RU2344438C2 - Device of radio frequency identification on surface acoustic waves - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in the device, containing a case, transmit-receive antenna, acoustic transmission line on whose working surface is placed an inter-digital transducer (IDT), connected with the antenna, at least one reflective IDT on one acoustic channel, primary and secondary acoustic channels are put, on the primary acoustic channel is placed a unidirectional transmit-receive IDT with internal reflectors, and the reflective IDT with a number of pairs of electrodes, selected from the condition

where k² - is the square of the electromechanical force factor, connected with an electronic switch, connects and disconnects the reflective IDT from time to time, forming a code sequence, and is operated by a microcontroller, which is programmed to a specific code sequence.

EFFECT: use of one reflective inter-digital transducer with the regulation of the reflectivity factor.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для идентификации и охраны различных объектов.The invention relates to the field of radio engineering and can be used to identify and protect various objects.

Известны пассивные устройства радиочастотной идентификации [1], в которых нет источника питания. В этих устройствах с помощью индуктивной связи через переменное магнитное поле производится дистанционное электропитание микросхемы, которая выдает определенный код через эту же индуктивность связи в разпознавающее устройство. Недостатком данной системы является малый радиус действия (до метра) и также достаточно сильный сигнал, обеспечивающий питание микросхемы, что может нанести вред идентифицируемому объекту (особенно, если это животное или человек).Known passive radio frequency identification devices [1], in which there is no power source. In these devices, using inductive coupling through an alternating magnetic field, remote power supply of the microcircuit is performed, which gives a specific code through the same coupling inductance to the recognition device. The disadvantage of this system is the small radius of action (up to a meter) and also a sufficiently strong signal that provides power to the microcircuit, which can harm an identifiable object (especially if it is an animal or a person).

Устранить указанные недостатки позволяет пассивное устройство радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащее корпус, приемно-передающую антенну, звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемо-передающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), соединенный с антенной, и отражательные ВШП в одном акустическом канале [2]. В данном устройстве опрашивающий сигнал принимается антенной, далее с помощью ВШП преобразуется в ПАВ, которые затем отражаются от отражательных ВШП, образуя кодовую последовательность, которая с помощью ВШП, соединенного с антенной, преобразуется в электромагнитный сигнал и излучается на распознающее устройство. В данном случае нет необходимости в электропитании микросхемы, поэтому опрашивающий сигнал может быть ослаблен до значений, не наносящих вред идентифицируемому объекту. Расстояние идентификации также может быть увеличено надлежащим подбором рабочих частот и антенны. Недостатком данной конструкции является достаточно большое ослабление отраженного сигнала по сравнению с падающим на антенну (что снижает динамический диапазон и уменьшает расстояние, на котором может быть произведена идентификация объекта) из-за того, что коэффициент отражения от отражательных ВШП должен быть значительно меньше 1, чтобы отраженные сигналы от соседних отражательных ВШП не искажали бы кодовую последовательность. Кроме того, для получения кодовой последовательности емкостью 128 бит и более необходимо располагать отражательные ВШП достаточно близко друг к другу, а значит опрашивающий импульс должен быть длительностью не более

, где l - расстояние между отражательными ВШП, V_ПАВ - скорость ПАВ, т.е. полоса пропускания опрашивающего устройства должна быть в большинстве случаев не менее 20 МГц, что не всегда приемлемо.To eliminate these disadvantages allows a passive device for radio frequency identification on surface acoustic waves (SAW), comprising a housing, a transmitting and receiving antenna, a sound duct, on the working surface of which are receiving and transmitting interdigital transducer (IDT) connected to the antenna, and reflective IDT in one acoustic channel [2]. In this device, the interrogating signal is received by the antenna, then using the IDT it is converted into a SAW, which is then reflected from the reflective IDT, forming a code sequence, which is converted into an electromagnetic signal using the IDT connected to the antenna and radiated to the recognition device. In this case, there is no need to power the microcircuit, therefore, the interrogating signal can be attenuated to values that do not harm the identified object. Identification distance can also be increased by proper selection of operating frequencies and antenna. The disadvantage of this design is a sufficiently large attenuation of the reflected signal compared to incident on the antenna (which reduces the dynamic range and reduces the distance at which the identification of the object can be made) due to the fact that the reflection coefficient from reflective IDTs should be significantly less than 1, so that the reflected signals from neighboring reflective IDTs would not distort the code sequence. In addition, to obtain a code sequence with a capacity of 128 bits or more, it is necessary to have reflective IDTs close enough to each other, which means that the interrogating pulse should be no longer than

where l is the distance between the reflective IDTs, V _surfactant is the speed of the surfactant, i.e. the bandwidth of the interrogating device should in most cases be at least 20 MHz, which is not always acceptable.

