多边形无芯射频标签及其识别*

2014-02-10刘利圣邹传云

通信技术 2014年10期

关键词：散射体多边形频域

刘利圣,邹传云,黄俊

(西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010)

多边形无芯射频标签及其识别*

刘利圣,邹传云,黄俊

(西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010)

传统的射频标签因含有芯片而导致价格高、功率需求大,使得射频标签无法广泛使用。基于导体结构的自然谐振特性,本文提出了一种新型无芯射频标签,该标签除了散射体本身不包含任何芯片和电路,可以大幅降低标签成本。仿真结果表明该标签谐振特性明显,通过改变标签的物理参数使不同标签在不同频率点产生谐振,这样可以用来实现编码。利用矩阵束算法提取出的极点可以识别出该标签结构,表明该标签结构具有可行性。

无芯射频标签矩阵束算法极点

0 引言

射频识别是无线电频率识别(RFID,Radio Frequency Identification)的简称,即通过无线电波进行识别。目前,RFID在票务系统(城市公交车、高速公路收费、门票等)、收费卡、城市交通管理、安检门禁、物流、家政、食品安全追溯、药品、矿井生产安全、防盗、防伪、证件、集装箱识别、动物追踪、运动计时、生产自动化、商业供应链等众多领域获得广泛重视和应用[1]。射频标签的一系列优势表明它具有取代条形码的潜力,如长距离、非视距、自动识别和跟踪等。传统射频标签一般都含有芯片,主要由IC芯片、天线和封装等几部分组成,标签的价格主要集中在应用型专用集成电路上,所以为了降低价格,国内外学者开始研究无芯片标签[2]。

利用无芯标签编码数据的研究分为时域和频域两大类,时域内的编码方式类似于脉冲调制(PPM, Pulse Position Modulation),频域内的编码方式类似于开关键控(OOK,On/Off Keying)[3-6]。文献[7]中介绍了具有椭圆偶极子标签的散射特性,通过在椭圆偶极子标签上人为的开槽,改变导体反向散的射频域特性来实现标签的识别。文献[8]介绍了一种将谐振体作为射频条形码的标签,通过改变谐振体的谐振频率并观察特定频率点上的是否存在谐振进行数据编码。C.Baum提出奇点展开法[9],金属散射体的瞬态响应可以在复频域内用一系列极点及其相应的耦合系数(留数)来表征,极点依赖于散射体的几何形状。文献[10]分析了椭圆偶极子标签结构与极点之间的关系。本文在此基础上,设计了一种基于目标极点识别的多边形无芯标签。

1 极点与留数

1.1 奇点展开法

根据C.Baum的理论,金属散射体的瞬态响应在其后期是由很多衰减震荡的和构成的,目标瞬态电磁响应的数学模型可以表示为:

式中x(t)为无噪信号;n(t)为噪声;Ri为复振幅(留数);si=αi+jωi是极点(αi、ωi分别代表衰减因子和角频率);M是极点数目。

1.2 矩阵束算法

矩阵束算法的思想是:将已知的时域信号离散采样,构造两个特殊矩阵,根据这两个特殊矩阵间的相互关系求解广义特征值,最终所要求解的信号信息(极点)就包含在这些广义特征值中[11]。将式(1)采样离散,得到式(2)如下:

其中k=0,1,…,N-1为采样个数;极点zi=esiTs=e(σi+jωi)Ts,i=1,…,M;Ts为采样周期。

要从y(kTs)中提取出最佳的M,Ri和zi等信息,先对采样数据用最小二乘矩阵束法(TLS-MPM, Total-Least-Squares Matrix pencil Method)进行预滤波处理,然后用y(kTs)构造Hankel矩阵Y如下:

对矩阵Y进行奇异值分解(Singular-Value Decomposition,SVD),则

式中“H”表示矩阵共轭转置,U、V为酉矩阵,分别是Y的左奇异矢量和右奇异矢量,由YHYHH、YHHYH的特征矢量构成;对角矩阵∑由Hankel矩阵Y的奇异值组成。

在式(4)两边同时左乘UH和右乘V,得到包含奇异值的对角矩阵:

其中:

极点对数M通过矩阵∑确定。比较∑中每个奇异值σi与最大奇异值σmax的比值直至满足信噪比要求,即可确定M的值。判断方法为:σi/σmax≈10-p,其中p代表计算精度,默认为采样数据的有效位数。M确定后,构造过滤矩阵V′,V′只包含V中M个主奇异值,(M+1)到L较小奇异值舍弃,得到如下式子:

其中,V′1和V′2分别是V′去掉最后一列和第一列得到的,∑′由对角矩阵∑的前M阶对应的最大奇异值组成。由此可以推导得出:

根据式(9)就可以求得极点zi。M和zi确定后,对应的留数Ri可根据以下式子算得:

