基于復(fù)自然諧振的無(wú)芯RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)*

胥 磊

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610064)

射頻識(shí)別（RFID）是一種利用電磁波來(lái)提取遠(yuǎn)程標(biāo)簽上的編碼數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［1］。射頻識(shí)別標(biāo)簽相對(duì)于目前主流的光學(xué)條形碼而言，在閱讀距離、非視距讀寫(xiě)和自動(dòng)識(shí)別與跟蹤方面具有一定優(yōu)勢(shì)，因而有潛力作為條形碼的替代品［2］。然而，包含硅芯片和天線的傳統(tǒng)射頻標(biāo)簽成本較高，使其難于與低成本的條形碼技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。因此，研究方向轉(zhuǎn)向了另外一個(gè)有前景的替代品即無(wú)芯射頻標(biāo)簽上面。這種射頻標(biāo)簽不需要芯片和通信協(xié)議，能夠像條形碼那樣使用。射頻條形碼的概念首先由Jalay等人提出［3］，后來(lái)在全球范圍內(nèi)得到推廣。一個(gè)無(wú)芯標(biāo)簽?zāi)軌蛲瑫r(shí)具有發(fā)射天線，接收天線和濾波器的功能。然而，這種無(wú)芯標(biāo)簽不利于編碼高容量的數(shù)據(jù)。增加數(shù)據(jù)位數(shù)，增強(qiáng)魯棒性，減小尺寸和成本是目前無(wú)芯標(biāo)簽設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)。目前研究的各種無(wú)芯射頻標(biāo)簽可根據(jù)其編碼方法來(lái)分類(lèi)。一些標(biāo)簽在時(shí)域編碼［3-4］，另外一些則在頻域編碼［5-6］?；陬l域的標(biāo)簽具有更高的數(shù)據(jù)密度，比基于時(shí)域的標(biāo)簽更容易實(shí)現(xiàn)小型化。

無(wú)芯標(biāo)簽的混合編碼技術(shù)在文獻(xiàn)［7］中提出，其數(shù)據(jù)容量達(dá)到了23位，但在其所要求的頻率分辨率下難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼。文獻(xiàn)［8］提出了一個(gè)16位的完全可印制的縫隙加載的雙極化無(wú)芯標(biāo)簽，借助于一對(duì)雙極化天線其編碼效率得到了改善。Baum C提出極點(diǎn)展開(kāi)法（SEM）［9］，散射體的后時(shí)響應(yīng)在頻域內(nèi)用一系列的極點(diǎn)和留數(shù)來(lái)表示，極點(diǎn)只與散射體的形狀有關(guān)。一種3位的開(kāi)槽橢圓偶極子標(biāo)簽在文獻(xiàn)［10］中提出，基于極點(diǎn)的編碼方法被首次運(yùn)用在射頻標(biāo)簽上面，但其編碼效率較低。

本文提出了一種基于目標(biāo)的復(fù)自然諧振的無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽。它包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的梯形金屬貼片，其上加載的12對(duì)縫隙諧振腔對(duì)應(yīng)于12位數(shù)據(jù)。加載在貼片上的縫隙諧振腔具有漸變的長(zhǎng)度，可獲得高的數(shù)據(jù)容量。這個(gè)緊湊的標(biāo)簽具有35 mm×33 mm的尺寸，工作在UWB頻段。

本文后面內(nèi)容包括：第1部分給出標(biāo)簽設(shè)計(jì)的原理；第2部分給出標(biāo)簽的設(shè)計(jì)過(guò)程和仿真；第3部分給出測(cè)試結(jié)果和仿真的對(duì)比；第4部分是結(jié)論。

1 基本原理

1.1 開(kāi)槽諧振腔的基本原理

一個(gè)加載若干個(gè)縫隙諧振腔的金屬貼片會(huì)在特定頻率點(diǎn)產(chǎn)生有明顯波峰和波谷的雷達(dá)散射截面積（RCS），利用這些波谷和波峰能夠?qū)崿F(xiàn)一定的頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼。

本文提出的標(biāo)簽所加載的縫隙諧振器是長(zhǎng)度為L(zhǎng)，間隙為g的一個(gè)平面的微帶結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。諧振器的一端短路，另一端開(kāi)路。采用垂直極化的電磁波垂直的照射縫隙諧振器，當(dāng)諧振器的長(zhǎng)度L等于電磁波的四分之一波長(zhǎng)時(shí)，就激發(fā)出一個(gè)四分之一波長(zhǎng)的駐波模式，此時(shí)在開(kāi)路端有最小的表面電流，而在短路端有最大的表面電流。相應(yīng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別如圖1（b）和1（c）所示。另外，縫隙諧振器兩臂之間的電容效應(yīng)會(huì)增加諧振器的品質(zhì)因素。而當(dāng)入射的電磁波是水平極化波時(shí)，諧振器不會(huì)激勵(lì)出窄帶的響應(yīng)。另外，相對(duì)于諧振而言，由于場(chǎng)在空間的相互抵消會(huì)產(chǎn)生的一個(gè)反諧振，這個(gè)反諧振與激勵(lì)波的極化和入射方向有關(guān)［11］。諧振器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特性決定了在其頻譜上有一個(gè)諧振的波峰和反諧振的波谷，利用這個(gè)波峰和波谷可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

