大容量無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)探索*

張 昭，鄒傳云，黃保虎

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

從1999年物聯(lián)網(wǎng)概念的提出到現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)已初步具備了一定的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。近來(lái)，由于物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是下一代互聯(lián)網(wǎng)，是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”[1]，因而備受關(guān)注。然而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度卻并不快，其制約因素就是無(wú)法找到一個(gè)合適的識(shí)別裝置為每一個(gè)物體分配一個(gè)唯一的ID，無(wú)芯片標(biāo)簽被認(rèn)為是解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)。本文將展示一種新型標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，這一標(biāo)簽結(jié)構(gòu)容量大、尺寸小，目前還處于探索階段。

近年來(lái)，利用目標(biāo)的自然響應(yīng)頻率[2]來(lái)識(shí)別物體成為無(wú)芯片標(biāo)簽發(fā)展的新方向[3]，但大多都是關(guān)注于目標(biāo)響應(yīng)結(jié)果的頻率點(diǎn)提取的算法[4]，也出現(xiàn)了少數(shù)新的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)并不完美，或是尺寸有待改進(jìn)，或是容量有待提升，或是帶寬有待縮短。

本文展示一種新的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，具有容量大、尺寸小和帶寬小等優(yōu)點(diǎn)。目前該結(jié)構(gòu)還處于仿真階段，仿真平臺(tái)是FEKO電磁場(chǎng)仿真軟件。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)目標(biāo)受到電磁波照射時(shí)，在目標(biāo)的表面會(huì)激勵(lì)出感應(yīng)電荷和感應(yīng)電流，形成電磁場(chǎng)，發(fā)生電磁波散射[5]，該散射場(chǎng)是頻率、目標(biāo)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)材料等的函數(shù)[6]。如果能找到具有規(guī)律頻譜圖的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，就可以用于物體識(shí)別。當(dāng)橢圓的短軸半徑r與長(zhǎng)軸半徑R的比值μ在一定范圍內(nèi)時(shí)（假定X方向?yàn)槎梯S，Y方向?yàn)殚L(zhǎng)軸），就有圖1（b）所示的頻譜圖。當(dāng)μ在一定范圍內(nèi)時(shí)，改變R，其諧振頻率會(huì)發(fā)生明顯的偏移，R越大，諧振頻率越低，R越小，諧振頻率越高；改變r(jià)，其諧振頻率也會(huì)發(fā)生偏移，當(dāng)r取值合適時(shí)，其諧振頻率幾乎不偏移，當(dāng) r大于某一值時(shí)，其諧振頻率會(huì)在較小的范圍內(nèi)移動(dòng)。

圖1 橢圓標(biāo)簽及其頻譜圖

圖1（a）所示的橢圓標(biāo)簽參數(shù)的設(shè)置為R=20 mm，r=1mm，圖 1（b）是圖 1（a）的頻譜圖，其中 RA1=RA2=RA3=RA4=20 mm，rA1=1mm，rA2=0.01 mm，rA3=4 mm，rA4=8 mm。 從圖 1（b）可以看出，橢圓標(biāo)簽短軸半徑取某一值時(shí)其頻譜圖的峰值有最小值。

如果將不同μ值的橢圓排成一個(gè)序列，是不是應(yīng)該得到一個(gè)波峰波谷相間分布的頻譜圖？仿真結(jié)果證明了該設(shè)想，如圖2所示。圖中橢圓的短軸半徑均為r=0.1 mm，R 分別取 20 mm、19.5 mm、19 mm、18.5 mm、18 mm 并按等差遞減等間距排列，間距 d=0.1 mm。從圖 2（b）中可以看出， 標(biāo)簽不同角度入射波 （分別為 0°、30°、60°及90°）的頻率響應(yīng)曲線基本重合，只是在幅度上有些差別。仿真結(jié)果表明，單個(gè)橢圓標(biāo)簽的諧振頻率和與其相對(duì)應(yīng)橢圓標(biāo)簽陣列的響應(yīng)頻率并不完全對(duì)應(yīng)，除了第一個(gè)波峰向左偏移了外，其余的均向右偏移了，而且其幅度差別也很大，并不是簡(jiǎn)單地線性相加的結(jié)果。

圖2 橢圓標(biāo)簽陣列及其頻譜圖

2 仿真分析

對(duì)包含有21個(gè)橢圓標(biāo)簽的標(biāo)簽陣列進(jìn)行較為細(xì)致的分析對(duì)比，來(lái)考查這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

