大容量遠距離聲表面波標簽研究

賈 浩 陳智軍 徐海林 李亞飛

1.南京航空航天大學自動化學院，南京，2111062.中國電子科技集團公司第55研究所，南京，210016

0 引言

聲表面波(surface acoustic wave,SAW)標簽是聲表面波射頻識別系統的核心組成部分，其性能直接決定系統的整體性能[1-2]。脈沖幅度[3]和脈沖位置編碼[4]是聲表面波標簽常用的兩種編碼方案，但是均存在編碼容量不大等缺點。相位步進脈沖位置編碼在脈沖位置編碼的基礎上，對相位進行更為精細的編碼，利用相位的高分辨率彌補時間分辨率的不足，提高了標簽的編碼容量。雙通道標簽將聲波的傳播路徑一分為二，形成兩個聲通道，相對于單通道標簽，其在回波幅值和回波一致性上都有所提高。本文從SAW標簽的編碼方案和標簽結構角度出發，設計制作了采用相位步進脈沖位置編碼的雙通道標簽，以滿足實際使用中的大容量和遠距離要求[5-6]。

1 聲表面波標簽

SAW標簽是基于壓電效應工作的，主要由壓電基底、叉指換能器(inter-digital transducer,IDT)和反射柵構成，如圖1所示。

圖1 聲表面波標簽結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of surface acoustic wave tag structure

對于SAW標簽，壓電基底的材料選擇至關重要，其性能直接影響SAW標簽的性能。選擇壓電材料時，需要考慮的參數有SAW波速、機電耦合系數和傳輸損耗等。IDT是產生SAW的一種電聲換能器，由分別連接到上下匯流條的金屬指條交叉組合而成。當激勵信號加載到匯流條兩端時，在基底表面建立起交變電場，通過逆壓電效應在壓電基底表面激發出聲表面波。反射柵一般由周期性的金屬柵條構成，由于金屬柵條與壓電基底之間的聲阻抗不連續將產生機械反射，同時，反射柵中還存在聲電再生效應，也會產生電學反射[7]。

SAW標簽應用于射頻識別系統時，其工作過程如圖2所示。閱讀器發射的射頻查詢脈沖經標簽天線接收進入IDT，通過逆壓電效應轉換為聲表面波；聲表面波在沿壓電基底傳播的過程中遇到反射柵產生部分反射和部分透射，各反射柵的反射信號由IDT經正壓電效應轉換為回波脈沖串；閱讀器通過回波脈沖串時間延遲與反射柵位置之間的關系來獲得標簽編碼信息[8]。由于SAW的傳播速度為3～4 km/s，比電磁波低5個數量級，因此經過電-聲、聲-電轉換之后的回波脈沖串與環境干擾信號在時間上能夠明顯區分開來，具有極強的抗干擾能力，這也是聲表面波射頻識別系統的優勢之一。

圖2 聲表面波射頻識別系統Fig.2 Surface acoustic wave radio frequency identification system

2 相位步進脈沖位置編碼方案

聲表面波標簽最常見的編碼方案是脈沖幅度和脈沖位置編碼，分別如圖3a、圖3b所示。圖3b中，d1為數據區與起始和截止反射柵之間以及相鄰數據區之間的間隔，d2為數據區內相鄰時隙的間隔。

圖3 常見的聲表面波標簽編碼方案Fig.3 Common surface acoustic wave tag coding scheme

脈沖幅度編碼通常是在SAW標簽的有效區域內等間距排列多個位置固定的時隙，每個時隙代表一位編碼，通過時隙上有無反射柵來實現1、0編碼，類似于二進制編碼方案[3]。以圖3a所示的標簽為例，其編碼為10110101。對于具有8位編碼的SAW標簽，其容量為28=256。

脈沖幅度編碼存在一定的局限性。首先，標簽的編碼密度較低；其次，不同標簽的反射柵數目和位置各不相同，使得回波幅值差異較大，即回波一致性較差，導致標簽的有效識別變得困難。

