научная статья по теме РАДИОЧАСТОТНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ МЕТКА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 6 ГГЦ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «РАДИОЧАСТОТНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ МЕТКА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 6 ГГЦ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 4, с. 429-432

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

УДК 621.396:534

РАДИОЧАСТОТНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ МЕТКА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 6 ГГц

© 2015 г. Ю. B. Гуляев1, С. Г. Сучков2, С. С. Янкин2, С. А. Никитов1 2, Д. С. Сучков2, В. П. Плесский3

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Российская Федерация, 125009Москва, ул. Моховая,11, стр.7 2Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Российская Федерация, 410012 Саратов, ул. Астраханская, 83 3ГВР Трейд СА, Швейцарская Конфедерация, 2025, Ше-ле-Барт, ул. Роз, 10 E-mail: sergey.farsenal@gmail.com Поступила в редакцию 17.03.2014 г.

Теоретически и экспериментально исследована радиочастотная идентификационная метка (РИМ) на поверхностных акустических волнах в диапазоне частот 6 ГГц. В расчетах учитывалась конечная толщина электродов, отличие акустических свойств тонкопленочного алюминия от объемного и рассеяние энергии ПАВ в объем при отражении от электродов. Рассчитанная тестовая РИМ (с эквидистантным расположением сигнальных отражателей) изготовлена с использованием электроннолучевой литографии. Показано, что измеренный и расчетный временные отклики РИМ на импульс опроса находятся в хорошем соответствии, уровень потерь кодовых импульсов составил 50...55 дБ.

DOI: 10.7868/S0033849415040087

ВВЕДЕНИЕ

Системы радиочастотной идентификации СВЧ на основе пассивных радиочастотных идентификационных меток (РИМ), использующих поверхностные акустические волны (ПАВ), получили широкое распространение во всем мире для автоматического учета и контроля перемещаемых и хранимых промышленных товаров, оборудования, транспортных контейнеров и многого другого [1].

В настоящее время возрастает потребность в РИМ, использующих новый разрешенный диапазон частот 5650... 6425 МГц [2], дающий возможность использовать в девять раз большую полосу частот, чем в ISM диапазоне (2.4.. .2.48 ГГц), что позволяет увеличить информационную емкость, быстроту идентификации, уменьшить размеры РИМ при сохранении дальности идентификации. Следует отметить также, что в новом диапазоне существенно меньше уровень промышленных и бытовых помех.

В данной работе представлены результаты исследований, проектирование и изготовление РИМ на ПАВ в диапазоне частот 6 ГГц. Расчет топологии и электрических характеристик РИМ проведен с применением математического моделирования, использующего комбинацию методов

конечных и граничных элементов (МКГЭ). При этом учитывалась реальная геометрия электродов, отличие акустических свойств тонкопленочного алюминия от объемного и рассеяние энергии ПАВ в объем. Экспериментальные образцы РИМ имели тестовую топологию (с эквидистантным расположением сигнальных отражателей) и были изготовлены с применением электроннолучевой литографии. На рис. 1 приведена электронография встречно-штыревого преобразователя (ВШП) изготовленных РИМ.

Металлизированные структуры РИМ на ПАВ изготовлены из алюминия. Электроды имели ширину 154 нм и толщину 40 нм. При таких размерах необходимо учитывать сложную картину упругих колебаний в электроде. Этот аспект разработки РИМ требует точного расчета топологии с учетом реальной геометрии электродов, отражателей и полей рассеяния ПАВ [3—5], что необходимо для выравнивания амплитуд отраженных (кодовых) импульсов. Высокой точности удалось достичь при использовании МКГЭ [6—10]. Необходимым условием точного расчета является также учет изменения упругих свойств алюминиевых тонких пленок по сравнению с объемным материалом [11].

1 мкм

Рис. 1. Встречно-штыревой преобразователь РИМ в диапазоне частот 6 ГГц.

пР 3

Рис. 2. Общий вид электродной структуры РИМ на ПАВ: 1 — кристаллическая подложка, 2 — электроды ВШП, 3 — группы отражателей.

1. РАСЧЕТ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИОННОЙ МЕТКИ НА ПАВ

Расчет топологии и электрических характеристик РИМ на ПАВ был выполнен с помощью программных комплексов FEMSAW и "COMSOL МиШрИуъ^", позволяющих решать краевые задачи для поверхностных акустических волн.

Рассматриваемая структура РИМ схематически изображена на рис. 2. Подложка выполнена из ниобата лития {Ы№03) У + 128°-среза, на ее поверхности расположен ВШП, состоящий из N = 15 алюминиевых электродов (ширина w = Х/4, зазор g = Х/4, где X = 626 нм — длина ПАВ на центральной частоте рассматриваемого диапазона /0 = 6037.5 МГц), а также семь алюминиевых отражателей, содержащих различное число полоско-вых элементов разной ширины. При этом первый

и седьмой отражатели обозначают начало и конец кодового сигнала, отражатели со второго по шестой являются кодирующими. Оптимальная толщина электродов ВШП и отражающих полоско-вых элементов равна к = 40 нм (к ~ 0.064Х), а акустическая апертура ВШП Ж= 70 мкм. Расстояние между ВШП и стартовым рефлектором определяет начальную задержку отраженных сигналов и составляет 1ст = 1 мм, что соответствует задержке около 500 нс. Отражатели были размещены эквидистантно с промежутком 1пр = 50 мкм.

