基于三角形縫隙諧振器的無芯RFID標簽設計*

賈 胤， 鄒傳云， 胥 磊

0 引 言

傳統的有芯片標簽包含硅芯片和天線，因而價格昂貴，使其難與低成本的條形碼技術競爭。為了降低標簽成本，研究提出了無芯片標簽，其因自身的眾多優勢，如閱讀距離遠、非可視(non-line-of-sight)閱讀、自動識別和追蹤，有潛力代替如今廣泛使用的條形碼[1]。無芯片標簽按照編碼方式主要分為基于時域、頻域、相位和圖像編碼的無芯片標簽。基于時域可打印在紙基上的無芯片射頻識別(radio frequency identification，RFID)標簽[2～5]，每比特的編碼需添加一個分流電容器到微帶線，標簽的體積隨編碼容量線性提升;基于時域編碼的聲表面波(surface acoustic wave,SAW)無芯片RFID標簽[6]，可以達到所需的數據容量,但需要使用價格昂貴的壓電基片，并要采用亞微米光刻工藝制造，使標簽成本接近于傳統標簽；基于相位編碼的無芯片RFID標簽由于目前相位分辨率的限制，不能達到大容量編碼的要求[7]；基于圖像編碼的無芯片標簽對多徑效應不敏感[8]，且可使用印刷技術制作，但數據容量仍然不高；基于頻域編碼的無芯片RFID標簽[9]使用簡單的輻射結構將數據轉化為唯一的電磁簽名(electromagnetic signature,EMS)，較時域標簽有更高的數據密度，且可使用打印技術，容易實現小型化，在物聯網技術的實施中發揮著重要作用。然而，由于加入了額外的諧振器,標簽的尺寸同樣隨編碼容量的提升線性增加。國內外研究者為提升無芯片標簽的編碼容量，同時實現小型化，做了許多努力[10，11]。

本文提出了一種基于目標自然諧振的無芯片標簽，,利用雷達散射截面進行信息的傳輸。標簽由多個等邊三角形縫隙環諧振器嵌套組成，其面積并不隨編碼容量提升。單面緊湊、可完全印制的標簽在24 mm×22 mm的尺寸內，可實現12 bit的編碼容量。通過仿真驗證了標簽結構的可行性，且標簽數據的讀取與入射波的極化方向無關。這種結構的標簽可以緊湊地放置在一起，增大雷達散射截面積，提升閱讀距離，適合一些編碼容量高，閱讀距離遠的應用場合。

1 基本原理

1.1 縫隙諧振器的基本原理

一個加載了多個縫隙諧振腔的金屬貼片會在特定的頻率點產生有明顯波峰和波谷的雷達散射截面積(radar cross section,RCS)，利用這些波峰和波谷可編碼信息[12]。本文提出的等邊三角形縫隙諧振器結構和幅頻特性如圖1所示，圖中縫隙邊長為19.2 mm，縫隙寬度為0.2 mm。相較于其他諧振結構,設計的三角形縫隙諧振器主要有2個優點：1)諧振單元在頻譜上的二次諧波可忽略不計，且在后向散射信號中不存在三次諧波。從圖1(b)可以看出，縫隙諧振器的二次諧波很小，不影響編碼，而在超寬帶(ultra wide band,UWB)(3.1～10.6 GHz)上不存在三次諧波，因此整個超寬帶均可用于編碼。2)由于其結構的特殊性，任何極化方向的入射波均能得到良好的響應，確保了本文設計的魯棒性。

圖1 單個諧振器的結構及RCS頻譜曲線

標簽的ID信息存在于標簽的圖形結構中，不同長度的縫隙對應不同的諧振頻率，依據縫隙的存在或缺失形成的頻譜簽名可以有效地編碼信息。圖2為不同控制縫隙長度a對應的RCS頻譜曲線。可以看出，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。且隨縫隙長度增加，對應的諧振點頻率減小。

1.2 無芯片RFID標簽的工作原理

圖3給出了本文提出的無芯片RFID標簽的工作原理。當閱讀器發射天線(Tx)發送詢問電磁波信號到達無芯片RFID標簽的表面時，一個標簽結構所決定的特有的頻率簽名即被激發，改變入射電磁波的頻譜結構。接收天線(Rx)會接收到隱含編碼信息的后向散射信號，閱讀器記錄并提取這個獨有的頻譜簽名，恢復出編碼信息。為了減小發送信號和接收信號的相互耦合，發射天線和接收天線呈90°放置。

圖3 無芯片RFID標簽的工作原理

2 無芯片RFID標簽設計

本文設計的無芯片RFID標簽結構如圖4所示，標簽的結構參數如表1所示，圖中黑色線條為設計的等邊三角形縫隙。最長的縫隙邊長L1=23.308 mm，對應編碼的最高有效位(the most significant bit,MSB)；最短的縫隙邊長L12=8.084 mm，對應編碼的最低有效位(least significant bit,LSB)。為使標簽制作簡單，縫隙間距Wslot=0.2 mm，縫隙寬度Ws=0.2 mm。基板材料采用Taconic TLX-0(相對介電常數εr=2.45、損耗角正切tanδ=0.001 9)，標簽的整體尺寸為24 mm×22 mm×0.8 mm，可實現12 bit的編碼容量,其他諧振單元邊長Lx+1=23.308-1.384x。

圖4 無芯片標簽設計

參數數值參數數值基板長度L24基板厚度h0.800基板寬度W22邊緣空隙s0.613

當標簽受到平面電磁波激勵，每一個縫隙諧振器在頻譜上均會產生一個波峰和波谷，其中波谷用于編碼1位數據。當波谷存在時，表示邏輯狀態“1”，反之，表示邏輯狀態“0”。通過增加開槽數量，縮小縫隙間距，可以提升編碼容量，而并不增大標簽表面。通過簡單地加入或移除諧振器，控制頻率選擇特性，得到各種編碼的標簽。

