автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка и совершенствование систем радиочастотной идентификации общего и специального назначения

На правах рукописи

005015707 I У

Плотников Александр Михайлович

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

1 26:2

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САМАРА -2012

005015707

Работа выполнена на кафедре основ конструирования и технологий радиотехнических систем федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО ПГУТИ)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Вячеслав Александрович Неганов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Марк Абрамович Минкин доктор технических наук, профессор Владимир Николаевич Нестеров

Ведущая организация:

ФГУП НИИ «Экран», г. Самара

Защита состоится « 16 » марта 2012 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д219.003.01 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ.

Автореферат разослан «/'6 » фея^-гл*- 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д219.003.01, доктор физико-математических наук

О.В. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из наиболее перспективных и быстроразви-вающихся в настоящее время технологий автоматической идентификации является радиочастотная идентификация (англ. Radio Frequency Identification, RFID). Однако, несмотря на лидирующую позицию на рынке средств автоматической идентификации, распространённость RFID-систем даже на мировом уровне носит весьма локальный характер в связи с высокой стоимостью идентификационных меток. Задача же глобализации внедрения этой технологии, например, для автоматической идентификации потребительских и других товаров может быть решена, только если цена на идентификационные метки составит менее некоторого критического значения. К тому же, с учётом тенденции к постоянному снижению этой стоимости, использование многих даже самых современных разработок не может позволить добиться повсеместного внедрения RFID-технологии.

Новый подход к решению задачи минимизации стоимости меток был развит в работе [J11], где предложена мультичастотная метка на основе частотного различения. Данная метка относится к классу т.н. «безчиповых» (англ. Chipless RFID), поскольку не имеет в своём составе интегральных схем (ИС), и может быть изготовлена инновационным методом предложенным в [JI2-JI4] и получившим название «Ink-Jet печати». Метка представляет собой набор полосок-резонаторов на диэлектрической подложке, каждый из которых при облучении электромагнитным полем (ЭМП) формирует максимальную амплитуду отклика на собственной частоте. Основным недостатком решения [JI1] является низкая добротность полосок. Известно [J15], что разомкнутые резонансные элементы имеют менее выраженные частотно-селективные свойства, чем замкнутые, в связи с чем они имеют гораздо меньшую амплитуду поля резонансного рассеяния и, как следствие, большую подверженность различного рода внешним помехам. Принципиальным здесь является отсутствие сплошных металлических поверхностей объекта идентификации. В случае наличия таких поверхностей процесс идентификации может стать невозможным.

Очень важным является ограничение на использование решения [J16], связанное с жёсткими требованиями к поляризации излучения опросного сигнала считывателя. Такая поляризационная зависимость может существенно ухудшить характеристики RFID-системы и привести к возрастанию ошибок при считывании меток.

Кроме того подчеркнём, что технологию антиколлизионного мультидоступа значительно проще реализовать в случае поляризационной независимости системы метка-считыватель. При этом использование решения [JI6] совместно с круговой поляризацией антенной системы считывателя является недопустимым, поскольку в этом случае существенную роль будет играть взаимное расположение меток относительно плоскости поляризации.

Из альтернативных решений можно выделить [Л7-Л8], где предложены ИРЮ-метки на основе ИС и планарных антенн различных конфигураций. Общим недостатком всех решений является существенная неравномерность диаграмм направленности (ДН) и поляризационной характеристики (ПХ) применяемых антенн, что является очень нежелательным и может привести к резкому сокращению расстояния считывания и возникновению ошибок. Наконец, стоит отметить решение [Л9], свободное от перечисленных недостатков. Однако его использование также является нерациональным, поскольку применяется спиральная антенна с большим количеством витков, что исключает возможность размещения устройства для согласования импедансов ИС и антенны в исполнении [Л2-Л4].

Немаловажным требованием к любой разработке является максимальная доля теоретических исследований с изготовлением и тестированием лишь финального опытного образца изделия. Это позволяет существенно минимизировать затраты труда и материалов на опытное производство и экспериментальные исследования. При этом решающим фактором является разработка эффективных математических моделей и методов, поскольку именно они определяют требуемое расчётное время и точность получаемых результатов. В некоторых случаях разработчику бывает достаточно использовать существующие САПР, в большом изобилии имеющиеся на современном рынке, однако, когда речь идёт о больших объёмах вычислений при синтезе и оптимизации устройств, численные алгоритмы, используемые САПР могут оказаться малоэффективными за счёт большого расчётного времени. В этих случаях требуется разработка других алгоритмов для конкретной задачи с большим быстродействием за счёт максимального содержания аналитических решений.

Таким образом, задача по разработке и созданию инновационных систем радиочастотной идентификации с улучшенными технико-экономическими характеристиками по сравнению с известными российскими и зарубежными аналогами является, на наш взгляд, весьма актуальной.

Цель работы - теоретическая и экспериментальная разработка системы радиочастотной идентификации на основе частотного различения кода, а также разработка идентификационных меток с улучшенными характеристиками для систем с кодовым различением.

Основные задачи работы:

- разработка инновационных меток радиочастотной идентификации для использования в составе систем с частотным и кодовым различением и построение электродинамических моделей меток;

- техническая реализация идентификационных меток на основе частотного и кодового различений, экспериментальное исследование их характеристик и сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов;

- построение упрощённой электродинамической модели устройства для считывания меток с частотным различением;

- техническая реализация устройства для считывания меток с частотным различением, экспериментальное исследование его характеристик (совместно с метками) и сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов.

Методы исследований. Первую часть работы составляют методы математического моделирования: математический аппарат электродинамики, аппарат теории сингулярных интегральных уравнений (СИУ), численные методы решения интегральных уравнений. Численные результаты получены с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных на ПЭВМ.

