245106 (588849), страница 2
Текст из файла (страница 2)
1.2.3 Чиповые и бесчиповые метки
Чтобы идентифицировать множество производимых объектов, схема памяти должна иметь возможность хранения достаточного числа уникальных кодов. Оптимальным считается объем памяти в 96 бит. Большинство бесчиповых меток в настоящее время позволяют хранить 24 бита или меньше, хотя некоторые позволяют хранить 64 бита. Однако, увеличение размера памяти приводит их стоимости метки.
Из-за возрастания числа и снижения размера объектов, на которые устанавливаются метки, необходимо, чтобы считыватель был способен одновременно считывать множество меток, находящихся в зоне его действия; причем метки могут размещаться близко друг от друга. В настоящее время наилучшим способом решения такой задачи – коллизии сигналов – является наделение самих меток некоторым интеллектом.
Возможно также использование методов пространственного выделения одной метки среди многих других, что приводит к разрешению коллизии,
На рисунках 1.3 представлена типичная чиповая метка и ее конструкцияи. На рисунке изображена чиповая радиочастотная метка для диапазона частот 850–960 МГц, выпускаемые сегодня компанией Omron [6].
Рисунок 1.4 – Метка, работающая в диапазоне частот 850 – 900 МГц
Оба типа меток имеют перемычку, которая представляет собой гибкую печатную плату с установленной микросхемой, соединенной с контуром антенны.
Достоинства чиповых меток:
-
Обладают достаточной памятью, чтобы хранить уникальных идентификационный номер большого числа объектов;
-
Простота реализации считывания нескольких меток одновременно
Бесчиповые метки не имеют в своем составе модуля памяти, и поэтому могут хранить гораздо меньший объем информации. Однако существует множество приемов, специальных кодировок сигнала, которые позволяют в полной мере конкурировать с чиповыми аналогами. Кроме того, также возможно считывание сразу нескольких меток одновременно. Бесчиповые метки – метки самой низкой стоимости, которые обеспечивают оптимальный минимум функциональных возможностей, простые только считываемые устройства с постоянным уникальным идентификационным кодом. Рассмотрим даны вид меток более подробно.
1.3 Пассивные радиочастотные идентификационные метки на поверхностных акустических волнах
1.3.1 Физические принципы работы меток на поверхностных акустических волнах
Работа меток на поверхностных акустических волнах основана на пьезоэффекте и распространении на поверхности пьезоэлектрического кристалла поверхностных акустических волн с относительно небольшой скоростью (от 3000 до 4000 м/с) [7].
Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в монокристаллах некоторых веществ, обладающих достаточно низкой симметрией или имеющих вместо центра симметрии так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной текстурой, например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как в любом твердом теле), но и электрическую поляризацию. На поверхностях кристалла появляются связанные электрические заряды разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Данное явление называют прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим. При воздействии на анизотропный диэлектрик электрического поля соответствующего направления в кристалле возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположные направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта. В пьезоэлектриках вследствие обратного пьезоэффекта исходное переменное электрическое поле вызывает деформацию подложки. Деформация подложки, в свою очередь, из-за прямого пьезоэлектрического эффекта создает дополнительное электрическое поле. Дополнительное электрическое поле запаздывает относительно исходного поля. В результате суперпозиции этих двух полей возникает поле с эллиптически поляризованной составляющей, которое обуславливает возбуждение поверхностной акустической волны.
Поверхностные акустические волны (ПАВ) — это упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами и затухающие при удалении от границ. Поверхностные акустические волны занимают диапазон длин волн от 10–5 до 10–1 см, а их частоты соответствуют области ультразвука. Замечательным свойством поверхностных акустических волн является их невысокая в сравнении с электромагнитными волнами скорость распространения, что позволяет применять к ним математические способы обработки сигнала. Наиболее просто ПАВ возбуждаются и регистрируются в пьезоэлектриках. Пьезоэлектриками являются такие монокристаллы, встречающиеся в виде природных минералов и искусственно выращиваемые, как ниобат лития LiNbO3 и танталат лития LiTaO3.
