關(guān)于一種新型的無芯片RFID雙極化標(biāo)簽設(shè)計(jì)

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(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)的自動識別技術(shù)[1]。射頻識別標(biāo)簽相對于目前的光學(xué)條形碼而言，具有閱讀距離長、非視距讀寫、自動識別與跟蹤的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。然而傳統(tǒng)的有芯片射頻識別標(biāo)簽相較于條形碼而言，因成本較高無法使射頻識別技術(shù)獲得廣泛的市場應(yīng)用，所以必須降低標(biāo)簽的成本。目前國內(nèi)外研究焦點(diǎn)在于可印制的無芯射頻標(biāo)簽上，該類標(biāo)簽既不需要芯片存儲數(shù)據(jù)，又減少了芯片與接收天線之間裝配成本，相比傳統(tǒng)標(biāo)簽，不但效率高且價(jià)格大幅降低[3]。

文獻(xiàn)[4-8]提出了一種基于時(shí)域、頻域和相位編碼技術(shù)的可打印無芯片RFID標(biāo)簽。其中，基于頻域的標(biāo)簽相比于基于時(shí)域或相位的標(biāo)簽具有更高的數(shù)據(jù)密度且更容易實(shí)現(xiàn)小型化[9]。學(xué)者Jalaly提出具有帶通和帶阻效應(yīng)的微帶偶極子諧振體陣列作為射頻條形碼標(biāo)簽[10]，通過改變諧振體結(jié)構(gòu)來改變諧振頻率，觀察特定頻率點(diǎn)上諧振的有無進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。文獻(xiàn)[11]提出了一種“U”形槽加載的可印制雙極化無芯標(biāo)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雙極化標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。該標(biāo)簽利用具有相同諧振頻率且極化方向正交的“I”形貼片型半波偶極子諧振器，在雙極化平面波激勵(lì)下，同樣的固定頻帶內(nèi)被使用兩次，從而使編碼容量加倍，具有18位編碼容量。該標(biāo)簽具有容量大、尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)量大、對方向敏感，閱讀方向固定的應(yīng)用。

1 RFID標(biāo)簽基本工作原理

1.1 半波偶極子諧振體的極化特性

長度為L、寬度為W的半波偶極子諧振體加載在厚度為h的基板上，則諧振體的諧振頻率f與其自身長度L的關(guān)系如下[12]：

式(1)中，c為光速，εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)?？芍?dāng)一個(gè)半波長偶極子諧振體加載在基板上，其諧振頻率是諧振體長度的函數(shù)。

不同長度的“I”形諧振體放置在基板上會產(chǎn)生不同的頻率特征，每一個(gè)頻率特征可編碼1 B數(shù)據(jù)，并且對于“I”形諧振體，只有在與它相同極化方向的平面波激勵(lì)下才能工作，在與它正交極化的平面波激勵(lì)下不工作。例如使用FEKO仿真軟件對一個(gè)加載在Taconic TLX-8基板(介電常數(shù)εr=2.55，損耗角正切tanδ=0.001 9，厚度h=0.5 mm)上長度L=27 mm的半波偶極子諧振器，設(shè)置極化方式為線極化，入射波為平面波，在θ=0°，=0°，η=0°或90°位置處進(jìn)行照射，其中θ，決定入射波方向，η表示入射波的極化角度，即這里是分別采用水平極化(η=0°)或垂直極化(η=90°)平面波對其進(jìn)行垂直照射，在1~10 GHz的超寬帶范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)場求解，在觀察角度θ1=0°，1=0°(為默認(rèn)觀察角度)進(jìn)行觀察，仿真得到其RCS幅頻特性曲線如圖1、圖2所示，其中Ht、Hr分別表示水平極化的閱讀器發(fā)送天線和接收天線，用來發(fā)送和接收激勵(lì)波；Vt、Vr分別表示垂直極化的閱讀器發(fā)送天線和接收天線，用來發(fā)送和接收激勵(lì)波。當(dāng)用同極化的平面波垂直照射諧振器時(shí)，從其RCS幅頻特性曲線中可以看到，在偶極子諧振頻率點(diǎn)時(shí)，有明顯的波峰出現(xiàn)；當(dāng)用交叉極化的平面波垂直照射半波偶極子諧振器時(shí)，其RCS幅頻特性曲線在諧振頻率點(diǎn)上沒有明顯的頻率特征出現(xiàn)，即諧振器只在相同極化的平面波激勵(lì)下起振，而在正交極化平面波激勵(lì)下不起振，驗(yàn)證了半波偶極子諧振器單極化特性。

1.2 基于導(dǎo)體自然諧振的無芯片標(biāo)簽

由于場在空間相互抵消作用會產(chǎn)生一個(gè)反諧振，反諧振與激勵(lì)波的入射和極化方向有關(guān)[13-14]。諧振器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特性決定了在其頻譜上有一個(gè)諧振的波峰與反諧振的波谷，利用這個(gè)波峰或波谷可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并通過改變標(biāo)簽物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，編碼信息也隨之改變，并通過改變諧振器的長度來調(diào)節(jié)諧振頻率[15]。

本文所設(shè)計(jì)的無芯標(biāo)簽，主要是利用諧振體的單極化特性，由不同長度且交叉極化的“I”形鏡像對成型諧振器陣列，印刷在基板上構(gòu)成。通過極化復(fù)用并利用一對交叉極化的閱讀器天線發(fā)送電磁波激勵(lì)標(biāo)簽，使該標(biāo)簽在固定的超寬帶頻段內(nèi)容納的數(shù)據(jù)位數(shù)提高了1倍。如圖3所示為雙極化無芯片標(biāo)簽的原理圖。

