基于矩形缝隙环谐振器的无芯片标签设计*

马中华 杨建红 陈彭

(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)

基于矩形缝隙环谐振器的无芯片标签设计*

马中华1,2杨建红1†陈彭2

(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)

为降低标签成本,增加编码容量而不增大标签的面积,提出了由多矩形缝隙环谐振器嵌套组成的无芯片标签,通过嵌套显著减小了标签尺寸;将标签制作在尺寸为35 mm×35 mm的F4BM-1/2介质基板上,通过矩形缝隙环的存在和缺失表示逻辑‘1’和‘0’进行标签编码,实现了12 bit编码容量的无芯片标签;在微波暗室里使用网络分析仪测试无芯片标签的读取距离,在距离收发天线50 cm处可以接收到正确的数据信号,仿真和测试结果取得了很好的一致性.

无芯片标签; 雷达散射截面; 矩形缝隙环; 超宽带

射频识别(RFID)技术已经深入到人们生活的方方面面,主要应用于物流供应、交通运输、身份识别和防盗系统等[1- 4].射频系统主要由读写器和射频标签构成[5].射频标签因其非视距的自动识别和大的识别距离优势,具有替代条形码的潜力[6].相对于一些低价商品的应用,标签成本还是很高.目前广泛使用的标签成本主要取决于标签芯片成本[7].为降低标签成本,人们提出了无芯片标签.无芯片标签主要分为基于时域和基于频域的两类标签.基于时域的声表面波(SAW)无芯片标签主要由插指换能器(IDT)和传输线构成,这种标签可以达到所需的数据容量,但因使用高成本的压电介质而需要亚微米光刻技术,成本接近带芯片标签,而且面积很大[8-10].基于微带延迟线的标签也是基于时域的无芯片标签[11-14],它把输入信号和延迟信号叠加形成二进制编码信号,但这种标签编码容量不足.基于频域的无芯片标签是通过谐振器改变频谱结构来达到编码的目的,每个缝隙谐振器对应一个比特编码,通过出现或缺失不同频率的谐振器或放置一定数量谐振频率不同的天线来形成频域的信息编码,编码容量取决于谐振器或天线数目[15-17].

近年来人们提出了基于反射波和雷达散射截面(RCS)编码的无芯片标签[18-22].文献[18]在单元谐振器为‘0’状态时把并列的U型微带结构短接,增加了标签编码制作的复杂性,改变编码状态的过程复杂.文献[19]提出了对数周期偶极子阵列(LPDA)无芯片标签,利用LPDA的带阻特性来实现标签编码.这种标签提高了编码容量,但编码规律性不强,不适合大规模商用.文献[20]将硅光开关应用到可重构的螺旋谐振器中,通过硅光开关确定谐振器工作在谐振状态和非谐振状态.由于增加了硅光开关,故标签成本增加,标签的复杂度增大.文献[21]提出了基于双频选择多址的准无芯片混频器标签,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,二极管混频器把这两个信号下变频,所得的中频信号被标签反射回读写器,从而实现问询信号和响应信号的分离,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;当电场较弱时,达不到二极管的导通压降会造成失真.文献[22-24]提出了极化独立的、高容量的基于空间角度信息编码的无芯片标签,将散射体设计成V形,通过测量正交方向上场强的大小来确定V形的两个臂之间的夹角,进而进行编码,但此方法的误码率较高,识别编码状态困难.

近年来多缝隙结构也被用于无芯片标签的设计[25-28].文献[25]提出了类似条形码的I型缝隙无芯片标签,通过控制I型缝隙的长度和宽度进行编码,编码规律性强,但缝隙长度增大到一定程度后,标签的面积会极大的增加.文献[26]提出了基于圆环缝隙的无芯片标签,圆环结构的对称性使标签在水平旋转任意角度,读写器天线都能读到标签的信息.圆环结构的无芯片标签可以向前和向后辐射,但不容易起振.文献[27]提出了开口的圆环形和矩形缝隙无芯片标签,虽然采用了嵌套结构以缩小标签面积,但标签还是需要收发正交的两面超宽带天线,而且嵌套缝隙环背面还要制作信号传输线,标签制作过程复杂,标签尺寸增大.文献[28]提出了基于U型缝隙的无芯片标签,为了减小相邻U型缝隙之间的干扰,把长度相近的缝隙分别放到两个嵌套的图形上,增大了标签面积,且激励电场方向必须从U型开口处进入,从而限制了其应用;当要把1变为0时,需要在拐角处用导体短路,但此时直线缝隙会在更高频率处产生谐振,改变编码状态繁琐.

