黃能玉，郭佳慶，韋雪婷，馬中華

(1.集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)是物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，與條形碼相比有許多優(yōu)勢，如自動(dòng)識(shí)別，非視距讀取，信息量大和安全性能高等，唯一的缺點(diǎn)就是價(jià)格比條形碼高.該系統(tǒng)主要由讀寫器(也稱為問詢器)、標(biāo)簽(或應(yīng)答器)和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理單元組成.這種系統(tǒng)有一些固定或移動(dòng)的讀寫器，以及附著在包裝、物品和設(shè)備等物體上成百上千的標(biāo)簽.讀寫器和問詢信號在信號覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行通信，并收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息.根據(jù)其工作原理，標(biāo)簽分為3類： 無源、半無源和有源[1].無源標(biāo)簽最簡單，成本低，沒有內(nèi)部電源，使用讀寫器發(fā)送的電磁波為其內(nèi)部電路供電，依靠反向散射將數(shù)據(jù)傳送回讀寫器[2].在RFID系統(tǒng)中成本主要取決于標(biāo)簽，因此，為降低標(biāo)簽的成本和延長使用壽命，許多文獻(xiàn)提出了無芯片標(biāo)簽[3-6].無芯片標(biāo)簽的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅芯片價(jià)格，與銅皮和條形碼的接近.無芯片標(biāo)簽一般工作在較高頻率，因?yàn)楣ぷ黝l率高趨膚深度越小，所需要的導(dǎo)體材料越少，可進(jìn)一步降低標(biāo)簽成本.而且無芯片標(biāo)簽?zāi)軌虺惺芄栊酒荒艹惺艿臉O限條件，如高溫、潮濕等惡劣的工業(yè)環(huán)境.無芯片標(biāo)簽沒有通信協(xié)議，讀寫器需要進(jìn)行問詢和信號處理等全部任務(wù)[7].

無芯片標(biāo)簽RFID系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速，目前已經(jīng)提出時(shí)域、頻域和空間域3類無芯片標(biāo)簽，在時(shí)域中，分為射頻(radio frenquency,RF)延遲線和聲表面波(surface acoustic wave,SAW)無芯片標(biāo)簽.RF延遲線無芯片標(biāo)簽由于電磁 (electromagnetic,EM)波的速度很高，標(biāo)簽中延遲線的時(shí)間延遲非常短，很難計(jì)算延遲的持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)內(nèi)容受到標(biāo)簽大小的限制，如果數(shù)據(jù)增加，尺寸將會(huì)急劇增加[3].SAW濾波器可增加編碼能力，實(shí)現(xiàn)100多位的標(biāo)簽[4].但是SAW標(biāo)簽需要將聲波轉(zhuǎn)換成RF信號來發(fā)送和接收，換能器的成本甚至比硅芯片高，且不可印刷，成本非常昂貴.近年Herrojo提出一種高容量的時(shí)域工作的近場無芯片標(biāo)簽，通過標(biāo)簽中的諧振器鏈中預(yù)先確定的等距位置處的諧振單元存在與否調(diào)制輸入信號，使得ID碼存在于調(diào)制信號的包絡(luò)中，這種標(biāo)簽可獲得很高的數(shù)據(jù)密度.但是需要讀寫器和標(biāo)簽對準(zhǔn)，而且讀取速度要恒定[8-9].基于頻域的無芯片標(biāo)簽數(shù)據(jù)被編碼在反向散射信號的頻譜中，可以在特定的頻率上產(chǎn)生諧振[5].與時(shí)域的標(biāo)簽相比，此類標(biāo)簽編碼容量巨大，可直接打印.但是這種無芯片標(biāo)簽讀寫器中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間隔離度低的因素導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度差[10].在空間域方法中，標(biāo)簽的每個(gè)小部分都包含自己的數(shù)據(jù)，在標(biāo)簽表面上使用微小的諧振器來編碼，利用EM圖像傳輸[6,11-12].

