基于三角形縫隙諧振器的無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)*

賈 胤， 鄒傳云， 胥 磊

0 引 言

傳統(tǒng)的有芯片標(biāo)簽包含硅芯片和天線，因而價(jià)格昂貴，使其難與低成本的條形碼技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。為了降低標(biāo)簽成本，研究提出了無(wú)芯片標(biāo)簽，其因自身的眾多優(yōu)勢(shì)，如閱讀距離遠(yuǎn)、非可視(non-line-of-sight)閱讀、自動(dòng)識(shí)別和追蹤，有潛力代替如今廣泛使用的條形碼[1]。無(wú)芯片標(biāo)簽按照編碼方式主要分為基于時(shí)域、頻域、相位和圖像編碼的無(wú)芯片標(biāo)簽?；跁r(shí)域可打印在紙基上的無(wú)芯片射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)標(biāo)簽[2～5]，每比特的編碼需添加一個(gè)分流電容器到微帶線，標(biāo)簽的體積隨編碼容量線性提升;基于時(shí)域編碼的聲表面波(surface acoustic wave,SAW)無(wú)芯片RFID標(biāo)簽[6]，可以達(dá)到所需的數(shù)據(jù)容量,但需要使用價(jià)格昂貴的壓電基片，并要采用亞微米光刻工藝制造，使標(biāo)簽成本接近于傳統(tǒng)標(biāo)簽；基于相位編碼的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽由于目前相位分辨率的限制，不能達(dá)到大容量編碼的要求[7]；基于圖像編碼的無(wú)芯片標(biāo)簽對(duì)多徑效應(yīng)不敏感[8]，且可使用印刷技術(shù)制作，但數(shù)據(jù)容量仍然不高；基于頻域編碼的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽[9]使用簡(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)，較時(shí)域標(biāo)簽有更高的數(shù)據(jù)密度，且可使用打印技術(shù)，容易實(shí)現(xiàn)小型化，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)施中發(fā)揮著重要作用。然而，由于加入了額外的諧振器,標(biāo)簽的尺寸同樣隨編碼容量的提升線性增加。國(guó)內(nèi)外研究者為提升無(wú)芯片標(biāo)簽的編碼容量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化，做了許多努力[10，11]。

本文提出了一種基于目標(biāo)自然諧振的無(wú)芯片標(biāo)簽，,利用雷達(dá)散射截面進(jìn)行信息的傳輸。標(biāo)簽由多個(gè)等邊三角形縫隙環(huán)諧振器嵌套組成，其面積并不隨編碼容量提升。單面緊湊、可完全印制的標(biāo)簽在24 mm×22 mm的尺寸內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)12 bit的編碼容量。通過(guò)仿真驗(yàn)證了標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的可行性，且標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取與入射波的極化方向無(wú)關(guān)。這種結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽可以緊湊地放置在一起，增大雷達(dá)散射截面積，提升閱讀距離，適合一些編碼容量高，閱讀距離遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 基本原理

1.1 縫隙諧振器的基本原理

一個(gè)加載了多個(gè)縫隙諧振腔的金屬貼片會(huì)在特定的頻率點(diǎn)產(chǎn)生有明顯波峰和波谷的雷達(dá)散射截面積(radar cross section,RCS)，利用這些波峰和波谷可編碼信息[12]。本文提出的等邊三角形縫隙諧振器結(jié)構(gòu)和幅頻特性如圖1所示，圖中縫隙邊長(zhǎng)為19.2 mm，縫隙寬度為0.2 mm。相較于其他諧振結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)的三角形縫隙諧振器主要有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)諧振單元在頻譜上的二次諧波可忽略不計(jì)，且在后向散射信號(hào)中不存在三次諧波。從圖1(b)可以看出，縫隙諧振器的二次諧波很小，不影響編碼，而在超寬帶(ultra wide band,UWB)(3.1～10.6 GHz)上不存在三次諧波，因此整個(gè)超寬帶均可用于編碼。2)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，任何極化方向的入射波均能得到良好的響應(yīng)，確保了本文設(shè)計(jì)的魯棒性。

圖1 單個(gè)諧振器的結(jié)構(gòu)及RCS頻譜曲線

標(biāo)簽的ID信息存在于標(biāo)簽的圖形結(jié)構(gòu)中，不同長(zhǎng)度的縫隙對(duì)應(yīng)不同的諧振頻率，依據(jù)縫隙的存在或缺失形成的頻譜簽名可以有效地編碼信息。圖2為不同控制縫隙長(zhǎng)度a對(duì)應(yīng)的RCS頻譜曲線?？梢钥闯觯煌L(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。且隨縫隙長(zhǎng)度增加，對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)頻率減小。

1.2 無(wú)芯片RFID標(biāo)簽的工作原理

圖3給出了本文提出的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽的工作原理。當(dāng)閱讀器發(fā)射天線(Tx)發(fā)送詢問(wèn)電磁波信號(hào)到達(dá)無(wú)芯片RFID標(biāo)簽的表面時(shí)，一個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)所決定的特有的頻率簽名即被激發(fā)，改變?nèi)肷潆姶挪ǖ念l譜結(jié)構(gòu)。接收天線(Rx)會(huì)接收到隱含編碼信息的后向散射信號(hào)，閱讀器記錄并提取這個(gè)獨(dú)有的頻譜簽名，恢復(fù)出編碼信息。為了減小發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的相互耦合，發(fā)射天線和接收天線呈90°放置。

