ТРАНСПОНДЕР Российский патент 1999 года по МПК G01S13/00 

Изобретение предназначено для обеспечения отыскания и идентификации координатных точек на изделии, на местности или в пространстве.

Изобретение относится к области транспорта, а также может быть использовано в сельском хозяйстве, в землепользовании, в навигации, в топографии, в геодезии, в станкостроении, в космических спасательных системах и др. областях.

Известны транспондерные системы TIRIS фирм Texas Instruments (США) и Dallas Semiconductor (США) [Dallas Semiconductor/Дилер в Москве - компания "Атос Лтд." тел./факс (095)198-5500; hffp//www dalsemi.com; e-mail atac@atac. msk. ru// Металлические электронные идентификаторы в системах ограниченного доступа] , основанные на связи по радиоканалу (приемопередающее устройство и антенно-фидерные системы) между блоком считывания (базовым блоком) и транспондером (приемоответчиком) без источников питания постоянного тока для первого производителя и однопроводным интерфейсом последовательного контактного типа для второго производителя, соответственно.

Система транспондеров на базе полупроводниковых больших интегральных схем (БИС) на технологии КМОП широко распространена в мире для "Security"-целей и для банковского дела ("Банкоматы").

Такие системы не предусматривают обеспечение радиационной стойкости (РС), которая является одним из важных потребительских свойств для объектов с повышенной ядерной опасностью, в том числе хранилищ радиоактивных материалов. Цитированная выше система "TIRIS (TEXZAS INSTRUMENT REGISTRATION AND IDENTIFICATION SYSTEMS) фирмы "Texas Insturments" демонстрирует широкий класс возможностей от индивидуальных "входных" карт до ампульных и дисковых транспондеров. Однако применение в этих устройствах базовых технологий КМОП (комплементарные структуры "метал-оксид-полупроводник") позволяет утверждать об ограниченности таких систем для реализации поставленных задач. Основным элементом базового блока системы "TIRIS" является микросхема МС14553В фирмы Motorola, которая представляет собой три двоично-десятичных счетчика (BCD), переключаемых по заднему фронту синхросигнала. Микросхема МС14553В содержит транзисторные структуры технологии КМОП и совместима с другими устройствами в ТТЛ-уровнях. Чип транспондера также выполнен на основе КМОП-технологии для обеспечения минимального энергопотребления в процессе работы. Известно, что при наборе дозы облучения гамма-квантами для ряда транзисторных структур технологии КМОП возможно несколько основных процессов изменения основного критериального параметра - порогового напряжения V_th, включая процесс "супервосстановления", которые могут в дальнейшем привести к нарушению амплитудных и временных характеристик (управляемости по входам и быстродействию) микросхем.

Известны транспондеры для обнаружения и идентификации объекта в системе TEMIC американской фирмы "TEMIC Semiconductor" [Высокочастотная система идентификации // Новости электроники. - 1996. - N 2]. Высокочастотная радиосистема идентификации TEMIC представляет собой лучший из имеющихся сегодня на рынке набор законченных электронных компонентов для комплексного решения задач охраны, защиты от хищения и разграничения доступа.

Известны три варианта исполнения транспондера TEMIC, причем для каждого типа возможно более 100 миллионов комбинаций в идентификационном коде. Система состоит собственно из базового блока (ББ) и транспондера (ТП): ББ с подключенным к первой приемопередающей антенне первым антенно-фидерным органом, вход которого соединен с выходом передатчика, а выход - с одним из входов приемника, генератором частоты, подключенным одним из выводов к одному из входов передатчика, и общим источником питания функциональных узлов, транспондер с подключенным ко второй приемо-передающей антенне антенно-фидерным органом, выход и вход которого соответственно через входной и выходной устройства соединены с большой интегральной схемой (БИС) транспондера.

Схема U2270B предназначена для применения в ББ и совместима со всеми типами транспондера: с "жесткой зашивкой" информации; перепрограммируемый и капсулированный в радиопрозрачную оболочку с антенной вместе.

