Встречно-штыревой преобразователь

 

Рисунок 3.4 - Метка ПАВ (SAW), использующая поверхностные активные волны

      Антенна метки  после приема  радиосигнала от SAW – считывателя передает сигнал  к  входу  встречно- штыревого преобразователя. Этот сигнал формирует поверхностные волны,  называемые волнами Релея. Эти волны  перемещаются по подложке со скоростью 3000-4000 м/с. Часть этих волн отражается рефлекторами обратно в  встречно- штыревой преобразователь ,  другая часть поглощается  подложкой . Отраженные волны формируют уникальную структуру отраженного сигнала, определяемую количеством и расположением  рефлекторов и , тем самым , позволяющую закодировать данные метки. Эти волны  преобразуются  штыревым преобразователем в радиосигнал и передаются антенной метки назад RFID – считывателю, который декодирует принятый сигнал и формирует данные метки.

        Метки обладают несомненным преимуществом в части высокой устойчивости к эксплуатационным воздействиям (температура, радиация, электромагнитные поля и т.д.).

       Лекция 4. Антенны меток

Содержание  лекции:

         - антенны и технологий их изготовления, пассивные метки.

Цели  лекции: 

         - уточнить  характеристики  меток и антенн.

        4.1 Корпуса меток и антенны

          Размеры и форма корпуса метки в большинстве случаев определяется размерами и формой ее антенны. Производятся  также метки на гибкой основе (смарт-этикетка). Работает такая метка как привычная этикетка на клеящейся основе. Смарт-этикетка устанавливается на объекты и может использоваться в таких приложениях, как мониторинг багажа и перемещение объектов. Кроме того, метки могут встраиваться в следующие объекты:

- пластиковые карты автоматической системы расчетов;

- ключи от автомобиля и брелки для управления доступом;

- стеклянные имплантаты  для введения под кожу человека или животных;

- нерастворимые капсулы  для введения в желудок животных;

- метки, подшиваемые к этикеткам одежды.

       Антенна метки используется для извлечения  энергии, питающей метку, из сигнала ридера, и для приема-передачи данных между  меткой и ридером. Важным параметром для работы метки  является геометрия антенны. Возможны разнообразные конструкции антенн, например, дипольные  и микрополосковые.  Микрополосковая антенна в классическом варианте  (см.рисунок 4.1) состоит из прямоугольного металлического листа фольги  и пластинки, которые  прикрепляются   на подложку, например, из тефлона. Противоположная  сторона подложки покрыта металлическим веществом. По микрополоске, присоединенной  к листу фольги,  на антенну подается  энергия. Способ подвода энергии может обеспечивать  круговую или линейную поляризацию антенны.   

        Максимально  допустимая мощность антенны ограничивается  национальными и международными нормативами. Выбор конструкции антенны зависит от следующих факторов:

 -   расстояния между меткой и считывателем;

 -  жесткая ориентация метки относительно ридера;

 -  произвольная ориентация метки относительно ридера;

 -  размер и материал маркируемого объекта;

 -  скорость движения маркируемого объекта;

 -  особые условия работы (окружающей среды);

 -   поляризация антенны считывателя.                                  

       4.2 Антенна

       Конструкция и положение антенны играет существенную роль  в определении зоны действия, дальности связи  и ее надежности. Линейно- поляризованные антенны больше подходят для приложений, в которых ориентация  объекта с меткой во всех случаях постоянна, например, в автоматизированных линиях . Антенна метки устанавливается на ту же поверхность, что МС и помещается с ней в один корпус. Используемая частота  определяет конструктивные  параметры антенны метки. Низкочастотные метки имеют встроенные антенны в виде многоконтурных (несколько десятков витков) обмоток. Высокочастотные метки имеют одноконтурные обмотки (или диполь-антенны). МС  метки  может не превышать нескольких миллиметров, а размер корпуса метки  определяется размером и формой антенны.

        Варианты конфигурации антенн считывателей  могут существенно отличаться  в зависимости от вида считывателя  (стационарный или переносной).  В стационарных считывателях  может быть несколько антенн, расположенных  определенным образом, чтобы повысить качество  и увеличить дальность сигналов радиосвязи.

      Условия распространения радиосигналов и  паразитные источники  радиошума  вносят существенные ограничения на  систему RFID. Эти ограничения могут быть связаны со  следующими  явлениями и объектами:

 наличие вблизи метки воды,  наличие вблизи метки металлических предметов, наличие высокой влажности воздуха,  наличие крайне высоких или низких температур среды,  наличие вблизи электрических машин,  наличие вблизи мобильных телефонов,

         Для  изготовления  антенн НЧ  и ВЧ  меток  обычно используют очень тонкий металлический (например, медный) провод. Травление металла          (меди) применяется для изготовления антенн УВЧ  и микроволновых меток. Для этих диапазонов частот антенна может изготавливаться с помощью проводящих электрический ток чернил, содержащих никель, углерод или медь.

4.2.1  Рамочная  антенна. Индуцируемое в рамке напряжение зависит от площади, которую охватывает рамка, числа витков и частоты:

V 1→2 = jωN2 μ H1 A2 cos ψ .                                       (4.1)

       Все прочие параметры, включая пространственную ориентацию, будем считать максимизированными, а проницаемость μ – соответствующей свободному пространству. Проницаемость μ можно повысить использованием ферритового сердечника, при этом одновременно увеличивается направленность антенны. Особенно важным является соотношение между частотой ω, числом витков N и площадью A, которую охватывает петля. Для максимизации индуцируемого напряжения рамка метки должна быть согласована с площадью рамки считывателя.

     Рисунок 4.1- Базовый вариант  микрополосковой антенны (патч-антенны)

       Однако из-за существующих ограничений по размерам и стоимости материала, размеры рамки метки стремятся сделать минимальными. Следует отметить, что метки, работающие на низших частотах, на 125 кГц, например, требуют при тех же характеристиках почти в 110 раз больше витков, чем на 13,56 МГц.

      Число витков рамочной антенны также влияет на индуктивность и потери рамки. В качестве примера мы можем рассмотреть круглую рамку (прямоугольная рамка дает аналогичный результат). Индуктивность круглой рамки описывается выражением :

      L2 = μ b N2 [ln (8 b/a) – 1,75].                                             (4.2)

        Заметим также, что индуктивность возрастает с радиусом рамки или ее площадью. Сопротивление круглой рамки описывается выражением:

                                  RL2 = N2 (b/a) (ω μ / 2σ) ½ ,                                                 (4.3)

где σ – проводимость материала.

         Таким образом, влияние площади рамки и числа витков на стоимость в основном определяется видом материала. Рамочные антенны, как правило, изготавливаются в виде свернутого провода или печатной проводящей пасты. Вид рамки непосредственно определяет и ее характеристики и стоимость. От вида материала зависит индуктивность и сопротивление рамочной антенны. Для максимизации добротности Q резистивные потери должны быть минимальными, а индуктивность - максимальной. Это обеспечивает максимальное напряжение V.

         4.3 Память меток на базе ИС

         При  использовании RFID в различных приложениях память метки  может хранить идентификатор объекта. Данные  в памяти  могут обновляться, храниться и считываться. К таким данным можно отнести: перечень операций (переделов)  в результате проведения технологического процесса, конечный адрес изделия, количественные  параметры среды. Объем памяти  меток может существенно изменяться в зависимости от стоимости и физических требований. Самые дешевые МС памяти  имеют 1 разряд  памяти, такие метки не содержат индивидуальных идентификаторов и служат лишь для сигнализации о своем присутствии при попадании в электромагнитное поле, которое контролируется считывателем. Обычно объем памяти МС может  изменяться от 16 бит до сотен килобит (для некоторых активных меток).

