基于FSS的无芯RFID标签结构*

代一平，邹传云

(西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010)



基于FSS的无芯RFID标签结构*

代一平，邹传云

(西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010)

摘要：提出了一种基于频率选择表面(Frequency-selective Surface， FSS)的无芯片RFID标签，频率选择表面的结构单元是由方形嵌套环构成，将其印刷在1.6 mm的环氧玻璃纤维板(简称FR4)上。该标签由2×2个结构单元组成，尺寸是3 cm×3 cm。当一个嵌套环消失时，相对应的共振频率点的吸收峰消失，从而识别不同的标签结构，完成编码。此结构可以实现5bit编码位数。此设计优点是： 1)极化不敏感；2)可以在金属物体上使用；3)结构稳定性强。相比于其他无芯片标签结构，这种结构最大的创新就是能在金属表面上使用。

关键词：射频识别 ；无芯片标签；频率选择表面；金属表面

0引言

射频识别(Radio frequency identification,RFID)是一种无线通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读取相关数据，不需要识别系统与特定目标建立机械或者光学接触[1]。19世纪中叶法国科学家法拉第发现了射频和雷达技术，这项技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。2003年沃尔玛在超市中率先使用射频标签代替条形码技术，射频标签成功的运用掀起了国内外研究射频识别技术的高潮。

射频识别技术的应用范围十分广泛,但是目前的射频识别标签成本高，价格贵，无法使射频识别技术进入市场盈利，所以必须降低标签的价格。无芯片标签可以以0.1美分的价格直接印刷在产品和包装上，这种无芯片标签有望代替每年使用的十万亿条形码[2]。此外，无芯片RFID标签不需要像传统RFID标签一样，在芯片终端发起通信用的15 dBm的芯片功率，这意味着将改善标签的读取范围[3-4]。

本文提出了一种新的无芯片RFID标签，利用2×2个结构单元组成的频率选择表面，与厚度为1.6 mm的电介质环氧玻璃纤维板(简称FR4，εr=4.5)组成高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)[5],高阻抗表面具有阻带宽、损耗低、结构紧凑的特性，能够抑制表面波。当在谐振结构中引入合适量的损失，可以在共振频率形成一个完美的吸收。该结构标签是低剖面，具有5 bit的编码位数，“全发射”和“全吸收”分别被编码“0”和“1”比特。本文设计的标签结构，不仅可以运用在一般物体上，还可以在金属上使用。

1工作原理

频率选择表面 (FSS)是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构 ，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成 。这种表面可以在单元谐振频率附近呈现全反射(贴片型)或全传输特性(孔径型)[6]。目前FSS多用在天线结构的设计上，本文将这种结构应用于导体自然谐振的无芯片标签结构上。

在各种分析FSS的方法中以等效电路法较为简便,该方法将周期性的金属图案以等效电阻，等效电流，等效电容做串联或者并联,利用等效电路法做吸波性能分析,从而将复杂的电磁波散射问题化为简单的传输线理论问题,可计算FSS的反射系数和透射系数。但该方法仅适用于单元形状由薄窄条所构成的几何图形(如矩形单元，十字单元，方形嵌套环单元和耶路撒冷单元)。其在反射与投射系数的预估上,其精确度只能达到谐振频率为止,超过谐振频率时,其误差值会加大。

本文提出的方形嵌套环的结构单元的等效电路图如图1所示。

图1　方形嵌套环等效电路

为简单起见，本文只考虑两个方形嵌套环的结构单元。在这种情况下，FSS阻抗可通过两个串联LC谐振器的并联连接来表示

(1)

在这里参数L1、C1、L2、C2分别表征第一和第二环形谐振器。因为在有损基片上，周期性图案印刷的电容不是纯粹的实数，考虑到电容器[7]内消耗的能量，所以它的并联电阻包括一个虚部。由式(1)可看出，FSS阻抗的特征包括一个实部和一个虚部。

通过添加额外的LC串联电路中，等效电路可以模拟多共振的HIS。如果输入阻抗的实数部分等于自由空间阻抗，那么每一个共振会实现完美的吸收。

将FSS印刷在背衬接地板的基板上，形成高阻抗表面的无芯片标签结构，如图2所示。高阻抗表面具有抑制表面波和同相反射的特性，又因为它自身带有接地板，所以这种标签结构能在金属表面上使用。标签的基板厚度的减小会使第一谐振输入阻抗的实部减小，使其与自由空间阻抗更匹配。但是，减小基板厚度会使其他谐振输入阻抗远离自由空间的阻抗，从而导致高阶共振的恶化。所以合适的基板厚度很重要的，必须选择的适量损耗才能保证所有的共振频率有良好的匹配。

