基于弧型谐振器的高密度无芯片RFID标签

李珊珊，薛严冰,宋智,陈宝君

(大连交通大学 电气信息工程学院，辽宁 大连 116028)*

射频识别(Radio Frequency Identification ，RFID)技术是物联网的重要组成部分和关键技术，传统的射频识别系统标签因芯片的高成本限制无法取代光学条形码而大规模应用，所以提出了无芯片标签(chipless RFID)[1-3].无芯片标签主要基于时域、频域进行编码.最早出现的利用延时线技术的无芯片标签，阅读器检测的时间要求纳秒级，实现困难且编码容量不足[4].基于时域的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)标签，是唯一商用的无芯片标签，但这种标签制作时其压电材料需要亚微米级的光刻技术，成本与有芯片标签相比并无优势[5].基于频域的无芯片标签可以提高编码密度[6]，通过谐振器结构位置改变频谱进行编码，编码容量取决于谐振器的数目[7].文献[8]利用多螺旋谐振结构实现了35bits的编码，标签尺寸为 88 mm×35 mm×0.8 mm.文献[9]设计了八边环形谐振器结构的无芯片标签，使用电墨水印刷，标签可以弯折，但在有限的频谱资源内只能实现5bits编码.文献[10]提出频域RCS(Radar Cross Section，RCS)幅值编码的无芯片标签，利用不同位置的C形贴片得到不同幅值的谐振峰，根据开口间隙的大小来控制幅值实现编码，但品质因数低，且电磁耦合现象明显.文献[11]为缩小标签尺寸，减少空间消耗，利用改进的互补开口环结构进行编码.文献[12]提出一种基于马刺线谐振器的新型无芯片标签，在不增加标签尺寸同时不降低性能的情况下，将标签由8bits提高到14bits.文献[13]将幅度和频率编码技术结合，为使数据容量增大，在微带环上加载电阻以控制反向散射信号的幅度，但是需要焊接不同阻值电阻，不能实现完全印刷.文献[14]中提出了基于频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)的无芯片标签，实现了6bits编码容量，但因为出现了旁瓣谐振点造成识别不精准.

为解决无芯片标签尺寸大、编码位数少、容量低的问题，本文设计了一种结构紧凑的弧型谐振器无芯片标签，根据RCS幅频特性进行编码，应用拐点短路重构，频率分离法减小电磁耦合.通过数值仿真给出弧长与谐振频率的拟合关系式，并利用公式在2.5～7.7 GHz频带、38 mm×18 mm的Rogers RT/duriod 5880的介质基板上设计并实现了20 bits的无芯片标签.

1 弧型谐振器结构及编码原理

1.1 弧型谐振器结构及参数计算

为了使标签充分利用辐射贴片表面空间，结构更加紧凑，编码单元采用了1/4波长弧型槽谐振器，其结构如图1所示.

介质基板尺寸为Sl×Sw，开槽的宽度为Ws，开槽两侧覆铜层宽度均为ds，L0是弧型开槽短路一侧到圆心的水平距离，弧长半径为R0，弧长度为Lslot.其中Lslot可由式(1)得到.

(1)

1.2 弧型谐振器编码原理

当金属散射体受到一束均匀平面电磁波照射，因为开槽的存在，某个频段的电磁波会直接透射，其余频点的电磁波会通过金属进行散射，则此时单站RCS的幅频特性会在某个频点产生一个谐振波谷，波谷存在对应二进制‘1’，反之为’0’.故一个弧型开槽对应1 bit编码.

用电磁仿真软件HFSS对图1所示的弧型开槽谐振器进行单站RCS仿真，介质基板选用Rogers RT/duriod 5880，其相对介电常数εr为2.2，电正切损耗tanδ为0.000 9，介质基板厚度h为0.787 mm.其仿真的结果如图2所示.可以看出，整个编码频段内该结构只在3 GHz附近出现一个波谷频点，即只对应一个谐振频率，没有高次谐波产生.因此可以在较宽的频段内利用不同谐振频率的多个谐振器进行多位编码.

在改变标签编码时，通常采用的方式是移除谐振器使对应位谐振消失，导致不同编码标签具有不同的结构，难以实现重构.本文采用拐点短路法，不需改变标签整体结构，仅在需重构的谐振器上加载一个短路贴片.为确定短路贴片的合理加载位置，对谐振频率表面电场强度和表面电流强度进行了仿真，结果如图3所示.

根据图3(a)可以看出，弧型槽的开路处感应电场强度最大，且表面电场沿着槽开路端逐渐向短路端减小；根据图3(b)可以看出，电流沿着槽的边缘从一侧流向另一侧中间并未分流，可以等效成一个串联谐振电路.同时，电流的大小在槽短路的一侧最强，因此应将短路贴片尽量远离槽短路端，以减少由于电磁耦合造成的短路贴片对相邻谐振器的影响.加载短路贴片的谐振器如图4(a)所示，其RCS幅频特性仿真结果如图4(b)所示.

可以看出增加短路贴片后，RCS频谱上3GHz附近的谐振消失，该位编码由逻辑“1”变为逻辑“0”，因此，利用拐点短路法可以移除弧型槽谐振器的谐振陷波，进而可以实现对标签编码的重构.

