一種抗雜波無(wú)芯片RFID介電常數(shù)傳感器標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

陳玉瑩，馬潤(rùn)波

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)在20世紀(jì)40年代產(chǎn)生，起源于軍事領(lǐng)域的雷達(dá)技術(shù)，20世紀(jì)90年代開(kāi)始在企業(yè)內(nèi)部等閉環(huán)內(nèi)逐步推廣使用[1]. 隨著物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，無(wú)芯片RFID技術(shù)成為可以與傳統(tǒng)條形碼在成本和制造方面競(jìng)爭(zhēng)的候選技術(shù)之一. 增加感應(yīng)功能的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽，更是現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)，在物流包裝、 食品檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用[2].

無(wú)芯片RFID傳感器的研究與設(shè)計(jì)以編碼ID、 傳感特性以及標(biāo)簽檢測(cè)3方面為主. 就目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，編碼設(shè)計(jì)可分為兩大類，分別基于時(shí)域和時(shí)域特征. 前者如第一個(gè)被投入商用的基于聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽[3]，后者典型結(jié)構(gòu)為多螺旋諧振器無(wú)芯片標(biāo)簽[4]，具有成本低、 可完全印刷和編碼容量適中的特點(diǎn). 文獻(xiàn)[5]提出在無(wú)芯片RFID系統(tǒng)中，通過(guò)增加敏感材料來(lái)改變標(biāo)簽諧振器的損耗角正切、 有效介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)物理參數(shù)傳感功能. 其中損耗角正切變化引起諧振響應(yīng)振幅改變，介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的變化會(huì)影響散射體諧振頻率或相位變化； 文獻(xiàn)[6]利用聲表面波原理以氧化石墨烯作為吸濕層進(jìn)行濕度傳感，由于 SAW 采用特有的壓電晶體，整個(gè)器件成本較高； 文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)的電耦合ELC諧振器與交叉指諧振器都是典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，傳感效果受實(shí)測(cè)環(huán)境影響較大，且在后期檢測(cè)時(shí)需要復(fù)雜的校準(zhǔn)過(guò)程； E.Perret等學(xué)者在文獻(xiàn)[9]中提出極化變換標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的概念，基本原理為利用散射體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，使入射波產(chǎn)生極化變換，可將實(shí)際測(cè)量環(huán)境中的雜波有效濾除，提高檢測(cè)可靠性； 基于這種極化變換技術(shù),文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]分別設(shè)計(jì)了位移傳感與工業(yè)結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的裂紋傳感. 圖1 給出采用交叉極化測(cè)量方法的無(wú)芯片RFID傳感系統(tǒng)，包含標(biāo)簽結(jié)構(gòu)、 閱讀器和環(huán)境干擾物. 其中閱讀器采用兩個(gè)相互正交的超寬帶天線，發(fā)射天線Tx在垂直極化方向上發(fā)射詢問(wèn)信號(hào)，接收天線Rx在水平極化方向上接收包含諧振信息的反射電磁波. 當(dāng)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)具有極化變換特性時(shí)，它的后向散射包含水平極化波，Rx可將其與干擾物主要產(chǎn)生的垂直極化雜波區(qū)分開(kāi)來(lái).

圖1 交叉極化測(cè)量下的無(wú)芯片RFID傳感系統(tǒng)Fig.1 Principle of chipless RFID sensor system using cross-polarized measurement method

由于實(shí)際環(huán)境中材料介電常數(shù)可以映射到許多重要物理屬性上，本文設(shè)計(jì)了一種抗雜波的無(wú)芯片RFID介電常數(shù)傳感器. 設(shè)計(jì)中綜合考慮了傳感器標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)尺寸、 編碼容量、 傳感性能與檢測(cè)性能； 結(jié)構(gòu)方面，利用極化變換技術(shù)并結(jié)合金屬接地板設(shè)計(jì)標(biāo)簽，提高了抗環(huán)境雜波干擾的能力，運(yùn)用頻移編碼有效提升編碼容量； 識(shí)別與傳感表征方面，綜合分析了散射諧振器的諧振頻率及Q值，給出實(shí)現(xiàn)較高鑒別度、 敏感度和線性度傳感器的設(shè)計(jì)方法.

