基于Ⅰ型縫隙諧振器的完全印刷無芯片標(biāo)簽*

馬中華　楊建紅

(1.蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 2.集美大學(xué) 信息工程學(xué)院, 福建 廈門 361021)

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基于Ⅰ型縫隙諧振器的完全印刷無芯片標(biāo)簽*

馬中華1,2楊建紅1?

(1.蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 2.集美大學(xué) 信息工程學(xué)院, 福建 廈門 361021)

摘要：為降低射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)中標(biāo)簽的成本,提出了基于I型縫隙諧振器的印刷無芯片標(biāo)簽.通過在導(dǎo)電材料上增加或者缺失不同長度、不同寬度的I型縫隙進(jìn)行信息編碼,得到各種編碼的標(biāo)簽,然后利用標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面(RCS)提取標(biāo)簽信息.在37.0 mm×20.5 mm的F4BM-1/2基板上實(shí)現(xiàn)了12 bit的無芯片標(biāo)簽.仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明:標(biāo)簽上的每個(gè)諧振器對應(yīng)頻譜上的一個(gè)諧振頻率,改變縫隙的長度可大范圍地改變諧振頻率,改變縫隙的寬度只輕微地改變諧振頻率;減小相鄰縫隙之間的間距或縫隙的寬度可以提高編碼容量.

關(guān)鍵詞：標(biāo)簽;諧振器;雷達(dá)散射截面;射頻識(shí)別

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)主要采用電磁耦合和電磁輻射的原理來實(shí)現(xiàn)對各類物品和設(shè)備在移動(dòng)、靜止以及惡劣環(huán)境下的自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和管理,已廣泛地應(yīng)用在車輛管理、高速公路收費(fèi)、生產(chǎn)線管理和票務(wù)管理等方面[1-2].射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由讀寫器、大量的應(yīng)答器(標(biāo)簽)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[3].應(yīng)答器由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片組成,其成本主要由標(biāo)簽芯片的成本決定[4].物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用電子標(biāo)簽的前提之一就是電子標(biāo)簽的成本低.電子標(biāo)簽要取代物流領(lǐng)域的條形碼,標(biāo)簽成本是一個(gè)主要的決定因素[5].使用最廣泛的條形碼成本低,有完善的標(biāo)準(zhǔn)體系.但條形碼是可視技術(shù),必須在人的操作下工作(非自動(dòng)跟蹤、識(shí)別),只能接受視野范圍內(nèi)的信號(hào)(近距離識(shí)別),如果條形碼被劃破、污染、脫落,掃描儀就無法辨認(rèn)識(shí)別;而且條形碼容易磨損,不能在極端的環(huán)境下工作.和光條形碼相比,無芯片標(biāo)簽具有遠(yuǎn)距離自動(dòng)跟蹤、非視距識(shí)別、在惡劣環(huán)境下能夠工作等優(yōu)勢,因而具有替代條形碼的潛力.

