиоканале, проходящем через воздушно-гранулированную среду; [8] – проведены поиск и выбор оптимальных вариантов построения антенных устройств для радиометок; [9] – произведены патентный поиск и оформление материалов заявки на изобретение; [10, 11] – разработана топология фотошаблона 20- и 52-битных меток.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, и 4 приложений. Основная часть работы изложена на 87 страницах, содержит 46 рисунков и 5 таблиц.
Принципы действия систем радиочастотной идентификации на ПАВ-метках
В связи с необходимостью обеспечения непрерывной работы устройства обнаружения для поиска людей рассмотрим более подробно классификацию меток по источнику питания.
Пассивные метки не имеют встроенного источника энергии. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования чипа, размещённого в метке, и передачи ответного сигнала.
Активные метки обладают собственным источником питания и не зависят от энергии считывателя, вследствие чего они читаются на более дальнем расстоянии, имеют большие размеры и могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако такие метки наиболее дороги, а батарея имеет ограниченное время работы.
Активные метки в большинстве случаев более надёжны и обеспечивают самую высокую точность считывания на максимальном расстоянии. Активные метки, обладая собственным источником питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, что позволяет применять их в более агрессивных для радиочастотного сигнала средах: воде, для больших расстояний на воздухе. Большинство активных меток позволяет передать сигнал на расстояния в сотни метров при жизни батареи питания до 10 лет. Некоторые метки имеют встроенные сенсоры, например для мониторинга температуры. Другие типы сенсоров в совокупности с активными метками могут применяться для измерения влажности, регистрации толчков/вибрации, света, радиации, температуры и газов в атмосфере.
Таким образом, активные метки обычно имеют гораздо больший радиус считывания (до 100 м) и объём памяти, чем пассивные, и способны хранить больший объём информации для отправки приёмопередатчиком. Полупассивные метки, также называемые полуактивными, похожи на пассивные метки, но оснащены батареей, которая обеспечивает чип энергопитанием. При этом дальность действия этих меток зависит только от чувствительности приёмника считывателя, и они могут функционировать на большем расстоянии и с лучшими характеристиками.
В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые радиочастотные метки, изготовленные по технологии интегральных микросхем. Они применяются в системах контроля и управления доступом, обеспечения безопасности людей, при скрытой электронной маркировке контейнеров и автомобилей, для автоматизированного учета и регистрации автомобилей и железнодорожных вагонов, маркировки грузов и багажа, прослеживания маршрутов важных грузов и объектов, инвентаризации товаров на складах. Однако полупроводниковым радиочастотным меткам свойственны следующие ограничения и недостатки: чувствительность к помехам в виде электромагнитных полей и импульсов, невозможность работать в агрессивных средах, наличие взаимных коллизий.
Другой класс радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах (ПАВ), построенный на основе акустоэлектронной технологии, обладает большими потенциальными техническими и технологическими преимуществами по сравнению с полупроводниковыми метками, такими как возможность функционирования в более высоком частотном диапазоне, обработка сигнала в реальном масштабе времени, высокая помехозащищенность, возможность работы в условиях сильного электромагнитного поля, более широкий температурный диапазон, неограниченный срок действия.
Такие свойства ПАВ-меток, как неограниченный срок службы радиометок на ПАВ и их энергонезависимость, практическая невозможность клонирования, высокая криптостойкость и возможность дистанционной идентификации, возможность функционирования в более высоком частотном диапазоне, обработка сигнала в реальном масштабе времени, высокая помехозащищенность, возможность работы в условиях сильного электромагнитного поля, более широкий температурный диапазон, позволяют уже сегодня существенно расширить области применения РЧИ на ПАВ. Кроме традиционных методов опознавания и идентификации товаров, багажа, транспорта и др. становится возможным дистанционное обнаружение угнанного автотранспорта, а также обнаружение и идентификация продукции в закрытых системах логистики, в т.ч. в условиях радиационного и химического загрязнения, поиск и идентификация персонала в условиях техногенных и природных катастроф, логистика стрелкового оружия и военной техники, в т.ч. в авиации, а также взрывчатых и отравляющих веществ и др. [3].
