ОПИСАНИЕ DESCRIPTION
Устройство кодирования на поверхностных акустических волнах для пассивного транспондера.Surface acoustic wave coding device for passive transponder.
Предлагаемое техническое решение относится к радиолокационной технике, в частности, к транспондерам для систем радиочастотной идентификации подвижных и неподвижных объектов.The proposed technical solution relates to radar technology, in particular, to transponders for radio-frequency identification systems of moving and stationary objects.
Системы радиочастотной идентификации и регистрации объектов (RFID-системы ) получили широкое распространение в начале 90-х годов. В данных системах идентификация объекта производится по уникальному цифровому коду, излучаемому закрепленной на объекте меткой-транспондером. Опрос транспондера производится автоматически с помощью приемопередающего устройства (ридера). В настоящее время, в зависимости от требований к системе, применяются как активные, с питанием от встроенной батареи, так и пассивные транспондеры. Энергию, необходимую для формирования ответного сигнала, пассивный транспондер получает от энергии запросного сигнала ридера. Ридер может опрашивать транспондер за счет ультразвуковой, световой или др. энергии.Radio frequency identification and registration systems (RFID systems) became widespread in the early 90s. In these systems, the object is identified by a unique digital code emitted by a transponder tag attached to the object. The transponder is polled automatically using a transceiver (reader). Currently, depending on the requirements of the system, both active, powered by a built-in battery, and passive transponders are used. The energy necessary for the formation of the response signal, the passive transponder receives from the energy of the request signal of the reader. The reader can interrogate a transponder due to ultrasonic, light or other energy.
Существующие в настоящее время системы RFID различных производителей, как правило, различаются радиусом действия, несущей частотой используемых сигналов, типом модуляции, протоколом радиообмена и объемом возвращаемой меткой- транспондером информации.The existing RFID systems of various manufacturers, as a rule, differ in the radius of action, the carrier frequency of the signals used, the type of modulation, the radio protocol and the amount of information returned by the transponder tag.
В настоящий момент наибольшим спросом пользуются высокочастотные транспондерные устройства, которые позволяют идентифицировать объекты наAt the moment, high-frequency transponder devices that allow the identification of objects on
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
достаточно больших до 15 метров расстояниях и движущихся со скоростями до 200 км/час.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) distances large enough to 15 meters and moving at speeds of up to 200 km / h.
Существенное снижение стоимости высокочастотного оборудования возможно за счет использования в системах RFID устройств на поверхностных акустических волн (ПАВ).A significant reduction in the cost of high-frequency equipment is possible due to the use of surface acoustic wave (SAW) devices in RFID systems.
Известно маркерное устройство по патенту РФ JVa 2176092, МПК7 GOlS 13/79, опубликовано 20.11.2001г. Маркерное устройство для системы радиочастотной идентификации содержит плату и размещенные на ней приемную и излучающую антенны, а также устройство на поверхностных акустических волнах, выполненное в виде подложки из пьезоэлектрического материала, на которой размещены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВПШ). Причем выходной ВШП представляет собой пары электродов, подключенные к суммирующим шинам в соответствии с заранее выбранным кодом. Максимальное количество кодовых комбинаций для данного устройства составляет 2N, где N- количество пар выходных электродов. При реально допустимых размерах устройства на ПАВ для маркеров число знаков N варьируется в пределах от 16 до 32. Дальнейшее увеличение числа N приводит к недопустимо большим размерам подложки устройства. Кроме того, максимальное количество выходных электродов ограничено затуханием ПАВ, распространяющейся по звукопроводу. Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство на ПАВ с параллельными трактами распространения акустической волны, описанное в патенте США J64620191, МПК GOlS 013/80, опубликовано 28.10.86 г.Known marker device according to the patent of the Russian Federation JVa 2176092, IPC 7 GOlS 13/79, published November 20, 2001. The marker device for the RFID system contains a board and a receiving and emitting antenna placed on it, as well as a device for surface acoustic waves made in the form of a substrate of piezoelectric material, on which the input and output interdigital transducers (VPS) are located. Moreover, the output IDT is a pair of electrodes connected to the summing buses in accordance with a pre-selected code. The maximum number of code combinations for this device is 2 N , where N is the number of pairs of output electrodes. With the actually acceptable dimensions of the device for surfactants for markers, the number of N characters varies from 16 to 32. A further increase in the number N leads to unacceptably large sizes of the substrate of the device. In addition, the maximum number of output electrodes is limited by the attenuation of the surfactant propagating through the sound duct. The closest analogue to the claimed technical solution is a device for surfactants with parallel acoustic wave propagation paths described in US patent J64620191, IPC GOlS 013/80, published on 10/28/86.