脈沖位置編碼利用回波脈沖相對于參考點的時延對標簽進行編碼。在基底上劃分不同的數據區，數據區之間以隔離區區分，每個數據區內又等間距地劃分一定數量的時隙，同一數據區內可以放置一個或多個反射柵[4]。以圖3b所示的標簽為例，起始反射柵和截止反射柵作為參考，其數據區的時隙編碼為2-1-3-0-2-1。若規定每個數據區只放一個反射柵，則上述標簽的編碼容量為46=4 096。

與脈沖幅度編碼相比，在相同的編碼容量下，脈沖位置編碼大幅度減少了回波脈沖個數，即減少了反射柵的數量，從而降低了標簽的插入損耗，提高了回波信號的信噪比。若每個數據區只存在一個反射柵，則不同編碼的標簽只是反射柵位置發生變化，反射柵個數仍保持不變，SAW的傳輸損耗是相近的，因此具有較好的回波一致性。

雖然脈沖位置編碼的編碼容量比脈沖幅度編碼有了本質上的提高，但其容量仍然有限，從而限制了聲表面波射頻識別系統的大規模應用。事實上，在標簽的回波信號中，不僅包括幅度和時延信息，還包括相位信息，并且相位分辨率遠大于時間分辨率。相位延遲與時間延遲之間的關系為

Δφ=2πfΔτ

(1)

式中，Δτ為時間延遲；Δφ為相應的相位延遲；f為查詢脈沖的載波頻率。

相位步進脈沖位置編碼將脈沖時延編碼與相位編碼相結合，通過相位測量的高分辨率來彌補時間分辨率的不足。采用相位步進脈沖位置編碼方案的標簽結構如圖4所示，該標簽包含1個起始反射柵、1個截止反射柵和6個數據區，每個數據區內包含4個時隙，分別編碼為0、1、2和3，進一步地，每個時隙內又細分為3個步進相位0°、120°和240°，分別編碼為A、B和C。上述采用相位步進脈沖位置編碼方案的標簽，其編碼容量為(4×3)6=2 985 984，接近300萬，可滿足很多場合的應用要求。

圖4 相位步進脈沖位置編碼方案Fig.4 Phase stepping pulse position coding scheme

對采用上述編碼方案的標簽進行解碼時，采用數字正交解調方法提取時隙和相位信息，過程如圖5所示。

圖5 數字正交解調過程Fig.5 Digital quadrature demodulation process

回波經過AD采樣的數字信號可以用下式描述：

(2)

式中，f0為采樣信號的中心頻率；N為回波脈沖串的數量，即標簽的反射柵數量；Ai(n)為第i個反射柵的回波包絡幅值；φi為第i個反射柵的相位。

數控振蕩器(numerically controlled oscillator,NCO)是數字正交解調的重要組成部分，分別產生相互正交的I、Q兩路信號inco(n)、qnco(n)：

(3)

將I、Q兩路信號分別與采樣信號混頻，可得到I′(n)、Q′(n)兩路信號：

(4)

采用低通濾波濾除I′(n)、Q′(n)信號中的高頻項，得到基帶信號I(n)、Q(n)：

(5)

將基帶信號代入下式，便可解算出回波信號的時隙編碼和相位編碼：

(6)

(7)

3 單通道與雙通道標簽對比分析

在單通道聲表面波標簽的基礎上，將聲波傳播路徑劃分為上下兩個通道，并將反射柵依序置于兩個通道，便可以得到雙通道聲表面波標簽。單、雙通道聲表面波標簽的結構如圖6所示。

圖6 兩種聲表面波標簽的結構Fig.6 Structure of two types of surface acoustic wave tag

當SAW在傳播過程中經過反射柵時，一部分能量因柵條與基底的聲阻抗不匹配產生反射，另一部分能量透射，還有極少的一部分能量散射。對于反射柵，可列出能量守恒公式如下：

R2+T2+Esc=1

(8)

式中，R、T、Esc分別為反射柵的反射率、透射率和散射能量，Esc通常取常數0.023。

反射柵的反射率與圖1所示的構成反射柵的金屬柵條寬度、厚度和條數有關。金屬柵條的寬度和厚度越大、條數越多，反射率越高[9-10]。通常為便于工藝制作，聲表面波標簽各反射柵的金屬柵條的寬度、厚度以及條數均相等。

