孫占峰， 尹柏強(qiáng)， 何怡剛， 羅旗舞， 宋 洋

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

在各無(wú)線監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中[1～4]，結(jié)合射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)的光照強(qiáng)度在線監(jiān)測(cè)是最重要的應(yīng)用技術(shù)之一?，F(xiàn)階段主要使用微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線光強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并將其與RFID和WSNs技術(shù)相結(jié)合，使光強(qiáng)監(jiān)測(cè)具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確性。盡管，部分研究采用無(wú)源標(biāo)簽[5]和聲表面波技術(shù)[4]，在一定程度上降低了其元件成本和維護(hù)難度，但卻依然難以克服其大規(guī)模生產(chǎn)和使用中成本過(guò)高的問(wèn)題。為了有效解決這些問(wèn)題，無(wú)芯片RFID技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[6]。

不同于傳統(tǒng)有芯片RFID技術(shù)，無(wú)芯片RFID技術(shù)使用集成傳感器的諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)簽ID編碼和環(huán)境感知[7],極大地降低了標(biāo)簽生產(chǎn)和維護(hù)成本，且其采用的獨(dú)特詢問(wèn)技術(shù)還使其具備長(zhǎng)距離通信和簡(jiǎn)易收發(fā)的優(yōu)點(diǎn)[8]。

本文基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了緊湊型無(wú)芯片光傳感標(biāo)簽，并結(jié)合傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的ID編碼能力和光強(qiáng)檢測(cè)，并仿真測(cè)試了設(shè)計(jì)的標(biāo)簽性能。

1 無(wú)芯片標(biāo)簽工作原理

加載在無(wú)芯片RFID標(biāo)簽天線上的射頻或微波電路能夠根據(jù)其不同的大小和結(jié)構(gòu)對(duì)天線接收的電磁波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使該信號(hào)產(chǎn)生特定的諧振頻率和不同的諧振幅值，使得該天線具有在頻率上的電磁識(shí)別標(biāo)志(electromagnetic sign，EMS)。通過(guò)加載多個(gè)射頻和微波諧振電路，多個(gè)EMS不僅可以作為標(biāo)簽的身份ID，亦可在諧振電路中集成傳感材料進(jìn)行環(huán)境感知。環(huán)境參量的變化改變了傳感材料的阻抗或介電常數(shù)，進(jìn)而改變了天線的反向散射信號(hào)。閱讀和訪問(wèn)設(shè)備通過(guò)接收天線的反向散射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)芯片RFID系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的感知[9,11]。本文具有傳感功能的無(wú)芯片RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。

圖1 無(wú)芯片RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

2 無(wú)芯片標(biāo)簽設(shè)計(jì)與仿真

2.1 標(biāo)簽設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID傳感標(biāo)簽包括3個(gè)部分：?jiǎn)螜C(jī)子收發(fā)天線、ID編碼單元和光強(qiáng)傳感單元，如圖2所示。

圖2 無(wú)芯片傳感標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示意

標(biāo)簽利用開(kāi)路短截線諧振結(jié)構(gòu)的帶阻濾波原理實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的ID編碼和光強(qiáng)的感知。在高頻條件下，諧振結(jié)構(gòu)可以等效為多個(gè)電感和電容串/并聯(lián)電路，其性能主要取決于2個(gè)參數(shù)：諧振結(jié)構(gòu)的諧振中心頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q

(1)

式中L為諧振結(jié)構(gòu)的等效電感值，C為諧振結(jié)構(gòu)的等效電容值，R為諧振結(jié)構(gòu)的等效電抗，ω=2πf為諧振角頻率?？芍煌腖和C可以使諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同諧振中心頻率。本文通過(guò)改變開(kāi)路短截線諧振結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度使其具備不同的等效電感和電容值，在1.5～2.2 GHz的頻帶內(nèi)產(chǎn)生5 bit標(biāo)簽ID信息，并使開(kāi)路短截線諧振結(jié)構(gòu)末端的光敏元件在不同光照強(qiáng)度下?lián)碛胁煌牡刃ё杩怪怠?/p>

本文采用龍信達(dá)公司的LXD/GB3—A1DPBT光敏電阻器作為光強(qiáng)檢測(cè)傳感器。超高頻范圍使用時(shí)，該光敏元件的阻抗值可等效為多個(gè)RC電路串/并聯(lián)后的阻抗值。使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzer，VNA)E5061B對(duì)不同光照條件下4組該光敏元件阻抗值進(jìn)行測(cè)量，減小測(cè)量誤差，結(jié)果如表1所示。測(cè)量結(jié)果顯示，LXD/GB3—A1DPBT光敏電阻器在較小的頻率范圍內(nèi)阻抗值變化不明顯，但在不同光照條件下的阻抗值卻有很大變化。

表1 GB3—A1DPBT光敏元件阻抗測(cè)試結(jié)果

2.2 諧振結(jié)構(gòu)仿真與實(shí)物測(cè)試

使用Ansoft HFSS軟件對(duì)標(biāo)簽ID編碼和傳感單元進(jìn)行仿真和測(cè)試。仿真過(guò)程中，使用等效模型模擬不同光照條件下的光敏元件，其在0，500，1 000 lux條件下的阻抗值采用表1中測(cè)試的4組對(duì)應(yīng)條件下阻抗值的平均值。圖2中諧振結(jié)構(gòu)具體的參數(shù)為：L1～L6分別為23，25，27.5，20，19，16 mm;W1,W2分別為3.73,0.7 mm;S為4 mm;R為15 mm。其仿真結(jié)果如圖3虛線所示。