图2　标签结构侧视

2无芯片标签结构设计

基于FSS的无芯片标签结构如图3所示，这种标签结构是由2×2个方形嵌套环组成的结构单元组成，结构尺寸为3 cm×3 cm，能够实现5 bit的编码位数。2×2的方形嵌套环的结构单元形成了频率选择表面。这种表面可以在单元谐振频率附近呈现全反射或全传输特性。合适厚度的基板形成的损耗能够使共振频率的吸收峰增大，经过多次尝试，采用损耗因子εr=4.5 ，tanδ=0.025，厚度为d=1.6 mm的FR4作为基板，FR4基板材料价格便宜，运用普遍，且能达到预期的效果。其中结构单元的周期是15 mm，嵌套环的宽度和环之间的缝隙均为0.468 mm。

图3　5个方形嵌套环结构单元标签

2.1基板厚度分析

前面已经分析过，基板厚度对于标签结构的共振有影响，现在我们来分析在入射角度θ=0°,φ=0°，极化角度为η=0°，计算频率为1～10 GMHz内的远场求解，在观测角度θ1=0°，φ1=0°进行观察(为默认观察角度)。改变基板厚度，令d=2 mm/1.6 mm/1.2 mm，观察其频域雷达散射截面(Radar cross section, RCS)曲线的变化。如图4所示。雷达散射截面，表征的是目标在雷达波照射下所产生的回波强度的一个物理量。

图4　不同基板厚度

从图4可以看到当基板厚度逐渐减小，共振频率点的位置向右偏移，基板厚度由2 mm减小到1.6 mm时，可以看到谐振波谷的深度加大，回波强度基本不变，但是当基板厚度再减小到1.2 mm时，可以看到最后一个谐振波谷的幅度减小，深度也减小。所以我们选择厚度为1.6 mm的基板。

2.2可行性分析

如图5所示为3种不同结构单元的标签模型，在同等入射波照射环境下进行仿真，根据图6仿真所得的RCS图可知， 5个嵌套环结构单元组成的标签，其共振的波谷频率大约为3.47 GHz,4.14 GHz,5.06 GHz,6.44 GHz,6.93 GHz, 共振频率点总带宽为3.46 GHz,频点之间的频带宽度最小为510 MHz，足够被检测识别。根据其存在多少个共振波谷，可将其编码为11111，图5(b)为去除第三个嵌套环结构单元组成的标签，其共振的波谷频率3.47 GHz,4.14 GHz,6.15 GHz,6.93 GHz,根据其RCS曲线的共振波谷，可将其编码为10111。从图4中可知，图5(c)为去除第四个嵌套环的标签结构，其共振波谷频率为3.47 GHz,4.85 GHz ,6.15 GHz,6.93 GHz，故其可编码为11011。

由仿真结果图6可以看出这种结构是可行的，当一个嵌套环消失，相应的吸收峰消失，呈现一定的规律性，当一个嵌套环不存在，其临近的吸收峰频率会受到影响，如当第四个嵌套环消失时，第三个吸收峰的频率点由原来的6.44 GHz，变化为6.15 GHz。但是这对于识别标签的影响是不存在的，只要我们将频率选择区间设置好，将该吸收峰检测到即不影响其识别。

图5　3种不同FSS结构单元的标签

图6　三种不同标签结构的RCS

波谷存在则编码为1，否则编码为 0，可以看到所有波谷的深度至少有20 dbi，除了最后一个。吸收峰的深度增大能使其在识别时候更容易检测到吸收峰，从而完成编码，增大编码准确性。图6中方框圈起来的地方为虚假共振频率点，在检测识别的时候要注意将其除去，保证编码信息的正确性。

2.3分析入射角度theta的影响

当入射波的φ=0°η=0°，改变θ=0°/30°/45°/90°，观察其频域RCS曲线，如图7所示，可以看到RCS波形基本无变化，共振频率点不变，深度不变。只是当从0°变为90°时，回波强度减弱，这点是可预测的，因为入射波角度改变，入射信号的强度减弱，所以回波强度也会相应减弱。可以说，这种标签结构对于入射角度θ的变化并不敏感。

