RU2594345C1

RU2594345C1 - Method of increasing range of operation and increasing accuracy of measuring distance of radio frequency identification and positioning system

Info

Publication number: RU2594345C1
Application number: RU2016114873/93A
Authority: RU
Inventors: Игорь Борисович Широков
Original assignee: Игорь Борисович Широков
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: method of increasing range and increasing the accuracy of measuring distance of a radio frequency identification and positioning system can be used, e.g., for identification at controlling mobile objects movement. Novel in the method of measuring range is the use in the measuring station of two antennae of circular polarization operating one for radiation and the other one - for reception. Herewith the circulator, which separates the radiated and the received signals is excluded from the measuring station. Spatial diversity of the measuring station antennas increases isolation between the receiving and the transmitting channels, that makes it possible to emit signals of increased power and additionally amplify the received signals. Range of the system operation is longer herewith. Rotation direction of the polarization plane of the receiving antenna of the measuring station is selected opposite to rotation direction of the wave polarization plane reflected from the transverse scattering area of the object, on which a transponder is installed, which provides suppression of this interfering signal and increasing, thus, the accuracy of determining distance.

EFFECT: besides, the use in the transponder of a linear polarization antenna allows to eliminate fadings of a signal arising during movement of the object and change in such a way the mutual orientation of the transponder and the measurement station antennae.

1 cl

Description

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояния и может быть использовано, например, при отслеживании движения и радиочастотной идентификации подвижных объектов.The invention relates to the field of technology of radio-technical means of measuring distance and can be used, for example, when tracking movement and radio-frequency identification of moving objects.

Известны амплитудные способы определения координат объектов (см., например, кн. Справочник по основам радиолокационной техники / под ред. В. В. Дружинина. - М.: Воен. Издат, 1967). Однако амплитудные способы позиционирования имеют большую погрешность.Known amplitude methods for determining the coordinates of objects (see, for example, the book. Reference on the basics of radar technology / edited by V.V. Druzhinin. - M .: Voen. Publishing House, 1967). However, amplitude positioning methods have a large error.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению относятся "Способ измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора", описанный в патенте Украины № 93645 и "Способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации", описанный в патенте Украины № 100897. По этим способам идентификации и измерения расстояния от измерительной станции до транспондера предполагается генерирование непрерывных высокочастотных колебания с известными частотами, первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты, усиление сигнала в транспондере, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, причем первичное излучение и вторичный прием осуществляются через один циркулятор и одну антенну измерительной станции, перемножение в смесителе вторично принятых и первоначально генерированных высокочастотных колебаний, избирательное усиление одной их комбинационных низкочастотных составляющих разности колебаний и последовательное измерение фазового сдвига между выделенным низкочастотным сигналом и сигналом низкой частоты местного опорного генератора. При этом селективное усиление предполагает идентификацию объекта, а измерение разности фаз предполагает измерение расстояния до объекта (транспондера).Closest to the technical nature of the alleged invention include "Method for measuring the distance from the measuring station to the repeater" described in Ukrainian patent No. 93645 and "Method for increasing the range of the multi-subsystem radio frequency identification" described in Ukrainian patent No. 100897. According to these identification methods and measuring the distance from the measuring station to the transponder, it is expected to generate continuous high-frequency oscillations with known frequencies, primary radiation, primary reception, frequency shift, signal amplification in the transponder, secondary radiation, secondary reception of high-frequency oscillations, the primary radiation and secondary reception being carried out through one circulator and one antenna of the measuring station, multiplying in the mixer the second-received and originally generated high-frequency oscillations, the selective amplification of one of their combination of the low-frequency components of the difference in the oscillations and sequential measurement of the phase shift between the selected low-frequency signal and the signal n low frequency local reference generator. In this case, selective amplification involves the identification of the object, and measuring the phase difference involves measuring the distance to the object (transponder).

