基于蝶形縫隙諧振器的無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

賈 胤，鄒傳云，胥 磊

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)是一種采用電磁耦合和電磁輻射原理自動(dòng)識(shí)別遠(yuǎn)距離放置標(biāo)簽的無(wú)線識(shí)別技術(shù)，主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸、防盜系統(tǒng)、物流管理、貨物追蹤、身份識(shí)別等方面[1-2]，在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施中發(fā)揮著重要作用[3]。射頻標(biāo)簽因其自身的非可視閱讀、遠(yuǎn)距離閱讀、自動(dòng)識(shí)別和追蹤、能在惡劣環(huán)境下工作等眾多優(yōu)勢(shì)，具有代替條形碼的潛力[4]。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由大量標(biāo)簽、閱讀器以及連接閱讀器主機(jī)組成[5]，其成本主要由標(biāo)簽芯片決定。相對(duì)于一些廉價(jià)商品的應(yīng)用，傳統(tǒng)的RFID標(biāo)簽存在射頻集成電路(radio frequency integrated circuit，RFIC)，價(jià)格昂貴，并不實(shí)用。

為降低標(biāo)簽成本，設(shè)計(jì)了無(wú)芯RFID標(biāo)簽。它既不含有射頻集成電路，又不需要專用的電源，無(wú)芯片RFID標(biāo)簽主要分為基于時(shí)域、頻域、相位和圖像等幾種編碼方式?；跁r(shí)域編碼的聲表面波(surface acoustic wave，SAW)標(biāo)簽[6]，主要由傳輸線和插指換能器(interdigital transducer，IDT)組成，能在一張信用卡尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)64 bit的編碼容量;但其需使用成本較高的壓電基片，并需采用亞微米光刻技術(shù)完成制造，使得標(biāo)簽成本接近傳統(tǒng)標(biāo)簽。另一種基于時(shí)域編碼的無(wú)芯標(biāo)簽采用了微帶延遲線[7]，使輸入信號(hào)和延遲信號(hào)疊加；但這種標(biāo)簽體積大，編碼容量不足。基于相位編碼的無(wú)芯標(biāo)簽由于目前相位分辨率不高，不能滿足大容量編碼要求[8]?；趫D像編碼的無(wú)芯標(biāo)簽?zāi)壳斑€在試驗(yàn)階段，且需要昂貴的亞微米印刷技術(shù)，因此并不實(shí)用[9]。

頻域標(biāo)簽采用簡(jiǎn)單的輻射結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為唯一的電磁簽名(electromagnetic signature，EMS)，由每個(gè)縫隙諧振器對(duì)應(yīng)一個(gè)比特編碼，通過(guò)增加或刪減不同長(zhǎng)度的諧振器，形成頻域編碼信息[10]。使用螺旋諧振器和交叉極化單極天線構(gòu)成的頻域標(biāo)簽，能實(shí)現(xiàn)35 bit的編碼容量[11]。在安全近場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡统杀緹o(wú)芯RFID系統(tǒng)中，常規(guī)ID卡可提供9 bit的編碼容量[12]。該方法通過(guò)偶極子的長(zhǎng)度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，并使用了頻移原理和復(fù)雜的高階模式檢測(cè)技術(shù)?；趫A環(huán)縫隙的無(wú)芯標(biāo)簽[13]，考慮了圓環(huán)的對(duì)稱性。標(biāo)簽?zāi)芩叫D(zhuǎn)任意角度，而讀寫器天線始終能檢測(cè)到標(biāo)簽信息。這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)可以向前或向后輻射，但不容易起振。

為降低標(biāo)簽成本，且在增加編碼容量的同時(shí)不增加標(biāo)簽的面積，本文提出了基于蝶形縫隙諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽。它僅含有1個(gè)導(dǎo)電層，可采用3D打印技術(shù)大量制作[14-15]。該標(biāo)簽通過(guò)閱讀器接收后向散射信號(hào)的頻譜特征，并進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，在24 mm×11 mm的TLX-0基板上，可實(shí)現(xiàn)10 bit的編碼容量。2個(gè)標(biāo)簽可以緊湊地放在基板上。

