RU2808932C1 - Method for increasing range of active relaying of uhf radio frequency identification signals - Google Patents
Method for increasing range of active relaying of uhf radio frequency identification signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808932C1 RU2808932C1 RU2023109126A RU2023109126A RU2808932C1 RU 2808932 C1 RU2808932 C1 RU 2808932C1 RU 2023109126 A RU2023109126 A RU 2023109126A RU 2023109126 A RU2023109126 A RU 2023109126A RU 2808932 C1 RU2808932 C1 RU 2808932C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elements
- antenna
- polarization
- power
- antenna array
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000005388 cross polarization Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims 4
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract description 31
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N (r)-(6-ethoxyquinolin-4-yl)-[(2s,4s,5r)-5-ethyl-1-azabicyclo[2.2.2]octan-2-yl]methanol;hydrochloride Chemical compound Cl.C([C@H]([C@H](C1)CC)C2)CN1[C@@H]2[C@H](O)C1=CC=NC2=CC=C(OCC)C=C21 QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно, к системам радиочастотной идентификации (далее - RFID) и может быть использовано для систем УВЧ-диапазона с пассивными, полу пассивными и активными идентификационными метками (ИМ).The invention relates to the field of radio engineering, and more specifically, to radio frequency identification (RFID) systems and can be used for UHF systems with passive, semi-passive and active identification tags (IM).
Известной проблемой RFID-систем УВЧ-диапазона является сложность инвентаризации объектов внутри глухих металлических контейнеров (бухгалтерские шкафы, сейфы, крупные ячейки и др.), значительная степень радиогерметичности которых не позволяет электромагнитному излучению проникать через металлические стенки и узкие щели в них, значительно снижая энергетику прямого и обратного радиоканалов. При этом радиочастотная инвентаризация объектов, промаркированных RFID-метками, находящихся внутри таких контейнеров, извне становится невозможной без открытия дверцы.A well-known problem of UHF RFID systems is the difficulty of inventorying objects inside solid metal containers (accounting cabinets, safes, large cells, etc.), the significant degree of radio hermeticity of which does not allow electromagnetic radiation to penetrate through metal walls and narrow cracks in them, significantly reducing energy efficiency forward and reverse radio channels. At the same time, radio frequency inventory of objects marked with RFID tags located inside such containers from the outside becomes impossible without opening the door.
В то же время обеспечение возможности уверенного считывания в таких условиях может позволить в рамках единой сессии считывания осуществлять автоматизированную инвентаризацию не только объектов в помещении, где находится металлический контейнер, но и непосредственно внутри него с использованием единого стандартного RFID терминала сбора данных (мобильного либо стационарного). При этом указанный терминал не является конструктивной частью металлического контейнера, а является по отношению к нему сторонним устройством. Это может быть полезным, в т.ч. для автоматизированной инвентаризации объектов сейфового хранения, бухгалтерских и медицинских шкафов и т.д. Подобные практические применения делают такую технологию инвентаризации объектов внутри глухих металлических контейнеров в значительной мере востребованной.At the same time, ensuring the possibility of confident reading in such conditions can allow, within a single reading session, to carry out an automated inventory of not only objects in the room where the metal container is located, but also directly inside it using a single standard RFID data collection terminal (mobile or stationary) . In this case, the specified terminal is not a structural part of the metal container, but is a third-party device in relation to it. This may be useful, incl. for automated inventory of safe storage facilities, accounting and medical cabinets, etc. Practical applications such as these make this technology for inventorying objects inside solid metal containers much in demand.
Решением подобной задачи инвентаризации может быть реализация т.н. «прозрачной» двунаправленной активной ретрансляции RFID сигналов, предполагающей двухстороннюю передачу RFID-сигналов с усилением мощности в каждом направлении без изменения формы сигналов и частотного спектра. При этом идентификационный сигнал терминала сбора данных (далее - ТСД), расположенного вне контейнера, принимается наружной антенной ретранслятора, посредством взаимного четырехполюсника передается на внутреннюю антенну, после чего излучается ей. Внутри контейнера этот сигнал принимается ИМ, затем ей формируется и излучается ответный сигнал, который далее принимается внутренней антенной ретранслятора, посредством того же взаимного четырехполюсника передается на наружную и излучается ей, после чего принимается ТСД и декодируется.The solution to such an inventory problem can be the implementation of the so-called. “transparent” bidirectional active relay of RFID signals, involving two-way transmission of RFID signals with power amplification in each direction without changing the shape of the signals and frequency spectrum. In this case, the identification signal of the data collection terminal (hereinafter referred to as the DCT), located outside the container, is received by the external antenna of the repeater, transmitted through a mutual quadripole to the internal antenna, and then radiated by it. Inside the container, this signal is received by the IM, then it generates and emits a response signal, which is then received by the internal antenna of the repeater, through the same mutual quadripole it is transmitted to the external one and emitted by it, after which it is received by the TSD and decoded.