Структурное построение радиометок и требования к ним
Учитывая, что параметры m и являются частотно-зависимыми, дальнейшие расчёты выполним в выделенном для реализации систем РЧИ частотном диапазоне для = 900 МГц. Соответствующие значения m и на указанной частоте для различных полупроводящих сред сведены в таблице 2.1. Значения указанных параметров для снега приведены для двух температур: -1 и -10 С.
Результаты проведенной оценки показывают, что наличие чистого снежного покрова на метке практически не сказывается на дальности ее считывания (кривая 2 и 3). Наибольшее снижение дальности (на 1–2 %) отмечается при влажном уплотненном снеге. Вместе с тем можно ожидать, что смешанный с землей загрязненный снег (селевые наносы), который по своим электрическим параметрам приближается к влажной почве (кривая 4) с параметрами m = 10, = 10-2 сим/м, приведет к более значительному снижению дальности и займет область между кривыми 1 и 4.
Значительно хуже будут обстоять дела при размещении метки под слоем рудоносных пород, а также каменного угля и антрацита. Рисунок 2.8 — Зависимость дальности считывания метки от длительности накопления для различных полупроводящих сред (Рu = 10 мВт)
Зависимость дальности считывания метки от длительности накопления для различных полупроводящих сред (Рu = 1 Вт) Но если снижение дальности считывания метки до двух метров для бурого угля (кривая 4 — по параметрам m = 10, = 10-2 совпадает с влажной почвой) можно считать еще допустимым, то для рудоносной среды и каменного угля (кривая 5, параметры m = 15, = 102 сим/м), а также антрацита (кривая 6 параметры m = 15, = 103 сим/м) имеет место снижение дальности обнаружения метки на 2–3 порядка. Заимствованные из работы [56] параметры m и угля получены методом измерения добротности круглого дискового конденсатора с заполнением в виде цилиндрической шайбы из угля. Поэтому расчётные характеристики ослабления сигнала от метки будут справедливы при покрытии метки монолитным угольным пластом. В реальности будет иметь место гранулированное покрытие метки угольно-воздушной смесью.
Подтверждением этому может служить проведенный эксперимент по проверке ослабления электромагнитной волны в каменном угле, который не подтвердил таких высоких численных значений ослабления. Для объяснения данного фактора в работе [26] было выдвинуто предположение, что оценку параметров m и в этом случае надо проводить для гранулированной смеси уголь-воздушная среда, образующейся в результате техногенной катастрофы в шахте. Необходимость проведения таких исследований подтверждается имеющейся федеральной целевой программой [57], направленной на разработку мер и создания условий по повышению безопасности работ, выполняемых в шахтах и рудниках, и в том числе при поиске шахтеров, заблокированных в забое в результате техногенной катастрофы. Одним из подразделов этой программы предусматривается внедрение систем РЧИ.
Оценку ослабления для такого случая проведем на основе двухэтапного метода исследований. На первом этапе проведем расчёт средневзвешенных значений параметров m и для гранулированной смеси уголь–воздушная среда. Для упрощения расчётов сделаем предположение, что угольные фрагменты имеют шаровидную форму. Как показывают простейшие геометрические расчёты, объёмное соотношение угля и воздуха в этом случае составляет 62 % к 38 % соответственно, независимо от диаметра шара. Для такой модели проведенный расчёт средневзвешенных значений m и представлен в таблице 2.2 [26].
Соответствующие этим параметрам зависимости дальности считывания метки от длительности накопления для бурого угля будут сопоставимы с зависимостью для сели (кривая 4), а для каменного угля и антрацита дальность считывания увеличивается примерно на 15 % относительно кривых 5 и 6 на рисунке 2.8 и 2.9 [26].