4.3.1Электронный код изделия для метки. Схема  нумерации, позволяющая присвоить  уникальный идентификатор любому физическому объекту, это есть электронный код продукта. Формат данных, представляющий  этот код,  содержит следующие поля (см.рисунок 4.2): заголовок (обозначает номер версии электронного кода,  номер владельца(указывает на предприятие, которое использует идентификатор), Класс объекта( категория продукта), серийный номер (код экземпляра продукта).

       Если используется   96 –разрядная спецификация, то она  позволяет однозначно распознать 268 млн. компаний, каждая из которых может иметь 16 млн. классов объектов - по 68 млрд. серийных номеров в каждом.

Рисунок 4.2 - Формат нумерации электронных кодов изделия

        Лекция 5. Параметры  считывателя

Содержание  лекции:

         - считыватель и частоты сигнала связи.

Цели  лекции: 

         - уточнить  характеристики  меток.

         5.1 Считыватель

         Считыватель (ридер) (см.рисунок 5.1) позволяет считывать данные  с RFID- метки  и записывать в нее данные. Запись  параметров метки ридером  называется созданием метки. Процесс создания метки и установления связи ее с объектом  называется вводом метки в эксплуатацию. Вывод метки  из эксплуатации  означает аннулирование связи метки с отмеченным объектом и, как вариант, ее уничтожение.  При работе с пассивными или полуактивными метками считыватель обеспечивает энергией метки, попадающие в его электромагнитное поле. Дальность действия этого поля зависит, прежде всего, от размеров имеющихся антенн  у ридера и метки. Однако мощность излучаемого сигнала  ограничивается  стандартами.

5.1.1  Чтение  информации. Важнейшей задачей считывателя является  чтение данных, которые хранятся  в метке.  Для выполнения  этой операции  требуются  сложные программные продукты.

5.1.2 Запись данных.  Метки изготавливаются  крупными партиями и в памяти, в этом случае, на заводе изготовителе  не записывают  каких- либо данных.  В этом случае считыватель позволяет, например, записать индивидуальный идентификационный номер конкретного  изделия. Считыватель позволяет удалять старые и добавлять новые метки в любое время.

5.1.3  Связь с компьютером. Считыватель  также обеспечивает связь с  хост –компьютером, через последовательный порт  или  Ethernet или беспроводную сеть.

Рисунок 5.1 – Станционарные RFID-ридеры  

Терминал сбора данных со встроенным RFID ридером называется RFID терминалом. Он представляет собой защищенный микрокомпьютер со специализированным ПО и предназначен не только для взаимодействия с RFID метками, но и для обработки данных, хранения локальной базы данных и обмена данными с хост-компьютером.

          5.2 Частоты сигнала связи

        Физическая связь между считывателем и меткой осуществляется с помощью электромагнитных,  магнитных и электрических полей. Частоты электромагнитного излучения  считывателя и обратного сигнала, передаваемого меткой,   зависят от стандартов и требований закона страны  относительно диапазонов частот, а также от вида приложения. В системе RFID могут  использоваться следующие частоты:  низкие частоты, НЧ (30 - 300 КГц),  высокие частоты, ВЧ (3- 30 МГц), сверхвысокие частоты, СВЧ (300МГц – 2ГГц), микроволновое излучение (2,45–5,8 ГГц). Системы RFID, использующие частоты примерно в диапазоне от 100 кГц до 30МГЦ, работают, используя индуктивную связь. В диапазоне НЧ работают также системы, использующие электрическую связь. Микроволновые системы  RFID  применяют магнитную и емкостную связь. Разбиение  систем по диапазонам частот позволяет разграничить и дальность считывания с меток (см.рисунок 5.2). Дальность действия системы RFID  изменяется от нескольких миллиметров до 15 метров и более. Значительную роль в выборе  рабочей частоты связи для конкретного приложения играет влияние окружающих условий (близость металлов, жидкостей, влаги). Ухудшение качества работы системы может быть связано с интерференцией за счет других источников излучения  радиотелефон, СВЧ- печь.

         5.3 Хост-компьютер и программные компоненты

         Требуемые  аппаратные характеристики компьютера определяются программными приложениями (хост-приложения), которые обеспечивают выполнение цели RFID – системы.  Программные приложения - это набор требуемых или имеющихся  программных средств для реализации цели системы.

         Местами  выполнения программ могут являться как сама метка, так и считыватель, хост – компьютер (см. рисунок 5.3). Все  эти три компонента программ практически работают совместно и функционально перекрываются. Для управления данными, которые передаются от метки на считыватель  и в обратном направлении  необходимо программное обеспечение, как самого нижнего уровня, так и высшего уровня.  Кроме этих необходимых программных средств необходимы программы для борьбы с коллизиями (конфликтом данных). Эти программы используются, если диаграмма направленности считывателя  захватывает несколько меток, распознавание и отслеживание  которых  должно вестись одновременно. Например, в случае аптечного склада один считыватель должен фиксировать

Рисунок 5.2 -  Классификация систем RFID по диапазону частот и дальности считывания  меток

сотни упаковок препаратов. Борьба с коллизиями требует таких алгоритмов взаимодействия меток и считывателей, которая делает риск одновременного попадания информации от нескольких меток минимальным.

       Обмен данными может выполняться  в режиме обеспечения заданного уровня безопасности. Для обеспечения такого режима необходимы программные средства  шифрования, авторизации и подтверждения. В этом случае  обмен данными между меткой и считывателем осуществляется только после  обмена секретным кодом.

      5.3 Расстояние считываемой метки от ридера

       Систему следует проектировать таким образом, чтобы увеличение  расстояния чтения не приводило к снижению надежности чтения ниже заданного уровня. В индуктивных или емкостных системах, функционирующих в ближней зоне поля, дальность действия невысока – она достигает единиц – десятков сантиметров. Причиной тому является резкое спадание напряженности электрического (обратная кубическая зависимость) и магнитного (обратная квадратичная зависимость) полей с расстоянием в совокупности с необходимостью соблюдения строгих требований по электромагнитной совместимости (регламентов) и санитарных норм. При этом возможности увеличения дальности таких систем практически уже исчерпаны.

       Кроме положительного эффекта, увеличение дальности действия может приводить к нежелательным последствиям. Так, в частности, увеличение дальности действия приводит к расширению зоны считывания аппаратуры и может снижать ее быстродействие из-за необходимости разрешения коллизий сигналов от большого числа меток. Кроме того, могут появиться проблемы электромагнитной совместимости с другим радиоэлектронным оборудованием, например, с близко расположенными считывателями других систем RFID. Следовательно, грамотный выбор параметров, влияющих на дальность действия, может повысить эффективность функционирования систем RFID в целом.

tag – метка, base station – считыватель, oscillator – генератор, control – управление, demodulator – демодулятор, decoder – декодер, content of tag memory – содержимое памяти метки.

Рисунок 5.3 - Система радиочастотной идентификации с одной меткой

        Лекция 6.  Технические переменные и модели  сигналов

Содержание  лекции:

         - читаемость информации, энергетическое и модуляционное уравнения дальности.

Цели  лекции: 

         - оценить связь  параметров меток и аналитических характеристик системы.

        При разработке  RFID – системы необходимо учитывать целый ряд  технических переменных. Эти переменные могут оказывать разнонаправленное влияние на конечные свойства системы. Технические характеристики аппаратуры прямо или косвенно зависят от фундаментальных ограничений, а также  от конфигурации и от условий применения систем RFID. При проектировании меток и разработке стандартов очевидна  взаимосвязь между техническими характеристиками аппаратуры, ограничениями, конфигурацией системы и ее конкретным применением. 

