可完全印刷的無芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

賈 胤，鄒傳云

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)是一種利用無線電磁波進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的技術(shù)。該技術(shù)通過反向散射信號(hào)，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取數(shù)據(jù)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[1]。近年來，射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物流管理、 身份識(shí)別、貨物追蹤、空間定位和交通收費(fèi)等功能[2]。射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由標(biāo)簽、閱讀器和連接閱讀器的主機(jī)組成[3]。傳統(tǒng)的RFID標(biāo)簽中存在射頻集成電路(radio frequency integrated circuit，RFIC)，其價(jià)格昂貴，不適用于大規(guī)模、低成本的應(yīng)用環(huán)境。

無芯片RFID標(biāo)簽既不需要射頻集成電路,又不含有專用電源，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠的替代品，廣受國內(nèi)外研究者的青睞。無芯片RFID標(biāo)簽因自身的眾多優(yōu)勢(shì)，有望替代當(dāng)前廣泛使用的條形碼，用于遠(yuǎn)距離閱讀、非可視閱讀、自動(dòng)識(shí)別和追蹤。無芯片RFID標(biāo)簽按照編碼方式，主要分為基于時(shí)域、頻域、相位和圖像編碼。一個(gè)基于時(shí)域的、可打印在紙基上的無芯片RFID標(biāo)簽[4]，每一個(gè)比特的編碼都通過添加一個(gè)分流電容器到微帶線，標(biāo)簽的體積隨編碼容量線性提升。另一個(gè)基于時(shí)域編碼的表面聲波(surface acoustic wave，SAW)標(biāo)簽?zāi)茉谝粡埿庞每ǖ某叽鐑?nèi)(85.6 mm×53.98 mm)達(dá)到64 bit的編碼容量[5]。但是這種標(biāo)簽需要使用價(jià)格昂貴的壓電基片，并且要采用亞微米光刻工藝制造，使標(biāo)簽成本接近傳統(tǒng)標(biāo)簽。目前，基于相位編碼的無芯片標(biāo)簽由于受到相位分辨率的限制，不能達(dá)到大容量編碼的要求[6]；基于圖像編碼的無芯片RFID標(biāo)簽仍處于試驗(yàn)階段，且需要昂貴的亞微米印刷技術(shù)，因此并不實(shí)用。基于頻域編碼的無芯片RFID標(biāo)簽使用簡(jiǎn)單的輻射結(jié)構(gòu)，可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為唯一的電磁簽名(electromagnetic signature,EMS)。其數(shù)據(jù)密度比時(shí)域標(biāo)簽更高。然而，因?yàn)樵黾恿祟~外的諧振器,標(biāo)簽的尺寸同樣隨編碼容量的提升而線性增加。目前，研究者們致力于在可使用的頻譜上提升無芯片RFID標(biāo)簽的編碼容量，并實(shí)現(xiàn)小型化[7-8]。

本文提出了一種可完全印刷的縫隙開槽無芯片RFID標(biāo)簽。該標(biāo)簽采用I型諧振器作為散射單元，通過測(cè)量反向散射電場(chǎng)的雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別。該標(biāo)簽僅有一個(gè)導(dǎo)電層，可使用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[9-10]。由于標(biāo)簽同時(shí)采用了二進(jìn)制啟閉鍵控(on/off keying，OOK)和脈沖位置調(diào)制(pulse-position modulation，PPM)2種編碼方式，因此可以在較窄的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)大容量編碼，大幅提高了頻譜利用率。

1 基本原理

頻率選擇表面(frequency selective surface，F(xiàn)SS)是由大量相同單元按照一定規(guī)律排列組成的單層或多層結(jié)構(gòu)，其自身并不吸收能量，特性隨入射波的頻率而變化。當(dāng)特定頻帶的入射波照射時(shí)，產(chǎn)生全反射(貼片型)或全透射(縫隙型)。這種頻率選擇特性取決于諧振單元的排列方式、結(jié)構(gòu)尺寸和加載的介質(zhì)。為了讓標(biāo)簽具有廣泛的適用性，本文設(shè)計(jì)的無芯片RFID標(biāo)簽采用了縫隙結(jié)構(gòu)，無需使用接地板。在實(shí)際應(yīng)用中，只需根據(jù)介質(zhì)參數(shù)調(diào)整縫隙結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)板上有規(guī)律地蝕刻出一些縫隙。根據(jù)天線基本原理，當(dāng)偶極子的長度為半波長的整數(shù)倍時(shí)，天線將會(huì)產(chǎn)生諧振，在平面電磁波的激勵(lì)下產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成電磁散射。

標(biāo)簽的身份識(shí)別(identification,ID)信息存于標(biāo)簽的圖形結(jié)構(gòu)中，不同長度的縫隙對(duì)應(yīng)不同的諧振頻率。依據(jù)縫隙的存在或缺失，在頻譜上形成有效的簽名，以達(dá)到編碼的目的。縫隙諧振器的諧振頻率可以根據(jù)式(1)估算[11]。

(1)

