基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)*

張崇琪， 陳 強(qiáng)， 孫海靜， 陳孟儒

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)起源于第二次世界大戰(zhàn)期間第一臺(tái)用于識(shí)別敵友(identifying friends and foes,IFF)飛機(jī)的雷達(dá)[1]。近年來(lái)RFID已經(jīng)越來(lái)越成熟，也因其在眾多物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things,IoT)工程應(yīng)用中的支持能力而越來(lái)越受到研究和開(kāi)發(fā)的關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)也因此得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

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)[2]，所以目前芯片式RFID標(biāo)簽尚未在IoT工程應(yīng)用中得到廣泛使用，尤其是在廉價(jià)商品識(shí)別標(biāo)簽領(lǐng)域，例如郵票、安全紙張等低成本商品的防偽識(shí)別應(yīng)用中。但是，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展正在推動(dòng)低成本的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽的進(jìn)一步研究。

無(wú)芯片RFID標(biāo)簽內(nèi)部不嵌入任何硅芯片，使用其電磁簽名(electromagnetic signature, EMS)來(lái)提取唯一編碼(identity，ID)。根據(jù)數(shù)據(jù)編碼方式，無(wú)芯片RFID標(biāo)簽可以分為三種，基于時(shí)域[3～5]、頻域[6～8]和相位的無(wú)芯片標(biāo)簽。最早的時(shí)域無(wú)芯片設(shè)計(jì)之一是基于在ISM頻段工作的表面聲波(surface acoustic wave,SAW)技術(shù)，主要是2.4 GHz[9]。文獻(xiàn)[10]提出了一種大容量的SAW標(biāo)簽，但是需要使用價(jià)格昂貴的壓電基片，成本與傳統(tǒng)芯片式RFID標(biāo)簽相差不大，成本依舊偏高?；陬l域的無(wú)芯片標(biāo)簽更易于小型化，有更高的數(shù)據(jù)密度，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)施中發(fā)揮著重要作用[11]，文獻(xiàn)[12]實(shí)現(xiàn)了在常規(guī)尺寸內(nèi)得到9 bit數(shù)據(jù)的無(wú)芯片標(biāo)簽，但是基于頻域的無(wú)芯片標(biāo)簽需要添加一定數(shù)量的諧振器來(lái)擴(kuò)大容量，標(biāo)簽的尺寸會(huì)隨之?dāng)U大，而且還需要專用的寬帶閱讀器。由于目前相位分辨率受限，基于相位編碼的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽?zāi)壳斑€是不能達(dá)到大容量編碼的要求[13]；文獻(xiàn)[14]提出一種在3 GHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)8 bit編碼容量的標(biāo)簽，但是標(biāo)簽包含天線，需要從用于編碼標(biāo)簽信息的終端反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)打印(printable)和解嵌(de-embeddable)。文獻(xiàn)[15]采用了幅度和頻率混合編碼的方法提升編碼容量，但是微帶線上添加的電阻需要打孔接到反面接地層，制作工藝復(fù)雜，無(wú)法完全印刷。由于微帶諧振器可以構(gòu)成微帶帶阻濾波器[16]，所以分別改變這些9形微帶諧振器的整體長(zhǎng)度就可以得到不同的諧振頻率，改變相同長(zhǎng)度的9形微帶諧振器與主微帶傳輸線之間的耦合間隙大小就可實(shí)現(xiàn)相同諧振頻率下的幅值變化。

基于此，本文提出一種基于9形微帶諧振器的RFID無(wú)芯片標(biāo)簽。

1 基本工作原理

1.1 無(wú)芯片標(biāo)簽工作原理

如圖1所示，射頻系統(tǒng)由讀寫器和基于9形諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽組成。標(biāo)簽由兩個(gè)正交收發(fā)超寬帶(ultra wideband,UWB)天線、50 Ω特征阻抗主微帶傳輸線和多個(gè)9形微帶諧振器組成，單個(gè)諧振器帶寬和可用頻譜帶寬會(huì)影響添加的諧振器個(gè)數(shù)。

圖1 無(wú)芯片RFID標(biāo)簽工作原理

讀寫器通過(guò)發(fā)射電路產(chǎn)生超寬帶問(wèn)詢信號(hào)，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)送給標(biāo)簽，標(biāo)簽上的9形微帶諧振器會(huì)損耗特定頻率的信號(hào)，產(chǎn)生陷波，改變頻譜結(jié)構(gòu)，頻帶譜上的陷波標(biāo)記編碼狀態(tài)“1”，沒(méi)有陷波則標(biāo)記為編碼狀態(tài)“0”，然后經(jīng)天線將改變后的信號(hào)發(fā)射回讀寫器，讀寫器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，解碼編碼信息。

