胥 磊
(四川大學電子信息學院,成都 610064)
射頻識別(RFID)是一種利用電磁波來提取遠程標簽上的編碼數(shù)據(jù)的自動識別技術(shù)[1]。射頻識別標簽相對于目前主流的光學條形碼而言,在閱讀距離、非視距讀寫和自動識別與跟蹤方面具有一定優(yōu)勢,因而有潛力作為條形碼的替代品[2]。然而,包含硅芯片和天線的傳統(tǒng)射頻標簽成本較高,使其難于與低成本的條形碼技術(shù)競爭。因此,研究方向轉(zhuǎn)向了另外一個有前景的替代品即無芯射頻標簽上面。這種射頻標簽不需要芯片和通信協(xié)議,能夠像條形碼那樣使用。射頻條形碼的概念首先由Jalay等人提出[3],后來在全球范圍內(nèi)得到推廣。一個無芯標簽?zāi)軌蛲瑫r具有發(fā)射天線,接收天線和濾波器的功能。然而,這種無芯標簽不利于編碼高容量的數(shù)據(jù)。增加數(shù)據(jù)位數(shù),增強魯棒性,減小尺寸和成本是目前無芯標簽設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)。目前研究的各種無芯射頻標簽可根據(jù)其編碼方法來分類。一些標簽在時域編碼[3-4],另外一些則在頻域編碼[5-6]?;陬l域的標簽具有更高的數(shù)據(jù)密度,比基于時域的標簽更容易實現(xiàn)小型化。
無芯標簽的混合編碼技術(shù)在文獻[7]中提出,其數(shù)據(jù)容量達到了23位,但在其所要求的頻率分辨率下難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼。文獻[8]提出了一個16位的完全可印制的縫隙加載的雙極化無芯標簽,借助于一對雙極化天線其編碼效率得到了改善。Baum C提出極點展開法(SEM)[9],散射體的后時響應(yīng)在頻域內(nèi)用一系列的極點和留數(shù)來表示,極點只與散射體的形狀有關(guān)。一種3位的開槽橢圓偶極子標簽在文獻[10]中提出,基于極點的編碼方法被首次運用在射頻標簽上面,但其編碼效率較低。
本文提出了一種基于目標的復自然諧振的無芯射頻識別標簽。它包括兩個對稱的梯形金屬貼片,其上加載的12對縫隙諧振腔對應(yīng)于12位數(shù)據(jù)。加載在貼片上的縫隙諧振腔具有漸變的長度,可獲得高的數(shù)據(jù)容量。這個緊湊的標簽具有35 mm×33 mm的尺寸,工作在UWB頻段。
本文后面內(nèi)容包括:第1部分給出標簽設(shè)計的原理;第2部分給出標簽的設(shè)計過程和仿真;第3部分給出測試結(jié)果和仿真的對比;第4部分是結(jié)論。
一個加載若干個縫隙諧振腔的金屬貼片會在特定頻率點產(chǎn)生有明顯波峰和波谷的雷達散射截面積(RCS),利用這些波谷和波峰能夠?qū)崿F(xiàn)一定的頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼。
本文提出的標簽所加載的縫隙諧振器是長度為L,間隙為g的一個平面的微帶結(jié)構(gòu),如圖1(a)所示。諧振器的一端短路,另一端開路。采用垂直極化的電磁波垂直的照射縫隙諧振器,當諧振器的長度L等于電磁波的四分之一波長時,就激發(fā)出一個四分之一波長的駐波模式,此時在開路端有最小的表面電流,而在短路端有最大的表面電流。相應(yīng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別如圖1(b)和1(c)所示。另外,縫隙諧振器兩臂之間的電容效應(yīng)會增加諧振器的品質(zhì)因素。而當入射的電磁波是水平極化波時,諧振器不會激勵出窄帶的響應(yīng)。另外,相對于諧振而言,由于場在空間的相互抵消會產(chǎn)生的一個反諧振,這個反諧振與激勵波的極化和入射方向有關(guān)[11]。諧振器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特性決定了在其頻譜上有一個諧振的波峰和反諧振的波谷,利用這個波峰和波谷可以對數(shù)據(jù)進行編碼。
