高 偉，馬潤波

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

0 引 言

射頻識別(RFID)技術在物聯(lián)網(wǎng)應用中發(fā)揮著至關重要的作用[1]. 無芯片RFID傳感器不需電池供電，直接從閱讀器的電磁場中提取能量. 與傳統(tǒng)傳感器相比，無芯片RFID傳感器具有低成本、工作壽命長等優(yōu)點[2,3]. 文獻[4]介紹了多種無芯片RFID傳感器，如濕度、溫度、壓力及PH傳感器等.

無芯片標簽僅靠反射閱讀器發(fā)射來的電磁波傳輸數(shù)據(jù)，反射信號能量很弱，傳輸距離較短. 因此，遠距離RFID標簽成為當下一個研究熱點. 文獻[5]標簽的基本單元是在三角形金屬貼片上刻蝕一組三角形槽，由6個基本結構組成陣列實現(xiàn)遠距離檢測的設計. 結果表明，與單個貼片相比，陣列的接收信號水平增加了3 dB～13 dB左右. 文獻[6]設計了一種基于“I”形貼片諧振器的無芯片RFID標簽，在水平和垂直方向上重復設置使得RCS響應幅值顯著提高. 文獻[7]利用周期陣列結構來提高無芯片RFID標簽RCS響應. 仿真表明，通過增加單元數(shù)量，可以同時提高RCS和標簽響應Q值. 此外，實際環(huán)境中標簽的響應容易受周圍環(huán)境雜波的干擾. 為了實現(xiàn)更高的檢測能力，設計具有較強環(huán)境適應力的標簽非常有必要. 在線極化電磁波激勵下，文獻[8]介紹了一種無芯片RFID標簽的工作原理，發(fā)射天線發(fā)射垂直或水平的極化信號，接收天線接收極化方向與發(fā)射正交的信號. 文獻[9]利用圓極化電磁波增強無芯片RFID標簽的可讀性，該閱讀器產(chǎn)生一個右旋圓極化(RHP)電磁信號，具有極化變換特性的標簽使得其以右旋圓極化來散射信號，而背景中物體則將散射左旋圓極化(LHP)信號. 文獻[10]提出了一種類似方環(huán)形諧振器的極化變換標簽，提高了在現(xiàn)實環(huán)境中檢測的可靠性. 文獻[11]介紹了一種濕度傳感器，利用敏感材料PVA (Polyvinyl Alcohol)[12]實現(xiàn)濕度傳感.

用于濕度傳感的極化變換無芯片RFID標簽工作原理如圖 1 所示. 閱讀器通過發(fā)射天線Tx發(fā)射水平極化的寬帶脈沖信號激勵目標傳感器，傳感器標簽和周圍環(huán)境中的物體都會對此水平極化波產(chǎn)生反射. 環(huán)境產(chǎn)生的反射波極化方向一般不會發(fā)生改變，但具有極化變換特性的傳感器標簽可以使水平入射波變換為垂直極化散射波，因此，垂直接收天線Rx接收到的信號主要來自傳感器標簽的后向散射的垂直極化信號，對環(huán)境雜波具有抑制作用.

圖 1 無芯片RFID傳感器的工作原理Fig.1 Working principle of the chipless RFID sensor

本文設計了一種具有極化變換特性的無芯片RFID標簽，用于遠距離濕度傳感. 編碼單元利用交叉極化技術克服了無芯片RFID系統(tǒng)的可讀性和魯棒性問題，傳感單元的設計具有傳感諧振器頻移與相對濕度變化的確定關系. 此外，最終設計采用了標簽陣列結構，可顯著提高雷達散射截面(RCS)，有利于實現(xiàn)遠距離傳感.

1 無芯片RFID濕度傳感器設計

如圖 2 所示，本文提出的濕度傳感器標簽設計在雙面覆銅FR-4基板上，基板厚度為0.8 mm，相對介電常數(shù)為4.3.

(a) 側視圖

(b) 頂視圖圖 2 無芯片RFID傳感器標簽結構Fig.2 Chipless RFID sensor tag structure

頂層覆銅蝕刻標簽的各諧振器，包含傳感諧振器和編碼諧振器，底層金屬作為接地板. 傳感諧振器位于標簽中心區(qū)域，是長為lr，寬為wr的雙螺旋金屬條帶，其中螺旋線寬為ws，螺旋線間隙為gs. 如圖2(b)所示，編碼諧振器由位于傳感諧振器四周的4組彎曲啞鈴形條帶構成，對角組兩兩相同，每組編碼諧振器包含2個不同諧振頻率的條帶，這種排布有助于提高諧振器的RCS. 整個編碼諧振器共包含4種不同諧振頻率的條帶，分別標識為ID1～ ID4，因此，編碼諧振器可以承載4位二進制編碼. 將具有吸水性的濕度敏感材料PVA(Polyvinyl Alcohol)附著在傳感諧振器上，當PVA所處環(huán)境濕度變化時，會具有不同的介電常數(shù)，從而影響傳感諧振器的諧振頻率. 無芯片RFID傳感器標簽的具體參數(shù)如表 1 所示，整個標簽尺寸為25 mm×25 mm×0.9 mm.

為了驗證設計的合理性，利用CST微波仿真軟件對所設計的濕度傳感器進行建模和仿真. 仿真模型如圖 3，在傳感器標簽正前方100 mm處，采用水平極化平面波激勵標簽并設置RCS探針來檢測標簽的后向散射信號.圖 4 給出了極化變換后垂直極化響應的RCS，可以看出在4 GHz～7.5 GHz的頻率范圍內(nèi)有5個明顯的諧振峰，前 4個諧振峰由編碼諧振器ID1～ID4產(chǎn)生，第5個諧振峰由傳感諧振器產(chǎn)生.

表 1 無芯片RFID傳感器結構參數(shù)Tab.1 Chipless RFID sensor structure parameters

圖 3 線極化平面波激勵標簽時的仿真模型

圖 4 無芯片RFID傳感器的RCS響應

為觀察各諧振器工作情況，圖 5 給出了傳感器標簽在不同頻率下的表面電流分布情況. 從圖 5(a)～5(d)可以看出，在 4.92 GHz, 5.40 GHz, 5.83 GHz, 6.30 GHz頻率下，最強電流分別集中在長度相同的一對對角彎曲啞鈴形諧振器表面. 從圖5(e)可以看出，在6.94 GHz下，最強電流集中在雙螺旋諧振器上. 可見各諧振器在特定頻率點處都表現(xiàn)出很強的電流，從而證實了各諧振頻率是由對應諧振器產(chǎn)生.

2 無芯片RFID濕度傳感器性能分析

2.1 交叉極化編碼分析

用于識別傳感器標簽的編碼信息儲存于編碼諧振器中，頻域編碼通常是利用不同長度的諧振器產(chǎn)生與其對應的諧振頻率來實現(xiàn). 普通條帶諧振器產(chǎn)生的諧振頻率可近似用式(1)來表征

(1)

式中：c為光速；εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)；L為諧振器的有效長度. 由式(1)可知，介質(zhì)基板選定后，諧振器的諧振頻率取決于其長度. 由于本文設計的編碼諧振器是通過在彎曲偶極子兩端加載電容性結構得到的彎曲啞鈴形條帶，該諧振器有利于縮短彎曲偶極子的物理長度并減小諧振器之間的耦合. 因此，相鄰諧振器可以放置得更近，使得傳感器標簽的總體尺寸明顯減小.

本文采用RCS的交叉極化分量對傳感器標簽進行編碼，通過改變彎曲啞鈴形條帶的數(shù)目來獲得標簽的不同編碼狀態(tài). 如圖 5 所示，每組彎曲啞鈴形條帶對應1個諧振頻率，當編碼諧振器存在時，相應頻率交叉極化RCS響應表現(xiàn)出峰值，記為邏輯“1”； 當編碼諧振器缺失時，相應交叉極化RCS的諧振峰消失，記為邏輯“0”. 對應圖 6 中4個示例標簽的RCS如圖 7 所示，以標簽(c)為例，當移除條帶ID3時，對應第3個諧振點消失，編碼為“1101”. 由圖 7 可以看到，移除條帶后對其它編碼位“1”的諧振頻率產(chǎn)生了微小影響，但在可正確解碼的接受范圍之內(nèi).

