Способ сохранения кнд метки радиочастотной идентификации увч-диапазона при работе в условиях сложной интерференционной картины

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к системам радиочастотной идентификации, может быть использовано для систем УВЧ-диапазона с пассивными и полупассивными метками. Известной проблемой в области разработки RFID-систем УВЧ-диапазона является обеспечение достаточного КНД приемо-передающей антенны идентификационной метки (далее - метки) в направлении антенны устройства считывания-опроса (далее - УСО) в диапазоне рабочих частот метки при работе метки в условиях расположения рядом с меткой металлических объектов, способных исказить форму ДН метки, снизив результирующую энергетику прямого и обратного канала УСО-метка. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа, позволяющего формировать более двух ДН метки на одной частоте для обеспечения возможности сохранения КНД и связанной с ним энергетики канала метка-УСО. Технический результат достигается за счет использования в составе метки набора коммутируемых каналов из ВЧ фазовращателей и устройства сложения в тракте метки между антенной и цепями существующих решений ИС, в частности ИС типа Monza 4, с включением такого набора коммутируемых фазовращателей и устройства сложения в состав ИС, что позволяет получить несколько ДН одной формы, но разной пространственной ориентации для каждого из используемых каналов, т.е. несколько ДН на одной частоте. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к системам радиочастотной идентификации (далее - RFID) и может быть использовано для систем ультравысокочастотного диапазона (далее - УВЧ-диапазона) с пассивными и полупассивными метками.

Известной проблемой в области разработки RFID-систем УВЧ-диапазона является обеспечение достаточного коэффициента направленного действия (далее - КНД) приемо-передающей антенны идентификационной метки (далее - метки) в направлении антенны устройства считывания-опроса (далее - УСО) в диапазоне рабочих частот метки. При этом КНД антенны метки является одним из факторов, определяющих результирующую энергетику прямого и обратного канала УСО-метка.

Обычно при разработке антенны метки принимается во внимание частотная зависимость комплексного сопротивления порта (портов) интегральной схемы-чипа (далее - ИС) в рабочем диапазоне частот, а антенна разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить согласование с ИС в требуемом диапазоне частот с требуемым коэффициентом отражения (далее - КО) и получить при этом диаграмму направленности (далее - ДН) в свободном пространстве по соответствующему порту метки близкую к изотропной (с двумя нулями либо без нулей).

ИС может содержать один либо два порта с независимыми каналами предварительной обработки и детектирования/модуляции принимаемого сигнала. При наличии двух портов ИС антенна обычно представляет собой турникетный излучатель из ортогональных вибраторов и цепи согласования их портов с комплексной нагрузкой ИС, взаимно развязанные по ВЧ, а результирующая ДН формируется как сумма ДН отдельных вибраторов, взятая по модулю и с учетом поляризации. Альтернативный подход подразумевает использование в метке комбинированных цепей согласования и формирования ДН и используется для получения ДН без нулей по каждому порту ИС в отдельности.

Использование метки в реальных условиях подразумевает наличие в непосредственной близости от ее антенны различных предметов (объект идентификации, полки, шкафы, стеллажи, корпуса, и др.), в т.ч. содержащих металлические элементы, либо полностью являющихся металлическими. Наличие такого окружения может существенным образом исказить форму ДН метки, изначально позиционирующейся производителем как квазиизотропная. При этом на ДН может сформироваться один либо несколько нулей и существенным образом снизиться энергетика канала УСО-метка в соответствующих им направлениях.

Борьба со снижением КНД метки может осуществляться несколькими известными способами. К первому способу относится использование одного либо нескольких альтернативных направлений излучения/приема. Способ реализуется использованием нескольких антенн на стороне УСО с временным разделением сессий считывания между ними путем коммутации сигнала в УСО между несколькими ВЧ портами. Ко второму способу относится использование нескольких квазиортогональных ДН метки либо УСО (либо метки и УСО) с осуществлением передачи, либо приема (либо передачи и приема) одновременно из нескольких каналов (SIMO, MISO, MIMO). Серийно выпускаемые метки хотя и могут обеспечить формирование двух ортогональных ДН в ВЧ тракте, однако обычно не содержат сложных трактов обработки сигналов в ИС ввиду бюджетных ограничений. Серийно выпускаемые УСО хотя и могут иметь несколько ВЧ портов для подключения антенн, однако не имеют обычно в составе более одного приемника и осуществляют временной мультиплекс. При этом антенны серийно выпускаемых УСО обычно представляют собой одиночный излучатель круговой поляризации и не имеют возможности изменения формы ДН и поляризационного базиса.