Другая часть работы основана на экспериментальных исследованиях. Использовано оборудование для антенных измерений: генераторы Г4-78 (1.16... 1.78 ГГц), Г4-79 (1.78... 2.56 ГГц), Г4-80 (2.56... 4.00 ГГц); усилитель измерительный У2-8, антенны измерительные: П6-23А (1-18ГГц), LX-1080 (1-8ГГц, A-info Inc.) антенна, предложенная в [JI10]; анализатор параметров электрических цепей Agilent FieldFox N9912А.

Научная новизна работы.

- разработаны конструкции и экспериментальные образцы меток с частотным различением без использования ИС, имеющие низкую стоимость изготовления, простой производственный цикл и улучшенные технические характеристики в сравнении с аналогами.

- предложены конструкции меток с кодовым различением на основе ИС и антенны особой формы, обладающие улучшенными технико-экономическими характеристиками в сравнении с аналогами.

- построены электродинамические модели, на основе теории СИУ разработаны методы анализа меток с частотным и кодовым различением, отличающиеся высоким быстродействием по сравнению с аналогами (FDTD и др.), приведён приближённый метод конструкторского синтеза мультичастотных меток.

- предложена методика считывания меток с частотным различением кода для разработки новых считывателей.

- разработан приближённый метод электродинамического анализа считывателей вида «на прохождение» и «на отражение» для систем с частотным различением, приведены конструкции и экспериментальные образцы считывателей, адаптированные для производственных линий промышленных предприятий.

Обоснованность и достоверность. Все результаты, полученные в рамках теоретического подхода, с хорошей точностью подтверждены экспериментально. Использованные приближенные методы решения СИУ корректны с формальной математической точки зрения. Контроль результатов на разных этапах осуществлялся: сравнением данных, полученных теоретически в рамках предлагаемых подходов с данными, полученными альтернативными, в основном, численными методами (FDTD, FEM и др.); исследованием внут-

ренней сходимости численных алгоритмов; сравнением теоретических и экспериментальных результатов.

Практическая ценность работы. В работе рассмотрены задачи разработки, реализации и модернизации систем радиочастотной идентификации СВЧ-диапазона: систем с частотным различением кода, включая теоретическую и экспериментальную разработку меток и устройств считывания; систем с кодовым различением, включая теоретическую и экспериментальную разработку меток и определение требований к считывающим устройствам.

Результаты, полученные в работе, имеют большое теоретическое и практическое значение, связанное с вопросами расчета характеристик, конструирования, адаптации под необходимые производственные и другие промышленные условия, а также непосредственно практического применения в тестовой и коммерческой эксплуатации рассмотренных типов идентификационных систем.

Разработанные в диссертации методики, модели и методы расчёта использованы в научно-исследовательских проектах по созданию инновационной технологии радиочастотной идентификации, разработке меток низкой стоимости и устройств для их считывания.

В подтверждение практического применения результатов получено 2 акта внедрения по результатам совместных исследовательских проектов с корпорацией Самсунг Электронике Ко., Лтд. (1-я и 2-я главы) и 1 акт внедрения на предприятие ФГУП НИИ «Экран» (3-я глава).

Результаты диссертационной работы могут быть в дальнейшем использованы в качестве основы для многих перспективных разработок в области систем радиочастотной идентификации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методы электродинамического анализа меток с частотным и кодовым различением, отличающиеся высоким быстродействием в сравнении с существующими аналогами и метод приближённого конструкторского синтеза меток с частотным различением.

2. Конструкции, экспериментальные образцы меток без ИС и устройств считывания меток для систем радиочастотной идентификации с частотным различением кода.

3. Конструкции и экспериментальные образцы меток радиочастотной идентификации с кодовым различением, имеющие улучшенные характеристики в сравнении с существующими аналогами.

4. Инновационная система радиочастотной идентификации на основе частотного различения для использования на производственных линиях промышленных предприятий.

Личный вклад автора. В совместных работах научному руководителю принадлежит общая постановка задач и определение направлений ведения исследований. Непосредственно идеи, разработки, реализации, подробное проведение рассуждений, доказательств, расчетов, изготовление и тестирование экспериментальных образцов, а также анализ результатов принадлежат соискателю.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях:

- X МНТК «Проблемы техники и технологии телекоммуникации». — Самара, 2009;

- IX МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов». — Челябинск, 2010;

- X МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов». — Самара, 2011;

- XII МНТК «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». — Казань, 2011;

- V Межрегиональный экономический форум «Самарская инициатива: кластерная политика - основа инновационного развития национальной экономики», Самара, 2011.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК, а также 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 89 наименований, приложения, и содержит 133 страницы текста, в том числе 33 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении определена цель диссертационной работы, показана ее актуальность и практическая значимость, определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе «Разработка меток радиочастотной идентификации СВЧ-диапазона на основе частотного различения кода» предложены мультича-стотные метки резонансного типа (рисунок 1) для радиочастотной идентификации объектов, имеющие очень низкую стоимость изготовления и простой производственный цикл по сравнению с аналогичными разработками.

(а) (б)

Рисунок 1 - Геометрия предлагаемых ЯРГО-меток: с резонаторами круглой (а) и прямоугольной (б) формы

Изготовление метки может производиться на основе технологии [Л2-Л4]. При необходимости метка может быть напечатана непосредственно на упаковке товара, либо самой продукции. Диссертант является соавтором полученного патента РФ на метки [6].

Построена электродинамическая модель метки с резонансными элементами в виде планарных идеально проводящих колец шириной н> = 21, лежащих в плоскости хОу, рисунок 2. Радиус образующей кольца а, центр совмещен с началом координат.

Кольцо предполагается бесконечно тонким и достаточно узким (21 «а, 2/ «Л, где Я - длина волны).

