基于弧型諧振器的高密度無芯片RFID標(biāo)簽

李珊珊，薛嚴(yán)冰,宋智,陳寶君

(大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

射頻識別(Radio Frequency Identification ，RFID)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的射頻識別系統(tǒng)標(biāo)簽因芯片的高成本限制無法取代光學(xué)條形碼而大規(guī)模應(yīng)用，所以提出了無芯片標(biāo)簽(chipless RFID)[1-3].無芯片標(biāo)簽主要基于時(shí)域、頻域進(jìn)行編碼.最早出現(xiàn)的利用延時(shí)線技術(shù)的無芯片標(biāo)簽，閱讀器檢測的時(shí)間要求納秒級，實(shí)現(xiàn)困難且編碼容量不足[4].基于時(shí)域的聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)標(biāo)簽，是唯一商用的無芯片標(biāo)簽，但這種標(biāo)簽制作時(shí)其壓電材料需要亞微米級的光刻技術(shù)，成本與有芯片標(biāo)簽相比并無優(yōu)勢[5].基于頻域的無芯片標(biāo)簽可以提高編碼密度[6]，通過諧振器結(jié)構(gòu)位置改變頻譜進(jìn)行編碼，編碼容量取決于諧振器的數(shù)目[7].文獻(xiàn)[8]利用多螺旋諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了35bits的編碼，標(biāo)簽尺寸為 88 mm×35 mm×0.8 mm.文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了八邊環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)的無芯片標(biāo)簽，使用電墨水印刷，標(biāo)簽可以彎折，但在有限的頻譜資源內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)5bits編碼.文獻(xiàn)[10]提出頻域RCS(Radar Cross Section，RCS)幅值編碼的無芯片標(biāo)簽，利用不同位置的C形貼片得到不同幅值的諧振峰，根據(jù)開口間隙的大小來控制幅值實(shí)現(xiàn)編碼，但品質(zhì)因數(shù)低，且電磁耦合現(xiàn)象明顯.文獻(xiàn)[11]為縮小標(biāo)簽尺寸，減少空間消耗，利用改進(jìn)的互補(bǔ)開口環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼.文獻(xiàn)[12]提出一種基于馬刺線諧振器的新型無芯片標(biāo)簽，在不增加標(biāo)簽尺寸同時(shí)不降低性能的情況下，將標(biāo)簽由8bits提高到14bits.文獻(xiàn)[13]將幅度和頻率編碼技術(shù)結(jié)合，為使數(shù)據(jù)容量增大，在微帶環(huán)上加載電阻以控制反向散射信號的幅度，但是需要焊接不同阻值電阻，不能實(shí)現(xiàn)完全印刷.文獻(xiàn)[14]中提出了基于頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)的無芯片標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)了6bits編碼容量，但因?yàn)槌霈F(xiàn)了旁瓣諧振點(diǎn)造成識別不精準(zhǔn).

為解決無芯片標(biāo)簽尺寸大、編碼位數(shù)少、容量低的問題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的弧型諧振器無芯片標(biāo)簽，根據(jù)RCS幅頻特性進(jìn)行編碼，應(yīng)用拐點(diǎn)短路重構(gòu)，頻率分離法減小電磁耦合.通過數(shù)值仿真給出弧長與諧振頻率的擬合關(guān)系式，并利用公式在2.5～7.7 GHz頻帶、38 mm×18 mm的Rogers RT/duriod 5880的介質(zhì)基板上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了20 bits的無芯片標(biāo)簽.

1 弧型諧振器結(jié)構(gòu)及編碼原理

1.1 弧型諧振器結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算

為了使標(biāo)簽充分利用輻射貼片表面空間，結(jié)構(gòu)更加緊湊，編碼單元采用了1/4波長弧型槽諧振器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

介質(zhì)基板尺寸為Sl×Sw，開槽的寬度為Ws，開槽兩側(cè)覆銅層寬度均為ds，L0是弧型開槽短路一側(cè)到圓心的水平距離，弧長半徑為R0，弧長度為Lslot.其中Lslot可由式(1)得到.

(1)

1.2 弧型諧振器編碼原理

當(dāng)金屬散射體受到一束均勻平面電磁波照射，因?yàn)殚_槽的存在，某個(gè)頻段的電磁波會(huì)直接透射，其余頻點(diǎn)的電磁波會(huì)通過金屬進(jìn)行散射，則此時(shí)單站RCS的幅頻特性會(huì)在某個(gè)頻點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)諧振波谷，波谷存在對應(yīng)二進(jìn)制‘1’，反之為’0’.故一個(gè)弧型開槽對應(yīng)1 bit編碼.