Одной из важных задач устройств радиочастотной идентификации является также возможность считывания одновременно нескольких кодов. Действительно при считывании информации одновременно с нескольких устройств идентификации импульсы от нескольких устройств могут наложиться друг на друга и сделать невозможным считывание кода идентификации, что является недостатком существующих устройств радиочастотной идентификации на ПАВ.One of the important tasks of RFID devices is also the ability to read several codes simultaneously. Indeed, when reading information simultaneously from several identification devices, pulses from several devices can overlap and make it impossible to read the identification code, which is a drawback of existing radio frequency identification devices on SAWs.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании устройства идентификации на ПАВ, лишенного указанных недостатков. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в использовании одного отражательного ВШП с регулируемым коэффициентом отражения.The problem to which the invention is directed, is to create an identification device for a surfactant devoid of these disadvantages. The technical result that the implementation of the invention provides is the use of a single reflective IDT with an adjustable reflectance.

Это достигается тем, что в него введены основной и дополнительный акустические каналы, в основном акустическом канале расположены однонаправленный приемо-передающий ВШП с внутренними отражателями, а отражающий ВШП с числом пар электродов, выбираемым из условия

, где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи, соединен с электронным ключом, который замыкает и размыкает отражающий ВШП в определенные моменты времени, образуя кодовую последовательность, и управляется микроконтроллером, который запрограммирован на определенную кодовую последовательность, и который соединен с источником питания, и который подсоединен к выходному ВШП дополнительного акустического, входной ВШП которого соединен с антенной, причем период этих ВШП отличен от периода ВШП основного акустического канала.This is achieved by the fact that the main and additional acoustic channels are introduced into it, in the main acoustic channel there is a unidirectional transceiver IDT with internal reflectors, and a reflecting IDT with the number of pairs of electrodes selected from the condition

, where k ² is the square of the electromechanical coupling coefficient, connected to an electronic key that closes and opens the reflecting IDT at certain points in time, forming a code sequence, and is controlled by a microcontroller that is programmed for a specific code sequence, and which is connected to a power source, and which connected to the output IDT of an additional acoustic IDT whose input IDT is connected to the antenna, the period of these IDTs being different from the IDT period of the main acoustic channel.

На чертеже показана топологическая структура устройства на ПАВ в соответствии с изобретением.The drawing shows the topological structure of a device for surfactants in accordance with the invention.

Устройство содержит звукопровод 1, на котором в основном акустическом канале расположены приемо-передающий однонаправленный ВШП 2, соединенный с антенной 3, отражательный ВШП 4 с числом пар электродов, определяемым из условия

, где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи, который соединен с электронным ключом 5, который управляется микроконтроллером 6, к которому подсоединен источник питания 7. Микроконтроллер 6 подсоединен к выходному ВШП 8 дополнительного акустического канала, входной ВШП 9 которого соединен с антенной 3. Звукопровод помещен в герметичный корпус 10.The device comprises a sound duct 1, on which in the main acoustic channel there are transceiver unidirectional IDT 2 connected to the antenna 3, reflective IDT 4 with the number of pairs of electrodes, determined from the condition

where k ² is the square of the electromechanical coupling coefficient, which is connected to the electronic key 5, which is controlled by the microcontroller 6, to which the power source is connected 7. The microcontroller 6 is connected to the output IDT 8 of an additional acoustic channel, the input IDT 9 of which is connected to the antenna 3. Sound duct placed in a sealed enclosure 10.

Устройство работает следующим образом. При подаче опрашивающего импульса с несущей частотой f=V_ПАВ/λ, где λ - период ВШП в основном акустическом канале, на антенну 3 он проходит на приемо-передающий ВШП 2 и возбуждает в подложке 1 ПАВ, которые доходят до отражательного ВШП 4, отражаются от него и снова попадают на ВШП 2 и через антенну 3 излучаются на разпознавающее устройство.The device operates as follows. When applying the interrogating pulse with a carrier frequency f = V _SAW / λ, where λ is the IDT period in the main acoustic channel, it passes to antenna 3 to the IDT 2 transceiver and excites surfactants in the substrate 1, which reach the reflective IDT 4, are reflected from it they again fall onto IDT 2 and are transmitted through antenna 3 to a recognition device.