\х

Рисунок 2 - Модель /-го кольцевого резонатора метки Под действием вектора напряжённости стороннего электрического поля Е|м) падающей против оси Ох линейно-поляризованной плоской электромагнитной волны (ПЭМВ)1 на кольце возникает вектор поверхностной плотности тока 1](р,(р), имеющий только одну (азимутальную) составляющую определенную в области 5: ре [-яг;л-], р е [а-/;а + /], распределение которой ищется в виде:

%{р,<р) =

Ё А» ехр(-//тр)

_т--х_

(1)

где используется квазистатическое приближение для плотности тока в поперечном сечении полоски.

Далее (1) подставляется в выражение для напряжённости электрического поля, наведённого токами кольца:

= (2) \со8 (<р-(р'))

где 20 - сопротивление среды, к - волновое число, А - векторный потенциал, С? - функция Грина в цилиндрической системе координат:

А (р,<р) = |}т7„( р>')

С(р,р'-,<р,<р')4р'с1<р',

1 ПЭМВ имитирует возбуждение метки полем опросного сигнала считывателя.

8

J ж

G{p,p'\<p,<p') = — J^gm(p,p')exp{-im{q>-<p%

■ - Ч/t

С другой стороны, поле связано граничным условием с электрическим полем ПЭМВ:

= (4)

После разложения полей (4) в ряды Фурье и выделения асимптотики р-> р' в формуле (3) из системы интегральных уравнений (1), (2), (4) получаем систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ).

В случае N колец соотношение (4) с учётом принципа суперпозиции переписываем в виде:

¿£„т+С =0,

Л = 1

где п - номер кольца, т = 1 - номер Фурье-гармоники, единственной в силу аксиальной симметрии структуры относительно Oz.

Учёт влияния подложки осуществлён для локальной области из 3-х соседних колец, для которой рассчитана эффективная диэлектрическая проницаемость Eeff = К], Ks - коэффициент укорочения. При этом структура рассматривалась в

приближении компланарной линии передачи (КПП) без экрана.

Задача синтеза геометрии метки по заданному набору резонансных частот отклика была сведена к нахождению рекуррентных выражений для длины образующих колец. Для линейного радиального распределения образующих (А/ -const):

/,+1=/, + Д/, Д/ = —

1 Р

¿ = 2,я,

i У

: 2,я,

где /,. - длина образующей /-го кольца, Д/ - интервал между длинами образующих соседних колец, Д/- интервал между резонансными частотами (-го и/+1 колец, Ks - коэффициент укорочения, с - скорость света в вакууме.

В случае логарифмического распределения (Д/ = const):

___]_

^ ft fi+\ j

где / - резонансная частота /-го кольца, Д/ - интервал между между резонансными частотами соседних колец, Д/, - интервал между длинами образующих z'-ro и /+1 колец.

На рисунках 3 и 4 приведены некоторые численные результаты в сравнении с экспериментальными. Меридиональные ДН метки на резонансной частоте

/ . , \

Л,

9-го кольца показаны на рисунке 3. Частотная зависимость отклика метки приведена на рисунке 4. Для лучшей наглядности на графиках ДН использован логарифмический масштаб по оси ординат. На графике отклика - линейный масштаб по оси ординат и логарифмический по оси абсцисс. Значения шкалы частот на рисунке 4 получены с помощью алгоритма конструкторского синтеза.

(а) (б)

Рисунок 3 - Резонансная диаграмма направленности метки

1.231.331431 S5 1.68 1« 2.05 га

1 II I I_I-L

3.05 1,Л\

1.281.381.491.61 176 194 2.16 2.43 2.82 tt,

Рисунок 4 - Частотная зависимость отклика метки с кодом 11111111 в точке г = 1, = 0, р0 = 0 Нормированные характеристики рассчитаны по формулам:

F{e,<p) = \E{fm,r0A9)\/\^(L,r0A,<Po)l F(f) = \E{f,r0^,<p0)\/\E(fm,r0^%)l

где |E(/m,A-0,<?0,<p0)| - максимальное значение поляЕ, которому соответствуют координаты r0= 1, #о = 0, <р0- 0 и частота fm =1.23 ГГц .

Как видно из рисунка 3, излучение метки имеет осевой характер с максимумами, лежащими на оси Oz при в0 = 0 и в0 = к. Рисунок 4 иллюстрирует резонансный характер отклика метки, где максимумы поля рассеяния соответствуют излучению колец вблизи собственных частот. Из рисунков следует хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов.

Во второй главе «Разработка считывающего устройства для меток радиочастотной идентификации на основе частотного различения кода» предложена конструкция устройства для считывания мультичастотных меток (считы-

10

вателя), приведена модель, позволяющая рассчитывать основные характеристики ИРЮ-системы на основе частотного различения и приведены результаты теоретического и экспериментального исследования ИРШ-системы. Диссертант является соавтором заявки на изобретение по методике считывания мультичастотных меток и конструкций считывателей [7].

На рисунке 5 показана общая блок-схема считывателя, адаптированного для производственных промышленных предприятий.

[ 1 Экран и поглотитель

Опросным сигнал Блох радиочастотной обработки сигнала

Рисунок 5 - Общая схема считывателя Антенная система, состоящая из передающей и приёмной антенн, осуществляет передачу опросного сигнала метке и приём отклика. Блок радиочастотной обработки производит демодуляцию и аналогово-цифровое преобразование сигнала отклика. Блок цифровой обработки проводит распознавание кода метки из цифровых данных отклика. В системе управления базами данных происходит сопоставление кода метки и наименования товара.

Схема считывателя может быть реализована в двух вариантах, рисунок 6, отличающихся конструктивно. Схема «на прохождение» производит т.н. «сквозное» считывание метки, а схема «на отражение» - считывание отклика, отражённого от плоскости-рефлектора.