Кристалл транспондера ТК5530 программируется масочным способом на заводе с информационной емкостью 32, 64, 96 или 128 бит, так же как и скорость передачи данных и вид модуляции. Транспондер с аналогичными параметрами кодирования ТК5550 представляет пользователю возможность многократного перепрограммирования кодовой последовательности для простой адаптации к особым приложениям пользователя.

БИС перепрограммируемого ТП ТК5560 обеспечивает надежность на порядок выше предыдущих дополнительной защиты данных с помощью встроенного алгоритма шифрования кода с закрытым ключом, кода доступа на программирование и таблицы кодов переменной длины.

Еще одним вариантом транспондера является также масочный транспондер ТК5530GT - стеклянная капсула с собранной на подложке антенной системой и кристаллом (12х3 мм), готовая к закреплению на объекте (вплоть до вшивания под кожу).

Бесконтактное чтение на расстоянии от 2,5 до 5 м делает систему идентификации TEMIC идеальной для широкого круга приложений, от систем охраны и контроля доступа в помещениях до систем бесконтактной блокировки автомобилей.

Наиболее близким к рассматриваемому изобретению является транспондер фирмы "TEMIC SC".

На фиг. 1 показано устройство транспондера TEMIC.

Транспондер (2) принимает излученный базовым блоком (1) радиосигнал, который через подключенный к приемопередающей антенне (3) антенно-фидерный орган (4), вход и выход которого соответственно через входной (5) и выходной (6) преобразователи радиосигналов соединены с кодирующим (7) и преобразующим (8) радиочастотным устройством, с устройством перекодировки (9), а выход последнего соединен с разрядными устройствами (10) преобразующего устройства (8). Радиосигнал на частоте F1 в течение половины длительности цикла опроса сообщает энергию накопительному устройству (11), после чего активизируется устройство кодирующее (7), где формируется идентификационный код таким образом, что сигналы, соответствующие уровню логической единицы ("1"), поступают на вход преобразователя (6) на частоте F1, а сигналы, соответствующие уровню логического нуля ("0"), поступают на вход преобразователя (6) на частоте F2. Сигналы "0" отфильтровываются преобразователем (6) и не поступают на антенну (3).

При необходимости перекодировки используют дополнительный к ББ перекодировщик, который формирует в устройстве перекодировки (9) транспондера токи увеличенной по сравнению с циклом "чтение" амплитуды. Последние, воздействуя на разрядные устройства (10), устройства преобразования (7), изменяют записанный двоичный поразрядный код.

Данное устройство, хотя и позволяет обнаруживать и идентифицировать объект, область его применения ограничена:
1) относительно высокой чувствительностью к внешним электромагнитным помехам;
2) низкой стойкостью к жестким видам излучения, например, рентгеновскому.

Первое обстоятельство связано с длительностью цикла опроса в единицы секунд и наличием в транспондере высокочастотных радиотехнических устройств (фильтры), а второе - с применением полупроводниковой БИС в качестве основного элемента транспондера. Последнее обстоятельство наряду с возможностью перепрограммирования одновременно приводит к максимальной стоимости транспондера во всех системах идентификации.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение электромагнитной и радиационной стойкости и интеграция процессов кодировки и перекодировки в одном твердотельном устройстве.

Техническим результатом является перепрограммирование фиксированной идентифицирующей информации в реальном масштабе времени в подвижном или неподвижном объекте и сокращение времени обращения к транспондеру.

Указанный результат достигается тем, что в известном транспондере (фиг. 2) (2), содержащем твердотельный ретранслятор (12) с подключенным к приемопередающей антенне (3) антенно-фидерным органом (4), выход и вход которого соответственно через входной (5) и выходной (6) преобразователи радиосигналов соединены с кодирующим (16) радиочастоту устройством, твердотельный ретранслятор (12) выполнен на основе многоотводной линии задержки (МЛЗ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), с системами входных (13) и выходных (14) встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на поверхности звукопровода параллельными группами со смещением друг относительно друга в заданном порядке, все выводы которых соединены с антенной (3) напрямую через антенно-фидерный орган (4), а металлизированные проводники наиболее близкой (фиг. 3) к выходным встречно-штыревым преобразователям (13) группы выходных встречно-штыревых преобразователей (15) соединены с перекодирующим устройством, выполненным на основе двухпроводных линий электрической связи (16) и присоединенных к ним в качестве нагрузки незапитанных ("сухих") контактов (22), которые коммутируются при достижении внешними дестабилизирующими факторами критических значений.