為了降低標(biāo)簽成本,人們提出了工作在射頻識(shí)別系統(tǒng)的無芯片標(biāo)簽.無芯片標(biāo)簽主要分為基于時(shí)域的無芯片標(biāo)簽[6-11]和基于頻域的無芯片標(biāo)簽[12-14].第一個(gè)基于時(shí)域無芯片標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)[6]在時(shí)域進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼,標(biāo)簽天線接收到讀寫器發(fā)射的問詢信號(hào),然后通過聲表面濾波器(SAW)介質(zhì)形成一個(gè)脈沖編碼調(diào)制信號(hào).隨后Liu和Harma等[7-8]對基于SAW的無芯片標(biāo)簽進(jìn)行研究,用一對SAW色散延遲線擴(kuò)展和壓縮信號(hào),通過降低靈敏度來提高抗干擾的性能.但SAW不能實(shí)現(xiàn)完全印刷,因?yàn)榛赟AW的基材是壓電材料,需要亞微米光刻技術(shù),這種材料價(jià)格昂貴,其成本已經(jīng)接近了傳統(tǒng)的帶芯片標(biāo)簽成本.基于時(shí)域的傳輸線無芯片標(biāo)簽體積較大,編碼容量較小[9-11].用于傳送帶的無芯片標(biāo)簽RFID系統(tǒng)利用頻譜進(jìn)行編碼,其頻譜特征的產(chǎn)生主要依靠標(biāo)簽上多個(gè)帶阻濾波器產(chǎn)生的帶阻效應(yīng),標(biāo)簽天線必須由發(fā)射天線和接收天線構(gòu)成,而且必須正交極化[13].因?yàn)橐粋€(gè)帶阻濾波器對應(yīng)一個(gè)比特,要增加其編碼容量,必須增加帶阻濾波器的個(gè)數(shù),進(jìn)而增大標(biāo)簽的面積.為了減小無芯片標(biāo)簽的面積,利用L型開路枝節(jié)產(chǎn)生諧振頻率,用緊湊的超寬帶天線代替單極圓形天線[14],但這種標(biāo)簽還是需要接收和發(fā)射兩面正交極化天線,面積較大.Balbin等[15]提出了基于頻域的相位編碼無芯片標(biāo)簽,由3個(gè)開路高阻微帶貼片天線組成3 bit的無芯片標(biāo)簽,根據(jù)反向散射信號(hào)的相位特征區(qū)分信號(hào).由于多徑效應(yīng),這種無芯片標(biāo)簽反向散射信號(hào)的相位變化會(huì)引起編碼錯(cuò)誤,而且分辨率也達(dá)不到要求.Kubina等[16]利用諧波雷達(dá)感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了無線溫度傳感器的無芯片標(biāo)簽.這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,低溫范圍有限.Nijas等[17]提出了基于階梯阻抗(SIR)的無芯片標(biāo)簽,通過改變阻抗比和長度比來控制基波和諧波頻率.但這種標(biāo)簽的SIR結(jié)構(gòu)和編碼的規(guī)律性不強(qiáng),難于實(shí)用.Gupta等[18]提出了對數(shù)周期(LP)偶極子陣列無芯片標(biāo)簽,利用對數(shù)周期偶極子天線的帶阻特性來實(shí)現(xiàn)信息的編碼.這種標(biāo)簽提高了編碼容量,但規(guī)律性不強(qiáng),不適合大規(guī)模商用.Mandel等[19]提出了雙頻選擇多址的準(zhǔn)無芯片混頻器標(biāo)簽,通過讀寫器發(fā)射兩個(gè)頻率的問詢信號(hào),標(biāo)簽的兩個(gè)濾波器分別選出這兩個(gè)信號(hào),并通過二極管混頻器得到它們的差頻，然后此差頻被標(biāo)簽反射回讀寫器,這樣就分離了問詢信號(hào)和響應(yīng)信號(hào),大大減小了環(huán)境造成的雷達(dá)雜波的影響.但這種標(biāo)簽需要濾波器對頻率進(jìn)行選擇,標(biāo)簽尺寸增大.當(dāng)電場較弱，達(dá)不到二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)會(huì)造成失真.

基于SAW的無芯片標(biāo)簽因壓電材料的成本和制造因素而無法達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中無芯片標(biāo)簽的要求.基于頻域的無芯片標(biāo)簽雖然大大降低了成本,但標(biāo)簽尺寸大、編碼容量較低,若要增加編碼容量,必須要增大標(biāo)簽尺寸,而且無芯片標(biāo)簽需要兩面正交極化的標(biāo)簽天線.

為降低標(biāo)簽成本、提高編碼容量,文中提出了基于I型縫隙諧振器的能夠?qū)崿F(xiàn)完全印刷的RFID無芯片標(biāo)簽,該標(biāo)簽利用雷達(dá)散射截面進(jìn)行信息的傳輸,因沒有收發(fā)正交的天線而減小了標(biāo)簽的面積,縫隙排列緊湊,有一定的規(guī)律.文中最后通過仿真和測試實(shí)驗(yàn)來分析所設(shè)計(jì)標(biāo)簽的性能.

1 無芯片標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)和工作原理

文中提出的這種I型縫隙無芯片標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖1所示,在介質(zhì)基板上刻蝕并排的一系列縫隙,每個(gè)縫隙長度各不相等,不同的長度產(chǎn)生不同的諧振頻率,根據(jù)縫隙的存在和缺失就可以形成有效的編碼.縫隙諧振器的諧振頻率f和縫隙物理長度L的關(guān)系為[20]

(1)

式中,C是自由空間的光速,εr是介質(zhì)的相對介電常數(shù).