При этом важнейшей задачей успешной ретрансляции является, с одной стороны, обеспечение двунаправленного коэффициента передачи, достаточного для уверенного обмена данными ТСД с ИМ, расположенными внутри металлического контейнера, с того же расстояния, что и с ИМ вне такого контейнера (это расстояние определяется эксплуатационной документацией на указанные ИМ и ТСД), а с другой стороны - недопущение самовозбуждения взаимной активной системы ретрансляции, работающей в условиях без частотного и временного дуплекса, т.е. когда развязка усилительных модулей частотными фильтрами и устройствами коммутации невозможна, а использование невзаимных устройств (например, циркуляторов) и развязанных делителей существенно затруднено в связи с высокими требованиями к согласованию порта, несущего суммарный сигнал (суммарного порта). Недостатком развязанных делителей, кроме того, является наличие канальных потерь на деление в 3 дБ, что без принятия мер по компенсации усиления значительно снижает энергетику ретранслятора.At the same time, the most important task of successful relaying is, on the one hand, to ensure a bidirectional transmission coefficient sufficient for reliable exchange of data from the TSD with the IM located inside a metal container, from the same distance as with the IM outside such a container (this distance is determined by the operational documentation for indicated by IM and TSD), and on the other hand, preventing self-excitation of a mutual active relay system operating in conditions without frequency and time duplex, i.e. when decoupling of amplifier modules by frequency filters and switching devices is impossible, and the use of non-reciprocal devices (for example, circulators) and decoupled dividers is significantly difficult due to the high requirements for matching the port carrying the sum signal (summary port). A disadvantage of decoupled dividers, in addition, is the presence of channel losses per division of 3 dB, which, without taking measures to compensate for gain, significantly reduces the energy of the repeater.
Стабильно низкие уровни рассогласования могут быть получены на практике выполнением трактов по известным неотражающим схемам с их квадратурным дублированием и использованием в качестве делителей/сумматоров квадратурных мостов, что, опять же, обеспечивается с точностью до значения собственной развязки таких мостов, лучшие образцы которых демонстрируют уровни порядка 30 дБ при условии высокого качества используемых балластных сопротивлений и соединительных ВЧ линий.Consistently low levels of mismatch can be obtained in practice by implementing paths using known non-reflective circuits with their quadrature duplication and using quadrature bridges as dividers/adders, which, again, is ensured with an accuracy up to the value of the intrinsic decoupling of such bridges, the best examples of which demonstrate order levels 30 dB provided that the ballast resistors and connecting HF lines are of high quality.
Известны также пространственно-поляризационные способы развязки трактов приема и передачи с использованием излучателей, разнесенных в пространстве либо разнесенных по поляризации. Такие структуры, с одной стороны позволяют обеспечить уровень развязки, как минимум, соизмеримый с таковым для очень хорошо настроенного циркулятора, не обладая существенной чувствительностью такой развязки от уровня согласования портов, а с другой - могут обеспечить хорошие значения КПД ввиду отсутствия издержек на деление сигнала. Причем при обеспечении чисто поляризационной развязки внешние габариты антенны не изменяются, поскольку поляризационно-развязанные излучатели могут быть выполненными пространственно-совмещенными. Обеспечение модовой чистоты, обычно путем минимизации энергии высших типов волн в таких антеннах, может дать достижимый уровень поляризационной развязки порядка 50 дБ и более, что существенно больше значений, получаемых на практике циркуляторами и делителями. Недостатком данного способа является необходимость обеспечения низкой кроссполяризационной связи между приемным и передающим токами излучателей, которая увеличивается при внесении в поле антенны металлических препятствий, возбуждаемых и возбуждающих кроссполяризационные токовые компоненты.Spatial-polarization methods for decoupling reception and transmission paths using emitters separated in space or separated by polarization are also known. Such structures, on the one hand, make it possible to provide a level of isolation at least comparable to that of a very well-tuned circulator, without having significant sensitivity of such isolation from the port matching level, and on the other hand, they can provide good efficiency values due to the absence of costs for signal division. Moreover, when providing purely polarization isolation, the external dimensions of the antenna do not change, since the polarization-isolated emitters can be made spatially combined. Ensuring mode purity, usually by minimizing the energy of higher types of waves in such antennas, can give an achievable level of polarization isolation of the order of 50 dB or more, which is significantly higher than the values obtained in practice by circulators and dividers. The disadvantage of this method is the need to ensure low cross-polarization coupling between the receiving and transmitting currents of the emitters, which increases when metallic obstacles are introduced into the antenna field, excited and exciting the cross-polarization current components.
Таким образом, задача повышения канальной энергетики и соответствующей ей дальности двунаправленной RFID ретрансляции УВЧ диапазона для систем с пассивными, полупассивными и активными ИМ является в значительной степени актуальной. Далее будут представлены частные технические решения, направленные на реализацию таких подходов.Thus, the task of increasing channel energy and the corresponding range of bidirectional RFID relay of the UHF range for systems with passive, semi-passive and active IMs is largely relevant. Next, private technical solutions aimed at implementing such approaches will be presented.
