閆麗云， 張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西 太原 030006)

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基于空間角度信息編碼的無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

閆麗云， 張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西 太原 030006)

摘要:提出了一種基于空間角度信息編碼的無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽， 該標(biāo)簽的散射單元具有明顯的空間角度特性， 如V形結(jié)構(gòu). 本文通過(guò)測(cè)量水平和垂直兩個(gè)極化方向上的反向散射電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用復(fù)散射場(chǎng)來(lái)識(shí)別標(biāo)簽， 可以去除環(huán)境噪聲的干擾， 提高識(shí)別效果. 所設(shè)計(jì)標(biāo)簽在不同的編碼狀態(tài)下使用相同的頻譜， 提高了頻譜的利用率.

關(guān)鍵詞:射頻識(shí)別技術(shù)； 無(wú)芯標(biāo)簽； 空間角度信息；V形； 線(xiàn)形

0引言

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種利用射頻波獲取無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的技術(shù)， 在物流、 零售等領(lǐng)域可能會(huì)被廣泛應(yīng)用. 然而， RFID標(biāo)簽成本高， 使其應(yīng)用受到一定限制， 故無(wú)芯RFID標(biāo)簽已經(jīng)成為研究熱點(diǎn).

基于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方法， 可將無(wú)芯片RFID標(biāo)簽分為3類(lèi)[1]： 基于時(shí)域反射型[2,3]、 頻譜特征型[4-7]和幅度/相位的反向散射型[8，9]. 基于時(shí)域反射的無(wú)芯標(biāo)簽大多基于傳輸延遲線(xiàn)， 由天線(xiàn)、 微帶傳輸線(xiàn)和傳感器組成， 如文獻(xiàn)[2]中的標(biāo)簽. 文獻(xiàn)[4]中提到的標(biāo)簽， 由諧振在不同頻率上的11個(gè)可調(diào)電容微帶諧振器組成. 文獻(xiàn)[5]中提出了使用空間填充曲線(xiàn)(如Piano和Hilbert曲線(xiàn))作為頻譜特征進(jìn)行編碼的標(biāo)簽. 文獻(xiàn)[7]提出了基于多諧振偶極子的標(biāo)簽， 由一系列半波偶極子天線(xiàn)構(gòu)成. 文獻(xiàn)[8]提出的基于左手延遲線(xiàn)的標(biāo)簽以及文獻(xiàn)[9]提出的在微帶天線(xiàn)上加載開(kāi)路線(xiàn)的標(biāo)簽， 都屬于基于幅度/相位反向散射調(diào)制的無(wú)芯標(biāo)簽. 近年來(lái)出現(xiàn)了一些具有較高編碼容量的小型化無(wú)芯RFID標(biāo)簽[10,11]. 如文獻(xiàn)[10]中的標(biāo)簽使用了加載縫隙的貼片， 在水平和垂直方向分別設(shè)置相同的縫隙， 每個(gè)諧振頻點(diǎn)可編碼2 bit. 文獻(xiàn)[11] 中的標(biāo)簽包含有多個(gè)散射體， 通過(guò)對(duì)入射波進(jìn)行去極化處理， 并在垂直極化方向上產(chǎn)生響應(yīng)來(lái)進(jìn)行標(biāo)簽的識(shí)別.

本文提出的無(wú)芯RFID標(biāo)簽基于空間角度信息進(jìn)行編碼， 采用具有空間角度特征的線(xiàn)形或V形結(jié)構(gòu)作為散射單元， 通過(guò)測(cè)量水平和垂直兩個(gè)極化方向上的復(fù)反向散射電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別. 由于標(biāo)簽在不同的編碼狀態(tài)下使用相同的頻譜， 因此可以在較窄的頻譜范圍內(nèi)工作， 本文大大提高了頻譜利用率. 為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)標(biāo)簽的實(shí)用性， 本文在自然環(huán)境中對(duì)所制作標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先去除環(huán)境噪聲的干擾， 然后利用水平和垂直兩個(gè)極化方向上的散射電場(chǎng)來(lái)計(jì)算角度， 從而識(shí)別標(biāo)簽.

