折疊偶極子陣列無(wú)芯標(biāo)簽極點(diǎn)特性分析*

何 毅,徐 利,鄒傳云

(1.西南科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心，四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

隨著射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)的發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，射頻識(shí)別標(biāo)簽在生活中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛[1]。傳統(tǒng)電子標(biāo)簽的功率需求大、單片價(jià)格高、工作距離短等問題是制約電子標(biāo)簽大力發(fā)展的瓶頸所在。針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者展開對(duì)無(wú)芯片射頻標(biāo)簽的研究[2-4]。

目標(biāo)極點(diǎn)是雷達(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的重要參數(shù)。在諧振域，目標(biāo)的瞬態(tài)電磁散射響應(yīng)可以由其自然諧振極點(diǎn)以極點(diǎn)展開法SEM(Singularity Expansion Method)[5]的形式來(lái)表征。無(wú)芯標(biāo)簽內(nèi)部不包含任何集成芯片及連接組件，是一種特定的金屬結(jié)構(gòu)，可以通過標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)入射電磁波的散射特性提取標(biāo)簽極點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。矩陣束算法有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)擬合及噪聲抑制能力，在極點(diǎn)提取算法中得到廣泛應(yīng)用[6-7]。

復(fù)平面(S平面)內(nèi)的極點(diǎn)分布能提供目標(biāo)的基本形狀、尺寸、組成材料等識(shí)別信息，因此，極點(diǎn)特性的準(zhǔn)確提取是目標(biāo)識(shí)別的決定因素。無(wú)芯片射頻標(biāo)簽極點(diǎn)參數(shù)的準(zhǔn)確提取一方面受算法精度的影響(這可通過優(yōu)化算法[6]的方法實(shí)現(xiàn))；另一方面受到無(wú)耗電介質(zhì)材料(介質(zhì)厚度、相對(duì)介電常數(shù))的影響。本文以折疊偶極子陣列無(wú)芯標(biāo)簽為研究對(duì)象，通過對(duì)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的極點(diǎn)提取，分析了電介質(zhì)作為標(biāo)簽襯底對(duì)極點(diǎn)分布特征的影響。

1 折疊偶極子陣列無(wú)芯標(biāo)簽極點(diǎn)特性

目標(biāo)極點(diǎn)可由矩陣束算法在目標(biāo)時(shí)域電磁散射響應(yīng)中獲得。根據(jù)極點(diǎn)展開法，目標(biāo)瞬態(tài)電磁散射時(shí)響應(yīng)的信號(hào)模型可以表示為:

式中T為時(shí)間信號(hào)長(zhǎng)度；M為信號(hào)模型的模數(shù)亦即極點(diǎn)對(duì)數(shù)；si=αi+jωi表示 S平面內(nèi)的 i階共軛復(fù)極點(diǎn),虛部參數(shù) ωi是諧振角頻率，實(shí)部 αi為衰減因子，取負(fù)值；Ri為對(duì)應(yīng)于i階復(fù)極點(diǎn)的留數(shù)。

圖1所示折疊偶極子陣列無(wú)芯標(biāo)簽由5個(gè)不同尺寸的偶極子諧振單元組成,各諧振單元尺寸如表1所示。

表1 諧振單元結(jié)構(gòu)尺寸

在自由空間中，利用FEKO軟件施加圖1所示的入射平面波 (入射方向垂直紙面向內(nèi)，平行紙面方向極化)，設(shè)置頻率范圍為 250 MHz～6 GHz，計(jì)算頻點(diǎn) 500，由此得到頻率響應(yīng),如圖2所示。

對(duì)由圖2所示的頻率曲線做IFFT變換獲得時(shí)域散射響應(yīng)，利用矩陣束算法提取標(biāo)簽極點(diǎn)如圖3。由于極點(diǎn)以共軛對(duì)出現(xiàn)，且衰減因子為負(fù)值，因此只給出了一個(gè)象限內(nèi)的極點(diǎn)分布。

圖3中的極點(diǎn)數(shù)目對(duì)應(yīng)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中的諧振單元數(shù)目，每個(gè)極點(diǎn)參數(shù)取決于諧振單元的諧振特性，不同標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的極點(diǎn)分布狀態(tài)不同。