Известно решение для двухпортового чипа и метки этикеточного типа на его основе, описанное в патенте США US 9142881 B1, разработанное Impinj, Inc. (США), а также похожее по своей технической сущности решение АО "Микрон" (РФ), серийно выпускаемое с коммерческим названием M3D.S. Решения представляют собой печатный турникет на основе четырех F-образных излучателей, известных также как PIFA (planar inverted F-antenna), объединенных в диагональные пары для работы в симметричном тракте и имеющие два симметричных ВЧ порта, соединенные с соответствующими портами ИС типа Monza 4 производства Impinj. Решение обеспечивает по каждому порту квазиизотропную ДН с двумя нулями, своего рода классическую ДН линейной поляризации, свойственную электрически-короткому вибратору. ДН двух излучателей метки развернуты на угол 90° и взаимно ортогональны, а порты антенны взаимно развязаны в рабочем диапазоне частот. ИС обеспечивает независимое детектирование по каждому из портов и последующее сложение сигналов. Таким образом, т.н. "итоговая ДН" метки, измеряемая по круговой поляризации УСО, формируется скалярным сложением двух описанных ДН и поэтому не содержит явных нулей. К недостаткам решений следует отнести отсутствие возможности формирования более двух ДН, а также значительно сниженную энергетику на краях диапазона рабочих частот, о чем, однако, не говорится в тексте патента, а показанная авторами ДН соответствует ДН метки в середине диапазона частот, и что в условиях близкорасположенных металлических объектов может привести к формированию нулей в направлении антенн УСО и снижению энергетики каналов соответственно.

Известно решение для двухпортового чипа и метки этикеточного типа на его основе, описанное в патенте США US 9087281 B2, разработанное Impinj, Inc. (США), а также похожее по своей технической сущности решение АО "Микрон", серийно выпускаемое с коммерческим названием M3D с ИС Monza 4 производства Impinj, отличающееся от описанного выше тем, что используются несколько разные частоты настройки ортогональных элементов антенны, что позволяет улучшить диапазонные свойства метки, однако за счет этого энергетика в рассматриваемом поляризационном базисе УСО снижается во всем рабочем диапазоне частот, в особенности на его краях.

Известно решение для чипа с цепями автоподстройки комплексного входного сопротивления и метки на его основе, описанное в патенте США USRE 47755 E, предложенное Impinj, Inc. (США). Решение подразумевает каскадное включение в тракт метки между портом чипа и его входными цепями симметричного четырехполюсника с электрически изменяемым значением комплексного сопротивления цепи адаптивной подстройки, позволяющей путем оценки уровня согласования автоматически осуществлять настройку комплексного сопротивления порта чипа, приведенного к входу такой цепи, в некоторых пределах по описанному в решении алгоритму. Это позволяет адаптивно изменять энергетику метки в зависимости от условий ее использования. Недостатком решения является невозможность учета явления многолучевого распространения, в частности, когда снижение энергетики канала не обусловлено рассогласованием трактов антенны и чипа.

