一種抗雜波無芯片RFID介電常數傳感器標簽的設計

陳玉瑩，馬潤波

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

射頻識別(RFID)技術在20世紀40年代產生，起源于軍事領域的雷達技術，20世紀90年代開始在企業內部等閉環內逐步推廣使用[1]. 隨著物聯網迅速發展，無芯片RFID技術成為可以與傳統條形碼在成本和制造方面競爭的候選技術之一. 增加感應功能的無芯片RFID標簽，更是現今的研究熱點，在物流包裝、 食品檢測等多個領域廣泛使用[2].

無芯片RFID傳感器的研究與設計以編碼ID、 傳感特性以及標簽檢測3方面為主. 就目前國內外研究現狀來看，編碼設計可分為兩大類，分別基于時域和時域特征. 前者如第一個被投入商用的基于聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)的無芯片RFID標簽[3]，后者典型結構為多螺旋諧振器無芯片標簽[4]，具有成本低、 可完全印刷和編碼容量適中的特點. 文獻[5]提出在無芯片RFID系統中，通過增加敏感材料來改變標簽諧振器的損耗角正切、 有效介電常數或磁導率，從而實現物理參數傳感功能. 其中損耗角正切變化引起諧振響應振幅改變，介電常數或磁導率的變化會影響散射體諧振頻率或相位變化； 文獻[6]利用聲表面波原理以氧化石墨烯作為吸濕層進行濕度傳感，由于 SAW 采用特有的壓電晶體，整個器件成本較高； 文獻[7]和文獻[8]設計的電耦合ELC諧振器與交叉指諧振器都是典型設計結構，傳感效果受實測環境影響較大，且在后期檢測時需要復雜的校準過程； E.Perret等學者在文獻[9]中提出極化變換標簽結構的概念，基本原理為利用散射體結構的不對稱性，使入射波產生極化變換，可將實際測量環境中的雜波有效濾除，提高檢測可靠性； 基于這種極化變換技術,文獻[10]和文獻[11]分別設計了位移傳感與工業結構健康檢測的裂紋傳感. 圖1 給出采用交叉極化測量方法的無芯片RFID傳感系統，包含標簽結構、 閱讀器和環境干擾物. 其中閱讀器采用兩個相互正交的超寬帶天線，發射天線Tx在垂直極化方向上發射詢問信號，接收天線Rx在水平極化方向上接收包含諧振信息的反射電磁波. 當標簽結構具有極化變換特性時，它的后向散射包含水平極化波，Rx可將其與干擾物主要產生的垂直極化雜波區分開來.

圖1 交叉極化測量下的無芯片RFID傳感系統Fig.1 Principle of chipless RFID sensor system using cross-polarized measurement method

由于實際環境中材料介電常數可以映射到許多重要物理屬性上，本文設計了一種抗雜波的無芯片RFID介電常數傳感器. 設計中綜合考慮了傳感器標簽的結構尺寸、 編碼容量、 傳感性能與檢測性能； 結構方面，利用極化變換技術并結合金屬接地板設計標簽，提高了抗環境雜波干擾的能力，運用頻移編碼有效提升編碼容量； 識別與傳感表征方面，綜合分析了散射諧振器的諧振頻率及Q值，給出實現較高鑒別度、 敏感度和線性度傳感器的設計方法.

1 無芯片RFID介電常數傳感器標簽結構設計

如圖2(a)所示，本文設計的介電常數傳感器標簽由雙面覆銅的FR-4介質基板加工而成，其中頂層覆銅面蝕刻了編碼諧振器和傳感諧振器，底層覆銅面作為接地板. 基板厚度h=0.8 mm，相對介電常數4.3，正切損耗值0.025. 圖2(b)給出了由不對稱Z型金屬條帶設計的編碼諧振器單元結構，條帶長度決定諧振頻率. 將4組不同大小的編碼諧振器按順時針方向放置在方形標簽4角處，依次標識為ID1～ ID4. 為有效提升RCS幅值，每組編碼諧振器包含4個相同諧振條帶，具體參數如表1 所示. 位于標簽中心區域的傳感諧振器細節由圖2(c)給出，它是一個在對角處有兩個方形缺口的金屬貼片，且在貼片內有4個相同的階梯型縫隙. 方形缺口與階梯型縫隙可使傳感諧振器產生極化變換特性，具體參數如表2 所示. 標簽整體尺寸為50 mm×50 mm×0.87 mm.

