СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ СИСТЕМЫ МНОГОАБОНЕНТНОЙ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК G01R29/00 G01S13/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для радиочастотной идентификации объектов.

Известны способы радиочастотной идентификации, основанные на излучении радиочастотного сигнала, его приема антенной идентификационного устройства и переизлучения этим устройством радиочастотного сигнала на кратной гармонике, как это описано, например, в работе В. G. Colpitts, G. Boiteau "Harmonie radar transceiver design: miniature tags for insect tracking" IEEE Trans, on Antennas and Propagation, vol. AP-52, Issue 11, Nov. 2004 pp. 2825-2832. Однако в этом случае распознается только лишь сам факт присутствия отраженного сигнала на удвоенной частоте, и ни о какой идентификации самих объектов речь не идет.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится Способ многоабонентной радиочастотной идентификации, основанный на сдвиге частоты исходных радиочастотных колебаний и модуляции уникальным кодом переизлучаемого идентификационным устройством, называемым транспондером, радиочастотного сигнала, описанный в патенте Украины № 91937, опубл. в бюл. № 17 от 10.09.2010, заявка № а200902165, от 12.03.2009 G01R 29/08.

По этому способу радиочастотной идентификации объектов первоначально генерируют непрерывные радиочастотные колебания с частотой f. Эти колебания через антенну устройства считывания первично излучают в направлении антенны транспондера, устанавливаемого на объекте, подлежащего идентификации, где эти непрерывные радиочастотные колебания первично принимают, с помощью фазовращателя отражательного типа и низкочастотного сигнала управления, генерирующего одну из низких частот F_i, сдвигают частоту первично принятых радиочастотных колебаний, модулируют по амплитуде сигналом, представляющим собой уникальную кодовую последовательность. При этом сигнал с радиочастотой, сдвинутой на величину низкой частоты f+F_i модулированный по амплитуде уникальной кодовой последовательностью через антенну транспондера переизлучают в направлении антенны устройства считывания. Сигнал транспондера вторично принимают и смешивают с исходными радиочастотными колебаниями, выделяя комбинационную низкочастотную составляющую с частотой F_i, которую усиливают и демодулируют, выделяя тем самым уникальную кодовую последовательность, по которой осуществляют идентификацию объекта. При этом в зоне действия устройства считывания может находиться несколько транспондеров, сдвигающих одну и ту же частоту непрерывных радиочастотных колебаний f устройства считывания на свою уникальную частоту сдвига F_j, в каждом транспондере свою. При этом переизлученные несколькими транспондерами сигналы могут быть приняты, выделены, демодулированы и идентифицированы одновременно. Таким образом система осуществляет идентификацию одновременно нескольких транспондеров, находящихся в зоне действия устройства считывания.

Однако приведенный способ обладает существенным недостатком, ограничивающим область его применения. Энергетика линии связи определяется по своей сути уравнениями радиолокации. Фазовращатель, входящий в состав транспондера, вносит дополнительное затухание радиочастотного сигнала, поэтому энергия переизлученного сигнала очень мала. Дальность действия системы радиочастотной идентификации по этой причине не велика. К тому же амплитудная модуляция переизлученного радиочастотного сигнала уникальной кодовой последовательностью дополнительно ухудшает энергетику линии связи и, соответственно, дополнительно уменьшает дальность действия системы.