Известно АФУ для полнодуплексных телекоммуникационных систем, описанное в патенте US9780437, разработанное Michael Е. Knox (США). АФУ представляет собой частотно-неизбирательный диплексер, выполненный по шестиполюсной неотражающей балансной схеме с модификацией, состоящей в замене одного квадратурного моста схемы на антенный турникет (на основе патч-излучателей, вибраторный либо спиральный) либо на два пространственно-разнесенных и поляризационно-ортогональных излучателя. Диплексер может быть построен на основе подмагниченных ферритовых циркуляторов (либо устройств, известных как псевдоциркуляторы), обычно имеющих стандартные сравнительно узкие (порядка 10% по уровню развязки 23-25 дБ и 3-4% по уровню развязки 25-30 дБ соответственно) полосы собственной межканальной развязки. Неотражающая балансная схема предполагает равноамплитудное квадратурное деление/сложение ВЧ-сигнала по каждому из трех портов с формированием по этим портам двух квадратурных балансных каналов с цепями ВЧ-маршрутизации. Использование неотражающей схемы обеспечивает уровень развязки, сопоставимый с таковым у мостовых устройств, используемых в ней для формирования равноамплитудных квадратур. При этом полоса рабочих частот неотражающей схемы ограничивается с одной стороны, допустимыми значениями коэффициента передачи используемых циркуляторов/псевдоциркуляторов, а с другой - рабочей полосой частот мостов квадратурного сложения. В то же время собственная полоса согласования циркуляторов решающего значения не имеет, и схема остается согласованной по внешним портам с точностью до согласования соответствующих портов используемых мостов и нагрузочных балластных сопротивлений.An AFU for full-duplex telecommunication systems is known, described in patent US9780437, developed by Michael E. Knox (USA). The AFU is a frequency-non-selective diplexer, made according to a six-pole non-reflective balanced circuit with a modification consisting of replacing one quadrature bridge of the circuit with an antenna turnstile (based on patch emitters, vibrator or spiral) or with two spatially separated and polarization-orthogonal emitters. The diplexer can be built on the basis of magnetized ferrite circulators (or devices known as pseudocirculators), usually having standard relatively narrow (about 10% at the isolation level of 23-25 dB and 3-4% at the isolation level of 25-30 dB, respectively) bands of their own interchannel isolation. A non-reflective balanced circuit involves equal-amplitude quadrature division/addition of the RF signal for each of the three ports with the formation of two quadrature balanced channels with RF routing circuits along these ports. The use of a non-reflective circuit provides a level of isolation comparable to that of the bridge devices used in it to form equal-amplitude quadratures. In this case, the operating frequency band of the non-reflective circuit is limited, on the one hand, by the permissible values of the transmission coefficient of the circulators/pseudocirculators used, and on the other hand, by the operating frequency band of the quadrature addition bridges. At the same time, the circulators’ own matching band is not of decisive importance, and the circuit remains matched across external ports up to the matching of the corresponding ports of the bridges used and the load ballast resistances.
На стороне антенны и квадратурное сложение, и излучение/прием волн с круговой поляризацией осуществляется в пространстве указанным турникетом, порядок значений кросс-поляризационной развязки которого, как минимум сопоставим с межпортовой развязкой квадратурного моста либо его эквивалента.On the antenna side, both quadrature addition and emission/reception of circularly polarized waves are carried out in space by the specified turnstile, the order of cross-polarization isolation values of which is at least comparable to the inter-port isolation of a quadrature bridge or its equivalent.
Вариантами решения является использование мостовых устройств в шестиполюсном включении, а также равноамплитудного делителя Уилкинсона вместо циркуляторов. Другим вариантом является использование равноамплитудного делителя Уилкинсона с включением в одно из плеч структуры, обеспечивающей дополнительный фазовый сдвиг в -90 град, для формирования квадратуры взамен мостов формирователя квадратур неотражающей схемы. Еще одним вариантом является использование согласующих структур (в терминологии автора используется термин «отражатели») для дополнительного увеличения развязки путем компенсации связи, возникающей в цепях формирования квадратур.Solution options include the use of bridge devices in a six-pole connection, as well as a Wilkinson equal-amplitude divider instead of circulators. Another option is to use a Wilkinson equal-amplitude divider with the inclusion of a structure in one of the arms that provides an additional phase shift of -90 degrees to form a quadrature instead of the quadrature shaper bridges of a non-reflective circuit. Another option is to use matching structures (in the author’s terminology the term “reflectors” is used) to further increase the isolation by compensating for the coupling that occurs in the quadrature formation circuits.
Описанные варианты решения позволяют обеспечить полнодуплексную частотно-неизбирательную ВЧ-маршрутизацию сигналов с канальной развязкой в широкой полосе частот. Это в свою очередь дает возможность увеличить двунаправленный коэффициент передачи усилительного модуля с сохранением системной устойчивости.The described solution options make it possible to provide full-duplex frequency-non-selective RF routing of signals with channel isolation over a wide frequency band. This in turn makes it possible to increase the bidirectional gain of the amplifier module while maintaining system stability.
Недостатком описанных вариантов решения является сравнительно невысокий уровень достижимых значений заявленной широкополосной канальной развязки, которая при стандартном исполнении турникета, т.е. в отсутствии в его составе специальных средств дополнительного увеличения достижимых значений канальной развязки (например, средств подавления высших типов объемных и поверхностных волн при реализации на основе патч-излучателей либо иных средств), что не описано автором решения, ограничивается собственной развязкой используемых в схеме квадратурных мостовых устройств (либо их эквивалентов) и антенного турникета, сопоставимых по уровню. Этот уровень является недостаточным для использования в составе RFID-ретранслятора с двунаправленным усилительным модулем, поскольку сопоставим с уровнем хорошо настроенного ферритового циркулятора в полосе частот, выделенной для RFID систем на территории Российской Федерации. Кроме того, использование в схеме вместо циркуляторов мостовых устройств неизбежно приводит к дополнительным канальным потерям в 3 дБ, что также негативно сказывается на результирующей канальной энергетике.The disadvantage of the described solution options is the relatively low level of achievable values of the declared broadband channel isolation, which with the standard version of the turnstile, i.e. in the absence of special means in its composition for additionally increasing the achievable values of channel isolation (for example, means for suppressing higher types of body and surface waves when implemented on the basis of patch emitters or other means), which is not described by the author of the solution, is limited to the own isolation of the quadrature bridges used in the circuit devices (or their equivalents) and an antenna turnstile, comparable in level. This level is insufficient for use as part of an RFID repeater with a bidirectional amplifier module, since it is comparable to the level of a well-tuned ferrite circulator in the frequency band allocated for RFID systems in the Russian Federation. In addition, the use of bridge devices in the circuit instead of circulators inevitably leads to additional channel losses of 3 dB, which also negatively affects the resulting channel energy.