На втором этапе исследована возможность прохождения радиоволны через угольно-воздушную массу за счет дифракции и переотражений от угольных фракций [58].
В ранее выполненных работах [32, 59] исследовано ослабление электромагнитной волны в системах РЧИ на основе ПАВ с радиометкой, находящейся в полупроводящей среде в результате техногенных или природных катастроф. Заимствованные из работы [56] параметры относительной диэлектрической проницаемости (гт) и проводимости () каменного угля были получены методом измерения добротности и емкости круглого дискового конденсатора, заполненного монолитной цилиндрической шайбой из угля, поэтому полученные расчетные характеристики ослабления радиосигнала от метки будут справедливы также при ее покрытии монолитным угольным пластом с параметрами гт = 15, = 102 сим/м. В реальности, в результате природной или техногенной катастрофы, в шахте будет иметь место покрытие радиометки угольно-воздушной фракцией. В работах [22, 25] выдвинуто предположение, что для такого случая ослабление радиосигнала от радиометки будет меньшим по двум причинам. Во-первых, электрофизические параметры (гт и ) будут определяться средневзвешенным значением между углем и воздухом [26]. Во-вторых (и это более существенно), поскольку в таких средах между фрагментами будут находиться воздушные полости, становится возможным прохождение радиосигнала до радиометки и обратно за счет дифракции и переотражения на фракциях угля.
Необходимость проведения таких исследований подтверждается федеральной целевой программой [57], направленной на разработку и создание условий по повышению безопасности в шахтах (рудниках), и в том числе по поиску шахтеров и горняков, находящихся в зоне техногенной катастрофы. Система РЧИ на ПАВ, не требующая энергопотребления для радиометки, а также имеющая неограниченные сроки эксплуатации, наиболее оптимальна для этих условий. В соответствии с планом мероприятий программы предлагается оснастить шахты и рудники двумя системами РЧИ. Первая служит для определения факта природной или техногенной катастрофы с отображением на диспетчерском пункте шахты ее местонахождения, вторая — для отыскания службой спасения персонала, попавшего в катастрофу. В обоих случаях пассивную радиометку предлагается закреплять на защитной каске. Построение аналогичных систем РЧИ предлагается осуществлять для поиска людей службой спасения МЧС [26, 20].
Здесь уместно отметить, что сегодня актуальность проблемы поиска людей, пропавших в зонах техногенных и природных катастроф (землетрясений, цунами), а также в результате террористических операций, военных конфликтов и др., существенно возрастает. Вместе с тем широкое использование мобильной связи может существенно способствовать решению этой проблемы, по крайней мере, в первые дни после катастрофы, при работоспособных аккумуляторах. В этой связи исследование по ослаблению радиосигнала в полупроводящих средах является актуальным не только для систем РЧИ.
Оценка дальности считывания метки, находящейся в полупроводящей среде
В данной главе рассматриваются технологические аспекты реализации радиометок на ПАВ. Показано, что конструктивный облик радиометки в значительной степени определяется антенными устройствами, габаритные размеры которых определяются заданным частотным диапазоном и поэтому значительно превосходят собственные размеры метки. Поэтому в качестве основного направления проектирования антенных устройств выбраны низкопрофильные антенны. При этом специфика эксплуатации меток на ПАВ диктует необходимость монтажа кристаллов акустоэлектронных меток в керамике LTCC (Low Temperature Cofire Ceramic), обладающей высокой температурной и механической стойкостью, а также длительными сроками эксплуатации.