Известное устройство кодирования на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для пассивного транспондера, используемого в системах идентификации объектов, содержит пьезоэлектрическую подложку и N пар встречно-штыревыхThe known surface acoustic wave (SAW) coding device for a passive transponder used in object identification systems comprises a piezoelectric substrate and N pairs of interdigital
ЗАМЁНЯЮЩЙИ ЛТСY^Щ^ВЙЛb'iб) '
преобразователей (ВШП), расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки параллельными рядами по ее ширине, причем каждая пара ВШП состоит из одного входного ВШП и одного выходного ВШП и настроена на определенную рабочую частоту. Входные ВШП, на которые поступает сигнал запроса, расположены по ширине подложки в одной плоскости один под другим. Тогда как выходные ВШП могут быть расположены по ширине подложки ступенчато, или в различных участках подложки. Электрически входные и выходные ВШП могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно.REPLACING LTSY ^ Щ ^ ВЫЛb ' iб) ' transducers (IDT) located on the surface of the piezoelectric substrate in parallel rows along its width, and each pair of IDTs consists of one input IDT and one output IDT and is tuned to a specific operating frequency. The input IDTs to which the request signal arrives are located across the width of the substrate in one plane, one below the other. While the output IDTs can be arranged stepwise across the width of the substrate, or in different parts of the substrate. Electrically input and output IDTs can be interconnected both in series and in parallel.
Предлагаемое в прототипе расположение выходных преобразователей обусловлено необходимостью снижения влияния помех одного акустического канала распространения ПАВ на другой. Фазовое кодирование ответного сигнала производится за счет так называемых фазовых площадок, т.е. площадок металлизации участков звукопровода перед электродами выходных преобразователей, на которых скорость распространения ПАВ меньше, чем на свободной поверхности звукопровода за счет закорачивания тангенциальной составляющей электрического поля.The location of the output converters proposed in the prototype is due to the need to reduce the influence of interference from one acoustic surfactant propagation channel to another. Phase coding of the response signal is performed by the so-called phase pads, i.e. metallization sites of sections of the sound duct in front of the electrodes of the output transducers, on which the SAW propagation speed is lower than on the free surface of the sound duct due to shorting the tangential component of the electric field.
