声表面波射频识别与温度传感一体化系统

赵文玉,陈智军,朱卫俊,程胜军,陈 涛,贾 浩

(1.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106；2.中电科技德清华莹电子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

识别、传感是物联网的两大核心环节。在很多应用场合，需要识别和传感功能同时实现[1]。以食品安全为例，近年来食品安全问题频发，其重要原因之一是食品安全事故追溯不到源头，责任不清楚，无法做到有效监管，故需要采用识别技术加强对食品的过程追踪；同时还需要结合传感技术，通过对食品质量的实时监控来提前避免食品安全事故的出现，如冷链食品在运输、流通及存储过程中对温度的实时监测[2]。射频识别(RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术，是物联网的重要组成部分。射频识别系统主要由标签和阅读器组成，两者之间通过天线实现信息的无线传输。基于声表面波(SAW)技术的RFID系统采用无源无线的SAW标签[3]，SAW在压电基底上的传播时间受温度影响，因此，SAW标签在RFID的同时也可作为温度传感器[4]。鉴于SAW标签的大容量编码和多参数敏感特点，能够同时实现对食品的溯源与质量监控。

本文采用脉冲时延结合相位编码方案，由此增加了SAW标签的编码容量以实现规模化应用。在分析SAW标签识别与测温原理的基础上，采用直接欠采样数字正交解调方案设计阅读器，以提高识别、测温的准确性与稳定性，并在柔性PCB板上制作折叠偶极子天线以实现标签天线的柔性和小型化。实际制作了SAW RFID与温度传感一体化系统，测试结果表明，系统在温度-20～60 ℃能正常工作，在距离2 m内，系统不仅能实现标签编码的准确识别，且测温精度可达0.6 ℃。

1 系统工作原理

SAW RFID与温度传感一体化系统如图1所示。设计不同的反射栅编码结构，通过对标签的回波脉冲串解算可读出相应编码，从而实现识别功能。当温度变化时，压电基底的材料参数发生变化，SAW在反射栅之间传播的时间发生相应变化，导致回波脉冲之间的时延改变，时延与温度间存在的对应关系使SAW标签也同时具有温度传感功能[5]。

图1 SAW RFID与温度传感一体化系统

目前常用的SAW标签编码方案有脉冲幅度、脉冲时延及脉冲时延结合相位编码3种。与前两种相比，脉冲时延结合相位编码方案通过相位测量来弥补时间分辨率的不足，能极大地提高标签的编码容量[6]。以图2所示的标签结构为例，当数据区X=6、时隙n=4、相隙N=3时，仅采用脉冲时延编码方案的编码容量nX=4 096，而脉冲时延结合相位编码方案的容量(n×N)X=2 985 984，两者相差3个数量级，且后者接近三百万，满足大多数场合的应用需求。图2中除各个数据区的编码反射栅外，还存在起始和截止反射栅。起始反射栅作为参考，用于消除距离和环境的影响。截止反射栅动态跟随最后一个编码反射栅，两反射栅对应的回波脉冲之间的时延称为参考时延。

图2 脉冲时延结合相位编码的SAW标签结构

SAW的时延温度系数(TCD)为

(1)

式中：τ为延迟时间；T为温度；L为SAW传播距离；v为SAW传播速度；α为热膨胀系数；TCV为SAW的速度温度系数。

对于特定切型的压电基底，在材料温度系数已知的前提下，其α可通过欧拉角变换得出，TCV可通过SAW波动方程解出[7]，从而获得相应的TCD。

对式(1)进行一阶泰勒展开，可推导出：

(2)

式中：τ0为参考温度T0时的延迟时间；τT为实际温度T时相应的延迟时间。

根据相位φ与时延τ之间的关系φ=2πfτ，式(2)可转换为

(3)

通过合适的时隙设计，正交解调法可以直接解算出标签的时延编码。但是，正交解调直接解算出的相位受温度影响，通常与标签的设计相位不一致，同时相位测量存在模糊性问题，即不可能测出360°的整周期数，只能测得小于360°的尾数部分。

本文在设计标签时，针对截止反射栅与最后一个编码反射栅对应的回波脉冲之间的参考时延，使其在测温范围内相应的相位变化不超过一个周期[8]。通过参考时延的相位变化，根据反射栅之间的位置关系，可反推出每个反射栅在参考温度时的设计相位，从而解算出标签的相位编码。

正交解调直接解算出的相位减去标签的设计相位即为温度引起的相位变化，但鉴于相位模糊性的存在，实际获得的也只是其尾数部分。本文采用相位比例尺递推的方法[9]，将参考时延随温度引起的相位变化逐步递推到起始与截止反射栅之间的相位变化，从而根据式(3)测出实际温度T，且具有较高的测温精度。

综上所述，实现SAW RFID与温度传感一体化的算法流程如图3所示。

图3 识别与测温算法流程图

2 阅读器的直接欠采样数字正交解调方案

常规的SAW RFID系统的阅读器采用基带过采样硬件模拟正交解调方案[6]，其结构如图4所示。回波信号经过低噪声放大器(LNA)及带通滤波器，通过巴伦得到两路差分信号，分别与经过0°/90°移相器后的本振混频得到I、Q两路基带信号，再通过滤波和放大后进入A/D转换器，将基带信号转换成I、Q两路数字信号。上述方案存在以下问题：