以單通道標簽為例，圖7描述了聲表面波依次經過各反射柵時的反射、透射過程，以及與該過程有關的參數和反射柵對應的回波。

圖7 聲表面波經過各反射柵時的反射和透射過程Fig.7 Reflection and transmission of surface acoustic wave passing through reflector

忽略反射柵間的多次反射影響，第i個反射柵對應的回波幅值可寫成如下形式：

Si=FiS0

(9)

式中，S0為標簽的輸入信號幅值；Fi為第i個回波的衰減系數。

以第1個反射柵即起始反射柵對應的第1個回波為例，其衰減系數可寫為如下形式[11]：

(10)

式中，D為IDT的電-聲、聲-電換能系數；P0為第1個反射柵與IDT之間的傳輸損耗。

相鄰回波之間的衰減系數存在如下遞推關系：

(11)

式中，Pi為第i+1個反射柵與第i個反射柵之間的傳輸損耗。

由式(11)可知，對于SAW標簽，當在聲表面波傳播路徑上依次分布著若干個反射率相同的反射柵時，各反射柵對應的回波幅值呈現逐漸減小的趨勢，即在所有反射柵中，起始反射柵對應的回波幅值最大，截止反射柵對應的回波幅值最小。

綜上所述，如果系統能夠成功讀取截止反射柵對應的回波，就能保證對其他回波的讀取，從而實現對SAW標簽的有效識別。因此，截止反射柵的回波幅值可以表征標簽以及系統的性能。起始反射柵與截止反射柵對應的回波幅值之差可以表征標簽的回波一致性，幅值差越小，回波一致性越好。

對于如圖6a所示的包括8個反射柵的單通道標簽，當各個反射柵的反射率相同時，其截止反射柵對應回波的衰減系數為

D2(P′8)2T14R

(12)

式中，P′8為截止反射柵與IDT之間的傳輸損耗。

由于壓電材料的傳輸損耗與其傳輸距離成正比，因此針對單通道聲表面波標簽，可推導出表征標簽回波一致性的起始反射柵與截止反射柵對應的回波幅值差：

(13)

式中，PL為截止反射柵與起始反射柵之間的傳輸損耗，回波幅值差以分貝的形式表述。

對于圖6b所示的雙通道聲表面波標簽，每個通道的SAW能量為圖6a單通道的一半，且每個通道上SAW經過的反射柵數目也減少到單通道的一半。對式(12)進行修正，可得到雙通道標簽截止反射柵對應回波的衰減系數：

(14)

相應地，表征雙通道聲表面波標簽回波一致性的幅值差：

(15)

基于上述理論分析，針對各反射柵反射率均相同的單通道與雙通道聲表面波標簽，對其回波幅值進行了仿真，仿真結果如圖8所示。圖8a為兩種標簽的起始、截止反射柵回波幅值隨反射柵反射率的變化，圖8b為表征回波一致性的起始、截止反射柵回波幅值差的相應變化。

圖8 單通道與雙通道聲表面波標簽的回波幅值Fig.8 Echo amplitude of single and dual-channelsurface acoustic wave tag

分析仿真結果，可得出如下結論：

(1)無論單通道還是雙通道聲表面波標簽，起始反射柵的回波幅值都隨反射柵的反射率增大而增大，截止反射柵在反射率較小時有相同的變化趨勢，之后則隨反射柵的反射率增大而減小。鑒于截止反射柵的回波幅值用于表征標簽以及系統的性能，因此為保證標簽具有足夠的識別距離，反射柵的反射率不能過大。

(2)在反射柵反射率相同的前提下，雙通道標簽的截止反射柵回波幅值明顯大于單通道標簽，表明雙通道標簽具有更遠的識別距離。

(3)無論單通道還是雙通道聲表面波標簽，隨著反射柵反射率的增大，起始與截止反射柵對應的回波之間的幅值差也越大。為保證標簽具有較好的回波一致性，反射柵反射率不能過大。

