大容量无芯片标签结构探索*

张 昭，邹传云，黄保虎

（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010）

从1999年物联网概念的提出到现在，物联网已初步具备了一定的技术、产业和应用基础，呈现出良好的发展态势。近来，由于物联网被认为是下一代互联网，是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”[1]，因而备受关注。然而物联网的发展速度却并不快，其制约因素就是无法找到一个合适的识别装置为每一个物体分配一个唯一的ID，无芯片标签被认为是解决这一难题的关键技术。本文将展示一种新型标签结构，这一标签结构容量大、尺寸小，目前还处于探索阶段。

近年来，利用目标的自然响应频率[2]来识别物体成为无芯片标签发展的新方向[3]，但大多都是关注于目标响应结果的频率点提取的算法[4]，也出现了少数新的标签结构，但这些结构并不完美，或是尺寸有待改进，或是容量有待提升，或是带宽有待缩短。

本文展示一种新的标签结构，具有容量大、尺寸小和带宽小等优点。目前该结构还处于仿真阶段，仿真平台是FEKO电磁场仿真软件。

1 结构设计

当目标受到电磁波照射时，在目标的表面会激励出感应电荷和感应电流，形成电磁场，发生电磁波散射[5]，该散射场是频率、目标结构和目标材料等的函数[6]。如果能找到具有规律频谱图的目标结构，就可以用于物体识别。当椭圆的短轴半径r与长轴半径R的比值μ在一定范围内时（假定X方向为短轴，Y方向为长轴），就有图1（b）所示的频谱图。当μ在一定范围内时，改变R，其谐振频率会发生明显的偏移，R越大，谐振频率越低，R越小，谐振频率越高；改变r，其谐振频率也会发生偏移，当r取值合适时，其谐振频率几乎不偏移，当 r大于某一值时，其谐振频率会在较小的范围内移动。

图1 椭圆标签及其频谱图

图1（a）所示的椭圆标签参数的设置为R=20 mm，r=1mm，图 1（b）是图 1（a）的频谱图，其中 RA1=RA2=RA3=RA4=20 mm，rA1=1mm，rA2=0.01 mm，rA3=4 mm，rA4=8 mm。 从图 1（b）可以看出，椭圆标签短轴半径取某一值时其频谱图的峰值有最小值。

如果将不同μ值的椭圆排成一个序列，是不是应该得到一个波峰波谷相间分布的频谱图？仿真结果证明了该设想，如图2所示。图中椭圆的短轴半径均为r=0.1 mm，R 分别取 20 mm、19.5 mm、19 mm、18.5 mm、18 mm 并按等差递减等间距排列，间距 d=0.1 mm。从图 2（b）中可以看出， 标签不同角度入射波 （分别为 0°、30°、60°及90°）的频率响应曲线基本重合，只是在幅度上有些差别。仿真结果表明，单个椭圆标签的谐振频率和与其相对应椭圆标签阵列的响应频率并不完全对应，除了第一个波峰向左偏移了外，其余的均向右偏移了，而且其幅度差别也很大，并不是简单地线性相加的结果。

图2 椭圆标签阵列及其频谱图

2 仿真分析

对包含有21个椭圆标签的标签阵列进行较为细致的分析对比，来考查这一结构的优越性。

r不变，不同R的椭圆标签序列的频谱图如图3所示，采用的入射角度分别为 0°、30°、60°和 90°。 它所对应的椭圆标签阵列的设置为：r=0.1 mm，且r不变；R从20 mm起按步长ΔR=0.005 mm等差递减排列，间距d=0.1 mm共21个椭圆标签，它应该产生20波谷和21个波峰。然而仿真结果并非如此，它只有20个波峰，19个波谷。与图2相比，其波峰波谷更密集地分布在3.4 GHz～4.6 GHz的频率范围内，其谐振频率之间的间隔更小，这是由不同的长轴半径差ΔR所导致的。不同的ΔR会有不同的频率间隔，总的来说，ΔR越小，频率间隔越小，但并不是越小越好，当ΔR小于某一值时，就会导致一些谐振频率消失，这也是图 3（a）只有 20个波峰 19个波谷的原因之一。影响谐振频率间隔的还有标签的间距d和标签的排列顺序，它们同样会使一些谐振频率消失。在其他设置相同的情况下，排列顺序对这种现象的影响很大，图3（b）显示了这种影响。其所对应的椭圆标签阵列，除了排列顺序不同外其他都一样，在排列顺序上把第 2与 21、3与 20、4与 19、5与 18互换了位置，其频谱图就出现了如此大的区别，可以看出，其间只有2个波谷 3个波峰。图 3（d）是两个不同 ΔR的椭圆标签阵列的频谱图的对比，A1与图 3（a）的设置一致，A2中的ΔR=0.5 mm，其有用信号部分分布在3.5 GHz～9 GHz的频率范围内。 图 3（c）是图 3（a）在 3.0 GHz～5.0 GHz 范围内的放大图，从图中可以看出，在某些波峰处，不同照射角度的谐振频率有明显的不同，而在波谷处几乎不偏移。

图3 不同R的椭圆标签序列的频谱图

假如移除其中的一个椭圆标签，其结构改变前后的频谱响应图会有什么不一样的地方呢？假设移除第8个椭圆标签，并保持椭圆标签阵列之间的间距d不变。图4是其频谱图的一部分，因为其他部分在谐振频率处几乎重合。其中曲线①代表的是移除第8个标签后的频谱图，曲线②与图 3（d）的 A2设置完全相同，与曲线②相比，可以看出曲线①在原来的第8～9的波峰处出现了很大的不一致（在4 GHz以前只有1个波峰），即结构改变后，相应地少了一个波峰和波谷，它们出现在原来的第8～9波峰之间，随后趋于一致，如果减小ΔR，即减小谐振频率间隔，它们的重合度会更高。

图4 改变标签结构前后其频谱图对比

如果确保R不变，改变r会有什么样的效果？仿真结果表明，这样也会得到波谷波峰相间出现的频谱图，这时的频谱图更密集、更不规则，谐振频率对标签排列顺序、短轴半径差Δr、标签之间的间隔等因素更敏感，各个角度（0°、30°、60°和 90°）照射的频谱图也不相同，如图 5 所示。由于影响因素太多，目前还没有仿真出比较好的频谱图。

图5 改变r的椭圆标签阵列的频谱图

本文论述了一种新型的标签结构，该结构比较稳定，在r不变时，该结构不同角度照射的谐振频率几乎完全一致，改变结构时，频谱图变化不大，容量很大，本文只是象征性地列举了含有21个标签的标签阵列，只要工作带宽允许，该结构可以满足实际需要。

[1]http：//www.cqcvc.com.cn/xinxi/newsdetails.aspx?id=4956.[2012-03-01].

[2]JALALY I，ROBERTSON I D.Capacitively tuned microstrip resonators for RFID barcodes[C].Proc.35th， EUMC’05，2005（4-6）： 1161-1164.

[3]罗春彬，易彬.RFID技术发展与应用综述[J].Communications Technology， 2009， 12（42）：112-114.

[4]TESCHE F M.On the analysis of scattering and antenna problems using the singularity expansion technique[C].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1973： 53-62.

[5]曹荣刚，邹军，袁建生.脉冲功率电源辐射电磁场测量与分析[J].强激光与粒子束，2009，21（9）：1426-1430.

[6]MANTEGHI M，RAHMAT-SAMII Y.Frequency notched UWB elliptical dipole tag with multi-bit data scattering properties[C].2007 IEEE Antennas and Propagation Society Int， 2007：789-792.