新型大容量无芯片射频识别标签的设计

左正璞，郭海燕，胥 磊

(西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

射频识别(radio frequency identification，RFID)是一种利用电磁波来识别特定目标并读取相关数据的自动识别技术[1]。目前，国内外研究聚焦于可印制无芯射频标签的设计。该类标签既不需要芯片存储数据，又减少了芯片与接收天线之间的装配成本，相比传统标签，不但效率高且价格大幅降低[2]。

文献[3]～文献[5]提出了一种基于时域、频域和相位编码技术的可打印无芯片RFID标签。与基于时域或相位的标签相比，基于频域的标签具有更高的数据密度且更容易实现小型化。文献[6]、文献[7]中提出的标签都只考虑以频域内散射场谐振频率的幅度或相位作为观察量来提取嵌入的数据，在对特定频率点上谐振的有无进行数据编码时，存在诸多不足，如标签的频域散射场特性受入射波激励角度、入射波极化、观测角度等因素影响。文献[8]提出了一种“U”形槽加载的可印制双极化无芯标签，并通过一对双极化阅读器天线使其编码效率显著提高。

本文提出了一种单面紧凑、可完全印制的无芯片RFID标签的设计。该标签利用具有不同谐振频率且极化方向正交的1/4圆环贴片谐振器。在入射平面波激励下，标签具有15位编码容量。该标签具有容量大、尺寸小、结构稳定、环境适应性强等特点，适用于数据量需求大、方向不敏感、阅读方向不固定的标签应用领域。

1 工作原理

1.1 基本谐振单元

为分析1/4圆环贴片的基本谐振单元的极化特性，需分析入射平面波的极化对基本谐振单元的散射场信号的影响。以下考虑在水平极化和垂直极化的两种线极化方式下，垂直极化的1/4圆环贴片谐振单元(这里选择外半径R为13 mm、宽度W为0.2 mm的1/4圆环贴片)的极化特性。利用FEKO仿真软件，将入射波入射角度记为θexc、φexc，观察点角度记为θobs、φobs，设置线极化入射平面波在θexc=0°、φexc=0°位置处，分别采用水平极化(η=0°)和垂直极化(η=90°)方式对其进行垂直照射。这两种极化激励下的1/4圆环谐振单元结构如图1所示。

图1 谐振单元结构示意图

图1中：Ht、Hr分别为水平极化的阅读器发送天线和接收天线，用来发送和接收激励波；Vt、Vr分别为垂直极化的阅读器发送天线和接收天线，用来发送和接收激励波。分别在6～10 GHz的超宽带范围内进行远场求解，以θobs=0°、φobs=0°为默认观测角度进行观察，仿真得到其雷达散射截面(radar cross section，RCS)幅频特性曲线如图2所示。

图2 谐振单元RCS曲线

由图1、图2可看出：当用垂直极化(同极化)的平面波激励该1/4圆环贴片谐振单元时，由其RCS曲线可知，在谐振器的谐振频率点上有明显的波峰出现；而当用水平极化(交叉极化)的平面波垂直照射谐振器时，其RCS曲线在谐振频率点上无明显的频率特征出现，即谐振器只在相同极化的平面波激励下起振，而在极化与其正交的入射平面波激励下不起振，表明该1/4圆环贴片谐振器也具有单极化特性。

1.2 标签方向不敏感原理

如果标签旋转一个任意角度θ，即标签与双极化阅读器发送天线发送的入射激励波成θ，则1/4圆环贴片谐振体将会产生同极化响应与交叉极化响应[9-10]。在同极化后向散射信号中，由于同极化谐振体在谐振频率点处产生的衰减减小，则共振峰波谷深度减小；同时，引入交叉极化谐振体产生的衰减[11-12]。通过旋转标签，在双极化入射波激励下，某一极化下的散射响应是由与它同极化谐振体和交叉极化谐振体共同产生的后向散射响应的组合。在任意不匹配的角度下，如标签得到的、来自同极化谐振体和交叉极化谐振体产生的总散射响应不变，说明该标签为方向不敏感标签[13]。

在本文的仿真分析中，通过改变入射波角度或观察点角度，可实现标签与入射波方向或观测点位置不匹配，以验证标签是否方向不敏感。由于仅采用水平极化(η=0°)的单极化入射波，随着入射波角度或观测点角度的变化以及极化损耗，接收到的电磁波能量会有增加或减少，因此回波强度会下降或上升。这是可以预见的偏差，但是基本谐振单元谐振点的频率位置保持不变。

2 无芯片标签结构设计

基于上述对谐振单元极化特性的分析，本节设计的标签利用不同半径大小的1/4圆环贴片谐振器创建不同的频率特征。其中，每个频率特征用于表示一位数据，则基于1/4圆环贴片谐振器的无芯片标签结构如图3所示。

图3 无芯片标签结构图

采用波谷编码，根据增加标签阅读距离的设计思想，重复设置4组相同的谐振器阵列。每组谐振器阵列包含16个不同半径的1/4圆环贴片谐振器，构成15 bits的无芯片标签。基于1/4圆环贴片阵列的无芯片标签结构的参数如表1所示。

