无源无芯片RFID光传感标签设计*

孙占峰， 尹柏强， 何怡刚， 罗旗舞， 宋 洋

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

在各无线监测应用领域中[1～4]，结合射频识别(radio frequency identification,RFID)和无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)的光照强度在线监测是最重要的应用技术之一。现阶段主要使用微电子技术实现在线光强监测，并将其与RFID和WSNs技术相结合，使光强监测具有很高的灵敏度和准确性。尽管，部分研究采用无源标签[5]和声表面波技术[4]，在一定程度上降低了其元件成本和维护难度，但却依然难以克服其大规模生产和使用中成本过高的问题。为了有效解决这些问题，无芯片RFID技术应运而生[6]。

不同于传统有芯片RFID技术，无芯片RFID技术使用集成传感器的谐振结构进行标签ID编码和环境感知[7],极大地降低了标签生产和维护成本，且其采用的独特询问技术还使其具备长距离通信和简易收发的优点[8]。

本文基于RFID技术设计了紧凑型无芯片光传感标签，并结合传感器技术实现标签的ID编码能力和光强检测，并仿真测试了设计的标签性能。

1 无芯片标签工作原理

加载在无芯片RFID标签天线上的射频或微波电路能够根据其不同的大小和结构对天线接收的电磁波信号进行调制，使该信号产生特定的谐振频率和不同的谐振幅值，使得该天线具有在频率上的电磁识别标志(electromagnetic sign，EMS)。通过加载多个射频和微波谐振电路，多个EMS不仅可以作为标签的身份ID，亦可在谐振电路中集成传感材料进行环境感知。环境参量的变化改变了传感材料的阻抗或介电常数，进而改变了天线的反向散射信号。阅读和访问设备通过接收天线的反向散射信号，实现无芯片RFID系统对环境的感知[9,11]。本文具有传感功能的无芯片RFID系统的结构和工作原理如图1所示。

图1 无芯片RFID系统的结构和工作原理

2 无芯片标签设计与仿真

2.1 标签设计原理与结构

本文设计的无芯片RFID传感标签包括3个部分：单机子收发天线、ID编码单元和光强传感单元，如图2所示。

图2 无芯片传感标签结构示意

标签利用开路短截线谐振结构的带阻滤波原理实现对自身的ID编码和光强的感知。在高频条件下，谐振结构可以等效为多个电感和电容串/并联电路，其性能主要取决于2个参数：谐振结构的谐振中心频率f和品质因数Q

(1)

式中L为谐振结构的等效电感值，C为谐振结构的等效电容值，R为谐振结构的等效电抗，ω=2πf为谐振角频率。可知，不同的L和C可以使谐振结构产生不同谐振中心频率。本文通过改变开路短截线谐振结构的长度使其具备不同的等效电感和电容值，在1.5～2.2 GHz的频带内产生5 bit标签ID信息，并使开路短截线谐振结构末端的光敏元件在不同光照强度下拥有不同的等效阻抗值。

本文采用龙信达公司的LXD/GB3—A1DPBT光敏电阻器作为光强检测传感器。超高频范围使用时，该光敏元件的阻抗值可等效为多个RC电路串/并联后的阻抗值。使用安捷伦矢量网络分析仪(vector network analyzer，VNA)E5061B对不同光照条件下4组该光敏元件阻抗值进行测量，减小测量误差，结果如表1所示。测量结果显示，LXD/GB3—A1DPBT光敏电阻器在较小的频率范围内阻抗值变化不明显，但在不同光照条件下的阻抗值却有很大变化。

表1 GB3—A1DPBT光敏元件阻抗测试结果

2.2 谐振结构仿真与实物测试

使用Ansoft HFSS软件对标签ID编码和传感单元进行仿真和测试。仿真过程中，使用等效模型模拟不同光照条件下的光敏元件，其在0，500，1 000 lux条件下的阻抗值采用表1中测试的4组对应条件下阻抗值的平均值。图2中谐振结构具体的参数为：L1～L6分别为23，25，27.5，20，19，16 mm;W1,W2分别为3.73,0.7 mm;S为4 mm;R为15 mm。其仿真结果如图3虚线所示。

