基于蝶形縫隙諧振器的無芯RFID標簽設計

賈 胤，鄒傳云，胥 磊

(西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術是一種采用電磁耦合和電磁輻射原理自動識別遠距離放置標簽的無線識別技術，主要應用于交通運輸、防盜系統、物流管理、貨物追蹤、身份識別等方面[1-2]，在物聯網的實施中發揮著重要作用[3]。射頻標簽因其自身的非可視閱讀、遠距離閱讀、自動識別和追蹤、能在惡劣環境下工作等眾多優勢，具有代替條形碼的潛力[4]。射頻識別系統主要由大量標簽、閱讀器以及連接閱讀器主機組成[5]，其成本主要由標簽芯片決定。相對于一些廉價商品的應用，傳統的RFID標簽存在射頻集成電路(radio frequency integrated circuit，RFIC)，價格昂貴，并不實用。

為降低標簽成本，設計了無芯RFID標簽。它既不含有射頻集成電路，又不需要專用的電源，無芯片RFID標簽主要分為基于時域、頻域、相位和圖像等幾種編碼方式。基于時域編碼的聲表面波(surface acoustic wave，SAW)標簽[6]，主要由傳輸線和插指換能器(interdigital transducer，IDT)組成，能在一張信用卡尺寸內實現64 bit的編碼容量;但其需使用成本較高的壓電基片，并需采用亞微米光刻技術完成制造，使得標簽成本接近傳統標簽。另一種基于時域編碼的無芯標簽采用了微帶延遲線[7]，使輸入信號和延遲信號疊加；但這種標簽體積大，編碼容量不足。基于相位編碼的無芯標簽由于目前相位分辨率不高，不能滿足大容量編碼要求[8]。基于圖像編碼的無芯標簽目前還在試驗階段，且需要昂貴的亞微米印刷技術，因此并不實用[9]。

頻域標簽采用簡單的輻射結構，將數據轉化為唯一的電磁簽名(electromagnetic signature，EMS)，由每個縫隙諧振器對應一個比特編碼，通過增加或刪減不同長度的諧振器，形成頻域編碼信息[10]。使用螺旋諧振器和交叉極化單極天線構成的頻域標簽，能實現35 bit的編碼容量[11]。在安全近場數據傳輸的低成本無芯RFID系統中，常規ID卡可提供9 bit的編碼容量[12]。該方法通過偶極子的長度變化進行數據編碼，并使用了頻移原理和復雜的高階模式檢測技術?；趫A環縫隙的無芯標簽[13]，考慮了圓環的對稱性。標簽能水平旋轉任意角度，而讀寫器天線始終能檢測到標簽信息。這種標簽結構可以向前或向后輻射，但不容易起振。

為降低標簽成本，且在增加編碼容量的同時不增加標簽的面積，本文提出了基于蝶形縫隙諧振器的無芯片標簽。它僅含有1個導電層，可采用3D打印技術大量制作[14-15]。該標簽通過閱讀器接收后向散射信號的頻譜特征，并進行數據編碼，在24 mm×11 mm的TLX-0基板上，可實現10 bit的編碼容量。2個標簽可以緊湊地放在基板上。

1 基本原理

1.1 縫隙諧振器基本原理

頻率選擇表面(frequency selective surface，FSS)通常是由大量相同單元按照一定規律排列組成的單層或多層結構，會在特定的頻點產生有明顯波峰和波谷變化的頻譜簽名，可實現一定頻率范圍內的數據編碼。頻率選擇表面自身并不吸收能量，它的頻率選擇特性取決于縫隙諧振單元的結構尺寸、排列方式和所用的介質。本文設計的無芯RFID標簽采用了蝶形縫隙結構，不需要使用接地板。在介質板上有規律地蝕刻出一些蝶形縫隙。當存在某個蝶形縫隙環時，后向散射信號的雷達散射截面(rader cross sections,RCS)頻譜曲線就會出現相應的諧振點，表示為邏輯“1”；當某個蝶形縫隙環缺失，對應的諧振點就會消失，表示為邏輯“0”。蝶形縫隙諧振器的底邊為L,兩翼均為Lp。