图7　入射角度不同

2.4极化角度影响

当入射波θ=0°,φ=0° 时，改变其极化角度，令η=0°/30°/60°/90° ，图8为其不同极化角度的RCS曲线图，可以看到极化角度改变，共振频率点并没有改变，除了当极化角度变为90°时，|RCS|增大，表示单位面积内回波强度变小。回波强度减弱对于标签的检测识别并没有干扰，只是影响其阅读范围。所以可以证明这种标签结构极化角度不敏感。

图8　不同极化角度

2.550 mm×50 mm金属板表面上的测量

图9为标签结构在50 mm×50 mm金属板表面上的仿真示意图，图10为图5所示的三种标签结构在金属表面上的频域散射RCS曲线图。可以看到其RCS曲线呈现一定的规律性，当其中一个嵌套环消失，相应的共振波谷也随之消失，邻近的共振频率点会发生少许的偏移，这个对于编码信息并没有影响，只要根据其频率变化范围，划定一定的频率带，即可实现正确地识别编码。根据其共振频率点存在不存在，三种标签结构可分别编码为“11111, 11011，11101”。相同的标签结构，运用到金属物体表面，会改变它的共振频率，这是因为金属表面会对标签产生干扰波，并且代表的编码信息也产生了变化。可以看到这种结构标签更适合用在金属表面，共振吸收峰明显，无虚假谐振点存在。

从图10中可以看到，图5所示结构(a)的共振频率点变化为2.90 GHz,3.58 GHz，4.25 GHz，5.20 GHz，6.72 GHz。频带宽度变为3.82 GHz。这是因为金属平面对入射电磁波的反射，影响了标签结构谐振的共振频率。

图9　金属表面的仿真模型

图10　3种标签结构的RCS曲线

3结语

无芯片标签的设计和研究势在必行，本文提出的基于频率选择表面的无芯片RFID标签结构是可行的，这种标签结构尺寸紧凑，只有30 mm×30 mm，极化独立，共振峰深度强，易于被识别。本文提出的基于FSS的无芯片标签结构与以前的相比，不仅能用在普通物体表面，还能够运用在金属表面。本文的分析只是定性分析，在实际应用中可以通过增加嵌套环的数目来实现更多的编码位数。因为本文数据均来自仿真，跟实际测量结果可能会有差距，后期需要对这种结构标签进行进一步的优化研究，研究其编码检测方法，并且要进行实际测量，比较实际测量是否与仿真结果相符合。

参考文献：

[1]周晓光.射频识别(RFID)系统设计，仿真与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.

ZHOU Xiao-guang. Radio Frequency Identification (RFID) System Design, Simulation and Application[M]. The People′s Posts and Telecommunications Press,2008.

[2]Das R. Chipless RFID—The End Game.iDTechEx, Cambridge, MA, 2006.

[3]Preradovic S and Karmakar N.Chipless RFID: Barcode of the Future. IEEE Microw. Mag., vol. 11, no. 7, pp. 87-97, Dec. 2010.

[4]刘利圣，邹传云，黄俊.多边形无芯射频标签及其识别[J].通信技术，2014,47(10)：1183-1186.

LIU Li-sheng, ZOU Chuan-yun, HUANG Jun. Polygon Chipless RFID Tags and Its Identification[J]. Communications Technology, 2014, 47(10)：1183-1186.

[5]王霞.高阻抗表面在平面天线中的应用研究[D].南京：南京理工大学，2014.

WANG Xia. Application of High Impedance Surface in the Plane of the Antennas[D]. Nanjing: Nanjing University of Technology and Engineering, 2014.

[6]刘超.频率选择表面电磁散射特性研究[D].大连:大连理工大学，2010.

LIU Chao. Scattering Analysis of Frequency Selective Surfaces[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2010.

[7]CostaF and Monorchio A.Closed-Form Analysis of Reflection Losses of Micros Trip Reflect Array Antennas. IEEE Trans. Antennas Propag,vol.60, no. 10, pp. 4650-4660, Oct. 2012.

代一平(1992—)，女，硕士研究生，主要研究方向为无线射频识别技术;

邹传云(1960—)，男，博士，教授，主要研究方向为超宽带技术、无线射频识别技术。

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

作者简介：

中图分类号：TN92

文献标志码：A

文章编号：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