Датчик для идентификации конструкций, находящихся на большой глубине Российский патент 2021 года по МПК G06K19/07 H01Q1/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области датчиков для радиочастотной (RFID) идентификации заглубленных конструкций и, в частности, к датчику для RFID-идентификации, который выполнен с возможностью работы на больших глубинах.

Уровень техники

В настоящее время большими темпами растет количество объектов инфраструктур и сетей, позволяющих распределять воду, газ, электричество и телекоммуникации. Безопасность, нормативные или законодательные ограничения обуславливают необходимость в точном размещении этих заглубленных конструкций. Интерес к возможности обнаружения и/или идентификации этих элементов очевиден и были разработаны первые способы, позволяющие осуществлять обнаружение или идентификацию RFID-типа (радиочастотную идентификацию) заглубленных конструкций.

Объектом международной заявки на патент WO 2011157941, поданной 14 июня 2011 года Комиссариатом по проблемам атомной энергии и альтернативным энергоресурсам (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMATIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES), является антенна для влажной среды, которая может быть использована для реализации RFID-детектора/RFID-приемопередатчика для подземных работ. Идея этой заявки является первым значительным шагом на пути к решению проблемы допусков, связанных с внешней средой.

Принцип функционирования этой известной антенны показан на Фиг. 9: набор рамок (300t, 300d) напечатан на тонкой подложке. Верхние рамки (300t) обращены к нижним рамкам (300d). Данное расположение позволяет обеспечить распределенную емкость (380), которая оказывается весьма существенной из-за короткого расстояния между обращенными друг к другу рамками. Именно эта емкость обеспечивает возможность настройки антенны, а сегменты антенны (300t, 300d) составляют индуктивность. Реализация рамок Мебиуса и распределенная емкость (380) обеспечивают относительную невосприимчивость к изменениям, вызванным внешней средой.

Однако указанный способ остается очень чувствительным к способу производства. По существу, распределенная емкость представляет собой функцию трех прямых параметров: ширины каждого сегмента (300t) и (300d), толщины подложки между сегментами (300t) и (300d), а также выравнивание этих сегментов по отношению друг к другу. И наконец, четвертый, косвенный параметр представляет собой значение диэлектрической проницаемости указанной подложки, которое может варьироваться в зависимости от содержания влаги и температуры.

Кроме того, что касается производственных затрат, реализация указанного способа предполагает обязательное наличие подложки, с обоих сторон которой печатают металлические дорожки.

Кроме того, податель настоящей заявки на патент подал заявку на патент WO 2012/062471, в которой описано покрытие полимерной трубки с установленным на нее датчиком для идентификации или RFID-меткой.

Вообще говоря, следует учитывать, что технология беспроводной связи и бесконтактной идентификации, называемая RFID, относится, в частности, к высокочастотной области техники (в нашем примере 13,56 МГц), в которой связь по существу основана на магнитном поле.

В этом диапазоне частот расстояние считывания, как правило, составляет менее 1 метра. Кроме того, система состоит из передатчика (активной части, которая представляет собой генератор мощности) и приемопередатчика (пассивной части, принимающей электроэнергию беспроводным способом).

Как показано, соответственно, на Фиг. 1 и 2, RFID-приемопередатчик обычно содержит последовательно соединенные (Фиг. 1) или параллельно соединенные (Фиг. 2) по меньшей мере три элемента, представляющие собой антенну (100), чип RFID (101) и конденсатор (102).

Антенна (100) состоит из одной или более рамок, выполненных с возможностью сбора части мощности электромагнитного излучения, генерируемого RFID-передатчиком, расположенным на земле. В связи с этим антенна характеризуется минимальной площадью, позволяющей активировать чип RFID. По существу, эта поверхность соответствует восприятию приемником минимальной электромагнитной мощности в зависимости от максимальной передаваемой электрической мощности, расстояния обнаружения и требований к мощности чипа RFID. Количество рамок будет определяться минимальным напряжением активации чипа RFID.

Антенна имеет индуктивность, обозначенную . Это значение индуктивности зависит от геометрических параметров антенны. В качестве примера аппроксимация для круглой антенны, состоящей из N смежных или совмещенных рамок, имеющих радиус R и диаметр провода a, может быть представлена следующим образом:

, где

Причем ln представляет собой неперианский логарифм.

Чип RFID можно приравнять к конденсатору, обозначенному . Иллюстративное значение составляет порядка 20 пФ (20* Ф).

Устройство должно резонировать на частоте, близкой к частоте сигнала, и, как известно специалистам, уравнение для определения резонансной частоты имеет следующий вид:

, причем для Фиг. 1 (параллельное соединение) или для Фиг. 2 (последовательное соединение). соответствует настроечной емкости резонансной системы.