圖 6 四種不同編碼的標簽Fig.6 Chipless RFID sensor tags with four different codes

圖 7 交叉極化編碼結果Fig.7 Cross-polarization encoding simulation results

此外，將標簽放置在金屬結構上，驗證了交叉極化編碼的魯棒性. 在線極化平面波入射角度和極化角度均不變的情況下，將標簽(a)分別放置在尺寸為60 mm×60 mm，100 mm×100 mm，300 mm×300 mm的金屬結構上，其主極化響應和交叉極化響應如圖 8 所示. 從曲線可知，金屬結構的增加會掩蓋主極化響應的編碼信息，但對交叉極化響應沒有影響. 因此，采用交叉極化編碼的傳感器標簽具有編碼穩(wěn)定性強和抗金屬的特性.

圖 8 傳感器標簽的抗金屬特性Fig.8 RCS response of tag placed on MS of different sizes

2.2 濕度傳感性能分析

傳感器檢測到的環(huán)境濕度信息由傳感單元來反映，本文設計的濕度傳感單元為雙螺旋諧振器，該結構可等效為LC諧振電路模型，當受到電磁波激勵時，螺旋諧振器表面會產(chǎn)生感應電流，螺旋線上會有分布電容和分布電感產(chǎn)生，雙螺旋條帶的諧振頻率

(2)

式中：Cr為分布電容與寄生電容之和；Lr為分布電感.由此可知，在保證Lr不變的情況下，只調(diào)節(jié)螺旋線間隙的結構參數(shù)就可以改變雙螺旋條帶的諧振頻率. 本文通過改變PVA的介電常數(shù)可以改變諧振器的等效電容，使其諧振頻率發(fā)生偏移，實現(xiàn)濕度傳感功能.

在傳感器標簽尺寸確定后，通過調(diào)整結構參數(shù)對傳感單元的工作頻率進行微調(diào)，直到滿足諧振明顯且有較高幅值的設計要求為止.圖 9 給出了螺旋線間隙gs對傳感單元諧振頻率的影響.可以看出： 當gs逐漸增大時，傳感單元諧振頻率向高頻移動且幅值逐漸降低. 綜合考慮傳感器標簽的工作頻帶和RCS幅值，最終優(yōu)化得到雙螺旋諧振器的參數(shù)為lr=7.45 mm，wr=7.9 mm，ws=0.3 mm，gs=0.3 mm.

圖 9 gs對傳感單元諧振的影響Fig.9 Effect of gs on resonance of sensor unit

僅考慮恒溫25 ℃條件下的情況，根據(jù)文獻[13]中給出的數(shù)據(jù)，濕度變化范圍為50%RH～90%RH時，PVA的介電常數(shù)與相對濕度關系可擬合為εr=1.6+0.023 4RH(%). 據(jù)此本文通過改變PVA介電常數(shù)來模擬恒溫條件下環(huán)境濕度變化時的傳感性能. 對PVA建模并將其厚度設置為0.18 mm，介電常數(shù)范圍設置為2.77～3.71(50%RH～90%RH)，仿真結果如圖 10 所示.

圖 10 不同濕度下的RCS響應Fig.10 RCS response of the sensor at different humidity

圖 11 傳感器的靈敏度擬合曲線Fig.11 The sensitivity fitting curve of the sensor

隨著濕度的增加，PVA介電常數(shù)增大，傳感單元的諧振頻率降低，頻移總量可達84 MHz.圖 11 給出了傳感器頻率隨濕度變化的數(shù)據(jù)，以及靈敏度線性擬合曲線，可見該傳感器標簽實現(xiàn)了靈敏度為2.1 MHz/%RH的濕度傳感性能.

3 遠距離設計與分析

無芯片RFID傳感器標簽的傳感距離與后向散射信號的大小和接收機的靈敏度直接相關. 在給定傳輸功率下，可感知到傳感器標簽的閱讀距離由雷達方程表征為

(3)

式中：PT為傳輸功率；λ為波長；GT、GR為閱讀器天線的增益；Pmin為接收機靈敏度，即能夠檢測到的最小功率；σcross為傳感器標簽交叉極化RCS響應.

圖 12 3×3無芯片RFID傳感器標簽陣列結構Fig.12 3×3 chipless RFID sensor tag array structures

傳感器標簽陣列設計通過增加單元數(shù)量來增加交叉極化RCS響應，而不影響其諧振特性. 本文以圖6(a)為單元周期結構，重復周期為25 mm，設計了2×2、3×3無芯片RFID傳感器標簽陣列. 分別對2種傳感器標簽陣列建模，得到如圖 13 所示的交叉極化RCS響應結果.

