王　芳， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

加封裝層的V形無芯片標簽的識別

王芳， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

摘要:本文研究了加封裝層的V形無芯片標簽的散射特性及其識別方法. 考慮了封裝層對標簽識別的影響， 改進了識別公式； 分別研究了封裝層的厚度和介電常數不同時標簽的散射場及識別， 并將其與改進前的識別結果進行了對比. 仿真結果表明： 改進后的公式提高了識別精度， 識別誤差均在2°以內， 且封裝層厚度和介電常數越小識別越準確. 為了驗證仿真結果， 對120°封裝標簽進行了實驗測量. 結果表明測量結果與仿真結果相吻合.

關鍵詞:封裝層； 無芯片標簽； 散射場； 標簽角度

射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification )技術是通過收發(fā)無線射頻信號進行數據傳遞的自動識別技術. 為了防止標簽結構受外界環(huán)境的影響， 于是對其進行封裝， 但封裝層會對標簽的識別產生一定的影響， 于是本文研究了加封裝的V形無芯片標簽的識別.

無芯片標簽的識別是通過分析其反向散射信號的不同特性進行識別的[1,2]. 目前， 有3種不同的方法編碼信息運用到無芯片標簽的結構中： 時域編碼、 頻域編碼和混合編碼[3]. 文獻[4]和[5]研究了時域編碼的RFID標簽， 文獻[6]基于時域反射設計了一個可重構的RFID標簽. 基于頻域特征的無芯片標簽利用諧振結構在頻譜編碼數據， 文獻[7]和[8]提出一種對入射波產生多個不同諧振點的頻域編碼標簽. 文獻[9]設計的標簽包含多個諧振單元的高阻抗表面， 仿真和測量了共面極化和交叉極化兩種不同的識別方法， 其中交叉極化探測相對于共面極化縮短了閱讀距離， 但優(yōu)點是不受多路徑影響， 而且對金屬物體也能正確識別. 文獻[10]提出了一種基于3個開口環(huán)諧振器的無芯片標簽， 且開口方向可配置， 它利用相對于參考諧振環(huán)的幾何角度進行編碼. 對于相同的諧振結構， 通過采用極化分集技術得到不同的諧振模式， 從而可以增加編碼容量. 文獻[11]從時域和頻域兩個方面研究了由平面單極子天線構成的標簽的后向散射特性.

本文對加封裝層的V形無芯片RFID標簽的散射場進行了研究， 通過標簽的后向散射電場的水平和垂直分量實現對標簽的識別. 由于忽略封裝層的散射識別誤差較大， 所以考慮了封裝層的影響， 對識別公式進行了改進， 使得標簽的識別誤差都在2°范圍內. 此外， 還對標簽進行了實驗測量.

1封裝標簽的識別原理

圖 1　V形無芯片封裝標簽結構Fig.1　The structure of the V-shape chipless tag with package layer

加封裝的V形無芯片標簽如圖 1 所示， 從上到下依次由封裝層、 金屬導體結構單元和介質基板組成， 其中介質板材料是Rogers4350， 尺寸為60 mm×32 mm×0.762 mm. 金屬導體部分成“V形”， V形結構中的兩臂尺寸均為28.7 mm×1.02 mm， 兩臂之間的夾角θ用來編碼數據.

水平極化波垂直入射加封裝層的標簽時,設接收到的封裝標簽水平和垂直方向的反向散射電場分別為Esx和Esy， 根據V形結構的表面電流方向可得

(1)

(2)

式中：E0是兩臂成180°時的標準標簽所產生的散射電場的一半.

聯立式(1)和式(2)， 即可得到標簽的識別角度

(3)

若考慮封裝層散射對標簽識別結果的影響， 則封裝標簽的識別公式為

(4)

式中：Edx和Edy分別為封裝層散射電場的水平和垂直分量.

由于Edy相對于Esy很小， 可以忽略不計， 則改進后的識別公式簡化為

(5)

2封裝層厚度不同時的識別

根據以上識別原理， 對不同厚度的Rogers 4350封裝層標簽進行識別. 圖 2 是封裝層厚度不同的130°標簽的正交散射場分量.

圖 2　封裝層厚度不同的130°標簽的后向散射電場Fig.2　Backscatter electric field of the 130° tag with different thickness of package layer

從圖 2 中可以看到隨著封裝層厚度的增加， 散射場分量的諧振頻率逐漸左移,且諧振點的散射場幅度逐漸增大. 當封裝層厚度h=0.762 mm時， 在諧振頻率1.865 GHz處，Esx=35.57 mV/m，Esy=15.78 mV/m， 同時， 仿真得到E0=21.48 mV/m，Edx=0.468 mV/m， 根據式(5)得出識別結果為130.8°. 其它厚度封裝層標簽的識別過程與此類似.

