RFID transpondéry s povrchovou akustickou vlnou

Autor: J. Culek, L. Vojtěch <vojtecl(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: RFID, Vydáno dne: 11. 10. 2006

Tento článek pojednává o pasivním transpondéru operujícím ve frekvenčním pásmu UHF (2,45 GHz). Zařízení využívá ke své činnosti zachycený radiový signál, který přeměňuje na povrchové akustické vlny.


RFID transponders and surface acoustics waves
Abstract
This work deals with passive transponder operating in band UHF (2,45 GHz). This device uses to its activity captured radio signal and changes it to surface acoustic waves.


Zařízení povrchových akustických vln (Surface Acoustic Wave - SAW) jsou speciální mikroakustické součásti. Skládají se z piezoelektrického substrátu s kovovými strukturami, jako např. interdigitální měnič (IDT), a odrazové zarážky (reflektory), nebo spojené mřížky uložené na vyleštěném povrchu. Díky piezoelektrickému jevu vybudí elektromagnetický vstupní signál mikroakustické šíření vln na povrchu substrátu. Naopak, povrchová akustická vlna vytváří rozdělení elektrického náboje v přijímacím IDT, čímž se vytvoří elektrický výstupní signál. V posledních letech byl vykonán velký pokrok v technologii SAW - bezdrátových měničích a byly získány různé druhy nových aplikací. Vývoj byl založen na novém vynálezu (provedení SAW identifikátoru - ID Tag) a jeho kombinaci s tradiční technikou SAW senzorů [3].


Princip

Činnost systému je znázorněna na obr. 1. Vysokofrekvenční elektromagnetický signál (RF) je vysílán lokálním radarovým zařízením (TRx). Malá část tohoto signálu je zachycena anténou pasivního SAW transpondéru, kde je IDT připojen k anténě. Ten následně přeměňuje přijatý signál na SAW. Mikroakustická vlna může být krátkodobě uložena a kódována. Toto ukládání může být realizováno buď zpožďovacím vedením, nebo interdigitálním měničem [6]. Kódovaný mikroakustický signál je přeměněn na elektrický signál měničem IDT a dále je přenášen anténou transpondéru k radarové jednotce (TRx). Odezva transponderu obsahuje informaci o čísle a konfiguraci kódovací struktury. Pasivní SAW transpondéry nevyžadují jinou dodávku energie než z "radaru" (TRx). Jejich anténu pak zpravidla tvoří klasický půlvlnný dipól.

rfid_01

Obr. 1 Schéma SAW systému užívajícího reflektorové zpožďovací vedení [6].


Vznik a detekce SAW interdigitálním měničem

Nejjednodušší provedení interdigitálního měniče povrchových akustických vln je znázorněno na obr. 2. Na piezoelektrické podložce jsou naneseny dvě kovové elektrody ve tvaru dvou, do sebe vsunutých, hřebenů (prstů). Nosné části elektrod jsou připojeny buď ke zdroji napětí, jde-li o buzení SAW, nebo k zatěžovací impedanci (to v případě detekce SAW). K buzení SAW dochází pouze v oblasti mezi prsty opačné polarity, to je mezi prsty, které jsou připojeny k navzájem různým elektrodám. Velikost překrytí W [2] sousedních prstů definuje aperturu měniče, která určuje šířku svazku buzené SAW.

rfid_02

Obr. 2 Interdigitální měniče: (a) měnič se stejně dlouhými a stejně vzdálenými prsty [2]

V piezoelektrickém prostředí vyvolá výchozí střídavé elektrické pole, působením převráceného piezoelektrického jevu, deformaci podložky. Ta následně, prostřednictvím přímého piezoelektrického jevu, vytváří přídavné elektrické pole časově zpožděné proti výchozímu. Složením těchto dvou polí vznikne výsledné pole s elipticky polarizovanou složkou, jež slouží k vybuzení SAW.

Detekce SAW interdigitálním měničem [2] probíhá tak, že na prstech vzniká elektrický náboj, jehož hustota je určena normálovou složkou elektrického pole SAW pod prstem měniče a tečnou složkou na povrchu prostředí mezi prsty měniče. Vodivost prstů a piezoelektrický jev způsobí, že elektrické pole v detekujícím měniči je jiné, než pole SAW na volném nebo pokoveném povrchu. Takto vyvolaná deformace elektrického pole původní SAW způsobuje, kromě dalších efektů, i odrazy SAW od prstů měniče.

K buzení, popřípadě k detekci dochází pouze v místech, kde jsou vedle sebe prsty opačné polarity. Výsledná vlna vzniká složením dílčích vln vybuzených jednotlivými dvojicemi prstů. Ty se následně sčítají nebo odečítají. K nejsilnějšímu buzení a detekci dochází tehdy, je-li vzdálenost mezi prsty opačné polarity rovna polovině vlnové délky. SAW je vyzařována měničem oběma směry. U interdigitálního měniče lze změnou jeho geometrických rozměrů (délku prstů, vzdálenost mezi prsty) měnit jeho charakteristické vlastnosti vyzařované SAW.


Konstrukční parametry

Pro návrh a pozdější realizaci zařízení TAG se uvažují parametry, které se liší dle zvoleného materiálu. Parametry používaných materiálů jsou tabelovány [1]. Mezi nejdůležitější pak patří ty, dále zmíněné. Teplotní koeficient zpoždění αT (TCD) určuje teplotní vliv na působení SAW zařízení. Koeficient elektromechanické vazby K2 je míra účinnosti daného piezoelektrika v přeměňování užitého elektrického signálu na mechanickou energii, spojenou s povrchovou akustickou vlnou. Protože hodnoty K2 jsou malé, jsou obvykle vyjádřeny v procentech. SAW rychlost v se mění s pokrytím povrchu piezoelektrika dokonale vodivou vrstvou zanedbatelné tloušťky. Dále se uvažuje i kapacita na prstový pár C0.