縫隙諧振器的諧振頻率可以根據式(1)估算[16]。

(1)

式中：c為光速；εr為介質的相對介電常數；L為諧振器的長度。

本文設計了單個無芯標簽蝶形縫隙諧振器模型。RCS頻譜曲線如圖1所示。

圖1 RCS頻譜曲線 Fig.1 RCS spectrum curve of chipless tag

由圖1可以看到，蝶形縫隙諧振器的二次諧波很小，對編碼信息沒有影響，而在超寬帶(3.1～10.6 GHz)內未出現三次諧波，確保了本設計的魯棒性。

控制縫隙長度a分別為35 mm、38 mm、41 mm、44 mm、47mm，對應的RCS頻譜曲線如圖2所示。

圖2 不同長度縫隙的RCS頻譜曲線 Fig.2 RCS spectrum curves of slots with different lengths

由圖2可知，不同長度的諧振器具有不同的諧振頻率，通過組合能形成有效的編碼。隨縫隙長度增加，對應的諧振頻率相應減小。

1.2 無芯RFID標簽工作原理

無芯RFID標簽系統的工作原理如圖3所示。RFID閱讀器發射天線(Tx)發送超寬帶連續電磁波詢問信號照射到標簽表面后，蝶形縫隙諧振器會改變入射信號的頻譜結構，形成電磁簽名。隱含編碼信息的后向散射信號返回到閱讀器的接收天線(Rx)，由閱讀器記錄并提取頻譜簽名，并交由后臺處理系統，通過預先定義的算法恢復編碼信息。

圖3 無芯RFID標簽工作原理圖 Fig.3 Working principle of the chipless RFID tag

2 無芯RFID標簽設計

本文設計的蝶形縫隙無芯RFID標簽結構如圖4所示。

圖4 無芯RFID標簽結構圖 Fig.4 Structure of chipless RFID tag

在介質基板上蝕刻出一系列有規律的縫隙，不同縫隙長度的諧振器會產生特定的頻點諧振?；宀捎煤穸萮=0.8 mm、相對介電常數εr=2.45、損耗角正切tanδ=0.001 9的Taconic TLX-0。為使標簽簡單、易于打印，縫隙間距Wslot和縫隙寬度Ws均取0.2 mm。 按縫隙長度編號，最長縫隙為L1，對應最高有效位MSB；最短的縫隙為L10，對應最低有效位LSB。整個蝶形標簽相當于一個等邊三角形減去一個等腰三角形剩余的部分?；彘LLpatch=24 mm，寬W=11 mm，蝶形標簽的底邊與基板長邊重合。

通過增加開槽數量、縮小縫隙間距來提升編碼容量，而不是增加標簽表面積。當平面電磁波照射到標簽表面時，會表現出頻率選擇性，簡單地加入和移除諧振器，可控制頻率選擇特性。每個縫隙對應頻譜上的一個諧振點。當存在諧振谷時，則表示邏輯狀態“1”；反之，表示邏輯狀態“0”。

3 仿真分析

3.1 仿真結果

為了驗證本設計的正確性，設計了4款不同ID的標簽，分別代表1111111111、1011011011、1010101010、0101010101。利用電磁仿真軟件FEKO進行仿真設計。建模時把諧振單元設置為理想電導體，激勵波以均勻平面波入射到標簽表面。圖5給出了不同編碼標簽設計圖。

圖5 不同編碼標簽設計圖 Fig.5 Design of tags with different encodings

縫隙無芯片標簽仿真結果如圖6所示。

圖6 縫隙無芯片標簽仿真結果圖 Fig.6 Simulation results of slot chipless tags

圖5(a)標簽有10個全為“1”的編碼，從仿真的后向散射信號看，標簽有10個諧振谷，代表頻譜簽名全為“1”。圖5(b)標簽的第2、5、8個縫隙諧振器缺失，從后向散射信號看，標簽的第2、5、8個諧振谷也消失了，代表頻譜簽名為“0”。圖5(c)和圖5(d)標簽，在刪除相應的諧振槽后，頻譜簽名表現為“0”。另外，由于縫隙諧振器之間的相互耦合，在移除諧振槽之后，相鄰諧振頻率有一個很小的偏移，可以通過簡單的信號處理技術來克服。

