CZ33593U1

CZ33593U1 - Bezčipový radiofrekvenční transpondér se zvýšenou RCS odezvou pro senzorické aplikace

Info

Publication number: CZ33593U1
Application number: CZ2019-36921U
Authority: CZ
Inventors: Milan Ĺ vanda
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-01-14

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká vytvoření nového bezčipového radiofrekvenčního transpondéru se zvýšenou odezvou radarového průřezu, dále jen RCS, a citlivostí, určeného pro senzorické aplikace. Zmíněných vlastností je dosaženo díky elektromagnetickému navázání zkráceného dipólového rezonátoru ve tvaru písmene C s interdigitálním kapacitním zkrácením na vodivou smyčku obdélníkového nebo jiného tvaru a současně díky realizaci celé struktury na extrémně tenkém substrátu.

Dosavadní stav techniky

Vzhledem k tomu, že výsledkem předkládaného řešení je bezčipový radiofrekvenční transpondér se zvýšenou RCS odezvou, je dosavadní známý stav techniky vztažen právě k těmto typům transpondérů.

Je známé řešení samostatného dipólového rezonátoru ve tvaru písmene C s interdigitálním kapacitním zkrácením realizovaný na substrátu běžné tloušťky větší než 0,001 X_g, publikované v článku M. Polívka, J. Macháč, Novel Size-Reduced Unit Cells for Uniplanar Chipless RFID Tags, In Conference Proceedings - IEEE Asia- Pacific Microwave Conference (APMC 2013), Seoul, South Korea, 2013. Nevýhodou tohoto řešení je, že samostatný elektricky malý rezonátor nebo řada rozladěných rezonátorů ve tvaru písmene C s interdigitálním kapacitním zkrácením vykazují relativně nízké úrovně RCS odezvy, typicky menší než -40 dBsm, což znemožňuje jejich spolehlivou identifikaci v reálném prostředí mimo bezodrazovou komoru.

Zvýšení RCS odezvy bezčipových transpondérů lze dosáhnout několika způsoby. Je známé řešení podle pat. US 20130015248 AI, kde je dipólový rezonátor ve tvaru písmene C bez interdigitálního zkrácení umístěný nad vodivou rovinou v další vrstvě. Nevýhodou tohoto způsobu je nutnost použití dvouvrstvé desky plošného spoje, která navíc musí mít poměrně velkou tloušťku, typicky 0,02 X_g, kde λ„ je vlnová délka na daném substrátu, pro zachování dostatečné účinnosti transpondéru. Tím narůstá hmotnost a výrobní cena takového řešení.

Druhou možností je vytvoření komplementární struktury štěrbinových rezonátorů v rozsáhlé vodivé ploše publikovaný v článku M. Švanda, M. Polívka, J. Havlíček, J. Macháč, Chipless RFID Tag with an Improved Magnitude and Robustness of RCS Response, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 59, issue 2, pp. 488-492, 2017. Tento způsob řešení odstraňuje nevýhodu dvouvrstvé struktury s velkou výškou profilu, vyznačuje se však významně menším rezonančním propadem v RCS odezvě a relativně vysokou vzájemnou vazbou jednotlivých rezonátorů při použití většího počtu rezonátorů než jednoho.

Podstata technického řešení

Nedostatky výše uvedených řešení odstraňuje bezčipový radiofrekvenční transpondér se zvýšenou RCS odezvou pro senzorické aplikace realizovaný na dielektrickém substrátu, na kterém je umístěn vodivý motiv rezonátorů tvořený dipólem ve tvaru C s interdigitálním zkrácením. Interdigitální pásky dipólu jsou umístěny proti sobě tak, že jsou střídavě spojeny s horním nebo s dolním ohnutým ramenem dipólu. Podstatou nového řešení je, že dielektrický substrát je extrémně tenký, jeho tloušťka je v rozmezí 0,00001 až 0,003 X_g, kde X_g je vlnová délka na daném substrátu. Tento dielektrický substrát má nízkou relativní permitivitu v rozmezí 1 až 6. Na horní straně djelektrického substrátu je umístěn vodivý motiv tvořený smyčkou libovolného tvaru délky 0,1 až 5 X_g a šířky 0.1 až 5 λ„ Tato smyčka je tvořena vodivým páskem šířky 0,01 až

