245106 (Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах), страница 8

2.4.1 Антенна

В основе конструкций большинства антенн радиочастотных меток лежит полуволновый диполь [19]. На рисунке 2.13 приведены диаграммы направленности элементарного полуволнового диполя в вертикальной и азимутальной плоскостях. Азимутальная диаграмма направленности диполя представляет собой окружность, а вдоль оси диполя излучение отсутствует.

Рисунок 2.13 - Элементарный полуволновый диполь (а) и его диаграмма направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (с) плоскостях

Также известно, что для элементарного диполя лишь одна компонента электрического поля отлична от нуля (или Е_θ, или Еφ), то есть диполь возбуждает линейно поляризованную волну. Так, например, вертикально расположенный диполь возбуждает волну с вертикальной поляризацией, а горизонтально поляризованная волна возбуждается горизонтальным диполем. Такими же поляризационными свойствами обладают приведенные выше антенны. Таким образом, в соответствии с направленными и поляризационными свойствами дипольных антенн наилучшая связь между считывателем и меткой имеет место тогда, когда приемопередающая антенна считывателя и антенна метки находятся в параллельных плоскостях. В этом случае метка успешно идентифицируется считывателем. Если же антенны расположены под углом 90^о одна относительно другой или ориентированы вдоль одной линии, то метка с данного направления идентифицирована не будет. Такая зависимость надежности считываемости идентификационных данных метки, использующую дипольную антенну, от ориентации ее по отношению к антенне считывателя является наиболее важным недостатком используемых радиочастотных меток.

В таблице 2.5 приведены ослабления мощности сигнала при использовании антенн считывающего модуля с линейной поляризацией. В большом потоке приема/выдачи товара в складской логистике, метки, в общем случае, могут быть ориентированы по отношению к антеннам считывателя случайным образом. В этом случае неизбежны ситуации, обусловленные такими положениями метки, при которых объекты (товары) не будут идентифицированы. Ошибки, возникающие в случае не идентификации объектов, могут привести к серьезным экономическим убыткам и проблемам безопасности.

Таблица 2.5 – Ослабление сигнала при различных ориентациях метки

Проблемы идентификации меток, связанные с несовпадением плоскостей поляризации антенн метки и считывателя, решаются применением антенн считывающего модуля с круговой поляризацией.

Перейдем непосредственно к расчету антенны.

Входной импеданс метки в последовательной эквивалентной схеме (рисунок 2.15) будет иметь общий вид R_m=Z_m+jX_m, Исходя из предварительных расчетов, произведенных в п. 2.2.2 входной импеданс имеет большую емкостную составляющую и сравнительно небольшую активную составляющую. Как известно, для максимальной передачи мощности от генератора в нагрузку их импедансы должны быть комплексно-сопряженными. Поэтому импеданс антенны, приведенный к зажимам метки, должен иметь достаточно большую индуктивную составляющую и небольшую активную составляющую, равную активной составляющей импеданса метки.

Рисунок 2.15 – Последовательная эквивалентная схема включения входного приемо-передающего ВШП и антенны.

Расчет согласующих элементов будет произведен из условия компенсации статической емкости входного преобразователя:

1/(2πfL)= 2πfC_ВШП

L=1/((2πf)²* C_ВШП)=27(нГн).

Найдем геометрическую длину вибратора на центральной частоте 909 МГц [20]. Данной частоте соответствует длина волны:

В полуволновом вибраторе можно пренебречь потерями, поэтому основную роль при конструировании данного типа антенн играет активная составляющая импеданса антенны. Оно зависит от соотношения λ/d, где d – диаметр провода. Зависимость входного сопротивления полуволнового вибратора от отношения λ/d приведена на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 - Зависимость входного сопротивления полуволнового вибратора от отношения λ/d

Как уже отмечалось ранее активные составляющие импеданса антенны и метки должны быть равны, а именно:

R_A=R_M=59.5 (Ом).

Тогда по графику:

λ/d=550,

где d=601,82 мкм – диаметр проволоки антенны.

По графику (рисунок 2.17) определим коэффициент укорочения антенны:

К=0,938.

Требуемая длина вибратора будет равна, м.:

L= λ/2*K=0.155235.

Рисунок 2.17 – Коэффициент укорочения полуволнового вибратора в зависимости от отношения λ/d

Однако применение антенны таких размеров нецелесообразно ввиду большой площади, занимаемой антенной. Поэтому преобразуем вибратор, изогнув его в виде меандра. Для этого возьмем типовую конструкцию, исследованную в [21]. Длина плеча такой антенны будет приближенно равна: l=0,0133L (2Lэ=0,7L). Из зависимости (рисунок 2.18) следует, что активное сопротивление при резонансе хорошо согласуется с входным активным сопротивлением приемо-передающего ВШП.

Рисунок 2.18 – Зависимость импеданса меандра от электрической и физической длины.

Меандр имеет угол половинной мощности излучения (в плоскости, перпендикулярной рисунку 2.19) около ±41° (у обычного полуволнового диполя - ±39°).