圖3 無(wú)芯片RFID標(biāo)簽的工作原理

2 無(wú)芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖4所示，標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，圖中黑色線條為設(shè)計(jì)的等邊三角形縫隙。最長(zhǎng)的縫隙邊長(zhǎng)L1=23.308 mm，對(duì)應(yīng)編碼的最高有效位(the most significant bit,MSB)；最短的縫隙邊長(zhǎng)L12=8.084 mm，對(duì)應(yīng)編碼的最低有效位(least significant bit,LSB)。為使標(biāo)簽制作簡(jiǎn)單，縫隙間距Wslot=0.2 mm，縫隙寬度Ws=0.2 mm?；宀牧喜捎肨aconic TLX-0(相對(duì)介電常數(shù)εr=2.45、損耗角正切tanδ=0.001 9)，標(biāo)簽的整體尺寸為24 mm×22 mm×0.8 mm，可實(shí)現(xiàn)12 bit的編碼容量,其他諧振單元邊長(zhǎng)Lx+1=23.308-1.384x。

圖4 無(wú)芯片標(biāo)簽設(shè)計(jì)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值基板長(zhǎng)度L24基板厚度h0.800基板寬度W22邊緣空隙s0.613

當(dāng)標(biāo)簽受到平面電磁波激勵(lì)，每一個(gè)縫隙諧振器在頻譜上均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波峰和波谷，其中波谷用于編碼1位數(shù)據(jù)。當(dāng)波谷存在時(shí)，表示邏輯狀態(tài)“1”，反之，表示邏輯狀態(tài)“0”。通過(guò)增加開槽數(shù)量，縮小縫隙間距，可以提升編碼容量，而并不增大標(biāo)簽表面。通過(guò)簡(jiǎn)單地加入或移除諧振器，控制頻率選擇特性，得到各種編碼的標(biāo)簽。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 無(wú)芯片標(biāo)簽仿真與編碼分析

在該無(wú)芯片標(biāo)簽中，按照諧振體長(zhǎng)度從大到小的順序分別設(shè)置序號(hào)為1～12，則對(duì)應(yīng)的諧振頻率從小到大。通過(guò)仿真得到不同邊長(zhǎng)諧振體對(duì)應(yīng)的諧振頻率如表2所示。

表2 不同邊長(zhǎng)諧振單元參數(shù)

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，設(shè)計(jì)了4種不同編碼的標(biāo)簽ID為:111111111111，110110111011，101010101010，010101010101，如圖5所示。通過(guò)電磁仿真軟件FEKO進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，建模時(shí)將諧振單元設(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 具有不同ID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)示意

上述設(shè)計(jì)的無(wú)芯片標(biāo)簽的仿真結(jié)果如圖6所示，通過(guò)移除一些縫隙，可以構(gòu)成12 bit的各種編碼。圖5(a)中12個(gè)等邊三角形縫隙諧振器均存在，這個(gè)標(biāo)簽有12個(gè)全為“1”的編碼。其仿真結(jié)果圖6(a)顯示了標(biāo)簽有12個(gè)諧振谷，即頻譜簽名全為“1”，代表ID：111111111111。圖5(b)中序號(hào)分別為3，6，10的等邊三角形縫隙諧振器被移除，則仿真結(jié)果圖6(a)顯示了標(biāo)簽的第3，6，10個(gè)波谷亦消失，即這3個(gè)位置的頻譜簽名為“0”，其他的所有波谷均沒有因?yàn)檫@3個(gè)諧振器的移除而發(fā)生明顯改變，代表ID：110110111011。其他ID以此類推。另外，由于縫隙諧振器之間的相互耦合，在移除諧振器之后，相鄰諧振頻率有一個(gè)很小的偏移，可以通過(guò)去諧校正技術(shù)克服[13]。

圖6 標(biāo)簽的RCS幅頻特性仿真

3.2 入射波極化角度的影響

圖7為不同極化角度的RCS幅頻特性曲線?？梢钥闯觯簶O化角度分別等于0°，30°，60°，90°時(shí)，諧振頻率點(diǎn)并未發(fā)生明顯改變?？梢宰C明這種結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽極化獨(dú)立，對(duì)極化角度不敏感。另外，諧振谷深度在一些諧振點(diǎn)發(fā)生了變化，但未對(duì)標(biāo)簽的檢測(cè)識(shí)別產(chǎn)生干擾，僅影響其閱讀范圍。

圖7 不同極化角度的RCS幅頻特性仿真

3.3 多諧振結(jié)構(gòu)加載標(biāo)簽設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽?zāi)芤苑浅＞o湊的方式多個(gè)并排放置，增大標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面積，可得到更長(zhǎng)的閱讀距離。放置4個(gè)相同的標(biāo)簽，形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 多諧振結(jié)構(gòu)加載的標(biāo)簽

圖9比較了該多諧振結(jié)構(gòu)加載的無(wú)芯片標(biāo)簽和單個(gè)無(wú)芯片標(biāo)簽的RCS幅頻特性曲線。可以看出，與單個(gè)標(biāo)簽相比，該結(jié)構(gòu)能檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度增加了3～9 dB。信號(hào)強(qiáng)度在高頻時(shí)增加更多，同時(shí)二次諧波的影響也更低。

圖9 2種標(biāo)簽的RCS幅頻特性仿真

4 結(jié) 論

本文提出了一種新穎的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。標(biāo)簽由多個(gè)三角形縫隙諧振器組成，結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，制作簡(jiǎn)單。由于采用了三角形結(jié)構(gòu)，標(biāo)簽的后向散射信號(hào)對(duì)入射波的極化角度不敏感，使標(biāo)簽的實(shí)用性更強(qiáng)。此外，還探索了增大閱讀距離的方法。標(biāo)簽不存在接地板，這種單面的緊湊的結(jié)構(gòu)能像條形碼一樣，用導(dǎo)電油墨直接印刷到ID卡、信用卡甚至紙張上面。

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