基于复自然谐振的无芯RFID标签的设计*

2015-02-28胥磊

电子器件 2015年6期

胥磊

(四川大学电子信息学院，成都 610064)

射频识别（RFID）是一种利用电磁波来提取远程标签上的编码数据的自动识别技术［1］。射频识别标签相对于目前主流的光学条形码而言，在阅读距离、非视距读写和自动识别与跟踪方面具有一定优势，因而有潜力作为条形码的替代品［2］。然而，包含硅芯片和天线的传统射频标签成本较高，使其难于与低成本的条形码技术竞争。因此，研究方向转向了另外一个有前景的替代品即无芯射频标签上面。这种射频标签不需要芯片和通信协议，能够像条形码那样使用。射频条形码的概念首先由Jalay等人提出［3］，后来在全球范围内得到推广。一个无芯标签能够同时具有发射天线，接收天线和滤波器的功能。然而，这种无芯标签不利于编码高容量的数据。增加数据位数，增强鲁棒性，减小尺寸和成本是目前无芯标签设计所面临的挑战。目前研究的各种无芯射频标签可根据其编码方法来分类。一些标签在时域编码［3-4］，另外一些则在频域编码［5-6］。基于频域的标签具有更高的数据密度，比基于时域的标签更容易实现小型化。

无芯标签的混合编码技术在文献［7］中提出，其数据容量达到了23位，但在其所要求的频率分辨率下难以实现数据编码。文献［8］提出了一个16位的完全可印制的缝隙加载的双极化无芯标签，借助于一对双极化天线其编码效率得到了改善。Baum C提出极点展开法（SEM）［9］，散射体的后时响应在频域内用一系列的极点和留数来表示，极点只与散射体的形状有关。一种3位的开槽椭圆偶极子标签在文献［10］中提出，基于极点的编码方法被首次运用在射频标签上面，但其编码效率较低。

本文提出了一种基于目标的复自然谐振的无芯射频识别标签。它包括两个对称的梯形金属贴片，其上加载的12对缝隙谐振腔对应于12位数据。加载在贴片上的缝隙谐振腔具有渐变的长度，可获得高的数据容量。这个紧凑的标签具有35 mm×33 mm的尺寸，工作在UWB频段。

本文后面内容包括：第1部分给出标签设计的原理；第2部分给出标签的设计过程和仿真；第3部分给出测试结果和仿真的对比；第4部分是结论。

1 基本原理

1.1 开槽谐振腔的基本原理

一个加载若干个缝隙谐振腔的金属贴片会在特定频率点产生有明显波峰和波谷的雷达散射截面积（RCS），利用这些波谷和波峰能够实现一定的频率范围内的数据编码。

本文提出的标签所加载的缝隙谐振器是长度为L，间隙为g的一个平面的微带结构，如图1（a）所示。谐振器的一端短路，另一端开路。采用垂直极化的电磁波垂直的照射缝隙谐振器，当谐振器的长度L等于电磁波的四分之一波长时，就激发出一个四分之一波长的驻波模式，此时在开路端有最小的表面电流，而在短路端有最大的表面电流。相应的幅频响应和相频响应分别如图1（b）和1（c）所示。另外，缝隙谐振器两臂之间的电容效应会增加谐振器的品质因素。而当入射的电磁波是水平极化波时，谐振器不会激励出窄带的响应。另外，相对于谐振而言，由于场在空间的相互抵消会产生的一个反谐振，这个反谐振与激励波的极化和入射方向有关［11］。谐振器的内在结构特性决定了在其频谱上有一个谐振的波峰和反谐振的波谷，利用这个波峰和波谷可以对数据进行编码。

图1

缝隙谐振器的谐振频率可以根据式（1）进行估算［12］，

这里，c是光速，ε是介质的相对磁导率。另外，谐振器的间隙g对于谐振频率也有影响。综合考虑这两个因素，缝隙谐振器的谐振频率与L+g/2有关，品质因素则正比于L/g。因而，谐振频率和品质因素的调节能够很容易地通过调节缝隙长度L和缝隙间距g来实现。一个金属贴片上可以加载一个或多个缝隙谐振器，当对这些谐振器中一个或多个进行短路时，相应的谐振频率就会消失，可以根据频谱上波峰或者波谷的存在或消失来进行编码。

1.2 极点展开法和矩阵束法提取数据的原理

当一个散射体受到电磁波照射时，其散射场所产生的后时响应包含一系列衰减的复指数信号之和。根据极点展开法，目标瞬态电磁散射响应的数学表式如式（2）所示：

再求解矩阵的广义特征值，最后从这些广义特征值中可以提取出所求信号的极点信息：

图2给出了本文所提出的RFID标签的基本原理。当无芯RFID标签受到来自于发射天线的垂直极化波的照射时，基于复自然谐振的标签所独有的频率签名或极点就被激发，接收天线则会接收到隐含编码信息的后向散射信号。RFID阅读器和测量设备记录并提取这个独有的频率签名或极点，无芯的RFID标签因而被识别，可以根据极点的存在和消失来对数据编码。