表1 标签结构参数表

表1中：R1为半径最大的1/4圆环贴片谐振器的外半径；R17为半径最小的1/4圆环贴片谐振器的外半径；Ws为谐振器宽度；Ss为谐振器之间的间隔；d为4组相同的贴片谐振器阵列分离的间距。为便于设计、易于打印，设定Ws和Ss对于每个1/4圆环贴片谐振器相同。令R1= 13 mm、R17=6.8 mm、Ws= 0.2 mm、Ss=0.2 mm、d=0.2 mm，则该结构的面积仅为(169π+10.4)mm2。

3 无芯片标签结构的仿真分析

无芯片标签结构由4组相同且对称放置的、具有16个同心金属1/4圆环贴片谐振器阵列组成。由于本设计根据波谷存在与否来编码，则在该无芯片标签中除去半径最小的1/4圆环贴片谐振体为“虚拟”放置，不参与编码，剩余谐振体按照半径从大到小顺序设置谐振体的序号，为1～15。序号1～15的谐振体对应的谐振频率从低到高。标签编码基于特定结构内存在或不存在确定位置的1/4圆环贴片单元，编码数据的最高位与半径最大的1/4圆环相关，编码数据的最低位与半径最小的1/4圆环相关。每一个谐振频率点处代表的比特位逻辑值(“0”或“1”)是由标签的RCS曲线上的每一个频率特征(存在的波峰或波谷)来决定的。通过移除4组阵列相同位置的谐振器，以消除该位置谐振器的谐振频率特征，从而改变其表示的比特位的逻辑状态。

将由4组相同的，具有16个半径不同的1/4圆环贴片谐振器阵列组成的，具有全“1”的标签结构记为标签1；将标签1中4组相同的阵列的序号1～15的谐振体中，去除其对应的偶数位谐振器后得到的结构记为标签2；将标签1中4组相同阵列的序号1～15的谐振体中，去除其对应的奇数位谐振器后得到的结构记为标签3。3种标签结构如图4所示。

图4 3种标签结构图

分别对标签1、标签2、标签3进行仿真，得到3种标签结构的RCS曲线，如图5所示。

图5 3种标签结构RCS曲线

来自标签1的反向散射信号中存在15个频率特征，可以用于编码15位，且15位的标签1为全1，则标签1表征的ID为“111111111111111”。来自标签2的反向散射信号中偶数位波谷即谐振点消失，其他谐振点均没有因为这7个谐振体移除而发生明显改变，即这些频率特征是相互独立的，则标签2可以标志目标物体的ID为“101010101010101”。来自标签3的反向散射信号中奇数位的波谷即谐振点消失，而其他谐振点均没有因为这8个谐振体移除而发生明显改变，此时标签可以标志目标物体的ID为“010101010101010”。仿真结果可证明，这15个波谷中的任意一个均可在不改变其他波谷存在的情况下，通过移除相对应的谐振体，使其代表的比特“1”变化为比特“0”。

3种标签结构的谐振频率点分别如表2所示。

表2 3种标签结构的谐振频率点

结合图5所示的RCS曲线，具体分析可知：谐振点的总频带宽度为6 GHz，带宽足够大；各谐振频率点之间互不重叠交叉，清晰可辨。3种标签结构的谐振频率间的最小间隔宽度为235 MHz，而目前已知的阅读器可识别分辨率为30 MHz，证明其已远超阅读器可识别阙值；RCS回波强度至少为-22.65 dBsm,谐振特性明显。3种标签结构的RCS曲线部分波谷所在频率位置发生了偏移，但频移范围都在70～430 MHz内。这可通过简单的信号处理，即在信号处理算法中通过设置一定的频带范围检测阙值来克服。上述结果证明，所设计的标签结构是可行的。

4 无芯片标签的可靠性分析

4.1 入射平面波极化

入射平面波的极化包括极化方式与极化角度2个特征参数。前文分析均采用零度线极化方式的入射波。下面以标签1为分析模型，考虑线极化(L)、左旋椭圆极化(LE)、右旋椭圆极化(RE)于5种不同极化角度(0°、30°、45°、60°、90°)下，对标签后向散射波的影响。通过仿真，得到标签1的RCS曲线，如图6所示。在3种不同极化方式以及5个不同极化角度下，标签1的RCS幅频特性曲线分别几乎重合，RCS幅频特性曲线的谐振点个数与标签结构相对应，均明晰可辨，且谐振点基本可保持在同一频率点上，谐振吸收峰深度明显。由此可见，入射波的极化(极化方式或极化角度)对所设计的标签谐振点及谐振特征没有影响。

图6 标签1的RCS曲线

综上所述，本文设计的完全对称的标签结构极化独立，不受入射平面波极化的影响，具有极化不敏感的特性。

4.2 “双站”散射模式

以上分析均基于“单站”散射模式。下面将在 “双站”散射模式下，以标签1为仿真模型，分析不同入射点或观测点对设计的1/4圆环贴片谐振器阵列标签可靠性的影响。在此同样利用仿真得到的RCS曲线进行分析。

