大容量遠(yuǎn)距離聲表面波標(biāo)簽研究

賈 浩 陳智軍 徐海林 李亞飛

1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京，2111062.中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京，210016

0 引言

聲表面波(surface acoustic wave,SAW)標(biāo)簽是聲表面波射頻識別系統(tǒng)的核心組成部分，其性能直接決定系統(tǒng)的整體性能[1-2]。脈沖幅度[3]和脈沖位置編碼[4]是聲表面波標(biāo)簽常用的兩種編碼方案，但是均存在編碼容量不大等缺點(diǎn)。相位步進(jìn)脈沖位置編碼在脈沖位置編碼的基礎(chǔ)上，對相位進(jìn)行更為精細(xì)的編碼，利用相位的高分辨率彌補(bǔ)時間分辨率的不足，提高了標(biāo)簽的編碼容量。雙通道標(biāo)簽將聲波的傳播路徑一分為二，形成兩個聲通道，相對于單通道標(biāo)簽，其在回波幅值和回波一致性上都有所提高。本文從SAW標(biāo)簽的編碼方案和標(biāo)簽結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，設(shè)計制作了采用相位步進(jìn)脈沖位置編碼的雙通道標(biāo)簽，以滿足實(shí)際使用中的大容量和遠(yuǎn)距離要求[5-6]。

1 聲表面波標(biāo)簽

SAW標(biāo)簽是基于壓電效應(yīng)工作的，主要由壓電基底、叉指換能器(inter-digital transducer,IDT)和反射柵構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 聲表面波標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of surface acoustic wave tag structure

對于SAW標(biāo)簽，壓電基底的材料選擇至關(guān)重要，其性能直接影響SAW標(biāo)簽的性能。選擇壓電材料時，需要考慮的參數(shù)有SAW波速、機(jī)電耦合系數(shù)和傳輸損耗等。IDT是產(chǎn)生SAW的一種電聲換能器，由分別連接到上下匯流條的金屬指條交叉組合而成。當(dāng)激勵信號加載到匯流條兩端時，在基底表面建立起交變電場，通過逆壓電效應(yīng)在壓電基底表面激發(fā)出聲表面波。反射柵一般由周期性的金屬柵條構(gòu)成，由于金屬柵條與壓電基底之間的聲阻抗不連續(xù)將產(chǎn)生機(jī)械反射，同時，反射柵中還存在聲電再生效應(yīng)，也會產(chǎn)生電學(xué)反射[7]。

SAW標(biāo)簽應(yīng)用于射頻識別系統(tǒng)時，其工作過程如圖2所示。閱讀器發(fā)射的射頻查詢脈沖經(jīng)標(biāo)簽天線接收進(jìn)入IDT，通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為聲表面波；聲表面波在沿壓電基底傳播的過程中遇到反射柵產(chǎn)生部分反射和部分透射，各反射柵的反射信號由IDT經(jīng)正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為回波脈沖串；閱讀器通過回波脈沖串時間延遲與反射柵位置之間的關(guān)系來獲得標(biāo)簽編碼信息[8]。由于SAW的傳播速度為3～4 km/s，比電磁波低5個數(shù)量級，因此經(jīng)過電-聲、聲-電轉(zhuǎn)換之后的回波脈沖串與環(huán)境干擾信號在時間上能夠明顯區(qū)分開來，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，這也是聲表面波射頻識別系統(tǒng)的優(yōu)勢之一。

圖2 聲表面波射頻識別系統(tǒng)Fig.2 Surface acoustic wave radio frequency identification system

2 相位步進(jìn)脈沖位置編碼方案

聲表面波標(biāo)簽最常見的編碼方案是脈沖幅度和脈沖位置編碼，分別如圖3a、圖3b所示。圖3b中，d1為數(shù)據(jù)區(qū)與起始和截止反射柵之間以及相鄰數(shù)據(jù)區(qū)之間的間隔，d2為數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)相鄰時隙的間隔。