圖1　無芯片標(biāo)簽I型縫隙模型Fig.1　Model of the I-shaped slot chipless tag

無芯片標(biāo)簽的編碼信息存在于標(biāo)簽上的圖形結(jié)構(gòu)中,而這些圖形結(jié)構(gòu)改變了超寬帶入射波的頻譜結(jié)構(gòu),讀寫器根據(jù)標(biāo)簽回波得到的雷達(dá)散射截面(RCS)的頻譜結(jié)構(gòu)中包含了相應(yīng)的編碼信息.標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面定義為[21]

(2)

式中,E0是照射到目標(biāo)處的入射波電場強(qiáng)度，ES是信源所在處散射波的電場強(qiáng)度,R是信源到標(biāo)簽的距離.讀寫器發(fā)射一個(gè)問詢脈沖,它是一個(gè)超寬帶信號(hào).標(biāo)簽接收到此超寬帶信號(hào)后,標(biāo)簽上的縫隙諧振器結(jié)構(gòu)改變了超寬帶信號(hào)的頻譜特征,使得返回散射信號(hào)的頻譜出現(xiàn)編碼特征,根據(jù)這些特征就可以達(dá)到編碼的目的.

無芯片標(biāo)簽是通過三維電磁場仿真軟件(HFSS)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真,建模時(shí)邊界設(shè)置為理想匹配層(PML),能夠完全吸收入射的電磁波,電磁波可以從理想匹配層向外輻射到自由空間的任意方向.激勵(lì)為均勻傳播的平面波垂直入射到標(biāo)簽表面,電場方向與輸入激勵(lì)波的傳播方向垂直,與縫隙的長邊正交.

根據(jù)式(1)可知,當(dāng)縫隙長度為21.5 mm時(shí),諧振頻率為5.51 GHz.圖2是長度為21.5 mm單個(gè)縫隙的仿真結(jié)果,從圖可以看出,縫隙諧振器沒有二次諧波,而三次諧波已經(jīng)遠(yuǎn)離UWB頻帶(2.0～10.7 GHz),這樣在UWB頻帶內(nèi)不會(huì)形成二次諧波的干擾.

圖2　單個(gè)縫隙的RCS頻譜曲線Fig.2　Spectrum of RCS of the single slot

控制縫隙尺寸可以實(shí)現(xiàn)不同的諧振頻率,當(dāng)縫隙長度a取26、32、38、44 mm時(shí)對應(yīng)的RCS曲線如圖3所示.從圖可知:不同縫隙長度的組合可以形成有效的編碼,不同縫隙長度在RCS頻譜中對應(yīng)的諧振點(diǎn)不同;縫隙長度增加,對應(yīng)諧振點(diǎn)的頻率減小.當(dāng)縫隙長度取32 mm、縫隙寬度Wslot變化時(shí)對應(yīng)的RCS曲線如圖4所示.從圖可知,當(dāng)Wslot在0.5~2.5 mm之間以間隔0.5 mm變化時(shí),諧振點(diǎn)的變化緩慢,對應(yīng)的諧振頻率隨著縫隙寬度的增大而增大.

圖3　不同長度縫隙的RCSFig.3　RCS of slots with different lengths

圖4　單個(gè)縫隙長為32 mm而寬度變化時(shí)的RCSFig.4　RCS of single slot with a length of 32 mm and different widths

2無芯片標(biāo)簽的設(shè)計(jì)和仿真

根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了4 bit的縫隙諧振器標(biāo)簽.基板采用厚度(h)為1.5 mm、相對介電常數(shù)(ε)為2.2、損耗角正切(tanδ)為0.000 7的聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板F4BM-1/2.基板的長L=50 mm、寬W=30 mm,最短的縫隙長度a=26 mm.為了能夠?qū)崿F(xiàn)有規(guī)律的編碼,相鄰的縫隙長度相差6 mm;為了防止縫隙之間產(chǎn)生大的寄生干擾,設(shè)置縫隙之間的間距d=2 mm,縫隙寬度Wslot=1 mm.通過增加或者去掉縫隙就可以形成0000-1111的各種編碼.圖6是以圖5為結(jié)構(gòu)的1111、1010、1100、1011編碼無芯片標(biāo)簽的RCS仿真頻譜曲線.