В основу изобретения поставлена задача увеличения дальности действия системы радиочастотной идентификации. Она решается благодаря тому, что по способу многоабонентной радиочастотной идентификации, включающему первоначальное генерирование непрерывных радиочастотных колебаний с частотой f, первичное излучение их в направлении нескольких транспондеров, одновременно находящихся в зоне действия системы радиочастотной идентификации, первичный прием этих непрерывных радиочастотных колебаний, вторичное излучение и вторичный прием трансформированных по частоте и модулированных по амплитуде радиочастотных колебаний, смешивание вторично принятых радиочастотных колебаний с исходными непрерывными радиочастотными колебаниями, выделение комбинационных низкочастотных составляющих разности исходных и трансформированных по частоте радиочастотных колебаний, при этом выделение по отдельности комбинационных низкочастотных составляющих с частотами F₁, F₂,...,F_n, одновременное демодулирование низкочастотных колебаний и получение уникальных кодовых последовательностей от различных транспондеров одновременно и производство, тем самым, идентификации нескольких объектов одновременно, отличающийся тем, что первично принятые транспондерами радиочастотные колебания подают на первый вывод управляемого фазовращателя проходного типа, для каждого транспондера в отдельности, фазовый сдвиг которого регулируют генераторами низкой частоты с частотами F₁, F₂,...,F_n, для каждого транспондера в отдельности, при этом, в каждом транспондере в первично принятые радиочастотные колебания вводят монотонно нарастающий или убывающий фазовый сдвиг от нуля до 180° за период низкочастотного сигнала управления с частотами F₁, F₂,...,F_n, при этом со второго вывода управляемого фазовращателя проходного типа радиочастотные колебания подают через фильтр верхних частот на вход однопортового усилителя радиочастотных колебаний, при этом через фильтр нижних частот на этот же вход однопортового усилителя радиочастотных колебаний подают уникальную кодовую последовательность, в каждом транспондере свою, чем модулируют по амплитуде радиочастотные колебания, после чего усиленные и модулированные по амплитуде радиочастотные колебания вновь подают на второй вывод управляемого фазовращателя проходного типа, где в радиочастотные колебания дополнительно вводят монотонно нарастающий или убывающий фазовый сдвиг от нуля до 180° за период низкочастотного сигнала управления с частотами F₁, F₂,...,F_n, для каждого транспондера в отдельности, после чего трансформированные по частоте, усиленные и модулированные по амплитуде радиочастотные колебания через первый вывод управляемого фазовращателя проходного типа подают на антенны транспондеров и вторично излучают в направлении антенны устройства считывания, причем первым транспондером вторично излучают колебания с частотой несущей f₁=f±F₁, вторым транспондером вторично излучают колебания с частотой несущей f₂=f±F₂, n-ным транспондером вторично излучают колебания с частой несущей f_n=f±F_n, причем знак плюс соответствует монотонно нарастающему фазовому сдвигу, знак минус соответствует монотонно убывающему фазовому сдвигу, возникающему за двойной проход радиочастотных колебаний через один и тот же управляемый фазовращатель проходного типа.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности усиления принимаемого и переизлучаемого транспондерами радиочастотного сигнала, что позволяет существенно повысить дальность действия системы радиочастотной идентификации.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в переизлучении транспондерами радиочастотных сигналов без дополнительного усиления, расстояние функционирования системы прототипа существенно меньше.

В предлагаемом способе увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации в первично излученные через антенну устройства считывания и первично принятые антенной каждого транспондера непрерывные радиочастотные колебания с частотой f вводят монотонно нарастающий или убывающий фазовый сдвиг, в каждом транспондере со своей скоростью, вводя тем самым в исходные непрерывные радиочастотные колебания так называемый доплеровский сдвиг частоты искусственного происхождения, разный для каждого транспондера f₁=f±F₁, f₂=f±F₂, …, f_n=f±F_n.

Фазовый сдвиг в радиочастотный сигнал вводят за два прохода радиочастотным сигналом управляемого фазовращатель проходного типа. Первый проход радиочастотного сигнала через фазовращатель обеспечивают подачей этого радиочастотного сигнала на первый вывод управляемого фазовращателя проходного типа. После первого прохода через управляемый фазовращатель проходного типа радиочастотный сигнал со второго вывода управляемого фазовращателя проходного типа через фильтр верхней частоты подают на однопортовый радиочастотный усилитель, где этот радиочастотный сигнал усиливают по амплитуде. На вход однопортового радиочастотного усилителя также через фильтр нижних частот подают уникальную кодовую последовательность и модулируют, тем самым, по амплитуде этой последовательностью радиочастотный сигнал, в каждом транспондере своей. Усиленный и модулированный уникальной кодовой последовательностью радиочастотный сигнал вновь подают на второй вывод управляемого фазовращателя проходного типа и обеспечивают второй проход радиочастотного сигнала через фазовращатель. За каждый проход через фазовращатель сдвиг фаз радиочастотного сигнала изменяется от нуля до 180° за период низкочастотного сигнала управления частотой F₁, F₂,...,F_n.