Если определяется геометрическими параметрами антенны, определяется системой и в качестве настроечного параметра может быть использован только . Это значение задается известной формулой

Могут быть использованы другие способы, показанные на Фиг. 3 и 4, на которых чип RFID 101 изолирован от резонансной цепи посредством ответвителя 103.

Кроме того, следует отметить, что для уменьшения влияния дрейфа частоты (дрейфа значений компонентов из-за колебаний температуры, или дисперсии из-за погрешности или из-за условий среды, в которых установлены приемопередатчики) в традиционных конструкциях используют относительно низкий показатель качества (как правило, порядка от 30 до 40). Однако чем больше увеличивается поверхность антенны и/или количество рамок, тем больше увеличивается , а показатель качества пропорционален , а последний указанный параметр увеличивают до тех пор, пока не он станет неоптимальным.

Описание новой проблемы, связанной с массовым производством RFID-меток

Как было упомянуто выше, для реализации RFID-метки для заглубленной конструкции требуется нечувствительность RFID-метки к влажной среде и эта проблема была в значительной степени решена в вышеупомянутой заявке на патент WO 2011157941.

Однако, учитывая массовое производство RFID-меток для подземных работ, новая проблема представляется критически важной для производителя. Действительно, при увеличении (т.е. увеличении поверхности или увеличении количества рамок) можно заметить, что должна уменьшаться таким образом, чтобы обеспечить поддержание резонанса в схеме на частоте . Если для одной заданной реализации при, например, , то .

Кроме того, по существу невозможно создать схему с параллельным расположением компонентов, показанную на Фиг. 1. Остается лишь возможность выполнения последовательного соединения, показанного на Фиг. 2, при котором требуется, в соответствии с формулами, которые хорошо известны специалисту, чтобы , но при этом, и все еще в соответствии с общеизвестными формулами, следует задать мост делителя напряжения, образованный . А это, в данном примере, приводит к падению напряжения на клеммах 101 приблизительно на треть и, таким образом, к снижению способности к обнаружению приемопередатчика.

Использование способа соединения, показанного на Фиг. 3 и 4 и описанного, например, в патенте США 2009/0027208, поданном 5 июля 2006 года TAGSYS, может улучшить ситуацию, но он является относительно дорогостоящим для массового производства либо из-за требуемых компонентов (а именно, требуется один дополнительный ответвитель), либо с точки зрения производства вследствие необходимости позиционирования предварительного чипа, оборудованного соединительным элементом. Кроме того, общая эффективность приемопередатчика снижается из-за присутствия ответвителя и в зависимости от его действительной эффективности.

Кроме того, было обнаружено, что ни одно из известных решений и, в частности, вышеупомянутое решение, описанное в вышеупомянутой заявке на патент WO 2011157941, не позволяет гарантировать надлежащий допуск для частоты настройки.

Это позволяет сделать вывод о том, что эта частота будет зависеть от трех различных прямых параметров: способа изготовления рамок (100, 200x) (влияние на значение индуктивности), допуска для настроечных конденсаторов (102, 202x) и, наконец, допусков для паразитных емкостей (280х, емкость 201). Четвертым параметром, косвенно, является рабочая температура, которая будет изменяться для различных значений - преимущественно емкостей - по сравнению с номинальной температурой (обычно 25°C).

Для изменений из-за температуры были проведены измерения, которые проиллюстрированы на Фиг. 8b, причем согласно наблюдениям, сдвиг частоты составляет порядка 140 кГц в диапазоне 0-40°C. Если учесть допуски для значений компонентов, то, например, изменение на 2% от номинального значения для настроечной емкости приводит к изменению резонансной частоты на 130 кГц.

И наконец, если не учитывать другие факторы (в частности, окружающую среду), можно обеспечить возможное изменение резонансной частоты минимум 270 кГц.

Раскрытие сущности изобретения

Первой целью настоящего изобретения является создание устройства для обнаружения чипа RFID, заглубленного на большую глубину - по меньшей мере до трех метров - для обнаружения и идентификации заглубленной конструкции.

Другой целью настоящего изобретения является создание устройства для обнаружения или приемопередатчика для обнаружения чипа RFID, который имеет высокий показатель качества (порядка 100), в то же время обеспечивая большой допуск по резонансной частоте, например, дрейф около 400 кГц.

Третью целью настоящего изобретения является создание приемопередатчика, имеющего низкую стоимость изготовления, который обеспечивает лучшую энергоэффективность по сравнению с другими известными решениями.

Четвертой целью настоящего изобретения является обеспечение приемопередатчика для RFID-метки, адаптированной для конструкции, предназначенной для заглубления, который содержит все компоненты, обеспечивающие прием сигнала, ретрансляцию ответного сигнала, настройку частоты, а также обработку сигнала, выполняемую чипом RFID, при этом допускается минимальное изменение резонансной частоты в 270 кГц.