1 無(wú)芯片RFID介電常數(shù)傳感器標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2(a)所示，本文設(shè)計(jì)的介電常數(shù)傳感器標(biāo)簽由雙面覆銅的FR-4介質(zhì)基板加工而成，其中頂層覆銅面蝕刻了編碼諧振器和傳感諧振器，底層覆銅面作為接地板. 基板厚度h=0.8 mm，相對(duì)介電常數(shù)4.3，正切損耗值0.025. 圖2(b)給出了由不對(duì)稱Z型金屬條帶設(shè)計(jì)的編碼諧振器單元結(jié)構(gòu)，條帶長(zhǎng)度決定諧振頻率. 將4組不同大小的編碼諧振器按順時(shí)針?lè)较蚍胖迷诜叫螛?biāo)簽4角處，依次標(biāo)識(shí)為ID1～ ID4. 為有效提升RCS幅值，每組編碼諧振器包含4個(gè)相同諧振條帶，具體參數(shù)如表1 所示. 位于標(biāo)簽中心區(qū)域的傳感諧振器細(xì)節(jié)由圖2(c)給出，它是一個(gè)在對(duì)角處有兩個(gè)方形缺口的金屬貼片，且在貼片內(nèi)有4個(gè)相同的階梯型縫隙. 方形缺口與階梯型縫隙可使傳感諧振器產(chǎn)生極化變換特性，具體參數(shù)如表2 所示. 標(biāo)簽整體尺寸為50 mm×50 mm×0.87 mm.

(a) 傳感器整體結(jié)構(gòu)

(b) 編碼單元結(jié)構(gòu)(c) 傳感諧振器結(jié)構(gòu)圖2 無(wú)芯片RFID傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Chipless RFID sensor structure

表1 編碼諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the encode structure

表2 傳感諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 編碼方案與傳感原理

編碼諧振器對(duì)應(yīng)的諧振頻率

(1)

式中：c為自由空間光速；εr為基板相對(duì)介電常數(shù)；lx為諧振結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度. 設(shè)計(jì)采用頻移編碼方式以提高編碼容量，每一個(gè)諧振單元在一定頻帶范圍內(nèi)可編碼多位，具體步驟為：

① 每個(gè)編碼諧振單元占據(jù)一定帶寬f作為編碼窗口，為避免相鄰窗口間彼此干擾，分配一段帶寬作為隔離帶；

② 對(duì)于每個(gè)編碼諧振單元，通過(guò)改變長(zhǎng)度lx，在對(duì)應(yīng)窗口內(nèi)頻移，可編碼數(shù)量為N，則相應(yīng)頻帶內(nèi)編碼容量為

C′=log2N.

(2)

③ 對(duì)應(yīng)n組諧振單元，可得編碼容量為

C=nC′=nlog2N.

(3)

設(shè)計(jì)中4個(gè)編碼諧振器工作頻段為2 GHz ～ 3.25 GHz，每個(gè)諧振器分配編碼窗口約200 MHz，為避免相鄰編碼ID串?dāng)_，設(shè)置100 MHz 的隔離帶，然后每個(gè)編碼諧振器改變參數(shù)lx，在對(duì)應(yīng)窗口內(nèi)頻移，并設(shè)置相應(yīng)編碼數(shù)量N=4，由式(2)和式(3)得該編碼諧振器編碼容量為8 bits.

對(duì)于傳感諧振器有

εreff=εreff0(lsens)+εsr(sens),

(4)

(5)

式中：εreff0是傳感結(jié)構(gòu)本身相對(duì)介電常數(shù)；εsr是附著在傳感諧振器表面的敏感材料的相對(duì)介電常數(shù)；εreff是受敏感材料影響后的總等效介電常數(shù). 由式(4) 和式(5)易知，在諧振器結(jié)構(gòu)固定后，諧振頻率變化將僅由敏感材料決定，即當(dāng)εsr變化時(shí)，對(duì)應(yīng)諧振頻率fsr發(fā)生頻移.