圖5　4 bit縫隙無芯片標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)與參數(shù)Fig.5　Structure and parameters of the four-bit slot chipless tag

圖6　4 bit縫隙無芯片標(biāo)簽的仿真結(jié)果Fig.6　Simulation results of the four-bit slot chipless tag

從圖6可知,通過缺失一些縫隙,可以構(gòu)成4 bit的各種編碼,每個(gè)縫隙對應(yīng)一個(gè)諧振點(diǎn),縫隙缺失,諧振點(diǎn)就消失.把出現(xiàn)的諧振點(diǎn)看作邏輯1,相反看作邏輯0,可以得到相應(yīng)的編碼.長度相同的縫隙在不同編碼組合中對應(yīng)的諧振頻率在100 MHz帶寬內(nèi)波動(dòng),通過算法可以得到正確的邏輯狀態(tài).

由圖7可知:對于標(biāo)簽1111,當(dāng)縫隙之間的距離在1～3 mm之間時(shí),諧振點(diǎn)波動(dòng)不大;而當(dāng)縫隙之間的距離減小到0.5 mm時(shí),由于寄生效應(yīng)增強(qiáng),諧振點(diǎn)開始出現(xiàn)明顯的偏移,之后距離越小,寄生效應(yīng)越明顯,諧振點(diǎn)的頻率明顯下降.按照圖6模擬結(jié)果所對應(yīng)的縫隙結(jié)構(gòu)制作了圖8所示的4個(gè)無芯片標(biāo)簽,分別為1111、1010(缺失長度為26 mm和38 mm的縫隙)、1100(缺失長度為26 mm和32 mm的縫隙)、1011(缺失長度為38 mm的縫隙)的標(biāo)簽.

圖 7　標(biāo)簽1111在縫隙間距變化時(shí)的頻率響應(yīng)Fig.7　Frequency response of tag 1111 with the changes of slot space

圖8　無芯片標(biāo)簽照片F(xiàn)ig.8　Photographs of the chipless tags

3實(shí)驗(yàn)測量

圖9　實(shí)驗(yàn)測量裝置示意圖Fig.9　Schematic diagram of the experimental measuring device

圖9為無芯片標(biāo)簽的實(shí)驗(yàn)測量裝置示意圖.無芯片標(biāo)簽使用超寬帶信號(hào),傳統(tǒng)讀寫器的工作頻帶在900 MHz或者2.4 GHz,因此需要用超寬帶讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以發(fā)出超寬帶信號(hào),接收帶寬也滿足超寬帶條件,故使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀代替無芯片標(biāo)簽RFID系統(tǒng)中的讀寫器.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(E8362B)的兩個(gè)端口分別接兩面線極化的寬帶喇叭天線(LB-8180-NF和LB-10180-NF)作為發(fā)射天線和接收天線,放置在距離標(biāo)簽20 cm處.LB-8180-NF型喇叭天線在0.8～18.0 GHz頻帶范圍內(nèi)的增益為12 dBi,LB-10180-NF型喇叭天線在1.0～18.0 GHz頻帶范圍內(nèi)的增益為11 dBi.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出功率為0 dBm,測試頻率范圍為2～5 GHz.

從式(2)可知,當(dāng)信源到目標(biāo)的距離R足夠遠(yuǎn)時(shí),照射目標(biāo)的入射波近似為平面波,幅度和相位處處相同.其中,ES與信源到目標(biāo)的距離成反比;E0是一個(gè)恒定的值,此時(shí)RCS與R無關(guān).當(dāng)目標(biāo)處于近場區(qū)時(shí),照射目標(biāo)的入射波近似為非均勻球面波,其橫向幅度和相位及縱向幅度都在變化,隨著距離的減小,球面波和平面波的偏差越來越大,因此在近場時(shí),RCS是R的函數(shù).標(biāo)簽在測試時(shí)處于近場區(qū),RCS值與信源到標(biāo)簽的距離有關(guān),但標(biāo)簽作為超寬帶信號(hào)的散射體,編碼信息是在標(biāo)簽的諧振電路中,只要能夠正確地辨別出諧振點(diǎn)就可以解出標(biāo)簽的編碼信息,而與RCS的大小沒有直接的關(guān)系.

(3)

式中,σref是根據(jù)RCS解析公式獲得或者通過仿真得到的金屬參考板RCS.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 b無芯片標(biāo)簽的RCS仿真和測試結(jié)果如圖10所示,從圖10(a)中可看到,諧振頻率出現(xiàn)在2.83、3.29、3.88、4.68 GHz頻點(diǎn)處,仿真結(jié)果和測試結(jié)果一致性很好,是相符的,仿真結(jié)果和測試結(jié)果的諧振頻點(diǎn)稍微有一點(diǎn)偏移,這主要是由標(biāo)簽的制作精度和縫隙之間的相互影響造成的.