圖1
縫隙諧振器的諧振頻率可以根據(jù)式(1)進行估算[12],
這里,c是光速,ε是介質(zhì)的相對磁導率。另外,諧振器的間隙g對于諧振頻率也有影響。綜合考慮這兩個因素,縫隙諧振器的諧振頻率與L+g/2有關(guān),品質(zhì)因素則正比于L/g。因而,諧振頻率和品質(zhì)因素的調(diào)節(jié)能夠很容易地通過調(diào)節(jié)縫隙長度L和縫隙間距g來實現(xiàn)。一個金屬貼片上可以加載一個或多個縫隙諧振器,當對這些諧振器中一個或多個進行短路時,相應(yīng)的諧振頻率就會消失,可以根據(jù)頻譜上波峰或者波谷的存在或消失來進行編碼。
當一個散射體受到電磁波照射時,其散射場所產(chǎn)生的后時響應(yīng)包含一系列衰減的復指數(shù)信號之和。根據(jù)極點展開法,目標瞬態(tài)電磁散射響應(yīng)的數(shù)學表式如式(2)所示:
再求解矩陣的廣義特征值,最后從這些廣義特征值中可以提取出所求信號的極點信息:
圖2給出了本文所提出的RFID標簽的基本原理。當無芯RFID標簽受到來自于發(fā)射天線的垂直極化波的照射時,基于復自然諧振的標簽所獨有的頻率簽名或極點就被激發(fā),接收天線則會接收到隱含編碼信息的后向散射信號。RFID閱讀器和測量設(shè)備記錄并提取這個獨有的頻率簽名或極點,無芯的RFID標簽因而被識別,可以根據(jù)極點的存在和消失來對數(shù)據(jù)編碼。
圖2 RIFD標簽的工作原理
本文所設(shè)計的梯形無芯RFID標簽I和標簽II的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。
圖3 梯形無芯標簽
梯形金屬貼片的下底寬為Wb,上底寬為Wt,高為H,貼片將作為縫隙諧振腔的載體。共有6對四分之一波長的尺寸為Li(i=1,2,3,4,5,6)的開路縫隙諧振器加載在梯形金屬貼片上。這6對具有不同尺寸的縫隙諧振器在頻譜上產(chǎn)生的6個波峰和6個波谷分別對應(yīng)于6個諧振頻率,6對四分之一波長諧振器尺寸從最長到最短對應(yīng)的頻率由低到高分別為 4.1 GHz,4.8 GHz,5.8 GHz,6.5 GHz,8.3 GHz和10.5 GHz。為方便加工,各個諧振器的縫隙寬度g都為0.5 mm。仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 諧振器的仿真圖
標簽的編碼方法非常簡單:每一個諧振頻率在頻譜上都有一個波峰和波谷,其中波谷被用于編碼1位數(shù)據(jù),這1位數(shù)據(jù)同時也對應(yīng)于1個極點的有或無。ID為“111 111”的標簽在幅頻響應(yīng)上的6個波谷對應(yīng)于6個1,而ID為“111 101”的標簽在幅頻響應(yīng)上的5個波谷對應(yīng)于5個1,波谷消失的地方對應(yīng)于0。ID為“111 111”的標簽在相頻響應(yīng)上可以看到有6個相位跳變,而ID為“111 101”的標簽在0出現(xiàn)時沒有相位跳變。相頻響應(yīng)和幅頻響應(yīng)可以相互驗證和對照。
雖然通過加載更多的縫隙諧振器可以獲得更高的數(shù)據(jù)率,但當這些諧振器靠得太近的時候會產(chǎn)生較大的互耦。因而,為了使數(shù)據(jù)率加倍而又不增加鄰近的諧振器間的互耦,于是在介質(zhì)基片上對稱的放置兩個相同的金屬貼片。在右邊金屬片上加載的6對諧振器保持不變,其尺寸為Li(i=1,2,3,4,5,6),而左邊金屬片上加載的6對諧振器整體向梯形貼片的上底方向移動1 mm,諧振器的尺寸為Li(i=7,8,9,10,11,12)。圖5給出了所設(shè)計的偶極子無芯RFID標簽III和標簽IV的結(jié)構(gòu)。這12對具有不同長度的諧振器會產(chǎn)生12個四分之一波長的諧振,尺寸從最長到最短對應(yīng)于12個由低到高的頻率,如圖5所示。