Пятой целью настоящего изобретения является усовершенствование способа изготовления RFID-метки в том контексте, чтобы при достижении большего допуска по частоте настройки была создана реализация, которая обеспечивает большую гибкость как в отношении компонентов (номинальные значения компонентов, …), так и в отношении реализации проводов (компоновка, тип изоляторов, …), а также в отношении диапазона допустимых климатических условий, поскольку RFID-метка должна оставаться работоспособной в диапазоне температур 0-40°С.

Все эти цели обеспечивают с помощью настоящего изобретения, которое включает приемопередатчик для системы беспроводной связи и бесконтактной идентификации RFID-типа, выполненной с возможностью прикрепления к заглубленной полимерной трубе, причем указанный приемопередатчик содержит:

набор сегментов антенны, состоящих из электрических проводов, составляющих по меньшей мере первый и второй антенные элементы (203-1, 203-2),

печатную схему, содержащую чип RFID, содержащий по меньшей мере одну настроечную емкость 202x, а также разъем 281, обеспечивающий электрическое соединение указанных сегментов антенны;

отличающийся тем, что указанные сегменты антенны расположены рядом друг с другом, на расстоянии менее 3 мм и предпочтительно менее 1 мм, что позволяет обеспечить конденсаторы связи, способные расширить диапазон допусков по резонансной частоте RFID.

В конкретном варианте осуществления сегменты антенны концентрически размещены в одной и той же плоскости и электрически соединены с разъемом, причем два непосредственно примыкающих сегмента антенны расположены на расстоянии менее 3 мм и предпочтительно 1 мм, что позволяет обеспечить конденсаторы связи, способные расширить диапазон допусков по резонансной частоте RFID.

В другом конкретном варианте осуществления сегменты антенны накладываются плоскостями друг на друга, причем два непосредственно примыкающих сегмента антенны расположены на расстоянии менее 3 мм и предпочтительно менее 1 мм, что позволяет создать конденсаторы связи, способные расширить диапазон допусков по резонансной частоте RFID.

Предпочтительно, чтобы все сегменты антенны были расположены таким образом, чтобы образовать скрутку, позволяющую обеспечить возможности связи для расширения диапазона допуска по резонансной частоте RFID.

Предпочтительно сегменты антенны группируют по два или по три в одном и том же проводящем кабеле с двумя или тремя проводами для обеспечения линейной емкости между каждой парой сегментов антенны в диапазоне от 50 до 75 пФ/м.

Таким образом, больше нет необходимости, как в варианте, рекомендованном в вышеупомянутой заявке на патент WO 2011157941, в использовании явно выраженной подложки для изготовления антенных элементов, причем распределенная емкость, создаваемая между сегментами антенны, играет только условную роль в конечной настройке антенны, которую определяют последовательные емкости. Кроме того, теперь нет необходимости в обеспечении симметрии и способ изготовления этикетки сокращается и становится более простым и выгодным, предполагающим минимальные производственные затраты.

Описание чертежей

Другие характеристики, объекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после ознакомления с нижеприведенным описанием и чертежами, представленными исключительно в качестве примеров, не предполагающих ограничения. На прилагаемых чертежах:

На Фиг. 1 показана обычная конструкция RFID-приемопередатчика, основанная на параллельном соединении антенны, чипа RFID и конденсатора.

На Фиг. 2 показана обычная конструкция RFID-приемопередатчика, основанная на последовательном соединении антенны, чипа RFID и конденсатора.

На Фиг. 3 и 4 показаны два варианта известной архитектуры RFID-приемопередатчика, содержащего ответвитель 103 для соединения чипа RFID с резонансным элементом.

На Фиг. 5 представлена электрическая схема согласно варианту осуществления RFID-приемопередатчика, содержащего чип RFID и множество антенных элементов.

На Фиг. 6а показан вариант осуществления первой топологии сегментов антенны, которые расположены концентрически.

На Фиг. 6b показан вариант осуществления второй топологии, предполагающей наложение разных сегментов антенны вдоль оси, перпендикулярной поверхности различных сегментов антенны.

На Фиг. 6с показан вариант осуществления третьей топологии, состоящей в скручивании друг с другом разных сегментов антенны с образованием скрутки.

На Фиг. 7а показан первый вариант осуществления печатной схемы, содержащей два антенных элемента, состоящих из трех сегментов антенны.

На Фиг. 7b показан второй вариант осуществления печатной схемы, также содержащей два антенных элемента, состоящих из шести сегментов антенны.

На Фиг. 7с показано соединение первого варианта осуществления разъема по Фиг. 7а, в котором три сегмента антенны выполнены с применением единого трехпроводного кабеля.

На Фиг. 7d показано соединение второго варианта осуществления разъема по Фиг. 7b, в котором шесть сегментов антенны выполнены с применением трехпроводных кабелей.

