無芯射頻標簽散射場分析和極點提取研究
2012-04-12 00:00:00謝朝臣鄒傳云
現代電子技術 2012年5期
摘 要：目標雷達散射截面(RCS)，在復平面可以表示為復頻域的函數。根據奇點(SEM)展開(留數)方法，計算對目標物體的散射奇點(留數)，進行射頻識別(RFID)，是射頻識別的新思路。通過FEKO軟件，對蝶形無芯標簽結構進行仿真得出該結構散射場。仿真的結果顯示該結構具有開槽數量多、極點分布規律、數據容量大、易于實現等優點。
關鍵詞：雷達散射截面(RCS); 奇點展開法(SEM); 散射場; FEKO
中圖分類號：
TN957.51-34
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
-0071
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Research on chipless radio frequency tag scattering field analysis and singularity extraction
XIE Chao-chen， ZOU Chuan-yun
(Southwest University of Science and Technology University， Mianyang 621000， China)
Abstract：
Target radar cross section (RCS) can be expressed as a function of complex frequency domain in complex (s) plane. According to the singularity expansion method (SEM)， the object calculation for target scattering singular point or residue， radio frequency identification (RFID) is a new idea of radio frequency identification. Through the FEKO software， chipless tags butterfly structure is simulated to obtain the scattering field. The simulation results show that the structure has many advantages， such as more slot number， poles distribution， large data capacity， easy implementation， etc.
Keywords： radar cross section; singularity expansion method; scatter field; FEKO
收稿日期：2011-11-19
基金項目：國家自然科學基金資助項目： “關于導體結構自然諧振無芯射頻標簽設計”(61075030)
0 引 言
射頻識別［1］是一種全自動，非接觸識別方式。射頻識別的系統就是閱讀器和標簽天線之間的通信。在目前射頻識別系統中標簽都是有芯的，但這類標簽的結構復雜，體積、尺寸較大，價格較貴，所以限制了它的廣泛應用。雷達技術的廣泛深入地應用，激發了人們利用雷達技術進行射頻識別的新思路。研究者又提出了無源無芯［2-3］結構標簽天線思想。Baum提出了奇點展開法［4］的思想也促進了人們研究無芯標簽的熱情。奇點展開法對標簽的散射場［5］(雷達截面積)進行分析以提取目標的自然諧振頻率。物體的本征頻率的固有特性，即目標的奇點只與目標的結構有關，而與目標的位置、形態無關。每個物體的結構在平面波激勵下都有自己的獨特的散射場，通過分析物體的散射場，提取目標的固有頻率并利用其進行存儲和恢復數據就可以進行目標識別。因而標簽的結構對于識別至關重要。為了尋求結構簡單，易于實現的標簽，Majid Manteghi and Yahya Rahmat-Samii等研究者研究了橢圓偶極子開槽方式［6］。但這種方式，開槽數量有限。能夠容納的數據容量少，不能滿足當前的需要。
本文也就是處于這點考慮并在前人研究的基礎上，研究了能夠具有較多開槽結構的標簽結構，即蝶形結構。采用兩個對稱正三角形方式，能夠開槽達到8個，容納更多的數據容量。本文利用FEKO軟件詳細地分析這種蝶形標簽結構在不開槽、開槽數量從一個到八個不同方向散射雷達截面。同時利用矩量法，提取了它的極點。這個研究的重要性在于改變傳統的設計理念，徹底降低標簽價格，推動射頻識別技術的發展應用。
1 理論基礎
在這一部分，主要介紹關于散射［7］所涉及的理論知識，不作理論的探討和推導，可參閱文獻［8］。
1.1 雷達散射截面
