許莉娜， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

空間角度編碼的無芯片射頻識別縫隙標簽的設(shè)計

許莉娜， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

摘要:本文提出了兩種新型的基于空間角度編碼的無芯片(Radio Frequency Identification, RFID)縫隙標簽. 標簽利用金屬平面上條形縫隙與水平極化方向的夾角進行編碼. 通過檢測水平和垂直兩個極化方向上的反向散射電場實現(xiàn)對標簽角度信息的識別. 結(jié)果表明： 線形縫隙標簽的角度識別誤差均小于2°， V形縫隙標簽的角度識別誤差均小于3°， 編碼容量均可達4 bit. 標簽結(jié)構(gòu)簡單， 制作成本低； 工作時占用頻帶窄， 大大提高了頻譜利用率.

關(guān)鍵詞:射頻識別縫隙； 無芯片標簽； 角度編碼

0引言

射頻識別(Radio Frequency Identification， RFID)是一種自動識別技術(shù)， 它利用射頻信號獲取數(shù)據(jù)完成對目標對象的自動識別. 由于芯片的昂貴價格制約了RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用， 于是無芯片RFID技術(shù)應(yīng)運而生.

目前， 常用的無芯片RFID標簽的編碼方法有3種： 時域編碼、 頻域編碼、 幅度/相位編碼. 文獻[1]設(shè)計了一種工作在2.4 GHz的SAW(Surface Acoustic Wave)時域編碼標簽； 文獻[2]設(shè)計了一種基于相位編碼的無芯片標簽， 改變所加載開路傳輸線的長度可改變諧振頻率的相位， 從而實現(xiàn)了相位編碼； 文獻[3]提出一種基于階躍阻抗諧振器的無芯片標簽， 利用諧振器的基頻和一次諧波實現(xiàn)2 bit的編碼信息， 所以N個階躍阻抗諧振器可實現(xiàn)22N bit； 文獻[4]利用水平極化縫隙和垂直極化縫隙進行編碼， 設(shè)計出一種雙極化無芯片標簽； 文獻[5]提出一種利用U形縫隙諧振器編碼的無芯片標簽， 實現(xiàn)了20 bit的編碼容量； 文獻[6]提出一種基于環(huán)形諧振器的無芯片標簽， 由于開縫之后的環(huán)形諧振器對入射波的極化角度敏感， 所以可以用來檢測標簽的旋轉(zhuǎn)角度； 文獻[7]中提出了基于空間角信息編碼的V形貼片無芯片射頻識別標簽. 當平面波垂直入射標簽時， 各種角度編碼的標簽都能夠被準確識別， 編碼容量均可達4 bit.

本文對線形和V形無芯片RFID縫隙標簽的散射場進行了研究， 通過標簽的反向散射電場的水平和垂直分量實現(xiàn)對標簽角度信息的識別. 在此基礎(chǔ)上， 利用縫隙與水平極化方向的夾角進行編碼， 編碼容量均可達4 bit. 線形縫隙標簽的角度識別誤差均小于2°， V形縫隙標簽的角度識別誤差均小于3°.

1線形縫隙標簽的設(shè)計

圖 1　線形縫隙標簽的結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of the linear-shape slot chipless tag

本文所設(shè)計的線形縫隙標簽結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 標簽包括一層介質(zhì)板， 一層接地板. 所用介質(zhì)基板材料為Rogers 4350， 相對介電常數(shù)εr為3.48， 尺寸為80×80×0.8 mm3. 在接地板的中心位置刻蝕尺寸為48×1 mm2的條形縫隙， 與水平極化方向的夾角為θ， 該角度用來編碼信息.

用水平極化平面波沿著z方向?qū)€形縫隙標簽進行激勵. 由于條形縫隙為理想縫隙， 而理想縫隙中只存在切向的電場強度， 且電場強度垂直于縫隙的長邊， 并對縫隙的中點呈上下對稱的駐波分布， 所以可以通過縫隙的電場分布得到電場分量與角度θ的關(guān)系. 以90°線形縫隙標簽作為標準標簽， 假設(shè)線形縫隙標簽的反向散射電場在x和y方向上的分量分別為Ex和Ey， 根據(jù)標簽電場分布可得， 縫隙中的電場E⊥=Eicos(θ-90°)， 入射場強Ei=Ex0-90°-Ex-90°， 所以有

(1)

(2)

式中： 以接地板不開縫隙的標簽作為參考標簽，Ex0是參考標簽在對應(yīng)θ角度線形標簽的諧振點f處的散射電場值，Ex-90°是標準標簽所產(chǎn)生的散射電場水平分量. 聯(lián)立式(1)和式(2)， 即可得到標簽的識別角度

(3)

圖 2　不開縫隙標簽的散射電場分量Fig.2　Component of the scattering electric fields for no-slot tag

用CST 2011仿真標簽的散射電場， 結(jié)果如圖 2， 圖 3 所示. 圖 2 給出了不開縫隙標簽的散射電場分量， 可以看出隨著f的增大，Ey值基本不變，Ex值逐漸增大； 圖 3 給出了不同編碼角度線形標簽的散射電場， 其中Ex-120°表示120° 標簽的后向散射電場的x方向分量，Ey-50°表示50° 標簽的后向散射電場的y方向分量， 其他標注的含義與此類似. 從圖3中可以看出， 50° 編碼標簽諧振頻率點2.33 GHz處的散射電場值Ey-50°=28.95 mV/m，Ex-50°=31.85 mV/m，Ex0-50°=66.21 mV/m， 由式(3)得50° 編碼標簽的識別結(jié)果是θ=49.88°. 另外，Ey-120°=25.02 mV/m，Ex-120°= 21.78 mV/m，Ex0-120°= 66.24 mV/m，Ey-20°= 17.9 mV/m，Ex-20°=60.4 mV/m，Ex0-20°=66.36 mV/m，Ey-100°=8.95 mV/m，Ex-100°=10.41 mV/m，Ex0-100°=66.45 mV/m， 代入式(3)得這3個標簽的識別結(jié)果分別為119.4°, 18.4°, 99.08°.