圖5 耦極小無芯RFID標簽結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
為了配置標簽,可根據(jù)編碼的數(shù)據(jù)確定每一個諧振器的短路與否,給定頻帶的存在和消失分別表示數(shù)據(jù)1和0。當所有的諧振器都未被填滿時,12位標簽就表示為ID1:111 111 111 111,如圖6(a)所示。當其中一些諧振器被短路時,對應(yīng)的頻率就會消失。例如,當左邊最長的尺寸為L1諧振器和右邊最短的尺寸為L12的諧振器被短路時,標簽就表示為ID2:011 111 111 110,如圖5(b)所示。設(shè)計中沒有用到地板,標簽結(jié)構(gòu)的整體尺寸為35 mm×33 mm。
圖6 標簽配置
為了測量和比較,加工了4個具有不同ID的標簽。加工的標簽如圖7所示,其尺寸在表1中列出。標簽采用的介質(zhì)材料為低成本的FR-4,其介電常數(shù)為4.4,損耗正切為0.023,厚度為0.5 mm,加工采用蝕銅工藝。
圖7 標簽實物圖
表1 標簽加工尺寸 單位:mm
測量可在微波暗室內(nèi)或者有桌椅、墻壁和各種無線設(shè)備的辦公環(huán)境下進行,采用一個雙站的雷達系統(tǒng)來探測無芯標簽中的編碼數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)包括一個矢網(wǎng)儀AV3629D,在整個測量頻帶內(nèi)其輸出功率為0 dBm,與其相連的是兩個相同的UWB喇叭天線,在3.1 GHz到10.6 GHz的頻帶內(nèi)具有的最小增益為-10 dB。兩個天線間距為10 cm,待測標簽與天線間距為15 cm,測試系統(tǒng)如圖8所示。發(fā)射天線激勵標簽中的諧振器,而接收天線接收標簽反射的電磁簽名。
圖9給出了測量所得的傳輸系數(shù)S21與頻率的關(guān)系以及極點分布。由于加工和測量誤差,測量得到的諧振頻率和仿真得到的諧振頻率有一定程度的偏移,頻率偏移在±200 MHz的范圍內(nèi),因此,二進制的ID仍然能夠從四個標簽中正確的提取出來。這和仿真結(jié)果是一致的,進一步驗證了本文所提出的無芯RFID標簽設(shè)計方案的可行性。
圖8 采用雙站天線結(jié)構(gòu)的測試系統(tǒng)
圖9 傳輸系數(shù)與頻率關(guān)系及極點分布
本文給出了一個在金屬貼片上賦值和提取多位數(shù)據(jù)的系統(tǒng)方法。在一個平面的梯形領(lǐng)結(jié)型無芯RFID標簽的超寬帶結(jié)構(gòu)上加載縫隙諧振器,基于復自然諧振產(chǎn)生多個頻率點。就數(shù)據(jù)容量而言,雖然本文的標簽只編碼了12位數(shù)據(jù),但通過調(diào)節(jié)諧振器的間隙寬度g,更高的數(shù)據(jù)容量也能在相同的面積上面獲得。仿真結(jié)果表明這些頻率能夠在RCS頻譜和極點圖中恢復,測量結(jié)果和仿真結(jié)果是一致的。這個低成本的、單面的、低剖面無芯RFID標簽?zāi)軌蛑苯佑∷⒃诤芏辔锲飞希蚨苡迷诤芏喈a(chǎn)品如IC卡、甚至紙張上面。
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胥 磊(1972-),男,四川射洪,碩士,現(xiàn)就讀于四川大學攻讀無線電物理博士學位,主要從事微波無源器件的研究,116454852@qq.com。