(a) 傳感器整體結構

(b) 編碼單元結構(c) 傳感諧振器結構圖2 無芯片RFID傳感器結構Fig.2 Chipless RFID sensor structure

表1 編碼諧振器結構參數Tab.1 Parameters of the encode structure

表2 傳感諧振器結構參數

2 編碼方案與傳感原理

編碼諧振器對應的諧振頻率

(1)

式中：c為自由空間光速；εr為基板相對介電常數；lx為諧振結構總長度. 設計采用頻移編碼方式以提高編碼容量，每一個諧振單元在一定頻帶范圍內可編碼多位，具體步驟為：

① 每個編碼諧振單元占據一定帶寬f作為編碼窗口，為避免相鄰窗口間彼此干擾，分配一段帶寬作為隔離帶；

② 對于每個編碼諧振單元，通過改變長度lx，在對應窗口內頻移，可編碼數量為N，則相應頻帶內編碼容量為

C′=log2N.

(2)

③ 對應n組諧振單元，可得編碼容量為

C=nC′=nlog2N.

(3)

設計中4個編碼諧振器工作頻段為2 GHz ～ 3.25 GHz，每個諧振器分配編碼窗口約200 MHz，為避免相鄰編碼ID串擾，設置100 MHz 的隔離帶，然后每個編碼諧振器改變參數lx，在對應窗口內頻移，并設置相應編碼數量N=4，由式(2)和式(3)得該編碼諧振器編碼容量為8 bits.

對于傳感諧振器有

εreff=εreff0(lsens)+εsr(sens),

(4)

(5)

式中：εreff0是傳感結構本身相對介電常數；εsr是附著在傳感諧振器表面的敏感材料的相對介電常數；εreff是受敏感材料影響后的總等效介電常數. 由式(4) 和式(5)易知，在諧振器結構固定后，諧振頻率變化將僅由敏感材料決定，即當εsr變化時，對應諧振頻率fsr發生頻移.

因此，只要將敏感材料附著在傳感諧振器縫隙處，根據上述傳感原理，當受環境物理參數影響而敏感材料相對介電常數發生變化時，傳感諧振器的諧振頻率將發生頻移，通過頻移和εsr的關系可以獲得敏感材料的介電常數. 值得一提的是，通過該傳感器實現對所覆敏感材料的介電常數后，可進一步通過定標實現影響介電常數的相應物理參數的傳感.

3 傳感器性能仿真分析

圖3 給出了利用CST 微波仿真軟件設計的標簽測試模型. 平面波垂直入射激勵傳感器標簽，其中，雷達散射探針(RCS Probe)設置在標簽前150 mm 處. 圖4 為標簽結構在同一平面波激勵下兩種極化響應的RCS，圖中可見主極化測量結果幅度較高，這是由于受到標簽結構散射的影響，且在諧振頻率處為微弱諧振波谷，比較難于檢測. 交叉極化測量結果表現為諧振波峰，雖然幅度較低但幅度相對變化較大，容易檢測，從而使測量可靠性得到提高.

圖3 CST仿真測試模型Fig.3 CST simulation environment

圖4 不同極化測量下的RCSFig.3 RCS at different polarization measurement

3.1 編碼仿真分析

圖5 給出交叉極化仿真測量下4組編碼諧振器對應的諧振頻率，分別為2.38 GHz, 2.66 GHz, 2.886 GHz, 3.16 GHz； 與單個編碼單元相比，每組編碼諧振器的RCS幅值提升了約10 dB. 由于每組中4個編碼單元間存在彼此耦合現象，對應諧振頻率有微弱偏移，但并不影響實際檢測. 相同道理，金屬貼片上也設計了4個階梯型縫隙，從而獲得較高的傳感諧振器RCS.