圖3 常見的聲表面波標(biāo)簽編碼方案Fig.3 Common surface acoustic wave tag coding scheme

脈沖幅度編碼通常是在SAW標(biāo)簽的有效區(qū)域內(nèi)等間距排列多個位置固定的時隙，每個時隙代表一位編碼，通過時隙上有無反射柵來實(shí)現(xiàn)1、0編碼，類似于二進(jìn)制編碼方案[3]。以圖3a所示的標(biāo)簽為例，其編碼為10110101。對于具有8位編碼的SAW標(biāo)簽，其容量為28=256。

脈沖幅度編碼存在一定的局限性。首先，標(biāo)簽的編碼密度較低；其次，不同標(biāo)簽的反射柵數(shù)目和位置各不相同，使得回波幅值差異較大，即回波一致性較差，導(dǎo)致標(biāo)簽的有效識別變得困難。

脈沖位置編碼利用回波脈沖相對于參考點(diǎn)的時延對標(biāo)簽進(jìn)行編碼。在基底上劃分不同的數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)之間以隔離區(qū)區(qū)分，每個數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)又等間距地劃分一定數(shù)量的時隙，同一數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)可以放置一個或多個反射柵[4]。以圖3b所示的標(biāo)簽為例，起始反射柵和截止反射柵作為參考，其數(shù)據(jù)區(qū)的時隙編碼為2-1-3-0-2-1。若規(guī)定每個數(shù)據(jù)區(qū)只放一個反射柵，則上述標(biāo)簽的編碼容量為46=4 096。

與脈沖幅度編碼相比，在相同的編碼容量下，脈沖位置編碼大幅度減少了回波脈沖個數(shù)，即減少了反射柵的數(shù)量，從而降低了標(biāo)簽的插入損耗，提高了回波信號的信噪比。若每個數(shù)據(jù)區(qū)只存在一個反射柵，則不同編碼的標(biāo)簽只是反射柵位置發(fā)生變化，反射柵個數(shù)仍保持不變，SAW的傳輸損耗是相近的，因此具有較好的回波一致性。

雖然脈沖位置編碼的編碼容量比脈沖幅度編碼有了本質(zhì)上的提高，但其容量仍然有限，從而限制了聲表面波射頻識別系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。事實(shí)上，在標(biāo)簽的回波信號中，不僅包括幅度和時延信息，還包括相位信息，并且相位分辨率遠(yuǎn)大于時間分辨率。相位延遲與時間延遲之間的關(guān)系為

Δφ=2πfΔτ

(1)

式中，Δτ為時間延遲；Δφ為相應(yīng)的相位延遲；f為查詢脈沖的載波頻率。

相位步進(jìn)脈沖位置編碼將脈沖時延編碼與相位編碼相結(jié)合，通過相位測量的高分辨率來彌補(bǔ)時間分辨率的不足。采用相位步進(jìn)脈沖位置編碼方案的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖4所示，該標(biāo)簽包含1個起始反射柵、1個截止反射柵和6個數(shù)據(jù)區(qū)，每個數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)包含4個時隙，分別編碼為0、1、2和3，進(jìn)一步地，每個時隙內(nèi)又細(xì)分為3個步進(jìn)相位0°、120°和240°，分別編碼為A、B和C。上述采用相位步進(jìn)脈沖位置編碼方案的標(biāo)簽，其編碼容量為(4×3)6=2 985 984，接近300萬，可滿足很多場合的應(yīng)用要求。

圖4 相位步進(jìn)脈沖位置編碼方案Fig.4 Phase stepping pulse position coding scheme

對采用上述編碼方案的標(biāo)簽進(jìn)行解碼時，采用數(shù)字正交解調(diào)方法提取時隙和相位信息，過程如圖5所示。

圖5 數(shù)字正交解調(diào)過程Fig.5 Digital quadrature demodulation process

回波經(jīng)過AD采樣的數(shù)字信號可以用下式描述：

(2)

式中，f0為采樣信號的中心頻率；N為回波脈沖串的數(shù)量，即標(biāo)簽的反射柵數(shù)量；Ai(n)為第i個反射柵的回波包絡(luò)幅值；φi為第i個反射柵的相位。

