一種基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的新型無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

摘要：針對(duì)頻譜特征法在設(shè)計(jì)無(wú)芯片標(biāo)簽中面臨的編碼容量與標(biāo)簽尺寸的矛盾問(wèn)題，提出了一種新型無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的標(biāo)簽由介質(zhì)集成波導(dǎo)和位于表面貼片上的互補(bǔ)分裂環(huán)構(gòu)成。標(biāo)簽諧振頻率可通過(guò)調(diào)節(jié)互補(bǔ)分裂環(huán)內(nèi)外環(huán)的開(kāi)口角度實(shí)現(xiàn)，其中外環(huán)負(fù)責(zé)大范圍的頻率粗調(diào)，內(nèi)環(huán)用于小范圍的頻率細(xì)調(diào)。標(biāo)簽工作于4 GHz～6 GHz頻率范圍，尺寸為25 mm×15 mm，編碼密度高達(dá)4.86 bit/cm2。通過(guò)仿真驗(yàn)證了與理論分析的一致性，相比傳統(tǒng)的無(wú)芯片標(biāo)簽，該結(jié)構(gòu)可以在不增大標(biāo)簽尺寸的前提下提高編碼容量，同時(shí)介質(zhì)集成波導(dǎo)為標(biāo)簽提供了高選擇性，使標(biāo)簽保持了較高的頻譜分辨率。

0 引言

RFID系統(tǒng)是以電磁信號(hào)為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)識(shí)別技術(shù)，與傳統(tǒng)條形碼技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)在于識(shí)別對(duì)象與讀取設(shè)備之間通信穿透性強(qiáng)、距離較遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸量大和適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等[1]，因此在物流跟蹤、倉(cāng)儲(chǔ)管理和物品定位等方面得到廣泛應(yīng)用。RFID主要由讀寫器和標(biāo)簽兩部分組成，標(biāo)簽一般貼附在物品上，接收讀寫器信號(hào)并將ID信息發(fā)回讀寫器[2]。目前，RFID標(biāo)簽仍無(wú)法取代條形碼的一個(gè)重要因素是成本仍然較高，而在整個(gè)標(biāo)簽成本中芯片占有較大比重[3]，因此近年有關(guān)無(wú)芯片標(biāo)簽的研究和應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[4]。

現(xiàn)有關(guān)于無(wú)芯片標(biāo)簽的研究總體可分為延遲時(shí)間法、頻譜特征法、時(shí)域和相位調(diào)制法等，這些方法的共同目標(biāo)是獲得穩(wěn)定的識(shí)別性能和較大的編碼容量?；陂_(kāi)路短截線的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)由文獻(xiàn)[5]提出，編碼位數(shù)與開(kāi)路短截線數(shù)量相等，因此編碼容量因受標(biāo)簽尺寸約束難以有效提高。文獻(xiàn)[6]提出了一種傳輸線加載螺旋線諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變螺旋線諧振器的分布實(shí)現(xiàn)頻域編碼。該結(jié)構(gòu)通過(guò)加大諧振器間距的方式減少諧振器間的耦合，但增大了整個(gè)標(biāo)簽尺寸，限制了實(shí)用性。文獻(xiàn)[7]提出基于短截線陣列的無(wú)芯片標(biāo)簽，通過(guò)改變短截線長(zhǎng)度進(jìn)行頻域編碼，標(biāo)簽尺寸直接取決于最長(zhǎng)的短截線長(zhǎng)度，而為保證編碼容量，短截線長(zhǎng)度難以有效縮短，因此仍然存在尺寸較大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]提出了基于U型縫隙線陣列的無(wú)芯片標(biāo)簽，通過(guò)改變縫隙線的分布調(diào)節(jié)頻譜特征，但由于U型縫隙間距較窄導(dǎo)致耦合較強(qiáng)，其頻譜分辨率較低。另外，文獻(xiàn)[9]提出了通過(guò)頻率和相位混合編碼提高編碼容量的方法，但編碼容量仍主要受諧振器個(gè)數(shù)限制。

在無(wú)芯片標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法中，頻譜特征法由于具有較高的編碼密度，因此相比其他方法能夠在單位面積內(nèi)獲得更多的編碼容量。在現(xiàn)有基于頻譜特征法的文獻(xiàn)中，一般都是通過(guò)利用若干諧振器設(shè)計(jì)特定的頻譜特征，然后通過(guò)改變諧振器的參數(shù)構(gòu)造不同的編碼。但采用這種方式，編碼容量往往受到標(biāo)簽尺寸和頻譜分辨率的嚴(yán)重制約。當(dāng)要增加編碼容量時(shí)，必然要相應(yīng)增加諧振器個(gè)數(shù)，于是標(biāo)簽尺寸也隨之增大，從而降低了標(biāo)簽的實(shí)用性。如果標(biāo)簽尺寸不變，則必然要縮短諧振器間的距離縮短，于是諧振器間耦合隨之加強(qiáng)，頻譜分辨率也隨之下降。因此，如何在保持較小的尺寸和較高的頻譜分辨率的前提下提高編碼容量，是基于頻譜特征法設(shè)計(jì)無(wú)芯片標(biāo)簽的核心問(wèn)題。

