陳孟儒，陳 強(qiáng)，孫海靜，張崇琪，張 凱

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（the Internet of Things，IoT）產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度迅猛，其核心技術(shù)具有很大的應(yīng)用場景。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在各物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，其作用主要是在傳輸過程中為用戶端和物品端之間提供信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)信息提取、識(shí)別、追蹤定位等功能[1]。加速物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的速度離不開識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)因其可移動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。相比傳統(tǒng)條形碼和二維碼，無芯片標(biāo)簽具有無光條件下可識(shí)別的優(yōu)勢，在未來工業(yè)智能化發(fā)展下具有廣闊的應(yīng)用前景。目前限制傳統(tǒng)射頻識(shí)別技術(shù)發(fā)展的主要原因之一便是芯片的成本，選擇諧振電路代替內(nèi)部芯片的無芯片標(biāo)簽，既可以降低標(biāo)簽成本，又避免了有芯片標(biāo)簽的碰撞，極大程度上提高了識(shí)別的效率。

無芯片射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用雷達(dá)通信原理，將標(biāo)簽的信息加載在電磁信號(hào)（EM，electromagnetic signature）中，無芯片標(biāo)簽內(nèi)部不含有硅芯片，依據(jù)不同介質(zhì)基底具有的不同響應(yīng)特性的結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的編碼和識(shí)別[2]。無芯片標(biāo)簽可以根據(jù)數(shù)據(jù)編碼方式的不同主要分為三種，基于時(shí)域、頻域和相位/幅度的無芯片標(biāo)簽[3]。目前已經(jīng)在商業(yè)中使用的無芯片電子標(biāo)簽始于上世紀(jì)80年代末，利用聲表面波技術(shù)。它是典型的基于時(shí)域的無芯片標(biāo)簽，有別于IC芯片識(shí)別的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。對(duì)于SAW標(biāo)簽，壓電基底的材料選擇至關(guān)重要，其性能直接影響SAW標(biāo)簽的性能，但因其壓電材料的成本偏高，同時(shí)需要較大的尺寸來滿足編碼的需求，因此難以滿足市場的需求[4]。由于目前基于相位/幅度類型的無芯片標(biāo)簽具有結(jié)構(gòu)簡單、可量產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)；但編碼容量偏小，標(biāo)簽面積較大，制造成本相應(yīng)較高[5]。相比前面兩種標(biāo)簽，基于頻域的無芯片標(biāo)簽具有更大的編碼容量，尺寸較小，通過其結(jié)構(gòu)特性來完成編碼，極大程度上降低生產(chǎn)的成本；同時(shí)基于它的多變性、高容量的特點(diǎn)，一直是研究的焦點(diǎn)。

基于頻域自諧振的無芯片標(biāo)簽具有編碼容量大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)標(biāo)簽本身不含有天線，使得標(biāo)簽表面積減小，因此該標(biāo)簽的應(yīng)用場景更加廣泛[6]。標(biāo)簽的諧振器一般分為諧振中呈現(xiàn)帶阻特性的貼片型和諧振中呈現(xiàn)帶通特性的縫隙型兩種。目前常用的幾種諧振單元主要有U型貼片、U型縫隙、圓環(huán)形貼片、圓環(huán)形縫隙其他結(jié)構(gòu)等，此類自諧振器標(biāo)簽的諧振單元對(duì)標(biāo)簽性能起著確定性作用，因此可以用品質(zhì)因素Q的值評(píng)價(jià)標(biāo)簽性能[3]，如式(1)所示：

1 無芯片電子標(biāo)簽工作原理

無芯片射頻識(shí)別系統(tǒng)由閱讀器和無芯片電子標(biāo)簽組成，通過讀寫器發(fā)送檢測探測信號(hào)給無芯片標(biāo)簽，信號(hào)到達(dá)無芯片標(biāo)簽后被反射、散射，將包含無芯片標(biāo)簽特征信息的信號(hào)返回給讀寫器，系統(tǒng)工作原理如圖1所示?；陬l域編碼的無芯片電子標(biāo)簽的工作原理一般是將標(biāo)簽結(jié)構(gòu)所預(yù)設(shè)的編碼信息加載到反向散射的電磁波頻譜中，利用標(biāo)簽結(jié)構(gòu)在頻譜特征中形成的特定衰減或反射形成特定的編碼信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)0～1的編碼[7]。文章設(shè)計(jì)的基于頻率選擇表面的無芯片電子標(biāo)簽為單層銅箔結(jié)構(gòu)，利用在介質(zhì)板上層銅箔上周期性排列的縫隙結(jié)構(gòu)的頻率選擇特性，進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，通過反向散射回讀寫器進(jìn)行解碼信息。