1 基本原理

1.1 縫隙諧振器基本原理

頻率選擇表面(frequency selective surface，F(xiàn)SS)通常是由大量相同單元按照一定規(guī)律排列組成的單層或多層結(jié)構(gòu)，會(huì)在特定的頻點(diǎn)產(chǎn)生有明顯波峰和波谷變化的頻譜簽名，可實(shí)現(xiàn)一定頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼。頻率選擇表面自身并不吸收能量，它的頻率選擇特性取決于縫隙諧振單元的結(jié)構(gòu)尺寸、排列方式和所用的介質(zhì)。本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯RFID標(biāo)簽采用了蝶形縫隙結(jié)構(gòu)，不需要使用接地板。在介質(zhì)板上有規(guī)律地蝕刻出一些蝶形縫隙。當(dāng)存在某個(gè)蝶形縫隙環(huán)時(shí)，后向散射信號(hào)的雷達(dá)散射截面(rader cross sections,RCS)頻譜曲線就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的諧振點(diǎn)，表示為邏輯“1”；當(dāng)某個(gè)蝶形縫隙環(huán)缺失，對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)就會(huì)消失，表示為邏輯“0”。蝶形縫隙諧振器的底邊為L(zhǎng),兩翼均為L(zhǎng)p。

縫隙諧振器的諧振頻率可以根據(jù)式(1)估算[16]。

(1)

式中：c為光速；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；L為諧振器的長(zhǎng)度。

本文設(shè)計(jì)了單個(gè)無(wú)芯標(biāo)簽蝶形縫隙諧振器模型。RCS頻譜曲線如圖1所示。

圖1 RCS頻譜曲線 Fig.1 RCS spectrum curve of chipless tag

由圖1可以看到，蝶形縫隙諧振器的二次諧波很小，對(duì)編碼信息沒有影響，而在超寬帶(3.1～10.6 GHz)內(nèi)未出現(xiàn)三次諧波，確保了本設(shè)計(jì)的魯棒性。

控制縫隙長(zhǎng)度a分別為35 mm、38 mm、41 mm、44 mm、47mm，對(duì)應(yīng)的RCS頻譜曲線如圖2所示。

圖2 不同長(zhǎng)度縫隙的RCS頻譜曲線 Fig.2 RCS spectrum curves of slots with different lengths

由圖2可知，不同長(zhǎng)度的諧振器具有不同的諧振頻率，通過(guò)組合能形成有效的編碼。隨縫隙長(zhǎng)度增加，對(duì)應(yīng)的諧振頻率相應(yīng)減小。

1.2 無(wú)芯RFID標(biāo)簽工作原理

無(wú)芯RFID標(biāo)簽系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。RFID閱讀器發(fā)射天線(Tx)發(fā)送超寬帶連續(xù)電磁波詢問(wèn)信號(hào)照射到標(biāo)簽表面后，蝶形縫隙諧振器會(huì)改變?nèi)肷湫盘?hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，形成電磁簽名。隱含編碼信息的后向散射信號(hào)返回到閱讀器的接收天線(Rx)，由閱讀器記錄并提取頻譜簽名，并交由后臺(tái)處理系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)先定義的算法恢復(fù)編碼信息。

圖3 無(wú)芯RFID標(biāo)簽工作原理圖 Fig.3 Working principle of the chipless RFID tag

2 無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的蝶形縫隙無(wú)芯RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)芯RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Structure of chipless RFID tag

在介質(zhì)基板上蝕刻出一系列有規(guī)律的縫隙，不同縫隙長(zhǎng)度的諧振器會(huì)產(chǎn)生特定的頻點(diǎn)諧振?；宀捎煤穸萮=0.8 mm、相對(duì)介電常數(shù)εr=2.45、損耗角正切tanδ=0.001 9的Taconic TLX-0。為使標(biāo)簽簡(jiǎn)單、易于打印，縫隙間距Wslot和縫隙寬度Ws均取0.2 mm。 按縫隙長(zhǎng)度編號(hào)，最長(zhǎng)縫隙為L(zhǎng)1，對(duì)應(yīng)最高有效位MSB；最短的縫隙為L(zhǎng)10，對(duì)應(yīng)最低有效位LSB。整個(gè)蝶形標(biāo)簽相當(dāng)于一個(gè)等邊三角形減去一個(gè)等腰三角形剩余的部分。基板長(zhǎng)Lpatch=24 mm，寬W=11 mm，蝶形標(biāo)簽的底邊與基板長(zhǎng)邊重合。

