用于包裝物管理的無源聲表面波標簽設計

呂幫通，范彥平，楊趙凝

用于包裝物管理的無源聲表面波標簽設計

呂幫通，范彥平，楊趙凝

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

針對聲表面波相位編碼標簽中不同位置反射柵的回波能量不一致，易受噪聲干擾、誤解調等問題，設計一種回波脈沖能量一致性高的聲表面波標簽模型，以降低誤碼率?；隈詈夏＠碚摬⒗肅OMSOL有限元仿真軟件建立反射柵膜厚、膜寬與反射柵反射率之間的關系；根據最優原則優化設計反射柵的結構參數，降低插入損耗，提高聲表面波回波信號能量的一致性。通過仿真分析得出，當反射柵的厚度為530 nm、寬度為0.23時，反射柵的反射率達到最大值；優化反射柵結構得到回波一致性較好的標簽，其4條反射柵的厚度均為640 nm；當寬度分別為0.245、0.27、0.32、0.46時，回波的最大幅值誤差為2.02%。通過數字正交解調方法提取了回波脈沖幅值一致性調整前后的標簽相位信息，結果證明經過回波脈沖幅值一致性調整后，可以正確地恢復標簽的相位信息。設計的SAW標簽模型可提高標簽的抗干擾性和編碼容量。

聲表面波；標簽；反射率；幅值一致性；相位編碼

在傳統制造行業中，貨物管理主要由生產、儲存和運輸等3部分組成，每個階段都需要對貨物進行清點標識。傳統管理中，貨物的標識依賴貼在包裝表面的紙質標簽，通過人工手記賬本來登記主要信息，容易出現誤差且效率不高。低效的人工清點顯然無法滿足規模越來越大的生產儲存[1]，射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術的出現改善了這一問題。貨物包裝粘貼上包含貨物信息的RFID標簽，工人手持閱讀器掃描標簽即可完成自動識別。傳統的無源集成電路(Integrated Circuit，IC)RFID標簽識別距離短，不利于大型倉儲清點盤庫。使用有源IC-RFID標簽可以增加識別距離，但對于長時儲存的貨物需要進行定期更換電池，維護成本增加[2-3]。同時，在超高頻條件下，IC-RFID標簽無法在金屬包裝表面上正常工作，標簽性能下降嚴重[4]，此外，在一些高溫高濕、強電磁干擾場合，傳統的標簽無法正常工作，因此迫切需要一個可用于惡劣工況環境、長時儲存的抗金屬化無源標簽。

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)RFID標簽是一種無線無源器件，可用于遠距離識別的標簽。其靠標簽反射柵反射換能器產生的SAW形成不同回波脈沖進行編碼標識。與傳統的IC-RFID標簽相比，SAW-RFID標簽有許多獨特的優點：純無線無源，遠距離定位識別[5-6]，能對運動物體識別[7]；可按工作頻率不同實現多點測量；SAW是機械波，能在高低溫[8]、高壓、強電磁干擾等惡劣環境[9]工作；采用半導體平面加工工藝，易于大批量生產。要把SAW-RFID技術用于包裝物的管理還面臨著一些問題，主要有：SAW標簽的插入損耗與每個反射柵反射的信號能量影響著標簽編碼容量和可讀性；SAW標簽回波幅值的一致性差異較大，導致部分回波信號接近噪聲水平，增加了相位信息的提取難度，降低了編碼容量。文中基于耦合模理論，并利用COMSOL軟件[10-11]，建立一個低插入損耗的SAW標簽模型，通過優化反射柵結果參數以提高SAW標簽回波一致性，降低相位編碼識別誤碼率。