針對(duì)上述頻譜特征法在無(wú)芯片標(biāo)簽設(shè)計(jì)中的主要矛盾，本文提出一種新型基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的無(wú)芯片結(jié)構(gòu)，在不增大標(biāo)簽面積的條件下，通過(guò)改變諧振環(huán)的開(kāi)口角度，充分利用諧振器之間的耦合強(qiáng)弱變化增大編碼容量，同時(shí)利用介質(zhì)集成波導(dǎo)的高選擇性保證了頻譜分辨率，較好地解決了編碼容量、標(biāo)簽尺寸和頻譜分辨率間的矛盾問(wèn)題。

1 無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖1主副內(nèi)、外環(huán)開(kāi)口角度均為90°)，由介質(zhì)集成波導(dǎo)加載互補(bǔ)分裂環(huán)諧振器組成。標(biāo)簽為上下兩層結(jié)構(gòu)，包括頂層金屬貼片和底層金屬地平面。標(biāo)簽頂層分為左右兩半部分，由縱向分布的一排過(guò)孔隔開(kāi)。每部分包含一個(gè)互補(bǔ)分裂環(huán)，由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成。為便于區(qū)分，將左邊定義為主環(huán)，右邊定義為副環(huán)。每個(gè)分裂環(huán)由頂層金屬貼片上兩個(gè)嵌套的環(huán)形縫隙組成。饋線和三角形貼片間的縫隙可用來(lái)調(diào)整標(biāo)簽輸入阻抗。標(biāo)簽中心一排過(guò)孔和其相對(duì)的兩個(gè)邊緣圍成了三角形介質(zhì)集成波導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來(lái)，而面積只有方形波導(dǎo)的1/8，使標(biāo)簽尺寸大大減小。三角形波導(dǎo)的等效電路可以看成終端短路傳輸線，具有高通特性。互補(bǔ)分裂環(huán)可等效為電偶極子，經(jīng)介質(zhì)集成波導(dǎo)加載后，可產(chǎn)生低于波導(dǎo)截止頻率的諧振頻率，有利于諧振器的小型化設(shè)計(jì)。

由于三角形波導(dǎo)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來(lái)，因此其諧振頻率可通過(guò)分析方形波導(dǎo)直接獲得。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的理論分析，對(duì)于寬度為a的介質(zhì)集成波導(dǎo)，其主模TE110的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布如下：

如圖1所示，將各環(huán)開(kāi)口相對(duì)于各自所處位置角度基準(zhǔn)線的旋轉(zhuǎn)角度定義為各環(huán)的開(kāi)口角度。當(dāng)波導(dǎo)尺寸固定時(shí)，標(biāo)簽諧振頻率主要受互補(bǔ)分裂環(huán)半徑和內(nèi)外環(huán)開(kāi)口角度影響，因此可通過(guò)改變分裂環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得不同的諧振頻率，然后通過(guò)頻域法構(gòu)造標(biāo)簽編碼。可獲得的不同諧振頻率越多，編碼容量越大。如果僅通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)開(kāi)口角度獲得不同的諧振頻率，則可在不增大標(biāo)簽尺寸的條件下擴(kuò)大編碼容量。

2 無(wú)芯片標(biāo)簽性能仿真

采用圖1所示的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，使用高頻電磁仿真軟件HFSS分析標(biāo)簽性能。標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：三角形貼片長(zhǎng)度a=24 mm，寬度b=12 mm，饋線寬度c=5 mm，饋線縫隙d=0.3 mm，過(guò)孔間距e=1.4 mm，過(guò)孔直徑f=0.7 mm，主內(nèi)環(huán)半徑g=1.8 mm，主外環(huán)半徑h=2.5 mm，副內(nèi)環(huán)半徑i=1.1 mm，副外環(huán)半徑j(luò)=1.8 mm，各環(huán)開(kāi)口寬度k均為0.4 mm，各環(huán)縫隙線寬均為0.3 mm。所用介質(zhì)板材料為Rogers RO4003，材料相對(duì)介電常數(shù)為3.55，介質(zhì)板厚度為0.8 mm，金屬層厚度為0.017 mm。