Недостатками описанного выше устройства является сложность топологического выполнения выходного преобразователя и невозможность получения большого количества кодовых комбинаций на ограниченной рабочей площади подложки устройства на ПАВ. Для устройства на ПАВ точность выполнения фазовых площадок для частот около 1 ГГц должна составлять не менее 0,01мкм, что для современного развития технического уровня прецизионной литографии составляет большие трудности. Кроме того, число вариаций кода в строке такого устройства, не превышающего четырех знаков в горизонтальной строке, составляет 2 , то есть 16-ти. Трудно представить выполнение такого устройства на частоту 2,45 ГГц, так как для его реализации в настоящее время технические средства изготовления отсутствуют.The disadvantages of the above device is the complexity of the topological execution of the output Converter and the inability to obtain a large number of code combinations on the limited working area of the substrate of the device for surfactants. For a SAW device, the accuracy of performing phase pads for frequencies of about 1 GHz should be at least 0.01 μm, which is very difficult for the modern development of the technical level of precision lithography. In addition, the number of code variations in a line of such a device, not exceeding four characters in a horizontal line, is 2, that is, 16. It is difficult to imagine the implementation of such a device at a frequency of 2.45 GHz, since there are currently no technical manufacturing tools for its implementation.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Таким образом, при наличии числа параллельных акустических каналов (5-7), что соответствует реальным размерам максимальной ширине изготовляемых подложек из синтетических пьезоматериалов, максимально возможное число кодовых комбинаций для данного устройства не превышает 120. Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства кодирования на ПАВ для транспондера, в котором достигалось бы значительное увеличение числа возможных кодовых комбинаций без увеличения общих размеров кристалла пьезоэлектрической подложки.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Thus, in the presence of the number of parallel acoustic channels (5-7), which corresponds to the actual dimensions of the maximum width of the manufactured substrates from synthetic piezoelectric materials, the maximum possible number of code combinations for this device does not exceed 120. The objective of the present invention is to provide such a SAW encoding device for a transponder in which a significant increase in the number of possible code combinations is achieved without increasing the overall crystal size of the piezoelectric substrate.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве кодирования на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для пассивного транспондера, используемого в системах идентификации объектов, содержащем пьезоэлектрическую подложку и N пар встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки параллельными рядами по ее ширине, причем каждая пара ВШП состоит из одного входного ВШП и одного выходногоThe problem is solved in that in a coding device for surface acoustic waves (SAW) for a passive transponder used in object identification systems containing a piezoelectric substrate and N pairs of interdigital transducers (IDT) located on the surface of the piezoelectric substrate in parallel rows along its width and each pair of IDTs consists of one input IDT and one output
ВШП и настроена на определенную рабочую частоту,IDT and tuned to a specific operating frequency,
N входных ВШП, на которые поступает сигнал запроса, расположены по ширине подложки в одной плоскости один под другим и соединены электрически параллельно между собой, N выходных ВШП, с которых снимается ответный сигнал, расположены ступенчато по ширине подложки в базовых позициях относительно соответствующих входных ВШП, причем выходные ВШП размещены в соседних рядах либо слева от выходного ВШП в предыдущем ряду, либо справа от него, и также соединены электрически параллельно между собой,The N input IDTs to which the request signal arrives are located across the width of the substrate in one plane one below the other and are connected electrically in parallel with each other, N output IDTs, from which the response signal is taken, are located stepwise along the width of the substrate at the base positions relative to the corresponding input IDTs, moreover, the output IDTs are located in adjacent rows either to the left of the output IDT in the previous row, or to the right of it, and are also electrically connected in parallel with each other,
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
предлагается, чтобы по меньшей мере две пары ВШП имели разные рабочие частоты, выбираемые из M различных значений, чередование пар ВШП, имеющих разные рабочие частоты, было бы индивидуально для каждого устройства на ПАВ и соответствовало заранее выбранной кодовой комбинации. Каждый из N выходных ВШП может быть установлен по длине подложки со сдвигом относительно базовой позиции в одной из фиксированных позиций, индивидуальной для каждого устройства на ПАВ и соответствующей заранее выбранной кодовой комбинации. Таким образом, максимальное количество кодовых комбинаций для данного устройства составит - (MxL)N, где М-число рабочих частот устройства, L-число фиксированных позиций выходных ВШП, включая базовую, N-количество пар ВШП.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) it is proposed that at least two IDT pairs have different operating frequencies selected from M different values, the alternation of IDT pairs having different operating frequencies would be individual for each SAW device and correspond to a pre-selected code combination. Each of the N output IDTs can be set along the length of the substrate with a shift relative to the base position in one of the fixed positions, individual for each SAW device and the corresponding pre-selected code combination. Thus, the maximum number of code combinations for this device will be - (MxL) N , where M is the number of operating frequencies of the device, L is the number of fixed positions of the output IDT, including the base, N is the number of IDT pairs.
