一种抗杂波无芯片RFID介电常数传感器标签的设计

陈玉莹，马润波

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

射频识别(RFID)技术在20世纪40年代产生，起源于军事领域的雷达技术，20世纪90年代开始在企业内部等闭环内逐步推广使用[1]. 随着物联网迅速发展，无芯片RFID技术成为可以与传统条形码在成本和制造方面竞争的候选技术之一. 增加感应功能的无芯片RFID标签，更是现今的研究热点，在物流包装、 食品检测等多个领域广泛使用[2].

无芯片RFID传感器的研究与设计以编码ID、 传感特性以及标签检测3方面为主. 就目前国内外研究现状来看，编码设计可分为两大类，分别基于时域和时域特征. 前者如第一个被投入商用的基于声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)的无芯片RFID标签[3]，后者典型结构为多螺旋谐振器无芯片标签[4]，具有成本低、 可完全印刷和编码容量适中的特点. 文献[5]提出在无芯片RFID系统中，通过增加敏感材料来改变标签谐振器的损耗角正切、 有效介电常数或磁导率，从而实现物理参数传感功能. 其中损耗角正切变化引起谐振响应振幅改变，介电常数或磁导率的变化会影响散射体谐振频率或相位变化； 文献[6]利用声表面波原理以氧化石墨烯作为吸湿层进行湿度传感，由于 SAW 采用特有的压电晶体，整个器件成本较高； 文献[7]和文献[8]设计的电耦合ELC谐振器与交叉指谐振器都是典型设计结构，传感效果受实测环境影响较大，且在后期检测时需要复杂的校准过程； E.Perret等学者在文献[9]中提出极化变换标签结构的概念，基本原理为利用散射体结构的不对称性，使入射波产生极化变换，可将实际测量环境中的杂波有效滤除，提高检测可靠性； 基于这种极化变换技术,文献[10]和文献[11]分别设计了位移传感与工业结构健康检测的裂纹传感. 图1 给出采用交叉极化测量方法的无芯片RFID传感系统，包含标签结构、 阅读器和环境干扰物. 其中阅读器采用两个相互正交的超宽带天线，发射天线Tx在垂直极化方向上发射询问信号，接收天线Rx在水平极化方向上接收包含谐振信息的反射电磁波. 当标签结构具有极化变换特性时，它的后向散射包含水平极化波，Rx可将其与干扰物主要产生的垂直极化杂波区分开来.

图1 交叉极化测量下的无芯片RFID传感系统Fig.1 Principle of chipless RFID sensor system using cross-polarized measurement method

由于实际环境中材料介电常数可以映射到许多重要物理属性上，本文设计了一种抗杂波的无芯片RFID介电常数传感器. 设计中综合考虑了传感器标签的结构尺寸、 编码容量、 传感性能与检测性能； 结构方面，利用极化变换技术并结合金属接地板设计标签，提高了抗环境杂波干扰的能力，运用频移编码有效提升编码容量； 识别与传感表征方面，综合分析了散射谐振器的谐振频率及Q值，给出实现较高鉴别度、 敏感度和线性度传感器的设计方法.

1 无芯片RFID介电常数传感器标签结构设计

如图2(a)所示，本文设计的介电常数传感器标签由双面覆铜的FR-4介质基板加工而成，其中顶层覆铜面蚀刻了编码谐振器和传感谐振器，底层覆铜面作为接地板. 基板厚度h=0.8 mm，相对介电常数4.3，正切损耗值0.025. 图2(b)给出了由不对称Z型金属条带设计的编码谐振器单元结构，条带长度决定谐振频率. 将4组不同大小的编码谐振器按顺时针方向放置在方形标签4角处，依次标识为ID1～ ID4. 为有效提升RCS幅值，每组编码谐振器包含4个相同谐振条带，具体参数如表1 所示. 位于标签中心区域的传感谐振器细节由图2(c)给出，它是一个在对角处有两个方形缺口的金属贴片，且在贴片内有4个相同的阶梯型缝隙. 方形缺口与阶梯型缝隙可使传感谐振器产生极化变换特性，具体参数如表2 所示. 标签整体尺寸为50 mm×50 mm×0.87 mm.