На Фиг. 8a, 8c, 8d представлен допуск на частоту настройки, благодаря которому разность составляет менее 10 см свыше максимального расстояния обнаружения.

На Фиг. 8а показаны кривые максимального расстояния считывания в зависимости от частоты для вариантов осуществления M1 и M2.

На Фиг. 8а показана кривая максимального расстояния считывания в зависимости от частоты для варианта осуществления M4.

На Фиг. 8d показана кривая максимального расстояния считывания в зависимости от частоты для варианта осуществления M3.

На Фиг. 8b представлены результаты измерений сдвигов частоты в зависимости от изменений температуры.

На Фиг. 9 представлена блок-схема решения, рекомендованного в вышеупомянутой заявке на патент WO 2011157941.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Рассмотрим конкретный вариант осуществления RFID-приемопередатчика для создания RFID-метки для какой-либо трубы или трубы, которая предназначена для погружения под землю. Например, может быть применена полиэтиленовая труба высокой плотности, специально предназначенная для строительства трубопровода для подачи питьевой воды, распределения газа, очистки, защиты электрического кабеля и оптического волокна.

В частности, может быть рассмотрен пример полиэтиленовой многослойной трубы, предназначенной для создания подземной системы напорных труб, состоящей из труб из полиэтилена высокой плотности PE80 или PE100 в соответствии со стандартом EN1555. В частности, будет использована RFID-метка, предоставляющая информацию, касающуюся идентификации трубы, способ изготовления трубы и местоположения трубы.

Как показано на Фиг. 5, иллюстрирующей электрическую схему одного варианта осуществления согласно настоящему изобретению, RFID-приемопередатчик состоит из резонансной системы, содержащей антенну 291, состоящую из последовательно соединенных антенных элементов 203-1, 203-2, … 203-х, конденсаторы 202-1, 202-2, … 202-х, последовательно соединенных с обычным чипом RFID 201. Чип RFID представляет собой интегральную схему, выполненную с возможностью реализации способов беспроводной связи и бесконтактной идентификации, называемых обнаружением радиочастотной идентификации (RFID), которые хорошо известны специалистам в данной области техники и для краткости изложения не будут описаны далее.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 5, каждый конец антенного элемента соединен либо с конденсатором 202-1, 202-2, … 202-x, либо с электродом чипа 201 RFID.

Как правило, каждый антенный элемент состоит из одного или более отдельных электрических монтажных проводов или сегментов антенны, обозначенных общей позицией 200x (не показаны на фиг. 5), каждый из которых включает по меньшей мере одну значимую часть рамки, составляющую воспринимающий элемент. Первый сегмент антенны может, например, состоять из полурамки. Второй сегмент антенны может состоять из целой рамки. Третий сегмент антенны может состоять из рамки и половины рамки. Четвертый сегмент антенны может состоять из двух рамок и т.д.

Таким образом, на основании множества комбинаций сегментов 200x антенны можно обеспечить множество конфигураций антенных элементов 203-1, … 203-x.

Как правило, каждый сегмент 200х антенны состоит из электрического провода, изолированного или не изолированного и расположенного внутри многожильного или одножильного кабеля. Сечение провода может быть различным. Сегменты 200x антенны могут отличаться друг от друга в одном и том же варианте осуществления, как по геометрическим параметрам, так и по количеству рамок, что, таким образом, позволяет обеспечить больше различных возможных конфигураций RFID-метки.

Что касается конденсаторов 202-1, 202-2, … 202-х, показанных на Фиг. 5, следует отметить, что они могут иметь разные формы. В частности, емкость 202-x не обязательно ограничена одним элементом, а может быть выполнена в виде нескольких последовательно и/или параллельно соединенных отдельных емкостей, образуя (в соответствии с правилами из данной области техники) эквивалент уникальной возможности. Кроме того, следует отметить, что емкости 202-1, 202-2, 202-х могут иметь различные величины.

Сегменты 200х антенн, составляющие антенные элементы 203-1, 203-х, могут быть расположены на опоре в соответствии с различными вариантами осуществления, показанными на Фиг. 6а, 6b и 6с.

В частности, на Фиг. 6а показана первая топология расположения сегментов 200х антенны, которая основана на концентрическом расположении трех сегментов 200х антенны, электрически соединенных с платой 281 печатной схемы. В этой конфигурации три сегмента антенны имеют круглую форму и расположены в одной плоскости, очень близко друг к другу. Два непосредственно примыкающих друг к другу сегмента антенны расположены на расстоянии менее 3 мм и предпочтительно 1 мм для обеспечения емкости 280 связи, показанной на Фиг. 6а.