За счет использования в предлагаемом устройстве различных рабочих частот, на которые настроены разные пары преобразователей и введения дополнительного пространственного позиционирования выходных ВШП удается значительно увеличить число возможных кодовых комбинаций, которое может содержать устройство. При этом размеры подложки не увеличиваются, т.к. расстояния между дополнительными позициями, на которые предлагается сдвигать выходные ВШП, и базовыми позициями выходных ВШП незначительны. Дополнительным отличием устройства кодирования является то, что одна из пар ВШП, в которой выходной ВШП расположен от входного на минимальном расстоянии в фиксированной базовой позиции выполнена в виде опорной, задающей начальную задержку срабатывания выходных ВШП.Due to the use in the proposed device of various operating frequencies that are configured with different pairs of converters and the introduction of additional spatial positioning of the output IDTs, it is possible to significantly increase the number of possible code combinations that the device can contain. In this case, the dimensions of the substrate do not increase, because the distances between the additional positions on which it is proposed to shift the output IDTs and the basic positions of the output IDTs are insignificant. An additional feature of the encoding device is that one of the IDT pairs in which the output IDT is located at a fixed distance from the input ID at a minimum distance is made in the form of a reference one, which sets the initial delay of operation of the output IDTs.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Введение дополнительной строки с опорными преобразователями позволяет достичь более точного отсчета временных интервалов в выходном сигнале, что эквивалентно точному определению пространственного положения выходных ВШП.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The introduction of an additional line with reference transducers makes it possible to achieve a more accurate reference of time intervals in the output signal, which is equivalent to the exact determination of the spatial position of the output IDTs.
Расстояние между входным и выходным опорными преобразователями определяет начальную, отсчетную задержку устройства (Тнач).The distance between the input and output reference converters determines the initial, reference delay of the device (Tnach).
Еще одним дополнительным отличием является то, что в устройстве на ПАВ для пассивного транспондера M выбирают равным двум, а L - трем, что соответствует наиболее оптимальному соотношению между числом кодовых комбинаций устройства и стоимостью его изготовления. Сущность заявляемого устройства кодирования на ПАВ для транспондера иллюстрируется чертежами.Another additional difference is that in a SAW device for a passive transponder, M is chosen to be two and L is three, which corresponds to the most optimal ratio between the number of code combinations of the device and the cost of its manufacture. The essence of the inventive coding device for SAW for the transponder is illustrated by drawings.
На фиг. 1 изображен общий случай выполнения устройства кодирования на ПАВ, где 1 пьезоэлектрическая подложка, 2-вxoднoй опорный ВШП, 3-выxoднoй опорный ВШП, 4-вxoдныe ВШП, 5-выxoдныe ВШП Fо-частота (пространственный период) опорных ВШП,In FIG. 1 shows the general case of the implementation of a coding device for SAWs, where 1 piezoelectric substrate, 2 input reference IDT, 3 output reference IDT, 4 input IDT, 5 output IDF frequency (spatial period) of reference IDT,
N-число входных и выходных ВШП. Его максимальная величина определяется отношением максимально возможной шириной подложки к минимально возможной величине апертуры ВШП, составляющих строку.N is the number of input and output IDTs. Its maximum value is determined by the ratio of the maximum possible width of the substrate to the minimum possible aperture of the IDT constituting the row.
М-число частот (пространственных периодов) устройства. Максимальное значение определяется частным от деления разрешенной рабочей полосы и полосы ВШП.M is the number of frequencies (spatial periods) of the device. The maximum value is determined by the quotient of the division of the allowed working band and the IDT band.
L-число фиксированных позиций, которое может занимать каждый выходной ВШП в строке. Максимальное число L определяется максимальной длиной звукопровода и числом частичных выходных ВШП (максимально возможным числом строк).L-number of fixed positions that each output IDT in a row can occupy. The maximum number L is determined by the maximum length of the sound duct and the number of partial output IDTs (the maximum possible number of lines).
