趙文玉,陳智軍,朱衛(wèi)俊,程勝軍,陳 濤,賈 浩

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

識(shí)別、傳感是物聯(lián)網(wǎng)的兩大核心環(huán)節(jié)。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，需要識(shí)別和傳感功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)[1]。以食品安全為例，近年來(lái)食品安全問(wèn)題頻發(fā)，其重要原因之一是食品安全事故追溯不到源頭，責(zé)任不清楚，無(wú)法做到有效監(jiān)管，故需要采用識(shí)別技術(shù)加強(qiáng)對(duì)食品的過(guò)程追蹤；同時(shí)還需要結(jié)合傳感技術(shù)，通過(guò)對(duì)食品質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)提前避免食品安全事故的出現(xiàn)，如冷鏈?zhǔn)称吩谶\(yùn)輸、流通及存儲(chǔ)過(guò)程中對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由標(biāo)簽和閱讀器組成，兩者之間通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)線傳輸?；诼暠砻娌?SAW)技術(shù)的RFID系統(tǒng)采用無(wú)源無(wú)線的SAW標(biāo)簽[3]，SAW在壓電基底上的傳播時(shí)間受溫度影響，因此，SAW標(biāo)簽在RFID的同時(shí)也可作為溫度傳感器[4]。鑒于SAW標(biāo)簽的大容量編碼和多參數(shù)敏感特點(diǎn)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)食品的溯源與質(zhì)量監(jiān)控。

本文采用脈沖時(shí)延結(jié)合相位編碼方案，由此增加了SAW標(biāo)簽的編碼容量以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在分析SAW標(biāo)簽識(shí)別與測(cè)溫原理的基礎(chǔ)上，采用直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案設(shè)計(jì)閱讀器，以提高識(shí)別、測(cè)溫的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，并在柔性PCB板上制作折疊偶極子天線以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線的柔性和小型化。實(shí)際制作了SAW RFID與溫度傳感一體化系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在溫度-20～60 ℃能正常工作，在距離2 m內(nèi)，系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽編碼的準(zhǔn)確識(shí)別，且測(cè)溫精度可達(dá)0.6 ℃。

1 系統(tǒng)工作原理

SAW RFID與溫度傳感一體化系統(tǒng)如圖1所示。設(shè)計(jì)不同的反射柵編碼結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)標(biāo)簽的回波脈沖串解算可讀出相應(yīng)編碼，從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別功能。當(dāng)溫度變化時(shí)，壓電基底的材料參數(shù)發(fā)生變化，SAW在反射柵之間傳播的時(shí)間發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致回波脈沖之間的時(shí)延改變，時(shí)延與溫度間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系使SAW標(biāo)簽也同時(shí)具有溫度傳感功能[5]。

圖1 SAW RFID與溫度傳感一體化系統(tǒng)

目前常用的SAW標(biāo)簽編碼方案有脈沖幅度、脈沖時(shí)延及脈沖時(shí)延結(jié)合相位編碼3種。與前兩種相比，脈沖時(shí)延結(jié)合相位編碼方案通過(guò)相位測(cè)量來(lái)彌補(bǔ)時(shí)間分辨率的不足，能極大地提高標(biāo)簽的編碼容量[6]。以圖2所示的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)數(shù)據(jù)區(qū)X=6、時(shí)隙n=4、相隙N=3時(shí)，僅采用脈沖時(shí)延編碼方案的編碼容量nX=4 096，而脈沖時(shí)延結(jié)合相位編碼方案的容量(n×N)X=2 985 984，兩者相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，且后者接近三百萬(wàn)，滿足大多數(shù)場(chǎng)合的應(yīng)用需求。圖2中除各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的編碼反射柵外，還存在起始和截止反射柵。起始反射柵作為參考，用于消除距離和環(huán)境的影響。截止反射柵動(dòng)態(tài)跟隨最后一個(gè)編碼反射柵，兩反射柵對(duì)應(yīng)的回波脈沖之間的時(shí)延稱(chēng)為參考時(shí)延。

圖2 脈沖時(shí)延結(jié)合相位編碼的SAW標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

SAW的時(shí)延溫度系數(shù)(TCD)為

(1)

式中：τ為延遲時(shí)間；T為溫度；L為SAW傳播距離；v為SAW傳播速度；α為熱膨脹系數(shù)；TCV為SAW的速度溫度系數(shù)。

對(duì)于特定切型的壓電基底，在材料溫度系數(shù)已知的前提下，其α可通過(guò)歐拉角變換得出，TCV可通過(guò)SAW波動(dòng)方程解出[7]，從而獲得相應(yīng)的TCD。

對(duì)式(1)進(jìn)行一階泰勒展開(kāi)，可推導(dǎo)出：

(2)