(4)在反射柵反射率相同的前提下，雙通道標簽的起始與截止反射柵的回波幅值差明顯小于單通道標簽，表明雙通道標簽具有更好的回波一致性。

(5)對于反射柵數量相同的單通道與雙通道聲表面波標簽，在回波一致性相同的前提下，雙通道標簽可以選取更大的反射柵反射率，從而使得標簽的識別距離更遠。

4 標簽測試

實際制作了內部結構如圖6所示的單通道、雙通道兩種聲表面波標簽，兩種標簽均采用圖4所示的相位步進脈沖位置編碼方案。標簽的壓電基底為Y-Z鈮酸鋰，中心頻率為922.5 MHz。雙通道標簽的每個反射柵均由4個金屬柵條構成，大于單通道標簽每個反射柵的3個金屬柵條，從而使得雙通道標簽的反射柵反射率大于單通道標簽。

圖9 封裝后的聲表面波標簽Fig.9 Packaged surface acoustic wave tag

兩種標簽封裝后的外觀完全一樣。聲表面波標簽實物和焊接在測試座上的標簽分別如圖9a、圖9b所示。通過網絡分析儀測量標簽的S11參數，并將頻域的S11數據通過逆傅里葉變換得到時域回波信息。采用網絡分析儀的單通道、雙通道聲表面波標簽時域回波測試結果如圖10a、圖10b所示。

圖10 采用網絡分析儀的聲表面波標簽時域回波測試結果Fig.10 Time domain echo test result of surface acoustic wave tag using network analyzer

從圖10a可以看出，單通道聲表面波標簽的8個回波幅值逐漸減小。對于圖10b所示的雙通道標簽回波信號，由于奇數號和偶數號反射柵分別位于上下兩個不同的通道，因此，位于不同通道的相鄰近的奇、偶數號反射柵對應的回波，其幅值近似相等，而在各自通道內，其回波幅值仍然呈現依次遞減的趨勢。上述兩種標簽的測試結果與理論分析和數值仿真一致。比較圖10a和圖10b可以發現，雙通道標簽的回波幅值明顯大于單通道標簽的回波幅值，表明雙通道標簽的性能更優，具有更遠的識別距離。

為進一步定量分析單通道、雙通道兩種標簽的識別距離，自制閱讀器對標簽進行了測試。閱讀器的接收機靈敏度為-66 dBm，閱讀器原理框圖和相應的實物分別如圖11a、圖11b所示。實際搭建的包括聲表面波標簽和閱讀器的射頻識別系統如圖12所示。

圖11 閱讀器Fig.11 The reader

圖12 實際搭建的聲表面波射頻識別系統Fig.12 Surface acoustic wave radio frequency identification system

采用閱讀器的聲表面波標簽測試結果如圖13所示。圖13a、圖13b為雙通道標簽在距離5 m左右時的回波幅值、相位信息，圖13c為相應的下位機界面，可以準確識別標簽的編碼“2A-1B-3A-0B-2A-1B”。將標簽逐漸遠離閱讀器進行測試，圖13a所示的回波幅值隨之逐漸減小，系統最終無法識別編碼信息。對單雙通道聲表面波標簽都進行了測試，雙通道標簽最遠識別距離可達7.8 m，遠大于單通道標簽的2.2 m識別距離。除室內環境外，在室外噪聲較大的環境也進行了測試，由于聲表面波標簽本身的抗干擾能力強，雙通道標簽依然能達到7 m左右的識別距離。與近年來國內外同行5 m以內的識別距離[12-14]相比，本文具有較明顯的提升。

圖13 采用閱讀器的聲表面波標簽測試結果Fig.13 Test results of surface acoustic wave tag using reader

5 結論

(1)本文在聲表面波標簽脈沖幅度、脈沖位置編碼的基礎上，設計了相位步進脈沖位置編碼方案，利用相位測量的高分辨率來彌補時間分辨率的不足，從而實現大容量編碼。

(2)通過理論推導和仿真分析對比研究了單通道與雙通道聲表面波標簽的回波幅值、回波一致性與反射柵反射率之間的關系。仿真結果表明，在反射柵反射率相同的前提下，雙通道標簽具有更遠的識別距離和更好的回波一致性。與此同時，對于反射柵數量相同的兩種標簽，雙通道標簽可以選取更高的反射柵反射率，從而具有更遠的識別距離。

(3)實際制作了單通道、雙通道兩種聲表面波標簽，分別采用網絡分析儀和自制閱讀器對標簽進行了測試，測試結果驗證了采用相位步進脈沖位置編碼方案雙通道標簽的大容量和遠距離特點。