Таким образом, суммарный сдвиг фаз, вносимый управляемым фазовращателем проходного типа составит от нуля до 360°. Монотонный сдвиг по фазе радиочастотного сигнала приводит к сдвигу его частоты. После второго прохода через управляемый фазовращатель проходного типа сдвинутый по частоте, усиленный и модулированный по амплитуде радиочастотный сигнал подают на антенну транспондера и переизлучают в направлении антенны устройства считывания. Антенной устройства считывания, трансформированные по частоте, усиленные и модулированные уникальной кодовой последовательностью, непрерывные радиочастотные сигналы вторично принимают, смешивают с исходными радиочастотными колебаниями и выделяют комбинационные низкочастотные составляющие с частотами Доплера, F₁=f₁-f, F₂=f₂-f, … F_n=f_n-f. После этого выделенные низкочастотные составляющие с частотами F₁, F₂,...,F_n, демодулируют и выделяют уникальные кодовые последовательности, производя тем самым одновременную идентификацию нескольких объектов, на которых установлены транспондеры. С учетом того, что переизлученные транспондерами радиочастотные сигналы дополнительно усилены однопортовыми радиочастотными усилителями, дальность действия системы радиочастотной идентификации значительно увеличена.

Указанный способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации можно реализовать с помощью устройства приведенного на рисунке.

Устройство многоабонентной радиочастотной идентификации содержит генератор радиочастотных колебаний 1, Y-циркулятор 2, антенну считывающего устройства 3, смеситель 4, узкополосные фильтры 5, 6,..., N₁, амплитудные детекторы 7, 8,..., N₂, антенны транспондеров 9, 10,..., N₃, управляемые фазовращатели проходного типа 11, 12,..., N₄, генераторы низкой частоты 13, 14,..., N₅, фильтры верхних частот 15, 16,..., N₆, фильтры нижних частот 17, 18,..., Ν₇, однопортовые радиочастотные усилители 19, 20,..., Ν₈, генераторы уникальных кодовых последовательностей 21, 22,..., N₉.

Выход генератора радиочастотных колебаний 1 соединен с первым выводом Y-циркулятора 2, второй вывод которого соединен с антенной считывающего устройства 3, а третий вывод Y-циркулятора 2 соединен с входом смесителя 4, выход которого соединен с входами узкополосных фильтров 5, 6,..., N₁, выходы которых соединены с входами амплитудных детекторов 7, 8,..., N₂, при этом антенны транспондеров 9, 10,..., N₃ соединены с первыми сигнальными выводами управляемых фазовращателей проходного типа 11, 12,..., N₄, вторые сигнальные выводы которых соединены с входами фильтров верхних частот 15, 16,..., N₆, выходы которых соединены с выводами однопортовых радиочастотных усилителей 19, 20,..., N₈, при этом входы управления фазовращателей проходного типа 11, 12,..., N₄ соединены с выходами генераторов низкой частоты 13, 14,..., N₅, при этом выходы генераторов уникальных кодовых последовательностей 21, 22,..., N₉ соединены с входами фильтров нижних частот 17, 18,..., Ν₇, выходы которых соединены с выводами однопортовых радиочастотных усилителей 19, 20,..., N₈.

Работает устройство, реализующее способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации следующим образом. Радиочастотные колебания с начальной амплитудой U₀, частотой f и начальной фазой φ

U=U₀·e^{f·2·π·f·t+φ}

с выхода генератора радиочастотных колебаний 1 через циркулятор 2 поступают в антенну считывающего устройства 3. При этом в направлении антенн транспондеров 9, 10,..., N₃, которые располагают на объектах подлежащих идентификации, излучают электромагнитную волну.

Антеннами транспондеров 9, 10,..., N₃ радиочастотные электромагнитные волны улавливают и далее радиочастотные колебания с частотой / подают на первые сигнальные входы управляемых фазовращателей проходного типа 11, 12,..., N₄. Управляемые фазовращатели проходного типа 11, 12,..., N₄ реализуют монотонное изменение фазы радиочастотных колебаний. При этом за периоды T₁, Т₂,...Т_n низкочастотных управляющих сигналов, поступающих с выходов генераторов низкой частоты 13, 14,..., N₅ на управляющие входы фазовращателей проходного типа 11, 12,..., N₄, реализуется в управляемых фазовращателях проходного типа 11, 12,..., N₄ сдвиг фаз радиочастотных колебаний от нуля до 180°.

Со вторых сигнальных выводов управляемых фазовращателей проходного типа 11, 12,..., N₄ радиочастотные сигналы поступают на входы фильтров верхних частот 15, 16,..., N₆, которые пропускают без потерь радиочастотные сигналы в обоих направлениях: с входа на выход и, наоборот, с выхода на вход.