Для тех же целей перепрограммирования в реальном масштабе времени транспондера (фиг. 4) металлизированные проводники наиболее близкой к входным встречно-штыревым преобразователям группы выходных встречно-штыревых преобразователей (15) соединены с кодирующим устройством на основе двухпроводных линий электрической связи (16) и присоединенных к ним в качестве нагрузки незапитанных ("сухих") электрических контактов (22) с параллельно подключенными к ним сопротивлениями (21), согласованными с волновыми сопротивлениями этих линий, а металлизированные проводники наиболее близкой к входным встречно-штыревым преобразователям группы выходных встречно-штыревых преобразователей (16) соединены поочередно с проводниками первичных обмоток (18) малогабаритных коаксиальных высокочастотных трансформаторов (19), согласованных по волновому сопротивлению с волновым сопротивлением полосковой двухпроводной линии (22), образованной проводникам встречно-штыревых преобразователей, второй конец первичной обмотки каждого такого трансформатора присоединен к сопротивлению внешней цепи незапитанных контактов датчиков внешних критических параметров.

Для расширения возможностей применения транспондеров (фиг. 2) (2) на основе многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, рассмотренных выше, предлагается транспондер, отличающийся тем, что общая шина последовательного интерфейса (фиг. 4) (20) соединена с входным встречно-штыревым преобразователем (13) второй линии задержки (24) на ПАВ, а выводы выходного встречно-штыревого преобразователя (14) второй линии задержки (24) соединены со второй антенной транспондера (23).

Транспондер на основе многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах целесообразно выполнить так, что первая (12) и вторая (24) линии задержки выполнены на общем звукопроводе в составе гибридного функционального модуля.

Возможность осуществления заявляемого способа подтверждается тем, что, во-первых, для реализации предлагаемого способа можно использовать широко применяемые схемотехнические наработки и имеющуюся элементную базу [см., например, "Высокочастотная система идентификации фирмы TEMIC" /НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ// М: Специалэлектроник, 1996. - N 2; "Мобильные 64-разрядные электронные ключи в виде металлической таблетки с размещением на брелке"/ М.: ОАО "ИНКОРМЕДИА", 1997. - N 1], во-вторых, для реализации заявленного способа авторами предлагается транспондер со специальной многоотводной линией задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для системы автоматического дистанционного обнаружения и идентификации объекта.

Исключение из транспондера системы обнаружения и идентификации объекта ряда конструктивных элементов и включение дополнительных конструктивных элементов и новых связей позволяет существенно повысить электромагнитную и радиационную стойкость транспондера.

Предлагаемое изобретение пояснено чертежами, на которых на фиг. 1 изображена блок-схема известного транспондера системы обнаружения и идентификации объекта; на фиг. 2 изображена блок-схема заявляемого транспондера системы обнаружения и идентификации объекта; на фиг. 3 изображена топология заявляемого транспондера с устройством перекодировки от внешних датчиков; на фиг. 4 изображена топология заявляемого транспондера с устройством перекодировки на трансформаторах.

Примечания: 1. На всех фигурах одинаковые по функциональному назначению устройства обозначены одними и теми же позициями.