为降低标签成本,增加编码容量而不增大标签的面积,文中提出了基于矩形缝隙环谐振器的无芯片标签,该标签通过读写器接收到的RCS的频谱结构进行数据编码;将标签制作在尺寸为35 mm×35 mm的F4BM-1/2介质基板上,通过增加或者去掉特定的矩形缝隙环来实现12 bit编码容量的无芯片标签,最后在微波暗室使用网络分析仪测试无芯片标签的读取距离.

1 无芯片标签的结构和工作原理

根据图1所示结构在印刷电路板(PCB)上刻蚀出多个矩形缝隙,最里面的矩形缝隙环边长为a1,最外层的矩形缝隙环边长为an.缝隙环的缝隙宽度均为Wslot,相邻缝隙环的间距为d,每个矩形缝隙环对应一个谐振频率.当某个矩形缝隙环存在时,接收到的RCS频谱上就会出现对应的谐振点,表示为逻辑“1”;当某个矩形缝隙环缺失时,接收到的RCS频谱上对应的谐振点就会消失,表示为逻辑“0”.这样,通过移除或者增加不同边长的矩形缝隙环就可以改变标签的编码状态.

图1 矩形缝隙环无芯片标签的结构

无芯片标签RFID系统的工作原理如图2所示,当读写器发射的超宽带连续波问询信号入射到标签上时,矩形缝隙环谐振器会改变超宽带信号的频谱结构,即对超宽带的频谱进行了编码.编码后的频谱信号反向散射回读写器,读写器的接收天线接收到了编码的频谱信号,后台软件通过一定的算法就可以得出此类无芯片标签的编码信息.

图2 无芯片标签RFID系统的工作原理

(1)

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的RCS.

2 矩形缝隙环的特性

矩形缝隙环标签通过三维电磁仿真软件(HFSS13)进行仿真设计,基板采用聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM-1/2.基板参数如下:介质厚度为1mm,相对介电常数为2.2,损耗角正切为0.000 7.边长为30mm的单个矩形缝隙环的RCS频谱曲线如图3所示,从图中可以看出,矩形缝隙环谐振器的2次谐波、3次谐波和4次谐波几乎可以忽略不计,而5次谐波的影响不能忽略,故在设计时只要把所有的矩形缝隙环的基波设置成小于最大矩形缝隙环的5次谐波即可,这样在标签的工作频带内不会受到谐波的干扰.

图3 边长为30 mm的单个矩形缝隙环的RCS曲线

Fig.3RCScurveofthesinglerectangularslotringwithlengthof30mm

矩形缝隙环边长取不同值时的RCS频谱曲线如图4所示,从图中可知,缝隙环边长从18 mm增加到22 mm时,谐振频率从3.97 GHz降低到3.24 GHz,即改变矩形缝隙环边长可以改变谐振频率,当矩形缝隙环边长增加时,对应的谐振频率减小.

图4 矩形缝隙环边长取不同值时的RCS曲线

Fig.4 RCS curves of rectangular slot rings with different lengths

当矩形缝隙环边长为20 mm时,谐振频率随着缝隙宽度的变化如图5所示.由图中可见:当缝隙宽度小于0.3 mm时,谐振频率的变化毫无规律;当缝隙宽度大于0.3 mm时,谐振频率随着缝隙宽度的增加呈近似线性降低.

图5 缝隙宽度和谐振频率的关系

Fig.5 Relationship between slot width and resonance frequency

当矩形缝隙环的缝隙宽度固定为0.5 mm而矩形缝隙环之间的距离d变化时,嵌套的5个矩形缝隙环的RCS曲线如图6所示.图6(a)、6(b)中分辨不出每个缝隙环对应的谐振点.图6(c)、6(d)中可以看到5个矩形缝隙环一一对应的谐振点.故嵌套的矩形缝隙环之间的间距不能小于0.5 mm.