基于頻域的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)簡單，容易讀取加載的信息.這類標(biāo)簽又分基于重傳類型的無芯片標(biāo)簽[13-15]和基于雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)的反向散射無芯片標(biāo)簽[16-20].基于RCS理論的反向散射無芯片標(biāo)簽不需要單獨(dú)的天線發(fā)送問詢信號并接收反向散射信號.但是由于標(biāo)簽口徑的關(guān)系，接收到的反向散射信號幅度很微弱.這種標(biāo)簽具有明顯的優(yōu)點(diǎn)： 尺寸小、易讀性、不需要接收和發(fā)射天線.但是標(biāo)簽的性能明顯依賴于單元的特定形狀，添加單元可以擴(kuò)展更多的位數(shù)但會(huì)明顯引入耦合.校準(zhǔn)來消除背景影響增加了讀取器的復(fù)雜性，單元之間的影響增強(qiáng)，性能變得不可預(yù)測[18-20].可重發(fā)無芯片標(biāo)簽雖然額外增加了兩面天線，但是兩個(gè)正交極化天線會(huì)大大減少發(fā)射電磁波和接收電磁波之間的干擾，因此具有更穩(wěn)定的性能.可通過在耦合結(jié)構(gòu)中簡單地添加更多的諧振器來增加標(biāo)簽容量，調(diào)整諧振器之間的距離可以減少諧振器之間的相互耦合，而且它傳輸?shù)男盘栴l譜功率高，系統(tǒng)的靈敏度高，讀取距離遠(yuǎn).基于此，設(shè)計(jì)基于微帶耦合理論的可重發(fā)無芯片標(biāo)簽，諧振單元采用反向嵌套的C型微帶.通過調(diào)節(jié)C型微帶嵌套的深度調(diào)節(jié)諧振深度，實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制和頻率位置調(diào)制的混合編碼技術(shù)，提高了編碼容量.背面采用接地板，這樣隔離了標(biāo)簽貼附物體對標(biāo)簽性能的影響.由于采用可重發(fā)結(jié)構(gòu)，標(biāo)簽的收發(fā)天線正交，減小了收發(fā)天線之間的相互干擾，提高了讀寫器靈敏度，可進(jìn)一步增大讀取距離.

1 工作原理

圖1 可重發(fā)無芯片標(biāo)簽的工作原理Fig.1 Working principle of the retransmitted chipless tag

微帶耦合可重發(fā)無芯片標(biāo)簽的工作原理如圖1所示.為降低讀寫器和標(biāo)簽各自收發(fā)天線產(chǎn)生的自干擾，使它們相互正交極化.也為了提高讀寫器和標(biāo)簽的接收靈敏度和減小無線傳輸過程中的極化損失，讀寫器的發(fā)射接收天線和標(biāo)簽的接收發(fā)射天線極化特性一致.無芯片標(biāo)簽RFID讀寫器發(fā)射一個(gè)脈沖問詢信號，此脈沖在頻域是一頻譜均勻的超寬帶(ultra wideband,UWB)信號.標(biāo)簽天線接收到這一超信號后，讓它經(jīng)由微帶傳輸線傳輸?shù)綐?biāo)簽的發(fā)射天線，傳輸過程中由于微帶線旁邊的C型微帶反向嵌套諧振器的耦合作用，諧振器尺寸對應(yīng)的諧振頻率上形成頻譜特征.當(dāng)頻譜特征出現(xiàn)時(shí)，對應(yīng)邏輯狀態(tài)“1”，頻譜特征消失時(shí)，對應(yīng)邏輯狀態(tài)“0”.當(dāng)不同尺寸的諧振器放置在傳輸線旁邊，就會(huì)在UWB頻譜上形成一系列的編碼信號.基板選用羅杰斯微波板RO4350，相對介電常數(shù)3.66，損耗角正切0.004，基本厚度0.508 mm.

對圖1所示的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以用集總參數(shù)元件等效成多個(gè)不同諧振頻率的一階帶阻濾波器.等效的集總參數(shù)電路如圖2所示，濾波器之間用電感隔離，每個(gè)濾波器由LC串聯(lián)的并聯(lián)單元組成.標(biāo)簽的輸入、輸出分別與發(fā)射天線接收天線匹配.

圖3為單個(gè)耦合諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，該結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生明顯的帶阻響應(yīng).傳輸超寬帶信號的微帶線寬度為w1，諧振器和信號傳輸微帶線之間的間距為d2，諧振器和微帶傳輸線平行的底邊寬度固定為d1，所有的諧振器耦合邊寬度d1都相等，這樣可以使所有諧振器的耦合系數(shù)近似相等，那么諧振器的諧振頻率對應(yīng)的頻譜特征幅度相等.C型微帶反向嵌套諧振器最外邊的一邊長度為L1，里面的C型微帶一邊的長度為L2，諧振器微帶的寬度為w2.相鄰諧振器之間的間距為d3.具體的參數(shù)值見表1.