Известно решение для метки этикеточного типа, описанное в заявке на патент США US 20150076238 A1, разработанное SMARTRAC IP B.V. (Нидерланды) и серийно выпускаемое с коммерческим названием FROG-3D с ИС типа Monza 4 производства Impinj. Решение использует в качестве антенны похожий турникет на основе F-образных излучателей, которые, однако, используют по каждому порту круговой поляризационный базис и технически некоторым образом отличаются от вышеописанных решений схемой питания. Использование в решении ИС типа Monza 4 позволяет в условиях свободного пространства осуществлять прием и передачу сигналов УСО на левой круговой поляризации (далее - ЛКП) и правой круговой поляризации (далее - ПКП). Ключевой особенностью решения является принципиальная возможность формирования множества ДН одной антенны, что, однако, в решении не реализовано.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому решению является решение, описанное в заявке на патент США US 20070279286 A1, разработанное MARK IV INDUSTRIES CORP. (Канада). Решение представляет собой многомодовую антенну и может быть использовано в RFID-метке УВЧ-диапазона. Основная идея решения заключается в формировании множества независимых ДН. При этом на каждой резонансной частоте такой многомодовой антенны может формироваться только одна ДН. Особенностью данного решения является возможность одновременного формирования одной ДН на каждой резонансной частоте, что достигается использованием N-канального широкополосного сумматора, диапазон рабочих частот которого перекрывает весь спектр резонансных частот антенны. При этом УСО осуществляет считывание с переключением всех доступных частотных каналов. Решение позволяет улучшить энергетику радиоканала УСО-метка и метка-УСО при работе метки в условиях сложной интерференционной картины поля, когда в рамках одной ДН на одной частоте получить хорошую энергетику затруднительно. Одним из существенных недостатков решения является невозможность формирования более одной ДН на одной частоте. С учетом узких диапазонов частот, разрешенных для эксплуатации RFID-систем УВЧ диапазона во многих странах, в частности 866,6-867,4 МГц в РФ (решение ГКРЧ РФ №07-20-03-001 от 07.05.2007 г.), 865,7-867,5 МГц в Европе (стандарт ETSI TR 102 436 V2.1.1) и др. это не позволяет использовать преимущества решения в полном объеме, поскольку известные из уровня техники антенны для RFID-меток в подавляющем большинстве практически значимых случаев не могут обеспечить модовые ДН с относительным межмодовым разносом частот для соседних мод 0,09% (866,6-867,4 МГц) и 0,21% (865,7-867,5 МГц), что является безусловно необходимым для сохранения преимуществ решения US 20070279286 A1 с использованием хотя бы двух модовых ДН в пределах каждого разрешенного диапазона частот. В то время как график на фиг. 7 заявки US 20070279286 A1 демонстрирует относительный межмодовый разнос порядка 3% и 6% (резонансные частоты мод 5650 МГц, 5810 МГц и 6200 МГц соответственно), использование преимуществ решения становится весьма затруднительным и сопряжено с трудностями получения от ГКРЧ новых более широких частотных диапазонов. Возможность же формирования нескольких ДН на одной частоте решение не предусматривает. Кроме того, при формировании нескольких ДН на разных частотах (по одной ДН на каждой частоте) неизбежно теряется модовая энергетика прямого и обратного каналов на 3 дБ (в два раза по мощности) при каждом удвоении числа ДН за счет использования указанного авторами сумматора. В случае четырех ДН, изображенном в качестве примера в описании решения, - это 6 дБ гарантированных потерь. Причем в данном случае эти потери не компенсируются суммированием мощности модовых каналов, поскольку передача и прием в рамках одной ДН осуществляются УСО только на одной частоте.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа, позволяющего формировать более двух ДН метки на одной частоте для обеспечения возможности сохранения КНД и связанной с ним энергетики канала метка-УСО.

Технический результат достигается за счет использования набора коммутируемых каналов из ВЧ фазовращателей и устройства сложения в тракте метки между антенной и цепями существующих решений ИС, в частности ИС типа Monza 4, с включением такого набора коммутируемых фазовращателей и устройства сложения в состав ИС, что позволяет получить несколько ДН одной формы, но разной пространственной ориентации для каждого из используемых каналов, т.е. несколько ДН на одной частоте. При этом, в отличие от прототипа, заявляемое решение не позволяет формировать ДН принципиально разной формы на разных частотах.

Заявляемый способ позволяет рационально объединить положительные стороны способа, реализующего прототип с возможностью формирования множества ДН метки на одной частоте при временном мультиплексе либо при использовании технологии MIMO.

Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов.