Рисунок 2.19 – Общий вид полуволнового вибратора в виде меандра.

Коэффициент усилении антенны по отношению к изотропному излучателю 2 дБ.

Порядок расчета печатных и проволочных антенн аналогичен. Ширине печатной дорожки печатной антенны соответствует диаметр провода проволочной антенны.

1. Печатная согласующая индуктивность

Произведем расчет печатной катушки квадратной формы (рисунок 2.20) [22]. Параметры катушки рассчитывают по номограмме, изображенной на рисунке 2.21.

Рисунок 2.20 – Печатная индуктивность

Рисунок 2.21 – номограмма для расчета катушек квадратной формы

На шкале значений А и А/α выбираем произвольные точки и проводим прямую линию их соединяющую. Через точку пересечения этой прямой с неоцифрованной вспомогательной шкалой и точку, соответствующую заранее вычисленной величине индуктивности (27 нГн), также проведем линию до пересечения со шкалой W. Полученные значения: А=2.28 см; количество витков W=2,7; α=0.27 см. Ширину печатного проводника вычисляем по формуле:

S≥(А- α)/4W=0.186(см).

В качестве примера приведем вариант построения карты идентификации на основе метки на ПАВ с использованием рассчитанных ранее элементов (рисунок 2.22).

1 – согласующая печатная индуктивность;

2 – контакт;

1. – РЧИД-метка на ПАВ;

2. – Печатная плата;

3. – Антенна;

4. – Крепежное отверстие.

Рисунок 2.22 – Идентификационная карта с использованием РЧИД-метки на ПАВ

2.4.3 Оценка вносимых устройством потерь в принимаемый/передаваемый сигнал

Потери, вносимые приемо-передающим ВШП, согласованным с антенной оцениваются выражением:

│А_ВШП (ω)│≈5,8(дБ).

С учетом усиления антенны в 2дБ (п. 2.3.3):

А(ω)≈5,8-2=3,8(дБ).

Таким образом, мощность принимаемого сигнала уменьшается в 2,4 раза при преобразовании электромагнитного импульса в пучок ПАВ.

Затухания, вносимые в пучок ПАВ при распространении на свободной от электродов поверхности подложки на частоте 909МГц составляют не более 0.3 дБ/мкс. При заданном промежутке между импульсами в 74 нс и с учетом максимально возможного расстояния между приемо-передающим ВШП и первым отражателем в 10 мм (примерно 3 мкс), потери на распространение будут равны:

А_{СВ. ПОВ}=2*0,3(0,074*19+3)=2.64(дБ).

Умножение на 2 означает, что ПАВ проходит как в прямом, так и в обратном направлении по поверхности подложки.

В свою очередь потеря мощности на отражение при прохождении через отражательный массив может быть определена с удовлетворительной точностью как:

А_ОТР=10log(Pвшп /P₂₀)=10log(42/0.11)=26(дБ).

Таким образом, результирующие потери будут равны:

А_РЕЗ=2 А(ω)+А_{СВ. ПОВ}+ А_ОТР=7,6+2,64+26≈36(дБ).

Таким образом, приходящий от метки сигнал будет ослаблен на данную величину.

2.4.4 Проверка работоспособности меток

Работоспособность корпусированных меток можно легко проверить бесконтактным способом, причем возможен опрос нескольких устройств одновременно. На рисунке 2.23 показан тестовый стенд для измерения корпусированных меток. Прибор содержит измеритель АЧХ, показания которого выводятся на ЭВМ. В месте соединения кабелей подключена антенна – полуволновый вибратор.

Рисунок 2.23 – Тестовый стенд для измерения корпусированных меток

Подавая сигнал с линейно меняющейся во времени частотой с входа на выход можно наблюдать на экране ЭВМ АЧХ, снимаемой с антенны прибора. Электромагнитные волны, излучаемые этой антенной, поступают на ВШП метки и затем, проходя через систему отражателей, приходят обратно уже в виде временных откликов. Происходит интерференция сигнала от метки с сигналом, подающимся с выхода на вход измерителя АЧХ. Это приводит к тому, что суммарная АЧХ имеет изрезанную форму.

Получаемы импульсные отклики должны совпадать по времени со значениями, указанными на рисунке 2.10.

3. Организационно-экономическая часть

3.1 Оценка эффективности инновационного процесса

Для оценки эффективности инновационного процесса необходимо:

1. определить себестоимость одного из его этапов;

2. определить себестоимость всего инновационного проекта.

3.1.1 Определение себестоимости инновационного процесса

В себестоимость инновационного процесса включаются суммарные затраты по всем этапам выполнения, независимо от источника их финансирования. Определение затрат производится путем составления калькуляции плановой себестоимости, которая составляется по следующим статьям: материалы, оборудование, основная и дополнительная заработные платы, отчисления на социальное страхование, расходы на служебные командировки, затраты по работам, выполняемым сторонними организациями, прочие прямые расходы, накладные расходы.