式中：τ0為參考溫度T0時(shí)的延遲時(shí)間；τT為實(shí)際溫度T時(shí)相應(yīng)的延遲時(shí)間。

根據(jù)相位φ與時(shí)延τ之間的關(guān)系φ=2πfτ，式(2)可轉(zhuǎn)換為

(3)

通過(guò)合適的時(shí)隙設(shè)計(jì)，正交解調(diào)法可以直接解算出標(biāo)簽的時(shí)延編碼。但是，正交解調(diào)直接解算出的相位受溫度影響，通常與標(biāo)簽的設(shè)計(jì)相位不一致，同時(shí)相位測(cè)量存在模糊性問(wèn)題，即不可能測(cè)出360°的整周期數(shù)，只能測(cè)得小于360°的尾數(shù)部分。

本文在設(shè)計(jì)標(biāo)簽時(shí)，針對(duì)截止反射柵與最后一個(gè)編碼反射柵對(duì)應(yīng)的回波脈沖之間的參考時(shí)延，使其在測(cè)溫范圍內(nèi)相應(yīng)的相位變化不超過(guò)一個(gè)周期[8]。通過(guò)參考時(shí)延的相位變化，根據(jù)反射柵之間的位置關(guān)系，可反推出每個(gè)反射柵在參考溫度時(shí)的設(shè)計(jì)相位，從而解算出標(biāo)簽的相位編碼。

正交解調(diào)直接解算出的相位減去標(biāo)簽的設(shè)計(jì)相位即為溫度引起的相位變化，但鑒于相位模糊性的存在，實(shí)際獲得的也只是其尾數(shù)部分。本文采用相位比例尺遞推的方法[9]，將參考時(shí)延隨溫度引起的相位變化逐步遞推到起始與截止反射柵之間的相位變化，從而根據(jù)式(3)測(cè)出實(shí)際溫度T，且具有較高的測(cè)溫精度。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)SAW RFID與溫度傳感一體化的算法流程如圖3所示。

圖3 識(shí)別與測(cè)溫算法流程圖

2 閱讀器的直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案

常規(guī)的SAW RFID系統(tǒng)的閱讀器采用基帶過(guò)采樣硬件模擬正交解調(diào)方案[6]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(LNA)及帶通濾波器，通過(guò)巴倫得到兩路差分信號(hào)，分別與經(jīng)過(guò)0°/90°移相器后的本振混頻得到I、Q兩路基帶信號(hào)，再通過(guò)濾波和放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成I、Q兩路數(shù)字信號(hào)。上述方案存在以下問(wèn)題：

1)具有硬件下變頻模塊，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高。

2)硬件模擬正交解調(diào)采用模擬本振，其幅度和相位易受靜電、溫度等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致兩路本振信號(hào)幅相不平衡。

3)基帶信號(hào)的濾波和放大會(huì)引入I、Q兩路增益、延時(shí)不平衡，兩個(gè)支路存在幅相不平衡[10]，從而對(duì)后續(xù)SAW標(biāo)簽的識(shí)別和測(cè)溫帶來(lái)一定影響。

圖4 基帶過(guò)采樣硬件模擬正交解調(diào)方案

上述基帶過(guò)采樣法需要遵循奈奎斯特采樣定理，即滿足A/D轉(zhuǎn)換器采樣率大于最高信號(hào)頻率的2倍，這也是SAW標(biāo)簽回波信號(hào)通常需要下變頻到基帶信號(hào)的原因，以此降低對(duì)ADC采樣頻率的要求。實(shí)際上，雖然回波信號(hào)的中心頻率高達(dá)922.5 MHz，但其帶寬僅5 MHz，對(duì)于這種窄帶寬的信號(hào)，可對(duì)其進(jìn)行射頻帶通直接欠采樣[11-12]，等同于對(duì)其頻帶進(jìn)行了頻譜搬移，搬移到第一奈奎斯特區(qū)域內(nèi)。因此，無(wú)需遵循傳統(tǒng)意義上的奈奎斯特采樣定理，就可以完整恢復(fù)標(biāo)簽帶寬內(nèi)的全部信息。與此同時(shí)，隨著軟件無(wú)線電(SDR)技術(shù)的日益成熟，射頻電路逐漸向軟件化方向發(fā)展。數(shù)字正交解調(diào)是一種典型的軟件無(wú)線電技術(shù)[13-14]，可以避免硬件模擬正交解調(diào)帶來(lái)的相關(guān)問(wèn)題。

綜上所述，本文的閱讀器采用射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案，如圖5所示?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器、帶通濾波器后，對(duì)其進(jìn)行直接欠采樣得到回波數(shù)字信號(hào)。數(shù)控振蕩器(NCO)是數(shù)字正交解調(diào)的重要組成部分，在數(shù)字域構(gòu)建兩路正交信號(hào)與回波數(shù)字信號(hào)混頻，再通過(guò)FIR濾波器得到I、Q兩路基帶數(shù)字信號(hào)。該方案較好地解決了原有基帶過(guò)采樣硬件模擬正交解調(diào)方案存在的相關(guān)問(wèn)題，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且對(duì)SAW標(biāo)簽的識(shí)別和測(cè)溫也更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

