245106 (Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах), страница 3

В этом случае необходим так называемый импульс начала (стартовый импульс), чтобы обеспечить временную синхронизацию для остальных импульсов данных. Каждый импульс может занимать одну из 4 возможных временных позиций (рисунок 1.9). Соответствующая группа данных из 2 битов кодируется этим импульсом. Между группами данных существуют промежутки, свободные от импульсов.

При данном методе кодирования ширина импульсных слотов увеличивается примерно в два раза, чтобы обеспечить четкое разделение смежных позиций, которые могут занимать импульсы.

Рисунок 1.9 – Кодирование данных временной позиции импульсов в транспондере на ПАВ

В целом, кодирование временной позиции импульса и кодирование включением-выключением импульса обеспечивают примерно одинаковую плотность данных на единицу времени. Однако преимуществом метода кодирования временной позиции импульса является 50-процентное уменьшение импульсов данных, что означает 50-процентное уменьшение числа рефлекторов на транспондере. Благодаря использованию ограниченного числа рефлекторов улучшается детектирование данных (в каждой группе данных существует только один импульс) и обеспечивается постоянство амплитуд импульсов данных. Несмотря на то, что каждый рефлектор слегка уменьшает амплитуду сигнала, постоянное число рефлекторов означает, что импульсы сигнала, которые порождаются последними рефлекторами, всегда имеют постоянную амплитуду.

1.4 Частотные диапазоны РЧИД-систем

Существующие системы радиочастотной идентификации работают в нескольких нелицензируемых частотных диапазонах. В настоящее время для каждого из выделенных диапазонов действуют свои стандарты [9]. Системы РЧИД в соответствии с международными стандартами ISO подразделяются на четыре класса:

1. Низкочастотные, с рабочим диапазоном частот 125 - 135 кГц;

2. Высокочастотные системы − 13,56 МГц;

3. Сверхвысокочастотные системы − 850 - 950 МГц;

4. Сверхвысокочастотные,− 2,4 ГГц.

Системы RFID в каждом частотном диапазоне имеют свои преимущества и недостатки, поэтому выбор конкретного диапазона основном зависит от сферы применения. Низкочастотные системы идентификации имеют низкую скорость передачи данных и меньшее расстояние считывания по сравнению с высокочастотными системами. Так же с ростом частоты способность проникновения электромагнитных волн в различные материалы уменьшается. Низкочастотные системы обычно взаимодействуют на расстоянии в пределах одного метра. В силу физики распространения волн в этом диапазоне, низкочастотные метки наиболее подходят для приложений, где требуется способность электромагнитных волн проникать в различные поверхности. Такие области применения включают маркировку животных, контроль доступа. Для некоторых объектов были созданы специальные стандарты (таблица 1.2).

Высокочастотные системы характеризуются более высокой скоростью передачи данных (~ 106Кбит). Также более высокая тактовая частота позволяет снабжать метки дополнительными функциональными возможностями, такими как шифрование данных и возможность перезаписи данных в метке. Сферы применения таких систем: электронные удостоверения личности, маркировка изделий, банковские и смарт карты, контроль технических процессов.

Таблица 1.2 – Действующие стандарты систем РЧИД

Для СВЧ систем идентификации в Европейских странах выделен частотный диапазон 866-869 МГц. Радиус взаимодействия метки и считывателя в пределах 2 − 8 метров. Системы характеризуются высокой скорость передачи данных. Поэтому СВЧ системы идентификации наиболее подходят для транспортной и складской логистики. С другой стороны для работы метки требуется большая мощность приемопередающей базовой станции. В случае идентификации объектов из непрозрачных материалов для электромагнитных волн применяют особые конструкции меток.

В зависимости от частотного диапазона, системы радиочастотной идентификации используют разные способы взаимодействия метки и считывателя, методы модуляции и кодирования данных.

Кроме известных стандартов ISO, широкое распространение и популярность получили стандарты EPC Global. В стандартах EPC Global выделены следующие классы.

Класс 0. Группа пассивных меток для идентификации объекта. Эти метки содержат только, так называемый, «электронный код продукта» (Electronic Product Code, EPC) в неизменяемом виде и использующий проверку CRC для обнаружения ошибок.

Класс 1. Группа пассивных меток с функциональными возможностями. Эта большая группа меток содержит все метки, имеющие какие либо дополнительные функции, отличающие их от первой группы. Примером таких функции могут быть перезаписываемый EPC, шифрование данных и т.п.

Класс 2. Группа «полупассивных» меток. К этой группе были отнесены все метки, использующие дополнительно источник питания. При этом основным источником питания должна являться излучаемая считыватель энергия.

Класс 3. Группа активных меток. Эти метки содержат встроенный источник питания, полностью обеспечивающий метку необходимой энергией вне зависимости от считывателя.