圖1 無芯片標(biāo)簽工作原理

頻率選擇表面是一種二維陣列周期性排列而成的結(jié)構(gòu)，具有明顯的濾波特性，分為帶通和帶阻兩種情況[8]。呈現(xiàn)帶阻特性的貼片型諧振結(jié)構(gòu)，通過金屬貼片與基板構(gòu)成的頻率選擇表面形成對(duì)特定頻率入射波的反射，從而實(shí)現(xiàn)兩端口之間特定頻率的衰減，可根據(jù)其傳輸特性進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼；呈現(xiàn)帶通特性的縫隙型結(jié)構(gòu)，通過對(duì)特定頻點(diǎn)入射波的透射，形成對(duì)入射波的吸收，可根據(jù)其反射特性進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。如圖2所示，貼片型結(jié)構(gòu)等效電路可以為LC串聯(lián)諧振電路，縫隙型結(jié)構(gòu)等效電路可以為LC并聯(lián)諧振電路。

圖2 結(jié)構(gòu)模型和等效模型

設(shè)計(jì)的無芯片標(biāo)簽基于頻率選擇表面通過在介質(zhì)基板上層蝕刻一系列并排的諧振縫隙，每個(gè)諧振縫隙的寬度一定，長度不等，根據(jù)不同長度諧振縫隙產(chǎn)生不同的諧振頻率進(jìn)行無芯片標(biāo)簽的編碼[9]。諧振器的諧振頻率f由式(2)確定（C為自由空間光速，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，L為諧振縫隙的長度）：

2 基于頻率選擇表面的無芯片標(biāo)簽設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)特性確定

根據(jù)式(2)的原理，選用相對(duì)介電常數(shù)為2.2、損耗角正切0.0009的Rogers 5880為介質(zhì)覆銅板為介質(zhì)基板，在只考慮諧振縫隙長度和介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)的條件下，可以得出當(dāng)縫隙長度L為24mm時(shí)，諧振頻率f為5.4GHz。結(jié)構(gòu)示意圖3(a)與諧振縫隙的縫隙表面電流分布如圖3(b)所示，電流主要集中在諧振縫隙的兩端，可以通過改變諧振縫隙長度，而改變諧振頻率[10]。圖4為單諧振縫隙電磁仿真諧振曲線，基波頻率為5.39GHz，二次諧波在10.39GHz。

圖3 單諧振縫仿真圖

圖4 單諧振縫隙電磁仿真諧振曲線

通過HFSS三維電磁仿真軟件進(jìn)行建模仿真發(fā)現(xiàn)，控制諧振縫隙的長度可以產(chǎn)生不同的諧振頻率，諧振縫隙長度L1=20mm、21mm、22mm時(shí)的諧振曲線如圖5所示。隨著諧振縫隙長度的增加，諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)依次降低，因此可以通過不同長度的諧振縫隙進(jìn)行一系列的組合，從而進(jìn)行編碼信息。另外可以看出：諧振頻率并不隨著諧振長度的變化線性增加。

圖5 不同諧振縫隙長度的仿真諧振曲線

表1 不同長度諧振縫隙的諧振參數(shù)

將諧振縫隙的長度固定為21.5mm，諧振縫隙的寬度W1從0.2mm以步長0.1mm依次增加至0.6mm，得諧振縫隙寬度變化時(shí)的諧振曲線，如圖5所示。隨著諧振縫隙寬度的增大，諧振頻率的頻點(diǎn)依次增加，從0.2mm至0.6mm，諧振頻率偏移0.4GHz，偏移量較大。

表2 不同寬度諧振縫隙的諧振參數(shù)

將諧振縫隙寬度以0.5mm，第一條諧振縫隙的長度24mm，后序依次遞減2.5mm，以諧振縫隙的耦合間隙gap為變量，gap設(shè)置在1mm、1.5mm、2.0mm進(jìn)行仿真，得到耦合間隙與諧振曲線關(guān)系如圖6所示。隨著耦合間隙的逐步增大，各諧振縫隙的耦合效應(yīng)逐步減弱，各諧振頻點(diǎn)明顯往高頻移動(dòng)。