Известно решение для двухполяризационной микрополосковой патч-антенны с высоким уровнем межпортовой развязки, предложенное Jing Wang, Wei Wang, Aimeng Liu, Meng Guo и Zhenyu Wei (КНР) (Wang J., Wang W., Liu A., Guo M., Wei Z. A high isolation dual-polarized micro strip patch antenna based on backed substrate integrated cavity and pins-loaded cross slot // Microwave and Optical Technology Letters. 2020. Vol. 62. No. 10. P. 3239-3247. https://doi.org/10.1002/mop.32431). Решение представляет собой сдвоенный (в зарубежной терминологии его элементы имеют названия «Radiating Patch» и «Parasitic Patch») двухполяризационный (двухвходовый) апертурно-возбуждаемый патч-излучатель. Ключевой особенностью решения является повышенная межпортовая развязка, достигаемая за счет использования средств подавления паразитных кросс-поляризационных составляющих поля и паразитных мод. Указанное обеспечивается выполнением схемы питания излучателя в виде синфазной U-образной линии питания, использованием крестообразной щели в форме двух пересекающихся Н-образных щелевых линий с ромбическим настроечным вырезом в центре, разнесением схем питания поляризационно-развязанных излучателей на разные слои печатной платы с разделением их сплошным металлическим экраном и использованием в этих слоях рядов переходных металлизированных отверстий, эквидистантно огибающих щелевые линии питания Х-pol излучателя и экранирующих взаимную связь Н-образных щелевых линий крестообразной щели. Введением дополнительных рядов отверстий, эквидистантных периметру излучателя и выполняемых в подложке между слоями от основного экрана до элемента «Radiating Patch» (в зарубежной терминологии «Substrate Integrated Cavity - SIC») включительно, осуществляется блокировка мод в паразитном плоскопараллельном волноводе, формируемом металлическими поверхностями излучающих элементов структуры.A known solution for a dual-polarization microstrip patch antenna with a high level of inter-port isolation, proposed by Jing Wang, Wei Wang, Aimeng Liu, Meng Guo and Zhenyu Wei (China) (Wang J., Wang W., Liu A., Guo M., Wei Z. A high isolation dual-polarized micro strip patch antenna based on backed substrate integrated cavity and pins-loaded cross slot // Microwave and Optical Technology Letters. 2020. Vol. 62. No. 10. P. 3239-3247. https: //doi.org/10.1002/mop.32431). The solution is a dual (in foreign terminology its elements are called “Radiating Patch” and “Parasitic Patch”) dual-polarization (two-input) aperture-excited patch emitter. A key feature of the solution is increased port-to-port isolation, achieved through the use of means for suppressing parasitic cross-polarization field components and spurious modes. This is ensured by implementing the emitter power supply circuit in the form of an in-phase U-shaped power line, using a cross-shaped slot in the form of two intersecting H-shaped slot lines with a rhombic tuning cutout in the center, separating the power supply circuits of polarization-isolated emitters into different layers of the printed circuit board, separating them with a solid metal screen and the use in these layers of rows of transition metallized holes, equidistantly enveloping the slot lines of the X-pol emitter and shielding the mutual connection of the H-shaped slot lines of the cross-shaped slot. By introducing additional rows of holes equidistant to the perimeter of the emitter and made in the substrate between the layers from the main screen to the “Radiating Patch” element (in foreign terminology “Substrate Integrated Cavity - SIC”), inclusive, modes are blocked in a parasitic plane-parallel waveguide formed by the metal surfaces of the radiating elements structures.
Таким образом, ослабление кроссполяризационной энергетики помогает увеличить межпортовую развязку антенны до значений порядка 50-60 дБ. При этом такая развязка практически не чувствительна к согласованию сопрягаемых с антенной трактов.Thus, weakening the cross-polarization energy helps to increase the inter-port isolation of the antenna to values of the order of 50-60 dB. Moreover, such decoupling is practically insensitive to the matching of the paths interfaced with the antenna.