2 无芯标签结构

多边形无芯标签结构如图1,由两个梯形组成,梯形腰10 mm,梯形间隔0.5 mm,在梯形上开槽,开槽宽度0.5 mm,开槽间隔0.5 mm,一端封死,这样就可以形成谐振腔。为了保证两边谐振体可以在不同频率点谐振,开槽时需注意两边起始位置不同,左边凹槽起始位置距边界0.5 mm,右边凹槽起始位置距边界1 mm。

图1 多边形无芯标签结构Fig.1 Structure of polygon chipless RFID tag

图1所示标签结构中有8个开槽,在仿真软件FEKO中用平面波照射该标签结构,然后观察散射场,可以清晰地看到8个谐振频率点。仿真设置在Z负半轴施加的入射平面波,极化方向平行X轴方向,对25 MHz～7 GHz的远场求解,得到该标签结构的散射场频域特性如图2所示。8个波峰分布在3.5 GHz～6 GHz范围内,第一个波峰与第二个波峰离得较近,这是由于在边界的谐振体会存在耦合现象,不过这种现象对标签的检测识别影响不大,如果利用此标签编码,则可以编码为11111111,然后通过在既定位置是否开槽来形成其他编码标签,在散射场频域内表现为某个频率点(允许一定的误差)是否存在波峰,如图2中也给出了编码为11101101的标签散射场频域特性,“1”表示在相应位置有开槽,“0”表示在相应位置没有开槽。

图2 多边形标签散射场频域特性Fig.2 Frequency scattering field of polygon tag

3 基于极点的标签识别

对图2所示的两种标签结构的瞬态响应进行极点提取,其结果如图3所示,极点个数对应开槽个数,并且极点所分布的频率点基本一致。相同极点的位置不能完全重合,这是由于相邻开槽谐振结构之间有耦合作用,导致衰减因子(亦即留数)不相等。

图3 标签极点分布Fig.3 Distribution of poles

根据图3中的极点分布,可以对相应标签进行编码,而无需用频域响应来编码数据,这样方便对离散数据而非连续波形进行处理,降低了硬件设施成本。

4 结语

极点特征是目标识别方式的重要参数,极点提取的准确性会受到目标结构、提取算法、使用环境等多种因素的影响。本文提出了一种多边形开槽无芯标签,在超宽带平面波照射下,如上文中可以在标签上改变开槽位置实现不同频率点谐振进而实现8bit数据的多标签编码,若是改变标签的面积可以实现更多位数据编码的标签,并通过对极点参数的分析,论证了该标签作为无芯标签及其识别方式的可行性。无芯射频标签具有低功耗、结构简单、价格低等优点,具有取代条形码的潜力。后续研究工作将围绕环境因素,如噪声、将标签附着在介质上等方面进行研究。

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XU Li,ZOU Chuan-yun,CHEN Min.Analysis on Pole Extraction based on Matrix Pencil Algorithm[J].Communications Technology,2012,45(06):58-60.

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LIU Li-sheng(1988-),male,graduate student,majoring in radio frequency identification technology.

邹传云(1960—),男,博士、教授,主要研究方向为电路与系统专业;

ZOU Chuan-yun(1960-),male,Ph.D.,professor,mainly working at circuit and system.

黄俊(1989—),男,硕士研究生,主要研究方向为无线射频识别技术。

HUANG Jun(1989-),male,graduate student,majoring in radio frequency identification technology.

张浪(1987—),男,硕士研究生,主要研究方向为战术网络组网;

ZhangLang(1987-),male,graduate student,mainly engaged in tactical networking.

李大双(1963—),男,博士,研究员,主要研究方向为战术网络组网与路由技术;

Li Da-shuang(1963-),male,Ph.D.,research fellow,mainly engaged in tactical network and routing technology.

毛建兵(1981—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为无线传感器网络;

MAO Jian-bing(1981-),male,Ph.D.,senior engineer, mainly engaged in wireless sensor network.

景中源(1988—),男,硕士研究生,主要研究方向为战术网络组网.

JING Zhong-yuan(1988-),male,graduate student,mainly engaged in tactical networking.

Polygon Chipless RFID Tags and Its Identification

LIU LI-sheng,ZOU Chuan-yun,HUANG Jun
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

Due to its high price and power demand,traditional chipped RFID tags couldn't be widely used. And thus a new chipless RFID tag based on natural resonant characteristics of conductors is proposed.This tag contains no chip and circuit but contains only a scattering body,and as a result,the cost of tag is substantially reduced.Simulation results indicate that the resonance characteristics of this tag are evident,and tags with different physical parameters resonate at different frequencies,and these features can be used to realize data encoding.Poles extracted by the matrix pencil method can indentify the tag structure,this indicates the feasibility of this tag structure.

chipless RFID tag;MPM;pole

TN92

1002-0802(2014)10-1183-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.015