В реальных технически реализуемых устройствах N может достигать величины 10- 12, M может быть 5-7, а L может быть 3-4.In real technically feasible devices, N can reach 10-12, M can be 5-7, and L can be 3-4.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
На фиг.2 приведен пример реализации заявляемого устройства с четырьмя рабочими частотами, для графического упрощения ВШП показаны в виде прямоугольников .SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Figure 2 shows an example implementation of the inventive device with four operating frequencies, to graphically simplify IDTs are shown in the form of rectangles.
На фиг.З показана амплитудно-частотная характеристика (модуль коэффициента передачи) для примера реализации устройства, приведенного на фиг.2.On Fig.3 shows the amplitude-frequency characteristic (module gain) for an example implementation of the device shown in figure 2.
На фиг.4 приведена пространственная частотно-кодированная последовательность импульсов откликов транспондера для примера реализации устройства, приведенного на фиг.2 (импульсная характеристика устройства).Figure 4 shows the spatial frequency-coded pulse train of the transponder responses for an example implementation of the device shown in figure 2 (impulse response of the device).
Описание работы устройства на примере реализации, приведенной на фиг.2.A description of the operation of the device in the implementation example shown in figure 2.
Каждая строка, состоящая из входного и выходного частичного ВШП, имеет свой частотный канал Δfi, Δfг, Δfз, и Δ£t. При этом каждый частотный канал обладает своей центральной частотой: fϊ, fг, fз и £». Так как входные и выходные частичные ВШП в каждой из своей группы электрически соединены параллельно, то общий вид частотной характеристики устройства имеет гребенчатую структуру, показанную на фиг.4Each line, consisting of an input and output partial IDT, has its own frequency channel Δfi, Δfг, Δfз, and Δ £ t. In addition, each frequency channel has its own central frequency: fϊ, fg, fz and £ ". Since the input and output partial IDTs in each of its group are electrically connected in parallel, the general view of the frequency response of the device has a comb structure, shown in Fig. 4
Порядок изменения этих частот в вертикальной строке входных ВШП и представляет собой частотную кодировку устройства. Для рассматриваемого устройства частотный код будет выглядеть следующим образом: f2-fз-fi-£t (если каждой частоте присвоить двоичный код, то эту частотную последовательность можно выразить в цифровом двоичном коде).The order of change of these frequencies in the vertical line of the input IDT is the frequency encoding of the device. For the device in question, the frequency code will look like this: f2-fz-fi- £ t (if you assign a binary code to each frequency, then this frequency sequence can be expressed in a digital binary code).
В то же время каждый выходной ВШП в своей строке может занимать одно из фиксированных позиций, относительно базовых. Это : 0, + Δt, - Δt , +2 Δt, -2 Δt.At the same time, each output IDT in its row can occupy one of the fixed positions, relative to the basic ones. These are: 0, + Δt, - Δt, +2 Δt, -2 Δt.
Выходные ВШП могут занимать в своей строке либо базовую - нулевую позицию, обозначенную на фигурах 1 и 2 цифрой 0, либо одну из дополнительных позиций,The output IDTs can occupy in their line either the basic - zero position, indicated in figures 1 and 2 by the number 0, or one of the additional positions,
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
близких к базовой и сдвинутых от нее на какое -либо дискретное значение - плюс/минус ( s Δt), где s - целое число (Фиг. 2). Кодировка заключается в пространственном расположении выходных ВШП в строках в соответствии с заранее выбранной кодовой комбинацией. Минимальный пространственный сдвиг выходного ВШП, соответствующий минимальному дискретному значению Δt, может составлять половину длины волны ПАВ, соответствующей частоте данного ряда устройств. В этом случае фазовый сдвиг выходного сигнала будет составлять 180 градусов относительно входного сигнала, т.е. будет осуществляться фазовая манипуляция выходного сигнала.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) close to the base and shifted from it by any discrete value - plus / minus (s Δt), where s is an integer (Fig. 2). The encoding is the spatial arrangement of the output IDTs in rows in accordance with a pre-selected code combination. The minimum spatial shift of the output IDT, corresponding to the minimum discrete value Δt, can be half the wavelength of the surfactant corresponding to the frequency of this series of devices. In this case, the phase shift of the output signal will be 180 degrees relative to the input signal, i.e. phase manipulation of the output signal will be carried out.
