用于包裝物管理的無源聲表面波標(biāo)簽設(shè)計(jì)

呂幫通，范彥平，楊趙凝

用于包裝物管理的無源聲表面波標(biāo)簽設(shè)計(jì)

呂幫通，范彥平，楊趙凝

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

針對聲表面波相位編碼標(biāo)簽中不同位置反射柵的回波能量不一致，易受噪聲干擾、誤解調(diào)等問題，設(shè)計(jì)一種回波脈沖能量一致性高的聲表面波標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，以降低誤碼率?；隈詈夏＠碚摬⒗肅OMSOL有限元仿真軟件建立反射柵膜厚、膜寬與反射柵反射率之間的關(guān)系；根據(jù)最優(yōu)原則優(yōu)化設(shè)計(jì)反射柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低插入損耗，提高聲表面波回波信號能量的一致性。通過仿真分析得出，當(dāng)反射柵的厚度為530 nm、寬度為0.23時(shí)，反射柵的反射率達(dá)到最大值；優(yōu)化反射柵結(jié)構(gòu)得到回波一致性較好的標(biāo)簽，其4條反射柵的厚度均為640 nm；當(dāng)寬度分別為0.245、0.27、0.32、0.46時(shí)，回波的最大幅值誤差為2.02%。通過數(shù)字正交解調(diào)方法提取了回波脈沖幅值一致性調(diào)整前后的標(biāo)簽相位信息，結(jié)果證明經(jīng)過回波脈沖幅值一致性調(diào)整后，可以正確地恢復(fù)標(biāo)簽的相位信息。設(shè)計(jì)的SAW標(biāo)簽?zāi)Ｐ涂商岣邩?biāo)簽的抗干擾性和編碼容量。

聲表面波；標(biāo)簽；反射率；幅值一致性；相位編碼

在傳統(tǒng)制造行業(yè)中，貨物管理主要由生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸?shù)?部分組成，每個(gè)階段都需要對貨物進(jìn)行清點(diǎn)標(biāo)識。傳統(tǒng)管理中，貨物的標(biāo)識依賴貼在包裝表面的紙質(zhì)標(biāo)簽，通過人工手記賬本來登記主要信息，容易出現(xiàn)誤差且效率不高。低效的人工清點(diǎn)顯然無法滿足規(guī)模越來越大的生產(chǎn)儲存[1]，射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)的出現(xiàn)改善了這一問題。貨物包裝粘貼上包含貨物信息的RFID標(biāo)簽，工人手持閱讀器掃描標(biāo)簽即可完成自動(dòng)識別。傳統(tǒng)的無源集成電路(Integrated Circuit，IC)RFID標(biāo)簽識別距離短，不利于大型倉儲清點(diǎn)盤庫。使用有源IC-RFID標(biāo)簽可以增加識別距離，但對于長時(shí)儲存的貨物需要進(jìn)行定期更換電池，維護(hù)成本增加[2-3]。同時(shí)，在超高頻條件下，IC-RFID標(biāo)簽無法在金屬包裝表面上正常工作，標(biāo)簽性能下降嚴(yán)重[4]，此外，在一些高溫高濕、強(qiáng)電磁干擾場合，傳統(tǒng)的標(biāo)簽無法正常工作，因此迫切需要一個(gè)可用于惡劣工況環(huán)境、長時(shí)儲存的抗金屬化無源標(biāo)簽。

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)RFID標(biāo)簽是一種無線無源器件，可用于遠(yuǎn)距離識別的標(biāo)簽。其靠標(biāo)簽反射柵反射換能器產(chǎn)生的SAW形成不同回波脈沖進(jìn)行編碼標(biāo)識。與傳統(tǒng)的IC-RFID標(biāo)簽相比，SAW-RFID標(biāo)簽有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：純無線無源，遠(yuǎn)距離定位識別[5-6]，能對運(yùn)動(dòng)物體識別[7]；可按工作頻率不同實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量；SAW是機(jī)械波，能在高低溫[8]、高壓、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境[9]工作；采用半導(dǎo)體平面加工工藝，易于大批量生產(chǎn)。要把SAW-RFID技術(shù)用于包裝物的管理還面臨著一些問題，主要有：SAW標(biāo)簽的插入損耗與每個(gè)反射柵反射的信號能量影響著標(biāo)簽編碼容量和可讀性；SAW標(biāo)簽回波幅值的一致性差異較大，導(dǎo)致部分回波信號接近噪聲水平，增加了相位信息的提取難度，降低了編碼容量。文中基于耦合模理論，并利用COMSOL軟件[10-11]，建立一個(gè)低插入損耗的SAW標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，通過優(yōu)化反射柵結(jié)果參數(shù)以提高SAW標(biāo)簽回波一致性，降低相位編碼識別誤碼率。