На основе эффективных (эквивалентных) параметров, используемых в теории излучающих структур, и принципов геометрической оптики построена упрощённая модель для расчёта модулей калибровочного и резонансного коэффициентов передачи 52| в ИРГО-системе:

|52г'I = {К? + ЛЯ<")2 «»(/?/2)), (5)

С =4*/ (} Д^/^аЭД,

/ £>4*

где г - индекс кольца метки, |5'2||ет')| - модуль калибровочного коэффициента передачи, - КНД антенны 1, (/^ + А-/?,П|) - радиус пятна, создаваемого антенной 1 на расстоянии / вдоль Ог; (0,<р) - нормированная ДН антенны 1, а'" - угловая апертура антенны 1, /? - угол наклона оси антенн 1 и2коси Ог.

И

Рисунок 6 -

Для схем «на прохождение» и «на отражение» согласно (5):

^ |=^п^'Д^ «>+адг 1 )2)> (6)

/ П=4л-

где - суммарный коэффициент передачи, КНД метки,

-радиус пятна, создаваемого меткой на расстоянии /2 вдоль (Эг, - нормированная ДН метки; - угловая апертура метки.

Величины Д/?'", Д/?'Л" для схемы «на прохождение»:

(б)

Варианты конструкции считывателя: «на прохождение »(а) и ее «я отражение» (б)

Метка

Плоскость метки

\

ДН метки

Плоскость при антенны Аг

Плоскость центров антенн Лу и Л2 V/'

N

Металлический экран = О

для схемы «на отражение» ДЯ,"1 находится с учётом (5), а ДЛ,1Л'1 из:

АЛ!"> =/2 (ё{а]л,)/2). Зависимости, Г'М){в,(р), а'", а)М) определяются с помощью

численных методов (БЭТО, и др.). На рисунке 7 показаны характеристики излучения антенн [Л10] и метки.

umodFOTD:

--/,-1.60 ГГц;

--/,-2.28i7V

—-¡}-2.05ГГЦ:

--/,-r.Mirv

--f.-ШПЪ

—-/,-i.jjmt-

— -f,-1.33 ГГц; -f,-1.23 ГГц: чкгягтчпан:

А Ж-/," 133ГГЦ

Urrraf) FDTD:

--f,'2.60 ГГЦ:

--/,-2ЛП1);

—-/¡•iOSmi;

--А'ШГГц;

--Л- 1.ИГТК

--f,-1JS ГГц:

~~ -А-1.43 ГГЦ:

----fi-1.33 ГГц:

-ft-1.23 ГГц; злвиишсеш АА-Ь-иЗГГц

•180 .150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 1 00 ш 1М „ is<) „5

«

(В) (Г)

Рисунок 7 - Характеристики метки (а,б) и антенн (в.г): ДН (а.в). частотная зависимость резонансной угловой апертуры и КНД (б,г)

1.231.331.43 1J5 1.68 1.84 2.05 '¿2Я 2.60

/.ГГЦ

(б)

На рисунке 8 приведены графики зависимостей модуля коэффициента передачи 521 в радиоканале считывателя от положения метки для схем «на прохождение» и «на отражение».

Из графиков (а) очевидно, что минимальные значения ослабления наблюдаются при приближении метки к антенне 1 или 2. Максимальный уровень наблюдается при расположении метки приблизительно на равных расстояниях между антеннами.

По графикам (б) можно сказать, что малые значения ослабления наблюдаются при приближении метки к плоскости антенн. При удалении метки от антенной плоскости, амплитуда ослабления монотонно возрастает.

Для исключения влияния на процедуру идентификации внешних излучений и помех в конструкции считывателя использованы модули из широкополосного радиопоглощаюшего материала, рисунок 5.

(a) (6)

Рисунок 8 - Графики модуля коэффициента передачи S21 в радиоканале считывателя: для схемы «на прохождение» (а), «на отражение» (б)

Однако сильное влияние также может оказывать сам объект идентификации, содержащий большие металлические поверхности. Для минимизации этого влияния предлагается использовать мапоотражающие и защитные покрытия [3,4] на основе киральных метаструктур, содержащих элементы Тел-леджена [ЛИ]. Теоретически установлено, что подобные покрытия способны концентрировать внутри себя падающее на их поверхность рассеянное электромагнитное излучение радиоволнового диапазона (например, СВЧ). По аналогии с этим можно добиться уменьшения паразитного рассеяния опросного сигнала на металлических поверхностях объекта идентификации на величину больше 20дБ, что немаловажно для повышения помехоустойчивости.

Третья глава «Разработка идентификационных меток СВЧ-диапазона с кодовым различением» посвящена разработке меток радиочастотной идентификации диапазона СВЧ на основе ИС, рисунок 9.

(а) (б)

Рисунок 9 - Геометрия антенн круглой (а) и прямоугольной (б) формы Предложена антенна метки, представляющая собой двухзаходную спираль Архимеда круглой или прямоугольной формы, главной особенностью которой является малое количество витков в плечах. За счёт этого обеспечивается большая свободная площадка в центре антенны, которую предлагается использовать для размещения согласующей структуры в исполнении печатного монтажа. Материалы по разработке антенны вошли в заявку на изобретение, соавтором которой является соискатель [8].

Построена электродинамическая модель антенны, представляющая собой совокупность элементарных смыкающихся дуг одинаковой ширины. Получена система СИУ на основе (1)-(4). Однако, в отличие от симметричного кольца, где интеграл от экспоненты от 0 до ж давал символ Кронекера и снимал суммирование по Фурье-гармоникам, в выражениях для спиральной антенны возникает коэффициент:

| (п-т)^

Д_

пф да;

' 2ае"

а ->0,

(и-да)

2 а , п= т\

где а - угловой размер дуг, на которые разбивается антенна.