Однако указанные способы идентификации и измерения дальности имеют ряд недостатков, заключающихся в малой дальности действия системы и низкой точности определения расстояния. Малая дальность действия обусловлена тем, что в измерительной станции системы используется одна общая антенна для первичного излучения и вторичного приема, при этом передаваемый и принимаемый сигналы разделяются через циркулятор. Развязка циркулятора, как правило, не превышает 20 дБ, что обуславливает известные ограничения на уровень мощности первично излучаемого сигнала. Устанавливать усилитель принимаемых сигналов в измерительной станции при этом не представляется возможным. Соответственно дальность действия системы будет низка. С другой стороны с помощью транспондера первично принимают сигнал измерительной станции, усиливают его, трансформируют его по частоте и переизлучают трансформированный сигнал обратно в направлении измерительной станции. Усиление сигнала повышает дальность действия системы. Но надо понимать, что сам транспондер устанавливается на некотором объекте, например автомобиле. Эффективная поперечная площадь рассеивания объекта велика по сравнению с приведенной апертурой антенны транспондера. Таким образом, в измерительную станцию поступают два сигнала: усиленный и трансформированный по частоте сигнал транспондера и сигнал, отраженный от поперечной площади рассеивания объекта. Второй сигнал с частотой первично генерированных колебаний является мешающим сигналом. Наличие этого сигнала приводит к появлению ошибок измерения расстояния. Кроме того, антенна транспондера устанавливается на подвижном объекте.However, these methods for identifying and measuring ranges have a number of drawbacks consisting in the short range of the system and the low accuracy of determining the distance. The short range is due to the fact that the measuring station of the system uses one common antenna for primary radiation and secondary reception, while the transmitted and received signals are separated through a circulator. The isolation of the circulator, as a rule, does not exceed 20 dB, which leads to known limitations on the power level of the initially radiated signal. It is not possible to install an amplifier of the received signals in the measuring station. Accordingly, the range of the system will be low. On the other hand, with the help of a transponder, the signal of the measuring station is first received, amplified, transformed by frequency, and the transformed signal is re-emitted back to the direction of the measuring station. Signal amplification increases the range of the system. But you must understand that the transponder itself is installed on some object, such as a car. The effective transverse scattering area of the object is large compared to the reduced aperture of the transponder antenna. Thus, two signals arrive at the measuring station: the transponder signal amplified and frequency-transformed, and the signal reflected from the transverse scattering area of the object. The second signal with the frequency of the initially generated oscillations is a disturbing signal. The presence of this signal leads to the appearance of errors in distance measurement. In addition, the transponder antenna is mounted on a moving object.

Соответственно взаимное расположение антенн измерительной станции и транспондера может изменяться, что может приводить к ослаблению принимаемого от транспондера сигнала, приводящее к уменьшению дальности действия системы.Accordingly, the relative position of the antennas of the measuring station and the transponder can vary, which can lead to a weakening of the signal received from the transponder, leading to a decrease in the range of the system.