          6.1 Технические характеристики 

 6.1.1 Читаемость.     Читаемость является важнейшей переменной, связанной с меткой и гарантирующей успешное чтение информации  метки  в конкретной рабочей среде и тем самым обеспечивающей успех или неудачу  RFID – системы. Следует учитывать следующие переменные.

6.1.1.1 Надежность чтения. Надежность чтения метки можно определить количеством успешных попыток  при многократном считывании ее ридером. Чем больше количество успешных попыток, тем выше надежность. Таким образом, высокая надежность  чтения означает, что метка с высокой вероятностью может быть прочитана,  хотя бы один раз  при определенном количестве попыток, т.е. можно программно увеличивать количество необходимых попыток чтения.

       В цифровых системах критерием качества является вероятность ошибки в одном двоичном разряде или вероятность появления ошибочных битов (bit error rate – BER). BER – это вероятность возникновения ошибки, когда  система должна принять решение о приеме одного из двух возможных сигналов. В случае модуляции ASK это сигналы высокого или низкого уровня (в системах с OOK низкий уровень равен нулю). Приемник имеет порог принятия решения, выше которого сигналы считаются сигналами высокого уровня, и ниже которого – низкого уровня. Полная вероятность ошибки (BER) является суммой вероятностей ошибки, связанной с обоими сигналами.  

      В сигналах, модулированных ASK и OOK, присутствуют только два уровня сигналов. Каким образом эти уровни представляют отдельный бит, зависит от используемого вида кодирования. Однако, независимо от вида кодирования, если ошибки сделаны в процессе определения уровня сигнала, возникнет битовая ошибка. Некоторые виды кодирования могут обнаружить такую ошибку, а другие не могут. В таком случае могут быть использованы другие методы обнаружения и исправления ошибки.

        В устройствах связи ближнего действия, особенно в пассивных системах RFID невысокой стоимости, обычно наиболее важны импульсные помехи, которые являются результатом интерференции многих других мешающих излучений. 6.1.2 Конструкция антенны метки. Этот  параметр существенно влияет  на читаемость метки. Количество вариантов изготовления антенны очень большое, но при этом антенна, отлично работающая  при определенном наборе условий, при других условиях может значительно ухудшить свои характеристики. Поэтому согласование условий работы системы (антенны) с изготовителем является необходимым условием успеха внедрения системы.

6.1.3 Плотность меток. Этот параметр регламентирует максимальное количество меток, которые могут присутствовать в рамках диаграммы направленности ридера.  Увеличение  плотности меток снижает надежность чтения.

6.1.4  Перемещение метки. Скорость движения  объекта, а, следовательно, и метки может влиять на читаемость метки, поскольку метка должна находиться в границах окна чтения в течение времени необходимого для возбуждения источника питания и микросхемы и для приема и передачи данных. Этот параметр может внести серьезные ограничения, поскольку  в системе требуется считывание информации во время обязательного перемещения в технологическом процессе.

6.1.5 Ориентация метки. Расположение метки по отношению к антенне считывателя  может играть существенную роль  в надежности работы системы. Ориентация метки зависит от типа антенны. Для линейно-поляризованной антенны  метка должна быть ориентирована  по отношению  к считывателю так, чтобы правильно располагаться в электромагнитном поле  антенны. Следовательно, если такая антенна горизонтально ориентирована, то метку также необходимо ориентировать  горизонтально, а для вертикально – ориентированной антенны метку необходимо ориентировать вертикально. Для  антенн с круговой ориентацией  ориентация метки  безразлична.

 6.1.6 Рабочая среда. Рабочая среда для каждого объекта установки RFID системы  может существенно отличаться. При этом условия эксплуатации могут оказывать существенное влияние на качество работы RFID системы. К основным  переменным, влияющим на систему, можно отнести:  радиочастотные препятствия, свойства окружающей среды, интерференция   сигналов.

6.1.6.1 Радиочастотные препятствия. Эти препятствия возникают при наличии  радионепрозрачных объектов и большого количества мобильных объектов. В окружающей среде могут быть металлические объекты, которые отражают радиоволны и способствуют уменьшению передаваемой мощности от считывателя к меткам. В среде могут присутствовать ослабляющие объекты, например, люди, радиопоглощающие жидкости, строительные материалы, которые ослабляя сигнал, могут приводить к ошибкам считывания. Наличие потока людей  может представлять существенную проблему. Влияние перечисленных факторов существенно зависит от частоты сигнала. Влияние всех этих факторов проявляется на частотах УВЧ и микроволнового диапазона и в меньшей степени в НЧ  и ВЧ  диапазонах.

          6.2 Энергетическое и модуляционное уравнения дальности

    6.2.1 Уравнения  дальности.  Рассмотрим зависимость дальности действия наиболее широко распространенного типа аппаратуры – с совмещенной приемной и передающей антенной считывателя и пассивными чиповыми метками от характеристик и параметров этой аппаратуры. Дальность действия таких систем описывается двумя уравнениями . Первое из них, так называемое «энергетическое» уравнение, характеризует прямую линию (forward line) – канал доставки энергии от считывателя к метке, необходимой для обеспечения энергопитания активных элементов чипа. Именно это уравнение, как правило, ограничивает дальность действия систем RFID с чиповыми метками:

                    RЕ = ( kE ·P ·GR ·Ae /4π S )^1/2,                                             (6.1)

где RE – энергетическая дальность считывания метки,

P – мощность генератора считывателя,

GR – коэффициент усиления антенны считывателя,

Ae и S – эффективная площадь антенны и чувствительность метки

соответственно,

kE – энергетический коэффициент.

       В отличие от известного уравнения радиосвязи в формулу (6.1) введен энергетический коэффициент kE. Этот коэффициент учитывает соотношение между мощностью сигнала, поступающей в нагрузку антенны (чип), и мощностью, которая по принципу действия технологии RFID отражается меткой и несет информацию об идентифицируемом объекте.  Чувствительность S является мощностью на выходе антенны метки, которая  гарантирует минимально необходимое энергопитание подсоединенного к антенне чипа. Второе – «модуляционное» уравнение(6.2) описывает обратную линию (reverse line), т.е. прием считывателем отраженного от метки сигнала, модулированного кодами идентификационного номера или данных метки:

   RМ = [P ·G R2 · λ2 ·Δσ / (4π)³ · SR ]^1/4 ,                                    (6.2)

где RM – модуляционная дальность считывания метки,

λ – длина электромагнитной волны сигнала,

Δσ = (σmax – σmin) - вариация ЭПР антенны метки,

SR – рабочая чувствительность приемника считывателя.

Параметры σmax и σmin являются максимальным и минимальным значениями ЭПР, которые обеспечиваются вариацией нагрузки (чипом) и модуляцией обратного рассеяния антенны метки. Специфика уравнения (6.2) состоит в том, что в технологии RFID оперируют с вариацией ЭПР. Исключение процесса модуляции ЭПР (т.е. Δσ = 0 и σmax = σ) приводит это уравнение к традиционному виду уравнения радиолокации.  Расчеты показывают, что для 100-битного номера и достоверности считывания метки 0,9999 соотношение сигнал/шум должно быть не менее 20 дБ.

