基于Ⅰ型缝隙谐振器的完全印刷无芯片标签*

马中华　杨建红

(1.兰州大学 物理科学与技术学院, 甘肃 兰州 730000; 2.集美大学 信息工程学院, 福建 厦门 361021)



基于Ⅰ型缝隙谐振器的完全印刷无芯片标签*

马中华1,2杨建红1†

(1.兰州大学 物理科学与技术学院, 甘肃 兰州 730000; 2.集美大学 信息工程学院, 福建 厦门 361021)

摘要：为降低射频识别(RFID)系统中标签的成本,提出了基于I型缝隙谐振器的印刷无芯片标签.通过在导电材料上增加或者缺失不同长度、不同宽度的I型缝隙进行信息编码,得到各种编码的标签,然后利用标签的雷达散射截面(RCS)提取标签信息.在37.0 mm×20.5 mm的F4BM-1/2基板上实现了12 bit的无芯片标签.仿真和实验测试结果表明:标签上的每个谐振器对应频谱上的一个谐振频率,改变缝隙的长度可大范围地改变谐振频率,改变缝隙的宽度只轻微地改变谐振频率;减小相邻缝隙之间的间距或缝隙的宽度可以提高编码容量.

关键词：标签;谐振器;雷达散射截面;射频识别

射频识别(RFID)技术主要采用电磁耦合和电磁辐射的原理来实现对各类物品和设备在移动、静止以及恶劣环境下的自动识别、跟踪和管理,已广泛地应用在车辆管理、高速公路收费、生产线管理和票务管理等方面[1-2].射频识别系统主要由读写器、大量的应答器(标签)和数据处理系统组成[3].应答器由标签天线和标签芯片组成,其成本主要由标签芯片的成本决定[4].物联网大规模应用电子标签的前提之一就是电子标签的成本低.电子标签要取代物流领域的条形码,标签成本是一个主要的决定因素[5].使用最广泛的条形码成本低,有完善的标准体系.但条形码是可视技术,必须在人的操作下工作(非自动跟踪、识别),只能接受视野范围内的信号(近距离识别),如果条形码被划破、污染、脱落,扫描仪就无法辨认识别;而且条形码容易磨损,不能在极端的环境下工作.和光条形码相比,无芯片标签具有远距离自动跟踪、非视距识别、在恶劣环境下能够工作等优势,因而具有替代条形码的潜力.

为了降低标签成本,人们提出了工作在射频识别系统的无芯片标签.无芯片标签主要分为基于时域的无芯片标签[6-11]和基于频域的无芯片标签[12-14].第一个基于时域无芯片标签的RFID系统[6]在时域进行数据编码,标签天线接收到读写器发射的问询信号,然后通过声表面滤波器(SAW)介质形成一个脉冲编码调制信号.随后Liu和Harma等[7-8]对基于SAW的无芯片标签进行研究,用一对SAW色散延迟线扩展和压缩信号,通过降低灵敏度来提高抗干扰的性能.但SAW不能实现完全印刷,因为基于SAW的基材是压电材料,需要亚微米光刻技术,这种材料价格昂贵,其成本已经接近了传统的带芯片标签成本.基于时域的传输线无芯片标签体积较大,编码容量较小[9-11].用于传送带的无芯片标签RFID系统利用频谱进行编码,其频谱特征的产生主要依靠标签上多个带阻滤波器产生的带阻效应,标签天线必须由发射天线和接收天线构成,而且必须正交极化[13].因为一个带阻滤波器对应一个比特,要增加其编码容量,必须增加带阻滤波器的个数,进而增大标签的面积.为了减小无芯片标签的面积,利用L型开路枝节产生谐振频率,用紧凑的超宽带天线代替单极圆形天线[14],但这种标签还是需要接收和发射两面正交极化天线,面积较大.Balbin等[15]提出了基于频域的相位编码无芯片标签,由3个开路高阻微带贴片天线组成3 bit的无芯片标签,根据反向散射信号的相位特征区分信号.由于多径效应,这种无芯片标签反向散射信号的相位变化会引起编码错误,而且分辨率也达不到要求.Kubina等[16]利用谐波雷达感应原理设计了无线温度传感器的无芯片标签.这种标签结构复杂,尺寸较大,低温范围有限.Nijas等[17]提出了基于阶梯阻抗(SIR)的无芯片标签,通过改变阻抗比和长度比来控制基波和谐波频率.但这种标签的SIR结构和编码的规律性不强,难于实用.Gupta等[18]提出了对数周期(LP)偶极子阵列无芯片标签,利用对数周期偶极子天线的带阻特性来实现信息的编码.这种标签提高了编码容量,但规律性不强,不适合大规模商用.Mandel等[19]提出了双频选择多址的准无芯片混频器标签,通过读写器发射两个频率的问询信号,标签的两个滤波器分别选出这两个信号,并通过二极管混频器得到它们的差频，然后此差频被标签反射回读写器,这样就分离了问询信号和响应信号,大大减小了环境造成的雷达杂波的影响.但这种标签需要滤波器对频率进行选择,标签尺寸增大.当电场较弱，达不到二极管的导通压降时会造成失真.