Далее радиочастотные сигналы поступают на выводы однопортовых радиочастотных усилителей 19, 20,..., N₈. В качестве однопортовых радиочастотных усилителей можно использовать, например, усилитель, описанный в статье А. P. Venguer, J. L. Medina, R. A. Chávez, A. Velázquez, "Low Noise One-Port Microwave Transistor Amplifier," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 33, No. 2, pp. 100-104, April 2002. Данный усилитель имеет один порт для входа и выхода одновременно и позволяет усиливать приходящий на этот порт радиочастотный сигнал, отправляя усиленный сигнал в этот же порт. Усиление этого однопортового радиочастотного усилителя можно регулировать в широких пределах подачей напряжения смещения постоянного тока на затвор полевого транзистора, на базе которого построен усилитель. Сигналы уникальных кодовых последовательностей с выходов генераторов уникальных кодовых последовательностей 21, 22,..., N₉ поступают через фильтры нижних частот 17, 18,..., Ν₇ на затворы полевых транзисторов однопортовых радиочастотных усилителей, являющихся одновременно радиочастотными выводами однопортовых радиочастотных усилителей 19, 20,..., Ν₈. Таким образом, усиленные радиочастотные сигналы оказываются модулированы уникальными кодовыми последовательностями, в каждом транспондере своей.

Усиленные и модулированные радиочастотные сигналы через фильтры верхних частот 15, 16,..., N₆ вновь поступают на вторые сигнальные выводы управляемых фазовращателей проходного типа 11, 12,..., N₄. Управляемые фазовращатели проходного типа 11, 12,..., N₄ вновь реализуют монотонное изменение фазы радиочастотных колебаний. При этом за периоды T₁, Т₂,...Т_n низкочастотных управляющих сигналов, поступающих с выходов генераторов низкой частоты 13, 14,..., N₅ на управляющие входы фазовращателей проходного типа 11, 12,..., N₄, реализуется в управляемых фазовращателях проходного типа 11, 12,..., N₄ сдвиг фаз радиочастотных колебаний от нуля до 180°. Таким образом, в управляемых фазовращателях проходного типа 11, 12,..., N₄ за периоды T₁, Т₂,...Т_n низкочастотных управляющих сигналов реализуется сдвиг фаз радиочастотных колебаний от нуля до 360° за два прохода. При этом можно говорить о смещении спектра радиочастотных колебаний на так называемые частоты Доплера

Трансформированные по частоте, усиленные и модулированные по амплитуде радиочастотные колебания, снова поступают на антенны транспондеров 9, 10,..., N₃ и излучаются далее в направлении антенны считывающего устройства 3.

Поступающие на антенну считывающего устройства 3 колебания имеют вид

где K_i(t) - уникальная кодовая последовательность; Δφ₁, Δφ₂, ..., Δφ_n - начальные фазы радиочастотных колебаний с учетом распространения радиоволн; - амплитуды радиочастотных колебаний с учетом затухания на трассе распространения радиоволн, усиления антенн, усиления однопортовых радиочастотных усилителей и коэффициентов передачи всех звеньев устройства. Для простоты представления формул коэффициенты передачи всех звеньев выбраны одинаковыми.

Антенной считывающего устройства 3 эти трансформированные по частоте, усиленные и модулированные по амплитуде радиочастотные колебания принимают. При этом принятые трансформированные, усиленные и модулированные радиочастотные колебания через третий вывод Y-циркулятора 2 поступают в смеситель 4, где получают комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных радиочастотных колебаний с частотой f и трансформированных по частоте непрерывных радиочастотных колебаний с частотами f₁=f±F₁, f₂=f±F₂, …, f_n=f±F_n. При этом эти комбинационные низкочастотные составляющие разности с частотами F₁, F₂,...,F_n выделяют узкополосными фильтрами 5, 6,..., N₁ и подают на амплитудные детекторы 7, 8,..., N₂. Таким образом, на выходах амплитудных детекторов 7, 8,..., N₂ будем иметь уникальные кодовые последовательности K_i(t), идентифицирующие каждый из объектов системы радиочастотной идентификации.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности обнаруживать транспондеры на увеличенном расстоянии действия системы радиочастотной идентификации. Система обладает повышенной энергетикой и соответственно имеет большее расстояние функционирования.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с эффективностью использования спектра системой радиочастотной идентификации. Количество уникальных кодовых последовательностей велико, оно определяется длиной кодовой последовательности K_i(t) и может достигать миллионов. Вместе с тем количество частот доплеровского сдвига выбирается в разумных пределах, оно может составлять несколько десятков или сотен. Большего числа объектов в зоне действия системы идентификации реально быть не может.

Способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации относится к области радиотехники и может быть использован при организации идентификации одновременно нескольких объектов.