        Энергетическое уравнение (6.1) характеризует максимальную дальность действия аппаратуры RFID с пассивными чиповыми метками, которая достигается при угловом и поляризационном согласовании антенн считывателя и метки, а также при согласовании импедансов антенны и чипа метки. Модуляционное уравнение (6.2) характеризует максимальную дальность действия аппаратуры RFID с полуактивными метками, у которых энергопотребление чипа обеспечивается элементом питания.

6.2.2 Зависимость дальности действия от несущей частоты. С целью лучшей ориентации системных интеграторов и конечных пользователей в процессе выбора конкретной аппаратуры целесообразно рассмотреть зависимость дальности действия систем RFID от несущей частоты или длины волны сигнала. Для этого примем два предположения: параметры P и GR считывателя будем считать фиксированными. Данное предположение позволяет сравнивать системы с равными энергетическими потенциалами и пространственными зонами считывания.

С учетом этого уравнения (6.1) и (6.2) можно записать в следующем виде:

RЕ ≈ λ (kE ·P ·GR · k1/ 4π S ) ^1/2~ λ,                                    (6.3)

RМ ≈ λ [P ·G R2 · k2/ (4π) ³· SR ] ^1/4 ~ λ .                              (6.4)

         Следовательно, при прочих равных условиях дальность действия систем

радиочастотной идентификации с пассивными и полуактивными чиповыми метками приблизительно пропорциональна длине волны сигнала. Такой вывод соответствует данным из технических характеристик аппаратуры различных производителей: в диапазоне 900 МГц дальность действия составляет 5…6 м, а в диапазоне 2,45 ГГц – 1,5…2 м, при этом соотношение длин волн этих диапазонов близко к 3. С точки зрения достижения максимальной дальности предпочтителен диапазон 433 МГц. Однако здесь для обеспечения эффективности излучения требуются слишком большие габариты антенн. По этим причинам в настоящее время наибольшее распространение находят системы RFID UHF диапазона 860 – 960 МГц.

       Лекция 7. Модели импеданса пространства и антенн

Содержание  лекции:

         - электрическое и магнитное поле, импеданс пространства и антенн.

Цели  лекции: 

         -  провести анализ   характеристик пространства и антенн с учетом границ ближней и дальней зоны.

        7.1 Ближняя и дальняя зона. Импеданс пространства и антенн

        Проанализируем свойства двух антенн, предполагая, что их максимальные размеры значительно меньше длины волны сигнала. Рассмотрим идеальный диполь, известный как диполь Герца, и малую рамку (см.рисунок 7.1). Идеальный диполь является бесконечно малым элементом, по которому протекает ток с равномерным распределением амплитуды и фазы по его длине. Малая рамка является замкнутой токовой петлей с периметром, меньшим четверти длины волны сигнала.

7.1.1 Электрическое и магнитное поля в зависимости от расстояния.    Общий подход к определению электрического и магнитного полей состоит, прежде всего, в вычислении векторного потенциала, выраженного через плотность тока. Из векторного потенциала определяется электрическое поле, а затем, соответственно, из электрического поля определяется магнитное поле.

Волновое число в свободном пространстве:

              ko = ω ( μ o εo) ^1/2 = ω /c = 2π / λo = β,                                                   (7.1)

где с – скорость света ≈ 3×10⁸ (м/с),

εo – диэлектрическая проницаемость  пространства = 8,8542×10^-12 (ф/м),

μo – магнитная проницаемость пространства, равная 4π ×10^-7 (Гн/м).

Сопротивление свободного пространства:

                                   ηo= (μo / εo) ^1/2.                                                                 (7.2)

       Поля, создаваемые идеальным диполем длиной dl, могут быть представлены  в виде :

E = −(I dl/ 4π )η₀  β²  2cos θ [(jβ r) ^-2 + (jβ r) ^-3 ] e^{- jβ r} r) −

−(I dl/ 4π )η₀ β² sin θ [(jβ r) ^-1 + (jβ r) ^-2 + (jβ r) ^-3 ] e ^{- jβ r}  θ),                            (7.3)

H = −(I dl/ 4π ) β²  sin θ [(jβ r) ^-1 + (jβ r) ^-2] e^{- jβ r}  ϕ ) .                                    (7.4)

Дополнительно рассматривая уравнения, заметим, что в ближней зоне,

где β r << 1, величина e- ^{jβ r} приближается к 1. При этом уравнения электрического и магнитного полей упрощаются:

             Enf = j(I dl/ 4π β r³)η₀ (2cosθ r) + sinθ θ  ),                                       (7.5)

               Hnf = (I dl/ 4π r² ) sinθ ϕ ) .                                                             (7.6)

Из этих уравнений видна зависимость электрического и магнитного полей от расстояния r до диполя. Когда β r << 1 (или r << λ/2π), в уравнениях (7.3) и (7.4) преобладает третья степень r. Для  таких расстояний  напряженность электрического поля убывает пропорционально 1/ r³, а напряженность магнитного поля – пропорционально 1/ r ². Эту область  будем называть ближней зоной антенны.

       Из уравнений (7.5) и (7.6) видно, что электрическое поле является мнимым, то есть сдвинутым относительно магнитного поля на λ/4 (или на 90 градусов). Это является признаком реактивности поля – энергия остается приблизительно постоянной и перераспределяется между двумя полями. Оценка вектора Пойнтинга показывает, что в этом случае отсутствует реальный поток энергии. Электрическое и магнитное поля в ближней зоне практически не связаны друг с другом и являются квазистатическими.

  7.1.2 Электрическое и магнитное поле в  ближней и дальней зонах.     Необходимо  учитывать, что электромагнитные поля действуют совершенно по-разному в ближней и дальней зонах.

a                                                                                 b

Рисунок  7.1 - a – идеальный диполь, b – малая рамка

        В ближней зоне поля являются реактивными и квазистатическими, тогда как в дальней зоне они представляют собой распространяющиеся волны. Это особенно важно применительно к системам RFID.

        Те системы, которые функционируют на низких частотах и где окружающее пространство является ближним полем, все взаимодействия осуществляются при помощи квазистатических волн.

        Системы RFID, работающие на высоких частотах, обычно относят  к дальней зоне; при этом взаимодействие осуществляется при помощи электромагнитных волн. Когда расстояние r значительно больше λ/2π , преобладает первая степень и напряженность обоих полей – электрического и магнитного – убывает пропорционально 1/ r. Будем называть эту область дальней зоной  антенны.     

        В реальности       граница между ближней и дальней зонами зависит от геометрии антенны. Точку r = λ /2π можно рассматривать в качестве стандартного  значения  границы между ближней и дальней зонами электромагнитного поля.

        Перед проведением дальнейшего анализа разницы поведения систем  RFID в ближней и дальней зонах поля необходимо  рассмотреть импедансы пространства, антенн и цепей. В общем, физическое понятие импеданс определяет соотношение между воздействием и потоком.

        В теории электромагнитных полей и волн импеданс описывает соотношение между электрическим и магнитным полями:

                                    Z = E / H.                                                    ( 7.7  )

        В антенне или электрической цепи это соотношение между

напряжением и током:

                                  Z = U / I.                                                         (  7.8)

        Независимо от области использования импеданс Z полезный параметр, способный характеризовать поведение полей и волн, излучение и реакцию антенны, а также передачу мощности между антенной, фидером и нагрузкой.

           На рисунке 7.2а представлены значения импедансов свободного пространства, идеального электрического диполя и малой рамки. Из рисунка 7а видно, что после граничной точки (λ/2π) между ближней и дальней зоной, импедансы сближаются и становятся постоянными. Также видно, что в дальней зоне модули импедансов двух различных антенн совпадают и равны импедансу свободного пространства η. Однако, в ближней зоне они различны.