1 聲表面波標(biāo)簽

聲表面波射頻識別系統(tǒng)包括閱讀器和聲表面波標(biāo)簽，其工作原理見圖1。標(biāo)簽由壓電基底、叉指電極(Interdigital Transducer，IDT)、反射柵、天線組成。SAW-RFID射頻識別的具體過程：閱讀器發(fā)射一串查詢信號，標(biāo)簽天線接收射頻信號，由于逆壓電效應(yīng)IDT會將射頻電信號轉(zhuǎn)換為可以在壓電基底表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?。聲表面波遇到反射柵會產(chǎn)生反射和透射，反射波回到IDT又重新轉(zhuǎn)換為射頻信號，通過天線傳回閱讀器。根據(jù)回波信號中的不同反射回波的幅值、時(shí)延和相位信息來確定標(biāo)簽的編碼信息[12]，從而完成標(biāo)簽識別。

文中以YX-128°的LiNbO3壓電晶體作為標(biāo)簽的基底，并采用單向傳播的單相單向換能器(electrode-width-controlled single-phase-unidirectional transducer，EWC-SPUDT)為IDT結(jié)構(gòu)[13-14]，以減小標(biāo)簽插入損耗提高性能。EWC-SPUDT是在叉指換能器的內(nèi)部放置一個(gè)分布式反射柵陣，使反射聲波與換能器激發(fā)的聲波在一個(gè)方向上同相相加，在另一個(gè)方向上反相相消，使聲波只往一個(gè)方向輻射。EWC-SPUDT的基本結(jié)構(gòu)單元見圖2。

為了簡化分析，在模型中只考慮4個(gè)反射柵的情況，見圖3。SPUDT的指條數(shù)為15，其結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為、、、、、，其中指間距，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。模型的左、右、下側(cè)均設(shè)置了完美匹配層以減少模型尺寸和吸收聲波在邊界產(chǎn)生的反射。壓電基底LiNbO3晶體的歐拉角被設(shè)置為（0°、38°、0°），SPUDT和反射柵的材料設(shè)置為金屬鋁。為了模擬標(biāo)簽天線的接收和發(fā)射，將SPUDT外接到由一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻組成的電路中。由電壓源提供定時(shí)長的查詢信號，通過電阻分壓模擬射頻信號在閱讀器到標(biāo)簽天線這段傳播介質(zhì)中的損耗，使標(biāo)簽完成信號的自發(fā)射、自接收功能。

圖1 聲表面波射頻識別系統(tǒng)工作原理

圖2 EWC-SPUDT結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 COMSOL標(biāo)簽仿真模型

表1 COMSOL標(biāo)簽仿真模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Structure parameters of COMSOL tag simulation model mm

型可以正確地模擬SAW信號的產(chǎn)生與傳播。由于SAW標(biāo)簽是一個(gè)無源器件，隨著信號幅值的降低，無線信道的噪聲干擾就會變強(qiáng)。如圖4b所示，最后一個(gè)回波信號與噪聲差異很小，這種幅值依次降低的回波脈沖不利于閱讀器的識別和后處理，容易產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，且編碼容量下降，因此需要對反射柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，改善回波能量的一致性，提高SAW-RFID抗干擾和編碼容量。

2 SAW-RFID回波能量一致性設(shè)計(jì)

在實(shí)際標(biāo)簽制作中，受壓電基片刻蝕技術(shù)的限制，反射柵較難做成矩形外的其他形狀。因此下面主要分析反射柵厚度和寬度對回波幅值大小的影響。根據(jù)耦合模理論，當(dāng)SAW遇到反射柵時(shí)，聲阻抗變化引起SAW反射、透射和散射。反射柵邊緣的聲阻抗變化主要是反射柵參數(shù)變化引起質(zhì)量負(fù)載導(dǎo)致的。又由于標(biāo)簽的回波損耗為,意味著提高反射柵的反射率有助于降低SAW標(biāo)簽的插入損耗。對于個(gè)反射柵排列在同一聲軌道上的SAW標(biāo)簽，相鄰反射柵反射回波能量滿足式（1—2），就可以得到幅值均勻的回波脈沖。

(2)

(3)