Класс 4. Группа активных меток. Эти метки не только содержат встроенный источник питания, но и набор определенной логики, позволяющей метке обмениваться данными с такой же меткой или обычным считывателем.

Наиболее перспективными сегодня являются системы,использующие новейший СВЧ протокол Generation 2, предложенный организацией по стандартизации EPCglobal. Generation 2 представляет собой концепцию с улучшенными качествами и стандартами работы, такими как функционирование нескольких считывателей в непосредственной близости друг от друга, соответствие всем нормам мировых регулирующих органов, высокий уровень качества считываемости меток, высокая скорость считывания, возможность многоразовой записи информации на метки и повышенный уровень безопасности. Данный протокол полностью соответствует существующим требованиям.

1.5 Актуальность ПАВ-устройств. Выводы

Таким образом мы выяснили, что преимущества RFID систем делают возможным применение её в различных сферах торговли, производства, логистики и безопасности:

1. системы контроля и управления доступом;

2. управление производством и технологическими циклами;

3. беспроводные платежные системы;

4. учет и контроль грузовых перевозок;

5. автоматизация складирования;

6. электронная маркировка товаров в торговле;

7. электронная маркировка книг в библиотеках.

Для наглядного примера того, что РЧИД-метки на ПАВ способны составить конкуренцию чиповым меткам, произведем сравнение наиболее ярких представителей каждого класса, представив их характеристики в виде таблицы 1.3.

Таблица 1.3 – Сравнительная характеристика пассивных РЧИД- меток, работающих в диапазоне частот 850 – 960 МГц

Из всего вышеизложенного определим возможные сферы применения меток на ПАВ:

1) Системы управления и контроля для транспортных средств.

2) Учет и регистрация автомобильных, железнодорожных и морских контейнеров.

4) Электронный номер (паспорт) транспортного средства.

8) Бесконтактные датчики давления, температуры и т.п

Все вышеперечисленные сферы применения транспондеров на ПАВ по своей сути являются наиболее требовательными к условиям эксплуатации систем радиочастотной идентификации и, что не менее важно, к надежности изделия, чего не может обеспечить чиповая метка.

Таким образом, проектируемая метка должна обеспечить максимально возможную дальность считывания, оптимальную конструкции, большую емкость данных и, вместе с этим, низкую стоимость. Кроме того, необходимо предусмотреть такую конструкцию, которая бы имела незначительные потери сигнала при считывании, а так же возможность считывания в поле действия ридера нескольких меток подобного типа. Все это будет определяться технологией изготовления, точностью расчетов и правильным подбором материалов.

2. Основная часть

1. Выбор исходных материалов

1. Основные требования к материалам подложек устройств на ПАВ

В устройствах на ПАВ в качестве материала подложки, как правило, используются пьезоэлектрики. Это связано со способом возбуждения звуковых волн с помощью встречно-штыревых преобразователей [12].

Перечислим наиболее важные характеристики материалов для устройств на ПАВ:

Квадрат коэффициента электромеханической связи (КЭМС) – дает количественное описание пьезоэлектрического эффекта. Он определяет соотношение между электрической и механической энергиями в пьезоэлектрике.

Данный параметр определяют экспериментально путем изменения времени распространения ПАВ между входным и выходным ВШП до и после нанесения на свободную поверхность между преобразователями металлической пленки.

Такие наиболее важные характеристики устройств на ПАВ, как относительная ширина полосы пропускания и вносимые потери, могут быть представлены в виде явных функций КЭМС. При заданном уровне вносимых потерь материал с большим значением КЭМС позволяет реализовать более широкополосное устройство.

Температурный коэффициент задержки (ТКЗ) – относительное изменение времени задержки, соответствующее изменению температуры на один градус. Значение ТКЗ определяют экспериментально путем измерения температурной зависимости частоты автогенератора с линией задержки на ПАВ.

Обычно материалы с большим значением КЭМС имеют худшую температурную стабильность (т.е. большие значения ТКЗ). Большое значение КЭМС показывает, что механические свойства более чувствительны к изменениям температуры.

Очевидно, что при жестких требованиях к температурной стабильности устройств предпочтительнее использовать материалы с малым значением ТКЗ.

Скорость ПАВ. С этим параметром связаны такие технические характеристики устройств, как рабочие частоты и габаритные размеры. Скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упругих и пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности. Для эффективного возбуждения акустической волны и ее отражения от отражательных структур пространственный шаг топологических элементов должен быть равен длине такой волны.

Следует отметить, что фазовые скорости ПАВ на свободной и металлизированной поверхности различны. Скорость на металлизированной поверхности меньше. Это вызвано, прежде всего, закорачиванием электрической составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны.