基于9形微带谐振器的无芯片RFID标签设计*

张崇琪， 陈 强， 孙海静， 陈孟儒

(上海工程技术大学 电子电气工程学院,上海 201620)

0 引 言

射频识别(radio frequency identification,RFID)起源于第二次世界大战期间第一台用于识别敌友(identifying friends and foes,IFF)飞机的雷达[1]。近年来RFID已经越来越成熟，也因其在众多物联网(Internet of things,IoT)工程应用中的支持能力而越来越受到研究和开发的关注，物联网建设也因此得到了进一步的发展。

传统的有芯片标签包含硅芯片和天线，因而价格昂贵，使其难与低成本的条形码技术竞争[2]，所以目前芯片式RFID标签尚未在IoT工程应用中得到广泛使用，尤其是在廉价商品识别标签领域，例如邮票、安全纸张等低成本商品的防伪识别应用中。但是，物联网的快速发展正在推动低成本的无芯片RFID标签的进一步研究。

无芯片RFID标签内部不嵌入任何硅芯片，使用其电磁签名(electromagnetic signature, EMS)来提取唯一编码(identity，ID)。根据数据编码方式，无芯片RFID标签可以分为三种，基于时域[3～5]、频域[6～8]和相位的无芯片标签。最早的时域无芯片设计之一是基于在ISM频段工作的表面声波(surface acoustic wave,SAW)技术，主要是2.4 GHz[9]。文献[10]提出了一种大容量的SAW标签，但是需要使用价格昂贵的压电基片，成本与传统芯片式RFID标签相差不大，成本依旧偏高。基于频域的无芯片标签更易于小型化，有更高的数据密度，在物联网技术的实施中发挥着重要作用[11]，文献[12]实现了在常规尺寸内得到9 bit数据的无芯片标签，但是基于频域的无芯片标签需要添加一定数量的谐振器来扩大容量，标签的尺寸会随之扩大，而且还需要专用的宽带阅读器。由于目前相位分辨率受限，基于相位编码的无芯片RFID标签目前还是不能达到大容量编码的要求[13]；文献[14]提出一种在3 GHz带宽内实现8 bit编码容量的标签，但是标签包含天线，需要从用于编码标签信息的终端反应网络打印(printable)和解嵌(de-embeddable)。文献[15]采用了幅度和频率混合编码的方法提升编码容量，但是微带线上添加的电阻需要打孔接到反面接地层，制作工艺复杂，无法完全印刷。由于微带谐振器可以构成微带带阻滤波器[16]，所以分别改变这些9形微带谐振器的整体长度就可以得到不同的谐振频率，改变相同长度的9形微带谐振器与主微带传输线之间的耦合间隙大小就可实现相同谐振频率下的幅值变化。

基于此，本文提出一种基于9形微带谐振器的RFID无芯片标签。

1 基本工作原理

1.1 无芯片标签工作原理

如图1所示，射频系统由读写器和基于9形谐振器的无芯片标签组成。标签由两个正交收发超宽带(ultra wideband,UWB)天线、50 Ω特征阻抗主微带传输线和多个9形微带谐振器组成，单个谐振器带宽和可用频谱带宽会影响添加的谐振器个数。

图1 无芯片RFID标签工作原理

读写器通过发射电路产生超宽带问询信号，经发射天线发送给标签，标签上的9形微带谐振器会损耗特定频率的信号，产生陷波，改变频谱结构，频带谱上的陷波标记编码状态“1”，没有陷波则标记为编码状态“0”，然后经天线将改变后的信号发射回读写器，读写器对信号进行处理，解码编码信息。

1.2 无芯片标签结构

基于9形微带谐振器的无芯片标签结构如图2所示。50 Ω特征阻抗微带传输线连接收发天线，其宽度为Wm，谐振器宽度均为W，谐振器与微带传输线之间的间隙为S1，谐振器与微带传输线平行的长度为d1，垂直于微带传输线的长度是Li，谐振器末梢长度为d2，其与谐振器底边间隙为S2，两谐振器之间的间隙为S3。

设置谐振器和微带主传输线之间的距离相同，改变微带谐振器的其他参数可以产生不同的阻带谐振。实验改变9形微带谐振器垂直微带主传输线方向的长度Li来获取不同的谐振频率，以此来进行编码设计。

图2 基于9形微带谐振器的无芯片标签结构

2 基于 9形微带谐振器的无芯片RFID标签设计

2.1 无芯片标签仿真测试与分析

基于9形微带谐振器的无芯片RFID标签选用Rogers RO4003为基板材料进行设计，其相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.002 7，厚度为0.813。在三维高频结构仿真器(HFSS)中进行建模仿真。1 bit无芯片标签结构参数如下：Wm=1.9 mm，W=0.6 mm，L1=8.96 mm，d1=3.5 mm，d2=2.1 mm，S1=0.15 mm，S2=2.6 mm。

当入射波在微带传输线上传输时，9形微带谐振器会耦合到一部分能量，从而会有明显的电场分布，如图3(a)所示。标签的谐振曲线随频率变化的关系曲线如图3(b)所示，可以看出9形微带谐振器具有良好的带阻滤波特性和较好的插入损耗S21。根据式(1)可以计算出品质因数Q

(1)