设置入射平面波θexc=0°、φexc=0°、η=0°,分别在观测点θobs为0°、15°、30°、45°、60°，且φobs为60°时，仿真得到如图7所示的标签1的RCS曲线。

图7 不同观测点下标签1的RCS曲线

由图7可知，在同一入射点激励下，不同观察点的标签均具有明显谐振特性，谐振点清晰可辨，且谐振点数目与标签基本谐振单元数目一致。随观测角度θobs的增大，在较低频带的谐振频率位置均未发生变化。但在较高频处(高于8.5 GHz)可观察到，RCS曲线的波谷位置向左发生了约100 MHz的偏移。RCS曲线的幅值随观测角度θobs的增大而减小，RCS回波强度分别至少为-22.65 dBsm、-23.57 dBsm、-25.6 dBsm、-28.84 dBsm、-33.16 dBsm。RCS曲线下降、回波强度减小，即观察角度越大、接收到的电磁波能量减少，则回波强度会越小。

设置观测点θobs=0°、φobs=0°，分别在θexc为0°、15°、30°、45°、60°,且φexc为60°、0°时，仿真得到标签1的RCS曲线，如图8所示。

图8 不同 θ 入射角下标签1的RCS曲线

在同一观测点下，不同入射点的标签均具有明显谐振特性，清晰可辨，且谐振点数目与标签基本谐振单元数目一致。随着入射角度θexc增大，在较低频带的谐振频率位置均未发生变化。但在较高频处(高于8.5 GHz)可观察到，RCS曲线的波谷位置向左发生了100 MHz左右的偏移。RCS曲线的幅值随着入射角度θexc的增大而减小，RCS回波强度分别至少为-22.65 dBsm、-23.57 dBsm、-25.59 dBsm、-28.83 dBsm、-33.15 dBsm。RCS曲线下降、回波强度减小，即入射角度越大、接收到的电磁波能量越少，则回波强度会越小。

综上分析可知，观测点位置和入射点位置对设计的标签频域散射信号强度有一定的影响。考虑到接收设备的灵敏度，为不影响标签有效识别与编码的可靠性，入射角度θexc或观测点角度θobs最好限制在60°以内。由于谐振点的位置并未发生明显频移，表明标签仍具有良好的观测点独立性与源独立性，即标签具有良好的方向不敏感性。

4.3 标签编码容量的可扩展性

本节设计的基于1/4圆环贴片谐振器的无芯标签，不仅可实现15 bits的编码容量，而且可实现更高的编码容量。在保持标签面积不变的条件下，通过调节标签1/4圆环贴片谐振器宽度Ws和谐振器之间的间隙宽度Ss，相应增加谐振体数目，组合成可容纳更多编码位数的标签，以研究标签编码容量的可扩展性。标签采用相同的组阵方式，并且保证标签4组相同谐振器阵列间距d不变，d=0.2 mm;1/4圆环最大外半径保持R1不变，R1=13 mm，则需随之改变的是圆环的内外半径大小。

当Ss=0.15 mm、Ws=0.05 mm时：在7～16 GHz频带内，标签4可容纳的编码容量为35 bits，能够表示235种不同组合的ID。采用波谷编码时，标签3的4组相同阵列中，每一个阵列包含有36个1/4圆环贴片谐振体，相邻谐振体之间半径相差0.2 mm，即R(x+1)=Rx-0.2 mm(x=1,2,…,35)。在线极化入射平面波照射下，标签4产生的30个谐振频率点之间互不重叠交叉，谐振点(波谷位置)之间的最小频率带宽为100 MHz。由于耦合作用的影响，个别波谷深度较小，在信号处理时，最好在信号处理算法中设置有效波谷检测的幅值阙值，以免造成误码。标签4结构仿真得到的RCS曲线如图9所示。

由以上分析可知，调整谐振器宽度Ws和谐振器之间间隙宽度Ss，在相同面积内能够实现更高的编码容量。当Ws或Ss越小时，相邻谐振体的长度相差越小，标签在相同面积内可容纳的谐振体数目越多，即标签编码容量越高。随着编码位数增加，所占用带宽相对而言增加得较少，标签编码容量的可扩展性非常好。考虑到现有的打印分辨率，Ws、Ss最低可以减小到0.02 mm。

图9 标签4的RCS曲线

5 结束语

本文提出的基于1/4圆环贴片谐振体的无芯片RFID标签，具有完全可印制、结构紧凑对称、对入射波的极化不敏感以及良好的方向不敏感性等优势，适用于读取方向不固定、标签方向不确定而所需数据量较小的应用领域。标签尺寸足够小，面积仅为(169π+10.4) mm2。通过理论、仿真分析可知，由于该标签结构具有高度的对称性，入射波极化、入射角度、观测点位置对主要谐振点的分布影响不大，得到的RCS曲线与标签结构一一对应，表明了标签的可行性与可靠性。就其编码容量扩展而言，在保证标签结构单元面积不变的情况下，可通过减小谐振器宽度Ws和谐振器之间间隙Ss，来增加谐振器数量，从而增加标签可容纳的数据位数。后期需要进一步优化标签结构，以减小耦合作用引起的频率点偏移所造成的偏差，并增加标签的数据容量。