1.2 無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖2所示。50 Ω特征阻抗微帶傳輸線連接收發(fā)天線，其寬度為Wm，諧振器寬度均為W，諧振器與微帶傳輸線之間的間隙為S1，諧振器與微帶傳輸線平行的長(zhǎng)度為d1，垂直于微帶傳輸線的長(zhǎng)度是Li，諧振器末梢長(zhǎng)度為d2，其與諧振器底邊間隙為S2，兩諧振器之間的間隙為S3。

設(shè)置諧振器和微帶主傳輸線之間的距離相同，改變微帶諧振器的其他參數(shù)可以產(chǎn)生不同的阻帶諧振。實(shí)驗(yàn)改變9形微帶諧振器垂直微帶主傳輸線方向的長(zhǎng)度Li來(lái)獲取不同的諧振頻率，以此來(lái)進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)。

圖2 基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

2 基于 9形微帶諧振器的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)芯片標(biāo)簽仿真測(cè)試與分析

基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽選用Rogers RO4003為基板材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，其相對(duì)介電常數(shù)為3.55，損耗角正切為0.002 7，厚度為0.813。在三維高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)中進(jìn)行建模仿真。1 bit無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：Wm=1.9 mm，W=0.6 mm，L1=8.96 mm，d1=3.5 mm，d2=2.1 mm，S1=0.15 mm，S2=2.6 mm。

當(dāng)入射波在微帶傳輸線上傳輸時(shí)，9形微帶諧振器會(huì)耦合到一部分能量，從而會(huì)有明顯的電場(chǎng)分布，如圖3(a)所示。標(biāo)簽的諧振曲線隨頻率變化的關(guān)系曲線如圖3(b)所示，可以看出9形微帶諧振器具有良好的帶阻濾波特性和較好的插入損耗S21。根據(jù)式(1)可以計(jì)算出品質(zhì)因數(shù)Q

(1)

其中，諧振基波頻率f為4.08 GHz，帶寬BW為0.069 GHz。求得該諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q為59.13，表明該諧振器有較高的頻譜利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的編碼容量和諧振點(diǎn)的準(zhǔn)確提取。

圖3 基于單個(gè)9形微帶諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽的電場(chǎng)分布與諧振曲線

為增大編碼容量，提高頻譜利用率，本文采用了基于幅值與頻率位置的混合編碼方法，即保持芯片上的9形諧振器的各項(xiàng)參數(shù)不變，只改變諧振器與微帶傳輸線之間的耦合間隔S1的值，對(duì)應(yīng)頻譜上諧振點(diǎn)的幅值會(huì)發(fā)生改變，如圖4(a)所示。

當(dāng)耦合間隔分別為0.15，0.25，0.35 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的諧振幅值為18.86，14.71，10.9 dB，對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)分別為 4.08，4.10，4.12 GHz，幅值相差4.15，3.81 dB，諧振點(diǎn)之間頻率的變化不超過(guò)20 MHz，處于保護(hù)頻段內(nèi)，可以認(rèn)為在同一位置發(fā)生諧振，諧振頻率無(wú)變化。

根據(jù)圖3(b)的諧振曲線可以得出單個(gè)9形微帶諧振器的阻抗帶寬約為29 MHz，上下保護(hù)頻帶帶寬約為130 MHz，所以每個(gè)諧振點(diǎn)所占頻率約為159 MHz。若無(wú)其他干擾，在4～5.6 GHz頻段上可以得到10個(gè)諧振點(diǎn)，每個(gè)諧振點(diǎn)有幅值有三種，所以在此頻帶上可以得到30 bit的編碼容量。

基于單個(gè)9形諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽的仿真測(cè)試結(jié)果，使用HFSS軟件設(shè)計(jì)了由5個(gè)9形微帶諧振器組成的3種典型編碼無(wú)芯片標(biāo)簽，相鄰兩振器之間的間距均為1 mm。3組標(biāo)簽編碼分別為ID11111，ID11010，ID10100。其中，編碼為ID11111的標(biāo)簽作為參考標(biāo)簽，仿真結(jié)果如圖4(b)所示。

