基于雙極化波激勵的新型無芯片RFID標簽設計*

夏正浩， 鄒傳云， 王金魁， 郎躍磊

(西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引 言

無芯片標簽不含任何芯片和微控制器，較傳統射頻識別(radio frequency identification,RFID)標簽[1]，價格降低的同時也提高了系統識別效率[2]。文獻[3]提出的基于圓環縫隙的標簽結構，圓環結構的極化不敏感特性方便了閱讀器各個角度的讀取，但標簽不容易起振。文獻[4]提出的一種具有雙極化特性的“I”型縫隙標簽結構，編碼容量僅提高2倍且標簽尺寸相對較大。文獻[5]中提出的“C”型標簽結構，根據標簽結構特性所提出的混合編碼方式將編碼容量增加4倍，但標簽編碼方式復雜，且對閱讀器的識別性能提出了較高的要求。

本文設計了一種新型緊湊的雙極化無芯片標簽，通過在標簽基板上蝕刻左右對稱的具有正交極化特性的“M”型縫隙諧振器，編碼容量加倍，高Q值的標簽雷達散射截面(radar cross section,RCS)響應具有尖銳的陷波凹口，可以清楚地分辨各個諧振點，利用頻移編碼技術進一步提高了標簽的編碼容量。

1 標簽結構和工作原理

圖1所示為12 mm×18 mm的無芯片標簽結構，由蝕刻在矩形基板上的2組對稱的“M”型縫隙諧振器構成，基板材料為Taconic TLX-8(介電常數εr=2.23，損耗角正切tanδ=0.001 9，厚度h=0.5 mm)。通過電磁仿真軟件(CST)對標簽尺寸參數進行優化，獲得在6～14 GHz固定帶寬內不同的諧振頻點。圖中L1～L4分別為7.5,6.4,5.1,3.5 mm;M1～M4分別為1,1.3,1.8,2.5 mm;W,S,D分別為0.2，0.3，1.3 mm。

每個縫隙諧振器對應一個諧振頻率，最小長度的諧振器以最高的諧振頻率諧振，最大長度的諧振器將以最小諧振頻率諧振[6]。當縫隙諧振器存在時，回波信號的RCS頻譜上便有對應的諧振點，將其編碼為“1”；當縫隙諧振器缺失時，接收到的RCS頻譜上對應的諧振點消失，編碼為“0”。通過改變諧振器的數目，便可以獲得標簽的不同編碼狀態。該方法為目前文獻中使用最為廣泛的標簽編碼方法[7～10]。

圖1 無芯片標簽結構

無芯片RFID系統的工作原理如圖2所示，閱讀器通過一對雙極化天線發射入射波照射雙極化標簽，標簽受到入射波激勵便會反向散射與結構自身相關的回波信號，閱讀器的一對雙極化天線接收到編碼回波信號后，便會通過相應的信號處理算法解碼標簽，獲得標簽的編碼信息，完成對無芯片標簽的檢測和識別。

圖2 雙極化無芯片RFID標簽的工作原理

2 標簽特性分析

為更好說明所設計標簽結構特性，分別用-45°和+45°極化波照射圖1中標簽左半部分結構，其RCS仿真曲線如圖3所示。

圖3 雙極化波照射后的RCS仿真曲線

4個“M”型縫隙諧振器在-45°極化波照射下產生4個諧振頻率點，諧振特性明顯可清楚地識別各個諧振頻率，分別為7.16，8.54，10.30，12.56 GHz。而在+45°極化波照射下，標簽沒有反應，表明其對正交極化波具有良好的抗干擾性。高Q值的RCS諧振響應具有更尖銳的凹口，每個諧振器分配2 GHz的信道帶寬。4個“M”型縫隙諧振器通過旋轉90°得到另一組對稱的縫隙諧振器，同樣使用±45°雙極化波照射，標簽只對+45°的極化波的照射產生響應，因此，只有相同極化角度的閱讀器天線才能接收到其響應信號。

閱讀器通過利用一對正交極化的發射天線激勵標簽結構，閱讀器一對正交極化接收天線可以解碼2組編碼信息，實現編碼容量加倍。±45°極化波照射圖1所示標簽結構得到的RCS仿真曲線如圖4所示。

圖4 ±45°極化波照射標簽結構的RCS仿真曲線

可以得出，左右對稱的2組“M”型縫隙諧振器分別很好地響應2個角度的極化入射波，諧振頻率相互吻合。

3 無芯片標簽的編碼分析

在固定帶寬內，極化復用只能將編碼容量加倍，為進一步增加編碼容量，根據標簽RCS響應特性，使用頻移編碼技術。利用-45°極化波照射該標簽，左側標簽響應，通過減少L2的長度，其對應諧振頻率向右發生頻移，利用諧振點的頻移便可以得到更多的編碼狀態。改變L2長度得到的RCS仿真曲線如圖5所示。

圖5 不同L2對應的RCS仿真曲線

可以看出，在8～10 GHz的2 GHz帶寬內，改變L2的長度(6.4，6.3，6.2，6.1，6.0，5.9，5.8，5.7 mm)得到了8個可清楚識別的諧振點，諧振點的頻移產生了000，001，010，011，100，101，110，111的8種編碼狀態，因此，每個諧振器可以編碼log28=3 bit，4只諧振器即可以編碼12 bit，通過極化復用，在8 GHz的固定帶寬內編碼容量達到24 bit，編碼密度達到11.1 bit/cm2，遠高于其他文獻[11，12]。

4 結 論

本文設計了一種使用±45°極化波激勵的新型緊湊的無芯片RFID標簽。相比傳統編碼方式，通過頻移編碼技術及極化復用，編碼容量提高了6倍，在2.16 cm2面積內，編碼容量達到24 bit。該標簽結構具有緊湊的尺寸、極高的編碼密度，更適用于實際需求。