Из выражений (2) с помощью формулы Якоби-Аигера были получены распределения поля в дальней зоне излучения антенны в аналитическом виде:

4 яг

Ар{в,<р) созб?

С05(р

ът<р

J1 [ка1! втб)

J0(ka¡l зш#) +

Предложенная модель в одинаковой степени справедлива как для круглой, так и для прямоугольной формы витков спиралей и обеспечивает высокое быстродействие при моделировании по сравнению с аналогами (РОТБ и др.).

Круглая^спиралъ^ Прямоугольная спираю, Типовая антенна [Л7-Л8]

Рисунок 10 - Рассчитанные характеристики антенн: меридиональные ДН (а), азимутальные ДН (б). ПХ (в)

Учёт влияния подложки проведён по аналогии с главой 1. Реализация согласующего устройства выполнена в соответствии с [Л11].

На рисунке 10 приведены ДН и ПХ предлагаемых антенн.

Установлено, что форма ДН и ПХ в дальней зоне для спиралей с круглой и овальной формой витков при эквивалентных (равных) длинах витков и их количестве одинаковы. Однако, размеры антенны с овальной формой витков меньше, чем с круглой, поэтому её использование является более предпочтительным.

Из данных рисунка 10 видно, что ДН является достаточно однородной, поэтому считывание метки будет возможно под произвольными углами. Однако, наиболее важным достоинством наряду с наличием свободной площадки для размещения согласующего устройства является комбинация удовлетворительной равномерности ДН и однородности ПХ, которые, используясь раздельно во многих решениях [Л6-Л8], обычно отсутствуют в комбинации.

В заключении сделаны соответствующие выводы, сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены мультичастотные метки радиочастотной идентификации На базе теории СИУ разработаны методы электродинамического анализа мультичастотных меток на основе планарных замкнутых кольцевых структур и меток с ИС на основе двухзаходных спиральных антенн особой формы, отличающиеся высоким быстродействием по сравнению с аналогичными решениями (РБТО и др.).

2. Разработаны, изготовлены и протестированы мультичастотные метки радиочастотной идентификации без ИС, имеющие низкую стоимость, простой производственный цикл и улучшенные экспуатационные характеристики по сравнению с аналогичными решениями.

3. Предложен приближённый численно-аналитический метод для конструкторского синтеза мультичастотных меток.

4. Разработаны, изготовлены и протестированы экспериментальные образцы считывателей вида «на прохождение» и «на отражение», имеющих модульную конструкцию и адаптированных для использования на производственных линиях промышленных предприятий.

5. Разработаны, изготовлены и протестированы метки радиочастотной идентификации с ИС, построенные на основе двухзаходных спиральных антенн особой формы, имеющие улучшенные технические характеристики по сравнению с аналогичными решениями.

6. Разработана система радиочастотной идентификации на основе частотного различения, имеющая низкую эксплуатационную стоимость и предназначенная для использования на промышленных производственных линиях.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Неганов В.А. Электродинамический анализ резонансных меток для радиочастотной идентификации объектов методом сингулярных интегральных уравнений [Текст] / В.А. Неганов, A.M. Плотников, Д.П. Табаков II Радиотехника и электроника. — 2012 (в печати).

2. Неганов В.А. Метки радиочастотной идентификации низкой стоимости на основе метода частотного различения [Текст] / В.А. Неганов, A.M. Плотников // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2011. — Т.Н. — №2. — С.46-52.

3. Осипов О.В. Использование эффекта азимутального рассеяния электромагнитных волн метаструктурой на основе элементов Телледжена в прикладных задачах электродинамики [Текст] / О.В. Осипов, A.M. Плотников И Инфокоммуникационные технологии. — 2012. — Т. 10. — №1(в печати).

4. Осипов О. В. Электродинамические свойства проводящих киральных микроэлементов и метаматериалов на их основе / О.В. Осипов, A.M. Плотников И Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: тезисы пленарных докладов XII МНТК, 17-19 ноя., 2011 г., г. Казань. — Казань, 2011. — С.20-25.

5. Подобед И.М. Электродинамический анализ мультичастотной метки резо-

нансного типа [Текст] / И.М. Подобед, О.В. Осипов, A.M. Плотников И Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. 2012. №1. Режим доступа: http://www.science-education.ru/I0I-5479

6. Неганов В.А. Мультичастотная радиометка резонансного типа / В.А. Неганов, A.M. Плотников, Сеоно Ким (KR) // Патент РФ №2402812. Приоритет от 18.11.2009.

7. Неганов В.А. Способ и устройство считывания мультичастотных радиометок резонансного типа / В.А. Неганов, A.M. Плотников, И.М. Подобед, Сеоно Ким (KR) II Заявка на изобретение №2011107701. Дата регистрации 01.03.2011.

8. Неганов В.А. Метка радиочастотной идентификации с произвольным углом

и поляризацией считывания / В.А. Неганов, A.M. Плотников И Заявка на изобретение № 2011148337. Дата регистрации 23.11.2011.

