Применяемый в существующих аналогах вариант построения RFID-ворот HF стандарта ISO/IEC 15693 [1] диапазона 13,56 МГц направлен на обеспечение 3D-считывания меток. Для выполнения этого требования вектор магнитного поля хотя бы в одной области зоны считывания на траектории продвижении через нее метки в любой ориентации должен быть направлен нормально к плоскости антенны метки.
В общепринятом варианте RFID-ворота аналогов состоят из двух стоек — створов ворот [2]. Одна из стоек представляет собой активную антенную систему, содержащую встроенный электронный модуль считывателя, а вторая стойка представляет собой пассивную антенную систему, аналогичную первой по геометрии, но не содержащую электронного модуля.
Антенная система каждой стойки состоит из двух антенн. Антенны каждой антенной системы выполнены в такой конфигурации, чтобы создаваемое ими магнитное поле было максимально искривлено и ассиметрично для создания условия 3D-считывания продвигающейся через ворота метки в любой ее ориентации. Внешний вид аналога представлен на рисунке 1 [3].
Рис. 1. Внешний вид аналога
Для возбуждения магнитного поля мощность частоты 13,56 МГц разводится от электронного блока активной стойки по всем четырем антеннам по согласованным кабелям. При этом необходима настройка каждой антенны как по входному сопротивлению 50 Ом, так и по минимуму КСВ. Эта процедура является достаточно сложной, как при ручной настройке, так и для осуществления автоподстройки.
Представленный в данной статье вариант построения RFID — ворот HF диапазона содержит ряд конструктивных отличий, позволивших разработать устройство, отвечающее основным требованиям, но имеющее ряд преимуществ, в том числе в части конкурентоспособности и импортозамещения.
В отличие от общепринятой в аналогах в данной конструкции применена альтернативная конфигурация ворот.
Главное ее отличие состоит в симметричном исполнении антенных систем и использовании полностью идентичных стоек, выполненных в виде активных антенных систем, каждая из которых содержит электронный модуль, нагружаемый на две антенны.
Внешний вид RFID — ворот, построенных на альтернативной основе, представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Внешний вид RFID — ворот, построенных на альтернативной основе
Такое построение в совокупности с непосредственным согласованием антенн с электронными модулями дает минимальный антенный эффект, и, как следствие, наилучшую электромагнитную совместимость с техническим окружением.
Расположение электронных блоков непосредственно на антеннах дает дополнительное преимущество. Оно заключается в осуществлении непосредственного согласования антенн с выходными усилителями электронных модулей. Выходные усилители выполнены по дифференциальной схеме и симметричной топологии. Это резко упростило задачу фильтрации гармоник, жестко регламентированной европейским документом EN300330 [4].
Поскольку сигнал частоты 13,56 МГц, подводимый к антенне, симметричный, то он практически не содержит четных гармоник, а нечетные достаточно хорошо фильтруются самой антенной системой, настроенной в резонанс на несущую частоту 13,56 МГц. Это в свою очередь позволило обойтись без дорогостоящих прецизионных фильтров гармоник, применяемых в известных аналогах.
Применение в составе ворот двух активных антенных систем не привело к удорожанию устройства по следующим причинам.
Помимо уже упомянутого удешевления системы фильтрации гармоник и отсутствия элементов согласования и симметрирования, в выходной схеме применен ключевой дифференциальный усилитель мощности с высоким КПД, превышающим 80 %. Это позволило использовать в выходной схеме сравнительно дешевые маломощные комплектующие элементы и простые экономичные схемные решения. В частности, в качестве активного элемента усилителя мощности применен недорогой МДП транзистор фирмы Zeteck типа ZXMN10A11G с минимальными теплоотводящими радиаторами, а в антенной колебательной системе — слюдяные SMD конденсаторы фирмы Cornell Dubilier типоразмеров 1210 и 1812.
Еще одно преимущество примененного в представленном устройстве непосредственного согласования антенн с выходным усилителем — простота настройки. При данном техническом решении от настройки требуется установить только максимум выходного уровня. Это будет автоматически означать, что входное сопротивление антенны чисто активное, а привязки к 50 Ом нет, так как отсутствуют длинные линии связи.