(a) 传感器整体结构

(b) 编码单元结构(c) 传感谐振器结构图2 无芯片RFID传感器结构Fig.2 Chipless RFID sensor structure

表1 编码谐振器结构参数Tab.1 Parameters of the encode structure

表2 传感谐振器结构参数

2 编码方案与传感原理

编码谐振器对应的谐振频率

(1)

式中：c为自由空间光速；εr为基板相对介电常数；lx为谐振结构总长度. 设计采用频移编码方式以提高编码容量，每一个谐振单元在一定频带范围内可编码多位，具体步骤为：

① 每个编码谐振单元占据一定带宽f作为编码窗口，为避免相邻窗口间彼此干扰，分配一段带宽作为隔离带；

② 对于每个编码谐振单元，通过改变长度lx，在对应窗口内频移，可编码数量为N，则相应频带内编码容量为

C′=log2N.

(2)

③ 对应n组谐振单元，可得编码容量为

C=nC′=nlog2N.

(3)

设计中4个编码谐振器工作频段为2 GHz ～ 3.25 GHz，每个谐振器分配编码窗口约200 MHz，为避免相邻编码ID串扰，设置100 MHz 的隔离带，然后每个编码谐振器改变参数lx，在对应窗口内频移，并设置相应编码数量N=4，由式(2)和式(3)得该编码谐振器编码容量为8 bits.

对于传感谐振器有

εreff=εreff0(lsens)+εsr(sens),

(4)

(5)

式中：εreff0是传感结构本身相对介电常数；εsr是附着在传感谐振器表面的敏感材料的相对介电常数；εreff是受敏感材料影响后的总等效介电常数. 由式(4) 和式(5)易知，在谐振器结构固定后，谐振频率变化将仅由敏感材料决定，即当εsr变化时，对应谐振频率fsr发生频移.

因此，只要将敏感材料附着在传感谐振器缝隙处，根据上述传感原理，当受环境物理参数影响而敏感材料相对介电常数发生变化时，传感谐振器的谐振频率将发生频移，通过频移和εsr的关系可以获得敏感材料的介电常数. 值得一提的是，通过该传感器实现对所覆敏感材料的介电常数后，可进一步通过定标实现影响介电常数的相应物理参数的传感.

3 传感器性能仿真分析

图3 给出了利用CST 微波仿真软件设计的标签测试模型. 平面波垂直入射激励传感器标签，其中，雷达散射探针(RCS Probe)设置在标签前150 mm 处. 图4 为标签结构在同一平面波激励下两种极化响应的RCS，图中可见主极化测量结果幅度较高，这是由于受到标签结构散射的影响，且在谐振频率处为微弱谐振波谷，比较难于检测. 交叉极化测量结果表现为谐振波峰，虽然幅度较低但幅度相对变化较大，容易检测，从而使测量可靠性得到提高.

图3 CST仿真测试模型Fig.3 CST simulation environment

图4 不同极化测量下的RCSFig.3 RCS at different polarization measurement

3.1 编码仿真分析

图5 给出交叉极化仿真测量下4组编码谐振器对应的谐振频率，分别为2.38 GHz, 2.66 GHz, 2.886 GHz, 3.16 GHz； 与单个编码单元相比，每组编码谐振器的RCS幅值提升了约10 dB. 由于每组中4个编码单元间存在彼此耦合现象，对应谐振频率有微弱偏移，但并不影响实际检测. 相同道理，金属贴片上也设计了4个阶梯型缝隙，从而获得较高的传感谐振器RCS.

