RU222297U1 - Корпусированная радиочастотная метка UHF диапазона для установки в полость металлического объекта - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области радиочастотной идентификации, в частности к проектированию объемных, малогабаритных UHF меток, разработанных по принципу короткозамкнутой линии передачи и предназначенных для маркировки металлических объектов при расположении метки в толще металлического материала маркируемого объекта. Радиочастотная метка UHF диапазона для маркировки металлических объектов содержит приемопередающую радиочастотную компоненту, которая расположена в радиопрозрачном корпусе и содержит антенну с токопроводящими электродами в виде короткозамкнутой линии передачи. При этом токопроводящие электроды расположены на прямоугольной диэлектрической вставке из радиокерамики и соединены с радиочастотной микросхемой. А размеры радиопрозрачного корпуса превышают размеры приемопередающей радиочастотной компоненты. При этом радиопрозрачный корпус выполнен с возможностью размещения в толще материала металлического объекта на глубине, равной толщине самой метки. Технический результат заключается в достижении стабильной считываемости радиочастотной UHF метки, установленной внутрь металла на глубину, равную толщине самой метки. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Полезная модель относится к области радиочастотной идентификации, в частности к проектированию объемных, малогабаритных (линейный размер не более 30 мм) UHF меток, разработанных по принципу короткозамкнутой линии передачи и предназначенных для маркировки металлических объектов при расположении метки в толще металлического материала маркируемого объекта. При таком способе радиочастотной маркировки металлических объектов метка закрепляется не на поверхности объекта, а встраивается (запрессовывается) в полость, сформированную в металлической поверхности объекта маркировки, обеспечивая при этом считываемость на расстоянии около 2-х метров информации, записанной в память метки.

Из уровня техники широко известны различные конструкции радиометок, работающих в UHF диапазоне. Однако для работы на поверхности металла или в его толще при маркировке металлических объектов в конструкции меток не могут применяться метки с планарной конструкцией антенны, поскольку они не считываются на\в металлических поверхностях. Следует отметить объёмные радиометки, известные из патентных документов US 8338722 B2, опуб. 25.12.2012, и US 9633299 B2, опуб. 25.04.2017, которые устойчивы к воздействиям окружающей среды, предназначенные для маркировки металлических предметов и работающие в UHF диапазоне. Однако, известные из указанных патентов метки не способны решить задачу радиочастотной идентификации, находясь при этом не на металлической поверхности, а внутри нее.

Также известна конструкция радиочастотной идентификационной метки для работы на частотах СВЧ (860-960 МГц) на металлической поверхности (патентный документ RU 2704279 C1, опуб. 25.10.2019). При этом упомянутая метка является объемной (в виде параллелепипеда), содержит инлей, на котором размещены чип (место для установки чипа) и антенна, а также диэлектрический сердечник. Однако, данная радиометка также способна работать лишь на поверхности металлического объекта, а не внутри него.

Также из патентного документа US 9373011 B2, опуб. 21.06.2016, известна радиочастотная метка для решения задач идентификации ювелирных изделий, которая способна работать, будучи погруженной в малые металлические полости. Однако, конструкция указанной радиометки имеет микро-индуктивную антенну, размеры которой практически совпадают с размером чипа метки. По этой причине дальность считывания указанной радиометки составляет лишь несколько сантиметров. Такая радиометка не решает указанную в предлагаемой полезной модели техническую проблему - обеспечение считываемости на расстоянии около 2-х метров при погружении радиометки в полость металлического объекта.

Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели, принятым за прототип, является конструкция радиочастотной метки, известная из исследовательской статьи Andrea Michel et al, A UHF RFID Tag Embeddable in Small Metal Cavities, IEEE Transactions On Antennas and Propagation, Volume: 67, Issue: 2, Feb. 2019, где описана конструкция радиочастотной метки с антенной типа Patch, способная обеспечить считываемость, находясь внутри металлической полости на различной глубине. Однако, конструкция метки, приведенная в указанной статье, принципиально отличается от конструкции предлагаемой полезной модели. Данное отличие заключается в том, что в указанной в статье метке антенна выполнена посредством соединения двух патч-антенн таким образом, чтобы обеспечить считываемость метки максимально локализовав электрическое поле, ответственное за излучение антенны, вблизи ее центра и тем самым исключить пагубное влияние на дальность считывания окружающей проводящей окружающей среды на дальность считывания метки при ее погружении внутрь металла. Метка, указанная в статье, не содержит отдельно изготовляемого корпуса. Роль корпуса выполняет затвердевшая эпоксидная смола, которой была залита антенна.

