Передача и прием сигнала

При рассмотрении работы меток RFID, мы должны определить мощность, принимаемую антенной метки. Часть этой мощности, необходимую для обеспечения собственных энергетических потребностей и обнаружения информации, метка поглощает. Другую часть мощности, необходимую для передачи информации считывателю, она отражает. Для того чтобы понять эти процессы, необходимо прежде всего определить мощность в метке, которая обеспечивается считывателем за счет излучения им энергии. Мы должны также определить мощность, поступающую в нагрузку метки. В итоге мы рассмотрим процесс отражение мощности обратно к считывателю, необходимый для осуществления связи метки и считывателя.

Модуляция отраженного сигнала

Большинство пассивных меток RFID, использующих энергию поля и в ближней, и в дальней зоне, достигают взаимодействия со считывателем за счет вариации импеданса нагрузки. При этом в дальней зоне вариация импеданса нагрузки достигается управляемой расстройкой импедансов нагрузки и антенны. Это приводит к тому, что часть мощности отражается обратно через антенну и рассеивается приблизительно так же, как антенна излучает свой собственный сигнал. Отраженный обратно сигнал обнаруживается и декодируется считывателем. Такая форма взаимодействия называется модуляцией отраженного сигнала (backscattering modulation). После краткого рассмотрения общих закономерностей отражения мы достаточно подробно рассмотрим отражение электромагнитных волн от антенн. Затем сравним мощность, которая принимается антенной и выделяется в нагрузке, с мощностью, отражаемой обратно к источнику излучения.

Рисунок 2.3 – Схема информационного обмена при модуляции отраженного сигнала

Отражение

Когда электромагнитная волна распространяется в среде и попадает на неоднородность, она рассеивается. Это явление называется отражением. В радиоэлектронных системах, которые содержат приемник, таких, например, как РЛС или RFID, передатчик излучает электромагнитную волну радиодиапазона, а приемник обнаруживает отражение от объекта. Когда приемник совмещен с передатчиком, отражение называется моностатическим или обратным отражением. Системы RFID достигают взаимодействия с объектом за счет управляемого изменения обратного отражения метки.

Полезной характеристикой моностатического отражения объектов является поперечник обратного рассеяния или эффективная поверхность рассеяния (ЭПР). Сначала рассмотрим основные принципы модуляции обратного отражения применительно к системам RFID, а затем - более детально, факторы, влияющие на проектирование меток и считывателей этих систем.

Отражение и ЭПР

Организация IEEE определяет процесс отражения при распространении радиоволн как "процесс, при котором энергия распространяющейся волны рассеивается в результате взаимодействия с неоднородностями в среде" . Это происходит в результате того, что электромагнитные волны падают на объект и индуцируют осциллирующие заряды и токи внутри и на поверхности объекта, а это, в свою очередь, приводит к появлению вторичной электромагнитной волны. Мы можем определить эти отраженные поля либо с использованием численного или аналитического вычисления индуцированных поверхностных зарядов и токов, либо с использованием аппроксимации тангенциальной составляющей поля, как поступают в физической оптике. В общем, пространственное распределение отраженной энергии зависит от размеров, конфигурации и состава объекта, от длины волны и от направления ее прихода.

Эффективная поверхность рассеяния (ЭПР, англ. RSC - radar cross section) определяется как мера мощности, отраженной в определенном направлении. Она выражается через площадь, аналогично эффективной апертуре антенны. IEEE определяет ЭПР как умноженное на 4π отношение мощности в единице пространственного угла в определенном направлении к мощности на единице площади плоской волны, падающей на отражатель с определенного направления. Точнее, это предел этого отношения, когда расстояние от отражателя до точки измерения отраженной волны стремится к бесконечности.

Рассматриваются три случая:

- моностатическая или ЭПР обратного отражения, когда направления падающей и отраженной волн совпадают, но противоположны по направлению;

- ЭПР прямого рассеяния, когда эти волны имеют одинаковое направление;

- бистатическая ЭПР, когда оба направления распространения волн различны.

В дальнейшем, если не оговорено особо, используется моностатическая ЭПР. Также полагается, что ЭПР является функцией частоты, поляризационных характеристик приемника и передатчика, а также угла визирования объекта:

(2.57)

где E^scat и E^inc - отраженное и падающее электрическое поле соответственно, а R - расстояние от антенны приемника и передатчика до облучаемого объекта.

Возможно ЭПР определить как:

(2.58)

где P_s и P_i - отраженная и падающая мощности соответственно.

При анализе отражений обычно рассматривают три области, в зависимости от соотношения длины волны X к размерам отражающего тела L.

- Рэлеевская область (не следует относить это к плоской электромагнитной волне в дальней зоне)

- резонансная область;

- оптическая область.

В Рэлеевской области λ >> L, так что фаза волны, падающей на тело, практически неизменна. При этом, поскольку тело воспринимает как бы квазистатическую волну, результирующее отраженное поле можно представить в виде индуцированного дипольного момента. В резонансной области размеры тела соизмеримы с длиной волны (обычно L = 1…10 λ). В этой области электромагнитная волна проявляет тенденцию «прилипания» к поверхности тела, создавая поверхностные волны: бегущие и краевые волны

В оптической области отражения длина волны значительно меньше размеров тела (λ << L). Здесь преобладающими механизмами отражения являются: зеркальное и краевое отражения, дифракция и многократные отражения.

Поскольку мы рассматриваем обратное отражение от антенн, размеры которых соизмеримы с длиной волны, будем полагать, что нашим случаем является резонансная область, где доминирует механизм отражения, связанный с поверхностными волнами.

2.3.2.7. Отражение от антенн

При анализе модулированных сигналов от меток в основном необходимо обращаться к отражающим характеристикам антенн меток. Так как антенны предназначены для приема и передачи излучения, обычно рассматривают две разновидности отражений.

Первый вид отражений, структурный, определяется тем, что антенна имеет определенную конфигурацию, размеры и материал, из которого она изготовлена.

Второй вид - собственно антенный, определяется тем, что антенна предназначена для передачи радиочастотной энергии и имеет специфическую диаграмму направленности. При изменении импеданса нагрузки, метка способна модулировать амплитуду или фазу отраженного ею поля.