图6 d取不同值时5个矩形缝隙环的RCS曲线

Fig.6 RCS curves of five rectangular slot rings with different values ofd

F4BM为基材时12个嵌套矩形缝隙环无芯片标签的RCS曲线如图7(a)所示,该标签的结构参数如下:基板尺寸为35 mm×35 mm,介质厚度为1 mm,矩形缝隙宽度为0.5 mm,缝隙间距为0.5 mm,最短缝隙环边长为8 mm.12个矩形缝隙环按边长从大到小对应的谐振频率分别为2.12、2.26、2.44、2.63、2.90、3.21、3.57、3.97、4.52、5.26、6.29和8.39 GHz.

当F4BM介质厚度分别为0.5、1.0和1.5 mm时,12个矩形缝隙环的谐振频率如表1所示.

图7 介质分别为F4BM、纸和PET时12个矩形缝隙环的仿真频谱

Fig.7 Simulation spectra of the twelve rectangular slot rings when the substrate is F4BM, paper and PET

从表中可知:各谐振点的谐振频率随着F4BM介质厚度的增大而减小;在F4BM介质厚度变化时,同一个矩形缝隙环谐振频率的变化最小为20 MHz;边长最短的矩形缝隙环对F4BM介质厚度变化最敏感,其谐振频率变化最大为0.5 GHz;F4BM介质厚度在0.5～1.5 mm内变化时,12个矩形缝隙环的谐振频率可以清晰地区分开来.

当上述标签结构参数不变,基材改为纸(相对介电常数为2.25,损耗角正切为0.045,厚度为1 mm)时12个矩形缝隙环无芯片标签的RCS频谱结构仿真结果如图7(b)所示.该频谱结构能够清晰地表示出编码状态;12个矩形缝隙环的谐振频率分别为2.09、2.28、2.48、2.72、2.99、3.25、3.69、4.23、4.80、5.61、6.84和9.39 GHz;在低频端其谐振频率和基材为F4BM的谐振频率很接近,但在高频段,谐振频率出现了较大的偏移,但此频谱结构还是能够清楚地表示出编码状态.

当标签结构参数不变,基材改为PET材料(相对介电常数为3.4,损耗角正切为0.070,介质厚度为1 mm)时12个矩形缝隙环无芯片标签的RCS频谱结构仿真结果如图7(c)所示.最大矩形缝隙环的谐振点不太明显,其余缝隙环的谐振点可以准确地表示出其编码状态;12个矩形缝隙环的谐振频率分别为1.70、1.93、2.14、2.28、2.50、2.78、3.12、3.61、4.16、4.78、5.73和7.64 GHz.对比图7(a)、7(b)、7(c)可知,当基材换成PET时,12个矩形缝隙环的谐振频率点都大幅下降,边长最长的矩形缝隙环的谐振频率不太明显,容易产生误码,必须改变无芯片标签的结构尺寸.

对于F4BM为基材的12个嵌套矩形缝隙环无芯片标签,其入射波的角度如图8所示.当入射波的角度θ和φ发生变化时,仿真所得频谱结果如图9所示.从图9(a)可知:当θ<30°时,可以准确地得到标签的编码状态;当θ=30°时,低频段的谐振点对应的编码状态正确,但高频段的谐振点出现大幅偏移,可能出现误码.因此,喇叭天线在偏离垂直方向的角度不能超过30°.从图9(b)可知,所有谐振点在φ从0°到60°变化时对应的编码状态正确,说明喇叭天线照射角度在平行标签的水平方向变化时对编码无任何影响.

表1 F4BM介质厚度不同时12个矩形缝隙环的谐振频率

图8 入射波的入射角度

3 测试结果

将设计的矩形缝隙环无芯片标签制作在35 mm×35 mm聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM-1/2基板上,选取了典型的编码标签,制作了图10所示的5种标签.矩形缝隙环无芯片标签在微波暗室里的测试装置如图11所示:标签贴在泡沫板上;两面超宽带喇叭天线(LB- 8180-NF和LB-10180-NF)分别作为发射天线和接收天线连接到矢量网络分析仪(E8362B)的两个端口上,收发天线之间的距离为10 cm,它们和标签相距50 cm.

图9 θ和φ变化时矩形缝隙环无芯片标签的仿真频谱

Fig.9 Simulation spectra of rectangular slot rings with the changes ofφandθ

图10 不同编码的矩形缝隙环标签照片

图11 实验装置图

5种标签的RCS仿真和测试结果如图12所示.

