一種減少無(wú)芯RFID標(biāo)簽散射體互耦的方案研究*

王金魁，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)作為一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻波來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的傳遞[1-2]。標(biāo)簽為RFID系統(tǒng)的重要組成部分，而目前已投入市場(chǎng)中的標(biāo)簽大多數(shù)含有硅芯片。硅芯片價(jià)格較高，不能替代目前廣泛應(yīng)用的光學(xué)條形碼[3]。

無(wú)芯RFID標(biāo)簽不含有硅芯片，編碼信息僅體現(xiàn)在標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)上。然而，在有限尺寸上設(shè)計(jì)的大容量標(biāo)簽，由于臨近諧振體間存在較強(qiáng)的耦合[4]，使得諧振頻點(diǎn)存在較大的偏移量，可能導(dǎo)致標(biāo)簽信息的誤判。本文對(duì)Vena等人提出的基于C型折疊偶極子結(jié)構(gòu)編碼方式[5]進(jìn)行了改進(jìn)。運(yùn)用金屬貼片隔斷的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)去除部分結(jié)構(gòu)的編碼方法，降低了標(biāo)簽散射體間的耦合干擾，減小了諧振頻率的偏移，提高了無(wú)芯標(biāo)簽的識(shí)別精度。

1 相關(guān)研究及分析

在信息編碼方面，閱讀器和標(biāo)簽進(jìn)行信息傳遞時(shí)，有芯片標(biāo)簽通常采用幅移鍵控或二進(jìn)制相移鍵控[8]兩種信息編碼方式。而無(wú)芯RFID標(biāo)簽的編碼信息僅體現(xiàn)在標(biāo)簽結(jié)構(gòu)上，因此改變標(biāo)簽結(jié)構(gòu)可以編碼不同的識(shí)別信息。目前，無(wú)芯片RFID標(biāo)簽信息編碼方案包含時(shí)域和頻域編碼。在頻域編碼方面，可通過(guò)觀測(cè)無(wú)芯標(biāo)簽RCS曲線，在橫軸頻率軸上觀測(cè)縱軸波峰或波谷有無(wú)來(lái)完成信息的編碼。在時(shí)域編碼信息時(shí)，通過(guò)標(biāo)簽反射回閱讀器的信息時(shí)間間隔來(lái)完成信息的編碼。

在編碼容量方面，傳統(tǒng)的條形碼編碼容量較小，很難適應(yīng)于以后的市場(chǎng)需求。因此，對(duì)無(wú)芯標(biāo)簽提出了小型化、大容量的要求[9]。目前，無(wú)芯RFID標(biāo)簽編碼容量較條形碼有了較大提升，而在標(biāo)簽的編碼方案方面仍需進(jìn)一步的探究。

2 無(wú)芯RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文設(shè)計(jì)標(biāo)簽的工作范圍為3.21～5.65 GHz，頻帶寬度為2.44 GHz，在聯(lián)邦通信委員會(huì)（Fedeal Communications Commission，F(xiàn)CC） 定 義 的 3.1～10.6 GHz超寬帶范圍內(nèi)。本文的設(shè)計(jì)和仿真均在相對(duì)介電常數(shù)較低的RO 4003基板上完成，其介電常數(shù)為εr=3.38，損耗角正切為tan δ=0.002，厚度為h=0.6，基板尺寸為26 mm×56 mm。

不同長(zhǎng)度的C型貼片諧振器能產(chǎn)生不同諧振頻率，每一個(gè)標(biāo)簽諧振頻率信號(hào)代表1 bit編碼數(shù)據(jù)。無(wú)芯標(biāo)簽由15個(gè)C型貼片散射體組成，內(nèi)部單元最大的部分結(jié)構(gòu)尺寸為16 mm×2.5 mm，最小的單元尺寸為9 mm×2.5 mm。貼片的寬度和兩結(jié)構(gòu)單元間的間隔均為1 mm，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的縫隙間隔為0.5 mm。

采用線極化的遠(yuǎn)場(chǎng)平面波激勵(lì)方式來(lái)激勵(lì)無(wú)芯RFID標(biāo)簽，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域觀測(cè)標(biāo)簽的RCS曲線。仿真模型是在矩量法電磁仿真軟件下完成的，標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的RCS曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 無(wú)芯標(biāo)簽的俯視圖

圖2 對(duì)應(yīng)的雷達(dá)散射截面曲線

3 諧振原理及降低耦合效果的實(shí)現(xiàn)

3.1 諧振原理和誤差分析

在一個(gè)無(wú)限大的地平面上，縫隙天線的導(dǎo)波波長(zhǎng)近似為：

其中，λg為導(dǎo)波的波長(zhǎng)，λ為自由空間的波長(zhǎng)，εr為介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)。