數(shù)控振蕩器(numerically controlled oscillator,NCO)是數(shù)字正交解調(diào)的重要組成部分，分別產(chǎn)生相互正交的I、Q兩路信號inco(n)、qnco(n)：

(3)

將I、Q兩路信號分別與采樣信號混頻，可得到I′(n)、Q′(n)兩路信號：

(4)

采用低通濾波濾除I′(n)、Q′(n)信號中的高頻項，得到基帶信號I(n)、Q(n)：

(5)

將基帶信號代入下式，便可解算出回波信號的時隙編碼和相位編碼：

(6)

(7)

3 單通道與雙通道標(biāo)簽對比分析

在單通道聲表面波標(biāo)簽的基礎(chǔ)上，將聲波傳播路徑劃分為上下兩個通道，并將反射柵依序置于兩個通道，便可以得到雙通道聲表面波標(biāo)簽。單、雙通道聲表面波標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 兩種聲表面波標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of two types of surface acoustic wave tag

當(dāng)SAW在傳播過程中經(jīng)過反射柵時，一部分能量因柵條與基底的聲阻抗不匹配產(chǎn)生反射，另一部分能量透射，還有極少的一部分能量散射。對于反射柵，可列出能量守恒公式如下：

R2+T2+Esc=1

(8)

式中，R、T、Esc分別為反射柵的反射率、透射率和散射能量，Esc通常取常數(shù)0.023。

反射柵的反射率與圖1所示的構(gòu)成反射柵的金屬柵條寬度、厚度和條數(shù)有關(guān)。金屬柵條的寬度和厚度越大、條數(shù)越多，反射率越高[9-10]。通常為便于工藝制作，聲表面波標(biāo)簽各反射柵的金屬柵條的寬度、厚度以及條數(shù)均相等。

以單通道標(biāo)簽為例，圖7描述了聲表面波依次經(jīng)過各反射柵時的反射、透射過程，以及與該過程有關(guān)的參數(shù)和反射柵對應(yīng)的回波。

圖7 聲表面波經(jīng)過各反射柵時的反射和透射過程Fig.7 Reflection and transmission of surface acoustic wave passing through reflector

忽略反射柵間的多次反射影響，第i個反射柵對應(yīng)的回波幅值可寫成如下形式：

Si=FiS0

(9)

式中，S0為標(biāo)簽的輸入信號幅值；Fi為第i個回波的衰減系數(shù)。

以第1個反射柵即起始反射柵對應(yīng)的第1個回波為例，其衰減系數(shù)可寫為如下形式[11]：

(10)

式中，D為IDT的電-聲、聲-電換能系數(shù)；P0為第1個反射柵與IDT之間的傳輸損耗。

相鄰回波之間的衰減系數(shù)存在如下遞推關(guān)系：

(11)

式中，Pi為第i+1個反射柵與第i個反射柵之間的傳輸損耗。

由式(11)可知，對于SAW標(biāo)簽，當(dāng)在聲表面波傳播路徑上依次分布著若干個反射率相同的反射柵時，各反射柵對應(yīng)的回波幅值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，即在所有反射柵中，起始反射柵對應(yīng)的回波幅值最大，截止反射柵對應(yīng)的回波幅值最小。

綜上所述，如果系統(tǒng)能夠成功讀取截止反射柵對應(yīng)的回波，就能保證對其他回波的讀取，從而實(shí)現(xiàn)對SAW標(biāo)簽的有效識別。因此，截止反射柵的回波幅值可以表征標(biāo)簽以及系統(tǒng)的性能。起始反射柵與截止反射柵對應(yīng)的回波幅值之差可以表征標(biāo)簽的回波一致性，幅值差越小，回波一致性越好。

對于如圖6a所示的包括8個反射柵的單通道標(biāo)簽，當(dāng)各個反射柵的反射率相同時，其截止反射柵對應(yīng)回波的衰減系數(shù)為

D2(P′8)2T14R

(12)

式中，P′8為截止反射柵與IDT之間的傳輸損耗。

由于壓電材料的傳輸損耗與其傳輸距離成正比，因此針對單通道聲表面波標(biāo)簽，可推導(dǎo)出表征標(biāo)簽回波一致性的起始反射柵與截止反射柵對應(yīng)的回波幅值差：