首先在固定其他尺寸的情況下，同步改變主外環(huán)和主內(nèi)環(huán)的開(kāi)口角度，分析主環(huán)開(kāi)口角度對(duì)標(biāo)簽頻率響應(yīng)性能的影響。將主環(huán)開(kāi)口角度分別設(shè)為0°、90°、180°和270°，通過(guò)全波電磁仿真后，獲得標(biāo)簽對(duì)應(yīng)不同主環(huán)角度的頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。

由圖2的頻響曲線可見(jiàn)，當(dāng)主環(huán)開(kāi)口角度為0°時(shí)，諧振頻率最高。隨著主環(huán)開(kāi)口角度的增大，諧振頻率逐漸降低，選擇性略有提高。當(dāng)主環(huán)開(kāi)口角度為180°時(shí)諧振頻率達(dá)到最小值。分析其原因，主要是由于主環(huán)角度增大時(shí)，主環(huán)開(kāi)口更接近標(biāo)簽的邊緣，而靠近標(biāo)簽邊緣的地方電流密度較大，從而增加了等效電長(zhǎng)度，降低了諧振頻率。

其次在固定其他尺寸的條件下，僅改變主內(nèi)環(huán)角度，分析主內(nèi)環(huán)角度變化對(duì)諧振頻率的影響。在主外環(huán)開(kāi)口角度為90°時(shí)，改變主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)的開(kāi)口角度差分別為90°、180°和270°，得到不同主內(nèi)環(huán)角度下的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)主外環(huán)角度不變，僅改變主內(nèi)環(huán)角度時(shí)，隨著主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開(kāi)口角度差異的增加，諧振頻率會(huì)逐漸減小，以主外環(huán)和主內(nèi)環(huán)都為90°的結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，當(dāng)主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開(kāi)口角度差由0°增至90°時(shí)，諧振頻率由4.86 GHz減少至4.78 GHz，而當(dāng)主內(nèi)環(huán)開(kāi)口角度由90°增至180°時(shí)，諧振頻率由4.78 GHz減少至4.77 GHz。顯然，主內(nèi)環(huán)相對(duì)于開(kāi)口角度的諧振頻率變化率要遠(yuǎn)小于主外環(huán)，即單位角度變化時(shí)頻率變化較小?？梢岳弥鲀?nèi)環(huán)的這個(gè)特性用于標(biāo)簽頻率的精細(xì)調(diào)整，以減小加工工藝誤差對(duì)頻偏的影響。同時(shí)還可看出，內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開(kāi)口角度差在0°～180°區(qū)間變化時(shí)，諧振頻率的變化主要集中在0°～90°區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)的諧振頻率變化占比為88%，因此當(dāng)調(diào)節(jié)主內(nèi)環(huán)角度時(shí)可以主要在該區(qū)間內(nèi)完成。

下面分析環(huán)半徑對(duì)諧振頻率的影響。將主外環(huán)半徑分別設(shè)為3.2 mm、2.5 mm和1.8 mm,相應(yīng)的主內(nèi)環(huán)半徑為2.5 mm、1.8 mm和1.1 mm，通過(guò)仿真可獲得諧振頻率隨環(huán)半徑變化的曲線如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)開(kāi)口角度不變，半徑由小到大變化時(shí)，由于等效電長(zhǎng)度增加，諧振頻率相應(yīng)減小，分別為5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz，說(shuō)明環(huán)半徑對(duì)諧振頻率影響較大，是決定標(biāo)簽頻率的重要參數(shù)。

因副環(huán)結(jié)構(gòu)與主環(huán)類似，只是半徑不同，因此上述分析同樣適用于副環(huán)。

最后分析地平面大小對(duì)標(biāo)簽性能的影響。當(dāng)改變地平面大小時(shí)，標(biāo)簽諧振頻率和增益的變化如表1所示。表中數(shù)據(jù)是在主副環(huán)開(kāi)口角度均為90°的條件下得出的。由表1可以看出，標(biāo)簽諧振頻率受地平面尺寸影響較小，當(dāng)?shù)仄矫嬖龃髸r(shí)，標(biāo)簽諧振頻率僅有少量減少，而標(biāo)簽反射增益則明顯增加。其主要原因是標(biāo)簽電流主要集中在金屬貼片的邊緣，增大地平面尺寸對(duì)等效電長(zhǎng)度的影響甚微，而地平面的增大可以顯著降低反向輻射耗散，從而能明顯提高標(biāo)簽散射增益。