圖 3　θ 為不同值時的散射電場分量Fig.3　Component of the scattering electric fields for different θ

根據(jù)標簽工作時頻譜的分布情況， 選擇θ=10°～160°， 間隔為10° 的16個角度來編碼地址信息， 每個單元可以實現(xiàn)4 bit信息的編碼， 對應(yīng)4 b的地址信息. 將標簽在工作頻率處的電場值代入式(3)， 結(jié)果見表 1. 由表 1 可知， 角度的識別誤差均小于2°， 所有的地址都能夠被正確識別.

表 1　線形縫隙標簽的識別結(jié)果

圖 4　V型縫隙標簽的結(jié)構(gòu)圖Fig.4　The structure of the V-shape slot chipless tag

2V形縫隙標簽的設(shè)計

在線形縫隙標簽可準確識別的基礎(chǔ)上， 將線形縫隙標簽結(jié)構(gòu)中的條形縫隙改成“V形”. 如圖 4 所示， V形結(jié)構(gòu)中兩臂的尺寸相等， 均為24×1 mm2. 固定臂A沿水平方向放置， 兩臂之間的夾角θ用來編碼數(shù)據(jù).

以90° V形縫隙標簽作為標準標簽， 臂A在水平方向上的散射電場分量為Ex0-90°-Ex-90°， 臂B周圍散射電場在水平方向上的分量為(Ex0-90°-Ex-90°)cos(180°-θ)， 在垂直方向上的分量為(Ex0-90°-Ex-90°)sin(180°-θ). 則總的水平散射電場

(4)

垂直方向上的散射電場

(5)

水平方向與垂直方向上散射電場的比值為

(6)

圖 5 給出θ為不同值時的散射電場分量. 可以看出， 120° 編碼標簽諧振頻率點2.43 GHz處的散射電場值Ey-120°=23.3 mV/m，Ex-120°= 53.32 mV/m，Ex0-120°=66.72 mV/m， 由式(6)得120° 編碼標簽的識別結(jié)果是θ=120.2°. 另外，Ey-60°=19.11 mV/m，Ex-60°=34.73 mV/m，Ex0-60°=67.3 mV/m，Ey-150°=13.78 mV/m，Ex-150°=63.11 mV/m，Ex0-150°=66.55 mV/m， 代入式(6)得這兩個標簽的識別結(jié)果分別為60.8°, 151.9°.

圖 5　θ 為不同值時的散射電場分量Fig.5　Component of the scattering electric fields for different θ

根據(jù)標簽工作時頻譜的分布情況， 選擇θ=0°～180°， 間隔為10° 的16個角度來編碼地址信息， 每個單元可以實現(xiàn)4 bit信息的編碼， 對應(yīng)4 b的地址信息. 將標簽在工作頻率處的電場值代入式(6)， 結(jié)果見表 2. 由表 2 可知， 角度的識別誤差均小于3°， 所有的地址都能夠被正確識別.

表 2　V形縫隙標簽的識別結(jié)果

3結(jié)論

本文提出了兩種新型的基于空間角度信息編碼的無芯片縫隙標簽. 標簽既包含要檢測的角度信息， 同時也攜帶了其地址信息， 可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng). 通過檢測反向散射電場的水平和垂直分量， 同時實現(xiàn)對標簽角度信息和地址信息的識別. 標簽編碼容量均可達4 bit. 線形縫隙標簽的角度識別誤差均小于2°， V形縫隙標簽的角度識別誤差均小于3°. 標簽結(jié)構(gòu)簡單， 制作成本低； 編碼容量高， 不同編碼標簽占用相同頻譜， 且工作時占用頻帶窄， 大大提高了頻譜利用率， 從而降低整個射頻識別系統(tǒng)的成本.

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The Design of Angle-Encoding Chipless RFID Slot Tag

XU Lina, ZHANG Wenmei

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

Abstract:Two novel chipless RFID slot tags were presented in this paper, the tags encode data using the space angle between strip-type slot and the horizontal polarization direction. Tags are identified by measuring the scattered field in the horizontal and vertical polarization directions. The simulation results show that the identification errors of the linear-shape and V-shape slot tag are less than 2° and 3°, and the coding capacity can reach 4 bit. Furthermore, the proposed tags have simple structure, low cost and narrow operating frequency band, which greatly saving frequency spectrum resources.

Key words:RFID slot; chipless tag; angle-encoding

文章編號:1671-7449(2016)03-0236-05

收稿日期:2015-11-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61271160)； 高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20121401110009)； 山西省青年科技基金資助項目(2014021021-1)

作者簡介：許莉娜(1991-)， 女， 碩士生， 主要從事射頻識別研究.

通信作者：張文梅(1969-)， 女， 教授， 博導， 主要人事微波集成電路、 天線等研究.

中圖分類號:TN926

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.010