基于FSS的無芯RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)*

代一平，鄒傳云

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

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基于FSS的無芯RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)*

代一平，鄒傳云

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

摘要：提出了一種基于頻率選擇表面(Frequency-selective Surface， FSS)的無芯片RFID標(biāo)簽，頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)單元是由方形嵌套環(huán)構(gòu)成，將其印刷在1.6 mm的環(huán)氧玻璃纖維板(簡稱FR4)上。該標(biāo)簽由2×2個結(jié)構(gòu)單元組成，尺寸是3 cm×3 cm。當(dāng)一個嵌套環(huán)消失時，相對應(yīng)的共振頻率點的吸收峰消失，從而識別不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，完成編碼。此結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)5bit編碼位數(shù)。此設(shè)計優(yōu)點是： 1)極化不敏感；2)可以在金屬物體上使用；3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強。相比于其他無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大的創(chuàng)新就是能在金屬表面上使用。

關(guān)鍵詞：射頻識別 ；無芯片標(biāo)簽；頻率選擇表面；金屬表面

0引言

射頻識別(Radio frequency identification,RFID)是一種無線通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)建立機械或者光學(xué)接觸[1]。19世紀中葉法國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了射頻和雷達技術(shù)，這項技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息共享。2003年沃爾瑪在超市中率先使用射頻標(biāo)簽代替條形碼技術(shù)，射頻標(biāo)簽成功的運用掀起了國內(nèi)外研究射頻識別技術(shù)的高潮。

射頻識別技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛,但是目前的射頻識別標(biāo)簽成本高，價格貴，無法使射頻識別技術(shù)進入市場盈利，所以必須降低標(biāo)簽的價格。無芯片標(biāo)簽可以以0.1美分的價格直接印刷在產(chǎn)品和包裝上，這種無芯片標(biāo)簽有望代替每年使用的十萬億條形碼[2]。此外，無芯片RFID標(biāo)簽不需要像傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽一樣，在芯片終端發(fā)起通信用的15 dBm的芯片功率，這意味著將改善標(biāo)簽的讀取范圍[3-4]。

本文提出了一種新的無芯片RFID標(biāo)簽，利用2×2個結(jié)構(gòu)單元組成的頻率選擇表面，與厚度為1.6 mm的電介質(zhì)環(huán)氧玻璃纖維板(簡稱FR4，εr=4.5)組成高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)[5],高阻抗表面具有阻帶寬、損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的特性，能夠抑制表面波。當(dāng)在諧振結(jié)構(gòu)中引入合適量的損失，可以在共振頻率形成一個完美的吸收。該結(jié)構(gòu)標(biāo)簽是低剖面，具有5 bit的編碼位數(shù)，“全發(fā)射”和“全吸收”分別被編碼“0”和“1”比特。本文設(shè)計的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，不僅可以運用在一般物體上，還可以在金屬上使用。

1工作原理

頻率選擇表面 (FSS)是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu) ，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成 。這種表面可以在單元諧振頻率附近呈現(xiàn)全反射(貼片型)或全傳輸特性(孔徑型)[6]。目前FSS多用在天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，本文將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于導(dǎo)體自然諧振的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)上。

在各種分析FSS的方法中以等效電路法較為簡便,該方法將周期性的金屬圖案以等效電阻，等效電流，等效電容做串聯(lián)或者并聯(lián),利用等效電路法做吸波性能分析,從而將復(fù)雜的電磁波散射問題化為簡單的傳輸線理論問題,可計算FSS的反射系數(shù)和透射系數(shù)。但該方法僅適用于單元形狀由薄窄條所構(gòu)成的幾何圖形(如矩形單元，十字單元，方形嵌套環(huán)單元和耶路撒冷單元)。其在反射與投射系數(shù)的預(yù)估上,其精確度只能達到諧振頻率為止,超過諧振頻率時,其誤差值會加大。

本文提出的方形嵌套環(huán)的結(jié)構(gòu)單元的等效電路圖如圖1所示。

圖1　方形嵌套環(huán)等效電路

為簡單起見，本文只考慮兩個方形嵌套環(huán)的結(jié)構(gòu)單元。在這種情況下，F(xiàn)SS阻抗可通過兩個串聯(lián)LC諧振器的并聯(lián)連接來表示

(1)

在這里參數(shù)L1、C1、L2、C2分別表征第一和第二環(huán)形諧振器。因為在有損基片上，周期性圖案印刷的電容不是純粹的實數(shù)，考慮到電容器[7]內(nèi)消耗的能量，所以它的并聯(lián)電阻包括一個虛部。由式(1)可看出，F(xiàn)SS阻抗的特征包括一個實部和一個虛部。

通過添加額外的LC串聯(lián)電路中，等效電路可以模擬多共振的HIS。如果輸入阻抗的實數(shù)部分等于自由空間阻抗，那么每一個共振會實現(xiàn)完美的吸收。