从图12(a)可知,111111111111标签的谐振点依次出现在2.12、2.26、2.44、2.63、2.90、3.21、3.57、3.97、4.52、5.26、6.29和8.39 GHz处,仿真结果和测试结果一致性较好;从图12(b)、12(c)、12(c)、12(d)可知,标签101010101010、000000111111、010101010101、010000000010的逻辑‘0’和逻辑‘1’的测试结果、仿真结果与图7(a)标签111111111111有很好的一致性,但高频段的测试结果和仿真结果偏差较大,主要原因是在测试时,高频段对应的矩形缝隙环的尺寸较小,对加工精度要求较高,稍有一点结构误差,频率就会出现较大的偏移.

图12 5种标签的RCS仿真和测量结果

Fig.12 Simulated and measured results of RCS for five tags

4 结论

文中提出了由矩形缝隙环谐振器嵌套组成的无芯片标签,相对于传统无芯片标签显著减小了标签尺寸.文中将标签制作在尺寸为35 mm×35 mm的F4BM-1/2介质基板上,通过增加或者去掉特定的矩形缝隙环来实现12 bit编码容量的无芯片标签.最后在微波暗室里使用网络分析仪测试无芯片标签的读取距离,在距离收发天线50 cm处可以接收到正确的数据信号,仿真和测试结果一致性较好.此类标签可应用于物流、畜牧业、生产线管理、门票管理等领域,具有成本低、编码容易、编码规律性强的优点,是目前取代物流领域条形码的最佳选择.

[1] CHOI T M.Coordination and risk analysis of VMI supply chains with RFID technology [J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2011,1(3):497-504.

[2] LANDT J.The history of RFID [J].IEEE Potentials,2005,24(4):8-11.

[3] YANG P,WU W Y,MANSOUR M,et al.Efficient object localization using sparsely distributed passive RFID tags [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(12):5914-5924.

[4] PORTER J D,KIM D S.An RFID-enable road pricing system for transportation [J].IEEE Systems Journal,2008,2(2):248-257.

[5] FINKENZELLER K.RFID handbook[M].2nd ed.London:John Wiley & Sons,2003.

[6] ISLAM M A,KARMAKAR C.A 4×4 dual polarized mm-wave ACMPA array for a universal mm-wave chipless RFID tag reader [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(4):1633-1640.

[7] KAISER U,STEINHAGEN W.A low-power transponder IC for high performance identification systems [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1995,30(3):306-310.

[8] STELZER A,SCHEIBLHOFER S,SCHUSTER S,et al.Multi reader/multi-tag SAW RFID systems combining tagging,sensing,and ranging for industrial applications [C]∥Proceedings of 2008 IEEE International Frequency Control Symposium.Honolulu:IEEE,2008:263-272.[9] LI S J,MA L,WANG D Z H.A remote wireless identification system based on passive surface acoustic wave (SAW) devices [C]∥Proceedings of 2005 International Conference on Communications,Circuits and Systems in Proceedings.Hong Kong:IEEE,2005:1113-1116.

[10] LIU J C,YAO J H.Wireless RF identification system based on SAW [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(2):958-961.

[11] SHRESTHA S,BALACHANDRAN M,AGARWAL M,et al.A chipless RFID sensor system for cyber centric monitoring applications [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2009,57(5):1303-1309.

[12] VEMAGIRI J,CHAMARTI A,AGARWAL M,et al.Transmission line delay-based radio frequency identification (RFID) tag [J].Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(8):1900-1904.

[13] CHAMARTI A,VARAHRAMYAN K.Transmission delay line-based ID generation circuit for RFID applications [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2006,16(11):588-590.

[14] GUPTA S,NIKFAL B,CALOZ C.Chipless RFID system based on group delay engineered dispersive delay structures [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2011,10:1366-1368.

[15] CASULA G A,MONTISCI G,MAXIA P,et al.A narrowband chipless multiresonator tag for UHF RFID [J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2014,28(2):214-227.

[16] PRERADOVIC S,BALBIN I,KARMAKAR N C,et al.Multiresonator-based chipless RFID system for low-cost item tracking [J].IEEE Transactions on Microwave Theo-ry and Techniques,2009,57(5):1411-1419.[17] REZA R,MAJID M.Complex-natural-resonance-based design of chipless RFID tag for high-density data [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(2):898-904.