Для возбуждения и детектирования ПАВ в различных технических приложениях служат встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Они представляют собой нанесенные на пьезоэлектрическую подложку металлические штыри-электроды, как щетки, вставленные друг в друга (рисунок 7). ВШП показан без учета пропорций. Реальная длина электродов в сто и более раз превышает их ширину.
Принцип работы встречно-штыревого преобразователя заключается в следующем. Электрический Δ-импульс, приложенный к ВШП, преобразуется благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту в механическую деформацию поверхности подложки между электродами разной полярности. Эта деформация пропорциональна электрическому полю и распространяется как поверхностная акустическая волна в обоих направлениях, перпендикулярных электродам. Возбуждение ПАВ происходит только в области между электродами, подключенными к разным клеммам. Длина взаимно перекрывающихся частей электродов определяет ширину пучка возбуждаемой ПАВ.
Достоинством ВШП является возможность изменения в широких пределах параметров возбуждаемых ПАВ. Это легко достигается изменением геометрических размеров ВШП и проявляется в виде изменения формы импульсного отклика и частотной характеристики.
Встречая механическую или электрическую неоднородность на поверхности, часть ПАВ отражается. Поверхностная волна, входящая обратно в ВШП, генерирует на его шине в результате прямого пьезоэффекта электрический сигнал. Именно это свойство используется в системах радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах.
1.3.2 Возможные принципы построения и функционирования РЧИД-меток на ПАВ
До настоящего момента наиболее распространенными были метки с использованием линии задержки. Линия задержки, один из приборов на ПАВ, включает в себя два ВШП, один из которых предназначен для возбуждения, а второй для приема возбуждаемой звуковой волны (рисунок 8). При приложении ко входному ВШП электрического сигнала, возбуждается поверхностная акустическая волна. Она, в свою очередь, доходит до второго преобразователя с некоторой задержкой во времени, зависящей от расстояния между преобразователями и от скорости распространения ПАВ. Типичное время задержки составляет 1 —50 мкс [8].
Пассивная карта идентификации представляет собой несколько линии задержки (ЛЗ) на ПАВ заключенных в герметичный корпус, с тремя или более выводами (кнопками для набора идентифицирующего кода) и снабженная небольшой антенной, позволяющей принимать и излучать сигналы в заданной полосе частот с минимальными потерями. Число линий задержки зависит от значности идентифицируемого кода и может достигать семи (семизначный код). Каждая ЛЗ настроена на свою полосу частот и мало восприимчива к сигналов, предназначенных для ЛЗ, настроенных на другие полосы частот. Также дополнительные выводы позволяют увеличить число идентифицирующих комбинаций в 103раз.
Рисунок 1.6 - Линия задержки
Однако такая метка обладает существенными недостаткам: малая емкость данных и большие габаритные размеры.
Наиболее распространенным в настоящее время является транспондер на отражателях (рефлекторах). Схематическое изображение и принцип работы транспондера приведены на рисунке 9.
ВШП располагается в конце пьезоэлектрической подложки. К его шинам подключается дипольная антенна транспондера, которая принимает сигнал опроса от ридера (считывателя) и излучает ответный сигнал, генерируемый транспондером на ПАВ.
Рисунок 1.7 – Принцип работы транспондера на отражателях
По длине транспондера ПАВ размещаются отдельные электроды-рефлекторы. Их располагают на поверхности таким образом, чтобы кодировать данные, используя задержку во времени, амплитуду и фазу.
Когда транспондер попадает в зону действия ридера, то часть излучаемой ридером энергии принимается антенной транспондера и поступает к выводам ВШП в виде высокочастотного импульса напряжения.
ВШП преобразует часть этой принятой энергии в поверхностную акустическую волну, которая распространяется в кристалле под прямым углом к электродам ВШП. Для преобразования большего количества принятой транспондером электромагнитной энергии в акустическую энергию необходимо, чтобы частота передачи ридера соответствовала частоте колебаний поверхностной волны, генерируемой ВШП.
На дальнейшее распространение ПАВ по поверхности пьезоэлектрического кристалла оказывают воздействие рефлекторы. Небольшая часть поверхностной волны отражается от каждого рефлектора и движется обратно по кристаллу в направлении ВШП. Оставшаяся часть поверхностной волны продолжает двигаться к концу подложки и там гасится.