Struktura zařízení

Technologie Global SAW Tag je navrhována pro užití velkého množství SAW zařízení (transpondérů) v jednom sytému. Metoda modulace a celková struktura dat Tag jsou používány pro řadu navrhovaných RFID zařízení. Stávající provedení užívá strukturu základní skupiny, která kóduje 16 bité slovo a to použitím 4 reflektorů, které jsou vybrány ze 75 reflektorových intervalů. Několik skupin je umístěno v řadě, v jednom směru a to k dosažení kapacitami až 256 bitů [4].


a) Skupinová struktura dat

Global SAW Tag je založený na nové modulační metodě, která vyrovnává časově spojitou překrytou polohu pulzu modulace, spolu se současným fázovým posuvem a s mnohonásobnými pulzy na jednu skupinu dat. Obr. 3 ilustruje složení skupiny dat, která je používána jako základ stavebního bloku (pro navrhované mezinárodní standardy SAW RFID).

rfid_03

Obr. 3 Každá 16 bitová skupina má pulzy umístěné ve 4 z 75 časových intervalů [5].

Struktura skupiny dat na obrázku 3. byla navržena k vyvažování různosti systémových požadavků SAW RFID. Jako příklad lze uvést provoz v přítomnosti silných rušivých signálů, minimalizace ceny, zajištění robustní antikolize Tagů [5].


b) Celková datová struktura Tag

Struktura dat každého Tagu se skládá z 16 bitových slov, která jsou oddělena 11 prázdnými časovými intervaly. Mohou být tedy provedeny s délkou kódu 16, 32, 48 či 64 bitů, nebo dokonce výše. Obrázek 4 znázorňuje 128 bitovou “Tag platformu” [5] skládající se z 8 datových skupin.

rfid_04

Obr. 4: 128 bitová Tag platforma skládající se z 8 skupin, 75 intervaly na skupinu a 11 prázdnými intervaly mezi skupinami. Celkem 677 intervalů [5].


Využití

SAW zařízení mohou být použita nejen pro identifikaci, ale i pro měření různých fyzikálních veličin (zrychlení, teplota, tlak, moment síly, vlhkost, atd). Principem takových aplikací je působení jednotlivých fyzikálních veličin na substrát Tagu (zpravidla dochází k jeho torzi), jenž se projeví změnou rozměrových parametrů. To má pak za následek i změnu odezvy Tagu. Přesto se ale SAW Tag využívá především k identifikaci objektů ve výrobních a dodavatelských procesech, kde je sledován pohyb výrobků po celý jejich cyklus. Z důvodu vyšší ceny se SAW identifikátory využívají vícenásobně (opakovaně). Starý známý čárový kód se tak, u některých výrobků, nahrazuje nejen standardními RFID Tagy (s elektronickým mikročipem), ale též pasivními SAW Tagy. Důvodem těchto inovací je mnohonásobné zkrácení doby čtení, např. u přepravy lodních kontejnerů je časový rozdíl v zjištění druhu zboží značný. Další zajímavostí je i využití SAW Tagů v oblasti radioaktivních a jinak nebezpečných materiálů (radiace zpravidla SAW transpondér nezničí).


Závěr

Popsaný princip SAW Tagů a uvedené aplikace představují zajímavou alternativu standardním RFID transpondérům. Systémy RFID nejsou rozhodně všemohoucí. Pro každou aplikaci se tak hodí jiné provedení tagů či použití jiné RFID technologie. Minimální doba odezvy SAW (v podstatě se jedná o impulzní odezvu SAW filtru) umožňuje extrémně krátkou dobu detekce, kterou bychom jinými systémy jen stěží získali. To umožní zrychlení některých identifikačních procesů na možné minimum. Následné možnosti využití v náročných měřících procesech či vysoká odolnost ionizojícímu záření a člověku nebezpečným látkám. Všechny tyto výhody dávají technologii SAW RFID právo na život a proto o ní jistě ještě uslyšíme.


Literatura

[1] Campbell, C. K.: Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications. Academic Press:Boston, 1998. 633 p. ISBN 0-12-157340-0.
[2] Bálek, R., Košek, M., Taraba, O., Zelenka, J.: Povrchové akustické vlny. ACADEMIA, nakladatelství Československé akademie věd, Praha, 1986. 260s. ISBN 21-084-86
[3] University Chiba [online]. Wireless Passive SAW Identification Marks and Sensors. [cit 6.12.2005]. www.usl.chiba-u.ac.jp/~ken/Symp2004/PDF/1B4.PDF
[4] RF SAW [online]. A Global SAW ID Tag with Large Data Capacity – IEEE Reprint. [cit 4.6.2005]. http://www.rfsaw.com/pdfs/Global_SAW_ID_Tag_lg.pdf
[5] RF SAW [online]. Design of Global SAW RFID Tag Devices. [cit 4.6.2005]. http://www.rfsaw.com/pdfs/Design_of_Global_SAW_RFID_Tag_Devices.pdf
[6] RF SAW [online]. SG_200401_396_SAWpres. [cit 1.12.2005]. http://www.autoid.org/sc31/2004/mar/SG3_200401_396_SAWpres.ppt