因此，只要將敏感材料附著在傳感諧振器縫隙處，根據(jù)上述傳感原理，當(dāng)受環(huán)境物理參數(shù)影響而敏感材料相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，傳感諧振器的諧振頻率將發(fā)生頻移，通過(guò)頻移和εsr的關(guān)系可以獲得敏感材料的介電常數(shù). 值得一提的是，通過(guò)該傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)所覆敏感材料的介電常數(shù)后，可進(jìn)一步通過(guò)定標(biāo)實(shí)現(xiàn)影響介電常數(shù)的相應(yīng)物理參數(shù)的傳感.

3 傳感器性能仿真分析

圖3 給出了利用CST 微波仿真軟件設(shè)計(jì)的標(biāo)簽測(cè)試模型. 平面波垂直入射激勵(lì)傳感器標(biāo)簽，其中，雷達(dá)散射探針(RCS Probe)設(shè)置在標(biāo)簽前150 mm 處. 圖4 為標(biāo)簽結(jié)構(gòu)在同一平面波激勵(lì)下兩種極化響應(yīng)的RCS，圖中可見(jiàn)主極化測(cè)量結(jié)果幅度較高，這是由于受到標(biāo)簽結(jié)構(gòu)散射的影響，且在諧振頻率處為微弱諧振波谷，比較難于檢測(cè). 交叉極化測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)為諧振波峰，雖然幅度較低但幅度相對(duì)變化較大，容易檢測(cè)，從而使測(cè)量可靠性得到提高.

圖3 CST仿真測(cè)試模型Fig.3 CST simulation environment

圖4 不同極化測(cè)量下的RCSFig.3 RCS at different polarization measurement

3.1 編碼仿真分析

圖5 給出交叉極化仿真測(cè)量下4組編碼諧振器對(duì)應(yīng)的諧振頻率，分別為2.38 GHz, 2.66 GHz, 2.886 GHz, 3.16 GHz； 與單個(gè)編碼單元相比，每組編碼諧振器的RCS幅值提升了約10 dB. 由于每組中4個(gè)編碼單元間存在彼此耦合現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)諧振頻率有微弱偏移，但并不影響實(shí)際檢測(cè). 相同道理，金屬貼片上也設(shè)計(jì)了4個(gè)階梯型縫隙，從而獲得較高的傳感諧振器RCS.

圖5 編碼諧振器對(duì)應(yīng)RCSFig.5 RCS corresponding to coded resonator

為驗(yàn)證頻移編碼的有效性，圖6 給出仿真測(cè)量下編碼組合ID4在不同水平長(zhǎng)度lx下的諧振頻率，當(dāng)編碼數(shù)量N=4時(shí)，在3 GHz ～ 3.2 GHz范圍內(nèi)的對(duì)應(yīng)頻移非常穩(wěn)定，即該諧振單元有4個(gè)諧振頻率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)編碼容量為2 bits，其他編碼組合具有類似的頻移編碼特性，因此，4組編碼諧振單元相應(yīng)編碼總量為8 bits，編碼組合可對(duì)應(yīng)44=256種不同編碼狀態(tài)，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制00000000至11111111.

圖6 頻移編碼Fig.6 Frequency shift coding

3.2 傳感特性仿真分析

衡量傳感器性能的主要參數(shù)有鑒別度、 靈敏度和線性度. 其中鑒別度與標(biāo)簽結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)Q值有關(guān)，Q值可利用式(6)計(jì)算

(6)

式中：fr諧振器諧振頻率；BW3 dB是諧振頻率處3 dB 帶寬.Q值越高諧振峰就越明顯，鑒別度就越高. 將基板材料相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為4，通過(guò)改變正切損耗值tanδ分析了對(duì)應(yīng)的Q值.