基于SAW的无芯片标签因压电材料的成本和制造因素而无法达到物联网系统中无芯片标签的要求.基于频域的无芯片标签虽然大大降低了成本,但标签尺寸大、编码容量较低,若要增加编码容量,必须要增大标签尺寸,而且无芯片标签需要两面正交极化的标签天线.

为降低标签成本、提高编码容量,文中提出了基于I型缝隙谐振器的能够实现完全印刷的RFID无芯片标签,该标签利用雷达散射截面进行信息的传输,因没有收发正交的天线而减小了标签的面积,缝隙排列紧凑,有一定的规律.文中最后通过仿真和测试实验来分析所设计标签的性能.

1 无芯片标签的结构和工作原理

文中提出的这种I型缝隙无芯片标签的结构如图1所示,在介质基板上刻蚀并排的一系列缝隙,每个缝隙长度各不相等,不同的长度产生不同的谐振频率,根据缝隙的存在和缺失就可以形成有效的编码.缝隙谐振器的谐振频率f和缝隙物理长度L的关系为[20]

(1)

式中,C是自由空间的光速,εr是介质的相对介电常数.

图1　无芯片标签I型缝隙模型Fig.1　Model of the I-shaped slot chipless tag

无芯片标签的编码信息存在于标签上的图形结构中,而这些图形结构改变了超宽带入射波的频谱结构,读写器根据标签回波得到的雷达散射截面(RCS)的频谱结构中包含了相应的编码信息.标签的雷达散射截面定义为[21]

(2)

式中,E0是照射到目标处的入射波电场强度，ES是信源所在处散射波的电场强度,R是信源到标签的距离.读写器发射一个问询脉冲,它是一个超宽带信号.标签接收到此超宽带信号后,标签上的缝隙谐振器结构改变了超宽带信号的频谱特征,使得返回散射信号的频谱出现编码特征,根据这些特征就可以达到编码的目的.

无芯片标签是通过三维电磁场仿真软件(HFSS)进行设计仿真,建模时边界设置为理想匹配层(PML),能够完全吸收入射的电磁波,电磁波可以从理想匹配层向外辐射到自由空间的任意方向.激励为均匀传播的平面波垂直入射到标签表面,电场方向与输入激励波的传播方向垂直,与缝隙的长边正交.

根据式(1)可知,当缝隙长度为21.5 mm时,谐振频率为5.51 GHz.图2是长度为21.5 mm单个缝隙的仿真结果,从图可以看出,缝隙谐振器没有二次谐波,而三次谐波已经远离UWB频带(2.0～10.7 GHz),这样在UWB频带内不会形成二次谐波的干扰.

图2　单个缝隙的RCS频谱曲线Fig.2　Spectrum of RCS of the single slot

控制缝隙尺寸可以实现不同的谐振频率,当缝隙长度a取26、32、38、44 mm时对应的RCS曲线如图3所示.从图可知:不同缝隙长度的组合可以形成有效的编码,不同缝隙长度在RCS频谱中对应的谐振点不同;缝隙长度增加,对应谐振点的频率减小.当缝隙长度取32 mm、缝隙宽度Wslot变化时对应的RCS曲线如图4所示.从图可知,当Wslot在0.5~2.5 mm之间以间隔0.5 mm变化时,谐振点的变化缓慢,对应的谐振频率随着缝隙宽度的增大而增大.