Коэффициент отражения от ВШП с расщепленными штырями определяется по формулеThe reflection coefficient from IDT with split pins is determined by the formula

где Y - нагрузка, подключенная к ВШП. Если ВШП разомкнут, то Y=0 и коэффициент отражения становится равнымwhere Y is the load connected to the IDT. If the IDT is open, then Y = 0 and the reflection coefficient becomes equal

где Ga и Ba - активная и реактивная составляющие проводимости ВШП, С_Т - его статическая емкость.where Ga and Ba are the active and reactive components of the IDT conductivity, C _T is its static capacitance.

Нетрудно видеть из формулы (2), коэффициент отражения близок к 1, если выражение в скобках равно или близко к нулю, т.е.It is easy to see from formula (2) that the reflection coefficient is close to 1 if the expression in parentheses is equal to or close to zero, i.e.

На центральной частоте условие f=V_ПАВ/λ (3) выполняется при

, где N - число пар электродов в отражательном ВШП, где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи.At the center frequency, the condition f = V _SAW / λ (3) is satisfied for

where N is the number of pairs of electrodes in reflective IDT, where k ² is the square of the coefficient of electromechanical coupling.

Если ВШП короткозамкнут, то Y=∞ и коэффициент отражения R=0.If the IDT is short-circuited, then Y = ∞ and the reflection coefficient R = 0.

Однако и при замкнутом ВШП от него отражаются ПАВ как от системы полосков, расположенных на пути распространения ПАВ. Коэффициент отражения от такой системы полосков, как показано в [3], не превышает 0,5. Если в ВШП использовать расщепленные электроды, то короткозамкнутый ВШП имеет коэффициент отражения, как следует из [3], много меньше 1. Но использование расщепленных электродов приводит к тому, что ширина электродов будет в 2 раза меньше, чем у ВШП без расщепленных штырей, что неприемлемо для частот выше 1200 МГц. Поэтому в любом случае при замыкании ВШП (Y=∞) коэффициент отражения его изменится как минимум в 2 раза, что приведет к модуляции отраженного сигнала с глубиной модуляции 50%, что вполне приемлемо для распознавания кода.However, even with closed IDT, surfactants are reflected from it as from a system of strips located along the path of surfactant propagation. The reflection coefficient from such a system of strips, as shown in [3], does not exceed 0.5. If split electrodes are used in IDT, then the short-circuited IDT has a reflection coefficient, as follows from [3], much less than 1. But the use of split electrodes leads to the fact that the width of the electrodes will be 2 times less than that of IDT without split pins, which unacceptable for frequencies above 1200 MHz. Therefore, in any case, when the IDT closes (Y = ∞), its reflection coefficient will change at least 2 times, which will lead to modulation of the reflected signal with a modulation depth of 50%, which is quite acceptable for code recognition.