1 聲表面波標簽

聲表面波射頻識別系統包括閱讀器和聲表面波標簽，其工作原理見圖1。標簽由壓電基底、叉指電極(Interdigital Transducer，IDT)、反射柵、天線組成。SAW-RFID射頻識別的具體過程：閱讀器發射一串查詢信號，標簽天線接收射頻信號，由于逆壓電效應IDT會將射頻電信號轉換為可以在壓電基底表面傳播的聲表面波。聲表面波遇到反射柵會產生反射和透射，反射波回到IDT又重新轉換為射頻信號，通過天線傳回閱讀器。根據回波信號中的不同反射回波的幅值、時延和相位信息來確定標簽的編碼信息[12]，從而完成標簽識別。

文中以YX-128°的LiNbO3壓電晶體作為標簽的基底，并采用單向傳播的單相單向換能器(electrode-width-controlled single-phase-unidirectional transducer，EWC-SPUDT)為IDT結構[13-14]，以減小標簽插入損耗提高性能。EWC-SPUDT是在叉指換能器的內部放置一個分布式反射柵陣，使反射聲波與換能器激發的聲波在一個方向上同相相加，在另一個方向上反相相消，使聲波只往一個方向輻射。EWC-SPUDT的基本結構單元見圖2。

為了簡化分析，在模型中只考慮4個反射柵的情況，見圖3。SPUDT的指條數為15，其結構參數分別為、、、、、，其中指間距，其他結構參數見表1。模型的左、右、下側均設置了完美匹配層以減少模型尺寸和吸收聲波在邊界產生的反射。壓電基底LiNbO3晶體的歐拉角被設置為（0°、38°、0°），SPUDT和反射柵的材料設置為金屬鋁。為了模擬標簽天線的接收和發射，將SPUDT外接到由一個電壓源和一個電阻組成的電路中。由電壓源提供定時長的查詢信號，通過電阻分壓模擬射頻信號在閱讀器到標簽天線這段傳播介質中的損耗，使標簽完成信號的自發射、自接收功能。

圖1 聲表面波射頻識別系統工作原理

圖2 EWC-SPUDT結構尺寸

圖3 COMSOL標簽仿真模型

表1 COMSOL標簽仿真模型結構參數

Tab.1 Structure parameters of COMSOL tag simulation model mm

型可以正確地模擬SAW信號的產生與傳播。由于SAW標簽是一個無源器件，隨著信號幅值的降低，無線信道的噪聲干擾就會變強。如圖4b所示，最后一個回波信號與噪聲差異很小，這種幅值依次降低的回波脈沖不利于閱讀器的識別和后處理，容易產生誤碼現象，且編碼容量下降，因此需要對反射柵的結構參數進行優化，改善回波能量的一致性，提高SAW-RFID抗干擾和編碼容量。

2 SAW-RFID回波能量一致性設計

在實際標簽制作中，受壓電基片刻蝕技術的限制，反射柵較難做成矩形外的其他形狀。因此下面主要分析反射柵厚度和寬度對回波幅值大小的影響。根據耦合模理論，當SAW遇到反射柵時，聲阻抗變化引起SAW反射、透射和散射。反射柵邊緣的聲阻抗變化主要是反射柵參數變化引起質量負載導致的。又由于標簽的回波損耗為,意味著提高反射柵的反射率有助于降低SAW標簽的插入損耗。對于個反射柵排列在同一聲軌道上的SAW標簽，相鄰反射柵反射回波能量滿足式（1—2），就可以得到幅值均勻的回波脈沖。

(2)

(3)

的對應關系。反射柵厚度變化范圍為50～1000 nm，仿真計算步長為50 nm，反射柵的寬度變化范圍為0.05～，計算步長為0.05，仿真結果見圖5。

圖4 SAW-RFID仿真回波信號

圖5 反射柵厚度與寬度對反射率的影響

圖6 一致性調整后的回波信號

3 標簽相位特性分析

SAW射頻識別系統的關鍵是對標簽回波信號解碼識別，其主要過程是閱讀時域回波脈沖的幅值、相位和時延信息來確定標簽的編碼。SAW-RFID標簽基底長度有限，通過增加反射柵數量提高的編碼容量有限。使用分辨率更高的相位來增加每個反射柵的編碼位數是更高效的方法，但相位編碼極易受到其他噪聲的干擾造成誤解碼，導致標簽的編碼容量和有效性降低。為了進一步驗證標簽反射能量一致性對標簽相位解碼的影響，對比分析了一致性調整前后標簽解調結果。