3 無(wú)芯片標(biāo)簽編碼方法

根據(jù)以上對(duì)標(biāo)簽特性的仿真分析，標(biāo)簽諧振頻率主要受互補(bǔ)分裂環(huán)半徑、內(nèi)外環(huán)開(kāi)口角度影響。由圖2和圖4可見(jiàn)，分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度變化對(duì)諧振頻率的影響較大，較小的分裂環(huán)半徑或外環(huán)角度變化會(huì)引起較大的諧振頻率偏移。而由圖3可見(jiàn)，內(nèi)環(huán)角度對(duì)諧振頻率影響較小，較大的內(nèi)環(huán)角度變化產(chǎn)生的諧振頻率偏移較小。由上述特性可知，在確定標(biāo)簽諧振頻率時(shí)，改變分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度可使諧振頻率在較大范圍內(nèi)選擇，而改變內(nèi)環(huán)角度可使諧振頻率的選擇更加精細(xì)。換句話說(shuō)，可以用分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度這兩個(gè)參數(shù)完成對(duì)標(biāo)簽諧振頻率的“粗調(diào)”，用內(nèi)環(huán)角度實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽諧振頻率的“細(xì)調(diào)”。這樣使標(biāo)簽諧振頻率能夠在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整，同時(shí)提高了頻率選擇范圍和頻率分辨率，有利于提高編碼容量。

充分利用分裂環(huán)半徑、內(nèi)環(huán)角度、外環(huán)角度這3個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，可設(shè)計(jì)無(wú)芯片標(biāo)簽頻率調(diào)整方法如下：

(1)調(diào)節(jié)分裂環(huán)半徑，將標(biāo)簽諧振頻率調(diào)整到合適的中心頻率。為方便設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)上節(jié)設(shè)置內(nèi)外環(huán)半徑，中心頻率可在5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz 3個(gè)中選擇。

(2)調(diào)節(jié)外環(huán)角度，將標(biāo)簽諧振頻率調(diào)整到合適的基頻位置，實(shí)現(xiàn)大范圍的粗調(diào)。

(3)調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)半徑，在基頻的基礎(chǔ)上加入頻率偏移，實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片標(biāo)簽包括主環(huán)和副環(huán)，主環(huán)外環(huán)半徑為2.5 mm，工作于中心頻率4.86 GHz；副環(huán)外環(huán)半徑為1.8 mm，工作于中心頻率5.15 GHz。以a0~a15表示位數(shù)由低至高的16 bit編碼。通過(guò)仿真測(cè)試，綜合考慮編碼容量和頻率分辨率，確定主副環(huán)參數(shù)與編碼的關(guān)系如表2所示。

根據(jù)表2，考慮到當(dāng)內(nèi)外環(huán)角度變化時(shí)諧振頻率的分布情況，外環(huán)角度的變化范圍選為20°～180°，角度增量為5°，可實(shí)現(xiàn)5 bit編碼。內(nèi)環(huán)角度的變化范圍選為100°～180°，角度增量為10°，可實(shí)現(xiàn)3 bit編碼。綜合主副環(huán)總共可實(shí)現(xiàn)16 bit編碼。該無(wú)芯片標(biāo)簽與傳統(tǒng)標(biāo)簽的性能對(duì)比見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，本文提出的無(wú)芯片標(biāo)簽尺寸能獲得更高的編碼密度，且在結(jié)構(gòu)上比文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]更緊湊。

在加工精度和讀寫器頻率分辨率允許的情況下，實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)改變分裂環(huán)個(gè)數(shù)、角度增量和角度變化范圍，以增大編碼容量。編碼容量的計(jì)算公式如下：

其中，N為分裂環(huán)的個(gè)數(shù)，A為角度變化范圍，b為角度增量，R為可實(shí)現(xiàn)的編碼位數(shù)。

4 無(wú)芯片標(biāo)簽測(cè)試

本文無(wú)芯片標(biāo)簽加工后的實(shí)物圖如圖5所示。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示，主環(huán)頻率和副環(huán)頻率分別為4.86 GHz和5.15 GHz，測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的新型無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)互補(bǔ)分裂環(huán)外環(huán)和內(nèi)環(huán)的開(kāi)口角度實(shí)現(xiàn)諧振頻率的粗調(diào)和細(xì)調(diào)，通過(guò)介質(zhì)集成波導(dǎo)提高頻率選擇性，在不增大標(biāo)簽尺寸和不犧牲頻率分辨率的前提下增大了編碼容量，對(duì)解決傳統(tǒng)頻譜特征法存在的編碼容量與標(biāo)簽尺寸、頻率分辨率間的矛盾提供了一種新型方案，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。