9. Неганов В.А. Пассивная метка радиочастотной идентификации на основе метода частотного различения [Текст] / В.А. Неганов, A.M. Плотников // Физика и техн. приложения волновых процессов: тезисы докладов IX МНТК, 13-18 сен., 2010 г., г. Миасс. — Челябинск, 2010. — С.52-53

10. Неганов В.А. Считывающее устройство для меток радиочастотной идентификации на основе метода частотного различения [Текст] / В.А. Неганов, A.M. Плотников II Физика и техн. приложения волновых процессов: тезисы докладов IX МНТК, 13-18 сен., 2010 г., г. Миасс. — Челябинск, 2010. —С.53-53

1 ]. Неганов В.А. Пассивная метка радиочастотной идентификации (RFID) на основе антенны бегущей волны [Текст] / В.А. Неганов, A.M. Плотников II

Физика и техн. приложения волновых процессов: тезисы докладов IX МНТК, 13-18 сен., 2010 г., г. Миасс. — Челябинск, 2010. — С.71-72. 12. Неганов В.А. Метод двоичного кодирования и считывания кода метки радиочастотной идентификации на основе метода частотного различения [Текст] / В.А. Неганов, A.M. Плотников Н Физика и техн. приложения волновых процессов: тезисы докладов IX МНТК, 13-18 сен., 2010 г., г. Миасс.

— Челябинск, 2010. — С.52-53.

СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Radio Frequency Identification System and Method / Otto J.A. US Patent

6732923. Date of a Patent: May. 11,2004.

2. Woo K., and others. Ink-Jet Printing of Cu-Ag-Based Highly Conductive Tracks on a Transparent Substrate // Langmuir, 2009,25. pp.429-433.

3. Azucena! O., and others. Inkjet Printing of Passive Microwave Circuitry // Proc.

IEEE, 2008. pp.1075-1078.

4. Inkjet Printing of Silver Inks for RFID, Solar cells and Printed

Electronics // [Электронный ресурс]: сайт. 2011. URL:

wvAv.microfab.com/equiprnent/technotes/Silver_Ink_Printing.pdf (дата обращения: 15.12.2011)

5.Johnson R.C. Antenna Engineering Handbook, 3rd ed. McGraw-Hill, Inc., 1993.

— 1512p.

6. RFID-system utilizing parametric reradiated technology / Pettus M.G. US Patent

7498940. Date of a Patent: Mar. 3,2009.

7. Small planar antenna with enhanced bandwidth and small strip radiator / Tikhov Y. and others US patent 20060038725. Issued Feb. 26, 2006.

8. RFID antenna and RFID tag / Kwon H.I. US patent 7828221. Issued Nov. 9, 2010.

9. Dispersive antenna for RFID-tags / Rossman K. and others. US Patent 20090284351. Publication date: Nov. 19,2009.

10. Nakano H. and others. Cavity-backed Archimedean spiral antenna with strip absorber // IET Microw. Antennas Propag., 2008, Vol. 2, No. 7, pp.725-730.

11. Kamenetskii E.O. and others. Tellegen particles and magnetoelectric metamaterials // Journal Applied Physics, 2009. — V.105. — No. 1. — pp.013537 -013537-15.

Подписано в печать 15.02.2012. Формат 60 х 84/16 Бумага ксероксная. Печать оперативная. Объем -1,125 усл. п. л. Заказ №. 113 Тираж 120 экз.

Отпечатано в типографии «Инсома-пресс» ул. Санфировой, 110А, оф. 22А, тел. 222-92-40

61 12-5/3799

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»

На правах рукописи

Плотников Александр Михайлович

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор физико-математических наук,

профессор Неганов В.А.

САМАРА-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................4

Глава 1. Разработка меток радиочастотной идентификации низкой стоимости на основе частотного различения кода..............................21

1.1 Постановка задачи. Суть радиочастотной идентификации на основе частотного различения...................................................................21

1.2 Предлагаемая конструкция КРЮ-метки и принцип работы................22

1.3 Электродинамическая модель КРЮ-метки.....................................26

1.4 Метод конструкторского синтеза геометрии метки.......................38

1.5 Алгоритм представления кода метки............................................42

1.6 Расчёт, численное моделирование и экспериментальное исследование характеристик метки. Анализ результатов.......................................45

1.7 Выводы по главе 1.....................................................................59

Глава 2. Разработка считывающего устройства для меток радиочастотной идентификации на основе частотного различения кода.................61

2.1 Постановка задачи. Общая схема считывающего устройства и принцип работы.......................................................................................61

2.2 Антенная система. Конструктивные реализации «на прохождение» и «на отражение»...........................................................................63

2.3 Блок радиочастотной обработки сигнала............... ........................68

2.4 Блок цифровой обработки сигнала и система управления базами данных........................................................................................76

2.5 Физическая модель тракта радиочастоты.............. .......................77

2.6 Численное моделирование и экспериментальное исследование характеристик считывающего устройства. Анализ результатов..........................83

2.7 Выводы по главе 2

91

Глава 3. Разработка идентификационных меток СВЧ-диапазона с кодо-

вым различением........................................................................92

3.1. Постановка задачи. Электродинамические характеристики меток

с кодовым различением..................................................................92

3.2. Предлагаемая конструкция антенны и принцип работы...................94

3.3. Электродинамическая модель антенны.........................................96

3.4. Синтез согласующего устройства для работы с чипом ЕМ4223........105

3.5 Численное моделирование и экспериментальное исследование характеристик метки. Анализ результатов....................................................110

3.6 Выводы по главе 3..................................................................114

Заключение..............................................................................116

Приложение 1. Основные понятия и выражения.............................120

Список использованных источников.............................................124

ВВЕДЕНИЕ

Глобальная информатизация общества в России и за рубежом сопровождается активной компьютеризацией и автоматизацией внутренних и внешних бизнес-процессов различных предприятий и учреждений.

Важнейшей проблемой информатизации в свою очередь является обеспечение точности и безопасности информации при её передаче и хранении. К основным задачам в этой области, требующим эффективного решения, относятся проблемы электронной бесконтактной идентификации объектов, аутентификации, управления доступом, защиты каналов передачи информации и трафика.

Идентификация (англ. Identification) - это процесс распознавания объекта или субъекта по его идентификатору [1]. Идентификатор объекта предъявляется считывателю, который считывает и передает в систему его индивидуальный код для проведения процедуры распознавания (англ. Recognition).