3.2 遠距離識別

新設計的標簽能以非常緊湊的方式并排放置多個，以增大標簽的雷達散射截面[16]，獲得遠距離無芯片RFID標簽。在24 mm×22 mm的Taconic TLX-0的基板上，放置2個相同的標簽形成一個對稱的結構，如圖7所示。RCS頻譜比較曲線如圖8所示。與單個標簽相比，2個標簽疊放能檢測到的信號強度增加了3～12 dB。

圖7 標簽疊放圖 Fig.7 Overlapping of the tags

圖8 RCS頻譜比較曲線 Fig.8 Comparison of RCS sepctrum curves

4 結束語

本文設計了一種新的無芯RFID標簽。該設計數據率高、結構緊湊、成本較低、制作簡單。標簽由多個蝶形縫隙諧振器組成，在超寬帶上產生多個諧振頻率點編碼信息。標簽制作在24 mm×11 mm的Taconic TLX-0的基板上，可實現10 bit的編碼容量。2個標簽以非常緊湊的方式放在一起，可擴大標簽的閱讀范圍。在接下來的工作中，要制造并測量這種標簽的實用性。這種單面緊湊的標簽由于不存在接地板，能像條形碼一樣，用導電油墨直接印刷到ID卡、信用卡，甚至紙張上，具有很大的應用潛力。

參考文獻:

[1] KHAN U H,ASLAM B,AZAM M A,et al.Compact RFID enabled moisture sensor[J].Smart Sensors and Sensing Technology, 2016,25(3):449-456.

[2] YANG P，WU W Y，MANSOUR M，et al．Efficient object localization using sparsely distributed passive RFID tags[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(12):5914-5924．

[3] 賈保先.物聯網相關技術在現代物流中的應用研究[J].自動化儀表,2015,36(1):73-75.

[4] ISLAM M A，KARMAKAR C．A 4×4 dual polarized mm-wave ACMPA array for a universal mm-wave chipless RFID tag reader[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63(4):1633-1640．

[5] GUPTA S,LI G J,ROBERTS R C,et al.Log-periodic dipole array antenna as chipless RFID tag[J].Electronics Letters,2014,50(5):339-341.

[6] GALLAGHER M W,MALOCHA D C.Mixed orthogonal frequency coded SAW RFID tags[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control,2013,60(3):596-602.

[7] SHAO B,CHEN Q,AMIN Y,et al.An ultra-low-cost RFID tag with data rate by ink-jet printing on paper substrate[C]//Solid State Circuits Conference,IEEE,2010:1-4.

[8] BALBIN I,KARMAKAR N C.Phase-encoded chipless RFID transponder for large-scale low-cost applications[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters,2009,19(8):509-511.

[9] MAYS R M,GRISHIN A M.Microwave Readable Dielectric Barcode:WO/2006/107352[P].2006.

[10]CASULA G A，MONTISCI G，MAXIA P，et al．A narrow-band chipless multiresonator tag for UHF RFID[J]．Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2014，28(2):214-227.

[11]PREADOVIC S,KARMAKAR N C.Design of fully printable planar chipless RFID transponder with 35-bit data capacity[C]//Microwave Conference,2009:13-16.

[12]DEEPU V,VENA A,PERRET E,et al.New RF identification technology for secure applications[C]//IEEE International Conference on RFID Technology and Applications,IEEE,2010:159-163.

[13]ISAM M A，YAP Y，KARMAKAR N，et al．Orientation in-dependent compact chipless RFID tag[C]//Procee dings of 2012 IEEE International Conference on RFID-Technologies and Applications.Orlando:IEEE，2012:137-141．

[14]李小麗,馬劍雄,李萍,等.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表,2014,35(1):1-5.

[15]郭日陽.3D打印技術及產業前景[J].自動化儀表,2015,36(3):5-8.

[16]DISSANAYAKE T,ESSELLE K P.Prediction of the notch frequency of slot loaded printed UWB antennas[J].IEEE Transaction Antenna Propag,2007,55(12):3320-3335.