摘 要：目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)，在復(fù)平面可以表示為復(fù)頻域的函數(shù)。根據(jù)奇點(diǎn)(SEM)展開(留數(shù))方法，計(jì)算對(duì)目標(biāo)物體的散射奇點(diǎn)(留數(shù))，進(jìn)行射頻識(shí)別(RFID)，是射頻識(shí)別的新思路。通過FEKO軟件，對(duì)蝶形無芯標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真得出該結(jié)構(gòu)散射場(chǎng)。仿真的結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)具有開槽數(shù)量多、極點(diǎn)分布規(guī)律、數(shù)據(jù)容量大、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

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關(guān)鍵詞：雷達(dá)散射截面(RCS); 奇點(diǎn)展開法(SEM); 散射場(chǎng); FEKO

中圖分類號(hào)：

TN957.51-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)05

-0071

-03

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Research on chipless radio frequency tag scattering field analysis and singularity extraction

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XIE Chao-chen， ZOU Chuan-yun

(Southwest University of Science and Technology University， Mianyang 621000， China)

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Abstract：

Target radar cross section (RCS) can be expressed as a function of complex frequency domain in complex (s) plane. According to the singularity expansion method (SEM)， the object calculation for target scattering singular point or residue， radio frequency identification (RFID) is a new idea of radio frequency identification. Through the FEKO software， chipless tags butterfly structure is simulated to obtain the scattering field. The simulation results show that the structure has many advantages， such as more slot number， poles distribution， large data capacity， easy implementation， etc.

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Keywords： radar cross section; singularity expansion method; scatter field; FEKO

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收稿日期：2011-11-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目： “關(guān)于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)自然諧振無芯射頻標(biāo)簽設(shè)計(jì)”(61075030)

0 引 言

射頻識(shí)別［1］是一種全自動(dòng)，非接觸識(shí)別方式。射頻識(shí)別的系統(tǒng)就是閱讀器和標(biāo)簽天線之間的通信。在目前射頻識(shí)別系統(tǒng)中標(biāo)簽都是有芯的，但這類標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積、尺寸較大，價(jià)格較貴，所以限制了它的廣泛應(yīng)用。雷達(dá)技術(shù)的廣泛深入地應(yīng)用，激發(fā)了人們利用雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行射頻識(shí)別的新思路。研究者又提出了無源無芯［2-3］結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線思想。Baum提出了奇點(diǎn)展開法［4］的思想也促進(jìn)了人們研究無芯標(biāo)簽的熱情。奇點(diǎn)展開法對(duì)標(biāo)簽的散射場(chǎng)［5］(雷達(dá)截面積)進(jìn)行分析以提取目標(biāo)的自然諧振頻率。物體的本征頻率的固有特性，即目標(biāo)的奇點(diǎn)只與目標(biāo)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與目標(biāo)的位置、形態(tài)無關(guān)。每個(gè)物體的結(jié)構(gòu)在平面波激勵(lì)下都有自己的獨(dú)特的散射場(chǎng)，通過分析物體的散射場(chǎng)，提取目標(biāo)的固有頻率并利用其進(jìn)行存儲(chǔ)和恢復(fù)數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。因而標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)對(duì)于識(shí)別至關(guān)重要。為了尋求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的標(biāo)簽，Majid Manteghi and Yahya Rahmat-Samii等研究者研究了橢圓偶極子開槽方式［6］。但這種方式，開槽數(shù)量有限。能夠容納的數(shù)據(jù)容量少，不能滿足當(dāng)前的需要。

本文也就是處于這點(diǎn)考慮并在前人研究的基礎(chǔ)上，研究了能夠具有較多開槽結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，即蝶形結(jié)構(gòu)。采用兩個(gè)對(duì)稱正三角形方式，能夠開槽達(dá)到8個(gè)，容納更多的數(shù)據(jù)容量。本文利用FEKO軟件詳細(xì)地分析這種蝶形標(biāo)簽結(jié)構(gòu)在不開槽、開槽數(shù)量從一個(gè)到八個(gè)不同方向散射雷達(dá)截面。同時(shí)利用矩量法，提取了它的極點(diǎn)。這個(gè)研究的重要性在于改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，徹底降低標(biāo)簽價(jià)格，推動(dòng)射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

1 理論基礎(chǔ)

在這一部分，主要介紹關(guān)于散射［7］所涉及的理論知識(shí)，不作理論的探討和推導(dǎo)，可參閱文獻(xiàn)［8］。

1.1 雷達(dá)散射截面

三維度單位體積內(nèi)入射波段所攜帶的功率在全向輻射時(shí)，入射場(chǎng)強(qiáng)度為方向(θ，φ)的函數(shù)如圖1所示，在定向方向上產(chǎn)生相同的散射功率密度［7］可以表示為：

由式(3)和式(4)可以得到式(1)。

1.2 物體表面散射場(chǎng)積分方程

對(duì)于在自由空間里面積為S的任意形狀的完純導(dǎo)體，如圖1所示。

當(dāng)此導(dǎo)體受到已知強(qiáng)迫電流和磁荷(J，M)電場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，那么所有場(chǎng)將是具有ejωt時(shí)諧函數(shù)。在激勵(lì)場(chǎng)(Einc，Hinc)已知，對(duì)完純導(dǎo)體面積為S，設(shè)其表面電流為J，散射場(chǎng)為(EJ，HJ)，這時(shí)整個(gè)區(qū)域的場(chǎng)為(E，H)。



E=Einc+EJ

H=Hinc+HJ

(5)



根據(jù)電磁學(xué)麥克斯韋方程:



×E=－jωμ0H

(6)

×H=jωε0E

(7)



由此得出散射體的電場(chǎng)積分方程分別是:



E(r)=2Einc(r，ω)－12π∫υ{jωμJΦ+M×′Φ－ρε}dυ′－

12π∫s(jωμJsΦ+Ms×′Φ－ρε′Φ)ds，r∈s

(8)



式中:Φ=exp(－jk|r－r′|/|r－r′|)為遠(yuǎn)場(chǎng)格林函數(shù)，k=με=2π/λ為波數(shù)。上標(biāo)帶撇號(hào)和不帶撇號(hào)的分別表示源的坐標(biāo)和場(chǎng)的坐標(biāo)。Einc(r，ω)為激勵(lì)場(chǎng)的傅里葉變換，分別表示投射波的電場(chǎng)強(qiáng)度；J，M，ρ分別是等效源。如果只關(guān)心遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，則上式可以簡(jiǎn)化為:



E(r，t)=14πrc∫［－ητJs(r′，τ)+εt］ρs(r′，τ)ds′，

r′∈s

(9)



上式子中應(yīng)用了|r||r′|，故r－r′→r，′=r/|r|。

η=μ/ε，τ=t－R/c，R=|r－r′|。



2 試驗(yàn)仿真和數(shù)據(jù)分析

下面給出具有對(duì)稱性的邊長(zhǎng)為30 mm的兩個(gè)對(duì)稱正三角形構(gòu)成的具有蝶形金屬天線標(biāo)簽如圖2(a)的雷達(dá)散射截面的仿真結(jié)果。完純導(dǎo)體標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面是頻域的函數(shù)。當(dāng)標(biāo)簽不開槽時(shí)，在激勵(lì)源超寬帶(UWB)脈沖的照射下，雷達(dá)散射是平滑的頻域函數(shù)如圖2(b)所示。當(dāng)在金屬標(biāo)簽上開槽時(shí)，那么標(biāo)簽的散射截面會(huì)出現(xiàn)凹點(diǎn)(極值點(diǎn))。凹點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率，就是極值頻率。這個(gè)極點(diǎn)的位置不但與標(biāo)簽的尺寸有關(guān)，而且與開槽的尺寸，位置，形狀有關(guān)。利用FEKO仿真軟件可以分析出開槽的位置，以及開槽的大小。通過分析得出通常開槽的大小一般取頻率波長(zhǎng)的1/4，或1/8可以獲得較為理想的散射截面。本文給出了開槽數(shù)為零，即不開槽以及開槽數(shù)為8的散射截面。激勵(lì)頻率為2~10 GHz，開槽寬度為0.75 mm，開槽間距為1.732 mm方向?yàn)?°，30°，60°情況下的散射結(jié)果。表1給出了開槽數(shù)是8的具體參數(shù)。