Объектом идентификации в общем случае может быть человек, животное, транспортное средство, оборудование, контейнер с грузом, изделие в процессе производства, товар, ценные предметы и т.д.

Средства идентификации на основе электронных устройств являются качественно новым видом продукции и услуг, влияющим на все сферы жизнедеятельности человека. Они находят широкое применение в системах управления доступом, учета, хранения, охраны, оповещения, наблюдения и т.п. По данным [2,3], рынок средств идентификации, аутентификации и авторизации является наиболее быстрорастущим - до 28% в год, в то время как общий рост рынка информационной безопасности - порядка 23% в год.

В последнее десятиление электронные средства идентификации получили широкое распространение во всех развитых странах мира. После волны террористических актов в Израиле, США и России разработчики многих стран активно работают над созданием новых электронных идентификационных доку ментов на основе интеллектуальных карт, имеющих криптозащиту, не поддающихся подделке и с разделением полномочий санкционированного доступа к

4

считыванию содержащейся в них информации. Эти электронные идентификационные документы кроме названия документа, фотографии, имени владельца и его статуса могут содержать такие оцифрованные и зашифрованные биометрические данные, как отпечатки пальцев, образ лица или рисунок радужной оболочки глаза, которые легко контролировать в масштабах всей страны, а также анкетные, визовые, водительские, страховые, медицинские и многие другие данные.

Электронные средства идентификации несут достоверную информацию, так как содержат систему криптозащиты, исключающую корректировку или замену информации. Кроме того, они легко интегрируются в электронные системы всех уровней и позволяют получать объективную информацию для принятия решений и управления на всех уровнях, а также исключить подделку документов и продукции.

Важнейшим направлением развития систем электронной идентификации является их интеллектуализация, т.е. передача предельно возможного количества функций по сбору, обработке информации и принятию решений аппаратно-программным средствам и компьютерам. Необходимо подчеркнуть, что освобождение человека от рутинного труда является особенно важным при автоматизации процесса производства и обеспечения безопасности объектов, где цена ошибки, а подчас элементарной невнимательности, может быть весьма высокой. С другой стороны, важно обеспечить сотрудников службы безопасности производственных, торговых и других организаций полной и точной информацией о происходящих событиях и удобными средствами для безошибочного и своевременного принятия оперативных решений.

С каждым зарегистрированным в компьютерной системе объектом связана некоторая информация, однозначно идентифицирующая его. Это может быть число или строка символов, именующие данный объект. Такую информацию принято называть идентификационной информацией данного объекта, а код, передающий эту информацию - идентификационным кодом. Идентификационная информация может быть либо постоянной, либо изменяемой в процес-

5

се эксплуатации системы. Носителем идентификационной информации об объекте является придаваемый каждому объекту индивидуальный идентификатор - метка.

Метка представляет собой некоторое устройство или признак, по которому определяется объект. Метками могут быть строка символов, карточка со штрих-кодом, различные бесконтактные радиотеги (англ. Radio-Tag, радиометка), бесконтактные proximity-карты, брелки "touch memory", магнитные карточки, смарт-карты, изображение радужной оболочки глаза, отпечаток пальца, отпечаток ладони и другие физические признаки [3]. Каждая метка характеризуется определенным уникальным двоичным кодом.

Обзор технологий автоматической идентификации

Оперативный сбор и ввод достоверной и точной информации в компьютерные информационные системы и системы управления представляет собой актуальную и важную задачу. При этом сбор информации должен происходить с минимальным участием человека - хотя бы потому, что оператор может допустить ошибку при вводе данных, например, с клавиатуры компьютера. Главное в работе системы автоматизации - абсолютная достоверность информации. Ведь даже на поиск и отсеивание неверно введенной информации в больших объёмах данных придется затратить немало времени и средств, не говоря уже о прямых или косвенных убытках, которые могут быть понесены в результате неадекватного решения, принятого на ее основе.

Технологии автоматической идентификации наиболее полно соответствуют всем требованиям компьютерных информационных систем и систем управления, где нужны достоверное распознавание объектов и их регистрация в реальном масштабе времени.

К технологиям автоматической идентификации, применяемым в мире относятся [1-3]:

• штрих-кодовая идентификация;

• биометрическая идентификация;

• радиочастотная идентификация;

• карточные технологии идентификации (на базе карт с магнитной полосой и смарт-карт).

Необходимо также отметить, что технологии автоматической идентификации часто используются в комбинациях.

Радиочастотная идентификация

Одной из наиболее перспективных и быстроразвивающихся в настоящее время технологий автоматической идентификации является радиочастотная идентификация (англ. Radio Frequency Identification, RFID), обладающая рядом существенных преимуществ по сравнению с альтернативными технологиями.

Радиочастотная идентификация позволяет получать информацию о предмете без необходимости прямого гальванического контакта. Системы, реализующие радиочастотную идентификацию, обычно называют RFID-системами [1-3]. Надо сказать, что основная техническая процедура RFID-систем заимствована из радиолокационных систем. Метод радиочастотной идентификации получил название RFID-технологии и стал основой построения современных бесконтактных информационных систем.

Носителем электронных данных в RFID-системах является метка-транспондер (англ. Transmitter-responder, передатчик-ответчик, далее - метка). Дистанции, на которых может проходить считывание RFID-меток и запись в них информации, могут варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких метров в зависимости от применяемой технологии. Сами RFID-метки тоже являются весьма различными - размером с кредитную карту, или совсем крошечные вживляемые стеклянные метки для отслеживания перемещения животных, или большие метки, которые прикрепляются к огромным контейнерам, бочкам, вагонам и т.д. Диапазоны частот, в которых работают метки и считывающие устройства (англ. RFID-Reader, далее - считыватель) RFID-систем также различны: от 125 кГц до 5.8 ГГц [1-3].