При всех указанных достоинствах решение ограничивается антенной частью и не затрагивает системные вопросы, связанные с возможностью увеличения двунаправленного коэффициента передачи усилительного модуля RFID-ретранслятора, его энергетикой и дальностью работы.With all these advantages, the solution is limited to the antenna part and does not affect system issues related to the possibility of increasing the bidirectional transmission coefficient of the RFID repeater amplifier module, its energy efficiency and operating range.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому решению является способ активной ретрансляции сигналов радиочастотной идентификации УВЧ-диапазона, описанный в патенте на изобретение №2791098, разработанный Поволжским государственным университетом телекоммуникаций и информатики (РФ). Способ включает применение во внешней антенне отдельных развязанных пространственным, поляризационным либо пространственным и поляризационным способами излучателей для приема опросного сигнала от внешнего ТСД на ретранслятор и для передачи ответного сигнала от ретранслятора на ТСД. Указанный способ позволяет устранить влияние рассогласования суммарного порта циркулятора либо моста, использующихся в качестве устройств частотно-неизбирательного дуплексного сложения сигналов приема и передачи, на развязку приемного и передающего портов такого устройства сложения.The closest in its technical essence to the proposed solution is the method of active relaying of radio frequency identification signals in the UHF range, described in patent for invention No. 2791098, developed by the Volga State University of Telecommunications and Informatics (RF). The method includes the use in an external antenna of separate emitters isolated by spatial, polarization or spatial and polarization methods to receive an interrogation signal from an external TSD to the repeater and to transmit a response signal from the repeater to the TSD. This method makes it possible to eliminate the influence of the mismatch of the total port of a circulator or bridge, used as a device for frequency-non-selective duplex combining of reception and transmission signals, on the decoupling of the receiving and transmitting ports of such a combining device.
Вместе с тем, недостатком предложенного способа является отсутствие средств компенсации потерь на поляризационное рассогласование за счет использования во внешней антенне линейного поляризационного базиса, в то время как ТСД используется круговой поляризационный базис. При этом потенциальная возможность максимизации канальной энергетики остается нереализованной.At the same time, the disadvantage of the proposed method is the lack of means of compensating for losses due to polarization mismatch due to the use of a linear polarization basis in the external antenna, while the TSD uses a circular polarization basis. At the same time, the potential opportunity to maximize channel energy remains unrealized.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа повышения дальности активной RFID-ретрансляции сигналов УВЧ-диапазона в рамках единой сессии считывания.The problem to be solved by the claimed invention is to develop a method for increasing the range of active RFID relay of UHF signals within a single reading session.
Технический результат настоящего изобретения состоит в увеличении канальной энергетики системы RFID-ретрансляции. При этом указанный технический результат достигается совокупностью признаков, включающих увеличение межканальной развязки усилительного модуля для осуществления возможности повышения коэффициента усиления каналов при сохранении системной устойчивости за счет реализации дуплексного суммирования/разделения сигналов приемного и передающего каналов в специальным образом доработанной внешней антенне с повышенной взаимной развязкой между излучателями, и одновременное увеличение коэффициента усиления внешней антенны путем исполнения такой антенны в виде многолучевой антенной решетки, состоящей, по меньшей мере, из двух элементов, с формированием указанной решеткой, по меньшей мере, одной диаграммы направленности (ДН). При этом доработка внешней антенны включает использование в ее составе средств подавления кроссполяризационных составляющих поля, возникающих при возбуждении отдельной поляризации и снижающих взаимную развязку ортогональных излучателей, результирующую канальную энергетику и дальность работы RFID-ретранслятора.The technical result of the present invention is to increase the channel energy of the RFID relay system. In this case, the specified technical result is achieved by a set of features, including an increase in the inter-channel isolation of the amplifier module to make it possible to increase the gain of the channels while maintaining system stability through the implementation of duplex summation/separation of the signals of the receiving and transmitting channels in a specially modified external antenna with increased mutual isolation between the emitters , and simultaneous increase in the gain of the external antenna by executing such an antenna in the form of a multi-beam antenna array consisting of at least two elements, with the said array forming at least one radiation pattern (AP). At the same time, modification of the external antenna includes the use of means for suppressing cross-polarization field components that arise when a separate polarization is excited and reduce the mutual isolation of orthogonal emitters, the resulting channel energy and the operating range of the RFID repeater.
Заявляемый способ позволяет рационально объединить положительные стороны способов, реализующих прототип и аналоги с возможностью повышения коэффициента передачи усилительного модуля при одновременном увеличении коэффициента усиления внешней антенной системы RFID-ретранслятора.The inventive method makes it possible to rationally combine the positive aspects of methods implementing the prototype and analogues with the possibility of increasing the transmission coefficient of the amplifier module while simultaneously increasing the gain of the external antenna system of the RFID repeater.
Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов.For a better understanding of the essence of the claimed invention, its explanations are given below using graphic materials.