將FSS印刷在背襯接地板的基板上，形成高阻抗表面的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，如圖2所示。高阻抗表面具有抑制表面波和同相反射的特性，又因為它自身帶有接地板，所以這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)能在金屬表面上使用。標(biāo)簽的基板厚度的減小會使第一諧振輸入阻抗的實部減小，使其與自由空間阻抗更匹配。但是，減小基板厚度會使其他諧振輸入阻抗遠離自由空間的阻抗，從而導(dǎo)致高階共振的惡化。所以合適的基板厚度很重要的，必須選擇的適量損耗才能保證所有的共振頻率有良好的匹配。

圖2　標(biāo)簽結(jié)構(gòu)側(cè)視

2無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于FSS的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)是由2×2個方形嵌套環(huán)組成的結(jié)構(gòu)單元組成，結(jié)構(gòu)尺寸為3 cm×3 cm，能夠?qū)崿F(xiàn)5 bit的編碼位數(shù)。2×2的方形嵌套環(huán)的結(jié)構(gòu)單元形成了頻率選擇表面。這種表面可以在單元諧振頻率附近呈現(xiàn)全反射或全傳輸特性。合適厚度的基板形成的損耗能夠使共振頻率的吸收峰增大，經(jīng)過多次嘗試，采用損耗因子εr=4.5 ，tanδ=0.025，厚度為d=1.6 mm的FR4作為基板，F(xiàn)R4基板材料價格便宜，運用普遍，且能達到預(yù)期的效果。其中結(jié)構(gòu)單元的周期是15 mm，嵌套環(huán)的寬度和環(huán)之間的縫隙均為0.468 mm。

圖3　5個方形嵌套環(huán)結(jié)構(gòu)單元標(biāo)簽

2.1基板厚度分析

前面已經(jīng)分析過，基板厚度對于標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的共振有影響，現(xiàn)在我們來分析在入射角度θ=0°,φ=0°，極化角度為η=0°，計算頻率為1～10 GMHz內(nèi)的遠場求解，在觀測角度θ1=0°，φ1=0°進行觀察(為默認觀察角度)。改變基板厚度，令d=2 mm/1.6 mm/1.2 mm，觀察其頻域雷達散射截面(Radar cross section, RCS)曲線的變化。如圖4所示。雷達散射截面，表征的是目標(biāo)在雷達波照射下所產(chǎn)生的回波強度的一個物理量。

圖4　不同基板厚度

從圖4可以看到當(dāng)基板厚度逐漸減小，共振頻率點的位置向右偏移，基板厚度由2 mm減小到1.6 mm時，可以看到諧振波谷的深度加大，回波強度基本不變，但是當(dāng)基板厚度再減小到1.2 mm時，可以看到最后一個諧振波谷的幅度減小，深度也減小。所以我們選擇厚度為1.6 mm的基板。

2.2可行性分析

如圖5所示為3種不同結(jié)構(gòu)單元的標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，在同等入射波照射環(huán)境下進行仿真，根據(jù)圖6仿真所得的RCS圖可知， 5個嵌套環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成的標(biāo)簽，其共振的波谷頻率大約為3.47 GHz,4.14 GHz,5.06 GHz,6.44 GHz,6.93 GHz, 共振頻率點總帶寬為3.46 GHz,頻點之間的頻帶寬度最小為510 MHz，足夠被檢測識別。根據(jù)其存在多少個共振波谷，可將其編碼為11111，圖5(b)為去除第三個嵌套環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成的標(biāo)簽，其共振的波谷頻率3.47 GHz,4.14 GHz,6.15 GHz,6.93 GHz,根據(jù)其RCS曲線的共振波谷，可將其編碼為10111。從圖4中可知，圖5(c)為去除第四個嵌套環(huán)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，其共振波谷頻率為3.47 GHz,4.85 GHz ,6.15 GHz,6.93 GHz，故其可編碼為11011。

由仿真結(jié)果圖6可以看出這種結(jié)構(gòu)是可行的，當(dāng)一個嵌套環(huán)消失，相應(yīng)的吸收峰消失，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，當(dāng)一個嵌套環(huán)不存在，其臨近的吸收峰頻率會受到影響，如當(dāng)?shù)谒膫€嵌套環(huán)消失時，第三個吸收峰的頻率點由原來的6.44 GHz，變化為6.15 GHz。但是這對于識別標(biāo)簽的影響是不存在的，只要我們將頻率選擇區(qū)間設(shè)置好，將該吸收峰檢測到即不影響其識別。

圖5　3種不同F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)單元的標(biāo)簽

圖6　三種不同標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的RCS

波谷存在則編碼為1，否則編碼為 0，可以看到所有波谷的深度至少有20 dbi，除了最后一個。吸收峰的深度增大能使其在識別時候更容易檢測到吸收峰，從而完成編碼，增大編碼準(zhǔn)確性。圖6中方框圈起來的地方為虛假共振頻率點，在檢測識別的時候要注意將其除去，保證編碼信息的正確性。