圖3 諧振單元S21仿真和測(cè)試結(jié)果

利用蝕刻技術(shù)將ID編碼和傳感單元結(jié)構(gòu)蝕刻在厚度為2 mm的FR4基板上，并在長(zhǎng)度為L(zhǎng)6的開(kāi)路短截線末端焊接光敏電阻器，其微帶線兩端采用50 Ω SAM接口。諧振結(jié)構(gòu)的實(shí)物如圖4所示，其總面積約為10 cm2，單位面積的數(shù)據(jù)含量約為0.6 bit/cm2。

圖4 諧振單元結(jié)構(gòu)

使用安捷倫E5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)試其在光照強(qiáng)度為0,500,1 000 lux時(shí)的插入損耗S21。測(cè)試結(jié)果如圖3中實(shí)線所示。

3 標(biāo)簽測(cè)試方法與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試方法

采用同樣的蝕刻技術(shù)將設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID光傳感器蝕刻于厚2 mm的FR4基板上，并將LXD/GB3—A1DPBT光敏電阻焊接于傳感單元末端，制作完成的無(wú)芯片RFID光傳感標(biāo)簽如圖5所示。設(shè)計(jì)標(biāo)簽的ID編碼為“00000”。

圖5 無(wú)芯片RFID光傳感標(biāo)簽

本文采用如圖6所示的原理框圖對(duì)無(wú)芯片RFID標(biāo)簽進(jìn)行性能測(cè)試。為了減小測(cè)試過(guò)程中信號(hào)間的相互干擾，采用交叉極化放置的兩個(gè)環(huán)形天線Rx和Tx作為測(cè)試信號(hào)的收發(fā)天線。測(cè)試平臺(tái)中矢量信號(hào)分析儀采用安捷倫E5061B，微波暗室采用Voyantic RFID測(cè)試箱。測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試天線與標(biāo)簽天線間的距離為30 cm；測(cè)試的環(huán)境光強(qiáng)分別為0,200,400,600,800,1 000 lux。

圖6 無(wú)芯片RFID標(biāo)簽測(cè)試原理

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

無(wú)芯片RFID光強(qiáng)傳感標(biāo)簽的S21參數(shù)，響應(yīng)頻率和諧振幅值的測(cè)試結(jié)果如表2。圖7展示了光照強(qiáng)度為0 lux和1 000 lux的完整S21頻譜測(cè)試結(jié)果。

表2 不同光照條件下無(wú)芯片RFID標(biāo)簽S21測(cè)試結(jié)果

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID傳感標(biāo)簽在不同的光照強(qiáng)度條件下將會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)頻率和諧振幅值。其不同響應(yīng)頻率間帶寬間隔的平均值為50 MHz，不同諧振幅值間的平均差值為1.8 dB。表明該無(wú)芯片RFID傳感標(biāo)簽不僅能夠檢測(cè)出不同的光照強(qiáng)度，其較寬的頻帶間隔和加大的幅值差可以有效減小不同光照強(qiáng)度測(cè)量時(shí)信號(hào)特征的重疊干擾。

為了更準(zhǔn)確地說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID傳感標(biāo)簽的性能，比較了響應(yīng)頻率和諧振幅值在光傳感中的靈敏度和線性度。其中，傳感器的靈敏度為

(2)

式中X1 000 lux為光照強(qiáng)度為1 000 lux時(shí)的響應(yīng)頻率或諧振幅值,X0 lux為光照強(qiáng)度為0 lux時(shí)的響應(yīng)頻率或諧振幅值。由Sx計(jì)算得到利用響應(yīng)頻率進(jìn)行光傳感時(shí)靈敏度Sf=0.26MHz/lux，利用諧振幅值進(jìn)行光傳感時(shí)靈敏度Sa=0.008 7 dB/lux。通過(guò)比較Sf和Sa的值可知，利用響應(yīng)頻率變化檢測(cè)單位光強(qiáng)變化更易實(shí)現(xiàn)和操作。

通過(guò)對(duì)比2個(gè)參數(shù)與其各自擬合直線的最大偏差百分比，來(lái)比較兩種測(cè)量結(jié)果的線性度優(yōu)劣。定義線性度為

(3)

式中 ΔYmax為傳感器測(cè)量曲線與擬合直線間的最大偏差,Y為傳感器測(cè)量范圍。使用MATLAB分別對(duì)2種結(jié)果參數(shù)進(jìn)行線性擬合，分別得到響應(yīng)頻率f與光照強(qiáng)度Lx的線以及諧振幅值A(chǔ)與光照強(qiáng)度Lx的線性擬合方程為

Lx=-0.000 27f+2.71,Lx=0.008 5A-23.976 2

(4)

圖8為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的折線圖和擬合后的擬合直線。經(jīng)過(guò)計(jì)算，以響應(yīng)頻率f為變量時(shí)其線性度δ1=0.001 4 %；以諧振幅值A(chǔ)為變量時(shí)其線性度δ2=0.032 %。δ1<δ2，以響應(yīng)頻率f為變量的光照強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果具有更好的線性度。

圖8 無(wú)芯片RFID標(biāo)簽測(cè)試結(jié)果的線性性能

由此可知，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片RFID傳感標(biāo)簽在以響應(yīng)頻率為變量，測(cè)試結(jié)果有更好的靈敏度和線性度。但在應(yīng)用時(shí)，可能需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇使用不同的特性，或者需要同時(shí)使用兩種特性來(lái)提高光傳感的精確性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種無(wú)源、低廉無(wú)芯片RFID光傳感標(biāo)簽。標(biāo)簽集成現(xiàn)有光敏元件并采用無(wú)芯片RFID通信技術(shù)，使其具有RFID通信和光傳感能力。標(biāo)簽采用緊湊型設(shè)計(jì)，在較小的面積上包含了6 bit數(shù)據(jù)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易生產(chǎn)、無(wú)需維護(hù)、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，該標(biāo)簽有著廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。