三維度單位體積內入射波段所攜帶的功率在全向輻射時，入射場強度為方向(θ，φ)的函數如圖1所示，在定向方向上產生相同的散射功率密度［7］可以表示為：
由式(3)和式(4)可以得到式(1)。
1.2 物體表面散射場積分方程
對于在自由空間里面積為S的任意形狀的完純導體，如圖1所示。
當此導體受到已知強迫電流和磁荷(J，M)電場激勵時，那么所有場將是具有ejωt時諧函數。在激勵場(Einc，Hinc)已知，對完純導體面積為S，設其表面電流為J，散射場為(EJ，HJ)，這時整個區域的場為(E，H)。
E=Einc+EJ
H=Hinc+HJ
(5)
根據電磁學麥克斯韋方程:
×E=－jωμ0H
(6)
×H=jωε0E
(7)
由此得出散射體的電場積分方程分別是:
E(r)=2Einc(r，ω)－12π∫υ{jωμJΦ+M×′Φ－ρε}dυ′－
12π∫s(jωμJsΦ+Ms×′Φ－ρε′Φ)ds，r∈s
(8)
式中:Φ=exp(－jk|r－r′|/|r－r′|)為遠場格林函數，k=με=2π/λ為波數。上標帶撇號和不帶撇號的分別表示源的坐標和場的坐標。Einc(r，ω)為激勵場的傅里葉變換，分別表示投射波的電場強度；J，M，ρ分別是等效源。如果只關心遠場區，則上式可以簡化為:
E(r，t)=14πrc∫［－ητJs(r′，τ)+εt］ρs(r′，τ)ds′，
r′∈s
(9)
上式子中應用了|r||r′|，故r－r′→r，′=r/|r|。
η=μ/ε，τ=t－R/c，R=|r－r′|。
2 試驗仿真和數據分析
下面給出具有對稱性的邊長為30 mm的兩個對稱正三角形構成的具有蝶形金屬天線標簽如圖2(a)的雷達散射截面的仿真結果。完純導體標簽的雷達散射截面是頻域的函數。當標簽不開槽時，在激勵源超寬帶(UWB)脈沖的照射下，雷達散射是平滑的頻域函數如圖2(b)所示。當在金屬標簽上開槽時，那么標簽的散射截面會出現凹點(極值點)。凹點所對應的頻率，就是極值頻率。這個極點的位置不但與標簽的尺寸有關，而且與開槽的尺寸，位置，形狀有關。利用FEKO仿真軟件可以分析出開槽的位置，以及開槽的大小。通過分析得出通常開槽的大小一般取頻率波長的1/4，或1/8可以獲得較為理想的散射截面。本文給出了開槽數為零，即不開槽以及開槽數為8的散射截面。激勵頻率為2~10 GHz，開槽寬度為0.75 mm，開槽間距為1.732 mm方向為0°，30°，60°情況下的散射結果。表1給出了開槽數是8的具體參數。
圖3(a)為槽數為8個的標簽結構。圖3(b)是激勵平面波頻率為2~10 GHz， 0°極化，激勵角度是0°，30°，60°情況下的散射場。圖3(c)給出了90°極化的RCS和E場。
通過對表1中數據開槽大小、長度、槽的位置變化對極點的影響的仿真分析得出，當開槽較小，距離中心點位置較近時，將產生一個較高的約9 GHz頻率極點。隨著開槽長度的增加，極點頻率越低并逐漸左移，開槽數量達到8個時，槽長最長，頻率極點在5 GHz。本文是采用激勵源UWB超寬帶脈沖分別對極化方向為0°，90°兩種極化方式做了仿真，從圖3(c)，(b)中顯示極化方向對極點的影響不明顯，但在0°極化時，RCS幅度會發生約6 dB波動，而采用90°極化時，激勵的入射方向對RCS幾乎沒有影響。結果顯示該結構散射場極點穩定的特性。
3 極點提取分析
由于每個目標的極點跟它的結構相關，而與它的位置、姿態無關，為提高了標簽設計效率，這里采用標簽設計散射場仿真與極點提取相結合的方式來完成。根據極點最終確定目標的結構，而相應的結構就對應著不同的物體，這就是完成了目標識別。本文是使用矩陣束法來提取目標的極點，其過程如圖4所示。
4 結 論
利用FEKO軟件對該結構標簽散射場進行仿真，結果可知，對稱正三角形的標簽結構，開槽數量較多，數據容量大，且開槽位置容易，開槽離中心點的距離決定極點位置，開槽離中心越近，開槽越短，極點會遠離起點頻率，越長則會靠近4.5 GHz的頻率點。總之，了解開槽位置與極點的對應關系，以及開槽位置大小對極點的影響，從而利用矩陣束法［9］提取極點并用來存儲和恢復數據，就可以進行目標的識別。
參 考 文 獻
［1］SYED AHSON MOHAMMAD ILYAS. RFID handbook applications technology security and privacy \\[M\\]. New York：CRC Press， 2008.
［2］SOMNATBH Mukherjee. Chipless radio frequency identification by remote measurement of complex impedance \\[C\\]// Proceedings of the 10th European Conference on Wireless Technology. Munich Germany: \\[s.n.\\]， 2007: 249-252.
(下轉第79頁)