Вторая топология показана на Фиг. 6b, она предполагает наложение разных сегментов антенны - например, трех сегментов антенны - вдоль оси, перпендикулярной поверхности этих сегментов антенны. Как и в предыдущих вариантах, три сегмента антенны электрически соединены с печатной схемой или разъемом 281 и расположены очень близко друг от друга, предпочтительно на расстоянии менее 1 мм, образуя конденсаторы связи, также представленные позицией 280 на Фиг. 6b.

И наконец, на Фиг. 6с показана третья топология, в которой различные сегменты 200х антенны, составляющие антенные элементы 203-1 … 203-х, скручены друг с другом, образуя скрутку 282, которая может быть отпрессована с образованием единой оплетки 283, соединенной с печатной схемой или разъемом 281. В этой конфигурации сам факт скручивания различных сегментов антенны, составляющих антенные элементы, позволяет проиллюстрировать создание конденсаторов связи, преимущества которых будут убедительно показаны в приведенном ниже описании.

Топологии, проиллюстрированные на Фиг. 6а, 6b и 6с, являются лишь иллюстративными примерами множества возможных расположений, которые могут быть применены для реализации RFID-метки в соответствии с настоящим изобретением. Как правило, специалист в данной области техники сможет разработать комбинацию различных топологий, проиллюстрированных выше, например, две отдельные группы сегментов антенны из 3 рамок, каждая из которых выполнена в соответствии с топологией по Фиг. 6с, причем указанные две группы собраны в последовательность согласно топологии по Фиг. 6b.

Очевидно, что существует множество возможностей комбинирования различных проиллюстрированных топологий.

Далее со ссылкой на Фиг. 7a, 7b, 7c и 7d будет, в частности, описан разъем 281, который обеспечивает электрическое соединение сегментов антенны с колебательным элементом RFID-приемопередатчика.

Вообще говоря, разъем 281 выполнен с возможностью обеспечения электрического соединения различных сегментов антенны друг с другом, но также и с конденсаторами 202-1, 202-2, … 202x, а также с чипом RFID 201 для реализации резонансного элемента, электрическая схема которого показана на Фиг. 5.

В своей простейшей форме разъем может иметь вид интегральной схемы, на которой расположен чип RFID 201, а также различные конденсаторы 202-1, 202-2, … 202x.

Для упрощения в вариантах осуществления, показанных на Фиг. 7a-7d, указан один конденсатор 202x, связанный с чипом RFID, таким образом, на Фиг. 7a-7d представлена, в соответствии со схемой, показанной на Фиг. 5, схема расположения двух антенных элементов (два разделения с последовательным соединением, первое для чипа RFID и второе для конденсатора 202x).

Различные сегменты антенны электрически связаны через электроды 284 и 285, количество которых может быть любым.

Например, разъем 281 на Фиг. 7а выполнен в виде печатной схемы, содержащей набор из трех входных электродов, соответственно, 284-1, 284-2, 284-3, и трех выходных электродов, 285-1, 285-2 и 285-3 для обеспечения соответствующей связи трех сегментов 701, 702, 703 антенны, составляющих антенну 291.

Печатная плата/разъем содержит:

- первый входной электрод 284-1, второй входной электрод 284-2 и третий входной электрод 284-3, которые обеспечивают присоединение, соответственно, первого конца первого сегмента 701, первого конца второго сегмента 702 и первого конца третьего сегмента 703 антенны;

- четвертый выходной электрод 285-1, пятый выходной электрод 285-2 и шестой выходной электрод 285-3, которые обеспечивают соединение, соответственно, второго конца первого сегмента 701 антенны, второго конца второго сегмента 702 антенны и второго конца третьего сегмента 703 антенны.

Печатная схема также содержит:

- первую схему 286-3 для соединения первого входного электрода 284-1 с шестым выходным электродом 285-3 через чип RFID;

- вторую схему 286-1 для соединения второго входного электрода 284-2 с четвертым выходным электродом 285-1;

- третью схему 286-2 для соединения третьего входного электрода 284-3 с пятым выходном электродом 285-2 через конденсатор 202х.

В предпочтительном варианте осуществления, который показан на схеме на Фиг. 7с, первый, второй и третий сегменты 701, 702, 703 антенны объединены в единый трехпроводной электрический кабель, что позволяет создать емкость, распределенную между указанными сегментами антенны.

Далее со ссылкой на Фиг. 7b будет описан второй вариант осуществления печатной схемы с разъемом 281, выполненным с возможностью присоединения шести сегментов 801, 802, 803, 804, 805 и 806 антенны.

В частности, печатная схема содержит первый входной электрод 284-1, второй входной электрод 284-2, третий входной электрод 284-3, четвертый входной электрод 284-4, пятый входной электрод 284-5 и шестой входной электрод 284-6 для присоединения, соответственно, первого конца первого сегмента 801 антенны, первого конца второго сегмента 802 антенны, первого конца третьего сегмента 803 антенны, первого конца четвертого сегмента 804 антенны, первого конца пятого сегмента 805 антенны и первого конца шестого сегмента 806 антенны.