图3　不同长度缝隙的RCSFig.3　RCS of slots with different lengths

图4　单个缝隙长为32 mm而宽度变化时的RCSFig.4　RCS of single slot with a length of 32 mm and different widths

2无芯片标签的设计和仿真

根据图5结构设计了4 bit的缝隙谐振器标签.基板采用厚度(h)为1.5 mm、相对介电常数(ε)为2.2、损耗角正切(tanδ)为0.000 7的聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM-1/2.基板的长L=50 mm、宽W=30 mm,最短的缝隙长度a=26 mm.为了能够实现有规律的编码,相邻的缝隙长度相差6 mm;为了防止缝隙之间产生大的寄生干扰,设置缝隙之间的间距d=2 mm,缝隙宽度Wslot=1 mm.通过增加或者去掉缝隙就可以形成0000-1111的各种编码.图6是以图5为结构的1111、1010、1100、1011编码无芯片标签的RCS仿真频谱曲线.

图5　4 bit缝隙无芯片标签的结构与参数Fig.5　Structure and parameters of the four-bit slot chipless tag

图6　4 bit缝隙无芯片标签的仿真结果Fig.6　Simulation results of the four-bit slot chipless tag

从图6可知,通过缺失一些缝隙,可以构成4 bit的各种编码,每个缝隙对应一个谐振点,缝隙缺失,谐振点就消失.把出现的谐振点看作逻辑1,相反看作逻辑0,可以得到相应的编码.长度相同的缝隙在不同编码组合中对应的谐振频率在100 MHz带宽内波动,通过算法可以得到正确的逻辑状态.

由图7可知:对于标签1111,当缝隙之间的距离在1～3 mm之间时,谐振点波动不大;而当缝隙之间的距离减小到0.5 mm时,由于寄生效应增强,谐振点开始出现明显的偏移,之后距离越小,寄生效应越明显,谐振点的频率明显下降.按照图6模拟结果所对应的缝隙结构制作了图8所示的4个无芯片标签,分别为1111、1010(缺失长度为26 mm和38 mm的缝隙)、1100(缺失长度为26 mm和32 mm的缝隙)、1011(缺失长度为38 mm的缝隙)的标签.

图 7　标签1111在缝隙间距变化时的频率响应Fig.7　Frequency response of tag 1111 with the changes of slot space

图8　无芯片标签照片Fig.8　Photographs of the chipless tags

3实验测量

图9　实验测量装置示意图Fig.9　Schematic diagram of the experimental measuring device

图9为无芯片标签的实验测量装置示意图.无芯片标签使用超宽带信号,传统读写器的工作频带在900 MHz或者2.4 GHz,因此需要用超宽带读写器进行数据读取.矢量网络分析仪可以发出超宽带信号,接收带宽也满足超宽带条件,故使用矢量网络分析仪代替无芯片标签RFID系统中的读写器.矢量网络分析仪(E8362B)的两个端口分别接两面线极化的宽带喇叭天线(LB-8180-NF和LB-10180-NF)作为发射天线和接收天线,放置在距离标签20 cm处.LB-8180-NF型喇叭天线在0.8～18.0 GHz频带范围内的增益为12 dBi,LB-10180-NF型喇叭天线在1.0～18.0 GHz频带范围内的增益为11 dBi.矢量网络分析仪的输出功率为0 dBm,测试频率范围为2～5 GHz.

从式(2)可知,当信源到目标的距离R足够远时,照射目标的入射波近似为平面波,幅度和相位处处相同.其中,ES与信源到目标的距离成反比;E0是一个恒定的值,此时RCS与R无关.当目标处于近场区时,照射目标的入射波近似为非均匀球面波,其横向幅度和相位及纵向幅度都在变化,随着距离的减小,球面波和平面波的偏差越来越大,因此在近场时,RCS是R的函数.标签在测试时处于近场区,RCS值与信源到标签的距离有关,但标签作为超宽带信号的散射体,编码信息是在标签的谐振电路中,只要能够正确地辨别出谐振点就可以解出标签的编码信息,而与RCS的大小没有直接的关系.