Новым в способе многоабонентной радиочастотной идентификации является включение в состав транспондеров, устанавливаемых на объектах идентификации однопортовых радиочастотных усилителей и управляемых фазовращателей проходного типа.

Антеннами транспондеров радиочастотные колебания от считывающего устройства принимают и пропускают в первый раз через управляемый фазовращатель проходного типа. После этого радиочастотный сигнал усиливают однопортовым усилителем, где осуществляют его дополнительную амплитудную модуляцию уникальной кодовой последовательностью. Усиленный и модулированный радиочастотный сигнал вновь пропускают через управляемый фазовращатель проходного типа, на управляющий вход которого подают низкочастотный сигнал управления, и излучают далее через антенны транспондера. Двойной проход через фазовращатель приводит к сдвигу частоты радиочастотного сигнала.

Антенной устройства считывания трансформированные по частоте и модулированные по амплитуде радиочастотные колебания вторично принимают и смешивают с исходными радиочастотными колебаниями, в результате чего на выходе смесителя получают одновременно несколько сигналов от транспондеров, при этом выделяют эти комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных и трансформированных по частоте радиочастотных колебаний. Выделенные в каждом канале устройства считывания низкие частоты равны частотам сдвига, вносимым каждым из транспондеров, находящимся в зоне действия системы радиочастотной идентификации. Каждый из этих низкочастотных сигналов демодулируют и получают одновременно на выходе амплитудных детекторов несколько уникальных кодовых последовательностей, осуществляя тем самым идентификацию нескольких объектов одновременно.

Способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации, включающий первоначальное генерирование непрерывных радиочастотных колебаний с частотой f, первичное излучение их в направлении нескольких транспондеров, одновременно находящихся в зоне действия системы радиочастотной идентификации, первичный прием этих непрерывных радиочастотных колебаний, вторичное излучение и вторичный прием трансформированных по частоте и модулированных по амплитуде радиочастотных колебаний, смешивание вторично принятых радиочастотных колебаний с исходными непрерывными радиочастотными колебаниями, выделение комбинационных низкочастотных составляющих разности исходных и трансформированных по частоте радиочастотных колебаний, при этом выделение по отдельности комбинационных низкочастотных составляющих с частотами F₁, F₂, ..., F_n, одновременное демодулирование низкочастотных колебаний и получение уникальных кодовых последовательностей от различных транспондеров одновременно и производство, тем самым, идентификации нескольких объектов одновременно, отличающийся тем, что первично принятые транспондерами радиочастотные колебания подают на первый вывод управляемого фазовращателя проходного типа, для каждого транспондера в отдельности, фазовый сдвиг которого регулируют генераторами низкой частоты с частотами F₁, F₂, ..., F_n, для каждого транспондера в отдельности, при этом, в каждом транспондере в первично принятые радиочастотные колебания вводят монотонно нарастающий или убывающий фазовый сдвиг от нуля до 180° за период низкочастотного сигнала управления с частотами F₁, F₂, ..., F_n, при этом со второго вывода управляемого фазовращателя проходного типа радиочастотные колебания подают через фильтр верхних частот на вход однопортового усилителя радиочастотных колебаний, при этом через фильтр нижних частот на этот же вход однопортового усилителя радиочастотных колебаний подают уникальную кодовую последовательность, в каждом транспондере свою, чем модулируют по амплитуде радиочастотные колебания, после чего усиленные и модулированные по амплитуде радиочастотные колебания вновь подают на второй вывод управляемого фазовращателя проходного типа, где в радиочастотные колебания дополнительно вводят монотонно нарастающий или убывающий фазовый сдвиг от нуля до 180° за период низкочастотного сигнала управления с частотами F₁, F₂, ..., F_n, для каждого транспондера в отдельности, после чего трансформированные по частоте, усиленные и модулированные по амплитуде радиочастотные колебания через первый вывод управляемого фазовращателя проходного типа подают на антенны транспондеров и вторично излучают в направлении антенны устройства считывания, причем первым транспондером вторично излучают колебания с частотой несущей f₁=f±F₁, вторым транспондером вторично излучают колебания с частотой несущей f₂=f±F₂, иным транспондером вторично излучают колебания с частой несущей f_n=f±F_n, причем знак плюс соответствует монотонно нарастающему фазовому сдвигу, знак минус соответствует монотонно убывающему фазовому сдвигу, возникающему за двойной проход радиочастотных колебаний через один и тот же управляемый фазовращатель проходного типа.