用電磁仿真軟件HFSS對圖1所示的弧型開槽諧振器進(jìn)行單站RCS仿真，介質(zhì)基板選用Rogers RT/duriod 5880，其相對介電常數(shù)εr為2.2，電正切損耗tanδ為0.000 9，介質(zhì)基板厚度h為0.787 mm.其仿真的結(jié)果如圖2所示.可以看出，整個(gè)編碼頻段內(nèi)該結(jié)構(gòu)只在3 GHz附近出現(xiàn)一個(gè)波谷頻點(diǎn)，即只對應(yīng)一個(gè)諧振頻率，沒有高次諧波產(chǎn)生.因此可以在較寬的頻段內(nèi)利用不同諧振頻率的多個(gè)諧振器進(jìn)行多位編碼.

在改變標(biāo)簽編碼時(shí)，通常采用的方式是移除諧振器使對應(yīng)位諧振消失，導(dǎo)致不同編碼標(biāo)簽具有不同的結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)重構(gòu).本文采用拐點(diǎn)短路法，不需改變標(biāo)簽整體結(jié)構(gòu)，僅在需重構(gòu)的諧振器上加載一個(gè)短路貼片.為確定短路貼片的合理加載位置，對諧振頻率表面電場強(qiáng)度和表面電流強(qiáng)度進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示.

根據(jù)圖3(a)可以看出，弧型槽的開路處感應(yīng)電場強(qiáng)度最大，且表面電場沿著槽開路端逐漸向短路端減小；根據(jù)圖3(b)可以看出，電流沿著槽的邊緣從一側(cè)流向另一側(cè)中間并未分流，可以等效成一個(gè)串聯(lián)諧振電路.同時(shí)，電流的大小在槽短路的一側(cè)最強(qiáng)，因此應(yīng)將短路貼片盡量遠(yuǎn)離槽短路端，以減少由于電磁耦合造成的短路貼片對相鄰諧振器的影響.加載短路貼片的諧振器如圖4(a)所示，其RCS幅頻特性仿真結(jié)果如圖4(b)所示.

可以看出增加短路貼片后，RCS頻譜上3GHz附近的諧振消失，該位編碼由邏輯“1”變?yōu)檫壿嫛?”，因此，利用拐點(diǎn)短路法可以移除弧型槽諧振器的諧振陷波，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽編碼的重構(gòu).

2 20bits無芯片標(biāo)簽設(shè)計(jì)與仿真

2.1 弧長與諧振頻率的關(guān)系

弧型槽諧振器是一種1/4波長諧振器，目前并沒有一個(gè)合理的等效電路模型，本文給出諧振頻率點(diǎn)與對應(yīng)弧型開槽長度的關(guān)系式，進(jìn)而為多諧振器的設(shè)計(jì)提高了效率.在HFSS軟件中根據(jù)式(1)建立了弧長從9.8 mm變化到24.6 mm的不同諧振器結(jié)構(gòu)，仿真了各結(jié)構(gòu)RCS幅頻特性，獲得了弧長與對應(yīng)諧振頻率點(diǎn)的關(guān)系，如圖5所示.

由圖5可知，隨著弧長的不斷增大，諧振頻率減小.將弧長設(shè)為自變量x(單位取為mm)，諧振頻率為因變量y(單位為GHz)，采用三次函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如式(2)所示：

(2)

擬合曲線的R2值為0.99，擬合效果良好，可以用來近似地描述諧振頻率點(diǎn)與弧長的關(guān)系.

保持弧長Lslot為20.1 mm，改變開槽寬度Wslot從0.1～0.5 mm，仿真了開槽寬度同諧振頻率的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖6所示.可以看出，與開槽長度明顯改變諧振頻率不同，開槽寬度對頻率影響不大，當(dāng)Wslot=0.3 mm時(shí)，對應(yīng)的陷波的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)45.32，諧振特性最好，所以在設(shè)計(jì)標(biāo)簽時(shí)，將開槽寬度確定為0.3 mm，通過改變弧長實(shí)現(xiàn)不同頻率的諧振.

2.2 20bits標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

在38 mm×18 mm基板上設(shè)計(jì)標(biāo)簽，將20個(gè)弧型諧振槽開在扇形覆銅層上.為減小相鄰諧振器間的耦合作用，采用頻率分離方法，將頻域中相鄰諧振頻率對應(yīng)的諧振器分別設(shè)計(jì)在了不同的輻射貼片上，即覆銅貼片1的開槽對應(yīng)第2、4、6,…20諧振頻率，而覆銅貼片2對應(yīng)1、3、5、…19諧振頻率.20個(gè)弧型開槽對應(yīng)的弧長分別為Lslot1-Lslot20.圖7是20 bits標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)圖.