[18] VENA A,PERRET E,TEDJINI S.A fully printable chipless RFID tag with detuning correction technique [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2012,22(4):209-211.

[19] GUPTA S,LI G J,RIBERTS R C,et al.Log-periodic dipole array antenna as chipless RFID tag [J].Electronics Letters,2014,50(5):339-341.

[20] De CASTRO ALVES A A,BRAVO ROGER L L,ARNOLD F J.Prediction of the performance of a reconfigurable resonator for RFID chipeless tags [J].IEEE Latin America Transactions,2015,13(3):623- 627.

[21] MANDEL C,SCHUSTER C,KUBINA B,et al.Dual frequency selective multiple access with quasi-chipless powerless RFID mixer tags [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2014,24(8):572-574.

[22] FENG C X,ZHANG W M,LI L,et al.Angle-based chipless RFID tag with high capacity and insensitivity to polarization [J].IEEE Transactions on Antennas and Pro-pagation,2015,63(4):1789-1797.

[23] 王芳,张文梅.V形无芯片标签的识别技术研究 [J].测试技术学报,2015,29(4):332-336.

WANG Fang,ZHANG Wen-mei.The study on the identification technology of the V-shaped chipless tag [J].Journal of Test and Measurement Technology,2015,29(4):332-336.[24] 闫丽云,张文梅.基于空间角度信息编码的无芯片RFID标签设计 [J].测试技术学报,2016,30(1):62- 68.

YAN Li-yun,ZHANG Wen-mei.Design of chipless RFID tag based on space angle information [J].Journal of Test and Measurement Technology,2016,30(1):62- 68.

[25] 马中华,杨建红.基于I型缝隙谐振器的完全印刷无芯片标签 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2016,44(1):44- 49.

MA Zhong-hua,YANG Jian-hong.Chipless RFID tags based on I-shaped slot resonator [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2016,44(1):44- 49.

[26] ISAM M A,YAP Y,KARMAKAR N,et al.Orientation independent compact chipless RFID tag [C]∥Procee-dings of 2012 IEEE International Conference on RFID-Technologies and Applications.Orlando:IEEE,2012:137-141.[27] JALIL M E,SAMSURI N A,RAHIM M K A,et al.Compact chipless RFID metamaterial based structure using textile material [C]∥Proceedings of 2015 International Symposium on Antennas and Propagation.Vancouver:IEEE,2015:1- 4.

[28] ISLAM M A,BHUIYANM S,KARMAKAR N.A novel compact chipless RFID tag and near-field reader [C]∥Proceedings of 2011 Asia-Pacific Microwave Conference.Melbourne:IEEE,2011:1518-1521.

[29] VENA A,PERRET E,TEDJINI S.Chipless RFID tag using hybrid coding technique [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2011,59(12):3356-3364.

Design of Chipless Tag Based on Rectangular Slot Ring

MAZhong-hua1,2YANGJian-hong1CHENPeng2

(1. School of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China;2. Information Engineering College, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

In order to reduce the cost of conventional tags and increase their coding capacity without increasing their area, a kind of chipless tag composed of embedded multi-rectangular slot rings is proposed, whose dimension is decreased obviously by embedding. Then, the chipless tag of a twelve-bit code capacity is fabricated on a 35 mm×35 mm F4BM-1/2. Coding is realized on the basis of the presence or absence of the rectangular slot ring. The presence is indicated as logical “1” and the absence is indicated as logical “0”. Finally, the reading distance of the proposed chipless tag is measured by using a network analyzer in a microwaved anechoic chamber and correct data signals can be received at a distance of 50 cm from transmitting and receiving antennas. The simulation results on the proposed chipless tag of a twelve-bit coding capacity accord well with the examination ones.

chipless tag; radar cross-section; rectangular slots ring; ultra-wide-band

1000-565X(2017)01- 0059- 07

2016- 04- 11

福建省自然科学基金资助项目(2015J01657);福建省教育厅重点项目(JA15257);厦门市科技局项目(3502Z20153010)

Foundation items： Supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province(2015J01657) and the Key Project of the Education Department of Fujian Province(JA15257)

马中华(1973-),男,博士生,副教授,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

TN 926

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.01.009