2 20bits无芯片标签设计与仿真

2.1 弧长与谐振频率的关系

弧型槽谐振器是一种1/4波长谐振器，目前并没有一个合理的等效电路模型，本文给出谐振频率点与对应弧型开槽长度的关系式，进而为多谐振器的设计提高了效率.在HFSS软件中根据式(1)建立了弧长从9.8 mm变化到24.6 mm的不同谐振器结构，仿真了各结构RCS幅频特性，获得了弧长与对应谐振频率点的关系，如图5所示.

由图5可知，随着弧长的不断增大，谐振频率减小.将弧长设为自变量x(单位取为mm)，谐振频率为因变量y(单位为GHz)，采用三次函数进行曲线拟合，拟合结果如式(2)所示：

(2)

拟合曲线的R2值为0.99，拟合效果良好，可以用来近似地描述谐振频率点与弧长的关系.

保持弧长Lslot为20.1 mm，改变开槽宽度Wslot从0.1～0.5 mm，仿真了开槽宽度同谐振频率的关系，仿真结果如图6所示.可以看出，与开槽长度明显改变谐振频率不同，开槽宽度对频率影响不大，当Wslot=0.3 mm时，对应的陷波的品质因数可达45.32，谐振特性最好，所以在设计标签时，将开槽宽度确定为0.3 mm，通过改变弧长实现不同频率的谐振.

2.2 20bits标签的设计

在38 mm×18 mm基板上设计标签，将20个弧型谐振槽开在扇形覆铜层上.为减小相邻谐振器间的耦合作用，采用频率分离方法，将频域中相邻谐振频率对应的谐振器分别设计在了不同的辐射贴片上，即覆铜贴片1的开槽对应第2、4、6,…20谐振频率，而覆铜贴片2对应1、3、5、…19谐振频率.20个弧型开槽对应的弧长分别为Lslot1-Lslot20.图7是20 bits标签的结构图.

设计工作频带为2.5～7.7 GHz，为实现频带隔离，且考虑到高频电磁耦合现象加剧，前8位谐振频率的间隔设为200 MHz，后12位谐振频率的间隔设为300 MHz，根据式(2)，计算出各谐振器的弧长参数，建立20 bits标签的模型，获得20bits标签的结构参数，如表1所示.

表1 20bits标签参数 mm

2.3 20bits仿真结果与分析

将图7结构的标签定义为Tag1，在此基础上利用拐点短路法进行了三种典型重构，分别为Tag2、Tag3、Tag4.图8是四个标签仿真结果.Tag1(图8(a))的20个谐振器产生了箭头指向的20个谐振峰，表明可以实现20bits编码，且谐振频率点分布相对均匀，谐振特性明显，RCS回波强度至少为-27.36dBsm.Tag2将后10位进行重构，后10位谐振波谷消失，前10位谐振谐振频率点未发生明显偏移(图8(b)).Tag3根据结构将相邻弧槽依次交替进行重构，虽然该重构方式相邻槽间耦合作用最大，但10位“1”编码未缺失，可知各谐振单元频率特征相互独立(图8(c)).Tag4对标签进行“1”“0”交替重构编码，谐振波谷偶数位消失(图8(d)).

将图8中Tag1、Tag2、Tag3、Tag4的谐振频率在表2中进行比较.可以看出由于采用了频率分离设计，有效减小了重构对相邻谐振器的电磁耦合效应，重构后标签结构与谐振点个数相对应，相对于未重构的谐振频率在低频段基本未产生偏移，而高频段因为谐振器相互之间的耦合作用有一定偏差，可通过简单信号处理正确识别编码.

表2 20bits标签重构和未重构之间谐振频率点的比较

3 测试

3.1 标签的制作

采用湿法腐蚀法制作了Tag1和Tag2，其实物图如图9所示.

3.2 测试系统与测试方法

测试时使用的是Agilent N5242A矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)，测试前进行开路负载、短路负载、50Ω宽频带负载校准.标签的单站RCS测试示意图如图10所示：宽频带天线连接在一个校准好的VNA端口，将标签置于天线前方，测量参数为S11.

将测量获得的S11参数进行数据处理，可获得复RCS，计算方法如式(3)所示[15]：

(3)

3.3 测试结果

图11是20bits标签实测数据经公式(3)处理后得到的RCS结果，从图中可以明显看出，20bits标签具有20个谐振陷波(箭头所指区域)，而重构后被短路的谐振器的谐振“陷波”消失(虚线圆区域)，标签编码可以被正确识别.

3.4 标签性能对比

表3列出了文献中给出的无芯片RFID标签性能，通过比较发现，本文提出的无芯片标签编码密度为2.9 bit/cm2，明显高于所列文献编码密度，同时编码容量为3.85 bit/GHz，有效的利用了频段资源.

表3 基于频域无芯片RFID标签性能对比

4 结论

本文利用曲线拟合得到弧型开槽谐振器的谐振频率点与弧长的关系，设计了具有20bits编码容量的结构紧凑型标签，通过短路贴片短路对应谐振器的方法实现了标签的重构.标签的尺寸为38 mm×18 mm，占用的频段在2.5～7.7 GHz，测试结果表明，编码能正确识别.相对于传统无芯片标签，本文设计的标签具有结构简单、编码密度高、易于重构的特点，在物流、生产线管理等领域具有应用潜力.