馮彩霞，張文梅，李　莉，韓麗萍，陳新偉

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

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角度編碼柔性無芯片標(biāo)簽的散射特性及識別

馮彩霞，張文梅，李莉，韓麗萍，陳新偉

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

摘要:本文研究了一種角度編碼的柔性無芯片標(biāo)簽的散射特性. 該標(biāo)簽的V形散射體包含兩條金屬臂，利用兩臂之間的空間角度進(jìn)行編碼. 通過測量標(biāo)簽在諧振頻率上的正交散射場分量，即可識別標(biāo)簽. 即使標(biāo)簽在自身所在表面上發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也能夠被準(zhǔn)確識別； 分析了標(biāo)簽粘貼在曲面物體上，物體彎曲半徑和物體相對介電常數(shù)對識別結(jié)果的影響，以及準(zhǔn)確識別標(biāo)簽的情況下，收發(fā)裝置之間的最大夾角.

關(guān)鍵詞:空間角度信息； 無芯片標(biāo)簽； 可旋轉(zhuǎn)； 彎曲表面

射頻識別是一種新興的自動識別技術(shù)，與互聯(lián)網(wǎng)、 通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息共享. 標(biāo)簽成本是RFID技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的一大瓶頸[1]，因此低成本的無芯片標(biāo)簽成為研究的熱點(diǎn). 無芯片標(biāo)簽的編碼方式各有不同. 文獻(xiàn)[2]中的標(biāo)簽利用有機(jī)油墨的電阻特性進(jìn)行振幅鍵控編碼. 文獻(xiàn)[3]提出的標(biāo)簽由微帶諧振電路和兩個正交極化的超寬帶圓形天線組成，主要利用頻譜特性進(jìn)行編碼. 這種標(biāo)簽對閱讀器天線的極化方向敏感，容易引起誤碼. 文獻(xiàn)[4]的標(biāo)簽由3個加載開路線的微帶天線組成，它利用后向散射場的幅度和相位編碼或混合編碼做標(biāo)簽，例如文獻(xiàn)[5]中的標(biāo)簽是利用相位和頻率來編碼的，文獻(xiàn)[6]中的標(biāo)簽是利用幅度和群延時進(jìn)行編碼的. 目前已有的無芯片標(biāo)簽中，許多都對閱讀器天線的極化方向或者是標(biāo)簽的放置角度敏感，會給實(shí)際應(yīng)用帶來很大困難.

本文研究了一種基于空間角度編碼[7]的柔性無芯片標(biāo)簽的散射特性. 該標(biāo)簽的散射體是兩條金屬臂構(gòu)成的V形結(jié)構(gòu)，通過測量標(biāo)簽在諧振頻率上的正交散射場分量，即可識別V形散射體兩臂之間的空間角度. 標(biāo)簽粘貼在表面彎曲的物體上，識別準(zhǔn)確度不受自身放置角度的影響. 另外，本文還研究了標(biāo)簽所在物體的彎曲半徑r、 相對介電常數(shù)εr以及收發(fā)裝置之間角度對標(biāo)簽識別結(jié)果的影響.

1標(biāo)簽編碼原理

圖1　標(biāo)簽結(jié)構(gòu)Fig.1　Layout of chipless tag

圖1 為標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu). 標(biāo)簽包含一個V形金屬散射體和一層介電常數(shù)為3.5，厚度為0.5 mm的聚酰亞胺介質(zhì)板. V形散射體由兩條長寬均相等的金屬臂A，B組成，它們與x軸正方向的夾角分別為θ1，θ2. 利用兩臂之間的夾角θ=θ2-θ1進(jìn)行編碼[8]. 標(biāo)簽的激勵信號是沿z軸負(fù)方向傳播的水平極化的平面波. 根據(jù)V形結(jié)構(gòu)的表面電流方向，標(biāo)簽的反向散射電場在x和y方向上的分量Ex,Ey分別為

(1)

(2)

式中：Ex-180°是180°標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽散射電場的水平分量，可以提前測定. 由式(1)和式(2)可見，一旦測得Ex和Ey，就可以得到0°～180°范圍內(nèi)唯一的編碼角度θ.