(13)

式中，PL為截止反射柵與起始反射柵之間的傳輸損耗，回波幅值差以分貝的形式表述。

對于圖6b所示的雙通道聲表面波標(biāo)簽，每個通道的SAW能量為圖6a單通道的一半，且每個通道上SAW經(jīng)過的反射柵數(shù)目也減少到單通道的一半。對式(12)進(jìn)行修正，可得到雙通道標(biāo)簽截止反射柵對應(yīng)回波的衰減系數(shù)：

(14)

相應(yīng)地，表征雙通道聲表面波標(biāo)簽回波一致性的幅值差：

(15)

基于上述理論分析，針對各反射柵反射率均相同的單通道與雙通道聲表面波標(biāo)簽，對其回波幅值進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。圖8a為兩種標(biāo)簽的起始、截止反射柵回波幅值隨反射柵反射率的變化，圖8b為表征回波一致性的起始、截止反射柵回波幅值差的相應(yīng)變化。

圖8 單通道與雙通道聲表面波標(biāo)簽的回波幅值Fig.8 Echo amplitude of single and dual-channelsurface acoustic wave tag

分析仿真結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)無論單通道還是雙通道聲表面波標(biāo)簽，起始反射柵的回波幅值都隨反射柵的反射率增大而增大，截止反射柵在反射率較小時有相同的變化趨勢，之后則隨反射柵的反射率增大而減小。鑒于截止反射柵的回波幅值用于表征標(biāo)簽以及系統(tǒng)的性能，因此為保證標(biāo)簽具有足夠的識別距離，反射柵的反射率不能過大。

(2)在反射柵反射率相同的前提下，雙通道標(biāo)簽的截止反射柵回波幅值明顯大于單通道標(biāo)簽，表明雙通道標(biāo)簽具有更遠(yuǎn)的識別距離。

(3)無論單通道還是雙通道聲表面波標(biāo)簽，隨著反射柵反射率的增大，起始與截止反射柵對應(yīng)的回波之間的幅值差也越大。為保證標(biāo)簽具有較好的回波一致性，反射柵反射率不能過大。

(4)在反射柵反射率相同的前提下，雙通道標(biāo)簽的起始與截止反射柵的回波幅值差明顯小于單通道標(biāo)簽，表明雙通道標(biāo)簽具有更好的回波一致性。

(5)對于反射柵數(shù)量相同的單通道與雙通道聲表面波標(biāo)簽，在回波一致性相同的前提下，雙通道標(biāo)簽可以選取更大的反射柵反射率，從而使得標(biāo)簽的識別距離更遠(yuǎn)。

4 標(biāo)簽測試

實(shí)際制作了內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示的單通道、雙通道兩種聲表面波標(biāo)簽，兩種標(biāo)簽均采用圖4所示的相位步進(jìn)脈沖位置編碼方案。標(biāo)簽的壓電基底為Y-Z鈮酸鋰，中心頻率為922.5 MHz。雙通道標(biāo)簽的每個反射柵均由4個金屬柵條構(gòu)成，大于單通道標(biāo)簽每個反射柵的3個金屬柵條，從而使得雙通道標(biāo)簽的反射柵反射率大于單通道標(biāo)簽。

圖9 封裝后的聲表面波標(biāo)簽Fig.9 Packaged surface acoustic wave tag

兩種標(biāo)簽封裝后的外觀完全一樣。聲表面波標(biāo)簽實(shí)物和焊接在測試座上的標(biāo)簽分別如圖9a、圖9b所示。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量標(biāo)簽的S11參數(shù)，并將頻域的S11數(shù)據(jù)通過逆傅里葉變換得到時域回波信息。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀的單通道、雙通道聲表面波標(biāo)簽時域回波測試結(jié)果如圖10a、圖10b所示。

圖10 采用網(wǎng)絡(luò)分析儀的聲表面波標(biāo)簽時域回波測試結(jié)果Fig.10 Time domain echo test result of surface acoustic wave tag using network analyzer