图3 谐振单元S21仿真和测试结果

利用蚀刻技术将ID编码和传感单元结构蚀刻在厚度为2 mm的FR4基板上，并在长度为L6的开路短截线末端焊接光敏电阻器，其微带线两端采用50 Ω SAM接口。谐振结构的实物如图4所示，其总面积约为10 cm2，单位面积的数据含量约为0.6 bit/cm2。

图4 谐振单元结构

使用安捷伦E5061B矢量网络分析仪分别测试其在光照强度为0,500,1 000 lux时的插入损耗S21。测试结果如图3中实线所示。

3 标签测试方法与结果分析

3.1 测试方法

采用同样的蚀刻技术将设计的无芯片RFID光传感器蚀刻于厚2 mm的FR4基板上，并将LXD/GB3—A1DPBT光敏电阻焊接于传感单元末端，制作完成的无芯片RFID光传感标签如图5所示。设计标签的ID编码为“00000”。

图5 无芯片RFID光传感标签

本文采用如图6所示的原理框图对无芯片RFID标签进行性能测试。为了减小测试过程中信号间的相互干扰，采用交叉极化放置的两个环形天线Rx和Tx作为测试信号的收发天线。测试平台中矢量信号分析仪采用安捷伦E5061B，微波暗室采用Voyantic RFID测试箱。测试过程中，测试天线与标签天线间的距离为30 cm；测试的环境光强分别为0,200,400,600,800,1 000 lux。

图6 无芯片RFID标签测试原理

3.2 测试结果与分析

无芯片RFID光强传感标签的S21参数，响应频率和谐振幅值的测试结果如表2。图7展示了光照强度为0 lux和1 000 lux的完整S21频谱测试结果。

表2 不同光照条件下无芯片RFID标签S21测试结果

从以上测试结果可以看出，本文所设计的无芯片RFID传感标签在不同的光照强度条件下将会产生不同的响应频率和谐振幅值。其不同响应频率间带宽间隔的平均值为50 MHz，不同谐振幅值间的平均差值为1.8 dB。表明该无芯片RFID传感标签不仅能够检测出不同的光照强度，其较宽的频带间隔和加大的幅值差可以有效减小不同光照强度测量时信号特征的重叠干扰。

为了更准确地说明本文设计的无芯片RFID传感标签的性能，比较了响应频率和谐振幅值在光传感中的灵敏度和线性度。其中，传感器的灵敏度为

(2)

式中X1 000 lux为光照强度为1 000 lux时的响应频率或谐振幅值,X0 lux为光照强度为0 lux时的响应频率或谐振幅值。由Sx计算得到利用响应频率进行光传感时灵敏度Sf=0.26MHz/lux，利用谐振幅值进行光传感时灵敏度Sa=0.008 7 dB/lux。通过比较Sf和Sa的值可知，利用响应频率变化检测单位光强变化更易实现和操作。

通过对比2个参数与其各自拟合直线的最大偏差百分比，来比较两种测量结果的线性度优劣。定义线性度为

(3)

式中 ΔYmax为传感器测量曲线与拟合直线间的最大偏差,Y为传感器测量范围。使用MATLAB分别对2种结果参数进行线性拟合，分别得到响应频率f与光照强度Lx的线以及谐振幅值A与光照强度Lx的线性拟合方程为

Lx=-0.000 27f+2.71,Lx=0.008 5A-23.976 2

(4)

图8为实验测试结果的折线图和拟合后的拟合直线。经过计算，以响应频率f为变量时其线性度δ1=0.001 4 %；以谐振幅值A为变量时其线性度δ2=0.032 %。δ1<δ2，以响应频率f为变量的光照强度测试结果具有更好的线性度。

图8 无芯片RFID标签测试结果的线性性能

由此可知，对于本文设计的无芯片RFID传感标签在以响应频率为变量，测试结果有更好的灵敏度和线性度。但在应用时，可能需要根据具体的应用场景选择使用不同的特性，或者需要同时使用两种特性来提高光传感的精确性。

4 结 论

本文提出了一种无源、低廉无芯片RFID光传感标签。标签集成现有光敏元件并采用无芯片RFID通信技术，使其具有RFID通信和光传感能力。标签采用紧凑型设计，在较小的面积上包含了6 bit数据。由于结构简单、易生产、无需维护、可重复利用等特点，该标签有着广阔的实际应用前景。