1線(xiàn)形無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

1.1線(xiàn)形標(biāo)簽設(shè)計(jì)原理

圖 1　線(xiàn)形標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)Fig.1　Layout of linear chipless RFID tag

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因此， 根據(jù)反向散射電場(chǎng)在垂直和水平方向上兩個(gè)分量的比值， 就可以確定標(biāo)簽上線(xiàn)形貼片與水平極化波方向間的夾角α， 從而識(shí)別出該線(xiàn)形標(biāo)簽， 也就是說(shuō)， 角度α可以被用來(lái)編碼.

1.2線(xiàn)形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的仿真結(jié)果

圖 2　具有不同角度的線(xiàn)形標(biāo)簽的諧振頻率Fig.2　Resonant frequency of the linear tag with different α

表 1　16個(gè)線(xiàn)形標(biāo)簽的仿真結(jié)果(f=1.93 GHz)

圖 3　不同角度標(biāo)簽的兩個(gè)電場(chǎng)分量和的幅度和相位(諧振頻率1.93 GHz處)Fig.3　Amplitude and phase ofandfor tags with different α (at 1.93 GHz)

2V形無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

2.1V形標(biāo)簽設(shè)計(jì)原理

圖 4　V型無(wú)芯RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)Fig.4　Layout of V-shape tag

為減小標(biāo)簽的占用面積， 將其散射單元設(shè)計(jì)為如圖 4 所示的V形貼片.V形貼片由尺寸相同的兩條臂構(gòu)成， 其中一條臂固定， 與激勵(lì)波的極化方向平行； 另一條臂旋轉(zhuǎn)， 與固定臂之間的夾角為α. 兩條臂的總長(zhǎng)度和介質(zhì)決定其諧振頻率. 固定臂產(chǎn)生的反向散射電場(chǎng)不變， 而旋轉(zhuǎn)臂產(chǎn)生的散射電場(chǎng)會(huì)隨角度α的變化而變化， 因此總反向散射電場(chǎng)的變化就只與旋轉(zhuǎn)角度α有關(guān)， 那么α可用來(lái)進(jìn)行編碼.

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2.2V形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的仿真結(jié)果

基于以上理論分析， 使用CST對(duì)具有不同角度的V形標(biāo)簽進(jìn)行仿真.V形貼片兩臂的尺寸均為30×2 mm2.α以5°為間隔， 從30°變化到180°. 分析仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)， 對(duì)于不同α， 反向散射電場(chǎng)最大值所出現(xiàn)的頻點(diǎn)并不完全一樣， 將從1.94 GHz變化到2.48 GHz， 這是由于兩臂間的互耦作用.α越小， 尤其是銳角時(shí)， 兩臂間的耦合越強(qiáng)， 其諧振頻率越大. 為了節(jié)省頻譜， 選擇10個(gè)鈍角進(jìn)行編碼， 它們分別是90°, 100°, 110°, 120°, 130°, 140°, 150°, 160°, 170°和180° (諧振頻率從1.94 GHz變化到2.07 GHz). 那么， 每個(gè)標(biāo)簽可以攜帶3.32 bit信息. 仿真的10個(gè)V形標(biāo)簽如圖 5 所示， 識(shí)別結(jié)果如表 2 可知. 計(jì)算角度與實(shí)際角度間的最大誤差僅為0.96°.