Предлагаемый транспондер (фиг. 2) состоит из твердотельного ретранслятора (12), выполненного на основе многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, с системами входных (13) и выходных (14) встречно-штыревых преобразователей, расположенных на поверхности звукопровода параллельными группами со смещением друг относительно друга в заданном порядке, все выводы которых соединены с антенной (3) напрямую через антенно-фидерный орган (4), а металлизированные проводники наиболее близкой к входным встречно-штыревым преобразователям (13) группы выходных встречно-штыревых преобразователей (15) соединены с перекодирующим устройством, выполненным на основе двухпроводных линий электрической связи (16) и присоединенных к ним в качестве нагрузки незапитанных ("сухих") контактов (22), которые коммутируются при достижении внешними дестабилизирующими факторами критических значений.

Вторая реализация транспондера (2) на основе многоотводной линии задержки (12) на поверхностных акустических волнах с перекодировкой информации отличается тем, что металлизированные проводники наиболее близкой к входным встречно-штыревым преобразователям группы выходных встречно-штыревых преобразователей (15) соединены поочередно с перекодирующим устройством на основе двухпроводных линий электрической связи (16) и присоединенных к ним в качестве нагрузки незапитанных ("сухих") электрических контактов (22) с параллельно подключенными к ним сопротивлениями (21), согласованными с волновыми сопротивлениями этих линий, а между элементами этой группы ВШП (16) и двухпроводной электрической линии связи (16) включены первичные обмотки (18) малогабаритных коаксиальных высокочастотных трансформаторов (19), входные концы которых подключены к элементам группы ВШП (15), а выходные концы присоединены к сигнальным входам двухпроводных линий (16), а вторичная обмотка этих трансформаторов одним концом присоединена к внутренней поверхности корпуса коаксиальных импульсных трансформаторов, а другим концом присоединена к общей шине последовательного интерфейса (20).

Третья реализация транспондеров (2) на основе многоотводной лини задержки на поверхностных акустических волнах, рассмотренных выше, отличается тем, что шина последовательного интерфейса (20) соединена с входным встречно-штыревым преобразователем (13) второй линии задержки (24), дополнительно сформированной на поверхности общего пьезоэлектрического звукопровода, а выводы ее выходного встречно-штыревого преобразователя (14) соединены со второй антенной (23) транспондера.

В целом транспондер (2) на основе многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах целесообразно выполнить так, что первая (12) и вторая (24) акустические линии задержки выполнены на общем пьезоэлектрическом звукопроводе в составе гибридного функционального модуля.

Предлагаемый транспондер работает следующим образом.

Исходное состояние.

В исходном состоянии ретранслятор (2) находится в режиме ожидания. При этом ретранслятор (2) заранее размещается в точку пространства, координаты которой подлежат контролю.

Обнаружение и идентификация объекта.

При возникновении необходимости в обнаружении и идентификации объекта базовый блок (1) генерирует короткий зондирующий радиоимпульс заданной частоты. Это излучение индуцирует во второй приемопередающей антенне (3) переменные токи радиочастоты, которые через второй антенно-фидерный орган (4) возбуждают электрический сигнал во входном встречно-штыревом преобразователе (13), поступающий после преобразования в акустический сигнал (17) той же частоты на многоотводную дисперсионную пьезоэлектрическую линию задержки (12), имеющую "n" раздельных отводов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Временная задержка на первом отводе обычно в 2...3 раза превышает длительность сигнала опроса. Это связано с наличием множественных отражений опрашивающего импульса от находящихся в окрестности объектов. Входной встречно-штыревой преобразователь (13) после преобразования полученного сигнала возбуждает в многоотводной линии задержки (12) акустическую волну (17), которая в свою очередь по мере распространения по поверхности пьезоэлектрического звукопровода возбуждает в каждом из отводов (14) отклик-радиоимпульс. Поскольку все выходные встречно-штыревые преобразователи (14) соединены параллельно, сформированные отклики-радиоимпульсы последовательно с помощью антенно-фидерного органа (4) и приемопередающей антенны (3) излучаются в эфир и в базовый блок 91).

Для повышения информационной емкости площадь пьезоэлектрического звукопровода разбита на ряд параллельных зон, в каждой из которых при одном общем входном встречно-штыревом преобразователе (13) сформированы группы своих выходных встречно-штыревых преобразователей (14), расположенных на поверхности звукопровода со сдвигом, что позволяет избежать из взаимного влияния друг на друга. Первая группа выходных преобразователей (15) расположена с минимальным сдвигом, что обеспечивает минимальную временную задержку переизлученных сигналов и максимальную амплитуду этих сигналов.