Важной особенностью работы М^ГО-систем является то, что в ряде случаев необходимо избирательное взаимодействие считывателя с метками, находящимися одновременно в зоне опроса считывателя. При передаче несколькими метками своих данных в один и тот же момент сигналы этих меток одновременно появляются на входе считывателя и происходит их взаимное искажение, Это явление принято называть коллизией [1,3]. При коллизии данных на входе считывателя, он не получит от меток никакой достоверной информации. Для обеспечения взаимодействия считывателя с отдельным устройством из группы меток применяются антиколлизионные процедуры мультидоступа.

КРГО-метки могут быть активными либо пассивными. В составе активных меток имеется собственный источник питания (батарея, аккумулятор), который служит для обеспечения энергией приёмника и передатчика. В конце 90-х годов XX века были разработаны первые ИТГО-системы с пассивными метками. Такие метки не имеют в своём составе источника питания, а работают от энергии принимаемого магнитного либо электромагнитного поля считывателя. Активные метки, как правило, имеют существенно больший радиус действия, чем пассивные и более высокую стоимость.

Классификация систем радиочастотной идентификации

Предлагаемые на современном рынке КРГО-системы можно классифицировать в соответствии с принципом их работы следующим образом [4]:

• Системы с кодовым различением (СКР);

• Системы с временным различением (СВР);

• Системы с частотным различением (СЧР).

Принцип работы СКР основан на хранении идентификационного кода в ПЗУ интегральной схемы (ИС, микрочипа) метки и передачи его на считыватель через радиоинтерфейс, имеющийся в составе ИС, и антенну посредством модуляции несущей [5-8]. При конструировании активных и пассивных меток СКР используются ИС, серийно выпускаемые такими ведущими производите-

лями, как компании Atmel, Infineon, ЕМ Microelectronic Marine, NEC, Philips, STMicroelectronics, ОАО «Ангстрем» и др.

В основе работы СВР лежит использование эффекта поверхностных акустических волн (ПАВ) на пьезоэлектрической подложке [9,10]. Метка такой системы представляет собой пьезокристалл, вдоль поверхности которого возбуждается и распространяется поверхностно-акустическая волна (ПАВ). На пути ПАВ имеется последовательность рефлекторов, расположение которых задаёт идентификационный код. ПАВ частично отражается от каждого рефлектора в определённый момент времени. Сформированный таким образом отклик метки в виде серии отражённых импульсов во времени, после обратного преобразования в радиосигнал поступает в антенну и передаётся на считыватель.

Работа СЧР (иногда называемых также системами с частотным различением) основана на явлении электрического резонанса [11-14]. Транспондеры таких систем представляет собой некоторый набор резонаторов, совокупность собственных частот которых составляет рабочий диапазон системы. Здесь идентификационный код задают собственные частоты резонаторов, а отклик метки представляет собой последовательность всплесков амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

В основу настоящей диссертационной работы положены результаты научных и практических проектных разработок автора и его научного руководителя, связанные с созданием средств и систем радиочастотной идентификации объектов.

Весь материал работы базируется только на открытых публикациях в отечественной и зарубежной печати, а также в сети Internet.

Актуальность работы

В последнее время во многих сферах деятельности всё большее распространение получают системы автоматической идентификации и аутентифика-

ции, среди которых безусловным лидером являются системы радиочастотной идентификации. Тем не менее, на сегодняшний день распространённость этих систем даже на мировом уровне носит, пожалуй, достаточно локальный характер. Задача же глобализации внедрения этой технологии, например для автоматической идентификации потребительских товаров, почтовых отправлений, книг и мн. др. может быть решена, только если цена на идентификационные метки ЯРТО-систем составит менее некоторого критического значения. По разным оценкам [1-3,15] это значение оказывается в пределах от 1 до 5 центов за метку, включая стоимость её установки на товар. К тому же, с учётом тенденции к постоянному снижению этих цифр, использование многих даже самых современных разработок не может позволить добиться повсеместного внедрения КРГО-технологии. В то время как технология оптической идентификации использующая принцип штрихкодирования получила весьма широкое распро странение во всём мире.

Проведя даже поверхностный анализ современного рынка, можно с уверенностью сделать вывод о том, что оптовая стоимость предлагаемых идентификационных меток составляет значительно больше, чем указанное выше значение. Это связано, в первую очередь, с высокой стоимостью компонентов, входящих в их состав: будь то ИС для меток СКР [1-3,5-8], либо монокристалл ПАВ с напылением меток СВР [1,3,9,10]. И хотя глобальные приложения КРГО-технологии предполагают потенциальные объёмы продаж, составляющие десятки миллиардов меток ежегодно [1,15], всё-же стоимость производства кремниевого чипа или ПАВ-кристалла даже в подобных объёмах будет достаточно большой, а идентификационные метки на их основе не смогут занять существенную долю рынка средств автоматической идентификации. Можно допустить однако, что этими системами будет освоена сколь-нибудь существенная доля рынка, однако, принимая во внимание статистические данные по внедрению КРГО-систем в отдельных странах и во всём мире становится очевидно, что при подобных темпах развития потребуется достаточно долгий отрезок времени,

измеряемый, возможно, десятилетиями [1]. Ведь даже без учёта затрат на изго-

10

товление ИС или ПАВ-монокристалла нельзя упускать из внимания затраты на установку метки, минимизировать которые можно лишь нанесением метки непосредственно на упаковку товара или сам товар (так же как 95% штрих-кодов) для достижения общей стоимости менее 1-5 центов.

Новый подход к решению задачи минимизации стоимо