有一件事顯示祖父聰明過(guò)人。當(dāng)時(shí)上海正在修建外白渡橋，工程遇到一個(gè)難題：外白渡橋建在蘇州河上，建橋時(shí)打下大量木樁需拔掉，由于蘇州河淤泥深厚，拔樁十分不易，主持建橋的英國(guó)人采納了一位年輕木工的建議，退潮時(shí)在木樁上綁上大油桶，漲潮時(shí)借助浮力輕易地拔起木樁。這個(gè)年輕木工就是我的祖父。

由式（1）可以推導(dǎo)出縫隙的諧振頻率為[10]：

其中，fr為縫隙結(jié)構(gòu)的諧振頻率，c為光在真空中傳播的速度，L為自由空間波長(zhǎng)的一半。由此，設(shè)計(jì)的為1/4波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。圖1中的諧振頻率與在矩量算法算法軟件下仿真的結(jié)果對(duì)比，如表1所示。

表1 標(biāo)簽的尺寸和對(duì)應(yīng)諧振頻率誤差

由表1知，通過(guò)對(duì)15個(gè)C型散射體結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真，得出的仿真結(jié)果與通過(guò)理論分析計(jì)算得出的諧振頻率存在的誤差最大值為3.93%，最小值為0。由此可見，仿真具有較好的效果。

3.2 降低耦合效果的實(shí)現(xiàn)

選擇不同的極化角度下對(duì)RCS曲線會(huì)帶來(lái)一定影響。RCS曲線隨著極化角度的不同變化情況，如圖3所示。

圖3 單個(gè)C型諧振單元在不同極化角度下的RCS曲線

從仿真結(jié)果可以看出，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)極化角度敏感，使得閱讀器可以通過(guò)調(diào)整極化方向進(jìn)行標(biāo)簽的區(qū)分，即標(biāo)簽具有方向敏感性。

微帶線在公共的接地板表面，相互之間產(chǎn)生了一定的耦合效果。所以，按照Vena等人提出的基于C型折疊偶極子結(jié)構(gòu)編碼方式，即諧振體對(duì)應(yīng)的諧振頻率存在時(shí)編碼為“1”，去掉相應(yīng)諧振單元，諧振頻率缺失時(shí)編碼為“0”。因?yàn)閯h去諧振單元會(huì)導(dǎo)致頻率有較大偏移，所以在大容量編碼時(shí)會(huì)帶來(lái)誤識(shí)別信息的隱患。因此，通過(guò)諧振單元短路的實(shí)現(xiàn)形式，減小由傳統(tǒng)方式帶來(lái)的頻率偏移較大的影響，以提高信息的準(zhǔn)確識(shí)別率，為大容量編碼提供有效的準(zhǔn)確率。傳統(tǒng)結(jié)果與改進(jìn)后的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖4所示。

圖4 為和傳統(tǒng)的去掉編碼單元實(shí)現(xiàn)編碼結(jié)構(gòu)相比較

圖5 中，15 bit對(duì)應(yīng)的編碼信息為ID1-111111111111111、12 bit對(duì) 應(yīng) 的 信 息 為 ID2-111011011111011。圖6為圖5中放大3.5～4.5 GHz頻段，可以看到相較于傳統(tǒng)的去掉對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的方式，采用金屬貼片隔斷的方式具有較小的頻率偏移。15個(gè)貼片的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的編碼容量為N=2k，其中k為編碼獨(dú)立結(jié)構(gòu)電源個(gè)數(shù)，本文中k為15。

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)，使用改進(jìn)后的矩陣束算法將標(biāo)簽的回波信號(hào)變換到復(fù)頻域進(jìn)行分析，提取分析后的極點(diǎn)和衰減因子，得到極點(diǎn)分布。從圖7可以看出，同傳統(tǒng)的去掉散射體結(jié)構(gòu)相比，本次采用的金屬貼片隔斷方式與原頻率點(diǎn)偏差更小，具有很好的區(qū)分效果，有利于滿足未來(lái)對(duì)大容量編碼的需求。

圖5 不同編碼信息的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

圖6 局部放大結(jié)果

圖7 標(biāo)簽諧振頻率提取結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新型的用于減小散射體諧振單元耦合的無(wú)芯RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。通過(guò)運(yùn)用電磁仿真軟件仿真驗(yàn)證后，得出其相對(duì)于傳統(tǒng)的刪減散射體單元編碼方式具有較小的頻率偏移，這對(duì)于未來(lái)大容量編碼的實(shí)現(xiàn)具有一定的意義。未來(lái)，可以在窄頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的編碼，提高頻帶利用率。同時(shí)，本文的標(biāo)簽尺寸為26 mm×56 mm，尺寸較小，可以方便地附著在識(shí)別目標(biāo)上。下一步的工作是運(yùn)用頻率和極點(diǎn)的關(guān)系，提取RCS曲線的諧振頻率，采用新型編碼方式進(jìn)一步在提取精度上優(yōu)化頻率信息。此外，在保證識(shí)別有效性的前提下，實(shí)現(xiàn)無(wú)介質(zhì)板直接打印，從而進(jìn)一步降低無(wú)芯RFID標(biāo)簽的制造復(fù)雜性，降低成本，使其可以盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。

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