通過(guò)增加開槽數(shù)量、縮小縫隙間距來(lái)提升編碼容量，而不是增加標(biāo)簽表面積。當(dāng)平面電磁波照射到標(biāo)簽表面時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出頻率選擇性，簡(jiǎn)單地加入和移除諧振器，可控制頻率選擇特性。每個(gè)縫隙對(duì)應(yīng)頻譜上的一個(gè)諧振點(diǎn)。當(dāng)存在諧振谷時(shí)，則表示邏輯狀態(tài)“1”；反之，表示邏輯狀態(tài)“0”。

3 仿真分析

3.1 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的正確性，設(shè)計(jì)了4款不同ID的標(biāo)簽，分別代表1111111111、1011011011、1010101010、0101010101。利用電磁仿真軟件FEKO進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。建模時(shí)把諧振單元設(shè)置為理想電導(dǎo)體，激勵(lì)波以均勻平面波入射到標(biāo)簽表面。圖5給出了不同編碼標(biāo)簽設(shè)計(jì)圖。

圖5 不同編碼標(biāo)簽設(shè)計(jì)圖 Fig.5 Design of tags with different encodings

縫隙無(wú)芯片標(biāo)簽仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 縫隙無(wú)芯片標(biāo)簽仿真結(jié)果圖 Fig.6 Simulation results of slot chipless tags

圖5(a)標(biāo)簽有10個(gè)全為“1”的編碼，從仿真的后向散射信號(hào)看，標(biāo)簽有10個(gè)諧振谷，代表頻譜簽名全為“1”。圖5(b)標(biāo)簽的第2、5、8個(gè)縫隙諧振器缺失，從后向散射信號(hào)看，標(biāo)簽的第2、5、8個(gè)諧振谷也消失了，代表頻譜簽名為“0”。圖5(c)和圖5(d)標(biāo)簽，在刪除相應(yīng)的諧振槽后，頻譜簽名表現(xiàn)為“0”。另外，由于縫隙諧振器之間的相互耦合，在移除諧振槽之后，相鄰諧振頻率有一個(gè)很小的偏移，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)克服。

3.2 遠(yuǎn)距離識(shí)別

新設(shè)計(jì)的標(biāo)簽?zāi)芤苑浅＞o湊的方式并排放置多個(gè)，以增大標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面[16]，獲得遠(yuǎn)距離無(wú)芯片RFID標(biāo)簽。在24 mm×22 mm的Taconic TLX-0的基板上，放置2個(gè)相同的標(biāo)簽形成一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。RCS頻譜比較曲線如圖8所示。與單個(gè)標(biāo)簽相比，2個(gè)標(biāo)簽疊放能檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度增加了3～12 dB。

圖7 標(biāo)簽疊放圖 Fig.7 Overlapping of the tags

圖8 RCS頻譜比較曲線 Fig.8 Comparison of RCS sepctrum curves

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新的無(wú)芯RFID標(biāo)簽。該設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)率高、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、制作簡(jiǎn)單。標(biāo)簽由多個(gè)蝶形縫隙諧振器組成，在超寬帶上產(chǎn)生多個(gè)諧振頻率點(diǎn)編碼信息。標(biāo)簽制作在24 mm×11 mm的Taconic TLX-0的基板上，可實(shí)現(xiàn)10 bit的編碼容量。2個(gè)標(biāo)簽以非常緊湊的方式放在一起，可擴(kuò)大標(biāo)簽的閱讀范圍。在接下來(lái)的工作中，要制造并測(cè)量這種標(biāo)簽的實(shí)用性。這種單面緊湊的標(biāo)簽由于不存在接地板，能像條形碼一樣，用導(dǎo)電油墨直接印刷到ID卡、信用卡，甚至紙張上，具有很大的應(yīng)用潛力。

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