RFID-системы на поверхностных акустических волнах

Поверхностные акустические волны - ПАВ (Surface acoustic wave - SAW) - за­нимают диапазон длин волн 10⁵-10^-1 см, причем их частоты соответствуют области ультразвука.

Для возбуждения и регистрации ПАВ применяют пьезоэлектрики, значение кото­рых в связи с этим существенно возросло. Поверхностные акустические волны обладают рядом интересных свойств. Преж­де всего это их доступность и возможность управлять ими во всех точках поверх­ности, где они существуют. Поверхностные акустические волны распространяются со скоростью на пять порядков ниже, чем скорость электромагнитных волн, что позволяет использовать методы, применяемые в диапазоне СВЧ.

Большой практический интерес к средствам бесконтактной электронной иден­тификации на ПАВ обусловлен их замечательными качествами:

· достаточно высокой дальностью чтения данных с транспондера;

· высокой скоростью чтения данных с транспондера;

· уникальными идентификационными номерами с емкостью до 64-96 бит;

· прочными, малого размера, недорогими транспондерами;

· устойчивостью к помехам от других считывателей и сигналов;

· широким диапазоном рабочих температур для транспондеров и др.;

· практически неограниченным сроком службы транспондеров.

В электронной аппаратуре, использующей поверхностные акустические волны, для возбуждения и детектирования этих волн служат встречно-штыревые преоб­разователи (ВШП). Самая простая конструкция ВШП приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Наиболее распространенные типы преобразователей ВШП:

а) регулярный преобразователь; б) аподизованный преобразователь; в) дисперсионный преобразователь; г) преобразователь с расщепленными электродами.

На пьезоэлектрическую подложку нанесены два металлических элемента, имеющих вид вставленных друг в друга гребенок (из штырей-электродов). Встречно-штыревые электродные структуры позволяют создать эффективные электроакустические преобразователи. При подаче напряжения на встречно-штыревые электродные структуры возникает электростатическое поле.

Электрический импульс, приложенный к шине встречно-штырево­го преобразователя ВШП, преобразуется благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту в механическую деформацию поверхности подложки между паль­цами разной полярности.

Эта деформация пропорциональна электрическому полю и распространяется как поверхностная акустическая волна в обоих направлениях, перпендикулярных электродам, на скорости v. Возбуждение ПАВ происходит только в области между электродами, которые подключены к разным контактным клеммам. Длина взаимно перекрывающихся частей электродов w определяет ширину пучка возбуждаемой ПАВ. Изменение ширины электродов оказывает относительно незначительное вли­яние на свойства преобразователя. Поверхностная волна, входящая обратно в пре­образователь ВШП, генерирует на его шине в результате прямого пьезоэлектричес­кого эффекта электрический сигнал.

Расстояние между двумя пальцами одинаковой полярности называется электрическим периодом q встречно-штыревого преобразователя.

Большим достоинством ВШП является возможность изменения в широких пределах характеристических свойств возбуждаемых ПАВ путем изменения его геометрических размеров. В устройствах на ПАВ это проявляется в виде измене­ния формы импульсного отклика и частотной характеристики.

Особенно сильно влияют на свойства возбуждаемых ПАВ изменения следую­щих параметров:

· длины электродов;

· расстояния между ними;

· полярности электродов;

· отношения ширины электродов к периоду ВШП.

Транспондер ПАВ RFID - это однопортовое устройство, состоящее из встречно-штыревого преобразователя ВШП и нескольких отражающих полосок - рефлекто­ров. Встречно-штыревые (электроакустические) преобразователи и рефлекторы могут быть созданы с помощью структур плоских электродов на пьезоэлектриче­ских подложках. Обычной подложкой, используемой для этого приложения, явля­ется ниобат лития или танталат лития. Структуры электродов создаются с помо­щью фотолитографической процедуры, аналогичной процедуре, используемой в микроэлектронике при производстве интегральных схем.

Базовая схема транспондера на ПАВ показана на рисунке 6. Встречно-штыревой преобразователь ВШП располагается в конце пьезоэлектрической подложки. К его шинам непосредственно подключается дипольная антенна транспондера, которая принимает сигнал опроса от считывателя и излучает ответный сигнал, генерируемый транспондером ПАВ.

Рисунок 6 – Базовая схема транспондера на ПАВ

Высокочастотный импульс опроса, периодически генерируемый считывателем, излучается антенной считывателя. Если транспондер поверхностной волны распо­ложен в зоне опроса считывателя, часть излучаемой энергии принимается антен­ной транспондера и проходит к выводам встречно-штыревого преобразователя в виде высокочастотного импульса напряжения. Встречно-штыревой преобразова­тель преобразует часть этой принятой энергии в поверхностную акустическую вол­ну, которая распространяется в кристалле под прямым углом к электродам ВШП. Для того чтобы преобразовать как можно больше принятой транспондером элек­тромагнитной энергии в акустическую энергию, необходимо выполнение следую­щего условия: частота передачи f₀ считывателя должна соответствовать частоте колебаний поверхностной волны встречно-штыревого преобразователя. Теперь на­чинают воздействовать на пьезоэлектрический кристалл рефлекторы в определен­ной последовательности вдоль пути распространения поверхностной волны. Не­большая часть поверхностной волны отражается от каждого рефлектора и движется обратно по кристаллу в направлении встречно-штыревого преобразователя, в то время как оставшаяся часть поверхностной волны продолжает двигаться к концу подложки и поглощается там. Соответственно из одного импульса опроса генери­руется несколько ответных импульсов.

Отраженные части поверхностных волн возвращаются обратно на встречно-штыревой преобразователь, где они преобразуются в высокочастотную последо­вательность импульсов, причем каждый рефлектор создает свой импульс в ответ­ном сигнале ПАВ транспондера. Эта последовательность импульсов излучается дипольной антенной и может быть принята считывателем. Число принимаемых импульсов соответствует числу рефлекторов на подложке. Более того, 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. Расположение рефлекторов и соответственно считываемый код определяются при изготовлении устройства. Поэтому транспондеры ПАВ принадлежат к кате­гории транспондеров «только чтение».

Как уже отмечалось, в начале взаимодействия с транспондером считыватель по­сылает мощный радиоимпульс опроса. На считыватель сначала возвращаются эхо-сигналы, возникающие в результате отражений радиоимпульса опроса от метал­лических поверхностей окружающих предметов. Благодаря сравнительно низкой скорости распространения поверхностных волн по подложке первый ответный импульс транспондера принимается считывателем с задержкой, равной примерно 1,5 мс. Этой временной задержки вполне достаточно, чтобы произошло затухание мешающих отражений от окружения считывателя, и ничто уже больше не будет мешать ответным импульсам транспондера.

Мешающие отражения в радиусе 100 м вокруг считывателя затухают через при­мерно 0,66 мкс.

Дальность действия системы ПАВ зависит главным образом от мощности пе­редачи импульса сканирования и может быть оценена, используя основное урав­нение радиолокации. При допускаемой мощности передачи в диапазоне ISM частот 2,45 ГГц можно ожидать дальность действия обычного транспондера ПАВ 1-2 м.

Дальность действия транспондерной системы на ПАВ можно вычислить, ис­пользуя основное уравнение радиолокации:

(1)

t_I – время интеграции;

P_T – мощность передачи;

G_R – усиление антенны передатчика;

G_T – усиление антенны транспондера;

𝜆 – длина волны;

k – постоянная Больцмана;

F – шум приемника считывателя;

S/N – требуемое соотношение сигнал/шум для безошибочного детектирования данных;

IL – вносимые потери;

T₀ – шумовая температура принимающей антенны.