的對應(yīng)關(guān)系。反射柵厚度變化范圍為50～1000 nm，仿真計(jì)算步長為50 nm，反射柵的寬度變化范圍為0.05～，計(jì)算步長為0.05，仿真結(jié)果見圖5。

圖4 SAW-RFID仿真回波信號

圖5 反射柵厚度與寬度對反射率的影響

圖6 一致性調(diào)整后的回波信號

3 標(biāo)簽相位特性分析

SAW射頻識別系統(tǒng)的關(guān)鍵是對標(biāo)簽回波信號解碼識別，其主要過程是閱讀時(shí)域回波脈沖的幅值、相位和時(shí)延信息來確定標(biāo)簽的編碼。SAW-RFID標(biāo)簽基底長度有限，通過增加反射柵數(shù)量提高的編碼容量有限。使用分辨率更高的相位來增加每個(gè)反射柵的編碼位數(shù)是更高效的方法，但相位編碼極易受到其他噪聲的干擾造成誤解碼，導(dǎo)致標(biāo)簽的編碼容量和有效性降低。為了進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)簽反射能量一致性對標(biāo)簽相位解碼的影響，對比分析了一致性調(diào)整前后標(biāo)簽解調(diào)結(jié)果。

相位編碼通過平移反射柵來實(shí)現(xiàn)。一種編碼規(guī)則見圖7，反射柵每向右平移/8的距離，回波脈沖就會攜帶一個(gè)?90°的相位。一個(gè)周期內(nèi)可劃分為0°、?90°、?180°、?270°等4個(gè)狀態(tài)，攜帶的信息量從開關(guān)鍵控編碼的1 bit變?yōu)? bit，標(biāo)簽容量有了較大的提升。

圖7 相位編碼原理

對上述編碼方案的標(biāo)簽進(jìn)行解碼時(shí)，可以采用數(shù)字IQ解調(diào)方法提取相位信息。由于SAW對于反射柵是垂直入射，所以反射回波信號可以表示為：

(4)

(5)

(6)

則回波信號相位信息可以表示為：

(7)

將4個(gè)反射柵相位設(shè)置為0°、?90°、90°、0°，并對標(biāo)簽回波脈沖幅值一致性調(diào)整前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果見圖8，圖8中圓圈位置為回波脈沖及其對應(yīng)的相位。由圖8b、c可以看出，在調(diào)整前，回波信號的相位很難提取出來，而經(jīng)過一致性調(diào)整后的標(biāo)簽，其回波信號中含有的相位干擾被明顯地剔除。仿真結(jié)果說明提高反射柵標(biāo)簽回波幅值的一致性可以提高標(biāo)簽的抗干擾性，降低標(biāo)簽的誤碼率，可很好地用于倉儲包裝物識別，特別是?；钒b物的管理。

圖8 數(shù)字IQ解調(diào)后信號幅值及相位

4 結(jié)語

文中基于耦合模理論利用COMSOL有限元仿真軟件，將切型為YX-128°的LiNbO3晶體作為標(biāo)簽的壓電基底，并對SAW標(biāo)簽進(jìn)行了仿真研究分析。使用SPUDT降低了標(biāo)簽的插入損耗。計(jì)算分析了反射柵厚、寬度對回波反射率的影響，結(jié)果顯示反射柵的反射率在反射柵的厚度為530 nm、寬度為時(shí)達(dá)到最大值。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了反射柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了一組回波一致性較好的SAW標(biāo)簽，其最大幅度差為2.02%。驗(yàn)證了提高標(biāo)簽幅值一致性有助于降低相位編碼誤碼率，提高了回波的可讀性。這些分析為使用LiNbO3晶體作為壓電基底材料的聲表面波標(biāo)簽增加抗干擾性能提供了指導(dǎo)。

[1] PANG Le-le, YANG Wen-yong, XIA Bo, et al. Development of Intelligent Warehouse Management System Based on Internet of Things Technology[C]// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, Shenyang, 2020, 750(12): 1-4.

[2] ZHAO Kang, ZHU Ming-hu, XIAO Bo, et al. Joint RFID and UWB Technologies in Intelligent Warehousing Management System[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2020, 7(12): 11640-11655.

[3] MAO Yi, ZHANG Lei. Design and Implementation of Port Bulk Storage Management System Based on Internet of Things Technology[J]. Journal of Coastal Research, 2019, 98(S1): 62-66.

[4] ZHANG Bo-han, ZHANG Cheng, WANG Yu-chao, et al. Flexible Anti-Metal RFID Tag Antenna based on High-Conductivity Graphene Assembly Film[J]. Sensors, 2021, 21(4): 1513.