圖2 無芯片標(biāo)簽等效電路Fig.2 Equivalent circuits of chipless tag

圖3 單個(gè)耦合諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.3 Structural parameters of a single coupled resonator

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)值

圖4 單個(gè)耦合諧振器的頻譜曲線Fig.4 Spectrum curve of a single coupled resonator

用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high-frequency structure simulator,HFSS)軟件對單個(gè)C型反向嵌套微帶諧振器耦合傳輸線進(jìn)行模擬，得到如圖4所示的具有頻譜特征的諧振曲線.C型反向嵌套微帶諧振器形成一個(gè)帶阻諧振特性，當(dāng)L1=6 mm的單個(gè)諧振器基波頻率為6.15 GHz，在9.63 GHz頻率處有一個(gè)干擾頻率.對于基波，頻譜特征的凹陷深度達(dá)到了-14 dB，占用的頻譜寬度很窄，品質(zhì)因數(shù)Q達(dá)到52，因此這種諧振器進(jìn)行頻率調(diào)制編碼時(shí)頻譜利用率非常高.改變C型反向嵌套微帶諧振器的邊長，就會(huì)在頻譜上形成各種諧振頻率對應(yīng)的具有凹陷結(jié)構(gòu)的頻譜特征.

2 仿真設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作了8 b編碼分別為ID11111111，ID10101010和ID01010101的標(biāo)簽，如圖5所示.圖5(a)中最大的諧振器具有最低的諧振頻率，最小的諧振器具有最高的諧振頻率.去除標(biāo)簽上的C型微帶反向嵌套諧振器，相應(yīng)的頻譜特征就會(huì)消失.但是每個(gè)諧振器會(huì)對相鄰諧振器的諧振頻率產(chǎn)生影響，當(dāng)去除某一個(gè)諧振器時(shí)，相鄰諧振器的諧振頻率會(huì)發(fā)生偏移.為了減小這種對諧振頻率的影響，把邏輯狀態(tài)為“0”的諧振器短路，而不是去掉.

用HFSS軟件對圖5所示的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，得到圖6所示的3種典型編碼標(biāo)簽ID11111111，ID10101010和ID01010101的諧振曲線.把ID11111111標(biāo)簽作為參考標(biāo)簽，其8個(gè)諧振器對應(yīng)的諧振頻率分別為5.43、5.60、5.77、5.89、6.08、6.28、6.42和6.66 GHz，頻譜特征的凹陷深度處于-8.4到-11.4 dB之間，每個(gè)諧振器對應(yīng)的頻譜寬度固定，幅度一致性較好.圖6把對比標(biāo)簽ID10101010，ID01010101與參考標(biāo)簽ID11111111的諧振曲線進(jìn)行對比，把邏輯狀態(tài)為“0”的諧振器用微帶線短路，相鄰邏輯狀態(tài)為“1”的頻譜特征的中心頻率并沒有發(fā)生較大偏移.但是參考標(biāo)簽對應(yīng)的諧振頻率為5.77 GHz頻點(diǎn)時(shí)，對比標(biāo)簽ID10101010對應(yīng)的諧振頻點(diǎn)偏離了20 MHz，其余頻點(diǎn)和參考標(biāo)簽對應(yīng)的頻點(diǎn)基本一致，頻譜特征的凹陷幅度也和參考標(biāo)簽基本吻合；當(dāng)參考標(biāo)簽對應(yīng)的諧振頻率為6.28 GHz頻點(diǎn)時(shí)，對比標(biāo)簽ID01010101偏離了50 MHz，其余頻點(diǎn)和參考標(biāo)簽對應(yīng)的頻點(diǎn)相同，但是單個(gè)諧振器的帶寬為118 MHz.從上面的頻譜特性可以看出，每個(gè)諧振器的頻譜寬度基本不變，約為120 MHz，再增加一個(gè)80 MHz的保護(hù)頻帶，那么每一個(gè)諧振器占據(jù)200 MHz的帶寬.也就是說此類無芯片標(biāo)簽單個(gè)諧振頻譜特征的頻率分辨率是200 MHz，為了防止檢測錯(cuò)誤，諧振器的帶寬必須小于這個(gè)值.

從圖4得知，對于頻率為6.15 GHz的基波，在9.63 GHz處還有一個(gè)諧波，它的出現(xiàn)會(huì)干擾處于9.63 GHz處對應(yīng)的諧振器的頻譜特性，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤碼.所以，可用的編碼頻段只能是處于6.15到9.63 GHz這一段，總共可以得到17個(gè)頻率位置編碼.為增大編碼容量，可以減小第一位編碼的諧振器尺寸，讓其諧振頻率提高，這樣可用帶寬會(huì)增加，而本文提出的諧振器無論尺寸怎么變化，諧振特征的頻譜寬度基本保持不變，增加了編碼容量，但是最后會(huì)受到微帶加工精度的限制.