Как было показано в главе 2, области применения систем РЧИ на ПАВ весьма разнообразны. Поэтому радиометки систем РЧИ и, в особенности, антенны радиометок могут размещаться на самых разнообразных конструкционных материалах: металле, диэлектрике, полупроводящих конструкциях, которые имеют разнообразную геометрическую форму и могут подвергаться воздействию как полупроводящих, так и агрессивных сред. В зависимости от назначения системы РЧИ можно выделить необходимость создания антенных устройств со сбалансированной диаграммой направленности ( 90150 в азимутальной плоскости) — преимущественно для целей радиодоступа, мониторинга автомобильного и ж/д транспорта и др., когда направленные на считыватель системы РЧИ ориентировочно являются известными, — также антенн радиометки с круговой диаграммой направленности, в основном в системах поиска и идентификации, когда направление от радиометки на считыватель заранее не известно. С учетом разнообразных требований к антеннам радиометки сегодня наибольшее применение находят полосковые (микрополосковые) и печатные антенны [77–80].
В последнее время они находят все большее применение и в других малогабаритных радиотехнических устройствах: сотовых телефонах, навигаторах, системах персонального вызова, биперах (устройствах радиопоиска), системах беспроводного доступа и др. [80].
Рассмотрим отдельно возможности реализации антенных устройств со слабонаправленной и круговой ДН в азимутальной плоскости.
В связи с широким развитием мобильной телефонии и систем беспроводного доступа сегодня рынок таких антенных устройств весьма обширен. И фактически задача состоит в оптимизации выбора наилучшего варианта для заданных условий эксплуатации.
В работах [81, 82] оптимизация выбора производится методом анализа иерархий Саати [67]. Суть метода: решаемая задача разделяется на три уровня: «цель – критерий – альтернативы». Под целью понимается выбор оптимального конструктива антенны радиометки. Под критериями — основные требуемые параметры антенны (диапазон частот, коэффициент усиления, согласование (КБВ), диаграмма направленности в азимутальной и угло-местной плоскостях, стабильность параметров, масса габаритные характеристики, ориентировочная стоимость и д.р.). Под альтернативами — имеющиеся для сравнения набор антенных устройств для радиометок. В данном случае рассматривалось шесть типов антенных устройств, описанных в работе [78]. В результате попарного сравнения их характеристик по методу анализа иерархий [67] наибольший показатель получила U-образная антенна, которая и была взята в основу реализации слабонаправленной антенны для радиометки на ПАВ. В основу антенны положена классическая микрополосковая антенна прямоугольной формы (как наиболее отработанная аналитически), в верхней пластине которой прорезана щель U-образной формы (рисунок 4.1). — диэлектрик; 2 — нижняя пластина; 3 — верхняя пластина; 4 — точка питания коаксиального кабеля; 5 — U-образная щель
Классическая микрополосковая антенна обладает достаточно высокой механической прочностью и соответственно стабильностью электрических характеристик. Выбор диэлектрического материала для антенны достаточно обширен.
В качестве примера в таблице 4.1 предоставлен ряд диэлектрических материалов и их характеристики (диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь tg на частоте 106 Гц), находящие применение в микрополосковых антеннах.
Соответственно будут сокращаться и все размеры U-образной антенны в зависимости от выбранного материала подложки. Радиометка на ПАВ для систем РЧИ состоят из двух основных компонентов — антенны и микрочипом метки. При этом общие габариты радиометки сегодня фактически определяются габаритами антенны (по крайней мере для частот 860– 890 МГц). В работе [84] на базе САПР электродинамического моделирования выполнен расчёт двух вариантов микрополосковых слабонаправленных антенных устройств, реализованных в виде U-щели. Классическая прямоугольная микрополосковая антенна имеет относительную полосу рабочих частот, не превышающих 12 % [79]. Антенное устройство на основе U-щели обеспечивает относительную полосу частот до 7–10 % за счет компенсации индуктивной составляющей емкости последовательно включенной в цепь и реализованной в виде U-щели. В работе [84] представлены результаты расчётов характеристик (коэффициент согласования, коэффициент усиления и ДН) пяти вариантов микрополосковой антенны с U-щелью. Рассмотрим более подробно структурное построение и характеристики двух вариантов прямоугольных микрополосковых антенн с U-щелью: 1. Стандартная микрополосковая антенна с U-щелью. Конструктивное исполнение антенны представлено на рисунке 4.2.