設(shè)計(jì)工作頻帶為2.5～7.7 GHz，為實(shí)現(xiàn)頻帶隔離，且考慮到高頻電磁耦合現(xiàn)象加劇，前8位諧振頻率的間隔設(shè)為200 MHz，后12位諧振頻率的間隔設(shè)為300 MHz，根據(jù)式(2)，計(jì)算出各諧振器的弧長參數(shù)，建立20 bits標(biāo)簽的模型，獲得20bits標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示.

表1 20bits標(biāo)簽參數(shù) mm

2.3 20bits仿真結(jié)果與分析

將圖7結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽定義為Tag1，在此基礎(chǔ)上利用拐點(diǎn)短路法進(jìn)行了三種典型重構(gòu)，分別為Tag2、Tag3、Tag4.圖8是四個(gè)標(biāo)簽仿真結(jié)果.Tag1(圖8(a))的20個(gè)諧振器產(chǎn)生了箭頭指向的20個(gè)諧振峰，表明可以實(shí)現(xiàn)20bits編碼，且諧振頻率點(diǎn)分布相對均勻，諧振特性明顯，RCS回波強(qiáng)度至少為-27.36dBsm.Tag2將后10位進(jìn)行重構(gòu)，后10位諧振波谷消失，前10位諧振諧振頻率點(diǎn)未發(fā)生明顯偏移(圖8(b)).Tag3根據(jù)結(jié)構(gòu)將相鄰弧槽依次交替進(jìn)行重構(gòu)，雖然該重構(gòu)方式相鄰槽間耦合作用最大，但10位“1”編碼未缺失，可知各諧振單元頻率特征相互獨(dú)立(圖8(c)).Tag4對標(biāo)簽進(jìn)行“1”“0”交替重構(gòu)編碼，諧振波谷偶數(shù)位消失(圖8(d)).

將圖8中Tag1、Tag2、Tag3、Tag4的諧振頻率在表2中進(jìn)行比較.可以看出由于采用了頻率分離設(shè)計(jì)，有效減小了重構(gòu)對相鄰諧振器的電磁耦合效應(yīng)，重構(gòu)后標(biāo)簽結(jié)構(gòu)與諧振點(diǎn)個(gè)數(shù)相對應(yīng)，相對于未重構(gòu)的諧振頻率在低頻段基本未產(chǎn)生偏移，而高頻段因?yàn)橹C振器相互之間的耦合作用有一定偏差，可通過簡單信號處理正確識別編碼.

表2 20bits標(biāo)簽重構(gòu)和未重構(gòu)之間諧振頻率點(diǎn)的比較

3 測試

3.1 標(biāo)簽的制作

采用濕法腐蝕法制作了Tag1和Tag2，其實(shí)物圖如圖9所示.

3.2 測試系統(tǒng)與測試方法

測試時(shí)使用的是Agilent N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)，測試前進(jìn)行開路負(fù)載、短路負(fù)載、50Ω寬頻帶負(fù)載校準(zhǔn).標(biāo)簽的單站RCS測試示意圖如圖10所示：寬頻帶天線連接在一個(gè)校準(zhǔn)好的VNA端口，將標(biāo)簽置于天線前方，測量參數(shù)為S11.

將測量獲得的S11參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得復(fù)RCS，計(jì)算方法如式(3)所示[15]：

(3)

3.3 測試結(jié)果

圖11是20bits標(biāo)簽實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)公式(3)處理后得到的RCS結(jié)果，從圖中可以明顯看出，20bits標(biāo)簽具有20個(gè)諧振陷波(箭頭所指區(qū)域)，而重構(gòu)后被短路的諧振器的諧振“陷波”消失(虛線圓區(qū)域)，標(biāo)簽編碼可以被正確識別.

3.4 標(biāo)簽性能對比

表3列出了文獻(xiàn)中給出的無芯片RFID標(biāo)簽性能，通過比較發(fā)現(xiàn)，本文提出的無芯片標(biāo)簽編碼密度為2.9 bit/cm2，明顯高于所列文獻(xiàn)編碼密度，同時(shí)編碼容量為3.85 bit/GHz，有效的利用了頻段資源.

表3 基于頻域無芯片RFID標(biāo)簽性能對比

4 結(jié)論

本文利用曲線擬合得到弧型開槽諧振器的諧振頻率點(diǎn)與弧長的關(guān)系，設(shè)計(jì)了具有20bits編碼容量的結(jié)構(gòu)緊湊型標(biāo)簽，通過短路貼片短路對應(yīng)諧振器的方法實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽的重構(gòu).標(biāo)簽的尺寸為38 mm×18 mm，占用的頻段在2.5～7.7 GHz，測試結(jié)果表明，編碼能正確識別.相對于傳統(tǒng)無芯片標(biāo)簽，本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽具有結(jié)構(gòu)簡單、編碼密度高、易于重構(gòu)的特點(diǎn)，在物流、生產(chǎn)線管理等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力.