其中，谐振基波频率f为4.08 GHz，带宽BW为0.069 GHz。求得该谐振器的品质因数Q为59.13，表明该谐振器有较高的频谱利用率，能够实现较高的编码容量和谐振点的准确提取。

图3 基于单个9形微带谐振器的无芯片标签的电场分布与谐振曲线

为增大编码容量，提高频谱利用率，本文采用了基于幅值与频率位置的混合编码方法，即保持芯片上的9形谐振器的各项参数不变，只改变谐振器与微带传输线之间的耦合间隔S1的值，对应频谱上谐振点的幅值会发生改变，如图4(a)所示。

当耦合间隔分别为0.15，0.25，0.35 mm时，对应的谐振幅值为18.86，14.71，10.9 dB，对应的谐振点分别为 4.08，4.10，4.12 GHz，幅值相差4.15，3.81 dB，谐振点之间频率的变化不超过20 MHz，处于保护频段内，可以认为在同一位置发生谐振，谐振频率无变化。

根据图3(b)的谐振曲线可以得出单个9形微带谐振器的阻抗带宽约为29 MHz，上下保护频带带宽约为130 MHz，所以每个谐振点所占频率约为159 MHz。若无其他干扰，在4～5.6 GHz频段上可以得到10个谐振点，每个谐振点有幅值有三种，所以在此频带上可以得到30 bit的编码容量。

基于单个9形谐振器的无芯片标签的仿真测试结果，使用HFSS软件设计了由5个9形微带谐振器组成的3种典型编码无芯片标签，相邻两振器之间的间距均为1 mm。3组标签编码分别为ID11111，ID11010，ID10100。其中，编码为ID11111的标签作为参考标签，仿真结果如图4(b)所示。

图4 不同S1值的无芯片标签谐振曲线与5 bit无芯片标签的3种典型编码谐振曲线

在图4(b)中，编码为ID11010，ID10100的标签对应的谐振点频率基本与参考标签相吻合，能够清晰地对比出他们的编码状态。另外，电磁耦合是移除谐振器时影响标签识别的一个重要因素，谐振器之间的耦合会进一步导致未删除比特位之间的谐振恶化，所以，相邻谐振频率会有一个较小的偏移。

2.2 超宽带天线设计

无芯片RFID标签系统提出的RFID标签放置在两个正交极化天线之间，天线采取交叉极化装置可以减少信号干扰。实验设计一种超宽带天线，如图5(a)所示。天线同样选用Rogers RO4003作为基板材料，在三维高频结构仿真器(HFSS)中进行建模仿真，天线的结构参数如下：LT=34 mm，Lt1=15 mm，Lt2=8 mm，Lt3=18 mm，Lt4=15.8 mm，WT=19 mm，Wt1=15 mm，Wt2=6 mm，dt1=1 mm，dt2=1.9 mm。

天线馈电端口的反射损耗(return loss) 是反映天线性能的重要指标，在仿真中，常取反射损耗小于-10 dB作为参考基准。图5(b)为超宽带天线的反射损耗的变化曲线，可以得出天线反射损耗为-10 dB时的工作带宽为2.9～7.5 GHz，由式(2)可以得出分数带宽为88.46 %，这意味着天线可以保证整个系统的正常工作

(2)

图5 超宽带天线结构示意与反射损耗曲线

3 实验测试

通过在Rogers RO4003高频介质基板上印刷多个长度不等的铜质9形谐振贴片制作了5 bit无芯片电子标签，如图6(a)所示。因为传统读写器的工作频带较窄，不能直接工作于无芯片标签系统，所以，实验采用可输出超宽带多频访问信号的安捷伦矢量网络分析仪E5063A作为无芯片射频识别系统的读写器，对基于9形微带谐振器的无芯片电子标签进行信息编码功能测试。测试结果如图6(b)所示，5 bit无芯片标签实验测试的谐振点位置有小幅波动，考虑到在谐振点周围加上保护频带，可以认为每个谐振点均能够被准确识别，不出现误码现象。

图6 5 bit基于9形微带谐振器的无芯片标签的实物图与实验测试谐振曲线

4 讨 论

对于无芯片标签来说，增加编码容量最直接的方法就是增加谐振器的数目，但是需要考虑到尺寸问题。本文将9形微带谐振器的数目增加至10个，沿主微带传输线对称分布，这样可以减小标签面积，也可以减小相邻频率之间的干扰。制板后进行实验测试，实物图与测试结果如图7所示，最低谐振频率为3.98 GHz，最高谐振频率5.60 GHz，从谐振曲线中可以清晰看出每一个9形微带谐振器对应的谐振频率位置。

图7 10 bit基于9形微带谐振器的无芯片标签的实物图与实验测试谐振曲线

通过表1对比现有的无芯片标签，本研究提出的基于9形微带谐振器的无芯片标签，编码容量高，编码强度差异明显、易于区分，标签整体结构简单，易于实现，可以实现完全印刷。

表1 不同类型标签性能对比

5 结束语

本文提出了一种基于9形微带谐振器的无芯片RFID标签，在微带传输线两侧对称分布的不同长度9形谐振器与微带主传输耦合，改变频谱结构，实现频率位置编码，然后通过幅频混合编码增大了编码容量，提高了频带谱的利用率。同时设计了适配超宽带天线，具有良好的反射损耗，能够满足系统工作需要。这种标签面积小，编码容量大，可以有效降低商品识别等物联网工程应用成本，促进物联网的发展。