新型大容量無芯片射頻識別標簽的設計

左正璞，郭海燕，胥 磊

(西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

射頻識別(radio frequency identification，RFID)是一種利用電磁波來識別特定目標并讀取相關數據的自動識別技術[1]。目前，國內外研究聚焦于可印制無芯射頻標簽的設計。該類標簽既不需要芯片存儲數據，又減少了芯片與接收天線之間的裝配成本，相比傳統標簽，不但效率高且價格大幅降低[2]。

文獻[3]～文獻[5]提出了一種基于時域、頻域和相位編碼技術的可打印無芯片RFID標簽。與基于時域或相位的標簽相比，基于頻域的標簽具有更高的數據密度且更容易實現小型化。文獻[6]、文獻[7]中提出的標簽都只考慮以頻域內散射場諧振頻率的幅度或相位作為觀察量來提取嵌入的數據，在對特定頻率點上諧振的有無進行數據編碼時，存在諸多不足，如標簽的頻域散射場特性受入射波激勵角度、入射波極化、觀測角度等因素影響。文獻[8]提出了一種“U”形槽加載的可印制雙極化無芯標簽，并通過一對雙極化閱讀器天線使其編碼效率顯著提高。

本文提出了一種單面緊湊、可完全印制的無芯片RFID標簽的設計。該標簽利用具有不同諧振頻率且極化方向正交的1/4圓環貼片諧振器。在入射平面波激勵下，標簽具有15位編碼容量。該標簽具有容量大、尺寸小、結構穩定、環境適應性強等特點，適用于數據量需求大、方向不敏感、閱讀方向不固定的標簽應用領域。

1 工作原理

1.1 基本諧振單元

為分析1/4圓環貼片的基本諧振單元的極化特性，需分析入射平面波的極化對基本諧振單元的散射場信號的影響。以下考慮在水平極化和垂直極化的兩種線極化方式下，垂直極化的1/4圓環貼片諧振單元(這里選擇外半徑R為13 mm、寬度W為0.2 mm的1/4圓環貼片)的極化特性。利用FEKO仿真軟件，將入射波入射角度記為θexc、φexc，觀察點角度記為θobs、φobs，設置線極化入射平面波在θexc=0°、φexc=0°位置處，分別采用水平極化(η=0°)和垂直極化(η=90°)方式對其進行垂直照射。這兩種極化激勵下的1/4圓環諧振單元結構如圖1所示。

圖1 諧振單元結構示意圖

圖1中：Ht、Hr分別為水平極化的閱讀器發送天線和接收天線，用來發送和接收激勵波；Vt、Vr分別為垂直極化的閱讀器發送天線和接收天線，用來發送和接收激勵波。分別在6～10 GHz的超寬帶范圍內進行遠場求解，以θobs=0°、φobs=0°為默認觀測角度進行觀察，仿真得到其雷達散射截面(radar cross section，RCS)幅頻特性曲線如圖2所示。

圖2 諧振單元RCS曲線

由圖1、圖2可看出：當用垂直極化(同極化)的平面波激勵該1/4圓環貼片諧振單元時，由其RCS曲線可知，在諧振器的諧振頻率點上有明顯的波峰出現；而當用水平極化(交叉極化)的平面波垂直照射諧振器時，其RCS曲線在諧振頻率點上無明顯的頻率特征出現，即諧振器只在相同極化的平面波激勵下起振，而在極化與其正交的入射平面波激勵下不起振，表明該1/4圓環貼片諧振器也具有單極化特性。

1.2 標簽方向不敏感原理

如果標簽旋轉一個任意角度θ，即標簽與雙極化閱讀器發送天線發送的入射激勵波成θ，則1/4圓環貼片諧振體將會產生同極化響應與交叉極化響應[9-10]。在同極化后向散射信號中，由于同極化諧振體在諧振頻率點處產生的衰減減小，則共振峰波谷深度減小；同時，引入交叉極化諧振體產生的衰減[11-12]。通過旋轉標簽，在雙極化入射波激勵下，某一極化下的散射響應是由與它同極化諧振體和交叉極化諧振體共同產生的后向散射響應的組合。在任意不匹配的角度下，如標簽得到的、來自同極化諧振體和交叉極化諧振體產生的總散射響應不變，說明該標簽為方向不敏感標簽[13]。