Печатная схема также содержит седьмой выходной электрод 285-1, восьмой выходной электрод 285-2, девятый выходной электрод 285-3, десятый выходной электрод 285-4, одиннадцатый выходной электрод 285-5 и двенадцатый выходной электрод 285-6 для, соответственно, присоединения второго конца первого сегмента 801 антенны, второго конца второго сегмента 802 антенны, второго конца третьего сегмента 803 антенны, второго конца четвертого сегмента 804 антенны, второго конца пятого сегмента 805 антенны и второго конца шестого сегмента 806 антенны.

Печатная схема по Фиг. 7b содержит:

- первую схему 286-7 для соединения первого входного электрода 284-1 с двенадцатым выходным электродом 285-6 через чип RFID;

- вторую схему 286-1 для соединения второго входного электрода 284-2 с седьмым выходным электродом 285-1;

- третью схему 286-2 для соединения третьего входного электрода 284-3 с восьмым выходным электродом 285-2 через конденсатор 202х;

- четвертую схему 286-3 для соединения четвертого входного электрода 284-4 с девятым выходным электродом 285-3;

- пятую схему 286-4 для соединения пятого входного электрода 284-5 с десятым выходным электродом 285-4;

- шестую схему 286-5 для соединения шестого входного электрода 284-6 с одиннадцатым выходным электродом 285-5.

Предпочтительно первый, второй и третий сегменты 801, 802 и 803 антенны объединяют в первый трехпроводной электрический кабель, а четвертый, пятый и шестой сегменты 804, 805 и 806 антенны объединяют во второй трехпроводной электрический кабель, как показано в варианте осуществления по Фиг. 7d.

Расположение сегментов (200x) антенны, реализованных в одном из вариантов осуществления (Фиг. 6a, 6b и 6c) или в любой их комбинации, обеспечивает создание емкостной связи (280) между каждой парой проводов (сегментов антенны) (200x), которая является более или менее существенной в соответствии с указанными вариантами осуществления. Распределенные конденсаторы (280) возникают либо естественным образом вследствие близости электрических проводов, либо благодаря фактической реализации конденсаторов. Кроме того, наличие наружной оболочки (отформованной) (283) может дополнительно увеличить значение распределенной емкости. Именно эта емкостная связь обеспечивает довольно значительную невосприимчивость к дисперсионным напряжениям, а также к дисперсионным воздействиям внешних сред.

Конструкция антенн предполагает размещение проводов на расстоянии от 1 до 3 мм друг от друга. В одном варианте осуществления провода сформованы в 3 группы по 3 жилы, причем для компонента . В результате этого линейная емкость (280) между тремя проводами, если рассматривать их как две группы по два провода, составляет от 50 до 75 пФ/м.

Эксплуатация и адаптация резонансной частоты, стабильность при отклонениях и изменениях

Множество сегментов 200х антенны образуют воспринимающую поверхность. Величина этой поверхности должна быть достаточной для удовлетворения требований по обеспечению питания чипа 201 RFID. Общее количество рамок, образованных из множества сегментов антенны, таково, что напряжение на чипе 201 RFID достаточно для его активации.

Настройка частоты является результатом, прежде всего, последовательного соединения индуктивности общей антенны (множества 200x), а также множества конденсаторов 202x, когда они соединены последовательно.

Однако распределенные конденсаторы 280, хотя оказывают небольшое влияние на резонансную частоту, тем не менее играют важную роль при вычислении настроечной емкости.

Но ключевая роль этих распределенных конденсаторов 280 заключается, с одной стороны, в ослаблении влияния паразитных емкостей, вносимых внешней средой, и, с другой стороны, в расширении допуска по частоте настройки, о чем свидетельствуют выполненные ранее тесты.

Рассмотрим на некоторых примерах реализации, в каком диапазоне частот настройки можно достичь уменьшения менее чем на 10 см от максимального расстояния обнаружения относительно максимального ожидаемого расстояния. Один эксперимент относится к варианту осуществления, выполненному в соответствии с идеями вышеупомянутых заявки на патент WO 2011157941 и заявки на патент США 2009/0027208; другой тест относится к варианту осуществления (M1), который ближе к настоящему изобретению, но в котором зазор между рамками намеренно установлен большим, чем рекомендованный (10 мм), а два других варианта осуществления (M2, M3) относятся к настоящему изобретению.

Описание результатов тестов

Метка M1: вариант осуществления близок к схеме, показанной на Фиг. 7с, но с промежутком между рамками 10 мм (таким образом, с очень низкой распределенной емкостью) и поверхностью 702 см².

Для реализации M1 получим:

и , таким образом

Метка M2: этот вариант осуществления соответствует Фиг. 7с и основан на трехпроводном кабеле с поверхностью 702 см²:

и , таким образом

Таким образом, достигнуто 50% улучшение в отношении допустимого диапазона между M1 и M2.