Целью настоящего изобретения является повышение дальности действия и точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования. Поставленная цель достигается тем, что способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования, включающий генерирование непрерывных высокочастотных колебаний с известными частотами, первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты, усиление сигнала в транспондере, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, перемножение в смесителе вторично принятых и первоначально генерированных высокочастотных колебаний, избирательное усиление одной их комбинационных низкочастотных составляющих разности колебаний, последовательное измерение фазового сдвига между выделенным низкочастотным сигналом и сигналом низкой частоты местного опорного генератора, вычисление расстояния по последовательно измеренным разностям фаз, отличающийся тем, что первично сформированный высокочастотный сигнал предварительно усиливают по мощности и непосредственно через антенну круговой поляризации известного направления вращения плоскости поляризации первично излучают в направлении антенны линейной поляризации транспондера, при этом первично принятый антенной линейной поляризации, усиленный и трансформированный по частоте сигнал транспондера вторично излучают той же антенной линейной поляризации, вторично принимают в измерительной станции другой, пространственно удаленной от первой, антенной круговой поляризации, направление вращения плоскости поляризации которой противоположно направлению вращения плоскости поляризации волны, отраженной от поперечной площади рассеивания объекта, на котором установлен транспондер, при этом вторично принятый сигнал транспондера дополнительно усиливают.The aim of the present invention is to increase the range and accuracy of measuring the distance of the radio frequency identification and positioning system. The goal is achieved in that a method of increasing the range and increasing the accuracy of measuring the distance of the RF identification and positioning system, including generating continuous high-frequency oscillations with known frequencies, primary radiation, primary reception, frequency shift, signal amplification in the transponder, secondary radiation, secondary reception of high-frequency oscillations, multiplication in the mixer of the secondarily received and initially generated high-frequency oscillations, selective amplification the measurement of one of the combination low-frequency components of the oscillation difference, sequentially measuring the phase shift between the extracted low-frequency signal and the low-frequency signal of the local reference oscillator, calculating the distance from the successively measured phase differences, characterized in that the initially generated high-frequency signal is pre-amplified by power and directly through the circular antenna polarizations of the known direction of rotation of the plane of polarization are primarily emitted in the direction a non-linear polarization antennas of the transponder, with the linearly polarized antenna first amplified and frequency transformed, the transponder signal being emitted a second time by the same linear polarization antenna, secondly received at the measuring station by another circularly polarized antenna spatially remote from the first one, whose rotation direction is opposite the direction of rotation of the plane of polarization of the wave reflected from the transverse scattering area of the object on which the trans a sponder, the second received signal of the transponder being further amplified.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в повышении дальности действия системы и повышения точности измерения расстояния.Comparison of the alleged invention with the already known methods and prototype shows that the inventive method exhibits new technical properties, consisting in increasing the range of the system and improving the accuracy of distance measurement.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в излучении сигнала измерительной станции и приеме сигнала транспондера через одну антенну, предполагая при этом разделение этих сигналов с помощью циркулятора, нельзя получить большой дальности действия системы и высокой точности. По заявляемому способу первично излучаемый сигнал может иметь повышенную мощность, поскольку разделение излучаемых и принимаемых в измерительной станции сигналов осуществляет не циркулятор, имеющий относительно низкий уровень развязки, а пространственно разнесенные антенны, развязка между которыми может достигать 40 дБ и более. Дальность действия системы при этом будет увеличена. Дополнительного увеличения дальности действия достигают дополнительным усилением вторично принимаемого сигнала. При этом дальность действия системы не изменяется при изменении взаимного расположения антенн измерительной станции и транспондера при передвижении объекта, на котором установлен последний, поскольку антенны измерительной станции имеют круговую поляризацию излучения, а антенна транспондера - линейную. При этом сигнал круговой поляризации, отраженный от поперечной площади рассеивания объекта, на котором установлен транспондер, антенной вторичного приема подавляется, поскольку эта антенна имеет противоположное направление вращение плоскости поляризации. Точность определения расстояния при этом будет повышена.These properties of the proposed invention are new, because in the prototype method, due to its inherent disadvantages of emitting a signal from a measuring station and receiving a transponder signal through one antenna, assuming that these signals are separated using a circulator, it is impossible to obtain a long range system and high accuracy. According to the claimed method, the initially radiated signal may have increased power, since the separation of the signals emitted and received at the measuring station is carried out not by a circulator having a relatively low level of isolation, but spatially separated antennas, the isolation between which can reach 40 dB or more. The range of the system will be increased. An additional increase in range is achieved by additional amplification of the secondary received signal. At the same time, the range of the system does not change when the relative position of the antennas of the measuring station and the transponder changes when moving the object on which the latter is installed, since the antennas of the measuring station have circular radiation polarization, and the transponder antenna is linear. In this case, the circular polarization signal reflected from the transverse scattering area of the object on which the transponder is mounted is suppressed by the secondary reception antenna, since this antenna has the opposite direction of rotation of the plane of polarization. The accuracy of determining the distance will be increased.

Указанный способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования можно реализовать с помощью устройства, показанного на фиг. 1.The indicated method of increasing the range and increasing the accuracy of measuring the distance of the radio frequency identification and positioning system can be implemented using the device shown in FIG. one.

Устройство повышенной точности измерения расстояния и повышенной дальности действия системы радиочастотной идентификации и позиционирования состоит из генератора непрерывных высокочастотных колебаний 1, усилителя мощности высокочастотных сигналов 2, направленного ответвителя 3, передающей антенны круговой поляризации 4, приемной антенны круговой поляризации 5, малошумящего усилителя 6, смесителя 7, узкополосного усилителя-ограничителя 8, первого высокостабильного низкочастотного генератора 9, измерителя разности фаз 10, антенны линейной поляризации транспондера 11, управляемого фазовращателя 12, однопортового усилителя высокочастотных колебаний 13, второго высокостабильного низкочастотного генератора 14.A device for increased accuracy in measuring distance and increased range of a radio frequency identification and positioning system consists of a generator of continuous high-frequency oscillations 1, a power amplifier of high-frequency signals 2, a directional coupler 3, a transmitting circular polarizing antenna 4, a receiving circular polarizing antenna 5, a low-noise amplifier 6, a mixer 7 , narrow-band amplifier-limiter 8, the first highly stable low-frequency generator 9, phase difference meter 10, antenna line second polarization transponder 11 controlled phase shifter 12, single-port high-frequency oscillation amplifier 13, a second highly stable low-frequency oscillator 14.

Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с входом усилителя мощности 2, выход которого соединен с входом направленного ответвителя 3, первый выход которого соединен с передающей антенной круговой поляризации 4, а второй выход которого соединен с первым входом смесителя 7, причем приемная антенна круговой поляризации 5 соединена с входом малошумящего усилителя 6, выход которого соединен со вторым входом смесителя 7, причем выход смесителя 7 соединен с входом узкополосного усилителя-ограничителя 8, причем выход узкополосного усилителя-ограничителя 8 соединен с первым входом измерителя разности фаз 10, причем выход первого высокостабильного низкочастотного генератора 9 соединен со вторым входом измерителя разности фаз 10, при этом антенна линейной поляризации транспондера 11 соединена с первым сигнальным выводом управляемого фазовращателя 12, второй сигнальный вывод которого соединен с выводом однопортового усилителя высокочастотных колебаний 13, при этом вход управления управляемого фазовращателя 12 соединен с выходом второго высокостабильного низкочастотного генератора 14.The output of the high-frequency oscillation generator 1 is connected to the input of the power amplifier 2, the output of which is connected to the input of the directional coupler 3, the first output of which is connected to the transmitting circular polarization antenna 4, and the second output of which is connected to the first input of the mixer 7, and the receiving circular polarization antenna 5 is connected with the input of a low-noise amplifier 6, the output of which is connected to the second input of the mixer 7, and the output of the mixer 7 is connected to the input of the narrow-band amplifier-limiter 8, and the output of the narrow-band amplifier a limiter 8 is connected to the first input of the phase difference meter 10, and the output of the first highly stable low-frequency generator 9 is connected to the second input of the phase difference meter 10, while the linear polarization antenna of the transponder 11 is connected to the first signal output of the controlled phase shifter 12, the second signal output of which is connected with the output of a single-port amplifier of high-frequency oscillations 13, while the control input of the controlled phase shifter 12 is connected to the output of the second highly stable low-frequency generator 14.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования следующим образом.A device is operating that implements the inventive method of increasing the range and increasing the accuracy of measuring the distance of the radio frequency identification and positioning system as follows.

Генератором высокочастотных колебаний 1 первоначально генерируют непрерывные высокочастотные колебания с известной частотой, начальной фазой и амплитудой. Все аналитические формулы, описывающие процессы формирования, излучения, приема и преобразования сигналов, вычисления расстояния подробно описаны в патентах-прототипах № 93645 и № 100897, поэтому здесь не приводятся.The generator of high-frequency oscillations 1 initially generate continuous high-frequency oscillations with a known frequency, initial phase and amplitude. All analytical formulas describing the processes of formation, radiation, reception and conversion of signals, distance calculations are described in detail in the prototype patents No. 93645 and No. 100897, therefore, are not given here.

Усиленные по мощности колебания через направленный ответвитель 3 с незначительными потерями энергии подают на антенну круговой поляризации 4 и излучают в направлении антенны линейной поляризации транспондера 11. Принятые антенной линейной поляризации транспондера 11 высокочастотные колебания подают на первый сигнальный вывод управляемого фазовращателя 12 и со второго сигнального вывода которого далее на однопортовый усилитель высокочастотных колебаний 13. Далее усиленные высокочастотные колебания вновь подают на второй сигнальный вывод управляемого фазовращателя 12 и далее через первый сигнальный вывод фазовращателя 12 на антенну линейной поляризации транспондера 11. В управляемом фазовращателе в непрерывные высокочастотные колебания под действием сигнала управления от низкочастотного высокостабильного генератора 14 вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг, приводя, по сути дела, к смещению частоты исходных высокочастотных колебаний.Power-amplified vibrations through a directional coupler 3 with small energy losses are fed to a circular polarization antenna 4 and radiated in the direction of the linear polarization antenna of transponder 11. High-frequency vibrations received by linear polarization antenna of transponder 11 are fed to the first signal output of the controlled phase shifter 12 and from the second signal output of which further to a single-port amplifier of high-frequency oscillations 13. Further, amplified high-frequency oscillations are again fed to the second signal output One controlled phase shifter 12 and then through the first signal output of the phase shifter 12 to the linear polarization antenna of the transponder 11. In a controlled phase shifter, a monotonously increasing phase shift is introduced into the continuous high-frequency oscillations under the action of a control signal from a low-frequency highly stable generator 14, leading, in fact, to a frequency shift initial high-frequency oscillations.