Выводы этой группы (15) встречно-штыревых преобразователей по одному соединены с устройством перекодировки, состоящем из двухпроводных линий электрической связи (16) с присоединенными в качестве нагрузки незапитанными ("сухими") контактами управляющих устройств. Изменение состояния этих контактов приводит к изменению амплитуды формируемого этим преобразователем выходного сигнала, которое фиксируется как изменение логических "0" и "1".

Выводы группы (15) встречно-штыревых преобразователей, используемых для перекодировки, вместо двухпроводных линий (16) могут быть соединены с первичными обмотками (18) коаксиальных высокочастотных трансформаторов (19), выходные концы которых соединены, в свою очередь, с двухпроводными линиями, нагруженными на сопротивления (21), равные волновым сопротивлениям этих линий. Параллельно им подключены исполнительные контакты управляющих устройств. В качестве управляющих устройств используют датчики критических параметров дестабилизирующих внешних воздействий. Вторичные безиндуктивные обмотки коаксиальных высокочастотных трансформаторов (19) нагружены на общие входные встречно-штыревые преобразователи (13) второй дополнительной линии задержки (24) с одним выходным встречно-штыревым преобразователем (14). При наличии проводящей электрической цепи в соответствующих первичных обмотках (18) коаксиальных высокочастотных трансформаторов (19) протекающий через них ток разрядов группы ВШП (15) генерирует в общей шине интерфейса (20) импульсы напряжения со сдвигом во времени, соответствующим положению соответствующего разряда ВШП в группе преобразователей (15). Воздействуя на входной ВШП (13) дополнительной линии задержки на ПАВ (24), они возбуждают импульсы акустических сигналов (17), которые поступая на выходной ВШП (14) этой линии, вновь преобразуются в электрические сигналы и переизлучаются в дополнительную антенну (23). Таким образом, базовый блок (1) регистрирует в начале коды изменения состояний критических датчиков, а затем идентификационный код.

Основная (кодирующая) МЛЗ на ПАВ (12) транспондера (2) может быть выполнена совместно с дополнительной (24) на площади поверхности одного пьезоэлектрического звукопровода или раздельно с ним. В первом случае возможно исполнение в виде гибридно-функционального модуля (ГФМ).

Многоотводная линия задержки (12), содержащая "n" выходных отводов, обеспечивает 2ⁿ различных комбинаций. Причем в зависимости от места расположения выходного встречно-штыревого преобразователя (14) радиоимпульс отклика может иметь начальную фазу колебаний 0 град. или 180 град. Принимая во внимание то, что количество выходных встречно-штыревых преобразователей (14) может быть произвольно заданным, а каждому выходному радиоимпульсу можно дать условное обозначение, например, логической единицы для начальной фазы 0 град. или логического нуля - для 180 град., то снимаемые с выходных встречно-штыревых преобразователей (14) сигналы будут представлять собой двоичный код, жестко задаваемый конфигурацией топологии звукопровода и принадлежащий фиксированному набору соединенных или взаимно расположенных на поверхности элементов. Т. е. каждый из этих наборов фактически представляет собой транспондер, имеющий свой индивидуальный двоичный код. Данный режим работы соответствует фазовой модуляции колебаний. Кроме того, детектирование выходных радиоимпульсов позволяет преобразовать последние в видеоимпульсы, с которыми работают при амплитудной модуляции колебаний. В соответствии с вышеизложенным ретранслятор (2) может возбуждаться радиоимпульсом и формировать выходные сигналы, модулированные как по фазе, так и по амплитуде. "Старшие" информационные разряды информационного слова несут информацию о состоянии датчиков критических величин.

