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。

1 基本原理

1.1 開槽諧振腔的基本原理

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。

1.2 極點展開法和矩陣束法提取數(shù)據(jù)的原理

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

2 無芯RFID標簽的設(shè)計和仿真

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

3 加工和測量

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

3 結(jié)束語

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。