В предлагаемой полезной модели возможность считывания метки осуществляется за счет разработки специального корпуса, с расположением в нем на удалении от металлических стенок полости и разработки специальной внутренней малогабаритной приемопередающей компоненты метки, антенна которой выполнена в виде короткозамкнутой (петлевой) линии передач, в отличие от Patch и PIFA типов антенн у известных аналогов.

Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является необходимость разработки конструкции радиочастотной UHF метки для установки внутрь металла, с обеспечением хорошей стабильной считываемости метки (не менее 2-х метров) стандартным, двухваттным радиочастотным UHF считывающим устройством при ее погружении в глубь металлического материала объекта маркировки (установка в полость, сформированную в толще металла) на глубину, равную толщине (около 10 мм) самой метки.

Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в достижении стабильной считываемости радиочастотной UHF метки, установленной внутрь металла на глубину, равную толщине самой метки.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается радиочастотной меткой UHF диапазона для маркировки металлических объектов, содержащей приемопередающую радиочастотную компоненту, при этом, согласно полезной модели, приемопередающая радиочастотная компонента расположена в радиопрозрачном корпусе и содержит антенну с токопроводящими электродами в виде короткозамкнутой линии передачи, при этом токопроводящие электроды расположены на прямоугольной диэлектрической вставке из радиокерамики и соединены с радиочастотной микросхемой, а размеры радиопрозрачного корпуса превышают размеры приемопередающей радиочастотной компоненты, при этом радиопрозрачный корпус выполнен с возможностью размещения в толще материала металлического объекта.

Радиопрозрачный корпус может быть выполнен в форме цилиндра с крышкой.

Диаметр радиопрозрачного корпуса может составлять 30 мм, а высота с крышкой - 12 мм.

Приемопередающая радиочастотная компонента может иметь следующие параметры: длина - 15,8 мм, ширина - 6 мм, ширина металлизации 5,5 мм, толщина - 3 мм.

Сущность полезной модели поясняется сопроводительными фигурами 1-6, а именно: фиг.1 - представлено изображение радиочастотной UHF метки перед ее установкой в отверстие в металлической поверхности объекта маркировки; фиг.2 - представлен вид сверху радиочастотной UHF метки, частичный разрез; фиг.3 - представлен вид спереди радиочастотной UHF метки в разрезе; фиг.4 - представлен вид сбоку радиочастотной UHF метки в разрезе; фиг.5 - представлено изометрическое изображение приемопередающей компоненты; фиг.6 - представлен график зависимости дальности считывания радиочастотной UHF метки от частоты, ось абсцисс - частота, ось ординат - дальность.

Отдельными позициями на сопроводительных фигурах обозначены следующие элементы:

1 - радиочастотная UHF метка для установки внутрь металла;

2 - металлическая поверхность объекта маркировки;

3 - крышка;

4 - углубление в корпусе метки для размещения приемопередающей компоненты;

5 - приемопередающая компонента;

6 - резьба для вкручивания;

7 - отверстие в металлической поверхности объекта маркировки;

8 - микросхема;

9 - диэлектрическая подложка приемопередающей компоненты;

10 - электроды антенны приемопередающей компоненты;

11 - корпус метки.

Сущность полезной модели может быть пояснена со ссылками на сопроводительные фигуры следующим неограничивающим примером осуществления.

Радиочастотная UHF метка (позиция 1 фиг. 1) для установки внутрь металла (позиции 2, 7 фиг. 1), состоит из корпуса метки в виде цилиндра (позиция 11 фиг. 2) и крышки (позиция 3 фиг. 2), выполненных из радиопрозрачного пластика и установленной внутри корпуса, в его средней части (позиция 4 фиг. 2), приемопередающей радиочастотной компоненты (позиция 5 фиг. 2), выполненной в виде объёмной антенны в форме параллелепипеда.

Диаметр и высота корпуса (вместе с крышкой) соответствуют размерам металлической полости, сформированной в толще металла. На боковую сторону корпуса метки нанесена резьба (позиция 6 фиг. 1) для возможности вкручивания метки внутрь металла.