從圖10a可以看出，單通道聲表面波標(biāo)簽的8個回波幅值逐漸減小。對于圖10b所示的雙通道標(biāo)簽回波信號，由于奇數(shù)號和偶數(shù)號反射柵分別位于上下兩個不同的通道，因此，位于不同通道的相鄰近的奇、偶數(shù)號反射柵對應(yīng)的回波，其幅值近似相等，而在各自通道內(nèi)，其回波幅值仍然呈現(xiàn)依次遞減的趨勢。上述兩種標(biāo)簽的測試結(jié)果與理論分析和數(shù)值仿真一致。比較圖10a和圖10b可以發(fā)現(xiàn)，雙通道標(biāo)簽的回波幅值明顯大于單通道標(biāo)簽的回波幅值，表明雙通道標(biāo)簽的性能更優(yōu)，具有更遠(yuǎn)的識別距離。

為進(jìn)一步定量分析單通道、雙通道兩種標(biāo)簽的識別距離，自制閱讀器對標(biāo)簽進(jìn)行了測試。閱讀器的接收機(jī)靈敏度為-66 dBm，閱讀器原理框圖和相應(yīng)的實(shí)物分別如圖11a、圖11b所示。實(shí)際搭建的包括聲表面波標(biāo)簽和閱讀器的射頻識別系統(tǒng)如圖12所示。

圖11 閱讀器Fig.11 The reader

圖12 實(shí)際搭建的聲表面波射頻識別系統(tǒng)Fig.12 Surface acoustic wave radio frequency identification system

采用閱讀器的聲表面波標(biāo)簽測試結(jié)果如圖13所示。圖13a、圖13b為雙通道標(biāo)簽在距離5 m左右時的回波幅值、相位信息，圖13c為相應(yīng)的下位機(jī)界面，可以準(zhǔn)確識別標(biāo)簽的編碼“2A-1B-3A-0B-2A-1B”。將標(biāo)簽逐漸遠(yuǎn)離閱讀器進(jìn)行測試，圖13a所示的回波幅值隨之逐漸減小，系統(tǒng)最終無法識別編碼信息。對單雙通道聲表面波標(biāo)簽都進(jìn)行了測試，雙通道標(biāo)簽最遠(yuǎn)識別距離可達(dá)7.8 m，遠(yuǎn)大于單通道標(biāo)簽的2.2 m識別距離。除室內(nèi)環(huán)境外，在室外噪聲較大的環(huán)境也進(jìn)行了測試，由于聲表面波標(biāo)簽本身的抗干擾能力強(qiáng)，雙通道標(biāo)簽依然能達(dá)到7 m左右的識別距離。與近年來國內(nèi)外同行5 m以內(nèi)的識別距離[12-14]相比，本文具有較明顯的提升。

圖13 采用閱讀器的聲表面波標(biāo)簽測試結(jié)果Fig.13 Test results of surface acoustic wave tag using reader

5 結(jié)論

(1)本文在聲表面波標(biāo)簽脈沖幅度、脈沖位置編碼的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相位步進(jìn)脈沖位置編碼方案，利用相位測量的高分辨率來彌補(bǔ)時間分辨率的不足，從而實(shí)現(xiàn)大容量編碼。

(2)通過理論推導(dǎo)和仿真分析對比研究了單通道與雙通道聲表面波標(biāo)簽的回波幅值、回波一致性與反射柵反射率之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，在反射柵反射率相同的前提下，雙通道標(biāo)簽具有更遠(yuǎn)的識別距離和更好的回波一致性。與此同時，對于反射柵數(shù)量相同的兩種標(biāo)簽，雙通道標(biāo)簽可以選取更高的反射柵反射率，從而具有更遠(yuǎn)的識別距離。

(3)實(shí)際制作了單通道、雙通道兩種聲表面波標(biāo)簽，分別采用網(wǎng)絡(luò)分析儀和自制閱讀器對標(biāo)簽進(jìn)行了測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了采用相位步進(jìn)脈沖位置編碼方案雙通道標(biāo)簽的大容量和遠(yuǎn)距離特點(diǎn)。