圖4 不同S1值的無(wú)芯片標(biāo)簽諧振曲線與5 bit無(wú)芯片標(biāo)簽的3種典型編碼諧振曲線

在圖4(b)中，編碼為ID11010，ID10100的標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)頻率基本與參考標(biāo)簽相吻合，能夠清晰地對(duì)比出他們的編碼狀態(tài)。另外，電磁耦合是移除諧振器時(shí)影響標(biāo)簽識(shí)別的一個(gè)重要因素，諧振器之間的耦合會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致未刪除比特位之間的諧振惡化，所以，相鄰諧振頻率會(huì)有一個(gè)較小的偏移。

2.2 超寬帶天線設(shè)計(jì)

無(wú)芯片RFID標(biāo)簽系統(tǒng)提出的RFID標(biāo)簽放置在兩個(gè)正交極化天線之間，天線采取交叉極化裝置可以減少信號(hào)干擾。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一種超寬帶天線，如圖5(a)所示。天線同樣選用Rogers RO4003作為基板材料，在三維高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)中進(jìn)行建模仿真，天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：LT=34 mm，Lt1=15 mm，Lt2=8 mm，Lt3=18 mm，Lt4=15.8 mm，WT=19 mm，Wt1=15 mm，Wt2=6 mm，dt1=1 mm，dt2=1.9 mm。

天線饋電端口的反射損耗(return loss) 是反映天線性能的重要指標(biāo)，在仿真中，常取反射損耗小于-10 dB作為參考基準(zhǔn)。圖5(b)為超寬帶天線的反射損耗的變化曲線，可以得出天線反射損耗為-10 dB時(shí)的工作帶寬為2.9～7.5 GHz，由式(2)可以得出分?jǐn)?shù)帶寬為88.46 %，這意味著天線可以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作

(2)

圖5 超寬帶天線結(jié)構(gòu)示意與反射損耗曲線

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)在Rogers RO4003高頻介質(zhì)基板上印刷多個(gè)長(zhǎng)度不等的銅質(zhì)9形諧振貼片制作了5 bit無(wú)芯片電子標(biāo)簽，如圖6(a)所示。因?yàn)閭鹘y(tǒng)讀寫器的工作頻帶較窄，不能直接工作于無(wú)芯片標(biāo)簽系統(tǒng)，所以，實(shí)驗(yàn)采用可輸出超寬帶多頻訪問(wèn)信號(hào)的安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5063A作為無(wú)芯片射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫器，對(duì)基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片電子標(biāo)簽進(jìn)行信息編碼功能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6(b)所示，5 bit無(wú)芯片標(biāo)簽實(shí)驗(yàn)測(cè)試的諧振點(diǎn)位置有小幅波動(dòng)，考慮到在諧振點(diǎn)周圍加上保護(hù)頻帶，可以認(rèn)為每個(gè)諧振點(diǎn)均能夠被準(zhǔn)確識(shí)別，不出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。

圖6 5 bit基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽的實(shí)物圖與實(shí)驗(yàn)測(cè)試諧振曲線

4 討 論

對(duì)于無(wú)芯片標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，增加編碼容量最直接的方法就是增加諧振器的數(shù)目，但是需要考慮到尺寸問(wèn)題。本文將9形微帶諧振器的數(shù)目增加至10個(gè)，沿主微帶傳輸線對(duì)稱分布，這樣可以減小標(biāo)簽面積，也可以減小相鄰頻率之間的干擾。制板后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)物圖與測(cè)試結(jié)果如圖7所示，最低諧振頻率為3.98 GHz，最高諧振頻率5.60 GHz，從諧振曲線中可以清晰看出每一個(gè)9形微帶諧振器對(duì)應(yīng)的諧振頻率位置。

圖7 10 bit基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽的實(shí)物圖與實(shí)驗(yàn)測(cè)試諧振曲線

通過(guò)表1對(duì)比現(xiàn)有的無(wú)芯片標(biāo)簽，本研究提出的基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽，編碼容量高，編碼強(qiáng)度差異明顯、易于區(qū)分，標(biāo)簽整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)完全印刷。

表1 不同類型標(biāo)簽性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于9形微帶諧振器的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽，在微帶傳輸線兩側(cè)對(duì)稱分布的不同長(zhǎng)度9形諧振器與微帶主傳輸耦合，改變頻譜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)頻率位置編碼，然后通過(guò)幅頻混合編碼增大了編碼容量，提高了頻帶譜的利用率。同時(shí)設(shè)計(jì)了適配超寬帶天線，具有良好的反射損耗，能夠滿足系統(tǒng)工作需要。這種標(biāo)簽面積小，編碼容量大，可以有效降低商品識(shí)別等物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用成本，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。