- 1 CZ 33593 U1

X_g Ve vzdálenosti 0,0001 až 0,15 X_g od smyčky je otevřeným koncem blíže ke smyčce umístěn na dielektrickém substrátu minimálně jeden rezonátor ve tvaru C tvořený dipólem s interdigitálním kapacitním zkrácením. Šířka pásku dipólu je v rozmezí 0,0001 až 0,01 X_g, celková délka dipólu je v rozmezí 0,005 až 0,5 X_g a jeho celková šířka v rozmezí 0,005 až 0,1 X_g. Délka interdigitálních pásků jev rozmezí 0,005 až 0,5 X_g, jejich šířka je v rozmezí 0,00001 až 0,01 X_g, mezery mezi nimi mají šířku v rozmezí 0,00001 až 0,01 X_g ajejich počet je libovolný a je dán požadovaným pracovním kmitočtem rezonátorů.

Smyčka transpondéru může být uzavřená nebo přerušená. Ve výhodném provedení má tvar obdélníka nebo oválu.

Dipól nebo dipóly tvořící rezonátor, mohou být umístěny z vnitřní a/nebo z vnější strany smyčky transpondéru.

Šířka i délka všech interdigitálních pásků může být stejná a mohou od sebe být ekvidistantně vzdáleny. Je rovněž možné provedení, kdy mají interdigitální pásky různou šířku a/nebo délku a/nebo vzdálenosti mezi nimi mají různé rozměry.

Na povrchu transpondéru může být dále umístěna chemicky citlivá vrstva, jejíž elektrické vlastnosti, tedy permitivita a/nebo vodivost, se mění vlivem externích vlivů. Tato citlivá vrstva může pokrývat pouze část nebo celou plochu transpondéru, přičemž musí vždy pokrývat alespoň částečně zkrácený dipól ve tvaru písmene C.

Takto je tedy vytvořen jednovrstvý transpondér založený na elektromagnetickém navázání zkráceného dipólového rezonátorů na vodivou smyčku.

Výhodou oproti současnému stavu je podstatné zvětšení úrovně radarového průřezu RCS takto realizovaného transpondéru pro bezčipovou radiofrekvenční identifikaci RFID a současně zvětšení hloubky identifikačního propadu v RCS odezvě. To umožní identifikaci transpondéru v reálném prostředí, mimo bezodrazovou komoru, které dosud nebylo možné s dostatečnou spolehlivostí. Současně je dosaženo nezanedbatelného zvýšení citlivosti struktury na změnu elektrických vlastností senzorické vrstvy díky extrémnímu snížení tloušťky substrátu, typicky 25 um.

Objasnění výkresů

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Obr. 1A znázorňuje pohled shora na výsledný transpondér. Na Obr. 1B je uveden detail motivu rezonátorů tvořeného dipólem ve tvaru C s interdigitálním zkrácením. Na Obr. 2 až 8 jsou uvedeny různé varianty provedení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad řešení bezčipového radiofrekvenčního transpondéru se zvýšenou RCS odezvou je schematicky naznačen na Obr. 1A až 8. Jedná se o dielektrický substrát 1, který má na horní straně vodivý motiv tvořený uzavřenou nebo přerušenou smyčkou 2 obdélníkového nebo jiného tvaru tvořenou vodivým páskem šířky 0,01 až 1,5 X_g, kde X_g je vlnová délka na daném substrátu, a dále tvořený ohnutým dipólem 3 ve tvaru písmene C s interdigitálním kapacitním zkrácením. Na Obr. 1A, 2, 5, 6, 7 a 8 je uvedeno provedení s uzavřenou smyčkou 2 obdélníkového tvaru, na Obr. 3 je provedení přerušované obdélníkové smyčky 2 a na Obr. 4 je příklad provedení s uzavřenou smyčkou 2 oválného tvaru. Dipól 3 je elektricky zkrácený pomocí interdigitálních pásků 3,2 umístěných proti sobě tak, že je každý z pásků střídavě vždy spojen s horním ohnutým ramenem 3,1,1 nebo se spodním ohnutým ramenem 3,1,2 dipólu 3. Délka těchto interdigitálních