Приемопередающая радиочастотная компонента содержит антенну с электродами (позиция 10 фиг.5), которые расположены на прямоугольной диэлектрической вставке из радиокерамики (позиция 9 фиг.5), причем антенна гальванически соединена с радиочастотной микросхемой (позиция 8 фиг.5).

Корпус метки выполнен в виде цилиндра с углублением (позиция 4 фиг.2) для установки в него приемопередающей радиочастотной компоненты.

Размеры корпуса метки превышают размеры приемопередающей радиочастотной компоненты с целью отодвинуть ее от стенок металлической полости и обеспечить доступ внешнего электромагнитного поля от считывающего устройства сквозь радиопрозрачный материал корпуса к поверхности электродов и к пространству в диэлектрике между электродами, т.е. к антенне приемопередающей компоненты.

В предлагаемой конструкции метки обеспечена возможность проникновения электромагнитного поля во внутреннее пространство приемопередающей компоненты, в связи с чем микросхема метки получает извне достаточное количество энергии для своей активации и формирования ответов на запросы радиочастотного считывающего устройства. При проникновении радиочастотного поля к поверхности электродов и во внутреннее пространство метки между электродами, происходит электромагнитное воздействие как на фронтальные, так и на боковые поверхности антенны метки от электрической и магнитной составляющих поля считывающего устройства.

В приемопередающей компоненте метки применена конструкция объемной антенны по типу малогабаритной короткозамкнутой линии передачи с замкнутыми токопроводящими электродами, расположенными на диэлектрической подложке из радиокерамики. Другие типы объемных антенн, такие как Patch-антенны и PIFA-антенны, не использовались. Именно выбранные конструкции антенны (типа короткозамкнутой линии передачи) и корпуса метки позволяют при заданных малых габаритах корпуса антенны (не более 30 мм - диаметр корпуса и не более 12 мм - высота корпуса) обеспечить требуемую дальность считывания (на менее 2-х метров) при размещении метки в полости металлического объекта, а также обеспечить простоту сборки метки и незначительный разброс параметров считывания метки при их массовом производстве.

Неограничивающий пример осуществления полезной модели.

Радиочастотная UHF метка для установки внутрь металла 1 состоит из цилиндрического корпуса 11 метки и приемопередающей радиочастотной компоненты 5, помещенной внутрь корпуса 11.

Корпус 11 метки выполнен из радиопрозрачного пластика. Диаметр цилиндрического корпуса составляет 30 мм, высота с крышкой - 12 мм.

В верхнем основании цилиндрического корпуса выполнена полость 4 для размещения в ней приемопередающей компоненты 5. Полость в корпусе после помещения в нее приемопередающей компоненты 5 герметично закрывается узкой и длинной крышкой 3, выполненной из материала аналогичного материалу корпуса 11 метки.

На боковой поверхности цилиндрического корпуса 11 выполнена резьба 6 для вкручивания корпуса 11 в отверстие 10 в металлической поверхности объекта маркировки 2.

В качестве приемопередающей радиочастотной компоненты 5 в конструкции метки 1 использовалась объемная короткозамкнутая UHF антенна с подложкой из радиокерамики, имеющей название ОТС-30 и значение диэлектрической проницаемости 30, в которой методом вжигания были нанесены электроды 10 из серебра, и к ним была присоединена (припаяна) радиочастотная микросхема 8 типа UCode8. Приемопередающая компонента 5 имеет форму удлиненного параллелепипеда. Геометрические размеры приемопередающей компоненты имеют следующие значения: длина - 15,8 мм, ширина - 6 мм, ширина металлизации - 5,5 мм, толщина - 3 мм, что обеспечивает наилучшее согласование комплексного сопротивления антенны и микросхемы приемопередающей компоненты.

Приемопередающая компонента 5 помещается и вклеивается с использованием эпоксидных клеев в изготовленную под ее размеры полость в цилиндрическом корпусе 11 из диэлектрического радиопрозрачного материала.

После установки приемопередающей компоненты 5 в подготовленную полость в корпусе 11, полость герметично закрывалась крышкой 3, имеющую толщину 3 мм. Также для обеспечения герметичного закрывания полости корпуса 11 крышкой 3 на поверхность приемопередающей компоненты 5 наносился клеевой слой, поверх которого укладывалась крышка 3, закрывая полость с приемопередающей компонентой 5.