[5] 鄧富成, 趙嫣菁, 張辰, 等. 聲表面波溫度傳感器抗干擾技術(shù)研究[J]. 包裝工程, 2018, 39(19): 98-104.

DENG Fu-cheng, ZHAO Yan-jing, ZHANG Chen, et al. Anti-Interference Technology of Surface Acoustic Wave Temperature Sensor[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(19): 98-104.

[6]CALDERO P, GAREIS M, VOSSIEK M. High-Accuracy 3D SAW RFID Tag Localization Using a Multi-Antenna Mobile Robot Based Synthetic Aperture Approach[C]// 2020 50th European Microwave Conference, IEEE, 2021: 698-701.

[7]PLESSKY V P. Review on SAW RFID Tags[C]// 2009 IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 22nd European Frequency and Time Forum, IEEE, 2009: 14-23.

[8]吳翔, 何怡剛, 鄧芳明, 等. 基于SAW-RFID的電力電纜溫度在線監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2018(6): 113-117.

WU Xiang, HE Yi-gang, DENG Fang-ming, et al. Research on Online Temperature Monitoring Technology of Power Cable Based on SAW-RFID[J]. Instrument Technique and Sensor, 2018(6): 113-117.

[9] SOROKIN A, SHEPETA A, WATTIMENA M. Wireless SAW Passive Tag Temperature Measurement in the Collision Case[C]// Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, Indonesia, 2018, 1008(1): 012015.

[10] HASHIMOTO K Y. Surface Acoustic Wave Devices in Telecommunications Modelling and Simulation[M]. Berlin: Springer, 2002: 41-49.

[11]徐夢茹, 肖夏. 硅酸鎵鑭單晶材料的聲表面波標(biāo)簽研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2019, 38(1): 108-112.

XU Meng-ru, XIAO Xia. The Study of Langasite Based Surface Acoustic Wave Tag[J]. Technical Acoustics, 2019, 38(1): 108-112.

[12] PLESSKY V P, REINDL L M. Review on SAW RFID Tags[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2010, 57(3): 654-668.

[13]ZHAO Xu-peng, SHI Ru-chuan, YANG Yang, et al. SAW RFID with Enhanced Penetration Depth[C]// IEEE International Ultrasonics Symposium, Washington, 2017: 1-4.

[14] LEHTONEN S, PLESSKY V P, HARTMANN C S, et al. Unidirectional SAW Transducer for Gigahertz Frequencies[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2003, 50(11): 1404-1406.

[15] CHEN Zhi-jun, JIA Hao, CHEN Tao, et al. High-Speed Data Acquisition of the Reader of the SAW RFID System[J]. IET Science, Measurement and Technology. 2019, 13: 1163-1169.

Design of Passive SAW Tag for Packaging Management

LYU Bang-tong, FAN Yan-ping, YANG Zhao-ning

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The work aims to design a SAW tag model with high consistency of echo energy to solve the problems that the echo energy of the reflectors at different positions in the SAW phase code tags is inconsistent, vulnerable to noise interference and incorrect in demodulation, thus reducing the error coding rate. Based on the coupled-mode theory and COMSOL finite element simulation software, the relationship between the thickness and width of the reflector film and the reflectivity was established. According to the optimal principle, the structure parameters of the reflectors were designed to reduce the insertion loss and improve the energy consistency of the SAW echo signal. The simulation results showed that when the thickness of the reflectors was 530 nm and the width was 0.23, the reflectivity of the reflectors was largest. For the tag with great consistency of echo energy obtained after optimization of reflector structure, the thickness of the four reflectors were 640 nm and the width were 0.245, 0.27, 0.32and 0.46respectively. The maximum error of echo was 2.02%. The phase information of the tag before and after the amplitude consistency adjustment of echo pulse was extracted by digital quadrature demodulation method. According to the results, the phase information of the tag could be correctly recovered after the amplitude consistency adjustment of echo pulse. The proposed SAW tag model can improve the anti-interference and coding capacity of the tag.

surface acoustic wave; tag; reflectivity; amplitude consistency; phase code

TB486

A

1001-3563(2022)03-0284-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.035

2021-08-03

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51705326）

呂幫通（1997—），男，上海理工大學(xué)碩士生，主攻SAW-RFID及編碼方法。

范彥平（1983—），男，博士，上海理工大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)槁暠砻娌▊鞲衅骷靶盘柼幚怼?/p>