На фиг. 1 показана функциональная схема, поясняющая реализацию способа. В составе антенной решетки 1 используются Х-pol излучатели 1.1…1.N сдвоенной линейной поляризации (например, патч-элементы, симметричные вибраторы, рамки и т.д.) с повышенной межпортовой развязкой, диаграммообразующее устройство (ДОУ) 2, устройство коммутации ДН 3, направленный ответвитель 4 со слабой связью и детекторными секциями, включенными в порты связи и контроллер 5, управляемый адаптивным алгоритмом формирования ДН 6. Х-pol излучатели 1.1…1.N выполняют взаимодействие с ТСД 7, осуществляя прием и излучение радиоволн в линейном поляризационном базисе с обеспечением высокого уровня поляризационной развязки. При этом одна компонента поляризации используется для приема, а другая - для излучения волн. С учетом особенности работы подавляющего большинства ТСД 7 на круговой поляризации излучения, прием волн такой поляризации линейно поляризованным излучателем 1.1…1.N ретранслятора 8 сопряжен с поляризационной несогласованностью, снижающей канальную энергетику в обе стороны на величину 3 дБ. Это, однако, компенсируется (с точностью до вносимых потерь применяемой схемы) использованием уже двухэлементной антенной решетки 1. Применение же четырехэлементной решетки 1 по сравнению с одним излучателем за счет множителя решетки 6 дБ позволяет, как компенсировать потери 3 дБ ввиду поляризационной несогласованности, так и получить дополнительный выигрыш в энергетике в 3 дБ, что позволяет пропорционально увеличить дальность работы ретранслятора 8. ДОУ 2, выполненное, например, в виде матрицы Батлера либо по иной схеме, и устройство коммутации ДН 3 (с балластными сопротивлениями, коммутируемыми на неиспользуемые порты ДОУ) обеспечивает формирование набора переключаемых ДН 9 антенной решетки 1, формирующих результирующую огибающую с высоким КНД в широком диапазоне углов сканирования. Применение отдельных ДОУ 2.1 и 2.2 и соответствующих ортогональных поляризационных компонент поля на прием и на передачу позволяет сохранить высокий уровень развязки передающего и приемного трактов, обеспечиваемый поляризационно-развязанными излучателями 1.1…1.N вне зависимости от уровня развязки ДОУ 2. Направленные ответвители 4.1 и 4.2 со слабой связью и детекторные секции в их составе выполняют функции средств контроля уровней мощности в трактах передачи и приема для работы алгоритма адаптивного формирования ДН 6.In fig. 1 shows a functional diagram explaining the implementation of the method. The antenna array 1 uses X-pol emitters 1.1...1.N of dual linear polarization (for example, patch elements, symmetrical vibrators, frames, etc.) with increased port-to-port isolation, a beamforming device (DOU) 2, a DP switching device 3, directional coupler 4 with weak coupling and detector sections included in the communication ports and controller 5, controlled by an adaptive algorithm for forming patterns 6. X-pol emitters 1.1...1.N interact with TSD 7, receiving and emitting radio waves in linear polarization basis ensuring a high level of polarization isolation. In this case, one polarization component is used for receiving, and the other for emitting waves. Taking into account the peculiarity of the operation of the vast majority of TSD 7 on circular polarization of radiation, the reception of waves of such polarization by a linearly polarized emitter 1.1...1.N of repeater 8 is associated with polarization inconsistency, which reduces the channel energy in both directions by 3 dB. This, however, is compensated (up to the insertion loss of the applied circuit) by using a two-element antenna array 1. The use of a four-element array 1 in comparison with a single emitter due to an array multiplier of 6 dB allows both to compensate for losses of 3 dB due to polarization mismatch, and obtain an additional gain in energy of 3 dB, which allows you to proportionally increase the operating range of repeater 8. DOU 2, made, for example, in the form of a Butler matrix or according to another scheme, and switching device DN 3 (with ballast resistors switched to unused DOU ports) ensures the formation of a set of switchable patterns 9 of the antenna array 1, forming the resulting envelope with high efficiency in a wide range of scanning angles. The use of separate DOUs 2.1 and 2.2 and the corresponding orthogonal polarization field components for reception and transmission makes it possible to maintain a high level of isolation of the transmitting and receiving paths provided by polarization-isolated emitters 1.1...1.N, regardless of the isolation level of DOU 2. Directional couplers 4.1 and 4.2 with weak coupling and the detector sections in their composition perform the functions of means of monitoring power levels in the transmission and reception paths for the operation of the adaptive formation algorithm DN 6.
Контроллер 5 служит для управления формированием ДН 9 с учетом фиксируемых уровней мощности в трактах передачи и приема. Алгоритм адаптивного формирования ДН 6 осуществляет выбор энергетически эффективных ДН 9 из всех возможных путем оценки уровней мощности в передающем и приемном трактах. Алгоритм 6 предполагает два этапа - вначале осуществляется калибровка, в процессе которой анализируются уровни мощности в трактах (совместно либо в отдельности) на всех ДН 9, после чего осуществляется выбор энергетически эффективных ДН и работа на них с использованием временного мультиплексирования. При этом частота использования той либо иной ДН зависит от ее эффективности. Так наиболее энергетически эффективные ДН, обеспечивающие максимальную мощность принимаемого от ТСД 7 сигнала формируются чаще, в то время как менее эффективные формируются реже. Процесс калибровки может повторяться при изменении в заданный промежуток времени средней мощности в трактах более чем на заданную величину. При отсутствии сигнала на выходах детекторных секций ответвителей 4, соответствующих направлениям передачи и приема, осуществляется перебор всех возможных ДН 9 без калибровки.The controller 5 serves to control the formation of the DN 9, taking into account the fixed power levels in the transmission and reception paths. The adaptive formation algorithm for DN 6 selects energy-efficient DN 9 from all possible ones by assessing power levels in the transmitting and receiving paths. Algorithm 6 involves two stages - first, calibration is carried out, during which the power levels in the paths (together or separately) on all DPs 9 are analyzed, after which energy-efficient DPs are selected and operated on them using time multiplexing. Moreover, the frequency of use of a particular DN depends on its effectiveness. Thus, the most energy-efficient patterns that provide maximum power of the signal received from TSD 7 are formed more often, while less efficient ones are formed less often. The calibration process can be repeated if the average power in the paths changes by more than a specified amount during a given period of time. If there is no signal at the outputs of the detector sections of the couplers 4, corresponding to the directions of transmission and reception, all possible DNs 9 are searched without calibration.
