角度编码柔性无芯片标签的散射特性及识别

冯彩霞，张文梅，李　莉，韩丽萍，陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)



角度编码柔性无芯片标签的散射特性及识别

冯彩霞，张文梅，李莉，韩丽萍，陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

摘要:本文研究了一种角度编码的柔性无芯片标签的散射特性. 该标签的V形散射体包含两条金属臂，利用两臂之间的空间角度进行编码. 通过测量标签在谐振频率上的正交散射场分量，即可识别标签. 即使标签在自身所在表面上发生旋转，也能够被准确识别； 分析了标签粘贴在曲面物体上，物体弯曲半径和物体相对介电常数对识别结果的影响，以及准确识别标签的情况下，收发装置之间的最大夹角.

关键词:空间角度信息； 无芯片标签； 可旋转； 弯曲表面

射频识别是一种新兴的自动识别技术，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. 标签成本是RFID技术应用和发展的一大瓶颈[1]，因此低成本的无芯片标签成为研究的热点. 无芯片标签的编码方式各有不同. 文献[2]中的标签利用有机油墨的电阻特性进行振幅键控编码. 文献[3]提出的标签由微带谐振电路和两个正交极化的超宽带圆形天线组成，主要利用频谱特性进行编码. 这种标签对阅读器天线的极化方向敏感，容易引起误码. 文献[4]的标签由3个加载开路线的微带天线组成，它利用后向散射场的幅度和相位编码或混合编码做标签，例如文献[5]中的标签是利用相位和频率来编码的，文献[6]中的标签是利用幅度和群延时进行编码的. 目前已有的无芯片标签中，许多都对阅读器天线的极化方向或者是标签的放置角度敏感，会给实际应用带来很大困难.

本文研究了一种基于空间角度编码[7]的柔性无芯片标签的散射特性. 该标签的散射体是两条金属臂构成的V形结构，通过测量标签在谐振频率上的正交散射场分量，即可识别V形散射体两臂之间的空间角度. 标签粘贴在表面弯曲的物体上，识别准确度不受自身放置角度的影响. 另外，本文还研究了标签所在物体的弯曲半径r、 相对介电常数εr以及收发装置之间角度对标签识别结果的影响.

1标签编码原理

图1　标签结构Fig.1　Layout of chipless tag

图1 为标签的基本结构. 标签包含一个V形金属散射体和一层介电常数为3.5，厚度为0.5 mm的聚酰亚胺介质板. V形散射体由两条长宽均相等的金属臂A，B组成，它们与x轴正方向的夹角分别为θ1，θ2. 利用两臂之间的夹角θ=θ2-θ1进行编码[8]. 标签的激励信号是沿z轴负方向传播的水平极化的平面波. 根据V形结构的表面电流方向，标签的反向散射电场在x和y方向上的分量Ex,Ey分别为

(1)

(2)

式中：Ex-180°是180°标准标签散射电场的水平分量，可以提前测定. 由式(1)和式(2)可见，一旦测得Ex和Ey，就可以得到0°～180°范围内唯一的编码角度θ.

2标签的仿真结果

2.1标签所在物体表面弯曲半径r的影响

图2　r变化时的散射场 Fig.2　Backscattered electric fields of tags for different r

θ/(°)θ1/(°)εrEx/mV·m-1Ey/mV·m-1识别结果/(°)识别误差/(°)11051522.88.0114.04.02023.19.1111.71.72524.010.0109.60.4140101526.76.1142.72.72027.55.9139.20.82529.65.0141.41.4150151528.00.9153.13.12028.90.9149.01.02530.60.8148.51.5

2.2标签所在物体相对介电常数εr的影响

图3　εr=1, 5, 9时的散射场Fig.3　Backscattered electric fields of tags for different εr

θ/(°)θ1/(°)εrEx/mV·m-1Ey/mV·m-1识别结果/(°)识别误差/(°)11010123.510.0110.90.9522.310.0109.10.9919.07.9108.21.813015127.85.0130.50.5526.85.2131.01.0922.44.5128.11.916010130.60.1159.40.6529.50.1159.01.0925.00.1159.60.4

2.3入射角度和接收角度的影响

2.3.1斜向入射，垂直接收的仿真结果

图4　斜向入射，垂直接收示意图 Fig.4　Schematic of incidence in tilted directionand receiving in vertical direction

图5　斜向入射，垂直接收的散射场Fig.5　Components of the scattering electric fields for different α