Классическая микрополосковая антенна прямоугольной формы обладает высокой механической прочностью и стабильными электродинамическими характеристиками, но при этом относительная полоса рабочих частот не превышает 1-2 % [79]. Для расширения полосы рабочих частот используется способ компенсации индуктивной составляющей зонда (коаксиального кабеля), емкостью последовательно включенной в цепь и реализованной в виде U-щели (рисунок 4.2) [85, 86].
Данная конструкция имеет полосу рабочих частот порядка 7 % (рисунок 4,3), которая определяется размерами М = 82,7 мм, N = 98 мм, а = 82,7 мм, b = 43,9 мм, F = 35,3 мм, G = 32,6 мм, к = 8,57 мм, dx = 7 мм, d2 = 3 мм и положением точки питания антенны Y = 1,38 мм от геометрического центра излучателя. В данной конструкции для уменьшения габаритных размеров использовался материал Rogers ТММ101 (є = 9,8, tg5 = 2-10"3) с толщиной диэлектрического слоя h = 12,7 мм. Создание антенны с U-щелью большей полосы рабочих частот потребует значительного увеличения габаритных размеров антенны.
Радиометка с кодирующей структурой на основе ВШП
Антенна хорошо себя зарекомендовала в УКВ – ДЦВ диапазонах. В частности, испытывалась в частотном диапазоне 800–900 МГц. На средней частоте 865 МГц диаметр кольца составляет 2,7 см, высота подвеса 2,5 мм.
Повысить коэффициент усиления такой кольцевой антенны ( 1 дБ) можно путем перехода на полуволновое кольцо (диаметр кольца на частоте 860 МГц составляет 5,5 см).
Диаграмма направленности (ДН) антенны в угломестной плоскости соответствует ДН короткой штыревой антенны; в азимутальной плоскости ДН — круговая. Угол подъема главного лепестка ДН определяется размерами основания антенны, при этом лепесток больше прижимается к земле при увеличении размеров основания.
Являясь низкопрофильными, указанные антенны в последние годы нашли широкое применение в авиации, скоростном ж/д транспорте, на сухопутной подвижной технике специального назначения, а также в технике беспроводного доступа и сотовой телефонии [91–95]. Низкопрофильный конструктив антенны позволяет реализовать ее в полосковом исполнении по пленочной технологии (рисунок 4.11).
Использование плоского проводника уменьшает его добротность, что обеспечивает большую широкополосность антенны. Диаметр четвертьволновой кольцевой антенны составляет 26 мм, полуволновой 52 мм. Среди низкопрофильных антенн вызывают интерес антенны, образованные расположенными над экраном металлическими полосками [91, 95]. Как и в описании в патентах [87, 88], концы плоских проводников закорачиваются на экран, образуя два рамочных излучателя, суперпозиция излучения которых обеспечивает вертикальную поляризацию излучаемого сигнала с характеристиками, аналогичными короткой штыревой антенне (не направленная ДН азимутальной плоскости и КУ 0 Дб). Высота антенны над экраном 0,08 . Сокращение линейных размеров таких антенн добиваются приданием плоскому проводнику криволинейной формы в виде кривой Гильберта [91], а также L- и F-образной структуры [93]. Однако при этом хорошее качество достигается в более узкой полосе частот (23 %).
Перспективным в части сокращения размеров печатной антенны представляется конструкция по типу свернутой полуволновой кольцевой антенны [87] в виде двойного и тройного излучателей «Хула-Хуп» (рисунок 4.12), а в перспективе — и в виде плоской спиральной антенны, находящей широкое применение в сотовых радиотелефонах.