Использование предлагаемого изобретения позволяет:
1. Обеспечить быстрое и удобное отыскание и идентификацию различных объектов: средств передвижения в железнодорожном и автомобильном транспорте, межевых знаков, а также отдельных животных в стаде в сельском хозяйстве, отдельных судов или маяков в морском судоходстве и т.д. при возможности простой перекодировки части информационного "слова" внешними механическими устройствами.

2. Обеспечить идентификацию объектов в жестких условиях воздействия электромагнитных помех и ионизирующих излучений.

3. Обеспечивать высокую надежность работы системы отыскания и идентификации координатных точек в условиях активного негативного воздействия на систему атмосферных осадков, климатических изменений окружающей среды, а также промышленных загрязнений путем использования наиболее надежного канала связи - радиоканала.

4. Обеспечить малые габариты системы за счет компактности применяемого оборудования.

5. Обеспечить большой срок службы системы за счет использования в ретрансляторе пассивной схемы работы "запрос-ответ" и низкого энергопотребления системы.

6. Обеспечить относительную простоту и технологичность изготовления и, как следствие, низкую себестоимость оборудования.

Транспондер для обнаружения и идентификации объекта содержит твердотельный ретранслятор (12) с подключенным к приемопередающей антенне (3) антенно-фидерным органом (4), вход и выход которого соответственно через входной (5) и выходной (6) преобразователи радиосигналов соединены с кодирующим устройством (16), твердотельный ретранслятор выполнен на основе многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, с системами входных (13) и выходных (14) втречно-штыревых преобразователей, расположенных на поверхности звукопровода параллельными группами со смещением друг относительно друга в заданном порядке, все выводы которых соединены с антенной (3) напрямую через антенно-фидерный орган, а металлизированные проводники наиболее близкой к входным встречно-штыревым преобразователям (13) группы выходных встречно-штыревых преобразователей (15) соединены с перекодирующим устройством, выполненным на основе двухпроводной электрической линии связи (16) с незапитанными электрическими контактами, которые коммутируются внешними управляющими устройствами. Технический результат заключается в повышении электромагнитной и радиационной стойкости и интеграции процессов кодировки и перекодировки в одном твердотельном устройстве. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Транспондер для обнаружения и идентификации объекта, содержащий твердотельный ретранслятор, приемопередающую антенну, антенно-фидерный орган, входной и выходной преобразователи радиосигналов, кодирующее радиочастоту устройство, преобразующее устройство с формирователями разрядных логических уровней, устройство перекодировки, отличающийся тем, что твердотельный ретранслятор выполнен на основе многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, с системами входных и выходных встречно-штыревых преобразователей, расположенных на поверхности звукопровода параллельными группами со смещением друг относительно друга в заданном порядке, все выводы которых соединены с антенной напрямую через антенно-фидерный орган, а металлизированные/проводники наиболее близкой к входным встречно-штыревым преобразователям группы выходных встречно-штыревых преобразователей соединены двухпроводной электрической линией с незапитанными электрическими контактами, которые коммутируются внешними управляющими устройствами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлизированные проводники наиболее близкой к входным встречно-штыревым преобразователям группы выходных встречно-штыревых преобразователей соединены поочередно с проводниками первичных обмоток малогабаритных коаксиальных высокочастотных трансформаторов, согласованных по волновому сопротивлению с волновым сопротивлением полосковой линии, образованной проводниками встречно-штыревых преобразователей, второй конец первичной обмотки каждого такого трансформатора присоединен к согласующему резистору с параллельно подключенными незапитанными контактами внешних управляющих устройств, а вторичная обмотка этих трансформаторов одним концом присоединена к внутренней поверхности корпуса коаксиальных высокочастотных трансформаторов, а другим концом присоединена к общей шине последовательного интерфейса. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что шина последовательно интерфейса соединена с входным встречно-штыревым преобразователем второй линии задержки, а выходы выходного встречно-штыревого преобразователя этой линии соединены со второй дополнительной антенной транспондера. 4. Устройство по п. 1, или 2, или 3, отличающееся тем, что первая и вторая акустическая линии задержки выполнены на общем звукопроводе в составе гибридного функционального модуля.