圖10　無芯片標(biāo)簽的RCS仿真和測試結(jié)果Fig.10　Simulated and measured results of RCS of the chip less tags

圖11　12 bit標(biāo)簽的RCS仿真和測試結(jié)果比較Fig.11　Comparison of RCS of the 12-bit tags between simulated results and tested results

從圖10(b)可知,缺失的兩條縫隙對應(yīng)的仿真和測試頻譜諧振點(diǎn)也消失了,消失的諧振點(diǎn)表示邏輯0.同樣,圖10(c)、10(d)也表明,仿真和測試結(jié)果非常相符.為了提高編碼容量,可以通過減小縫隙之間的距離、相鄰縫隙的長度差及縫隙寬度在很小的面積上實(shí)現(xiàn)緊湊性的標(biāo)簽.縫隙寬度由1.0 mm減小到0.5 mm,最短的縫隙長度由26.0 mm縮短到12.0 mm,縫隙間距由2.0 mm減小到1.0 mm,相鄰縫隙的長度差由6.0 mm減小到2.0 mm,無芯片標(biāo)簽的尺寸由50.0 mm×30.0 mm縮小到37.0 mm×20.5 mm,這時(shí)無芯片標(biāo)簽的編碼容量由4 bit增加到了12 bit,但標(biāo)簽的面積減小到原來的一半.在上述結(jié)構(gòu)下12個(gè)縫隙的RCS仿真和測試結(jié)果比較如圖11所示.在2~6 GHz的頻帶間出現(xiàn)了同編碼相對應(yīng)的諧振點(diǎn),但在頻率高端,諧振點(diǎn)的帶寬增大了,這是因?yàn)镮型縫隙諧振器的諧振頻率在縫隙長度增加時(shí)不是線性增加的.如果縫隙長度短,當(dāng)長度改變時(shí),相應(yīng)的諧振頻率就迅速改變;如果縫隙長度很長,相應(yīng)的諧振頻率就緩慢改變.

5結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了由多個(gè)I型縫隙諧振器構(gòu)成的無芯片標(biāo)簽,這種無芯片標(biāo)簽成本低,可以實(shí)現(xiàn)完全印刷,是取代條形碼的最佳選擇.它的工作頻率范圍在UWB頻帶的2~6 GHz內(nèi),通過寬頻帶信號(hào)(窄脈沖)來激勵(lì)無芯片I型縫隙標(biāo)簽,在距離標(biāo)簽20 cm處的讀寫器可以接收到無芯片標(biāo)簽編碼的數(shù)據(jù)信息.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過減小相鄰縫隙之間的距離和縫隙寬度可以進(jìn)一步提高編碼容量.此標(biāo)簽既可以用于取代超市商品的條形碼,也可以用于身份證、支票、文件等的管理.

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Fully-Printed Chipless RFID Tags Based on I-Shaped Slot Resonator

MAZhong-hua1,2YANGJian-hong1

(1. College of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China；

2. Information Engineering College, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

Abstract:In order to decrease the cost of RFID (Radio Frequency Identification Devices) tags, a printable compact chipless tag on the basis of I-shaped slot resonators is proposed. By adding or removing the I-shaped slots of different length and width on conductive materials to perform information coding, different coded tags are obtained. Then, tag information is acquired from the radar cross-section (RCS) of tags. Finally, the chipless tags of twelve-bit code capacity are achieved on a 37.0 mm×20.5 mm F4BM-1/2 substrate. Simulation and experimental results demonstrate that (1) every slot resonator has its corresponding resonant frequency; (2) adjusting the length of slots can change the resonant frequency by a large margin, while adjusting the width can change it slightly; and (3) decreasing the space of adjacent slots or the width of slots can greatly improve coding capacity.

Key words:tag; resonator; radar cross-section; radio-frequency identification

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.01.007

中圖分類號(hào)：TN926

作者簡介：馬中華(1973-),男,博士生,講師,主要從事射頻電路設(shè)計(jì)和天線技術(shù)研究.E-mail:mzhxm@jmu.edu.cn? 通信作者： 楊建紅(1965-),男,博士,教授,主要從事微波器件研究.E-mail:yangjh@lzu.edu.cn

*基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01657)

收稿日期：2015- 06-17

文章編號(hào)：1000-565X(2016)01- 0044- 06 1000-565X(2016)01- 0050- 08

Foundation item： Supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province(2015J01657)