Средства подавления кросс-поляризационных составляющих поля в составе антенных элементов 1.1…1.N включают структуры формирования отдельных поляризационных составляющих высокой чистоты и элементы дополнительного экранирования (блокирования) паразитных кросс-поляризционных составляющих поля в схеме питания излучателя, которые могут быть реализованы, например, как это показано в решении (Wang J., Wang W., Liu A., Guo M., Wei Z. A high isolation dual-polarized microstrip patch antenna based on backed substrate integrated cavity and pins-loaded cross slot // Microwave and Optical Technology Letters. 2020. Vol. 62. No. 10. P. 3239-3247. https://doi.org/10.1002/mop.32431), выбранном в качестве аналога либо иным способом. В некоторых случаях более эффективным может быть использование сплошных металлизированных пазов вместо рядов отверстий. Таким образом, уровень паразитных ортогональных составжющих поля, формируемых цепями питания Х-pol излучателя сохраняется минимальным и составляет в пересчете на модуль коэффициента передачи значение порядка минус 50-60 дБ. Это позволяет увеличить двунаправленный коэффициент передачи усилительного модуля ретранслятора, повысив его энергетику и дальность работы.Means for suppressing cross-polarization field components in antenna elements 1.1...1.N include structures for the formation of individual high-purity polarization components and elements for additional screening (blocking) of parasitic cross-polarization field components in the emitter power circuit, which can be implemented, for example, as this is shown in the solution (Wang J., Wang W., Liu A., Guo M., Wei Z. A high isolation dual-polarized microstrip patch antenna based on backed substrate integrated cavity and pins-loaded cross slot // Microwave and Optical Technology Letters. 2020. Vol. 62. No. 10. P. 3239-3247. https://doi.org/10.1002/mop.32431), chosen as an analogue or in another way. In some cases, it may be more effective to use continuous plated grooves instead of rows of holes. Thus, the level of parasitic orthogonal field components generated by the power circuits of the X-pol emitter remains minimal and, in terms of the transmission coefficient module, amounts to a value of the order of minus 50-60 dB. This allows you to increase the bidirectional transmission coefficient of the repeater amplifier module, increasing its energy and operating range.
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны возможные реализации ретранслятора 8 с линейной конфигурацией антенных решеток 1. При этом управляемые элементы решетки 1.1…1.N расположены вдоль одной оси и одинаково ориентированы. Такие конфигурации обеспечивают формирование ДН 9 только в одной плоскости, например, только в горизонтальной либо только в вертикальной.In fig. 2 and fig. Figure 3 shows possible implementations of repeater 8 with a linear configuration of antenna arrays 1. In this case, the controlled elements of the array 1.1...1.N are located along the same axis and are equally oriented. Such configurations ensure the formation of DN 9 only in one plane, for example, only in the horizontal or only in the vertical.
На фиг. 4 показана реализация ретранслятора 8 с плоской конфигурацией антенной решетки 1. Это позволяет осуществлять формирование ДН 9 сразу в двух плоскостях, однако, схемотехнически, такая конфигурация ДОУ 2 несколько сложнее предыдущих.In fig. Figure 4 shows the implementation of the repeater 8 with a flat configuration of the antenna array 1. This allows the formation of the antenna array 9 in two planes at once, however, in circuit design, this configuration of the antenna array 2 is somewhat more complicated than the previous ones.
Заявленный способ повышения дальности реализуется следующим образом. ТСД 7 генерирует сессию считывания в соответствующем временном окне. Сигнал ТСД 7 излучается в пространство антенной ТСД с круговой поляризацией излучения. Излученный сигнал принимается внешней антенной решеткой 1 ретранслятора 8, формирующей некоторую ДН 9 в данный момент времени. Фиксируемая детекторной секцией ответвителя 4 мощность запускает процесс калибровки антенной решетки 1 ретранслятора 8, в результате которой адаптивно находятся энергетически наиболее эффективные ДН 9 и запускается их циклический перебор. Принятый сигнал поступает на внутренние цепи ретранслятора 8 (не рассматриваемые в рамках настоящей заявки), где происходит передача опросного сигнала на ИМ и получение от них сигнала отклика. После этого ответный сигнал от внутренних цепей через направленный ответвитель 4 с детекторной секцией, фиксирующий проходящую мощность, поступает на устройство коммутации 3 и далее на ДОУ 2, циклически формирующее наиболее эффективный набор ДН 9, после чего излучается внешней антенной решеткой 1 в направлении ТСД 7 и принимается его антенной.The claimed method of increasing range is implemented as follows. TSD 7 generates a reading session in the appropriate time window. The TSD signal 7 is radiated into space by the TSD antenna with circular polarization of radiation. The emitted signal is received by the external antenna array 1 of the repeater 8, which forms a certain pattern 9 at a given time. The power detected by the detector section of the coupler 4 starts the process of calibrating the antenna array 1 of the repeater 8, as a result of which the most energetically efficient DPs 9 are adaptively found and their cyclic search is started. The received signal is supplied to the internal circuits of the repeater 8 (not considered within the scope of this application), where the interrogation signal is transmitted to the IM and a response signal is received from them. After this, the response signal from the internal circuits, through a directional coupler 4 with a detector section that records the transmitted power, is supplied to the switching device 3 and then to the DOU 2, which cyclically forms the most effective set of DN 9, after which it is radiated by the external antenna array 1 in the direction of the TSD 7 and is received by its antenna.