При замыкании отражательного ВШП 4 электронным ключом 5 у него, как показано выше, меняется коэффициент отражения. Поэтому отраженные от него ПАВ оказываются промодулированными по амплитуде и, попадая на приемо-передающий ВШП 2, через антенну 3 излучают на разпознавающее устройство модулированный сигнал, образуя определенную кодовую последовательность. Вид этой кодовой последовательности задается микроконтроллером 6, который подает на электронный ключ 5 управляющие сигналы по определенной программе, для формирования определенной кодовой последовательности. При этом контроллер и электронный ключ только замыкает и размыкает ВШП, а ВШП отражает падающую на него ПАВ с коэффициентом отражения, близким к 1, т.е. энергия на излучение электромагнитного излучения берется из падающего на ЛЗ сигнала, а микроконтроллер потребляет энергию только на замыкание и размыкание ВШП. Поэтому этот микроконтроллер потребляет очень малый ток (5-10 мкА) и может быть запитан от маленькой батарейки от ручных часов, и ее хватает на год или более, как и в часах. Полоса частот в этом случае определяется длиной наикратчайшего из отраженных импульсов, которая определяется скоростью замыкания и размыкания ВШП микроконтроллером, и может быть сделана длиной в 0,5-2 мкс, т.е. ширина полосы пропускания будет 0,5-2 МГц на любой несущей частоте. Ясно, что при таком способе кодирования длина кодовой последовательности может быть сделана намного больше, чем величина задержки сигнала в ЛЗ.When the reflective IDT 4 is closed with an electronic key 5, the reflection coefficient changes, as shown above. Therefore, the surfactants reflected from it turn out to be amplitude-modulated and, upon reaching the transceiver IDT 2, through the antenna 3 they emit a modulated signal to the recognition device, forming a certain code sequence. The appearance of this code sequence is set by the microcontroller 6, which supplies the electronic key 5 with control signals according to a specific program, to form a specific code sequence. In this case, the controller and the electronic key only closes and opens the IDT, and the IDT reflects a surfactant incident on it with a reflection coefficient close to 1, i.e. energy for electromagnetic radiation is taken from the signal incident on the LZ, and the microcontroller consumes energy only for short-circuiting and opening of IDT. Therefore, this microcontroller consumes a very small current (5-10 μA) and can be powered by a small battery from a hand watch, and it lasts for a year or more, like in a watch. The frequency band in this case is determined by the length of the shortest of the reflected pulses, which is determined by the speed of short-circuiting and opening of the IDT by the microcontroller, and can be made 0.5-2 μs long, i.e. the bandwidth will be 0.5-2 MHz at any carrier frequency. It is clear that with this coding method, the length of the code sequence can be made much longer than the signal delay in the LZ.

Несколько ранее считывающего импульса с несущей частотой f посылается опорный импульс с частотой f₁=V_ПАВ/λ₁, где λ₁ - период ВШП в дополнительном акустическом канале на ВШП 8. Этот импульс поступает на вход микроконтроллера 6 с ВШП 9 и запускает его. Микроконтроллер 6 запрограммирован таким образом, что начинает замыкать ВШП 3 не сразу после запуска, а через определенное время, в тот момент когда на антенну должен прийти считывающий импульс с частотой заполнения f. Если время запуска получается больше, чем отражаемая кодовая последовательность, в 2 раза, то появляется возможность послать еще один опрашивающий импульс, который будет теперь отражаться от другого устройства идентификации, в котором микроконтроллер начал размыкать отражательный ВШП. При этом от первого устройства отражений не будет, так как отражательный ВШП замыкается микроконтроллером после посылки необходимой кодовой последовательности. Если время запуска будет в 4 раза больше посылаемой кодовой последовательности, то появляется возможность послать третий опрашивающий импульс, который уже будет отражаться от третьего устройства идентификации, а первые два не будут отражать, поскольку отражательный ВШП в них будут замкнуты. Если в четвертом устройстве микроконтроллер будет запрограммирован на замыкание ВШП через время, в 8 раз больше посылаемой кодовой последовательности, то посылаемый на него опрашивающий импульс будет отражаться именно от него, а остальные три устройства отражать не будут, так как их отражательные ВШП будут замкнуты. Таким образом, можно организовать опрос 5, 10 и даже несколько тысяч устройств, поскольку микроконтроллер можно запрограммировать на срабатывание хоть через несколько секунд.A somewhat earlier read pulse with a carrier frequency f sends a reference pulse with a frequency f ₁ = V _SAW / λ ₁ , where λ ₁ is the IDT period in the additional acoustic channel at IDT 8. This pulse is fed to the input of microcontroller 6 with IDT 9 and starts it. The microcontroller 6 is programmed in such a way that it does not begin to IDT 3 shortly after starting, but after a certain time, at the moment when a read pulse with a fill frequency f should arrive at the antenna. If the start-up time is 2 times longer than the reflected code sequence, then it becomes possible to send another interrogating pulse, which will now be reflected from another identification device, in which the microcontroller began to open the reflective IDT. In this case, there will be no reflections from the first device, since the reflective IDT is closed by the microcontroller after sending the necessary code sequence. If the start time is 4 times longer than the sent code sequence, then it becomes possible to send a third interrogating pulse, which will already be reflected from the third identification device, and the first two will not reflect, since the reflective IDTs will be closed in them. If in the fourth device the microcontroller is programmed to short-circuit the IDT after 8 times longer than the sent code sequence, then the interrogating pulse sent to it will be reflected from it, and the other three devices will not reflect, since their reflective IDTs will be closed. Thus, it is possible to organize a survey of 5, 10, and even several thousand devices, since the microcontroller can be programmed to operate even after a few seconds.