图2 RIFD标签的工作原理

2 无芯RFID标签的设计和仿真

本文所设计的梯形无芯RFID标签I和标签II的结构和尺寸如图3所示。

图3 梯形无芯标签

梯形金属贴片的下底宽为Wb，上底宽为Wt，高为H，贴片将作为缝隙谐振腔的载体。共有6对四分之一波长的尺寸为Li(i=1,2,3,4,5,6)的开路缝隙谐振器加载在梯形金属贴片上。这6对具有不同尺寸的缝隙谐振器在频谱上产生的6个波峰和6个波谷分别对应于6个谐振频率，6对四分之一波长谐振器尺寸从最长到最短对应的频率由低到高分别为 4.1 GHz，4.8 GHz，5.8 GHz，6.5 GHz，8.3 GHz和10.5 GHz。为方便加工，各个谐振器的缝隙宽度g都为0.5 mm。仿真结果如图4所示。

图4 谐振器的仿真图

标签的编码方法非常简单：每一个谐振频率在频谱上都有一个波峰和波谷，其中波谷被用于编码1位数据，这1位数据同时也对应于1个极点的有或无。ID为“111 111”的标签在幅频响应上的6个波谷对应于6个1，而ID为“111 101”的标签在幅频响应上的5个波谷对应于5个1，波谷消失的地方对应于0。ID为“111 111”的标签在相频响应上可以看到有6个相位跳变，而ID为“111 101”的标签在0出现时没有相位跳变。相频响应和幅频响应可以相互验证和对照。

虽然通过加载更多的缝隙谐振器可以获得更高的数据率，但当这些谐振器靠得太近的时候会产生较大的互耦。因而，为了使数据率加倍而又不增加邻近的谐振器间的互耦，于是在介质基片上对称的放置两个相同的金属贴片。在右边金属片上加载的6对谐振器保持不变，其尺寸为Li（i=1,2,3,4,5,6），而左边金属片上加载的6对谐振器整体向梯形贴片的上底方向移动1 mm，谐振器的尺寸为Li（i=7,8,9,10,11,12）。图5给出了所设计的偶极子无芯RFID标签III和标签IV的结构。这12对具有不同长度的谐振器会产生12个四分之一波长的谐振，尺寸从最长到最短对应于12个由低到高的频率，如图5所示。

图5 耦极小无芯RFID标签结构设计图

为了配置标签，可根据编码的数据确定每一个谐振器的短路与否，给定频带的存在和消失分别表示数据1和0。当所有的谐振器都未被填满时，12位标签就表示为ID1：111 111 111 111，如图6（a）所示。当其中一些谐振器被短路时，对应的频率就会消失。例如，当左边最长的尺寸为L1谐振器和右边最短的尺寸为L12的谐振器被短路时，标签就表示为ID2：011 111 111 110，如图5（b）所示。设计中没有用到地板，标签结构的整体尺寸为35 mm×33 mm。

图6 标签配置

3 加工和测量

为了测量和比较，加工了4个具有不同ID的标签。加工的标签如图7所示，其尺寸在表1中列出。标签采用的介质材料为低成本的FR-4，其介电常数为4.4，损耗正切为0.023，厚度为0.5 mm，加工采用蚀铜工艺。

图7 标签实物图

表1 标签加工尺寸单位：mm

测量可在微波暗室内或者有桌椅、墙壁和各种无线设备的办公环境下进行，采用一个双站的雷达系统来探测无芯标签中的编码数据。测量系统包括一个矢网仪AV3629D，在整个测量频带内其输出功率为0 dBm，与其相连的是两个相同的UWB喇叭天线，在3.1 GHz到10.6 GHz的频带内具有的最小增益为-10 dB。两个天线间距为10 cm，待测标签与天线间距为15 cm，测试系统如图8所示。发射天线激励标签中的谐振器，而接收天线接收标签反射的电磁签名。

图9给出了测量所得的传输系数S21与频率的关系以及极点分布。由于加工和测量误差，测量得到的谐振频率和仿真得到的谐振频率有一定程度的偏移，频率偏移在±200 MHz的范围内，因此，二进制的ID仍然能够从四个标签中正确的提取出来。这和仿真结果是一致的，进一步验证了本文所提出的无芯RFID标签设计方案的可行性。

图8 采用双站天线结构的测试系统

图9 传输系数与频率关系及极点分布

3 结束语

本文给出了一个在金属贴片上赋值和提取多位数据的系统方法。在一个平面的梯形领结型无芯RFID标签的超宽带结构上加载缝隙谐振器，基于复自然谐振产生多个频率点。就数据容量而言，虽然本文的标签只编码了12位数据，但通过调节谐振器的间隙宽度g，更高的数据容量也能在相同的面积上面获得。仿真结果表明这些频率能够在RCS频谱和极点图中恢复，测量结果和仿真结果是一致的。这个低成本的、单面的、低剖面无芯RFID标签能够直接印刷在很多物品上，因而能用在很多产品如IC卡、甚至纸张上面。

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