Метка M4: Вариант осуществления в соответствии с идеями вышеупомянутых заявки на патент WO2011157941 и заявки на патент США 2009/0027208 для поверхности площадью 132 см².

Была получена следующая оценка величины допустимого диапазона (Фиг. 8с):

и , таким образом

Метка M3: этот вариант осуществления соответствует Фиг. 7d, он включает два кабеля, каждый из которых состоит из трех проводов, таким образом, образуя в общей сложности две группы по три рамки и поверхность 63 см².

Определенный диапазон допуска показан на Фиг. 8d:

и , таким образом

Таким образом, достигнуто увеличение диапазона допуска более чем на 40%.

Кроме того, в этом варианте осуществления (M3) площадь антенны составляет 63 см² по сравнению с 132 см² в варианте, описанном в вышеупомянутых заявках на патент WO 2011157941 и заявке на патент США 2009/0027208, благодаря чему расстояние обнаружения увеличилось на 20 см (180 см по сравнению со 160 см). В одном варианте осуществления, который был описан выше, расстояние считывания составляло 144 см для поверхности 19,6 см². На основании кривой интерполяции (вычисленной для различных вариантов осуществления) можно оценить, что для достижения расстояния в 150 см необходима площадь 23,25 см², т.е. в 6 раз меньшая поверхность, чем в решении, рекомендованном в вышеупомянутых заявках на патент WO 2011157941 и заявке на патент США 2009/0027208.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет значительно увеличить диапазон допуска частоты настройки для одинаковой разности с максимальным расстоянием считывания. Кроме того, достигнуто повышение энергоэффективности, поскольку требуется меньшая воспринимающая поверхность по сравнению с обычными метками для такого же максимального расстояния обнаружения. Кроме того, сегменты антенны могут быть сгруппированы по два или более в одном и том же проводящем кабеле с двумя или более проводами для обеспечения линейной емкости между каждой парой сегментов антенны в диапазоне от 50 до 75 пФ/м.

Кроме того, возможно обеспечить приемопередатчик, содержащий печатную плату, содержащую разъем (281), позволяющий соединить три сегмента 701, 702, 703 антенны.

Указанный приемопередатчик может содержать средства связи для выполнения идентификации, а также определения характеристик подземных работ (даты прокладки в грунте, характера работы, характеристик материала, …). Он может быть выполнен с возможностью идентификации распределительного трубопровода для текучей среды (например, питьевой воды) или газа, защиты электрического кабеля или оптоволоконного кабеля.

Он может быть выполнен с возможностью размещения в отдельном корпусе, прикрепленном к трубе с помощью зажима, сварки или обжатия.

Изобретение относится к приемопередатчику для системы беспроводной связи и бесконтактной идентификации RFID-типа. Технический результат заключается в возможности обнаружения и идентификации заглубленной конструкции. Приемопередатчик содержит набор сегментов антенны, состоящих из электрических проводов, составляющих по меньшей мере первый и второй антенные элементы (203-1, 203-2), разъем (281), содержащий чип RFID и по меньшей мере одну настроечную емкость (202x), а также средство связи, обеспечивающее электрическое соединение указанных сегментов антенны, в котором указанные сегменты антенны расположены рядом друг с другом на расстоянии менее 3 мм, что позволяет обеспечить значения емкости связи, способные расширить диапазон допусков по резонансной частоте RFID, при этом он содержит печатную схему, содержащую разъем (281) для присоединения трех сегментов (701, 702, 703) антенны, причем указанный разъем (281) содержит первый (284-1), второй (284-2) и третий (284-3) входные электроды для присоединения, соответственно, первого конца первого (701), второго (702) и третьего (703) сегментов антенны; четвертый (285-1), пятый (285-2) и шестой (285-3) выходные электроды для присоединения второго конца указанного первого (701), второго (702) и третьего (703) сегментов антенны, а указанная печатная схема содержит первую схему (286-3) для соединения первого входного электрода (284-1) с шестым выходным электродом (285-3) через чип RFID; вторую схему (286-1) для соединения второго входного электрода (284-2) с четвертым выходным электродом (285-1); третью схему (286-2) для соединения третьего входного электрода (284-3) с пятым выходным электродом (285-2) через конденсатор (202х). 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Приемопередатчик для системы беспроводной связи и бесконтактной идентификации RFID-типа, выполненный с возможностью прикрепления к конструкции, предназначенной для заглубления, содержащий:

- набор сегментов антенны, состоящих из электрических проводов, составляющих по меньшей мере первый и второй антенные элементы (203-1, 203-2),

- разъем (281), содержащий чип RFID и по меньшей мере одну настроечную емкость (202x), а также средство связи, обеспечивающее электрическое соединение указанных сегментов антенны,