Радиочастотную UHF метку для установки внутрь металла 1 после сборки вкручивают в отверстие 7 в металлической поверхности объекта маркировки 2 на глубину, равную толщине самой метки вместе с крышкой.

Радиочастотная UHF метка для установки внутрь металла 1 работает следующим образом.

При необходимости идентификации металлического объекта подносят к нему на расстоянии 2-х метров стандартное двухваттное радиочастотное UHF считывающее устройство. При этом, за счет того, что приемопередающая компонента 5 находится внутри корпуса 11 с размером на 14 мм превышающим ее размер, то это позволяет исключить примыкание приемопередающей компоненты 5 к металлической поверхности объекта маркировки и позволяет электромагнитному полю от считывающего устройства свободно и в достаточном количестве проникать сквозь радиопрозрачный материал между приемопередающей компонентой и металлической поверхностью объекта маркировки к поверхности электродов антенны метки, и в пространство между двумя электродами объемной антенны метки. При проникновении электромагнитного поля к поверхности электродов и во внутреннее пространство приемопередающей компоненты между электродами, происходит возбуждение приемопередающей компоненты 5, в результате чего обеспечивается воздействие как на фронтальные, так и на боковые поверхности антенны приемопередающей компоненты при помощи электрической и магнитной составляющих поля считывающего устройства. В результате микросхема 8 метки получает извне достаточное количество энергии для активации и формирования ответов на запросы считывающего устройства.

Таким образом, такая конструкция метки, а именно, конструкция приемопередающей компоненты 5 и корпуса метки 11 способствует тому, что объемная метка хорошо считывается внутри материала металлических объектов.

Измерения дальности считывания разработанной полезной модели при ее расположении внутри достаточно толстого металлического объекта проводились с помощью программно-аппаратного комплекса Voyantic в безэховой камере. График зависимости дальности считывания от частоты радиочастотной метки, установленной в полость металлического объекта глубиной 10 мм и предложенной в настоящей заявке, приведен на фиг. 6. Из графика видно, что полезная модель способна идентифицировать металлический объект с расстояния 2 метров.

Таким образом, разработанная конструкция полезной модели решает не только задачу считываемости радиочастотной метки на поверхности металлического объекта, но также решает задачу считываемости радиочастотной метки при ее нахождении внутри материла металлического объекта. Это актуально, когда требуется обеспечить наличие радиочастотной маркировки, но по условиям эксплуатации объекта недопустимо расположение радиочастотной метки над (на) его поверхностью.

Такая конструкция метки позволяет осуществить более стабильную считываемость радиочастотной UHF метки, установленной внутрь металла на глубину, равную толщине самой метки.

Поиск по общедоступным источникам информации показал, что из уровня техники не известна вся совокупность признаков предложенной полезной модели, в связи с чем полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».

Заявленная полезная модель состоит из стандартных для этой области техники материалов и элементов, взаимосвязанных определенным образом, то есть может быть использована в промышленности, ввиду чего полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Следует понимать, что после рассмотрения специалистом приведенного описания с примером осуществления предлагаемой полезной модели, для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации полезной модели. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящей полезной модели, следует считать защищенными настоящей полезной моделью в объеме прилагаемой формулы.

Claims (4)

1. Радиочастотная метка UHF диапазона для маркировки металлических объектов, содержащая приемопередающую радиочастотную компоненту, отличающаяся тем, что приемопередающая радиочастотная компонента расположена в радиопрозрачном корпусе и содержит антенну с токопроводящими электродами в виде короткозамкнутой линии передачи, при этом токопроводящие электроды расположены на прямоугольной диэлектрической вставке из радиокерамики и соединены с радиочастотной микросхемой, а размеры радиопрозрачного корпуса превышают размеры приемопередающей радиочастотной компоненты, при этом радиопрозрачный корпус выполнен с возможностью размещения в толще материала металлического объекта на глубине, равной толщине метки.

2. Радиочастотная метка по п.1, отличающаяся тем, что радиопрозрачный корпус выполнен в форме цилиндра с крышкой.

3. Радиочастотная метка по п.2, отличающаяся тем, что диаметр радиопрозрачного корпуса составляет 30 мм, а высота с крышкой - 12 мм.

4. Радиочастотная метка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что приемопередающая радиочастотная компонента имеет следующие параметры: длина - 15,8 мм, ширина - 6 мм, ширина металлизации - 5,5 мм, толщина - 3 мм.