Пример выполнения. Устройство идентификации на ПАВ на центральную частоту 650 МГц и полосу пропускания около 15 МГц с конструкцией, показанной на фиг.1. Отражательный ВШП выполнен с расщепленными штырями, чтобы при замыкании он почти не отражал ПАВ.Execution example. The identification device on the SAW at the center frequency of 650 MHz and a bandwidth of about 15 MHz with the design shown in figure 1. Reflective IDT is made with split pins, so that when it closes it almost does not reflect surfactants.

Приемо-передающий ВШП 2 выполнен однонаправленным. Длина этого ВШП равна 35 длин ПАВ. Длина отражательного ВШП 4 вдвое меньше. Апертура обоих ВШП 80 длин ПАВ на центральной частоте. Расстояние между ВШП равно 4 мм, т.е. задержка отраженного сигнала составляет 2 мкс. ВШП 8, 9 в дополнительном акустическом канале выполнены аналогично ВШП 2. ЛЗ расположена в SMD корпусе 6×10×1,5 мм. В качестве электронного ключа использован полевой транзистор, сток и исток которого подсоединены к отражательному ВШП, а затвор к микроконтроллеру. В качестве микроконтроллера используется микроконтроллер, в котором средний потребляемый ток равен 15 мкА. В качестве источника питания используются батарейки от часов общим напряжением 3 В.The transceiver IDT 2 is made unidirectional. The length of this IDT is 35 surfactant lengths. The length of the reflective IDT 4 is half as much. The aperture of both IDTs is 80 surfactant lengths at the center frequency. The distance between the IDT is 4 mm, i.e. the delay of the reflected signal is 2 μs. IDT 8, 9 in the additional acoustic channel are similar to IDT 2. LZ is located in the SMD housing 6 × 10 × 1.5 mm. As an electronic key, a field-effect transistor is used, the drain and source of which is connected to a reflective IDT, and the gate to a microcontroller. A microcontroller is used as a microcontroller, in which the average current consumption is 15 μA. As a power source, batteries from watches with a total voltage of 3 V are used.

Список использованных источниковList of sources used

1. Патент PCT (WO) 94/06104 A1.1. PCT Patent (WO) 94/06104 A1.

2. Патент ФРГ №1279785 А.2. The patent of Germany No. 1279785 A.

3. Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М., «Радио и связь», 1990 г. Приложение Д.3. D. Morgan. Signal processing devices for surface acoustic waves. M., "Radio and Communications", 1990. Appendix D.

Claims (1)

Устройство радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах, содержащее корпус, приемно-передающую антенну, звукопровод на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревой преобразователь (ВШП), соединенный с антенной, и отражательный ВШП в основном акустическом канале, отличающееся тем, что в него введен дополнительный акустический канал, при этом в основном акустическом канале расположены однонаправленный приемопередающий ВШП с внутренними отражателями, и отражающий ВШП с числом пар электродов, выбираемым из условия

, где k² - квадрат коэффициента электромеханической связи, который соединен с электронным ключом, замыкающим и размыкающим отражающий ВШП в определенные моменты времени, образуя кодовую последовательность, и управляется микроконтроллером, который запрограммирован на определенную кодовую последовательность и который соединен с источником питания и который подсоединен к выходному ВШП дополнительного акустического канала, входной ВШП которого соединен с антенной, причем период этих ВШП отличен от периода ВШП основного акустического канала. A device for radiofrequency identification on surface acoustic waves, comprising a housing, a receiving and transmitting antenna, a sound duct on the working surface of which there is an interdigital transducer (IDT) connected to the antenna, and a reflective IDT in the main acoustic channel, characterized in that an additional acoustic channel, while in the main acoustic channel there is a unidirectional transceiver IDT with internal reflectors, and a reflecting IDT with the number of pairs of electrodes, select fired from the condition

where k ² is the square of the electromechanical coupling coefficient, which is connected to the electronic key that closes and opens the reflecting IDT at certain points in time, forming a code sequence, and is controlled by a microcontroller that is programmed for a specific code sequence and which is connected to a power source and which is connected to the output IDT of the additional acoustic channel, the input IDT of which is connected to the antenna, the period of these IDTs being different from the IDT period of the main acoustic cable Ala.