在本文的仿真分析中，通過改變入射波角度或觀察點角度，可實現標簽與入射波方向或觀測點位置不匹配，以驗證標簽是否方向不敏感。由于僅采用水平極化(η=0°)的單極化入射波，隨著入射波角度或觀測點角度的變化以及極化損耗，接收到的電磁波能量會有增加或減少，因此回波強度會下降或上升。這是可以預見的偏差，但是基本諧振單元諧振點的頻率位置保持不變。

2 無芯片標簽結構設計

基于上述對諧振單元極化特性的分析，本節設計的標簽利用不同半徑大小的1/4圓環貼片諧振器創建不同的頻率特征。其中，每個頻率特征用于表示一位數據，則基于1/4圓環貼片諧振器的無芯片標簽結構如圖3所示。

圖3 無芯片標簽結構圖

采用波谷編碼，根據增加標簽閱讀距離的設計思想，重復設置4組相同的諧振器陣列。每組諧振器陣列包含16個不同半徑的1/4圓環貼片諧振器，構成15 bits的無芯片標簽。基于1/4圓環貼片陣列的無芯片標簽結構的參數如表1所示。

表1 標簽結構參數表

表1中：R1為半徑最大的1/4圓環貼片諧振器的外半徑；R17為半徑最小的1/4圓環貼片諧振器的外半徑；Ws為諧振器寬度；Ss為諧振器之間的間隔；d為4組相同的貼片諧振器陣列分離的間距。為便于設計、易于打印，設定Ws和Ss對于每個1/4圓環貼片諧振器相同。令R1= 13 mm、R17=6.8 mm、Ws= 0.2 mm、Ss=0.2 mm、d=0.2 mm，則該結構的面積僅為(169π+10.4)mm2。

3 無芯片標簽結構的仿真分析

無芯片標簽結構由4組相同且對稱放置的、具有16個同心金屬1/4圓環貼片諧振器陣列組成。由于本設計根據波谷存在與否來編碼，則在該無芯片標簽中除去半徑最小的1/4圓環貼片諧振體為“虛擬”放置，不參與編碼，剩余諧振體按照半徑從大到小順序設置諧振體的序號，為1～15。序號1～15的諧振體對應的諧振頻率從低到高。標簽編碼基于特定結構內存在或不存在確定位置的1/4圓環貼片單元，編碼數據的最高位與半徑最大的1/4圓環相關，編碼數據的最低位與半徑最小的1/4圓環相關。每一個諧振頻率點處代表的比特位邏輯值(“0”或“1”)是由標簽的RCS曲線上的每一個頻率特征(存在的波峰或波谷)來決定的。通過移除4組陣列相同位置的諧振器，以消除該位置諧振器的諧振頻率特征，從而改變其表示的比特位的邏輯狀態。

將由4組相同的，具有16個半徑不同的1/4圓環貼片諧振器陣列組成的，具有全“1”的標簽結構記為標簽1；將標簽1中4組相同的陣列的序號1～15的諧振體中，去除其對應的偶數位諧振器后得到的結構記為標簽2；將標簽1中4組相同陣列的序號1～15的諧振體中，去除其對應的奇數位諧振器后得到的結構記為標簽3。3種標簽結構如圖4所示。

圖4 3種標簽結構圖

分別對標簽1、標簽2、標簽3進行仿真，得到3種標簽結構的RCS曲線，如圖5所示。

圖5 3種標簽結構RCS曲線

來自標簽1的反向散射信號中存在15個頻率特征，可以用于編碼15位，且15位的標簽1為全1，則標簽1表征的ID為“111111111111111”。來自標簽2的反向散射信號中偶數位波谷即諧振點消失，其他諧振點均沒有因為這7個諧振體移除而發生明顯改變，即這些頻率特征是相互獨立的，則標簽2可以標志目標物體的ID為“101010101010101”。來自標簽3的反向散射信號中奇數位的波谷即諧振點消失，而其他諧振點均沒有因為這8個諧振體移除而發生明顯改變，此時標簽可以標志目標物體的ID為“010101010101010”。仿真結果可證明，這15個波谷中的任意一個均可在不改變其他波谷存在的情況下，通過移除相對應的諧振體，使其代表的比特“1”變化為比特“0”。