r不變，不同R的橢圓標(biāo)簽序列的頻譜圖如圖3所示，采用的入射角度分別為 0°、30°、60°和 90°。 它所對(duì)應(yīng)的橢圓標(biāo)簽陣列的設(shè)置為：r=0.1 mm，且r不變；R從20 mm起按步長(zhǎng)ΔR=0.005 mm等差遞減排列，間距d=0.1 mm共21個(gè)橢圓標(biāo)簽，它應(yīng)該產(chǎn)生20波谷和21個(gè)波峰。然而仿真結(jié)果并非如此，它只有20個(gè)波峰，19個(gè)波谷。與圖2相比，其波峰波谷更密集地分布在3.4 GHz～4.6 GHz的頻率范圍內(nèi)，其諧振頻率之間的間隔更小，這是由不同的長(zhǎng)軸半徑差ΔR所導(dǎo)致的。不同的ΔR會(huì)有不同的頻率間隔，總的來(lái)說(shuō)，ΔR越小，頻率間隔越小，但并不是越小越好，當(dāng)ΔR小于某一值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致一些諧振頻率消失，這也是圖 3（a）只有 20個(gè)波峰 19個(gè)波谷的原因之一。影響諧振頻率間隔的還有標(biāo)簽的間距d和標(biāo)簽的排列順序，它們同樣會(huì)使一些諧振頻率消失。在其他設(shè)置相同的情況下，排列順序?qū)@種現(xiàn)象的影響很大，圖3（b）顯示了這種影響。其所對(duì)應(yīng)的橢圓標(biāo)簽陣列，除了排列順序不同外其他都一樣，在排列順序上把第 2與 21、3與 20、4與 19、5與 18互換了位置，其頻譜圖就出現(xiàn)了如此大的區(qū)別，可以看出，其間只有2個(gè)波谷 3個(gè)波峰。圖 3（d）是兩個(gè)不同 ΔR的橢圓標(biāo)簽陣列的頻譜圖的對(duì)比，A1與圖 3（a）的設(shè)置一致，A2中的ΔR=0.5 mm，其有用信號(hào)部分分布在3.5 GHz～9 GHz的頻率范圍內(nèi)。 圖 3（c）是圖 3（a）在 3.0 GHz～5.0 GHz 范圍內(nèi)的放大圖，從圖中可以看出，在某些波峰處，不同照射角度的諧振頻率有明顯的不同，而在波谷處幾乎不偏移。

圖3 不同R的橢圓標(biāo)簽序列的頻譜圖

假如移除其中的一個(gè)橢圓標(biāo)簽，其結(jié)構(gòu)改變前后的頻譜響應(yīng)圖會(huì)有什么不一樣的地方呢？假設(shè)移除第8個(gè)橢圓標(biāo)簽，并保持橢圓標(biāo)簽陣列之間的間距d不變。圖4是其頻譜圖的一部分，因?yàn)槠渌糠衷谥C振頻率處幾乎重合。其中曲線①代表的是移除第8個(gè)標(biāo)簽后的頻譜圖，曲線②與圖 3（d）的 A2設(shè)置完全相同，與曲線②相比，可以看出曲線①在原來(lái)的第8～9的波峰處出現(xiàn)了很大的不一致（在4 GHz以前只有1個(gè)波峰），即結(jié)構(gòu)改變后，相應(yīng)地少了一個(gè)波峰和波谷，它們出現(xiàn)在原來(lái)的第8～9波峰之間，隨后趨于一致，如果減小ΔR，即減小諧振頻率間隔，它們的重合度會(huì)更高。

圖4 改變標(biāo)簽結(jié)構(gòu)前后其頻譜圖對(duì)比

如果確保R不變，改變r(jià)會(huì)有什么樣的效果？仿真結(jié)果表明，這樣也會(huì)得到波谷波峰相間出現(xiàn)的頻譜圖，這時(shí)的頻譜圖更密集、更不規(guī)則，諧振頻率對(duì)標(biāo)簽排列順序、短軸半徑差Δr、標(biāo)簽之間的間隔等因素更敏感，各個(gè)角度（0°、30°、60°和 90°）照射的頻譜圖也不相同，如圖 5 所示。由于影響因素太多，目前還沒(méi)有仿真出比較好的頻譜圖。

圖5 改變r(jià)的橢圓標(biāo)簽陣列的頻譜圖

本文論述了一種新型的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在r不變時(shí)，該結(jié)構(gòu)不同角度照射的諧振頻率幾乎完全一致，改變結(jié)構(gòu)時(shí)，頻譜圖變化不大，容量很大，本文只是象征性地列舉了含有21個(gè)標(biāo)簽的標(biāo)簽陣列，只要工作帶寬允許，該結(jié)構(gòu)可以滿足實(shí)際需要。

[1]http：//www.cqcvc.com.cn/xinxi/newsdetails.aspx?id=4956.[2012-03-01].

[2]JALALY I，ROBERTSON I D.Capacitively tuned microstrip resonators for RFID barcodes[C].Proc.35th， EUMC’05，2005（4-6）： 1161-1164.

[3]羅春彬，易彬.RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].Communications Technology， 2009， 12（42）：112-114.

[4]TESCHE F M.On the analysis of scattering and antenna problems using the singularity expansion technique[C].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1973： 53-62.

[5]曹榮剛，鄒軍，袁建生.脈沖功率電源輻射電磁場(chǎng)測(cè)量與分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2009，21（9）：1426-1430.

[6]MANTEGHI M，RAHMAT-SAMII Y.Frequency notched UWB elliptical dipole tag with multi-bit data scattering properties[C].2007 IEEE Antennas and Propagation Society Int， 2007：789-792.