圖5 無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)Fig.5 Chipless tag structure

圖6 3種典型編碼標(biāo)簽的諧振曲線Fig.6 Resonance curves of three typical coding tags

圖7是參考標(biāo)簽的仿真和測試頻譜特征曲線，測試和仿真的諧振頻率基本一致，第6諧振頻點(diǎn)和第8諧振頻點(diǎn)偏移稍大，分別為90和130 MHz.圖7曲線中仿真的頻譜幅度比實(shí)測的頻譜幅度要大，這是因?yàn)樵跍y試過程中連接標(biāo)簽和UWB天線的轉(zhuǎn)接頭有一定的插損，UWB天線的匹配性能不是處于最優(yōu)狀態(tài)也會(huì)帶來一定的損耗，因此實(shí)測和仿真幅度大約相差6～7 dB.圖8是實(shí)測圖5中制作的3種典型編碼標(biāo)簽頻譜特征對比曲線.實(shí)測曲線顯示了兩種編碼的正確頻譜特征，當(dāng)諧振器短路時(shí)，對應(yīng)的頻譜特征消失，編碼狀態(tài)由邏輯“1”變?yōu)檫壿嫛?”狀態(tài).所有實(shí)測的標(biāo)簽編碼邏輯狀態(tài)為“1”的頻譜特征對應(yīng)的諧振頻率基本一致，不會(huì)產(chǎn)生大的偏移.

圖7 參考標(biāo)簽仿真和實(shí)測的頻譜曲線Fig.7 Simulated and measured spectrum curves for reference tag

圖8 實(shí)測圖5 3種典型編碼標(biāo)簽的頻譜曲線Fig.8 Measured spectrum curves of three typical coding tags in Figure 5

3 性能分析

因?yàn)椴捎昧吮疚奶岢龅闹C振器結(jié)構(gòu)，各個(gè)諧振器對應(yīng)的諧振頻譜沒有擴(kuò)展，占用帶寬基本相同.但是最高位的諧振器受到最低位諧振器的高次諧波限制，如圖9所示，最低位諧振器的諧振頻率是5.43 GHz，它產(chǎn)生的諧波是7.69 GHz，那么最高位諧振器對應(yīng)的諧振頻率就不能超過7.69 GHz.為增加可編碼的頻帶寬度，可提高最低位諧振器的諧振頻率，即減小諧振器的尺寸，因?yàn)槊總€(gè)諧振器所對應(yīng)的帶寬是固定的，這樣可以增加編碼容量.最后編碼容量的增加受諧振器尺寸的加工精度等因素的約束.

為減小標(biāo)簽面積，需要減小諧振單元之間的距離，但是單元之間的互耦會(huì)增強(qiáng).本文采用的是邏輯狀態(tài)為“0”時(shí)將諧振單元短路，而不是去掉，所以其互耦不會(huì)發(fā)生變化，因此不會(huì)影響諧振頻率點(diǎn).圖10是當(dāng)諧振器間距d3改變時(shí)，標(biāo)簽的頻譜特征和諧振頻率的變化.可以看到，d3增大時(shí)，頻譜特征的幅度沒有改變，而諧振頻率略有增加，但還是能夠清晰地分辨出每個(gè)諧振器對應(yīng)的諧振頻譜特征.

圖9 標(biāo)簽ID11111111的頻譜曲線Fig.9 Spectrum characteristics of tag ID11111111

圖11為結(jié)構(gòu)參數(shù)t改變時(shí)的諧振曲線.當(dāng)t變化時(shí)，諧振點(diǎn)對應(yīng)的幅度基本不變，大概在-13 dB左右上下波動(dòng)；但是諧振頻率會(huì)隨t增大，向高頻端移動(dòng).圖12為微帶寬度w2改變時(shí)的諧振曲線，從圖中看到，隨著w2變寬，諧振頻率向低頻端移動(dòng)，而且?guī)捯搽S著拓寬，諧振凹陷的深度加深.

圖11 參數(shù)t改變的諧振曲線Fig.11 Resonance curves of different parameters t

圖12 微帶寬度w2改變的諧振曲線Fig.12 Resonance curves of different microstrip widths w2

4 結(jié)語

提出一種具有固定帶寬的C型微帶反向嵌套的諧振器構(gòu)成的可重發(fā)無芯片RFID標(biāo)簽?zāi)Ｐ?分析了單個(gè)諧振器的頻譜特征，以便更好地應(yīng)用到無芯片標(biāo)簽的設(shè)計(jì)中.通過軟件建模仿真和做板實(shí)測來驗(yàn)證8 b C型微帶反向嵌套諧振器耦合微帶傳輸線的標(biāo)簽，比較結(jié)果證實(shí)了仿真和實(shí)測的一致性和正確性.