圖3(a)為槽數(shù)為8個(gè)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。圖3(b)是激勵(lì)平面波頻率為2~10 GHz， 0°極化，激勵(lì)角度是0°，30°，60°情況下的散射場(chǎng)。圖3(c)給出了90°極化的RCS和E場(chǎng)。



通過對(duì)表1中數(shù)據(jù)開槽大小、長(zhǎng)度、槽的位置變化對(duì)極點(diǎn)的影響的仿真分析得出，當(dāng)開槽較小，距離中心點(diǎn)位置較近時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)較高的約9 GHz頻率極點(diǎn)。隨著開槽長(zhǎng)度的增加，極點(diǎn)頻率越低并逐漸左移，開槽數(shù)量達(dá)到8個(gè)時(shí)，槽長(zhǎng)最長(zhǎng)，頻率極點(diǎn)在5 GHz。本文是采用激勵(lì)源UWB超寬帶脈沖分別對(duì)極化方向?yàn)?°，90°兩種極化方式做了仿真，從圖3(c)，(b)中顯示極化方向?qū)O點(diǎn)的影響不明顯，但在0°極化時(shí)，RCS幅度會(huì)發(fā)生約6 dB波動(dòng)，而采用90°極化時(shí)，激勵(lì)的入射方向?qū)CS幾乎沒有影響。結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)散射場(chǎng)極點(diǎn)穩(wěn)定的特性。

3 極點(diǎn)提取分析

由于每個(gè)目標(biāo)的極點(diǎn)跟它的結(jié)構(gòu)相關(guān)，而與它的位置、姿態(tài)無關(guān)，為提高了標(biāo)簽設(shè)計(jì)效率，這里采用標(biāo)簽設(shè)計(jì)散射場(chǎng)仿真與極點(diǎn)提取相結(jié)合的方式來完成。根據(jù)極點(diǎn)最終確定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)就對(duì)應(yīng)著不同的物體，這就是完成了目標(biāo)識(shí)別。本文是使用矩陣束法來提取目標(biāo)的極點(diǎn)，其過程如圖4所示。

4 結(jié) 論

利用FEKO軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)標(biāo)簽散射場(chǎng)進(jìn)行仿真，結(jié)果可知，對(duì)稱正三角形的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，開槽數(shù)量較多，數(shù)據(jù)容量大，且開槽位置容易，開槽離中心點(diǎn)的距離決定極點(diǎn)位置，開槽離中心越近，開槽越短，極點(diǎn)會(huì)遠(yuǎn)離起點(diǎn)頻率，越長(zhǎng)則會(huì)靠近4.5 GHz的頻率點(diǎn)?？傊?，了解開槽位置與極點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及開槽位置大小對(duì)極點(diǎn)的影響，從而利用矩陣束法［9］提取極點(diǎn)并用來存儲(chǔ)和恢復(fù)數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］SYED AHSON MOHAMMAD ILYAS. RFID handbook applications technology security and privacy \\[M\\]. New York：CRC Press， 2008.

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［2］SOMNATBH Mukherjee. Chipless radio frequency identification by remote measurement of complex impedance \\[C\\]// Proceedings of the 10th European Conference on Wireless Technology. Munich Germany: \\[s.n.\\]， 2007: 249-252.

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(下轉(zhuǎn)第79頁)