θ/(°)θ1/(°)α/(°)Ex/mV·m-1Ey/mV·m-1识别结果/(°)识别误差/(°)11010022.011.2109.60.41021.611.1109.10.92021.011.6113.63.61405027.18.0139.70.31027.07.0138.71.32026.75.0143.53.515010029.03.0149.70.31028.62.5148.81.22027.72.0152.32.3

2.3.2斜向入射，斜向接收的仿真结果

图6　斜向入射，斜向接收示意图Fig.6　Schematic of both incidence and receiving intilted directions

图7　斜向入射，斜向接收的散射场Fig.7　Components of the scattering electric fields for different β

θ/(°)θ1/(°)β/(°)Ex/mV·m-1Ey/mV·m-1识别结果/(°)识别误差/(°)110101021.611.1109.10.92021.510.5108.91.1302012.5112.22.2130151026.45.5129.60.42026.05.2128.81.23025.65.0133.33.3160101029.30.8159.20.82028.90.9159.10.93028.10.8163.63.6

3结论

本文分析了一种基于空间角度编码的柔性无芯片标签在曲面物体上的散射特性. 标签利用V形散射体金属臂之间的空间角度进行编码. 通过测量标签在两个谐振频率上的正交散射场分量可以识别标签. 将标签粘贴在表面弯曲的物体上，研究了物体的弯曲半径和相对介电常数对识别结果的影响. 仿真结果显示，弯曲半径不小于20 mm，相对介电常数在1～9之间时，识别误差都在2°以内. 最后研究了双站检测模式下，入射和接收方向的夹角对标签识别的影响. 结果表明，接收方向垂直于标签时，入射方向偏移不能超过10°. 入射和接收方向都不垂直于标签的时候，它们之间的夹角不能超过20°.

参考文献：

[1]Preradovic S, Karmakar N C. Chipless RFID: Bar Code of the Future[J]. IEEE microwave magazine, 2010, 11(7)： 89.

[2]Vena A, Babar A A, Sydänheimo L., et al. A novel near-transparent ASK-reconfigurable inkjet-printed chipless RFID tag[J]. IEEE Antennas Wireless Propagat., 2013, 12： 753-756.

[3]Preradovic S, Karmakar N C. Multiresonator-based chipless RFID system for low-cost item tracking[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., May 2009, 57(5)： 1411-1419.

[4]Balbin I, Karmakar N C. Phase-encoded chipless RFID transponder for large-scale low-cost applications[J]. IEEE Microw. Wireless Compon.,2009, 19(8)： 509-511.

[5]Vena A, Perret E, Tedjini S. Chipless RFID tag using hybrid coding technique[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2011, 59(12): 3356-3364.

[6]Nijas C M, Dinesh R, Deepak U, et al. Chipless RFID tag using multiple microstrip open stub resonators[J]. IEEE Trans. Antennas Propag., 2012, 60(9)： 4429-4432.

[7]Yan L Y, Zhang W M, Ma R B, et al. Chipless RFID tag based on space angle information[C]. Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications (IMWS-BIO), IEEE MTT-S International, Singapore, 2013： 1-3.

[8]Feng C X, Zhang W M, Li L, et al. Angle-based chipless RFID tag with high capacity and insensitivity to polarization [J]. IEEE Trans. Antennas Propag., 2015, 63(4)： 1789-1797.

Scattering Characteristics and Identification of an Angle-Based Flexible Chipless Tag

FENG Caixia, ZHANG Wenmei, LI Li, HAN Liping, CHEN Xinwei

(College of Physics and Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:The scattering characteristics of an angle-based flexible chipless tag was studied in this paper.Its V-shape scatterer contains two metal arms. It encodes data using the space angle between two arms and is identified by measuring he orthogonal component of scattering field on resonant frequency. Even if it is rotated on its surface , the tag can be identified. The tag is pasted on an object with a curved surface. Then the influences of bending radius and relative dielectric constant of the object on the simulated results are studied. After that, the maximum angle between sending and receiving devices for identifying tags accurately is also studied in this paper.

Key words:space angle; chipless tag; rotatable; curved surface

中图分类号:TP29

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.008

作者简介：冯彩霞(1988-)，女，博士，主要从事微带天线，射频识别等研究.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61271160)； 山西省出国留学基金资助项目(2012-014)； 教育部博士点基金资助项目(20121401110009)； 山西省青年科技基金资助项目(2014021021-1)

收稿日期:2015-09-22

文章编号:1671-7449(2016)02-0137-05