Трансформированные таким образом по частоте колебания переизлучают через антенну линейной поляризации транспондера 11 в направлении антенны круговой поляризации 5 измерительной станции, где их принимают и усиливают малошумящим усилителем 6. Усиленные высокочастотные колебания смешивают с частью энергии исходных высокочастотных колебаний в смесителе 7 и с помощью узкополосного усилителя-ограничителя 8 выделяют и усиливают до ограничения комбинационную составляющую разности исходных высокочастотных колебаний и трансформированных в транспондере по частоте.Oscillations transformed in this way in frequency are re-emitted through the linear polarization antenna of the transponder 11 in the direction of the circular polarization antenna 5 of the measuring station, where they are received and amplified by a low-noise amplifier 6. The amplified high-frequency oscillations are mixed with a part of the energy of the initial high-frequency oscillations in the mixer 7 and using a narrow-band amplifier of the limiter 8 isolate and amplify to a limit the combinational component of the difference of the initial high-frequency oscillations and transformed into ranspondere frequency.

После этого в измерителе разности фаз 10 измеряют разность фаз непрерывных низкочастотных колебаний, формируемых высокостабильными генераторами измерительной станции 9 транспондера 14 с учетом набега фазы высокочастотных колебаний при их распространении от измерительной станции и обратно.After that, the phase difference meter 10 measures the phase difference of the continuous low-frequency oscillations generated by the highly stable generators of the measuring station 9 of the transponder 14, taking into account the phase incursion of the high-frequency oscillations during their propagation from the measuring station and back.

По последовательно изменяемой во времени частоте высокочастотного генератора и измеряемой разности фаз низкочастотных генераторов, определяют расстояние между измерительной станции и транспондером с высокой точностью. Дальность действия системы при этом будет повышена.The frequency between the measuring station and the transponder is determined with high accuracy by the frequency of the high-frequency generator and the measured phase difference of the low-frequency generators, which are successively changed in time. The range of the system will be increased.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с увеличением дальности действия системы радиочастотной идентификации и позиционирования, Увеличение дальности действия обусловлено возможностью первично излучать высокочастотные сигналы повышенной мощности и дополнительно усиливать вторично принимаемые сигналы. Кроме того, повышение эффективности от использования предполагаемого изобретения связано с повышением точности определения расстояния между измерительной станцией и транспондером, устанавливаемом на объекте идентификации и слежения. Этот эффект обусловлен подавлением сигнала, отражаемом поперечной площадью рассеивания объекта, на котором установлен транспондер.The economic effect of the use of the proposed invention is associated with an increase in the range of the radio-frequency identification and positioning system. The increase in the range is due to the ability to primarily emit high-frequency signals of increased power and additionally amplify the signals received secondarily. In addition, the increase in efficiency from the use of the proposed invention is associated with an increase in the accuracy of determining the distance between the measuring station and the transponder installed at the identification and tracking object. This effect is due to signal suppression reflected by the transverse scattering area of the object on which the transponder is mounted.

Другой аспект повышения эффективности от предполагаемого изобретения связан с тем, что взаимное положение антенн измерительной станции и транспондера может свободно изменяться в пространстве в пределах изменения плоскости поляризации антенн. Уровень вторично принимаемого сигнала изменяться при этом не будет, поскольку первично излучают и вторично принимают измерительной станцией волны круговой поляризации, в то время как первично принимают и вторично излучают транспондером волны линейной поляризации.Another aspect of increasing the efficiency of the proposed invention is related to the fact that the relative position of the antennas of the measuring station and the transponder can freely change in space within the limits of the change in the plane of polarization of the antennas. The level of the second-received signal will not change in this case, since the waves of circular polarization are first emitted and re-received by the measuring station, while the waves of linear polarization are primarily received and re-emitted by the transponder.

Claims

A method for increasing the range and increasing the accuracy of measuring the distance of a radio frequency identification and positioning system, including the generation of continuous high-frequency oscillations with known frequencies, primary radiation, primary reception, frequency shift, signal amplification in the transponder, secondary radiation, secondary reception of high-frequency oscillations, multiplication in the mixer secondary received and initially generated high-frequency oscillations, selective amplification of one of their combination low-frequency of the different components of the oscillation difference, sequentially measuring the phase shift between the extracted low-frequency signal and the low-frequency signal of the local reference generator, calculating the distance from the successively measured phase differences, characterized in that the initially generated high-frequency signal is pre-amplified by power and directly through the circular polarized antenna of a known direction of rotation polarization planes primarily emit a transponder in the direction of the linear polarization antenna pa, while the linearly polarized antenna first received by the linear polarization antenna, the transponder signal amplified and frequency-transformed is emitted the same by the linear polarization antenna, it is received again at the measuring station by another circularly polarized antenna spatially remote from the first antenna, the direction of rotation of the plane of polarization of which is opposite to the direction of rotation of the plane polarization of the wave reflected from the transverse scattering area of the object on which the transponder is mounted, while the second received signal transponder cascade is further amplified.