Применение в заявляемом способе излучателей, обеспечивающих высокий уровень межпортовой развязки в линейном поляризационном базисе, реализация возможности формирования, по меньшей мере, двух ДН и реализация механизма адаптивного управления ими в рамках единой сессии считывания позволяет повысить энергетику как прямого, так и обратного каналов и соответственно повысить дальность ретрансляции сигналов радиочастотной идентификации из внешнего пространства в замкнутый объем, ограниченный электропроводящими стенками.The use in the proposed method of emitters that provide a high level of inter-port isolation in a linear polarization basis, the implementation of the possibility of forming at least two patterns and the implementation of a mechanism for adaptive control of them within a single reading session makes it possible to increase the energy of both forward and reverse channels and, accordingly, increase relay range of radio frequency identification signals from external space into a closed volume limited by electrically conductive walls.
Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения, не противоречащие букве и духу испрашиваемого в данной заявке объема охраны.It should be borne in mind that the above description is given for the purpose of illustrating the claimed invention, therefore, it should be clear to specialists that various modifications and changes are possible without contradicting the letter and spirit of the scope of protection sought in this application.
Claims (23)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808932C1 true RU2808932C1 (en) | 2023-12-05 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040110469A1 (en) * | 2000-01-14 | 2004-06-10 | Judd Mano D. | Repeaters for wireless communication systems |
| US20100123559A1 (en) * | 2008-08-07 | 2010-05-20 | Wal-Mart Stores, Inc. | Apparatus and Method Facilitating Communication Between Components of a Radio Frequency Identification System |
| US9780437B2 (en) * | 2005-06-22 | 2017-10-03 | Michael E. Knox | Antenna feed network for full duplex communication |
| WO2019149341A1 (en) * | 2018-01-30 | 2019-08-08 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Techniques for location estimation using rfid tags |
| EP3758244A1 (en) * | 2018-03-28 | 2020-12-30 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Radio frequency identification system, method for constructing relay network, reader and relay |
| RU2791098C1 (en) * | 2021-12-20 | 2023-03-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" | Method for active retranslation of radio-frequency identification signals of uhf range |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040110469A1 (en) * | 2000-01-14 | 2004-06-10 | Judd Mano D. | Repeaters for wireless communication systems |
| US9780437B2 (en) * | 2005-06-22 | 2017-10-03 | Michael E. Knox | Antenna feed network for full duplex communication |
| US20100123559A1 (en) * | 2008-08-07 | 2010-05-20 | Wal-Mart Stores, Inc. | Apparatus and Method Facilitating Communication Between Components of a Radio Frequency Identification System |
| WO2019149341A1 (en) * | 2018-01-30 | 2019-08-08 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Techniques for location estimation using rfid tags |
| EP3758244A1 (en) * | 2018-03-28 | 2020-12-30 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Radio frequency identification system, method for constructing relay network, reader and relay |
| RU2791098C1 (en) * | 2021-12-20 | 2023-03-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" | Method for active retranslation of radio-frequency identification signals of uhf range |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6731241B2 (en) | Dual-polarization common aperture antenna with rectangular wave-guide fed centered longitudinal slot array and micro-stripline fed air cavity back transverse series slot array | |
| US6549166B2 (en) | Four-port patch antenna | |
| EP1647072B1 (en) | Wideband phased array radiator | |
| KR100641636B1 (en) | Dual Polarization Antenna and Radio Frequency Identification Reader | |
| US7091907B2 (en) | Reactive coupling antenna comprising two radiating elements | |
| US10978812B2 (en) | Single layer shared aperture dual band antenna | |
| JP3029231B2 (en) | Double circularly polarized TEM mode slot array antenna | |
| US20140118206A1 (en) | Antenna and filter structures | |
| EP3261179B1 (en) | Leaky wave antenna | |
| CN115579649A (en) | Two-dimensional wide-angle scanning programmable bit array antenna with low cost and low profile | |
| Yang et al. | A shared-aperture antenna for (3.5, 28) GHz terminals with end-fire and broadside steerable beams in millimeter wave band | |
| Haraz et al. | 8× 8 patch antenna array with polarization and space diversity for future 5G cellular applications | |
| RU2808932C1 (en) | Method for increasing range of active relaying of uhf radio frequency identification signals | |
| CN114335999A (en) | K/Ka waveband dual-band dual-circularly-polarized antenna based on gap waveguide | |
| WO2019111025A1 (en) | Antenna | |
| US11881611B2 (en) | Differential fed dual polarized tightly coupled dielectric cavity radiator for electronically scanned array applications | |
| Pham et al. | Electronically reconfigurable unit-cell and transmitarray in dual-linear polarization at Ka-band | |
| US20230187835A1 (en) | MxN MILLIMETER WAVE AND TERAHERTZ PLANAR DIPOLE END-FIRE ARRAY ANTENNA | |
| US20230155303A1 (en) | Dual-band dual-polarized antenna radiation device | |
| Satow et al. | Design of an in-phase/anti-phase triple-feed array antenna using two types of magic-Ts | |
| Bartlett et al. | End-fire substrate integrated waveguide beam-forming system for 5G applications | |
| CN112713390A (en) | Planar dual-polarized antenna | |
| Yang et al. | Differentially-fed dual-polarized 2D multibeam antenna array for millimeter-wave applications | |
| CN113690637B (en) | 5G millimeter wave LTCC shunt-feed wide-angle scanning phased array | |
| US11489262B1 (en) | Radiator having a ridged feed structure |