         На рисунке 7.2b показано  изменение фазы импедансов двух антенн. Мы замечаем, что фазы в ближней зоне противоположны и равны ±π /2, а в дальней зоне они приближаются к 0.

Рисунок 7.2 -  а) – график модуля импедансов идеального электрического диполя и малой рамки; b) – график фазы импедансов идеального электрического диполя и малой рамки

        Антенны на своих входных зажимах имеют собственный импеданс.Реальная часть этого импеданса представляет собой комбинацию сопротивления излучения Rrad и омических потерь Rohmic , а реактивная часть X – определяет энергию, запасенную в поле антенны:

Zin = Rrad + Rohmic + j X.                                    (7.9)

Антенны небольших по сравнению с длиной волны размеров имеют малую резистивную компоненту излучения и большую реактивную компоненту. Такое соотношение компонентов приводит к неэффективности излучения. Если мы вновь обратимся к рисунку 7.2, то увидим, что малая рамка обладает большой положительной реактивной компонентой, а идеальный диполь – большой отрицательной реактивной компонентой. Положительная компонента соответствует индуктивности, а отрицательная – емкости. Это особенно важно для систем RFID, которые работают в ближней зоне. Если размеры антенны увеличиваются по сравнению с длиной волны, резистивная компонента возрастает, а реактивная – уменьшается. При длине или периметре антенны, равной половине длины волны, реактивная компонента стремится к нулю, а резистивная - достигает максимума. При таких размерах антенна является резонатором и излучает эффективно. 

        Лекция 8. Модели  связи и потерь  энергии

  Содержание  лекции:

         - cвязь и потери в ближней зоне поля.

  Цели  лекции: 

         - представить  анализ   моделей связи и потерь.

         8.1 Связь в ближней зоне поля

         Как было показано ранее, электромагнитные поля в ближней зоне являются по своей сути реактивными и квазистатическими. Электрические поля не связаны с магнитными полями и, в зависимости от типа используемой антенны, одни могут преобладать над другими. В случае идеального диполя преобладают электрические поля, в то время как в случае малой рамки доминирует магнитное поле. Связь между меткой и считывателем может быть емкостной, при использовании электрического поля, или индуктивной – при использовании магнитного поля. Среди систем RFID ближнего поля индуктивно связанные системы находят более широкое распространение, чем емкостные. Поэтому мы более подробно будем рассматривать индуктивно связанные системы.

8.1.1 Индуктивная связь.       В антеннах индуктивных систем предполагается взаимодействие посредством квазистатического магнитного поля. Эти системы по существу представляют собой трансформатор, в котором ток, протекающий по его первичной обмотке, индуцирует магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток и напряжение во вторичной обмотке (см.рисунок 8.1).  В случае RFID первичная обмотка размещена в считывателе, а вторичная – в метке.

        Небольшая рамочная антенна предпочтительнее дипольной антенны, так как в ближней зоне магнитное поле рамочной антенны значительно превышает магнитное поле дипольной антенны. Поясним различие между малой и большой рамками. Как указывалось ранее, периметр малой рамки меньше четверти длины волны. Ближнее поле и излучение в дальней зоне большой и малой рамок существенно отличаются.

         Распределение тока по периметру в большой рамке весьма неравномерно, тогда как в малой рамке оно приблизительно равномерно. Кроме того, в уравнениях поля малой рамки полагается, что расстояние от метки до рамки существенно больше ее размера, что может не всегда выполняться.

       Для того чтобы определить мощность, индуцируемую во вторичной обмотке, необходимо рассмотреть уравнения магнитного поля в ближней зоне рамочной антенны. В случае малой рамочной антенны предположим, что расстояние от метки до рамки значительно больше ее радиуса. С учетом того, что прямое вычисление уравнений для большой рамки является достаточно сложным, для подходящей аппроксимации магнитного поля используем закон Био-Савара. Закон Био-Савара непосредственно связывает магнитное поле H с распределением тока без вычисления векторного потенциала. Предполагая распределение тока в рамке из N витков равномерным, согласно закону Био-Савара получим:

                   H = (NI/4π) ∫  R*dI/ R³    .                                              (8.1)                  

                                                           с

         Когда расстояние до рамки порядка ее радиуса, при помощи последнего уравнения можно вычислить магнитное поле на оси, перпендикулярной плоскости рамки, где обеспечивается максимальная интенсивность поля, и, следовательно, максимальное расстояние считывания.

Рисунок 8.1 - Эквивалентная схема считывателя и рамки

В ближней зоне для малой рамки получим:

                          H = 0,5N1I b² (z² + b²) ^-3/2 z,                                      (8.2)

где b – радиус рамки.

Вычислив магнитное поле, мы можем определить его влияние на вторичную антенну. Для достижения максимальной мощности связи полей вторичная антенна должна перехватывать максимально возможное магнитное поле.

       8.2 Потери в ближней зоне

        Поскольку в системах RFID, функционирующих в ближней зоне, напряженность поля убывает пропорционально 1/ r2 или 1/ r³, в отличие от убывания 1/ r в дальней зоне, элементы влияния ближней зоны на сигнал относительно хорошо известны. Имеется в виду, что на небольших расстояниях можно пренебречь потерями интенсивности поля, искажениями диаграмм и влиянием пространства на другие общие характеристики системы. Индуктивные и емкостные системы ближней зоны сильно подвержены влиянию окружающих материалов и предметов – в особенности проводящих материалов.

       Индуктивные системы оперируют магнитными полями, которые чувствительны к токам. Когда достаточно большие проводящие предметы подвергаются воздействию изменяющихся во времени магнитных полей, в них индуцируются токи. Эти токи, называемые вихревыми токами, противодействуют магнитному полю, которое индуцировало их, а также приводят к омическим потерям. Вихревые токи ослабляют магнитные поля и в случае систем RFID могут расстраивать антенны и уменьшать дальность действия. Особенно чувствительными являются системы с высокой добротностью. Чтобы предотвратить вихревые токи для экранировки больших проводников используются медно-порошковые материалы или ферриты.         Системы с емкостной связью также очень чувствительны к окружающим предметам. Так как емкостные системы осуществляют взаимосвязь при помощи электрического поля, их проблемы обусловлены искажениями разности потенциалов. Любые заземленные объекты притягивают линии электрического поля антенны и существенно изменяют конфигурацию зоны взаимодействия считывателя и метки.

         8.3 Резонанс и добротность

         Чтобы максимизировать мощность во вторичной обмотке, необходимо как в метке, так и в считывателе создать резонансные цепи LC. Резонансная частота LC – цепи:

                                       ωLC = (LC) ^-0,5.                                                 (8.3)

        В считывателе для получения максимальной напряженности поля необходимо максимизировать выходной ток. Следовательно, чтобы импеданс на резонансной частоте стремился к нулю, последовательно с катушкой индуктивности следует включить емкость.

         В метке для обеспечения питанием управляющей схемы необходимо максимизировать напряжение, поэтому, чтобы импеданс на резонансной частоте стремился к бесконечности, емкость следует включить параллельно катушке индуктивности. Так как обмотка, соединительные цепи и другие компоненты имеют резистивные составляющие, то считыватель и метка имеют конечную добротность Q. Добротность Q определяется как отношение запасенной энергии к энергии диссипативных потерь или как отношение центральной частоты к полосе пропускания по уровню 3 дБ. Она может быть выражена следующим образом:

                             Q = ωL / R или Q = f0 /Δ f3dB .                          (8.4)

       Для того чтобы максимизировать Q, можно или уменьшить сопротивление, или увеличить индуктивность. Для увеличения мощности связи, Q желательно делать максимальной. Однако увеличение Q соответствует узкой полосе пропускания, которая должна быть достаточно широкой для обеспечения необходимых характеристик связи системы.