相位編碼通過平移反射柵來實現。一種編碼規則見圖7，反射柵每向右平移/8的距離，回波脈沖就會攜帶一個?90°的相位。一個周期內可劃分為0°、?90°、?180°、?270°等4個狀態，攜帶的信息量從開關鍵控編碼的1 bit變為2 bit，標簽容量有了較大的提升。

圖7 相位編碼原理

對上述編碼方案的標簽進行解碼時，可以采用數字IQ解調方法提取相位信息。由于SAW對于反射柵是垂直入射，所以反射回波信號可以表示為：

(4)

(5)

(6)

則回波信號相位信息可以表示為：

(7)

將4個反射柵相位設置為0°、?90°、90°、0°，并對標簽回波脈沖幅值一致性調整前后的結構進行仿真。仿真結果見圖8，圖8中圓圈位置為回波脈沖及其對應的相位。由圖8b、c可以看出，在調整前，回波信號的相位很難提取出來，而經過一致性調整后的標簽，其回波信號中含有的相位干擾被明顯地剔除。仿真結果說明提高反射柵標簽回波幅值的一致性可以提高標簽的抗干擾性，降低標簽的誤碼率，可很好地用于倉儲包裝物識別，特別是?；钒b物的管理。

圖8 數字IQ解調后信號幅值及相位

4 結語

文中基于耦合模理論利用COMSOL有限元仿真軟件，將切型為YX-128°的LiNbO3晶體作為標簽的壓電基底，并對SAW標簽進行了仿真研究分析。使用SPUDT降低了標簽的插入損耗。計算分析了反射柵厚、寬度對回波反射率的影響，結果顯示反射柵的反射率在反射柵的厚度為530 nm、寬度為時達到最大值。在此基礎上，優化了反射柵結構參數，得到了一組回波一致性較好的SAW標簽，其最大幅度差為2.02%。驗證了提高標簽幅值一致性有助于降低相位編碼誤碼率，提高了回波的可讀性。這些分析為使用LiNbO3晶體作為壓電基底材料的聲表面波標簽增加抗干擾性能提供了指導。

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Design of Passive SAW Tag for Packaging Management

LYU Bang-tong, FAN Yan-ping, YANG Zhao-ning

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The work aims to design a SAW tag model with high consistency of echo energy to solve the problems that the echo energy of the reflectors at different positions in the SAW phase code tags is inconsistent, vulnerable to noise interference and incorrect in demodulation, thus reducing the error coding rate. Based on the coupled-mode theory and COMSOL finite element simulation software, the relationship between the thickness and width of the reflector film and the reflectivity was established. According to the optimal principle, the structure parameters of the reflectors were designed to reduce the insertion loss and improve the energy consistency of the SAW echo signal. The simulation results showed that when the thickness of the reflectors was 530 nm and the width was 0.23, the reflectivity of the reflectors was largest. For the tag with great consistency of echo energy obtained after optimization of reflector structure, the thickness of the four reflectors were 640 nm and the width were 0.245, 0.27, 0.32and 0.46respectively. The maximum error of echo was 2.02%. The phase information of the tag before and after the amplitude consistency adjustment of echo pulse was extracted by digital quadrature demodulation method. According to the results, the phase information of the tag could be correctly recovered after the amplitude consistency adjustment of echo pulse. The proposed SAW tag model can improve the anti-interference and coding capacity of the tag.

surface acoustic wave; tag; reflectivity; amplitude consistency; phase code

TB486

A

1001-3563(2022)03-0284-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.035

2021-08-03

國家自然科學基金青年項目（51705326）

呂幫通（1997—），男，上海理工大學碩士生，主攻SAW-RFID及編碼方法。

范彥平（1983—），男，博士，上海理工大學副教授，主要研究方向為聲表面波傳感器及信號處理。