圖1

縫隙諧振器的諧振頻率可以根據(jù)式（1）進(jìn)行估算［12］，

這里，c是光速，ε是介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。另外，諧振器的間隙g對(duì)于諧振頻率也有影響。綜合考慮這兩個(gè)因素，縫隙諧振器的諧振頻率與L+g/2有關(guān)，品質(zhì)因素則正比于L/g。因而，諧振頻率和品質(zhì)因素的調(diào)節(jié)能夠很容易地通過(guò)調(diào)節(jié)縫隙長(zhǎng)度L和縫隙間距g來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)金屬貼片上可以加載一個(gè)或多個(gè)縫隙諧振器，當(dāng)對(duì)這些諧振器中一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行短路時(shí)，相應(yīng)的諧振頻率就會(huì)消失，可以根據(jù)頻譜上波峰或者波谷的存在或消失來(lái)進(jìn)行編碼。

1.2 極點(diǎn)展開(kāi)法和矩陣束法提取數(shù)據(jù)的原理

當(dāng)一個(gè)散射體受到電磁波照射時(shí)，其散射場(chǎng)所產(chǎn)生的后時(shí)響應(yīng)包含一系列衰減的復(fù)指數(shù)信號(hào)之和。根據(jù)極點(diǎn)展開(kāi)法，目標(biāo)瞬態(tài)電磁散射響應(yīng)的數(shù)學(xué)表式如式（2）所示：

再求解矩陣的廣義特征值，最后從這些廣義特征值中可以提取出所求信號(hào)的極點(diǎn)信息：

圖2給出了本文所提出的RFID標(biāo)簽的基本原理。當(dāng)無(wú)芯RFID標(biāo)簽受到來(lái)自于發(fā)射天線的垂直極化波的照射時(shí)，基于復(fù)自然諧振的標(biāo)簽所獨(dú)有的頻率簽名或極點(diǎn)就被激發(fā)，接收天線則會(huì)接收到隱含編碼信息的后向散射信號(hào)。RFID閱讀器和測(cè)量設(shè)備記錄并提取這個(gè)獨(dú)有的頻率簽名或極點(diǎn)，無(wú)芯的RFID標(biāo)簽因而被識(shí)別，可以根據(jù)極點(diǎn)的存在和消失來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)編碼。

圖2 RIFD標(biāo)簽的工作原理

2 無(wú)芯RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)和仿真

本文所設(shè)計(jì)的梯形無(wú)芯RFID標(biāo)簽I和標(biāo)簽II的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。

圖3 梯形無(wú)芯標(biāo)簽

梯形金屬貼片的下底寬為Wb，上底寬為Wt，高為H，貼片將作為縫隙諧振腔的載體。共有6對(duì)四分之一波長(zhǎng)的尺寸為L(zhǎng)i(i=1,2,3,4,5,6)的開(kāi)路縫隙諧振器加載在梯形金屬貼片上。這6對(duì)具有不同尺寸的縫隙諧振器在頻譜上產(chǎn)生的6個(gè)波峰和6個(gè)波谷分別對(duì)應(yīng)于6個(gè)諧振頻率，6對(duì)四分之一波長(zhǎng)諧振器尺寸從最長(zhǎng)到最短對(duì)應(yīng)的頻率由低到高分別為 4.1 GHz，4.8 GHz，5.8 GHz，6.5 GHz，8.3 GHz和10.5 GHz。為方便加工，各個(gè)諧振器的縫隙寬度g都為0.5 mm。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 諧振器的仿真圖

標(biāo)簽的編碼方法非常簡(jiǎn)單：每一個(gè)諧振頻率在頻譜上都有一個(gè)波峰和波谷，其中波谷被用于編碼1位數(shù)據(jù)，這1位數(shù)據(jù)同時(shí)也對(duì)應(yīng)于1個(gè)極點(diǎn)的有或無(wú)。ID為“111 111”的標(biāo)簽在幅頻響應(yīng)上的6個(gè)波谷對(duì)應(yīng)于6個(gè)1，而ID為“111 101”的標(biāo)簽在幅頻響應(yīng)上的5個(gè)波谷對(duì)應(yīng)于5個(gè)1，波谷消失的地方對(duì)應(yīng)于0。ID為“111 111”的標(biāo)簽在相頻響應(yīng)上可以看到有6個(gè)相位跳變，而ID為“111 101”的標(biāo)簽在0出現(xiàn)時(shí)沒(méi)有相位跳變。相頻響應(yīng)和幅頻響應(yīng)可以相互驗(yàn)證和對(duì)照。