2.3分析入射角度theta的影響

當(dāng)入射波的φ=0°η=0°，改變θ=0°/30°/45°/90°，觀察其頻域RCS曲線，如圖7所示，可以看到RCS波形基本無變化，共振頻率點不變，深度不變。只是當(dāng)從0°變?yōu)?0°時，回波強度減弱，這點是可預(yù)測的，因為入射波角度改變，入射信號的強度減弱，所以回波強度也會相應(yīng)減弱?？梢哉f，這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對于入射角度θ的變化并不敏感。

圖7　入射角度不同

2.4極化角度影響

當(dāng)入射波θ=0°,φ=0° 時，改變其極化角度，令η=0°/30°/60°/90° ，圖8為其不同極化角度的RCS曲線圖，可以看到極化角度改變，共振頻率點并沒有改變，除了當(dāng)極化角度變?yōu)?0°時，|RCS|增大，表示單位面積內(nèi)回波強度變小?；夭◤姸葴p弱對于標(biāo)簽的檢測識別并沒有干擾，只是影響其閱讀范圍。所以可以證明這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)極化角度不敏感。

圖8　不同極化角度

2.550 mm×50 mm金屬板表面上的測量

圖9為標(biāo)簽結(jié)構(gòu)在50 mm×50 mm金屬板表面上的仿真示意圖，圖10為圖5所示的三種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)在金屬表面上的頻域散射RCS曲線圖。可以看到其RCS曲線呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，當(dāng)其中一個嵌套環(huán)消失，相應(yīng)的共振波谷也隨之消失，鄰近的共振頻率點會發(fā)生少許的偏移，這個對于編碼信息并沒有影響，只要根據(jù)其頻率變化范圍，劃定一定的頻率帶，即可實現(xiàn)正確地識別編碼。根據(jù)其共振頻率點存在不存在，三種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)可分別編碼為“11111, 11011，11101”。相同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，運用到金屬物體表面，會改變它的共振頻率，這是因為金屬表面會對標(biāo)簽產(chǎn)生干擾波，并且代表的編碼信息也產(chǎn)生了變化?？梢钥吹竭@種結(jié)構(gòu)標(biāo)簽更適合用在金屬表面，共振吸收峰明顯，無虛假諧振點存在。

從圖10中可以看到，圖5所示結(jié)構(gòu)(a)的共振頻率點變化為2.90 GHz,3.58 GHz，4.25 GHz，5.20 GHz，6.72 GHz。頻帶寬度變?yōu)?.82 GHz。這是因為金屬平面對入射電磁波的反射，影響了標(biāo)簽結(jié)構(gòu)諧振的共振頻率。

圖9　金屬表面的仿真模型

圖10　3種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的RCS曲線

3結(jié)語

無芯片標(biāo)簽的設(shè)計和研究勢在必行，本文提出的基于頻率選擇表面的無芯片RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)是可行的，這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，只有30 mm×30 mm，極化獨立，共振峰深度強，易于被識別。本文提出的基于FSS的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)與以前的相比，不僅能用在普通物體表面，還能夠運用在金屬表面。本文的分析只是定性分析，在實際應(yīng)用中可以通過增加嵌套環(huán)的數(shù)目來實現(xiàn)更多的編碼位數(shù)。因為本文數(shù)據(jù)均來自仿真，跟實際測量結(jié)果可能會有差距，后期需要對這種結(jié)構(gòu)標(biāo)簽進行進一步的優(yōu)化研究，研究其編碼檢測方法，并且要進行實際測量，比較實際測量是否與仿真結(jié)果相符合。

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代一平(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向為無線射頻識別技術(shù);

鄒傳云(1960—)，男，博士，教授，主要研究方向為超寬帶技術(shù)、無線射頻識別技術(shù)。

Chipless RFID Tags based on Frequency-Selective Surface

DAI Yi-ping, ZOU Chuan-yun

(School of Information Engineering, Southwest University of Technology and Science, Mianyang Sichuan 621010, China)

Abstract：A Chipless RFID tag based on FSS (Frequency-Selective Surfaces) is proposed. The structural unit of FSS is composed of several square nested loops printed on a substrate (FR4) with a thickness of 1.6 mm. This tag consists of 2*2 structural units with 3 cm*3 cm each in size. When a nested loop disappears, the absorption peak corresponding to the resonance frequency also vanishes, thus to identify different structures and complete encoding. With this structure, the 5-bit data string can be realized. Advantages of this design are: 1) insensitive polarization; 2)can be used on metallic objects; 3 )strong structural stability. Compared with other structure of chipless tags, the biggest innovation of this structure is the possible use on metal surface.

Key words：RFID; chipless tags; frequency-selective surfaces; metal surface

作者簡介：

中圖分類號：TN92

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)01-0103-05

*收稿日期：2015-08-16；修回日期：2015-12-07Received date:2015-08-16；Revised date：2015-12-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.01.021