表 1 列出了5種不同編碼角度標簽在考慮封裝層散射前后的識別結果. 其中識別結果①是忽略封裝層影響， 由式(3)計算得到的； 識別結果②是由式(5)計算得到的. 從表1中可以看出， 對于封裝厚度分別為0.254 mm， 0.762 mm， 1.524 mm的120°標簽， 識別誤差分別從①中的0.6°， 1.6°和2.9°減小到②中的0.1°， 0.5°和1.0°. 由此可見， 考慮封裝層的散射場， 識別結果會更加準確. 此外， 從表1中可以看出， 對同一種角度編碼的標簽， 隨著封裝層厚度的增加， 識別誤差逐漸增大.

表 1　封裝層厚度不同的標簽的識別結果

3封裝層介電常數不同時的識別

將封裝層厚度設定為0.254 mm， 研究封裝層介電常數不同時標簽的識別. 圖 3 是封裝層介電常數不同的150°標簽的正交散射場分量. 從圖3中可以看到隨著封裝層介電常數的增大， 散射場分量的諧振頻率逐漸左移， 且諧振點的散射場幅度逐漸增大. 當封裝層介電常數εr=3.48時， 在諧振頻率1.940 GHz 處，Esx=38.12 mV/m，Esy=9.78 mV/m， 且有E0=20.36 mV/m，Edx=0.172 mV/m， 通過式(5)計算出的識別結果為150.9°. 其它介電常數的封裝層標簽的識別過程與此類似.

圖 3　封裝層介電常數不同的150°標簽的后向散射電場Fig.3　Backscatter electric field of 150° tag with different dielectric constant of package layer

表 2 給出了封裝層材料為Rogers 3006 和Rogers 3010的不同角度標簽的識別結果. 從表2中可以看出， 對于封裝層為兩種不同介電常數的140°標簽， 識別誤差分別從①中的1.4°和2.2°減小到②中的0.9°和1.3°， 且其它編碼角度標簽的識別誤差②相對于識別誤差①都有明顯的減小， 改進識別公式后的誤差都在2°以內. 此外， 從表2中可以看出， 對同一種角度的封裝標簽， 隨著封裝層介電常數的增大， 識別誤差逐漸增大.

表 2　加不同介電常數封裝層的標簽的識別結果

4測量結果

為了驗證上述封裝標簽的識別理論， 選用120°編碼標簽進行實驗測量. 圖 4 是不同封裝層及其封裝標簽的S參數. 其中S21-x-120表示接收天線水平極化時120°封裝標簽的S21參數，S21-y-120表示接收天線垂直極化時120°封裝標簽的S21參數， 其他標注的含義與此類似. 根據文獻[12]的測量原理， 以圖4(a)為例， 在諧振頻率處， |S21-x-120| = 0.008 9， |S21-y-120| = 0.004 2， |S21-x-180| = 0.012 4， |S21-x-d| = 1.968 3e-4， 計算得出改進前后120°標簽的識別結果分別為122.7°， 120.8°.

圖 4　不同封裝層及其封裝標簽測量的S參數Fig.4　The measured S parameters of different package layers and tags packed by these package layers

其它幾幅圖的識別與此類似， 識別結果見表 3. 另外， 當封裝層厚度從0.762 mm增大到1.524 mm時， 標簽的識別誤差②由0.8°增大到1.2°， 當封裝層的介電常數由6.15增大到10.2時， 識別誤差②由0.5°增大到1.5°， 所以實際制作的標簽應選擇厚度和介電常數較小的封裝層.

表 3　不同封裝的120°標簽的測量結果

5結論

本文從封裝層厚度和介電常數兩個方面對加封裝的V形無芯片標簽進行識別， 分析了封裝層對標簽識別的影響， 并且將公式改進前后的識別結果進行了對比. 仿真結果表明： 改進后的識別結果更加準確. 此外， 還進行了實驗測量， 對仿真結果加以驗證.

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The Identification of the V-Shaped Chipless Tag with Package Layer

WANG Fang, ZHANG Wenmei

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

Abstract:This paper studied the scattering characteristics and identification method of the V-shaped chipless tag with package layer. Firstly, influence of package layer was taken into account and formula of identification was improved. The scattered field and identification of tags packed by substrate with different thickness and dielectric constant were studied. The results before and after were compared. The simulation results show that the improved formula can improve identification accuracy and the identification errors are less than 2 , as well as identification results are more accuracy when thickness and dielectric constant of package layer are smaller. In order to verify simulation results, 120 tags with different package layers were conducted. The results show that experiment results are almost agreeable with simulation’s.

Key words:package layer； chipless tag; scattered field； tag angle

文章編號:1671-7449(2016)03-0241-05

收稿日期:2015-09-20

作者簡介：王芳(1989-)， 女， 碩士， 主要從事射頻識別研究.

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

中圖分類號:TP29

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.011