雖然通過(guò)加載更多的縫隙諧振器可以獲得更高的數(shù)據(jù)率，但當(dāng)這些諧振器靠得太近的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的互耦。因而，為了使數(shù)據(jù)率加倍而又不增加鄰近的諧振器間的互耦，于是在介質(zhì)基片上對(duì)稱(chēng)的放置兩個(gè)相同的金屬貼片。在右邊金屬片上加載的6對(duì)諧振器保持不變，其尺寸為L(zhǎng)i（i=1,2,3,4,5,6），而左邊金屬片上加載的6對(duì)諧振器整體向梯形貼片的上底方向移動(dòng)1 mm，諧振器的尺寸為L(zhǎng)i（i=7,8,9,10,11,12）。圖5給出了所設(shè)計(jì)的偶極子無(wú)芯RFID標(biāo)簽III和標(biāo)簽IV的結(jié)構(gòu)。這12對(duì)具有不同長(zhǎng)度的諧振器會(huì)產(chǎn)生12個(gè)四分之一波長(zhǎng)的諧振，尺寸從最長(zhǎng)到最短對(duì)應(yīng)于12個(gè)由低到高的頻率，如圖5所示。

圖5 耦極小無(wú)芯RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

為了配置標(biāo)簽，可根據(jù)編碼的數(shù)據(jù)確定每一個(gè)諧振器的短路與否，給定頻帶的存在和消失分別表示數(shù)據(jù)1和0。當(dāng)所有的諧振器都未被填滿(mǎn)時(shí)，12位標(biāo)簽就表示為ID1：111 111 111 111，如圖6（a）所示。當(dāng)其中一些諧振器被短路時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率就會(huì)消失。例如，當(dāng)左邊最長(zhǎng)的尺寸為L(zhǎng)1諧振器和右邊最短的尺寸為L(zhǎng)12的諧振器被短路時(shí)，標(biāo)簽就表示為ID2：011 111 111 110，如圖5（b）所示。設(shè)計(jì)中沒(méi)有用到地板，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的整體尺寸為35 mm×33 mm。

圖6 標(biāo)簽配置

3 加工和測(cè)量

為了測(cè)量和比較，加工了4個(gè)具有不同ID的標(biāo)簽。加工的標(biāo)簽如圖7所示，其尺寸在表1中列出。標(biāo)簽采用的介質(zhì)材料為低成本的FR-4，其介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.023，厚度為0.5 mm，加工采用蝕銅工藝。

圖7 標(biāo)簽實(shí)物圖

表1 標(biāo)簽加工尺寸 單位：mm

測(cè)量可在微波暗室內(nèi)或者有桌椅、墻壁和各種無(wú)線設(shè)備的辦公環(huán)境下進(jìn)行，采用一個(gè)雙站的雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)探測(cè)無(wú)芯標(biāo)簽中的編碼數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)矢網(wǎng)儀AV3629D，在整個(gè)測(cè)量頻帶內(nèi)其輸出功率為0 dBm，與其相連的是兩個(gè)相同的UWB喇叭天線，在3.1 GHz到10.6 GHz的頻帶內(nèi)具有的最小增益為-10 dB。兩個(gè)天線間距為10 cm，待測(cè)標(biāo)簽與天線間距為15 cm，測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。發(fā)射天線激勵(lì)標(biāo)簽中的諧振器，而接收天線接收標(biāo)簽反射的電磁簽名。

圖9給出了測(cè)量所得的傳輸系數(shù)S21與頻率的關(guān)系以及極點(diǎn)分布。由于加工和測(cè)量誤差，測(cè)量得到的諧振頻率和仿真得到的諧振頻率有一定程度的偏移，頻率偏移在±200 MHz的范圍內(nèi)，因此，二進(jìn)制的ID仍然能夠從四個(gè)標(biāo)簽中正確的提取出來(lái)。這和仿真結(jié)果是一致的，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖8 采用雙站天線結(jié)構(gòu)的測(cè)試系統(tǒng)

圖9 傳輸系數(shù)與頻率關(guān)系及極點(diǎn)分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一個(gè)在金屬貼片上賦值和提取多位數(shù)據(jù)的系統(tǒng)方法。在一個(gè)平面的梯形領(lǐng)結(jié)型無(wú)芯RFID標(biāo)簽的超寬帶結(jié)構(gòu)上加載縫隙諧振器，基于復(fù)自然諧振產(chǎn)生多個(gè)頻率點(diǎn)。就數(shù)據(jù)容量而言，雖然本文的標(biāo)簽只編碼了12位數(shù)據(jù)，但通過(guò)調(diào)節(jié)諧振器的間隙寬度g，更高的數(shù)據(jù)容量也能在相同的面積上面獲得。仿真結(jié)果表明這些頻率能夠在RCS頻譜和極點(diǎn)圖中恢復(fù)，測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果是一致的。這個(gè)低成本的、單面的、低剖面無(wú)芯RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛑苯佑∷⒃诤芏辔锲飞?，因而能用在很多產(chǎn)品如IC卡、甚至紙張上面。

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胥 磊（1972-），男，四川射洪，碩士，現(xiàn)就讀于四川大學(xué)攻讀無(wú)線電物理博士學(xué)位，主要從事微波無(wú)源器件的研究，116454852@qq.com。