3 仿真結果與分析

3.1 無芯片標簽仿真與編碼分析

在該無芯片標簽中，按照諧振體長度從大到小的順序分別設置序號為1～12，則對應的諧振頻率從小到大。通過仿真得到不同邊長諧振體對應的諧振頻率如表2所示。

表2 不同邊長諧振單元參數

為了驗證本設計的可行性，設計了4種不同編碼的標簽ID為:111111111111，110110111011，101010101010，010101010101，如圖5所示。通過電磁仿真軟件FEKO進行仿真設計，建模時將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 具有不同ID標簽的結構示意

上述設計的無芯片標簽的仿真結果如圖6所示，通過移除一些縫隙，可以構成12 bit的各種編碼。圖5(a)中12個等邊三角形縫隙諧振器均存在，這個標簽有12個全為“1”的編碼。其仿真結果圖6(a)顯示了標簽有12個諧振谷，即頻譜簽名全為“1”，代表ID：111111111111。圖5(b)中序號分別為3，6，10的等邊三角形縫隙諧振器被移除，則仿真結果圖6(a)顯示了標簽的第3，6，10個波谷亦消失，即這3個位置的頻譜簽名為“0”，其他的所有波谷均沒有因為這3個諧振器的移除而發生明顯改變，代表ID：110110111011。其他ID以此類推。另外，由于縫隙諧振器之間的相互耦合，在移除諧振器之后，相鄰諧振頻率有一個很小的偏移，可以通過去諧校正技術克服[13]。

圖6 標簽的RCS幅頻特性仿真

3.2 入射波極化角度的影響

圖7為不同極化角度的RCS幅頻特性曲線。可以看出：極化角度分別等于0°，30°，60°，90°時，諧振頻率點并未發生明顯改變。可以證明這種結構的標簽極化獨立，對極化角度不敏感。另外，諧振谷深度在一些諧振點發生了變化，但未對標簽的檢測識別產生干擾，僅影響其閱讀范圍。

圖7 不同極化角度的RCS幅頻特性仿真

3.3 多諧振結構加載標簽設計

設計的無芯片RFID標簽能以非常緊湊的方式多個并排放置，增大標簽的雷達散射截面積，可得到更長的閱讀距離。放置4個相同的標簽，形成對稱結構，如圖8所示。

圖8 多諧振結構加載的標簽

圖9比較了該多諧振結構加載的無芯片標簽和單個無芯片標簽的RCS幅頻特性曲線。可以看出，與單個標簽相比，該結構能檢測到的信號強度增加了3～9 dB。信號強度在高頻時增加更多，同時二次諧波的影響也更低。

圖9 2種標簽的RCS幅頻特性仿真

4 結 論

本文提出了一種新穎的無芯片RFID標簽的設計。標簽由多個三角形縫隙諧振器組成，結構緊湊，成本較低，制作簡單。由于采用了三角形結構，標簽的后向散射信號對入射波的極化角度不敏感，使標簽的實用性更強。此外，還探索了增大閱讀距離的方法。標簽不存在接地板，這種單面的緊湊的結構能像條形碼一樣，用導電油墨直接印刷到ID卡、信用卡甚至紙張上面。

參考文獻:

[1] Preradovic S,Karmakar N C.Chipless RFID:Bar code of the future[J].IEEE Microwave Magazine,2010,11(7):87-97.

[2] Finkenzeller K,Müller D.RFID handbook:Fundamentals and applications in contactless smart cards,radio frequency identification and near-field communication[M].Hoboken:Wiley,2010.

[3] Chen H M,Yeh S A,Lin Y F,et al.High chip reactance matching for ultra-high-frequency radio frequency identification tag antenna design[J].IET Microwaves Antennas & Propagation,2012,6(5):577-582.

[4] 李 波.基于標簽信息分組的射頻識別防碰撞算法[J].華南理工大學學報:自然科學版,2011,39(7):32-37.

[5] Shao B,Chen Q,Amin Y,et al.An ultra-low-cost RFID tag with 1.67 Gbps data rate by ink-jet printing on paper substrate[C]∥ IEEE Solid State Circuits Conference,2010:1-4.

[6] Liu J C,Yao J H.Wireless RF identification system based on SAW[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(2):958-961.

[7] Genovesi S,Costa F,Monorchio A,et al.Phase-only encoding for novel chipless RFID tag[C]∥IEEE RFID Technology and Applications Conference,2014:68-71.

[8] Zomorrodi M,Karmakar N C.Image-based chipless RFID system with high content capacity for low cost tagging[C]∥IEEE Microwave and RF Conference,2014:41-44.

[9] Aslam B,Khan U H,Habib A,et al.Frequency signature chipless RFID tag with enhanced data capacity[J].IEICE Electron Express,2015,12(17):12-17.

[10] Feng Y,Xie L,Chen Q,et al.Low-cost printed chipless RFID humidity sensor tag for intelligent packaging[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(6):3201-3208.

[11] Martinez-Iranzo U,Moradi B,Garcia-Garcia J.Open ring resonator structure for compact chipless RFID tags[C]∥IEEE Microwave Symposium,2015:1-3.

[12] 胥 磊,黃卡瑪.一個緊湊的梯形領結無芯RFID標簽的設計[J].壓電與聲光,2015,37(6):991-994.

[13] Vena A,Perret E,Tedjini S.A fully printable chipless RFID tag with detuning correction technique[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters,2012,22(4):209-211.