В описываемом устройстве все 4 антенны ворот работают в мультиплексном режиме поочередно. Частота опроса антенн выбрана такой, чтобы в течение прохождения помеченного меткой объекта через зону считывания цикл опроса антенн повторился несколько раз. В каждый момент времени к выходу схемы считывателя (электронного модуля) подключена только одна антенна. При этом на нее приходится вся выходная мощность, что повышает эффективность энергоснабжения RFID-меток.
Однако осуществление данного технического решения потребовало для своей реализации определенных технических предпосылок. В частности, обеспечения минимума индуктивной связи между антеннами, расположенными в одной стойке. Это необходимо для того, чтобы в антенну, активированную в текущий момент, не вносился импеданс близкорасположенной второй антенны. Указанная цель достигается следующим образом. Если рассмотреть взаимоиндуктивность двух индуктивных рамок, частично перекрывающихся по площади, то можно найти такую площадь перекрытия, при которой индуктивная связь меняет свой знак, переходя через нулевое значение. Была экспериментально установлена и заложена в конструкцию антенных систем такая величина взаимного перекрытия антенн, при которой практически отсутствует индуктивная связь между ними. Это перекрытие составляет примерно 15 % от площади антенн. Этот прием дал одновременно ещё одно преимущество — исключение «мертвой зоны» при некоторых ориентациях считываемой метки.
Теперь рассмотрим, каким образом описанная компоновка RFID-ворот позволит осуществить 3D-считывание меток. При статическом расположении метки в зоне считывания всегда будет существовать такое ее положение и ориентация, при которой считывание будет невозможно, то есть всегда можно расположить метку параллельно магнитным линиям. Но в процессе продвижения объекта с меткой через зону считывания всегда будет иметь место прохождение через участок, благоприятный для считывания. Это достигается непрерывно меняющейся ориентацией магнитного поля при мультиплексировании антенн, в результате чего считывание происходит «на проход»: или на входе в зону считывания или внутри её, или на выходе из зоны считывания. Осуществление 3D-считывания с помощью описанных в статье RFID-ворот проиллюстрировано на рисунке 3.
Рис. 3. 3D-считывание метки
Как было сказано выше, в отличие от известных аналогов ворота, представленные в настоящей статье, скомпонованы из двух идентичных стоек. Эти стойки предназначены как для построения ворот, так и для использования в качестве автономных стационарных считывателей. В индивидуальной поставке они имеют обозначение «считыватель — стойка RH — 8». Такая концепция позволяет гибко изменять конфигурацию контрольной системы RFID от одиночного считывателя до одно- или двухпроходных ворот.
Поскольку каждая из антенн активная, т. е. интегрирована со своим устройством считывания, то это позволило осуществить мультиплексирование антенн на уровне цифрового интерфейса, без разводки коаксиальными кабелями. В представленном исполнении RFID-ворот мультиплексирование антенных блоков осуществляется по стандартному интерфейсу RS-485.
Литература:
- ГОСТ Р ИСО/МЭК 15693–2-2013 Карты идентификационные. Карты на интегральных схемах бесконтактные. Карты удаленного действия. Часть 2. Воздушный интерфейс и инициализация. — Взамен ГОСТ Р ИСО/МЭК 15693–2-2004; введ. 2013–09–06. — Москва: Стандартинформ, 2014. — 16с.
- ID ISC.ANT1400/760 Type A, B and C [Электронный ресурс] /. — Режим доступа: http://statlib.tpu.ru/wp-content/uploads/2016/11/M50700–4e-ID-B.pdf/, свободный (дата обращения: 21.03.2017)
- HF Gate Antenna, Crystal Gate Standard [Электронный ресурс] /. — Режим доступа: http://www.feig.de/en/products/identification/product/id-iscant1710690/, свободный (дата обращения: 21.03.2017).
- DIN EN 300330–2-2015 Электромагнитная совместимость и диапазоны радиочастот. Радиооборудование короткого диапазона SRD с частотой от 9 кГц до 25 МГц и систем с индуктивной петлей с частотой от 9 кГц до 30 МГц. Часть 2. Гармонизированный стандарт EN по статье 3.2 директивы R&TTE. — Взамен DIN EN 300330–2(2010–08); введ. 2015–06–27. — 2015. — 2с.