表 2　V型無(wú)芯RFID標(biāo)簽的識(shí)別結(jié)果(2.03 GHz)

圖 5　仿真的10個(gè)V形標(biāo)簽的方向散射場(chǎng)Fig.5　Simulated backscatter electric fields of 10 V-shape tags

3V形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的實(shí)測(cè)

3.1測(cè)量環(huán)境

圖 6 為幾個(gè)V形標(biāo)簽的實(shí)物照片， 標(biāo)簽被制作在羅杰斯4 350上， 整個(gè)標(biāo)簽尺寸僅為65×35×0.8 mm3. 為了驗(yàn)證標(biāo)簽的實(shí)用性， 測(cè)量并未采用暗室環(huán)境， 而在自然環(huán)境中進(jìn)行. 測(cè)量系統(tǒng)采用雙站配置， 如圖 7 所示， 采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA-N5230A作為閱讀器進(jìn)行測(cè)量， 兩個(gè)喇叭天線(xiàn)(工作頻段為1.72 GHz～2.62 GHz)分別與其兩個(gè)端口相連， 作為閱讀器的發(fā)射和接收天線(xiàn)， 標(biāo)簽與喇叭天線(xiàn)的間距為1 m. VNA的發(fā)射功率為-10 dBm， 掃頻范圍為1 GHz～3 GHz， 掃頻點(diǎn)數(shù)設(shè)置為201點(diǎn)， 頻率間隔為10 MHz.

圖 6 　V形無(wú)芯RFID標(biāo)簽實(shí)物Fig.6　Photograph of V-shape chipless tags

圖 7　測(cè)量系統(tǒng)Fig.7　Photograph of the measurement system

3.2測(cè)量步驟

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3.3測(cè)量結(jié)果

圖 8　標(biāo)簽1去除背景噪聲處理前后的S21幅度Fig.8　Measured amplitude of S21before and after removing background noise for the tag 1

表 3　V形標(biāo)簽的識(shí)別結(jié)果

圖 9　各標(biāo)簽在水平和垂直方向上的S21幅度Fig.9　Measured |S21| in the horizontald and vertical direction

4結(jié)論

本文提出基于空間角度信息編碼的無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽， 并利用水平和垂直兩個(gè)極化方向上的反向散射電場(chǎng)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別. 本文分別對(duì)線(xiàn)形標(biāo)簽和V形標(biāo)簽進(jìn)行了分析和仿真， 并制作了10個(gè)V形標(biāo)簽在自然環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試， 實(shí)測(cè)的識(shí)別結(jié)果與仿真結(jié)果一致. 另外， 為了去除環(huán)境噪聲的干擾， 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用復(fù)散射場(chǎng)來(lái)去除噪聲， 提高了識(shí)別效果， 識(shí)別誤差小于2.9°.

本文所設(shè)計(jì)標(biāo)簽在不同編碼狀態(tài)下使用相同的頻譜， 每個(gè)散射單元只占用很窄的頻帶(1.87 GHz～1.96 GHz) 即可編碼3.32 bit. 這使得該RFID系統(tǒng)可工作在較窄的頻帶上， 不但降低了系統(tǒng)成本， 而且提高了頻譜利用率. 另外， 所設(shè)計(jì)標(biāo)簽為單面標(biāo)簽， 方便打印制作， 也可降低標(biāo)簽制作成本.

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Design of Chipless RFID Tag Based on Space Angle Information

YAN Liyun, ZHANG Wenmei

(College of Physics & Electronic Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:This paper presents a novel chipless radio frequency identification (RFID) tag that encodes data based on space angle information. The scattering element of the proposed tag has the obvious character of the space angle, such asV-shape patch. The proposed tag is identified by measuring the back scattering field in two orthogonal polarization directions. It is convenient to remove the influence of environment static noise and helpful to improve the recognition effect. In addition, the proposed tag can encode 3.32 bits using one resonant frequency and the efficiency of spectrum can be improved. The realized tag operates in the 1.9 GHz band and the identification error is less than 2.9 .

Key words:radio frequency identification (RFID); chipless tags; space angle information;V-shape resonator; linearity

中圖分類(lèi)號(hào):TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.01.012

作者簡(jiǎn)介：閆麗云(1977-)， 女， 講師， 博士生， 主要從事射頻識(shí)別系統(tǒng)標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172045， 61271160)； 國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(J1103210)； 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012011013-3)

收稿日期:2015-09-15

文章編號(hào):1671-7449(2016)01-0062-07