圖6 不同諧振縫隙寬度的仿真諧振曲線

圖7 不同耦合間隙的仿真諧振曲線

表3 不同諧振縫隙的諧振參數(shù)

2.2 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

通過仿真，在長度為L，寬度為W，厚度為H的介質(zhì)基板上進(jìn)行諧振縫隙編排。諧振縫隙的寬度均為W1，第一個(gè)諧振縫隙長度為L1，往后長度依次遞減2.5mm，相鄰諧振縫隙的耦合間距為d1，x和y為首個(gè)諧振縫隙在介質(zhì)基板上的坐標(biāo)。標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖8所示，具體參數(shù)如表4所示。

圖8 基于頻率選擇表面的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示意圖

表4 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 標(biāo)簽仿真與實(shí)驗(yàn)測試

3.1 無芯片標(biāo)簽仿真測試

圖9為5bit編碼的無芯片電子標(biāo)簽的諧振曲線，可以看出：諧振曲線中存在5個(gè)明顯的諧振峰，各諧振點(diǎn)的參數(shù)如表5所示，把每個(gè)凹陷頻點(diǎn)都記作編碼“1”，無凹陷的頻點(diǎn)記作編碼“0”，則此具有五個(gè)諧振縫隙的單層覆銅介質(zhì)板可構(gòu)成最高5bit的編碼標(biāo)簽，通過介質(zhì)板上諧振縫隙的有無，實(shí)現(xiàn)0～1編碼。

圖9 5bit編碼的無芯片電子標(biāo)簽的諧振曲線

表5 5bit編碼的參考標(biāo)簽諧振曲線參數(shù)值

以編碼為ID-11111編碼作為參考標(biāo)簽，分別仿真了編碼為ID-10100、ID-00101的標(biāo)簽，仿真結(jié)果的諧振曲線如圖10所示。由圖可知仿真的標(biāo)簽頻點(diǎn)相對(duì)于參考標(biāo)簽頻點(diǎn)，頻點(diǎn)一定的偏移，但偏移量不超過0.11GHz，幅值變化約為4dB左右。在偏移遠(yuǎn)小于頻率分辨率的情況下，可以忽略影響，將其劃歸為同一諧振頻點(diǎn)。以確保閱讀精度，降低標(biāo)簽誤碼率。

圖10 不同ID的5bit編碼的無芯片電子標(biāo)簽的諧振曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)測試

如圖11(a)所示的是基于頻率選擇表面的縫隙諧振結(jié)構(gòu)無芯片標(biāo)簽實(shí)物圖，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Rohde&Schwarz ZNB40作為標(biāo)簽的收發(fā)檢測儀器，將超寬帶收發(fā)天線分別連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩端口，兩天線間的測試距離為15cm，待測標(biāo)簽置于兩天線之間。測試結(jié)果如圖11(b)所示，實(shí)驗(yàn)測試的諧振點(diǎn)位置雖然出現(xiàn)一定的偏移，但最大偏移量不超過0.08GHz，可以認(rèn)為每個(gè)諧振點(diǎn)均能夠被準(zhǔn)確識(shí)別，不出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。

圖11 基于頻率選擇表面的5位縫隙諧振結(jié)構(gòu)無芯片標(biāo)簽

表6 不同編碼的標(biāo)簽諧振參數(shù)

4 結(jié)語

本文提出一款縫隙諧振結(jié)構(gòu)的3cm×3cm自諧振無芯片標(biāo)簽，可在Rogers 5880介質(zhì)板上實(shí)現(xiàn)完全印刷，在頻譜上實(shí)現(xiàn)了5bit的編碼容量，后續(xù)通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)編碼容量的擴(kuò)大。通過改變諧振縫隙在介質(zhì)基板上的有無，實(shí)現(xiàn)無芯片標(biāo)簽的編碼，該種標(biāo)簽通過對(duì)介質(zhì)基板的蝕刻，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)去除了天線，減小了標(biāo)簽的面積，同時(shí)有效降低了標(biāo)簽成本。以無芯片標(biāo)簽為載體的數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)會(huì)在圖書館、服裝行業(yè)、物流運(yùn)輸?shù)葓鼍按罅科占?，因此無芯片標(biāo)簽具有廣闊的應(yīng)用前景。