式中：c為光速；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

如果半波諧振器被放置在金屬片上，它將根據(jù)式(1)給出頻率簽名。如果有N個(gè)不同長度的諧振器，就會(huì)產(chǎn)生N個(gè)不同的諧振頻率。圖1是諧振頻率為4.8 GHz的單個(gè)縫隙的仿真結(jié)果。由圖1可以看到，4.8 GHz諧振槽的二次諧波不會(huì)出現(xiàn)在9.6 GHz，但三次諧波出現(xiàn)在14.4 GHz，已經(jīng)遠(yuǎn)離超寬帶(ultra wideband，UWB)頻帶(3.1～10.6 GHz)。因此，在UWB頻帶內(nèi)不會(huì)形成二次諧波的干擾，確保了本設(shè)計(jì)的魯棒性。

圖1 單個(gè)縫隙的RCS頻譜曲線Fig.1 RCS spectrum curve of a single gap

圖2是控制縫隙長度分別為18 mm、20 mm、22 mm、24 mm、26 mm時(shí)，相對(duì)應(yīng)的RCS頻譜曲線。從圖2中可以看出，不同縫隙長度的諧振器有不同的諧振頻率，可組合成有效的編碼。此外，隨著縫隙長度的增加，對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)頻率相應(yīng)減小。

圖2 不同長度縫隙的RCS頻譜曲線Fig.2 RCS spectrum curves of gaps with different lengths

2 無芯片RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的縫隙開槽無芯片RFID標(biāo)簽如圖3所示。在介質(zhì)基板上，采用蝕銅工藝并排蝕刻出一系列有規(guī)律的縫隙。不同縫隙長度的偶極子會(huì)在特定的頻點(diǎn)諧振。基板采用厚度h=1.6 mm、相對(duì)介電常數(shù)ε=2.45、損耗角正切tanδ=0.001 9的Taconic TLX-0。基板長L=30 mm，寬W=17 mm。縫隙寬Wslot=0.5 mm，從最長到最短的縫隙編號(hào)分別為a、b、c、e。為了減小縫隙間的寄生干擾，取縫隙間距d=3 mm,縫隙距離介質(zhì)邊界Ws=3 mm。

圖3 無芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of chipless RFID tag

圖4給出了本文提出的無芯片RFID標(biāo)簽工作原理。標(biāo)簽由閱讀器發(fā)射天線(Tx)的平面電磁波激發(fā)，根據(jù)特定諧振器的尺寸，在后向散射信號(hào)中形成頻譜簽名。接收天線(Rx)接收到隱含編碼信息的后向散射信號(hào)，閱讀器記錄并提取這個(gè)獨(dú)有的頻譜簽名，交由主機(jī)處理，恢復(fù)編碼信息。

圖4 無芯片RFID標(biāo)簽工作原理圖Fig.4 Working principle of chipless RFID tag

表1給出了諧振頻率和縫隙長度的關(guān)系。

表1 縫隙長度和諧振頻率的關(guān)系Tab.1 Relationship between gap length and resonant frequency

以縫隙a為例，當(dāng)La的長度發(fā)生變化時(shí)，諧振頻率也會(huì)發(fā)生變化，使得諧振發(fā)生在以4.0、4.2、4.4為中心頻率的200 MHz的頻帶內(nèi)。本文結(jié)合了OOK和PPM兩種編碼方式。在這些頻帶內(nèi)存在諧振，可分別編碼01、10、11。當(dāng)3個(gè)頻帶均沒有檢測(cè)到諧振，則編碼為00。僅用4個(gè)諧振器，即可達(dá)到8 bit的編碼容量。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，設(shè)計(jì)了2款不同ID的標(biāo)簽，分別代表11111111和01101100。無芯片RFID標(biāo)簽是通過電磁仿真軟件FEKO進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的，建模時(shí)要把諧振單元設(shè)置為理想電導(dǎo)體。激勵(lì)波以均勻平面波入射到標(biāo)簽表面，可得這2款標(biāo)簽的RCS響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 RCS響應(yīng)曲線Fig.5 RCS response curves

從圖5中可以看到，ID為11111111的標(biāo)簽分別在以4.4 GHz、5.0 GHz、5.6 GHz、6.2 GHz為中心頻率的頻帶內(nèi)諧振；ID為01101100的標(biāo)簽分別在以4.0 GHz、4.8 GHz、5.6 GHz為中心頻率的頻帶內(nèi)諧振，且最后一個(gè)諧振點(diǎn)消失了，代表編碼00。另外，必須注意到，由于偶極子諧振器的相互耦合作用，諧振頻率會(huì)有一定的偏移，這可以通過簡(jiǎn)單的信號(hào)處理技術(shù)克服。這種頻率偏移還和標(biāo)簽使用的環(huán)境有關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮使用環(huán)境的影響。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了由多個(gè)縫隙諧振器構(gòu)成的無芯片RFID標(biāo)簽。這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、制作簡(jiǎn)單。由于沒有接地板，該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于任何物體表面，并能用導(dǎo)電油墨實(shí)現(xiàn)完全印刷。它的工作頻帶為UWB范圍的3.9～6.3 GHz。為了增加識(shí)別距離，同時(shí)滿足美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission,FCC)對(duì)能量頻譜密度(-41.3 dBm/MHz)

的規(guī)定，使用窄帶脈沖激勵(lì)標(biāo)簽。標(biāo)簽的大小為30 mm×17 mm，僅用4個(gè)諧振器，即可達(dá)到8 bit的編碼容量，并且留下了足夠的帶寬供編碼容量擴(kuò)展。

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