(3)

式中,σref是根据RCS解析公式获得或者通过仿真得到的金属参考板RCS.

4实验结果

4 b无芯片标签的RCS仿真和测试结果如图10所示,从图10(a)中可看到,谐振频率出现在2.83、3.29、3.88、4.68 GHz频点处,仿真结果和测试结果一致性很好,是相符的,仿真结果和测试结果的谐振频点稍微有一点偏移,这主要是由标签的制作精度和缝隙之间的相互影响造成的.

图10　无芯片标签的RCS仿真和测试结果Fig.10　Simulated and measured results of RCS of the chip less tags

图11　12 bit标签的RCS仿真和测试结果比较Fig.11　Comparison of RCS of the 12-bit tags between simulated results and tested results

从图10(b)可知,缺失的两条缝隙对应的仿真和测试频谱谐振点也消失了,消失的谐振点表示逻辑0.同样,图10(c)、10(d)也表明,仿真和测试结果非常相符.为了提高编码容量,可以通过减小缝隙之间的距离、相邻缝隙的长度差及缝隙宽度在很小的面积上实现紧凑性的标签.缝隙宽度由1.0 mm减小到0.5 mm,最短的缝隙长度由26.0 mm缩短到12.0 mm,缝隙间距由2.0 mm减小到1.0 mm,相邻缝隙的长度差由6.0 mm减小到2.0 mm,无芯片标签的尺寸由50.0 mm×30.0 mm缩小到37.0 mm×20.5 mm,这时无芯片标签的编码容量由4 bit增加到了12 bit,但标签的面积减小到原来的一半.在上述结构下12个缝隙的RCS仿真和测试结果比较如图11所示.在2~6 GHz的频带间出现了同编码相对应的谐振点,但在频率高端,谐振点的带宽增大了,这是因为I型缝隙谐振器的谐振频率在缝隙长度增加时不是线性增加的.如果缝隙长度短,当长度改变时,相应的谐振频率就迅速改变;如果缝隙长度很长,相应的谐振频率就缓慢改变.

5结论

文中设计了由多个I型缝隙谐振器构成的无芯片标签,这种无芯片标签成本低,可以实现完全印刷,是取代条形码的最佳选择.它的工作频率范围在UWB频带的2~6 GHz内,通过宽频带信号(窄脉冲)来激励无芯片I型缝隙标签,在距离标签20 cm处的读写器可以接收到无芯片标签编码的数据信息.仿真实验结果表明,通过减小相邻缝隙之间的距离和缝隙宽度可以进一步提高编码容量.此标签既可以用于取代超市商品的条形码,也可以用于身份证、支票、文件等的管理.

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Fully-Printed Chipless RFID Tags Based on I-Shaped Slot Resonator

MAZhong-hua1,2YANGJian-hong1

(1. College of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China；

2. Information Engineering College, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

Abstract:In order to decrease the cost of RFID (Radio Frequency Identification Devices) tags, a printable compact chipless tag on the basis of I-shaped slot resonators is proposed. By adding or removing the I-shaped slots of different length and width on conductive materials to perform information coding, different coded tags are obtained. Then, tag information is acquired from the radar cross-section (RCS) of tags. Finally, the chipless tags of twelve-bit code capacity are achieved on a 37.0 mm×20.5 mm F4BM-1/2 substrate. Simulation and experimental results demonstrate that (1) every slot resonator has its corresponding resonant frequency; (2) adjusting the length of slots can change the resonant frequency by a large margin, while adjusting the width can change it slightly; and (3) decreasing the space of adjacent slots or the width of slots can greatly improve coding capacity.

Key words:tag; resonator; radar cross-section; radio-frequency identification

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.01.007

中图分类号：TN926

作者简介：马中华(1973-),男,博士生,讲师,主要从事射频电路设计和天线技术研究.E-mail:mzhxm@jmu.edu.cn† 通信作者： 杨建红(1965-),男,博士,教授,主要从事微波器件研究.E-mail:yangjh@lzu.edu.cn

*基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2015J01657)

收稿日期：2015- 06-17

文章编号：1000-565X(2016)01- 0044- 06 1000-565X(2016)01- 0050- 08

Foundation item： Supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province(2015J01657)