2標(biāo)簽的仿真結(jié)果

2.1標(biāo)簽所在物體表面彎曲半徑r的影響

圖2　r變化時的散射場 Fig.2　Backscattered electric fields of tags for different r

θ/(°)θ1/(°)εrEx/mV·m-1Ey/mV·m-1識別結(jié)果/(°)識別誤差/(°)11051522.88.0114.04.02023.19.1111.71.72524.010.0109.60.4140101526.76.1142.72.72027.55.9139.20.82529.65.0141.41.4150151528.00.9153.13.12028.90.9149.01.02530.60.8148.51.5

2.2標(biāo)簽所在物體相對介電常數(shù)εr的影響

圖3　εr=1, 5, 9時的散射場Fig.3　Backscattered electric fields of tags for different εr

θ/(°)θ1/(°)εrEx/mV·m-1Ey/mV·m-1識別結(jié)果/(°)識別誤差/(°)11010123.510.0110.90.9522.310.0109.10.9919.07.9108.21.813015127.85.0130.50.5526.85.2131.01.0922.44.5128.11.916010130.60.1159.40.6529.50.1159.01.0925.00.1159.60.4

2.3入射角度和接收角度的影響

2.3.1斜向入射，垂直接收的仿真結(jié)果

圖4　斜向入射，垂直接收示意圖 Fig.4　Schematic of incidence in tilted directionand receiving in vertical direction

圖5　斜向入射，垂直接收的散射場Fig.5　Components of the scattering electric fields for different α

θ/(°)θ1/(°)α/(°)Ex/mV·m-1Ey/mV·m-1識別結(jié)果/(°)識別誤差/(°)11010022.011.2109.60.41021.611.1109.10.92021.011.6113.63.61405027.18.0139.70.31027.07.0138.71.32026.75.0143.53.515010029.03.0149.70.31028.62.5148.81.22027.72.0152.32.3

2.3.2斜向入射，斜向接收的仿真結(jié)果

圖6　斜向入射，斜向接收示意圖Fig.6　Schematic of both incidence and receiving intilted directions

圖7　斜向入射，斜向接收的散射場Fig.7　Components of the scattering electric fields for different β

θ/(°)θ1/(°)β/(°)Ex/mV·m-1Ey/mV·m-1識別結(jié)果/(°)識別誤差/(°)110101021.611.1109.10.92021.510.5108.91.1302012.5112.22.2130151026.45.5129.60.42026.05.2128.81.23025.65.0133.33.3160101029.30.8159.20.82028.90.9159.10.93028.10.8163.63.6

3結(jié)論

本文分析了一種基于空間角度編碼的柔性無芯片標(biāo)簽在曲面物體上的散射特性. 標(biāo)簽利用V形散射體金屬臂之間的空間角度進(jìn)行編碼. 通過測量標(biāo)簽在兩個諧振頻率上的正交散射場分量可以識別標(biāo)簽. 將標(biāo)簽粘貼在表面彎曲的物體上，研究了物體的彎曲半徑和相對介電常數(shù)對識別結(jié)果的影響. 仿真結(jié)果顯示，彎曲半徑不小于20 mm，相對介電常數(shù)在1～9之間時，識別誤差都在2°以內(nèi). 最后研究了雙站檢測模式下，入射和接收方向的夾角對標(biāo)簽識別的影響. 結(jié)果表明，接收方向垂直于標(biāo)簽時，入射方向偏移不能超過10°. 入射和接收方向都不垂直于標(biāo)簽的時候，它們之間的夾角不能超過20°.

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Scattering Characteristics and Identification of an Angle-Based Flexible Chipless Tag

FENG Caixia, ZHANG Wenmei, LI Li, HAN Liping, CHEN Xinwei

(College of Physics and Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:The scattering characteristics of an angle-based flexible chipless tag was studied in this paper.Its V-shape scatterer contains two metal arms. It encodes data using the space angle between two arms and is identified by measuring he orthogonal component of scattering field on resonant frequency. Even if it is rotated on its surface , the tag can be identified. The tag is pasted on an object with a curved surface. Then the influences of bending radius and relative dielectric constant of the object on the simulated results are studied. After that, the maximum angle between sending and receiving devices for identifying tags accurately is also studied in this paper.

Key words:space angle; chipless tag; rotatable; curved surface

中圖分類號:TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.008

作者簡介：馮彩霞(1988-)，女，博士，主要從事微帶天線，射頻識別等研究.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61271160)； 山西省出國留學(xué)基金資助項目(2012-014)； 教育部博士點(diǎn)基金資助項目(20121401110009)； 山西省青年科技基金資助項目(2014021021-1)

收稿日期:2015-09-22

文章編號:1671-7449(2016)02-0137-05