3種標簽結構的諧振頻率點分別如表2所示。

表2 3種標簽結構的諧振頻率點

結合圖5所示的RCS曲線，具體分析可知：諧振點的總頻帶寬度為6 GHz，帶寬足夠大；各諧振頻率點之間互不重疊交叉，清晰可辨。3種標簽結構的諧振頻率間的最小間隔寬度為235 MHz，而目前已知的閱讀器可識別分辨率為30 MHz，證明其已遠超閱讀器可識別闕值；RCS回波強度至少為-22.65 dBsm,諧振特性明顯。3種標簽結構的RCS曲線部分波谷所在頻率位置發生了偏移，但頻移范圍都在70～430 MHz內。這可通過簡單的信號處理，即在信號處理算法中通過設置一定的頻帶范圍檢測闕值來克服。上述結果證明，所設計的標簽結構是可行的。

4 無芯片標簽的可靠性分析

4.1 入射平面波極化

入射平面波的極化包括極化方式與極化角度2個特征參數。前文分析均采用零度線極化方式的入射波。下面以標簽1為分析模型，考慮線極化(L)、左旋橢圓極化(LE)、右旋橢圓極化(RE)于5種不同極化角度(0°、30°、45°、60°、90°)下，對標簽后向散射波的影響。通過仿真，得到標簽1的RCS曲線，如圖6所示。在3種不同極化方式以及5個不同極化角度下，標簽1的RCS幅頻特性曲線分別幾乎重合，RCS幅頻特性曲線的諧振點個數與標簽結構相對應，均明晰可辨，且諧振點基本可保持在同一頻率點上，諧振吸收峰深度明顯。由此可見，入射波的極化(極化方式或極化角度)對所設計的標簽諧振點及諧振特征沒有影響。

圖6 標簽1的RCS曲線

綜上所述，本文設計的完全對稱的標簽結構極化獨立，不受入射平面波極化的影響，具有極化不敏感的特性。

4.2 “雙站”散射模式

以上分析均基于“單站”散射模式。下面將在 “雙站”散射模式下，以標簽1為仿真模型，分析不同入射點或觀測點對設計的1/4圓環貼片諧振器陣列標簽可靠性的影響。在此同樣利用仿真得到的RCS曲線進行分析。

設置入射平面波θexc=0°、φexc=0°、η=0°,分別在觀測點θobs為0°、15°、30°、45°、60°，且φobs為60°時，仿真得到如圖7所示的標簽1的RCS曲線。

圖7 不同觀測點下標簽1的RCS曲線

由圖7可知，在同一入射點激勵下，不同觀察點的標簽均具有明顯諧振特性，諧振點清晰可辨，且諧振點數目與標簽基本諧振單元數目一致。隨觀測角度θobs的增大，在較低頻帶的諧振頻率位置均未發生變化。但在較高頻處(高于8.5 GHz)可觀察到，RCS曲線的波谷位置向左發生了約100 MHz的偏移。RCS曲線的幅值隨觀測角度θobs的增大而減小，RCS回波強度分別至少為-22.65 dBsm、-23.57 dBsm、-25.6 dBsm、-28.84 dBsm、-33.16 dBsm。RCS曲線下降、回波強度減小，即觀察角度越大、接收到的電磁波能量減少，則回波強度會越小。

設置觀測點θobs=0°、φobs=0°，分別在θexc為0°、15°、30°、45°、60°,且φexc為60°、0°時，仿真得到標簽1的RCS曲線，如圖8所示。