        8.4 Модуляция нагрузки

        Взаимосвязь между напряженностью магнитного поля и напряжением индукции используется как при передаче энергии и связи между считывателем и меткой, так и при связи между меткой и считывателем. Связь между меткой и считывателем обеспечивается за счет вариации импеданса метки. Изменяя этот импеданс, метка изменяет ток в первичной обмотке (антенне считывателя), что приводит к вариации магнитного поля. Эта вариация обнаруживается приемником считывателя. Метка варьирует свой импеданс за счет изменения сопротивления или емкости; соответственно реализуется или омическая или емкостная модуляция нагрузки. При омической модуляции резистор, параллельный нагрузке, включается либо одновременно с тактовой частотой данных, либо на другой, более высокой частоте (на поднесущей).  Параллельное включение резисторов уменьшает общее сопротивление, что увеличивает ток метки. Это, в свою очередь, приводит к падению напряжения в считывателе. Таким образом, обеспечивается амплитудная модуляция сигнала.  В случае емкостной модуляции, аналогично омической модуляции, включается или выключается конденсатор, параллельный нагрузке. Эти манипуляции обнаруживаются считывателем в виде амплитудной и фазовой модуляции сигнала.

       8.4.1 Напряжение в нагрузке. В случае резонансного конденсатора, включенного параллельно эквивалентному импедансу подсоединенной схемы, выражение для напряжения в метке можно упростить. Обратившись к рисунку 13, мы, прежде всего, определим ток I2 в  антенне метки в зависимости от импеданса включенных параллельно и настроенных в резонанс конденсатора и эквивалентного импеданса подсоединенной схемы и напряжение V2:

I2 = V2 (ZC2 -1 + Zeq -1) ^-1= V2 (Zeq -1 + jωC2 ),                              (8.5)

V2 = = jωN2 μ0 H1 A2 cos ψ [1 + (jωL2 + RL2) (Zeq -1 + jωC2 )] ^-1. (8.6)

       Это напряжение выделяется в нагрузке, которая подключена параллельно обмотке антенны. Ток в нагрузке можно найти простым применением закона Ома к импедансу нагрузки. Из выражения (8.6) видно, что напряжение в метке возрастает с числом витков обмотки, напряженностью магнитного поля, площадью петли и зависит от взаимной ориентации антенн. Все эти параметры определяют резонансную частоту и полосу пропускания метки. 

        Лекция 9. Емкостная связь и связь в дальней зоне поля

Содержание  лекции:

         - емкостная cвязь,  потери в дальней зоне поля.

 Цели  лекции: 

         -  представить  анализ   моделей связи.

        9.1 Емкостная связь

        В системах с емкостной связью антенны считывателя и метки создают и взаимодействуют посредством квазистатического электрического поля. В таких системах напряженность поля определяется не токами, а распределением зарядов, что и определяет интенсивность взаимодействия. Так как интенсивность взаимодействия зависит не от тока, а от накопленного заряда, проводимость в этом случае играет менее важную роль, чем в индуктивных системах. Емкостные системы, однако, более подвержены влиянию окружающих факторов. Для систем с емкостной связью из-за преобладания электрического поля наиболее подходящей антенной является проводник или плоский диполь. В том случае, когда в качестве и первичной, и вторичной антенны используется диполь, может быть найдено грубое приближение электрического поля с использованием модели идеального диполя. Причем это может быть сделано только в предположении, что расстояние между первичной и вторичной антеннами много больше их размеров. На практике, однако, такой случай не реален. Поэтому мы определим электрическое поле проволочной дипольной антенны длиной L с равномерно распределенным зарядом ρ следующим выражением:

E = (ρ /4π ε) ∫(R/ R³)d L  .                                                                     (9.1)

                                                         _L

        Изменение заряда во времени индуцирует ток во вторичной антенне. Вторичная антенна имеет собственный импеданс, образованный емкостью электродов, активным сопротивлением антенны и других элементов цепи. При этом индуцированный ток, соответствующий эквивалентному импедансу антенны и подсоединенной цепи, вызовет разность потенциалов на каждом элементе нагрузки.

9.1.1 Резонанс и модуляция нагрузки. В системах с емкостной связью, как и в системах с индуктивной связью, для обеспечения максимальной связи необходимы резонансные цепи. Так как антенна имеет собственную емкость, индуктивность включается параллельно в метке и последовательно в считывателе. Аналогично системам с индуктивной связью метка взаимодействует со считывателем при помощи вариации своего импеданса. С целью обеспечения взаимодействия и передачи энергии метке от считывателя в емкостных системах, также как и индуктивных, желательно максимизировать связь. При использовании электромагнитных волн, цель та же, но механизмы обеспечения взаимодействия совершенно различны.

        9.2 Связь в дальней зоне поля

        В беспроводных коммуникационных системах, работающих в дальней зоне поля, взаимодействие между элементами этих систем достигается за счет передачи, распространения и приема электромагнитных волн. После рассмотрения некоторых полезных свойств электромагнитных волн остановимся на параметрах, которые важны для описания излучающих свойств антенны. Затем рассмотрим передачу и прием электромагнитных волн, обращая основное внимание на мощность, которая выделяется в антенне и подключенной к ней нагрузке.

9.2.1 Параметры антенн. Мы рассматривали элементарный электрический диполь и рамочную антенну. Эти антенны характеризуются высоким реактивным сопротивлением (либо индуктивным, либо емкостным), неэффективными излучающими свойствами и сложностью согласования. Будучи удобными для работы в ближней зоне, они практически не годятся для работы в дальней зоне, где передача и особенно прием энергии должны быть эффективными. По этой причине в дальней зоне чаще всего используются резонансные антенны, характерные размеры которых соизмеримы с длиной волны излучаемого сигнала. Резонансные антенны обладают более эффективными излучающими свойствами и низкой реактивной составляющей импеданса. Наиболее часто в системах RFID используются полуволновые диполи и патчевые (микрополосковые) антенны. Электромагнитные волны, излучаемые антеннами, представляют собой суперпозицию взаимосвязанных электрического и магнитного полей.

         Интенсивность электромагнитных волн зависит от типа антенны и выходной мощности генератора и убывает с увеличением расстояния от источника.

         Угловое распределение волн определяется только антенной. Для  описания углового распределения интенсивности поля мы будем использовать диаграмму направленности антенны. Диаграмма направленности антенны определяется нормированной электрической составляющей поля. В одномерном представлении диаграмма излучения описывается следующим образом:

                            F(θ ) = Eθ / Eθ (max).                                              (9.2)

           В случае, когда необходимо учитывать фазовые соотношения, за ноль фазы обычно принимается точка максимума электрического поля.

          Антенны способны концентрировать поля в узкие пучки излучения. При этом увеличивается плотность потока мощности и дальность передачи.Направленные свойства излучения определяется только диаграммой

направленности антенны. Часто полезно, однако, описывать не только направленные свойства антенны, но и эффективность преобразования ее параллельно входной мощности в излучаемую выходную мощность. Для этого

используется термин усиление. Иногда усиление определяется как отношение интенсивности излучения в данном направлении к мощности, которая подводится к антенне. Точнее коэффициентом усиления называется отношение мощности, подводимой к эталонной антенне, к мощности, подводимой к направленной антенне, при условии получения одинаковой напряженности поля в точке приема.