圖 13 各陣列標簽的RCS響應比較Fig.13 Comparison of RCS response of different arrays

可以看到，兩種傳感器標簽陣列的RCS響應分別比單元結構增加了約8.3 dB和15.7 dB，這有助于提高傳感器的閱讀距離. 盡管單元之間的耦合使諧振頻率產(chǎn)生了少許偏移，但所有諧振峰還是明顯且相對穩(wěn)定的，具有較好的可鑒別性，可以從中獲取標簽的編碼和傳感信息.

4 實測結果

無芯片RFID傳感器的實測裝置如圖 14 所示，是由溫濕度控制裝置、2個超寬帶喇叭天線以及矢量網(wǎng)絡分析儀(Keysight N5222A)組成. 2個喇叭天線相互正交放置并與矢量網(wǎng)絡分析儀相連作為閱讀器收發(fā)天線，與端口1相連的喇叭天線發(fā)射0 dBm傳輸信號至傳感器標簽，與端口2相連的喇叭天線接收標簽的反射信號. 溫濕度控制裝置是由溫濕度控制器、超聲波霧化器、陶瓷加熱板和泡沫保溫盒組成.

圖 14 實測裝置Fig.14 Experimental setup

將如圖 15 所示加工好的傳感器標簽放置在天線正前方的泡沫箱內(nèi)進行測試.

圖 15 3×3傳感器標簽陣列實物Fig.15 Photo of fabricated 3×3 sensor tag array

對涂覆PVA的3×3傳感器陣列進行濕度傳感測試. 通過設置溫濕度控制器使保溫盒內(nèi)的溫度維持在25 ℃，相對濕度從50%增加至90%，每增加10%，超聲波霧化器停止工作10 min以確保PVA充分吸收水分.圖 16 為在不同濕度環(huán)境下 3×3 濕度傳感器陣列的測試結果. 由圖可知，傳感器陣列在5.2 GHz～7.5 GHz的頻率范圍內(nèi)有明顯的5個諧振峰，與仿真結果相比，實測的諧振頻率整體向右移動了0.5 GHz，這是由介質(zhì)板介電常數(shù)偏差及加工誤差所引起的. 相對濕度從50%增加到90%的過程中，明顯可見編碼單元的諧振頻率基本保持不變，但傳感單元的諧振頻率從 7.33 GHz 降低至 7.18 GHz，頻移量為150 MHz，實際靈敏度約為3.7 MHz/%RH，與仿真結果相比靈敏度提高. 這是由于實際涂抹的PVA在干燥成型后比仿真中的厚度更厚，也證實了PVA對濕度敏感的特性.

圖 16 不同濕度下3×3傳感器陣列的實測結果Fig.16 |△S21| of the 3×3 sensor array at different humidity

根據(jù)式(4)和式(5)計算3×3標簽的RCS，以便使用雷達方程估計標簽的讀取范圍.

(4)

(5)

式中：σTag為標簽的RCS；σref為與標簽相同尺寸金屬板的RCS；a、b為金屬板的長和寬.

實測中采用與文獻[14]增益接近的喇叭天線進行測試，其增益為GT=GR=15.3 dB，接收機靈敏度為Pmin=-70 dBm. 通過計算本文所設計的3×3陣列傳感器標簽可實測的距離為1.4 m，與文獻[14]采用交叉極化編碼的RFID標簽陣列(3×3)實現(xiàn)的0.77 m距離相比，本文在增加傳感功能的情況下仍保持了較遠的閱讀距離.

5 結 論

本文設計了一種具有濕度傳感功能的極化變換無芯片RFID標簽. 采用交叉極化編碼和介電常數(shù)傳感方案，實現(xiàn)了4 Bit編碼數(shù)據(jù)和實測靈敏度約3.7 MHz/%RH的識別和濕度傳感功能. 此外，本文設計的傳感器標簽陣列實現(xiàn)了RCS響應幅值的提高，實驗結果驗證了該傳感器遠距離工作的可靠性與可行性. 相比于現(xiàn)有的無芯片RFID傳感器，該標簽具有1.4 m的遠距離傳感潛力，具有較好的實用性.