圖8 不同 θ 入射角下標簽1的RCS曲線

在同一觀測點下，不同入射點的標簽均具有明顯諧振特性，清晰可辨，且諧振點數目與標簽基本諧振單元數目一致。隨著入射角度θexc增大，在較低頻帶的諧振頻率位置均未發生變化。但在較高頻處(高于8.5 GHz)可觀察到，RCS曲線的波谷位置向左發生了100 MHz左右的偏移。RCS曲線的幅值隨著入射角度θexc的增大而減小，RCS回波強度分別至少為-22.65 dBsm、-23.57 dBsm、-25.59 dBsm、-28.83 dBsm、-33.15 dBsm。RCS曲線下降、回波強度減小，即入射角度越大、接收到的電磁波能量越少，則回波強度會越小。

綜上分析可知，觀測點位置和入射點位置對設計的標簽頻域散射信號強度有一定的影響。考慮到接收設備的靈敏度，為不影響標簽有效識別與編碼的可靠性，入射角度θexc或觀測點角度θobs最好限制在60°以內。由于諧振點的位置并未發生明顯頻移，表明標簽仍具有良好的觀測點獨立性與源獨立性，即標簽具有良好的方向不敏感性。

4.3 標簽編碼容量的可擴展性

本節設計的基于1/4圓環貼片諧振器的無芯標簽，不僅可實現15 bits的編碼容量，而且可實現更高的編碼容量。在保持標簽面積不變的條件下，通過調節標簽1/4圓環貼片諧振器寬度Ws和諧振器之間的間隙寬度Ss，相應增加諧振體數目，組合成可容納更多編碼位數的標簽，以研究標簽編碼容量的可擴展性。標簽采用相同的組陣方式，并且保證標簽4組相同諧振器陣列間距d不變，d=0.2 mm;1/4圓環最大外半徑保持R1不變，R1=13 mm，則需隨之改變的是圓環的內外半徑大小。

當Ss=0.15 mm、Ws=0.05 mm時：在7～16 GHz頻帶內，標簽4可容納的編碼容量為35 bits，能夠表示235種不同組合的ID。采用波谷編碼時，標簽3的4組相同陣列中，每一個陣列包含有36個1/4圓環貼片諧振體，相鄰諧振體之間半徑相差0.2 mm，即R(x+1)=Rx-0.2 mm(x=1,2,…,35)。在線極化入射平面波照射下，標簽4產生的30個諧振頻率點之間互不重疊交叉，諧振點(波谷位置)之間的最小頻率帶寬為100 MHz。由于耦合作用的影響，個別波谷深度較小，在信號處理時，最好在信號處理算法中設置有效波谷檢測的幅值闕值，以免造成誤碼。標簽4結構仿真得到的RCS曲線如圖9所示。

由以上分析可知，調整諧振器寬度Ws和諧振器之間間隙寬度Ss，在相同面積內能夠實現更高的編碼容量。當Ws或Ss越小時，相鄰諧振體的長度相差越小，標簽在相同面積內可容納的諧振體數目越多，即標簽編碼容量越高。隨著編碼位數增加，所占用帶寬相對而言增加得較少，標簽編碼容量的可擴展性非常好。考慮到現有的打印分辨率，Ws、Ss最低可以減小到0.02 mm。

圖9 標簽4的RCS曲線

5 結束語

本文提出的基于1/4圓環貼片諧振體的無芯片RFID標簽，具有完全可印制、結構緊湊對稱、對入射波的極化不敏感以及良好的方向不敏感性等優勢，適用于讀取方向不固定、標簽方向不確定而所需數據量較小的應用領域。標簽尺寸足夠小，面積僅為(169π+10.4) mm2。通過理論、仿真分析可知，由于該標簽結構具有高度的對稱性，入射波極化、入射角度、觀測點位置對主要諧振點的分布影響不大，得到的RCS曲線與標簽結構一一對應，表明了標簽的可行性與可靠性。就其編碼容量擴展而言，在保證標簽結構單元面積不變的情況下，可通過減小諧振器寬度Ws和諧振器之間間隙Ss，來增加諧振器數量，從而增加標簽可容納的數據位數。后期需要進一步優化標簽結構，以減小耦合作用引起的頻率點偏移所造成的偏差，并增加標簽的數據容量。