图5 编码谐振器对应RCSFig.5 RCS corresponding to coded resonator

为验证频移编码的有效性，图6 给出仿真测量下编码组合ID4在不同水平长度lx下的谐振频率，当编码数量N=4时，在3 GHz ～ 3.2 GHz范围内的对应频移非常稳定，即该谐振单元有4个谐振频率点，对应编码容量为2 bits，其他编码组合具有类似的频移编码特性，因此，4组编码谐振单元相应编码总量为8 bits，编码组合可对应44=256种不同编码状态，对应二进制00000000至11111111.

图6 频移编码Fig.6 Frequency shift coding

3.2 传感特性仿真分析

衡量传感器性能的主要参数有鉴别度、 灵敏度和线性度. 其中鉴别度与标签结构品质因数Q值有关，Q值可利用式(6)计算

(6)

式中：fr谐振器谐振频率；BW3 dB是谐振频率处3 dB 带宽.Q值越高谐振峰就越明显，鉴别度就越高. 将基板材料相对介电常数设置为4，通过改变正切损耗值tanδ分析了对应的Q值.

图7 不同损耗下RCSFig.7 RCS at different losses

图7 是tanδ分别为0.002，0.008，0.014，0.02时RCS响应，利用式(6)计算Q值得117，72，52，41，由图7 可知，Q值越大，对应谐振峰越尖锐，在一定频带范围内分辨率越高，相应敏感度也就越好. 实际测试环境中，标签制作工艺、 基板材料，以及各种不可控因素都会对损耗值造成很大影响，本设计折中考虑以上条件，采用低成本介质基板FR-4，其Q值接近于41，谐振峰比较尖锐，鉴别度能够满足检测要求.

图8 不同εsr下RCSFig.8 RCS under different εsr

灵敏度和线性度分析时采用了一系列仿真数据作为传感函数关系的依据，图8 给出了敏感材料相对介电常数εsr=2～10时18个RCS频率响应曲线. 图9 给出相对介电常数εsr与谐振频率fsr的关系数据与拟合曲线，图9 中可见随着相对介电常数εsr增大，该设计的谐振频率fsr几乎呈线性减小，传感器敏感度为6 MHz/(Δεsr=1)，具有较高的灵敏度和较好的线性度.

图9 传感谐振器拟合曲线Fig.9 Linear fitting curve

3.3 检测性能仿真分析

当利用矢量网络分析仪和超宽带喇叭天线组成的阅读平台对该传感器进行实际测试时，环境中不可控因素太多，所以设计该标签结构时，检测的可靠性与稳定性需着重考虑. 其中可靠性主要是由利用交叉极化测量与极化变换特性将杂波有效滤除的特性来保证，不再赘述. 而稳定性主要是利用抗金属标签设计原理，添加金属接地板作为反射板，在标签附着于任意背景时，测量结果保持相对稳定.

图10 为仿真测量时去掉接地板后标签结构附着于不同基板时的RCS，可以发现响应曲线发生很大的频率偏移，各谐振频率处谐振峰不明显. 可见实测时由于周围环境的多样性，相应RCS响应将不稳定. 图11 为仿真测量时具有接地板设计的RCS，可以发现，虽然附着介质基板发生改变时，谐振频率有一定频移，相应谐振峰尖锐程度也有一定差异，但整个谐振峰相对稳定且鉴别度较高，因此可很好地运用于实测环境.

图10 一般标签结构的RCS仿真结果Fig.10 RCS simulation of general tag

图11 改进标签结构的RCS仿真结果Fig.11 RCS simulation of improved tag

4 结 论

本文设计的无芯片RFID介电常数传感器具有结构紧凑可印刷的低成本特点. 其中，编码谐振器利用频移编码，相应编码容量为8 bits，传感谐振器的灵敏度为6 MHz/(Δεsr=1)，且具有较高鉴别度和线性度的特点. 整个标签结构采用极化变换特性和金属接地板设计，并利用交叉极化测量，抗环境杂波和干扰能力显著增强，而且对应谐振波峰在多种环境下相对稳定，为设计可靠的介电常数传感器提供了设计理论支撑.