в котором указанные сегменты антенны расположены рядом друг с другом на расстоянии менее 3 мм, что позволяет обеспечить значения емкости связи, способные расширить диапазон допусков по резонансной частоте RFID,

отличающийся тем, что он содержит печатную схему, содержащую разъем (281) для присоединения трех сегментов (701, 702, 703) антенны, причем указанный разъем (281) содержит:

- первый (284-1), второй (284-2) и третий (284-3) входные электроды для присоединения, соответственно, первого конца первого (701), второго (702) и третьего (703) сегментов антенны; четвертый (285-1), пятый (285-2) и шестой (285-3) выходные электроды для присоединения второго конца указанного первого (701), второго (702) и третьего (703) сегментов антенны,

а указанная печатная схема содержит:

- первую схему (286-3) для соединения первого входного электрода (284-1) с шестым выходным электродом (285-3) через чип RFID;

- вторую схему (286-1) для соединения второго входного электрода (284-2) с четвертым выходным электродом (285-1);

- третью схему (286-2) для соединения третьего входного электрода (284-3) с пятым выходным электродом (285-2) через конденсатор (202х).

2. Приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что сегменты антенны концентрически размещены в одной и той же плоскости и электрически соединены с указанным разъемом (281), причем два непосредственно примыкающих друг к другу сегмента антенны расположены на расстоянии менее 3 мм, что позволяет обеспечить конденсаторы связи, способные расширить диапазон допусков по резонансной частоте RFID.

3. Приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что сегменты антенны накладываются плоскостями друг на друга, причем два непосредственно примыкающих сегмента антенны расположены на расстоянии менее 3 мм, что позволяет обеспечить конденсаторы связи, способные расширить диапазон допусков по резонансной частоте RFID.

4. Приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что сегменты антенны расположены с возможностью образования скрутки (282), позволяющей обеспечить возможности связи, которые обеспечивают расширение диапазона допуска по резонансной частоте RFID.

5. Приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что указанные сегменты антенны группируют по два или более в одном и том же проводящем кабеле с двумя или более проводами для обеспечения линейной емкости между каждой парой сегментов антенны в диапазоне от 50 до 75 пФ/м.

6. Приемопередатчик по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что расстояние составляет менее 1 мм.

7. Приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий сегменты (701, 702, 703) антенны объединены в единый трехпроводной кабель, что позволяет создать емкость, распределенную между указанными сегментами антенны.

8. Приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что он содержит печатную схему, содержащую разъем (281) для обеспечения соединения шести сегментов (801, 802, 803, 804, 805, 806) антенны, причем указанный разъем (281) содержит:

- первый (284-1), второй (284-2), третий (284-3), четвертый (284-4), пятый (284-5) и шестой (284-6) входные электроды для присоединения первого конца, соответственно, первого (801), второго (802), третьего (803), четвертого (804), пятого (805) и шестого (806) сегментов антенны;

- седьмой (285-1), восьмой (285-2), девятый (285-3), десятый (285-4), одиннадцатый (285-5) и двенадцатый (285-6) электроды выхода для присоединения второго конца указанных, соответственно, первого (801), второго (802), третьего (803), четвертого (804), пятого (805) и шестого (806) сегментов антенны;

отличающийся тем, что указанная печатная схема содержит:

- первую схему (286-7) для соединения первого входного электрода (284-1) с двенадцатым выходным электродом (285-6) через чип RFID;

- вторую схему (286-1) для соединения второго входного электрода (284-2) с седьмым выходным электродом (285-1);

- третью схему (286-2) для соединения третьего входного электрода (284-3) с восьмым выходным электродом (285-2) через конденсатор (202х);

- четвертую схему (286-3) для соединения четвертого входного электрода (284-4) с девятым выходным электродом (285-3);

- пятую схему (286-4) для соединения пятого входного электрода (284-5) с десятым выходным электродом (285-4);

- шестую схему (286-5) для соединения шестого входного электрода (284-6) с одиннадцатым выходным электродом (285-5).

9. Приемопередатчик по п. 8, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий сегменты (801, 802, 803) антенны объединены в первый трехпроводной электрический кабель и тем, что указанные четвертый, пятый и шестой сегменты (804, 805, 806) антенны объединены во второй трехпроводной электрический кабель.

10. Приемопередатчик по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит средства связи для выполнения идентификации, а также определения характеристик подземных работ (даты прокладки в грунте, характера работы, материала).

11. Приемопередатчик по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что его выполняют с возможностью идентификации распределительного трубопровода для текучей среды (например, питьевой воды) или газа, защиты электрического кабеля или оптоволоконного кабеля.

12. Приемопередатчик по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что его выполняют с возможностью размещения в отдельном корпусе, прикрепленном к трубе с помощью зажима, сварки или обжатия.