-2CZ 33593 U1 pásků 3,2 je v rozmezí 0,005 až 0,5 X_g, jejich šířkaje v rozmezí 0,00001 až 0,01 X_g, mezery mezi nimi 3,3 jsou v rozmezí 00001 až 0,01 X_g. Počet interdigitálních pásků 3,2 je libovolný a volí se na základě požadovaného pracovního kmitočtu rezonátoru. Ohnutý dipól 3 ve tvaru písmene C je umístěn z vnitřní nebo vnější strany smyčky 2 ve vzdálenosti 3,4 0,0001 až 0,15 X_g od smyčky 2, a to otevřeným koncem blíže k této smyčce 2. Jinými slovy, dipól nebo dipóly 3 musí být v těsné blízkosti smyčky 2. Důvodem je, že je tím dosažena dostatečně silná vazba mezi dipólem 3 a smyčkou 2, což zajistí dostatečně hluboký rezonanční propad v RCS odezvě.

Podstatou transpondéru je tedy ohnutý dipól 3 ve tvaru písmene C, který je elektricky zkrácený pomocí interdigitálních pásků 3,2 a je elektromagneticky navázaný na smyčku 2. Smyčka 2 a dipól 3 jsou vytvořeny na dielektrickém substrátu 1, který je extrémně tenký, jeho tloušťka je v rozmezí 0,00001 až 0,003 X_g, kde X_g je vlnová délka na daném substrátu. Tento dielektrický substrát má nízkou relativní permitivitu v rozmezí 1 až 6. Jedná se například o kaptonovou fólii.

Výsledkem uvedeného řešení je, že pomocí manipulace s šířkou pásku, kterým je tvořena smyčka 2, lze měnit velikost a strmost průběhu RCS odezvy, čímž je možné významně zvýšit účinnost identifikace. Současně lze snížením tloušťky dielektrického substrátu 1 a zvýšením počtu interdigitálních pásků 3,2 zvýšit citlivost této struktury na přítomnost a změnu citlivé vrstvy umístěné na povrchu.

Na povrchu transpondéru může být umístěna chemicky citlivá vrstva 4, Obr. 1A až Obr. 8, jejíž elektrické vlastnosti, tedy permitivita a/nebo vodivost, se mění vlivem externích vlivů. Tato citlivá vrstva 4 může pokrývat pouze část nebo celou plochu odražeče, přičemž musí vždy pokrývat alespoň částečně zkrácený dipól 3 ve tvaru písmene C. Pokrytí celého transpondéru citlivou vrstvou 4 je uvedeno na Obr. 8. Příkladem citlivé vrstvy 4 může být vrstva polymetalmetakrylátu (PMMA), reagující na páry rozpouštědel, vrstva ftalocyaninů, a podobně.

Na transpondéru je umístěn minimálně jeden dipól 3 tvořící rezonátor. Dipól nebo dipóly 3 mohou být umístěny z vnitřní, Obr. 1A až Obr. 4, Obr. 6 a Obr. 8, nebo z vnější strany smyčky transpondéru, Obr. 5, nebo z obou stran, Obr. 7.

Tvar a přerušení smyčky 2 má vliv pouze na polohu maxima celkové RCS odezvy transpondéru, s ohledem na to je možné volit libovolně. Význam má především celková vodivá plocha smyčky 2, která čím je větší, tím vyšší je celková RCS odezva transpondéru. Umístění dipólů 3 uvnitř nebo vně smyčky 2 vykazuje stejné chování, díky tomu lze umístit na transpondér větší počet dipólů 3. Pro miniaturizaci transpondéru je vhodné nejdříve umísťovat dipóly 3 dovnitř smyčky

2. Počet dipólů 3 naladěných na různý kmitočet je volen podle požadovaného počtu bitů transpondéru, kdy jeden dipól 3 odpovídá jednomu bitu. V případě, že bude umístěno více dipólů 3 naladěných na stejný kmitočet, dojde k prohloubení rezonančního propadu na příslušném kmitočtu. Každý dipól může být pokryt stejnou nebo různou citlivou vrstvou 4 reagující na stejnou látku nebo na různé látky.

Princip funkce transpondéru spočívá v selektivním odrazu dopadající elektromagnetické vlny vysílané z vysílací antény zpět k přijímací anténě. Z poměru amplitudy a fáze vysílaného a přijatého signálu lze určit tak zvanou RCS odezvu.