圖5 編碼諧振器對應RCSFig.5 RCS corresponding to coded resonator

為驗證頻移編碼的有效性，圖6 給出仿真測量下編碼組合ID4在不同水平長度lx下的諧振頻率，當編碼數量N=4時，在3 GHz ～ 3.2 GHz范圍內的對應頻移非常穩定，即該諧振單元有4個諧振頻率點，對應編碼容量為2 bits，其他編碼組合具有類似的頻移編碼特性，因此，4組編碼諧振單元相應編碼總量為8 bits，編碼組合可對應44=256種不同編碼狀態，對應二進制00000000至11111111.

圖6 頻移編碼Fig.6 Frequency shift coding

3.2 傳感特性仿真分析

衡量傳感器性能的主要參數有鑒別度、 靈敏度和線性度. 其中鑒別度與標簽結構品質因數Q值有關，Q值可利用式(6)計算

(6)

式中：fr諧振器諧振頻率；BW3 dB是諧振頻率處3 dB 帶寬.Q值越高諧振峰就越明顯，鑒別度就越高. 將基板材料相對介電常數設置為4，通過改變正切損耗值tanδ分析了對應的Q值.

圖7 不同損耗下RCSFig.7 RCS at different losses

圖7 是tanδ分別為0.002，0.008，0.014，0.02時RCS響應，利用式(6)計算Q值得117，72，52，41，由圖7 可知，Q值越大，對應諧振峰越尖銳，在一定頻帶范圍內分辨率越高，相應敏感度也就越好. 實際測試環境中，標簽制作工藝、 基板材料，以及各種不可控因素都會對損耗值造成很大影響，本設計折中考慮以上條件，采用低成本介質基板FR-4，其Q值接近于41，諧振峰比較尖銳，鑒別度能夠滿足檢測要求.

圖8 不同εsr下RCSFig.8 RCS under different εsr

靈敏度和線性度分析時采用了一系列仿真數據作為傳感函數關系的依據，圖8 給出了敏感材料相對介電常數εsr=2～10時18個RCS頻率響應曲線. 圖9 給出相對介電常數εsr與諧振頻率fsr的關系數據與擬合曲線，圖9 中可見隨著相對介電常數εsr增大，該設計的諧振頻率fsr幾乎呈線性減小，傳感器敏感度為6 MHz/(Δεsr=1)，具有較高的靈敏度和較好的線性度.

圖9 傳感諧振器擬合曲線Fig.9 Linear fitting curve

3.3 檢測性能仿真分析

當利用矢量網絡分析儀和超寬帶喇叭天線組成的閱讀平臺對該傳感器進行實際測試時，環境中不可控因素太多，所以設計該標簽結構時，檢測的可靠性與穩定性需著重考慮. 其中可靠性主要是由利用交叉極化測量與極化變換特性將雜波有效濾除的特性來保證，不再贅述. 而穩定性主要是利用抗金屬標簽設計原理，添加金屬接地板作為反射板，在標簽附著于任意背景時，測量結果保持相對穩定.

圖10 為仿真測量時去掉接地板后標簽結構附著于不同基板時的RCS，可以發現響應曲線發生很大的頻率偏移，各諧振頻率處諧振峰不明顯. 可見實測時由于周圍環境的多樣性，相應RCS響應將不穩定. 圖11 為仿真測量時具有接地板設計的RCS，可以發現，雖然附著介質基板發生改變時，諧振頻率有一定頻移，相應諧振峰尖銳程度也有一定差異，但整個諧振峰相對穩定且鑒別度較高，因此可很好地運用于實測環境.

圖10 一般標簽結構的RCS仿真結果Fig.10 RCS simulation of general tag

圖11 改進標簽結構的RCS仿真結果Fig.11 RCS simulation of improved tag

4 結 論

本文設計的無芯片RFID介電常數傳感器具有結構緊湊可印刷的低成本特點. 其中，編碼諧振器利用頻移編碼，相應編碼容量為8 bits，傳感諧振器的靈敏度為6 MHz/(Δεsr=1)，且具有較高鑒別度和線性度的特點. 整個標簽結構采用極化變換特性和金屬接地板設計，并利用交叉極化測量，抗環境雜波和干擾能力顯著增強，而且對應諧振波峰在多種環境下相對穩定，為設計可靠的介電常數傳感器提供了設計理論支撐.