9.2.2 Потери в дальней зоне и многолучевое распространение. В дальней зоне антенн излученные электромагнитные волны распространяются в окружающей среде. Напряженность поля убывает пропорционально 1/ r , что, собственно, обуславливает большую дальность взаимодействия. Следствием свободного распространения и слабого спадания интенсивности является повышенная чувствительность систем RFID в дальней зоне к отражениям, рассеянию или дифракции собственного излучения или излучения других источников.

        Потери в дальней зоне можно характеризовать крупномасштабными или мелкомасштабными неоднородностями. Крупномасштабные неоднородности проявляются в виде изменения напряженности поля на больших расстояниях. Мелкомасштабные неоднородности обычно проявляются в виде многолучевого распространения, когда волны, распространяющиеся от источника к приемнику различными путями, могут интерферировать и вызывать большие изменения интенсивности поля в точке приема. Мелкомасштабные неоднородности характеризуются быстрыми флуктуациями на небольших расстояниях. Модели крупномасштабных потерь описывают затухание мощности сигнала с расстоянием от передатчика. Они модифицируют обычный закон обратного квадрата в уравнении для свободного пространства и описывают затухание, обусловленное атмосферой и взаимодействием с материалами. Полагая затухание равным

PL (R) = (λ /4π R)ⁿ ,                                                         (9.3)

где n равно 2 для свободного пространства.

Уравнение электрического поля проволочной дипольной антенны длиной L будет представлено выражением

Pr = p Pt Gt Gr PL (R).                                                         (9.4)

Обычно используемая модель для оценки потерь распространения в пространстве внутри помещений задается логарифмической моделью :

PL(R) [дБ] = PL(Rσ) + 10 n log (R/R0) + Xσ ,                                 (9.5)

где n зависит от свойств помещений,

     Xσ – нормально распределенная переменная со стандартным отклонением σ, определенным в децибелах.

     R0 - фиксированное расстояние, на котором проводятся измерения, и обычно выбирается равным 1 метру в условиях  распространения поля внутри помещений.

        Таблица 9.1 показывает значения  n,  σ   в различных условиях распространения поля и на различных частотах. Меньшие значения σ соответствуют более точной модели.

         Явления многолучевого распространения описывают маломасштабные

фединговые модели. Многолучевое распространение на небольших расстояниях может вызывать сильные флуктуации и амплитуды и фазы, случайные частотные модуляции и временную дисперсию, обусловленную задержками. В пространстве, содержащем металлические предметы и отражающие объекты, может иметь место многолучевое распространение и интерференция сигналов.

Т а б л и ц а  9.1 - Параметры n и σ логарифмической модели потерь

распространения в пространстве внутри помещений.

Розничный магазин                   914                       2,2            8,7

Бакалейный магазин                  914                       1,8            5,2

Плотный офис                          1500                       3,0            7,0

Неплотный офис                        900                       2,4            9,6

Текстильные, химические

предприятия                              1300                      2,0            3,0

Текстильные, химические

предприятия                              4000                      2,1          7,0 – 9,7

Книжный магазин                     1300                      1,8           6,0

Металлообрабатывающие

предприятия                              1300                   1,6 – 3,3    5,8 – 6,8

Стены жилых помещений         900                       3,0           7,0

         Для описания многолучевого распространения используются различные статистические модели, а общей мерой является среднеквадратическое отклонение (СКО) задержки распространения. Здания с небольшим числом металлических фрагментов и плотной планировкой обычно имеют небольшое СКО задержки распространения в пределах от 30 до 60 нс. Большие здания с большим числом металлических фрагментов и открытыми боковыми пристройками могут иметь задержки распространения, достигающие 400 нс. Технологиями, которые позволяют минимизировать эффект многолучевого распространения, являются эквалайзирование, многоканальность и канальное кодирование. В случае RFID в считывателях используется эквалайзирование и антенная многоканальность. В метках из-за жестких ограничений размеров, сложности и стоимости такие способы не используются. 

         Лекция 10. Энергопотребление интегральных схем и направления        будущих исследований

Содержание  лекции:

         - характеристики микросхем и энергопотребление, команды, будущие исследования.

 Цели  лекции: 

         -  дать оценку  параметров, влияющих на потребляемую мощность метки,  оценить варианты команд, наметить перспективы.

         10.1 Энергопотребление интегральных схем

         Понимание важности характеристик энергопотребления интегральных схем в метке существенно не только с точки зрения проектирования самих схем, но и с точки зрения разработки протоколов связи. Кодирование, модуляция и команды могут и должны разрабатываться с учетом характеристик потребляемой мощности. Минимизация потребляемой мощности пассивной метки RFID непосредственно связана с повышением дальности считывания.

        В метке используются как аналоговые, так и цифровые элементы. Несмотря на то, что цифровых цепей зачастую больше, чем аналоговых, энергопотребление аналоговых цепей непропорционально велико. По этой причине аналоговые цепи должны проектироваться наиболее грамотно с точки зрения потребляемой мощности. Согласующие цепи антенн, входные цепи и источник питания должны разрабатываться с учетом максимального коэффициента передачи по мощности.

        Разработаны металлооксидные (MOS) устройства. Технология MOS позволила уменьшить размеры и снизить энергопотребление. Первыми появились приборы р-типа (PMOS), а затем – n-типа (NMOS). Для дальнейшего снижения потребляемой мощности были разработаны комплиментарные (CMOS) приборы, однако за счет увеличения размеров. емкости. Комплиментарные металлооксидные (CMOS) приборы являются комбинацией PMOS и NMOS приборов. При этом обеспечивается уменьшение потребляемой мощности. Транзисторы являются основным компонентом интегральных микросхем, так как они могут выступать как в роли пассивных компонентов, таких как конденсаторы и резисторы, так и в качестве активных компонентов.

         Приборы biCMOS объединили высокое быстродействие биполярной технологии с низким энергопотреблением технологии CMOS. В настоящее время на рынке полупроводниковых технологий преобладает CMOS технология и в обозримом будущем предполагается, что она сохранит существенное ценовое преимущество.

         CMOS цифровые схемы имеют наилучшие характеристики энергопотребления и вклад этих цепей в общее потребление мощности чипа очень существенен. Энергопотребление цифровых CMOS схем подразделяется на статическое и динамическое. Статической мощностью потребления называется мощность, которую потребляет схема в состоянии покоя. В идеале она равна нулю. Существуют паразитные утечки в диодах и других элементах, но в большинстве случаев ими можно пренебречь. В основном энергопотребление цифровых CMOS схем определяется динамическим потреблением.

          Динамическое энергопотребление состоит из двух составляющих: потребление  в режиме короткого замыкания и емкостное потребление. Мощность потребления короткого замыкания обусловлена кратковременным протеканием тока от источника питания на землю в момент переключения вентилей. Можно показать, что в типичных случаях эта компонента составляет около 10% от емкостной составляющей, поэтому чаще всего ее не учитывают.

         Емкостная составляющая мощности потребления обусловлена перезарядом паразитных емкостей интегральной схемы. Электронные схемы и цепи их соединений имеют множество паразитных емкостей. Энергия заряда емкости зависит от приложенного напряжения, поэтому общая мощность потребления связана с активностью и частотой переключения. Пренебрегая составляющей потребления короткого замыкания, рассмотрим формулу динамического потребления мощности:

                                       Pdyn = α f C V²,                                                          (10.1)

где α – коэффициент активности, f – скорость передачи данных, C – суммарная паразитная емкость, а V – напряжение питания.