Kmitočtová závislost RCS odezvy vlastní smyčky 2 má plochý charakter. V ní je díky elektromagneticky navázanému rezonátoru, tedy dipólu 3, vytvořen úzký propad odpovídající rezonančnímu kmitočtu zkráceného dipólu 3. Přítomnost tohoto propadu, případně sekvence několika propadů v případě navázání více dipólů 3 s různým rezonančním kmitočtem, v odezvě slouží k identifikaci přítomnosti transpondéru. Pokud je dipól 3 opatřen citlivou vrstvou 4, která mění za přítomnosti detekované látky vlastnosti, například permitivitu, dochází tímto k posunu rezonančního kmitočtu příslušného propadu a tím k detekci přítomnosti dané látky. Transpondér tak může sloužit jako bezdrátový senzor.

-3 CZ 33593 U1

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení je využitelné pro realizaci bezčipových radiofrekvenčních transpondérů se zvýšenou RCS odezvou pro senzorické i identifikační účely. Řešení může být využito, po opatření struktury příslušnou chemicky citlivou vrstvou, například v chemickém průmyslu jako bezkontaktní jednobitový či vícebitový senzor přítomnosti chemických látek. Výhodou bezkontaktní identifikace je eliminace nutnosti propojovat senzor pomocí vodičů a realizace nákladných průchodek pro tyto vodiče.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims

1. Bezčipový radiofrekvenční transpondér se zvýšenou RCS odezvou pro senzorické aplikace realizovaný na dielektrickém substrátu (1), na kterém je umístěn vodivý motiv rezonátoru tvořený dipólem (3) ve tvaru C s interdigitálním zkrácením, kde interdigitální pásky (3.2) jsou umístěny proti sobě tak, že jsou střídavě spojeny s horním ohnutým ramenem (3.1.1) nebo se spodním ohnutým ramenem (3.1.2) dipólu (3), vyznačující se tím, že dielektrický substrát (1) má tloušťku v rozmezí 0,00001 až 0,003 X_g, kde X_g je vlnová délka na daném dielektrickém substrátu (1), jehož relativní permitivitaje v rozmezí 1 až 6, náhorní straně dielektrického substrátu (1) je umístěn vodivý motiv tvořený smyčkou (2) libovolného tvaru délky 0,1 až 5 X_g a šířky 0.1 až 5 λ„ tvořenou vodivým páskem šířky 0,01 až 5 X_g, přičemž minimálně jeden rezonátor ve tvaru C tvořený dipólem (3) s interdigitálním kapacitním zkrácením je umístěn na dielektrickém substrátu (1) ve vzdálenosti 0,0001 až 0,15 λ„ od smyčky (2) otevřeným koncem blíže ke smyčce (2), kde šířka pásku dipólu (3) je v rozmezí 0,0001 až 0,01 X_g, celková délka dipólu (3) je v rozmezí 0,005 až 0,5 λ„ a jeho celková šířka v rozmezí 0,005 až 0,1 X_g, a kde délka interdigitálních pásků (3.2) jev rozmezí 0,005 až 0,5 X_g, jejich šířka je v rozmezí 0,00001 až 0,01 X_g, mezery (3.3) mezi nimi mají šířku v rozmezí 0,00001 až 0,01 λ„ a jejich počet je libovolný a je dán požadovaným pracovním kmitočtem rezonátoru.

2. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle nároku 1, vyznačující se tím, že smyčka (2) transpondérů je uzavřená.

3. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle nároku 1, vyznačující se tím, že smyčka (2) transpondérů je přerušená.

4. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že smyčka (2) je ve tvaru obdélníka.

5. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že smyčka (2) je ve tvaru oválu.

6. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že alespoň jeden dipól (3) je umístěn z vnitřní a/nebo z vnější strany smyčky (2) transpondérů.

7. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že šířka i délka všech interdigitálních pásků (3.2) je stejná a jsou od sebe ekvidistantně vzdáleny.

8. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že interdigitální pásky (3.2) mají různou šířku a/nebo délku a/nebo vzdálenosti mezi nimi mají různé rozměry.

-4CZ 33593 U1

9. Bezčipový radiofrekvenční transpondér podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že alespoň část povrchu transpondéru je pokryta chemicky citlivou vrstvou, která vždy pokrývá alespoň částečně dipól (3).