На фиг. 1 показана функциональная схема, поясняющая реализацию способа. По каждому из портов п. 1 и п. 2 антенны 1 формируется ДН с ортогональной круговой поляризацией (ЛКП и ПКП), фиг. 1,а. При этом сложение сигналов портов с начальным сдвигом фаз цепями 2 позволяет получить квазиизотропную ДН с двумя нулями на оси 6 под углом 45° и минус 45° к осям вибраторов 4 и 5 соответственно, фиг. 1,б. В свою очередь сложение со сдвигом фаз большим начального значения тоже обеспечивает аналогичную квазиизотропную ДН, однако ось ее будет повернута на некоторый угол, пропорциональный этому сдвигу фаз. На фиг. 1,в показан пример реализации способа в части возможности использования набора переключаемых фазовращателей с постоянным сдвигом фаз. При этом в состав цепей 2 включают два коммутатора 7 и 9 с числом портов n, соответствующим числу каналов коммутации, а в каждый из каналов включают фазовращатель 8 с постоянным сдвигом фаз таким образом, что при синхронном переключении коммутаторов 7 и 9 в цепь включается только один фазовращатель 8. Сложение сигналов осуществляют синфазным сумматором 10, после которого сигнал поступает на соответствующий порт ИС 3. Включение фазовращателя 8 в цепь осуществляется подачей сигнала управления на порт 11.

Необходимо отметить, что за счет сложения сумматором когерентных парциальных сигналов в данном случае его использование не снижает канальной энергетики в отличие от прототипа, где на входы сумматора поступают независимые сигналы разных частот, и энергетика неизбежно теряется пропорционально числу каналов.

На фиг. 2 показана форма ДН метки при сложении сигналов портов с разными сдвигами фаз, фиг. 2,а-г. Крайние ориентации ДН фиг, 2,а и фиг. 2,г соответствуют сложению с предельными значениями сдвига фаз соответственно. С учетом двумерной симметрии ДН достаточный угол поворота составляет 90°, что позволяет упростить конструкцию фазовращателей 8.

Способ реализуется следующим образом. УСО генерирует сессию считывания в соответствующем временном окне и в выбранном частотном канале. Сигнал УСО излучается в пространство одиночной антенной УСО с круговой поляризацией излучения. Излученный сигнал принимается антенной метки, цепи которой обеспечивают формирование некоторой начальной ДН на выбранной УСО частоте канала. При условии успешного приема сигнала и достаточности энергетики канала УСО-метка текущей сессии метка формирует ответный сигнал и излучает его в рамках той же сессии с той же ДН. Во время выполнения УСО следующей сессии считывания метка принимает сигнал с исходной формой ДН, но при формировании отклика тем либо иным образом самостоятельно принимает решение о формировании требуемой формы ДН путем коммутации соответствующего фазовращателя. Использование в заявляемом способе возможности формирования нескольких ДН разной ориентации на одной частоте позволяет снизить вероятность попадания нулей в направление считывания, обеспечить требуемый КНД и энергетику канала в условиях расположения металлических объектов рядом с меткой.

Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения, не противоречащие букве и духу испрашиваемого в данной заявке объема охраны.

1. Способ сохранения коэффициента направленного действия метки радиочастотной идентификации ультравысокочастотного диапазона при работе метки в условиях сложной интерференционной картины электромагнитного поля, включающий формирование цепями из состава метки нескольких диаграмм направленности в рабочем частотном диапазоне, отличающийся тем, что формируют, по меньшей мере, три диаграммы направленности метки на каждой частоте внутри рабочего частотного диапазона, при этом число излучателей антенны метки, их форму и геометрические размеры не изменяют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цепи формирования диаграммы направленности метки включают в состав интегральной схемы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в составе цепей формирования диаграммы направленности метки используют двухканальный сумматор с электрически изменяемым сдвигом фаз между каналами.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что двухканальный сумматор включают в состав интегральной схемы.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в составе двухканального сумматора используют синфазный сумматор, в один из каналов которого включают фазовращатель с электрически изменяемым сдвигом фаз.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что синфазный сумматор, фазовращатель и цепи управления фазовращателем включают в состав интегральной схемы.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что сдвиг фаз фазовращателя изменяют дискретно.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в составе фазовращателя с дискретно изменяемым сдвигом фаз используют электрически коммутируемый набор фазовращателей с постоянным сдвигом фаз.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что электрически коммутируемый набор фазовращателей включают в состав интегральной схемы.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что электрическую коммутацию осуществляют механически.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что элементы коммутации включают в состав интегральной схемы.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в составе цепей коммутации используют MEMS устройства.

13. Способ по п. 8, отличающийся тем, что электрическую коммутацию осуществляют электронно.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что элементы коммутации включают в состав интегральной схемы.