2 無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無芯片標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖4所示，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中N個(gè)垂直極化的諧振體呈鏡像對稱排列在介質(zhì)基板的上下兩端，M個(gè)水平極化的諧振體呈鏡像對稱排列在介質(zhì)基板的左右兩端，為保證設(shè)計(jì)簡化以及方便加工，每個(gè)諧振器的寬度相同，相互間隙保持一致。為增加諧振頻率點(diǎn)上的波谷深度，使頻率特征明顯，增加編碼可靠性，水平和垂直極化的諧振體陣列被重復(fù)設(shè)置。基板材料采用Taconic TLX-8基板（介電常數(shù)εr=2.55，損耗角正切tanδ=0.001 9），標(biāo)簽整體尺寸為22.48×22.48×0.5 mm3，可實(shí)現(xiàn)18 B的數(shù)據(jù)容量。

3 無芯片標(biāo)簽的仿真與編碼分析

在該無芯片標(biāo)簽中除去長度最短的諧振體為虛擬放置不用于編碼，剩余的按照諧振體長度從大到小的順序設(shè)置諧振體的序號為1~9，則序號1~9的諧振體對應(yīng)的諧振頻率從小到大，通過式(1)計(jì)算與仿真分別得到的不同諧振體對應(yīng)諧振頻率如表2所示，由于噪聲、耦合作用等干擾，存在一定誤差，但基本一致，表明公式的正確性。這里諧振體長度被優(yōu)化到以確保它們的諧振頻率均在6~14 GHz頻率范圍內(nèi)便于以后的實(shí)驗(yàn)測量以及得到9個(gè)較深的波谷。長度最大的諧振體其諧振頻率最低，用來編碼最高位；長度最小的諧振體其諧振頻率最高，用來編碼最低位。每一個(gè)諧振頻率在頻譜上都有一個(gè)波峰和波谷，其中波谷被用于編碼1位數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的18 bit的無芯雙極化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖5所示。

9個(gè)垂直極化(V)諧振體在垂直極化的平面波激勵(lì)下產(chǎn)生9個(gè)波谷，可代表垂直極化身份識別(Identification，ID)為“V-111111111”，9個(gè)水平極化（H）諧振體在水平極化平面波激勵(lì)下產(chǎn)生9個(gè)波谷，可代表水平極化ID為“H-111111111”，因此，這個(gè)18 B的雙極化標(biāo)簽的完整ID可表示為“V-111111111+H-111111111”，對應(yīng)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及其仿真結(jié)果如圖6(a)與圖6(b)所示。由圖5、圖6和圖7所示的三個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的仿真結(jié)果可證明，這18個(gè)波谷中任一個(gè)均可以在不改變其他波谷存在與否的情況下通過移除相對應(yīng)的諧振體，使其代表的比特“1”變化為比特“0”。

其中，圖7所示的標(biāo)簽中序號分別為2、4、6和8的4個(gè)水平極化諧振器被移除，則其仿真結(jié)果圖7(b)中顯示僅有在水平極化平面波激勵(lì)下的第2、4、6和8的波谷消失，其他的所有波谷均沒有因?yàn)檫@4個(gè)諧振器的移除而發(fā)生明顯改變，從而這18 bit的雙極化標(biāo)簽可以標(biāo)識目標(biāo)物體的ID為“V-111111111+H-101010101”。

在圖8所示的標(biāo)簽中序號為2、4、6和8的垂直極化諧振器和序號為3、5、7和9的水平極化諧振器被移除，則從其仿真結(jié)果圖8(b)中可看到與其相對應(yīng)的垂直極化平面波激勵(lì)下的第2、4、6和8的波谷與水平極化平面波激勵(lì)下的第3、5、7和9的波谷均消失，該標(biāo)簽可表示的ID為“V-101010101+H-110101010”。

類似的，在圖9(a)所示的標(biāo)簽中序號為3、5、6和8的垂直極化諧振器和序號為2、4、6和8的水平極化諧振器被移除，則由仿真結(jié)果圖9(b)可知相對應(yīng)的垂直極化平面波激勵(lì)下的第3、5、6和8的波谷與水平極化平面波激勵(lì)下的第2、4、6和8的波谷消失，該標(biāo)簽表示的ID為“V-110100101+H-101010101”。從這4個(gè)可分別表征不同比特組合的ID的雙極化標(biāo)簽的仿真結(jié)果中可知，在兩個(gè)正交極化的平面波激勵(lì)下，具有相同諧振頻率的諧振體可以被使用兩次，從而使標(biāo)簽在雙極化方式下在固定的頻率帶寬內(nèi)編碼容量雙倍增加了。

4 結(jié)論

本文中提出的在介質(zhì)基板上加載貼片式I形諧振器的無芯片雙極化標(biāo)簽，具有完全可印制、結(jié)構(gòu)緊湊和編碼容量大的優(yōu)勢，適用于讀取方向固定和數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用領(lǐng)域。標(biāo)簽整體尺寸僅為22.48 mm×22.48 mm×0.5 mm，根據(jù)半波偶極子諧振器的極化特性，在兩個(gè)正交極化的平面波激勵(lì)下，水平極化和垂直極化的諧振器可分別編碼不同的比特位，則相較于其他的基于頻域編碼的標(biāo)簽，該標(biāo)簽在固定的有限頻帶內(nèi)編碼容量加倍了。就其編碼容量而言，雖然本文中設(shè)計(jì)的標(biāo)簽只編碼了18位，但通過調(diào)整諧振器的寬度W1和諧振器之間的間隙寬度s，更高的編碼容量在相同的面積內(nèi)也能夠?qū)崿F(xiàn)。仿真結(jié)果得到的RCS頻譜曲線與標(biāo)簽結(jié)構(gòu)是對應(yīng)的，表明標(biāo)簽是可行的，后期需要進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)物制作和實(shí)際測量，比較仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果是否吻合。