Радиометка на ПАВ является основным ключевым элементом системы РЧИ и определяет большинство технико-экономических характеристик системы. При этом массовость применения радиометок предопределяет необходимость их низкой стоимости, что возможно только в условиях крупносерийного производства при высокой технологичности отработки.
Основными компонентами радиометки являются: кристалл ниобата лития с отражающими структурами, корпус на основе керамики LTCC, антенные устройства. Технологический процесс изготовления акустоэлектронных меток на ПАВ представлен в работе [96] и заключается в проведении следующих основных мероприятий: 1. Изготовление фотошаблона: - подготовка топологии на информационном носителе; - изготовление группового фотошаблона по карте сборки. 2. Перенос изображения с фотошаблона на поверхность пьезопластины: - проведение фотолитографии; - напыление металла на пьезопластину; - резка пьезопластины на отдельные кристаллы. 3. Сборка корпуса и радиометки в целом: - монтаж кристалла метки в корпусе; - герметизация корпуса; - измерение характеристик меток; - изготовление антенны; - монтаж метки с антенной. В третьей главе диссертации показано, что определяющим фактором для реализации радиометки является выбор типа отражающих структур, выполняемых на подложке акустоэлектронной метки. Сравнивались отражатели на основе отдельных электродов, канавок и ВШП. На основании сравнения этих отражателей по технологичности их изготовления [96] был сделан однозначный вывод в пользу выбора отражающих ВШП.
Отражатели в структурах акустоэлектронных меток выполнялись с малым коэффициентом отражения (не более 0,1-0,15). В этом случае переотраженные от соседних отражателей ПАВ будут по амплитуде почти на порядок меньше, чем отраженные ПАВ, падающие на отражатели от приемо-передающего однонаправленного ВШП. Поэтому отражатели, выполненные в виде ВШП, должны содержать малое число электродов, чтобы коэффициент отражения от них не превышал вышеуказанной величины. Кроме того, необходимо учитывать то, что ПАВ, падающие на следующий отражатель, будут по амплитуде несколько меньше, чем ПАВ, падающие на предыдущий отражатель, так как при каждом отражении часть энергии ПАВ уходит в отраженный сигнал и амплитуда ПАВ по мере распространения в системе отражателей убывает. Это приводит к тому, что по мере удаления от приемо-передающего ВШП амплитуды отраженных ПАВ убывают и импульсы в отраженной последовательности будут иметь разную амплитуду. Чтобы этого не происходило, коэффициент отражения последовательно уменьшается по определенному закону. Это достигается тем, что отражательные ВШП выполнены из двух одинаковых частей, сдвинутых относительно друг друга на расстояние, которое зависит от номера отражателя, отсчитываемого от приемопередающего ВШП.
В этом случае ПАВ, отраженные от каждой половинки отражателя приходят на приемопередающий ВШП со сдвигом фаз, определяемым расстоянием между одинаковыми частями отражателя.
Для обеспечения технических требований, предъявляемых к акустоэлектронным меткам в части стойкости к внешним воздействиям и снижения массо - габаритных показателей, а также с целью создания базовых конструкций микроминиатюрных модулей меток, на ПАВ различной разрядности, применялась низкотемпературная обжигаемая керамика LTCC [97]. Применение керамики LTCC для монтажа кристаллов акустоэлектронных меток обеспечило высокие электрические характеристики за счет снижения вносимого затухания, высокую надежность и степень миниатюризации. Снижение вносимого затухания достигалось путем внесения в объем корпуса LTCC согласующей индуктивности по методу планарного монтажа. Каждый корпус состоит из шести обожжённых слоев толщиной 0,216 мм с заложенными в них переходными отверстиями. Линейные разметы определяются разрядностью проектируемой метки. На рисунке 4.13 дается фото 32-битной метки в корпусе LTCC. Топология интегральной схемы 32-битной акустоэлектронной метки приведены на рисунке 4.14. На рисунке 4.15 показаны импульсные отклики, полученные на ИКПП «Обзор-103» для 32-битной метки.