       Коэффициент активности α представляет собой ожидаемое число ереходов от 0 к 1 за время передачи данных. Средняя скорость передачи данных f является частотой синхронизации системы. Таким образом, динамическое потребление мощности в основном определяется тремя основными параметрами: активностью переключений, емкостью и квадратом

напряжения питания. Благодаря квадратичной зависимости согласно (10.1) меньшение напряжения питания приводит к наибольшему снижению энергопотребления метки. В принципе снижение энергопотребления является очень важным системным фактором. Основная проблема при этом проявляется в том, что уменьшение напряжения питания приводит к возрастанию времени задержки метки, что снижает быстродействие системы RFID в целом. Возможно, однако, уменьшение напряжения за счет увеличения емкости и активности переключений.

         Паразитные емкости присутствуют и в элементах схемы и  в соединениях между ними. Эти емкости могут быть уменьшены за счет сокращения ширины соединительных линий, размеров элементов схем и расстояний между ними. При этом не следует забывать о краевых эффектах, которые приводят к уменьшению токов заряда емкостей, что может приводить к снижению быстродействия и, следовательно, к необходимости повышения напряжения питания.

         Третьим параметром, влияющим на потребляемую мощность, является

коэффициент активности. Скорость изменения информационных данных  f  в

сущности является частотой переключений. В синхронных системах величина f соответствует частоте синхронизации. Без учета импульсных помех  коэффициент активности α является вероятностью, с которой происходят переходы уровней в течение одного бита данных.

        Высокочастотные импульсные помехи могут привести к тому, что α превысит 1. Грамотное проектирование минимизирует такие ситуации. Можно показать, что для случайных сигналов максимальная величина коэффициента активности α равна 0,5; для простых логических вентилей она составляет от 0,4 до 0,5, а для конечных автоматов – находится в пределах от 0,08 до 0,18.         Таким образом, можно достичь снижения потребляемой мощности за счет уменьшения величины перечисленных параметров. Другой способ снижения мощности состоит в параллельном выполнении определенных функций схемы. Это может привести к увеличению ее площади, но в итоге позволить улучшить характеристики при сниженном напряжении. Другой практический способ состоит в отказе от бесполезных энергозатрат, таких как работа синхронизирующего генератора во время пассивного состояния аппаратуры или отказ от ее избыточных характеристик. Возможно, также использование энергосберегающих CMOS элементов, способных сохранять энергию, которая обычно рассеивается в виде тепла.

        10.2  Команды

        С точки зрения протоколов и команд существует два основных класса систем RFID: метка говорит (передает данные) первой (TTF – Tag Talk First)) и считыватель говорит (передает команды) первым (RTF – Reader Talk First)). В TTF системах метки отвечают сразу, как только обеспечиваются энергией. В RTF системе даже при достаточной энергии метки находятся в режиме молчания. Они отвечают только по команде считывателя. Методы RTF предпочтительны в большинстве случаев, так как при этом исключается интерференция сигналов от несовместимых меток. Например, если в поле считывания находятся метки различных поставщиков, благодаря различным стартовым командам ответят метки, совместимые только со своим считывателем. В TTF системе, все метки ответят одновременно, а их сигналы будут интерферировать и, возможно, создавать друг другу помехи. Команды, как и антиколлизионные алгоритмы, характеризуются техническими параметрами и исполнением. Большой объем команд может обеспечивать лучшие характеристики, однако, может потребовать большего объема аппаратного обеспечения. Набор команд должен включать, по крайней мере, стартовую команду и команды, необходимые для запуска антиколлизионного алгоритма и достижения необходимых характеристик. Особенно важными характеристиками являются скорость идентификации и надежность связи. Для расширения функциональности и сферы использования могут потребоваться дополнительные команды. В любом случае для только читаемых меток предельно низкой стоимости требуется передача лишь идентификационного кода.

       10.3 Направления будущих исследований

        Мы видели, что в пассивных системах RFID, основным фактором, ограничивающим дальность, является мощность, которой располагает метка. Хотя дальность не во всех случаях является абсолютно главным фактором, тем не менее, она важна в большом числе применений. В настоящее время источником энергии метки является электромагнитное поле, излучаемое считывателем. Хотя уже известны технологии, которые извлекают энергию из окружающей среды – «энергособирающие (energy harvesting)» технологии. Эти технологии могут устранить энергетическое ограничение и увеличить дальность, тогда ограничивающим фактором дальности станет чувствительность считывателя – приемника информационного сигнала метки. В настоящее время основная работа проводится в области реализации энергособирающих технологий.

       Уже разработаны преобразователи, которые преобразуют вибрацию в электрическую энергию. Имеются образцы обуви, которая извлекает энергию при ходьбе пешком и созданы интегрированные устройства, которые преобразуют рассеянную тепловую в электрическую энергию. Метки RFID могут использовать аналогичные решения и улучшить свои параметры за счет использования окружающей рассеянной электромагнитной энергии.

        Заслуживают внимания вопросы электродинамического проектирования систем RFID для специфических условий эксплуатации. В логистических и других конкретных применениях, как правило, имеется большое число окружающих предметов. Окружающие проводящие предметы могут вызывать вариацию поля и диаграмм направленности и потому существенно влиять на технические характеристики аппаратуры.

        Проектирование антенн допускает большое разнообразие решений, поэтому здесь, конечно, необходимо проведение исследований. Несмотря на то, что к настоящему времени достигнут существенный прогресс в области разработки и оптимизации канала передачи данных, однако, в части кодирования и модуляции сигнала остается еще большое поле деятельности.

Список литературы 

1 Бхуптани М., Морадпур Ш. RFID – технологии на службе вашего бизнеса. Пер. с англ.-М.: Альпина  Бизнес Букс , 2007.- 281с.

2 Лахири С. RFID.Руководство по внедрению. Пер. с англ.-М.:КУДИЦ-ПРЕСС.2007.-312 с.

3 Шарфельд Т. Системы RFID низкой стоимости. Перевод с английского и научная редакция - С. Корнеева. -Москва. 2006.- 197 с.

Содержание 

Предисловие                                                                                         3

Лекция 1. Области применения   RFID  приложений                      4

Лекция 2. Технология   систем    RFID                                              8

Лекция 3. Параметры и структура меток                                         12

Лекция 4. Антенны меток                                                                  16

Лекция 5. Параметры  считывателя                                                  20

Лекция 6. Технические переменные и модели  сигналов               24

Лекция 7. Модели импеданса пространства и антенн                    28

Лекция 8. Модели  связи и потерь  энергии                                     32

Лекция 9. Емкостная связь и связь в дальней зоне поля                 36

Лекция 10. Энергопотребление интегральных схем и

направления будущих исследований                                                40

Сводный  план издания 2011г., поз.346

Рецензия

на конспект лекций по курсу  «ТЕХНОЛОГИЯ  РАДИОЧАСТОТНОЙ  ИДЕНТИФИКАЦИИ  (RFID)

  подготовленный профессором   каф. РТ АУЭС   Рутгайзером О.З. 

       Конспект включает 10 лекций. Содержание материала можно условно разделить на три части: В лекциях 1,2  описываются  области применения  и технология RFID. В лекциях 3,4,5  описывается устройство элементов системы и параметры RFID. В лекциях 6,7, 8, 9,10 представлены модели связи и энергопотребления  RFID.  Материал лекций, представленный в конспекте, дает достаточно полное представление  о рассматриваемой технологии беспроводной связи. Лекции представляют интересный материал для магистрантов и специалистов, работающих в данном направлении развития технических приложений.

   Учебная разработка  проф. Рутгайзера О.З.  может быть  опубликована. 

Профессор                                                                          С.В. Коньшин