1)具有硬件下变频模块，结构相对复杂，成本较高。

2)硬件模拟正交解调采用模拟本振，其幅度和相位易受静电、温度等环境因素影响，导致两路本振信号幅相不平衡。

3)基带信号的滤波和放大会引入I、Q两路增益、延时不平衡，两个支路存在幅相不平衡[10]，从而对后续SAW标签的识别和测温带来一定影响。

图4 基带过采样硬件模拟正交解调方案

上述基带过采样法需要遵循奈奎斯特采样定理，即满足A/D转换器采样率大于最高信号频率的2倍，这也是SAW标签回波信号通常需要下变频到基带信号的原因，以此降低对ADC采样频率的要求。实际上，虽然回波信号的中心频率高达922.5 MHz，但其带宽仅5 MHz，对于这种窄带宽的信号，可对其进行射频带通直接欠采样[11-12]，等同于对其频带进行了频谱搬移，搬移到第一奈奎斯特区域内。因此，无需遵循传统意义上的奈奎斯特采样定理，就可以完整恢复标签带宽内的全部信息。与此同时，随着软件无线电(SDR)技术的日益成熟，射频电路逐渐向软件化方向发展。数字正交解调是一种典型的软件无线电技术[13-14]，可以避免硬件模拟正交解调带来的相关问题。

综上所述，本文的阅读器采用射频直接欠采样数字正交解调方案，如图5所示。回波信号经过低噪声放大器、带通滤波器后，对其进行直接欠采样得到回波数字信号。数控振荡器(NCO)是数字正交解调的重要组成部分，在数字域构建两路正交信号与回波数字信号混频，再通过FIR滤波器得到I、Q两路基带数字信号。该方案较好地解决了原有基带过采样硬件模拟正交解调方案存在的相关问题，不仅结构简单，成本低，且对SAW标签的识别和测温也更稳定和准确。

图5 射频直接欠采样数字正交解调方案

3 标签天线的柔性和小型化设计

SAW标签的天线通常采用印刷偶极子天线，在硬质FR4板材上制作，不适于如食品安全检测时需要弯曲天线以易于与食品包装相整合等应用场景。目前SAW标签的芯片尺寸已经可以做得非常小，标签整体尺寸取决于标签天线，但天线尺寸较大，在很多场合的应用受限。因此，对标签天线的柔性和小型化设计具有显著的实用意义。

本文的标签天线是在以聚酰亚胺为基材的柔性电路板(FPC)上制作，通过折叠的方式实现天线尺寸的缩减[15]。小型化折叠偶极子天线的结构如图6所示，对半波偶极子天线两臂弯折以减小尺寸，同时增加T型匹配调节阻抗。以中心频率922.5 MHz、带宽大于5 MHz为设计指标，通过电磁仿真软件HFSS仿真和优化天线尺寸，实际制作的FPC折叠偶极子天线如图7所示，其尺寸为66 mm×33 mm，明显小于原有154 mm×22 mm的硬质FR4天线。

图6 折叠偶极子天线结构

图7 实际制作的FPC折叠偶极子天线

使用矢量网络分析仪测试FPC天线的性能，S11测试结果如图8所示。天线的中心频率为921.15 MHz，带宽约30 MHz。虽然实际中心频率与设计值略有偏差，但在922.5 MHz处S11为-26.65 dB，能将99.75%的输入功率辐射出去，表明该频率时标签天线接收阅读器查询脉冲能量以及发射回波脉冲串能量的效率已足够高，可实现系统的无线应用。

图8 FPC天线的S11参数

4 系统测试

实际制作了编码容量接近三百万的SAW标签(见图2)，并制作了采用射频直接欠采样数字正交解调方案的阅读器(见图5)，通过恒温箱对系统进行标定，如图9所示。标定结束后直接在-20～60 ℃内对系统进行测试，标签解码正确率100%，测温精度在0.6 ℃内。

图9 系统标定

标签天线弯曲后粘贴在豆奶的杯壁上，系统对豆奶的编码和温度进行测试，如图10(a)所示。上位机界面如图10(b)所示，除显示编码和测温结果外，还可显示回波脉冲串信号的实时变化，使测试结果更直观。用手指按住标签外壳，系统可测出标签温度逐渐上升；松开手指，同样可测出温度相应下降，系统具有很好的响应实时性。随着标签远离阅读器，回波信号的强度逐渐减小，系统能准确识别和测温的距离约在2 m。

图10 系统应用测试

5 结束语

本文以基于声表面波技术的射频识别与温度传感一体化应用为目标，设计了采用脉冲时延结合相位编码方案的声表面波标签。鉴于常规的基带过采样硬件模拟正交解调方案阅读器存在I、Q两路幅相不平衡等问题，设计了采用射频直接欠采样数字正交解调方案的阅读器。该阅读器结构简单，成本低，且对声表面波标签的识别和测温也更稳定和准确。针对现有硬质印刷偶极子标签天线对应用领域的限制，设计制作了采用柔性PCB的折叠偶极子小型化天线。最后对搭建的系统进行了标定和测试，测试结果表明了系统的实用性，从而可极大地拓展声表面波技术在物联网诸多领域的应用场景。