圖5 射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案

3 標(biāo)簽天線的柔性和小型化設(shè)計(jì)

SAW標(biāo)簽的天線通常采用印刷偶極子天線，在硬質(zhì)FR4板材上制作，不適于如食品安全檢測(cè)時(shí)需要彎曲天線以易于與食品包裝相整合等應(yīng)用場(chǎng)景。目前SAW標(biāo)簽的芯片尺寸已經(jīng)可以做得非常小，標(biāo)簽整體尺寸取決于標(biāo)簽天線，但天線尺寸較大，在很多場(chǎng)合的應(yīng)用受限。因此，對(duì)標(biāo)簽天線的柔性和小型化設(shè)計(jì)具有顯著的實(shí)用意義。

本文的標(biāo)簽天線是在以聚酰亞胺為基材的柔性電路板(FPC)上制作，通過(guò)折疊的方式實(shí)現(xiàn)天線尺寸的縮減[15]。小型化折疊偶極子天線的結(jié)構(gòu)如圖6所示，對(duì)半波偶極子天線兩臂彎折以減小尺寸，同時(shí)增加T型匹配調(diào)節(jié)阻抗。以中心頻率922.5 MHz、帶寬大于5 MHz為設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)電磁仿真軟件HFSS仿真和優(yōu)化天線尺寸，實(shí)際制作的FPC折疊偶極子天線如圖7所示，其尺寸為66 mm×33 mm，明顯小于原有154 mm×22 mm的硬質(zhì)FR4天線。

圖6 折疊偶極子天線結(jié)構(gòu)

圖7 實(shí)際制作的FPC折疊偶極子天線

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試FPC天線的性能，S11測(cè)試結(jié)果如圖8所示。天線的中心頻率為921.15 MHz，帶寬約30 MHz。雖然實(shí)際中心頻率與設(shè)計(jì)值略有偏差，但在922.5 MHz處S11為-26.65 dB，能將99.75%的輸入功率輻射出去，表明該頻率時(shí)標(biāo)簽天線接收閱讀器查詢(xún)脈沖能量以及發(fā)射回波脈沖串能量的效率已足夠高，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線應(yīng)用。

圖8 FPC天線的S11參數(shù)

4 系統(tǒng)測(cè)試

實(shí)際制作了編碼容量接近三百萬(wàn)的SAW標(biāo)簽(見(jiàn)圖2)，并制作了采用射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案的閱讀器(見(jiàn)圖5)，通過(guò)恒溫箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，如圖9所示。標(biāo)定結(jié)束后直接在-20～60 ℃內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)簽解碼正確率100%，測(cè)溫精度在0.6 ℃內(nèi)。

圖9 系統(tǒng)標(biāo)定

標(biāo)簽天線彎曲后粘貼在豆奶的杯壁上，系統(tǒng)對(duì)豆奶的編碼和溫度進(jìn)行測(cè)試，如圖10(a)所示。上位機(jī)界面如圖10(b)所示，除顯示編碼和測(cè)溫結(jié)果外，還可顯示回波脈沖串信號(hào)的實(shí)時(shí)變化，使測(cè)試結(jié)果更直觀。用手指按住標(biāo)簽外殼，系統(tǒng)可測(cè)出標(biāo)簽溫度逐漸上升；松開(kāi)手指，同樣可測(cè)出溫度相應(yīng)下降，系統(tǒng)具有很好的響應(yīng)實(shí)時(shí)性。隨著標(biāo)簽遠(yuǎn)離閱讀器，回波信號(hào)的強(qiáng)度逐漸減小，系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別和測(cè)溫的距離約在2 m。

圖10 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以基于聲表面波技術(shù)的射頻識(shí)別與溫度傳感一體化應(yīng)用為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了采用脈沖時(shí)延結(jié)合相位編碼方案的聲表面波標(biāo)簽。鑒于常規(guī)的基帶過(guò)采樣硬件模擬正交解調(diào)方案閱讀器存在I、Q兩路幅相不平衡等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了采用射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案的閱讀器。該閱讀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且對(duì)聲表面波標(biāo)簽的識(shí)別和測(cè)溫也更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。針對(duì)現(xiàn)有硬質(zhì)印刷偶極子標(biāo)簽天線對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的限制，設(shè)計(jì)制作了采用柔性PCB的折疊偶極子小型化天線。最后對(duì)搭建的系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明了系統(tǒng)的實(shí)用性，從而可極大地拓展聲表面波技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)諸多領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。