Таким образом, из одного импульса опроса генерируется несколько ответных импульсов, причем каждый рефлектор создает свой импульс в ответном сигнале транспондера.
Эта последовательность импульсов, полученная ВШП и преобразованная в высокочастотную последовательность электромагнитных импульсов, излучается антенной транспондера и может быть принята ридером. Число принимаемых импульсов соответствует числу рефлекторов на подложке.
Следует особо отметить, что время задержки между отдельными импульсами пропорционально пространственному расстоянию между рефлекторами на подложке, и поэтому пространственное расположение рефлекторов может представлять двоичную последовательность цифр, которая в простейшем случае равна идентификационному коду транспондера (количество различных кодов равно величине 2n–1, где n — число рефлекторов на подложке).
Расположение рефлекторов и, тем самым, считываемый код определяются при изготовлении устройства. Поэтому транспондеры ПАВ принадлежат к категории транспондеров «только чтение». Емкость хранения данных и скорость передачи данных транспондера на ПАВ зависят от размера подложки и минимального реализуемого расстояния между рефлекторами. Обычный транспондер на ПАВ передает около 16 или 32 бит со скоростью передачи 500 кбит/с.
В связи с невысокой скоростью распространения поверхностных волн по подложке, первый ответный импульс транспондера принимается считывателем с задержкой, равной примерно 1,5 мс. Для сравнения: временной задержки в примерно 0,66 мкс вполне достаточно, чтобы произошло затухание помех в радиусе 100 м вокруг ридера.
Таким образом, ответный сигнал транспондера приходит, когда все отражения от окружения ридера давно прекратились, и подобного рода помехи не вносят ошибки в последовательность ответных импульсов от транспондера.
Транспондеры на ПАВ являются полностью линейными устройствами и отвечают на импульс опроса с определенной фазой. Более того, фазовый угол и дифференциальное время распространения между отраженными индивидуальными сигналами сохраняют постоянное значение. Это важное свойство позволяет увеличить дальность действия транспондера на ПАВ методом усреднения слабых ответных сигналов транспондера на многие импульсы опроса. Операция считывания занимает микросекунду, поэтому за секунду может быть выполнено несколько сотен тысяч циклов чтения.
Рефлекторы реализуются с помощью системы металлизированных полосок на пьезоэлектрической подложке (рисунок 10а) или системы канавок (рисунок 10б), которые формируют путем травления.
В некоторых случаях элементы рефлектора создаются в виде диэлектрических слоев с использованием метода ионной имплантации.
Электроды транспондера создаются с помощью фотолитографической процедуры, аналогичной той, что используется в микроэлектронике при производстве интегральных схем.
Рисунок 1.8 - Рефлекторы: a) в виде металлизированных полосок на пьезоэлектрической подложке; б) в виде канавок, формируемых методом травления
Наиболлее перспективной является использование производственных линеек на базе систем наноимпринтлитографии (НИЛ). Она предполагает пошаговую штамповку в жидкий мономер с последующим его отверждением ультрафиолетовым излучением. Такой подход позволяет создавать наноразмерные структуры, что удешевляет стоимость продукции, так как на одной пластине становится возможным разместить большее количество меток, а также улучшает рабочие характеристики выпускаемой продукции
1.3.3 Варианты кодирования данных в метках на ПАВ
В транспондерах на ПАВ применяются в основном следующие методы кодирования данных: кодирование методом включения-выключения импульса (a) и кодирование временной позиции импульса (б).
a) В простейших транспондерах на ПАВ используется метод кодирования данных включением-выключением импульса, при котором каждая возможная позиция импульса кодирует один бит данных. Наличие или отсутствие импульса в ответном сигнале ПАВ-транспондера определяется топологией расположения рефлекторов на пьезоэлектрической подложке. Каждый рефлектор создает свой импульс в ответном сигнале ПАВ-транспондера, при этом время задержки между отдельными импульсами пропорционально пространственному расстоянию между рефлекторами на подложке. Промежутки, свободные от импульсов, отсутствуют. Размещая соответственным образом рефлекторы на подложке, можно сформировать требуемый двоичный код, представляемый последовательностью импульсов ответного сигнала транспондера.
б) В коммерческих системах на ПАВ используется метод кодирования временной позиции импульса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