2 標(biāo)簽極點(diǎn)分布的影響因素

無(wú)芯標(biāo)簽極點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽識(shí)別的重要參數(shù)，本文探討了電介質(zhì)材料（介質(zhì)厚度、相對(duì)介電常數(shù)）對(duì)無(wú)芯標(biāo)簽極點(diǎn)分布的影響。

2.1 介質(zhì)厚度對(duì)極點(diǎn)分布的影響

對(duì)圖1所示的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)加上無(wú)耗電介質(zhì)襯底 (如圖4)，分析不同介質(zhì)厚度d對(duì)極點(diǎn)分布的影響。

設(shè)定介質(zhì)材料相對(duì)介電常數(shù)2，厚度d從0.1 mm到0.5 mm以步長(zhǎng)0.2遞增。在相同的入射平面波及頻率范圍內(nèi)，圖5給出了無(wú)芯標(biāo)簽極點(diǎn)分布隨介質(zhì)襯底厚度d的變化規(guī)律(d=0表示沒有添加介質(zhì))。

由圖5可知，隨著d的增加，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)分布以類S型曲線向坐標(biāo)原點(diǎn)靠近，其衰減因子αi和諧振頻率ωi呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)。

衰減因子αi是由目標(biāo)表面及內(nèi)部介質(zhì)體的損耗引起的，導(dǎo)體表面越大，衰減越大。當(dāng)為標(biāo)簽加上無(wú)耗介質(zhì)襯底后，由于金屬標(biāo)簽相對(duì)表面減小，加上介質(zhì)體的低損耗特性，使得衰減因子αi變小。

圖5表明，在本文的參數(shù)設(shè)置下，為了獲得無(wú)芯標(biāo)簽較為明確的極點(diǎn)分布，介質(zhì)材料選定后，介質(zhì)厚度d可在0.1 mm～0.3 mm范圍內(nèi)。

2.2 相對(duì)介電常數(shù)對(duì)極點(diǎn)分布的影響

相對(duì)介電常數(shù)是介質(zhì)體的重要參數(shù)之一，本節(jié)將在介質(zhì)襯底厚度d一定時(shí)，分析介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)e對(duì)目標(biāo)極點(diǎn)分布的影響。設(shè)定d=3 mm，相對(duì)介電常數(shù)e從0～6以步長(zhǎng)2遞增。對(duì)圖4所示的介質(zhì)標(biāo)簽施加相同的源激勵(lì)，在相同的頻率范圍內(nèi)，圖6給出了相應(yīng)的極點(diǎn)分布規(guī)律。

由6可以看出，相對(duì)介電常數(shù)對(duì)標(biāo)簽極點(diǎn)分布的影響與介質(zhì)厚度的影響基本一致。隨著相對(duì)介電常數(shù)的不斷增加，極點(diǎn)分布狀態(tài)仍以類S曲線向坐標(biāo)原點(diǎn)靠近，衰減因子αi和諧振頻率ωi也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

圖6表明，在介質(zhì)體厚度不變的情況下，相對(duì)介電常數(shù)e介于2～4之間,能得到較為明確的極點(diǎn)分布規(guī)律。

以上結(jié)果表明，介質(zhì)體厚度及相對(duì)介電常數(shù)對(duì)標(biāo)簽極點(diǎn)分布均有影響，后者較前者的影響更大。需要指出的是，以上分析是以折疊偶極子陣列無(wú)芯標(biāo)簽為載體進(jìn)行的，然而對(duì)其他目標(biāo)結(jié)構(gòu)[8-9]的分析也能得到類似的結(jié)果。

極點(diǎn)特征是目標(biāo)識(shí)別方式的重要參數(shù)，極點(diǎn)提取的準(zhǔn)確性受到目標(biāo)結(jié)構(gòu)、入射波頻率、提取算法、使用環(huán)境等多種因素的影響。本文以折疊偶極子陣列無(wú)芯標(biāo)簽為依托，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，主要分析了無(wú)耗電介質(zhì)參數(shù)對(duì)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)極點(diǎn)分布的影響。研究結(jié)果對(duì)通過目標(biāo)極點(diǎn)分布規(guī)律選擇適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)載體材料具有重要指導(dǎo)意義，在某種程度上這將有助于推動(dòng)無(wú)芯標(biāo)簽在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用。

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