При опросе транспондера с таким устройством кодирования коротким радиоимпульсом, поступающим от ридера, импульсом с широким спектром, перекрывающим всю рабочую полосу - ΔF устройства, откликом будет пространственная частотно-кодированная последовательность, показанная на фиг.4. В этой последовательности первым от начала координат, т.е. опорным радиоимпульсом, и первым по времени поступления является импульс с частотой f2. Следующим в последовательности будет радиоимпульс с частотой fз. Затем будет следовать сигнал с частотой ft, причем fi<fг< fз. Для другого экземпляра устройства на ПАВ чередование частот будет иным, например fз, U, fг и fi, при этом может измениться и временное положение импульсов последовательности. Второй импульс может быть сдвинут относительно его опорного положения вдоль направления распространения ПАВ на +2 Δt, а третий импульс на -Δt. Таким образом, для каждого конкретного экземпляра устройства на ПАВ реализуется свой, только ему присущий индивидуальный код, причем число переборов таких кодов определяется из выражения - (MχL)N. Устройство, подобное описанному, может быть изготовлено на высокопрецизионном фотонаборном оборудовании с точностью позиционирования элементов 0,02-0,03 мкм,When interrogating a transponder with such an encoding device with a short radio pulse coming from the reader, a pulse with a wide spectrum that covers the entire operating band - ΔF of the device, the response will be the spatial frequency-coded sequence shown in Fig. 4. In this sequence, the first from the origin, i.e. reference radio pulse, and the first in time of arrival is a pulse with a frequency f 2 . The next in the sequence will be a radio pulse with a frequency fz. Then a signal with a frequency ft will follow, with fi <fg <fz. For another instance of a device for a SAW, the frequency alternation will be different, for example, fz, U, fg and fi, and the temporal position of the sequence pulses may also change. The second pulse can be shifted relative to its reference position along the direction of surfactant propagation by +2 Δt, and the third pulse by -Δt. Thus, for each specific instance of a device on a SAW, a unique code is implemented that is unique to it, and the number of searches of such codes is determined from the expression - (M χ L) N. A device similar to that described can be manufactured on high-precision photo-typing equipment with an accuracy of positioning elements of 0.02-0.03 μm,
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
с минимальными размерами элементов 0,35 - 0,40 мкм, что соответствует рабочим частотам ПАВ около 2,5 ГГц.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) with minimum element sizes of 0.35 - 0.40 microns, which corresponds to operating frequencies of a surfactant of about 2.5 GHz.
Технико-экономический эффект от предлагаемого технического решения заключается в том, что при сохранении технических требований к точности технологического оборудования и фиксированных геометрических размерах звукопровода устройства на ПАВ возможно увеличение более чем на два порядка информационной емкости транспондера на ПАВ при сохранении его геометрических размеров. Так например, на звукопроводах размерами 10xl0x0,5мм может быть достигнут свыше 4,5 млрд. вариантов кодов.The technical and economic effect of the proposed technical solution consists in the fact that, while maintaining the technical requirements for the accuracy of technological equipment and the fixed geometric dimensions of the sound duct of a SAW device, it is possible to increase by more than two orders of the information capacity of a transponder for a SAW while maintaining its geometric dimensions. So, for example, over 4.5 billion code options can be achieved on sound ducts measuring 10xl0x0.5mm.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)