圖7 不同損耗下RCSFig.7 RCS at different losses

圖7 是tanδ分別為0.002，0.008，0.014，0.02時(shí)RCS響應(yīng)，利用式(6)計(jì)算Q值得117，72，52，41，由圖7 可知，Q值越大，對(duì)應(yīng)諧振峰越尖銳，在一定頻帶范圍內(nèi)分辨率越高，相應(yīng)敏感度也就越好. 實(shí)際測(cè)試環(huán)境中，標(biāo)簽制作工藝、 基板材料，以及各種不可控因素都會(huì)對(duì)損耗值造成很大影響，本設(shè)計(jì)折中考慮以上條件，采用低成本介質(zhì)基板FR-4，其Q值接近于41，諧振峰比較尖銳，鑒別度能夠滿足檢測(cè)要求.

圖8 不同εsr下RCSFig.8 RCS under different εsr

靈敏度和線性度分析時(shí)采用了一系列仿真數(shù)據(jù)作為傳感函數(shù)關(guān)系的依據(jù)，圖8 給出了敏感材料相對(duì)介電常數(shù)εsr=2～10時(shí)18個(gè)RCS頻率響應(yīng)曲線. 圖9 給出相對(duì)介電常數(shù)εsr與諧振頻率fsr的關(guān)系數(shù)據(jù)與擬合曲線，圖9 中可見(jiàn)隨著相對(duì)介電常數(shù)εsr增大，該設(shè)計(jì)的諧振頻率fsr幾乎呈線性減小，傳感器敏感度為6 MHz/(Δεsr=1)，具有較高的靈敏度和較好的線性度.

圖9 傳感諧振器擬合曲線Fig.9 Linear fitting curve

3.3 檢測(cè)性能仿真分析

當(dāng)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和超寬帶喇叭天線組成的閱讀平臺(tái)對(duì)該傳感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)，環(huán)境中不可控因素太多，所以設(shè)計(jì)該標(biāo)簽結(jié)構(gòu)時(shí)，檢測(cè)的可靠性與穩(wěn)定性需著重考慮. 其中可靠性主要是由利用交叉極化測(cè)量與極化變換特性將雜波有效濾除的特性來(lái)保證，不再贅述. 而穩(wěn)定性主要是利用抗金屬標(biāo)簽設(shè)計(jì)原理，添加金屬接地板作為反射板，在標(biāo)簽附著于任意背景時(shí)，測(cè)量結(jié)果保持相對(duì)穩(wěn)定.

圖10 為仿真測(cè)量時(shí)去掉接地板后標(biāo)簽結(jié)構(gòu)附著于不同基板時(shí)的RCS，可以發(fā)現(xiàn)響應(yīng)曲線發(fā)生很大的頻率偏移，各諧振頻率處諧振峰不明顯. 可見(jiàn)實(shí)測(cè)時(shí)由于周圍環(huán)境的多樣性，相應(yīng)RCS響應(yīng)將不穩(wěn)定. 圖11 為仿真測(cè)量時(shí)具有接地板設(shè)計(jì)的RCS，可以發(fā)現(xiàn)，雖然附著介質(zhì)基板發(fā)生改變時(shí)，諧振頻率有一定頻移，相應(yīng)諧振峰尖銳程度也有一定差異，但整個(gè)諧振峰相對(duì)穩(wěn)定且鑒別度較高，因此可很好地運(yùn)用于實(shí)測(cè)環(huán)境.

圖10 一般標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的RCS仿真結(jié)果Fig.10 RCS simulation of general tag

圖11 改進(jìn)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的RCS仿真結(jié)果Fig.11 RCS simulation of improved tag

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID介電常數(shù)傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊可印刷的低成本特點(diǎn). 其中，編碼諧振器利用頻移編碼，相應(yīng)編碼容量為8 bits，傳感諧振器的靈敏度為6 MHz/(Δεsr=1)，且具有較高鑒別度和線性度的特點(diǎn). 整個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)采用極化變換特性和金屬接地板設(shè)計(jì)，并利用交叉極化測(cè)量，抗環(huán)境雜波和干擾能力顯著增強(qiáng)，而且對(duì)應(yīng)諧振波峰在多種環(huán)境下相對(duì)穩(wěn)定，為設(shè)計(jì)可靠的介電常數(shù)傳感器提供了設(shè)計(jì)理論支撐.