Расчеты были проведены с использованием модулей упругости и плотности как изотропного алюминия [12], так и тонкопленочного алюминия [11].

Для тестовой топологии (см. рис. 2) с помощью указанного выше программного обеспечения была рассчитана частотная зависимость элемента матрицы рассеяния отражателей ^11. Затем

РАДИОЧАСТОТНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ МЕТКА 431

-40 г

450 500 550 600 650 700 750

?, нс

Рис. 3. Расчетная временная характеристика тестовой РИМ в диапазоне частот 6 ГГц. Пунктирная линия — расчет для изотропного алюминия, кружочки — максимумы откликов при расчете с упругими константами и плотностью тонкопленочного алюминия.

для получения временного отклика РИМ вычислено обратное фурье-преобразование в виде свертки функции ^ со спектром радиоимпульса опроса длительностью А? =1.3 нс с частотой заполнения /0 = 6037.5 МГц.

Цель оптимизации структуры РИМ — получение приблизительно одинаковых амплитуд кодовых импульсов (со второго по шестой) на уровне не менее —50 дБ, а амплитуд стартового и конечного импульсов — на 3 дБ больше.

В результате оптимизации было определено следующее количество элементов в каждой группе отражателей, начиная с первой:

N = (2, 1, 2, 2, 3, 4, 7) и соответствующие коэффициенты металлизации:

мг/р = (0.45, 0.6, 0.45, 0.5, 0.45, 0.45, 0.55), где ] = 1... 7 — номер группы отражателей, р = ^/2.

Временной отклик, соответствующий оптимальной структуре отражателей из "изотропного" алюминия, представлен на рис. 3. Видно, что первый и седьмой отклики имеют относительную амплитуду около —46 дБ, а кодирующие отклики со второго по шестой имеют амплитуды около —49 дБ с перепадом не более 1 дБ. Видно также, что после седьмого сигнального импульса наблюдаются паразитные импульсы, что является следствием многократных внутренних переотражений акустических волн в системе эквидистантных отражателей. В реальных РИМ положение кодирующих отражателей в акустическом тракте не будет периодическим, поэтому паразитные импульсы будут иметь существенно меньший уровень.

На рис. 3 приведены амплитудные значения кодовых импульсов, рассчитанных для рассматриваемой выше оптимальной структуры системы отражателей при использовании упругих констант и плотности тонкопленочного алюминия. Упругие константы и плотность тонкопленочного

алюминия отличаются от изотропного, в частности, плотность снижается на 4% (=2600 кг/м3 [11]) по сравнению с плотностью объемного алюминия (2700 кг/м3 [12]), а модуль сдвига С44 — почти на порядок. Указанные различия приводят к изменению коэффициентов отражения и прохождения, что, в свою очередь, приводит к уменьшению амплитуд отраженных сигналов. Отчетливо видно, что потери возросли на 4...5 дБ и при этом, вследствие изменения баланса между отраженными и проходящими через каждый отражатель сигналами, перепад амплитуд кодовых импульсов увеличился до 1.5 дБ.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИОННОЙ МЕТКИ НА ПАВ

Экспериментальные образцы РИМ на 6 ГГц были изготовлены с использованием системы электронно-лучевой литографии высокого разрешения САBL-9000C (один образец был сделан в Датском технологическом институте). Геометрия изготовленных структур хорошо соответствовала расчетным данным. Металлизированная структура ВШП и отражателей была изготовлена из алюминия толщиной 40 ± 1 нм. Ширина электродов ВШП составила около 154 нм, ширина элементов отражателей варьировалась от 140 нм (мг1/р = 0.45) в первой группе отражателей до 190 нм (мг2/р = 0.6) во второй группе.

Для измерения частотных характеристик РИМ на пластине в диапазоне частот 5000.7000 МГц использовалась зондовая станция с коаксиальным зондом и анализатор цепей. По измеренным частотным характеристикам были рассчитаны временные отклики меток на импульс опроса аналогично тому, как это сделано для расчетных характеристик. Полученная временная характеристика с кодовыми сигналами, сформирован-

-40 г

450 500 550 600 650 700 750

t, нс

Рис. 4. Временная характеристика тестовой РИМ в диапазоне частот 6 ГГц: сплошная линия — расчет, пунктирная — эксперимент.

ными системой отражателей РИМ, приведена на рис. 4. Там же представлена расчетная временная характеристика, полученная с параметрами тонкопленочного алюминия. Видно, что кодовые импульсы в эксперименте немного (на 1... 2 дБ) меньше расчетных значений. Возможно, это расхождение связано с тем, что в использованных кристаллических подложках декремент затухания ПАВ немного выше, чем взятый для расчетов [13, 14]. Небольшое различие во временном положении расчетных и измеренных кодовых импульсов монотонно увеличивается с номером импульса, что вызвано отличием расчетной и экспериментальной скоростей ПАВ порядка 0.2%. Нарастание амплитуд кодовых импульсов в эксперименте объясняется небольшим отличием коэффициентов отражения и прохождения в эксперименте по сравнению с расчетом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе моделирования методом конечных элементов найдена оптимальная (с точки зрения равенства амплитуд кодовых сигналов) структура отражательной линии задержки на ПАВ для использования в РИМ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком