無源無芯片RFID光傳感標簽設計*

孫占峰， 尹柏強， 何怡剛， 羅旗舞， 宋 洋

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

在各無線監測應用領域中[1～4]，結合射頻識別(radio frequency identification,RFID)和無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)的光照強度在線監測是最重要的應用技術之一。現階段主要使用微電子技術實現在線光強監測，并將其與RFID和WSNs技術相結合，使光強監測具有很高的靈敏度和準確性。盡管，部分研究采用無源標簽[5]和聲表面波技術[4]，在一定程度上降低了其元件成本和維護難度，但卻依然難以克服其大規模生產和使用中成本過高的問題。為了有效解決這些問題，無芯片RFID技術應運而生[6]。

不同于傳統有芯片RFID技術，無芯片RFID技術使用集成傳感器的諧振結構進行標簽ID編碼和環境感知[7],極大地降低了標簽生產和維護成本，且其采用的獨特詢問技術還使其具備長距離通信和簡易收發的優點[8]。

本文基于RFID技術設計了緊湊型無芯片光傳感標簽，并結合傳感器技術實現標簽的ID編碼能力和光強檢測，并仿真測試了設計的標簽性能。

1 無芯片標簽工作原理

加載在無芯片RFID標簽天線上的射頻或微波電路能夠根據其不同的大小和結構對天線接收的電磁波信號進行調制，使該信號產生特定的諧振頻率和不同的諧振幅值，使得該天線具有在頻率上的電磁識別標志(electromagnetic sign，EMS)。通過加載多個射頻和微波諧振電路，多個EMS不僅可以作為標簽的身份ID，亦可在諧振電路中集成傳感材料進行環境感知。環境參量的變化改變了傳感材料的阻抗或介電常數，進而改變了天線的反向散射信號。閱讀和訪問設備通過接收天線的反向散射信號，實現無芯片RFID系統對環境的感知[9,11]。本文具有傳感功能的無芯片RFID系統的結構和工作原理如圖1所示。

圖1 無芯片RFID系統的結構和工作原理

2 無芯片標簽設計與仿真

2.1 標簽設計原理與結構

本文設計的無芯片RFID傳感標簽包括3個部分：單機子收發天線、ID編碼單元和光強傳感單元，如圖2所示。

圖2 無芯片傳感標簽結構示意

標簽利用開路短截線諧振結構的帶阻濾波原理實現對自身的ID編碼和光強的感知。在高頻條件下，諧振結構可以等效為多個電感和電容串/并聯電路，其性能主要取決于2個參數：諧振結構的諧振中心頻率f和品質因數Q

(1)

式中L為諧振結構的等效電感值，C為諧振結構的等效電容值，R為諧振結構的等效電抗，ω=2πf為諧振角頻率。可知，不同的L和C可以使諧振結構產生不同諧振中心頻率。本文通過改變開路短截線諧振結構的長度使其具備不同的等效電感和電容值，在1.5～2.2 GHz的頻帶內產生5 bit標簽ID信息，并使開路短截線諧振結構末端的光敏元件在不同光照強度下擁有不同的等效阻抗值。

本文采用龍信達公司的LXD/GB3—A1DPBT光敏電阻器作為光強檢測傳感器。超高頻范圍使用時，該光敏元件的阻抗值可等效為多個RC電路串/并聯后的阻抗值。使用安捷倫矢量網絡分析儀(vector network analyzer，VNA)E5061B對不同光照條件下4組該光敏元件阻抗值進行測量，減小測量誤差，結果如表1所示。測量結果顯示，LXD/GB3—A1DPBT光敏電阻器在較小的頻率范圍內阻抗值變化不明顯，但在不同光照條件下的阻抗值卻有很大變化。

表1 GB3—A1DPBT光敏元件阻抗測試結果

2.2 諧振結構仿真與實物測試

使用Ansoft HFSS軟件對標簽ID編碼和傳感單元進行仿真和測試。仿真過程中，使用等效模型模擬不同光照條件下的光敏元件，其在0，500，1 000 lux條件下的阻抗值采用表1中測試的4組對應條件下阻抗值的平均值。圖2中諧振結構具體的參數為：L1～L6分別為23，25，27.5，20，19，16 mm;W1,W2分別為3.73,0.7 mm;S為4 mm;R為15 mm。其仿真結果如圖3虛線所示。

圖3 諧振單元S21仿真和測試結果

利用蝕刻技術將ID編碼和傳感單元結構蝕刻在厚度為2 mm的FR4基板上，并在長度為L6的開路短截線末端焊接光敏電阻器，其微帶線兩端采用50 Ω SAM接口。諧振結構的實物如圖4所示，其總面積約為10 cm2，單位面積的數據含量約為0.6 bit/cm2。

圖4 諧振單元結構

使用安捷倫E5061B矢量網絡分析儀分別測試其在光照強度為0,500,1 000 lux時的插入損耗S21。測試結果如圖3中實線所示。

3 標簽測試方法與結果分析

3.1 測試方法

采用同樣的蝕刻技術將設計的無芯片RFID光傳感器蝕刻于厚2 mm的FR4基板上，并將LXD/GB3—A1DPBT光敏電阻焊接于傳感單元末端，制作完成的無芯片RFID光傳感標簽如圖5所示。設計標簽的ID編碼為“00000”。

圖5 無芯片RFID光傳感標簽

本文采用如圖6所示的原理框圖對無芯片RFID標簽進行性能測試。為了減小測試過程中信號間的相互干擾，采用交叉極化放置的兩個環形天線Rx和Tx作為測試信號的收發天線。測試平臺中矢量信號分析儀采用安捷倫E5061B，微波暗室采用Voyantic RFID測試箱。測試過程中，測試天線與標簽天線間的距離為30 cm；測試的環境光強分別為0,200,400,600,800,1 000 lux。

圖6 無芯片RFID標簽測試原理

3.2 測試結果與分析

無芯片RFID光強傳感標簽的S21參數，響應頻率和諧振幅值的測試結果如表2。圖7展示了光照強度為0 lux和1 000 lux的完整S21頻譜測試結果。

表2 不同光照條件下無芯片RFID標簽S21測試結果

從以上測試結果可以看出，本文所設計的無芯片RFID傳感標簽在不同的光照強度條件下將會產生不同的響應頻率和諧振幅值。其不同響應頻率間帶寬間隔的平均值為50 MHz，不同諧振幅值間的平均差值為1.8 dB。表明該無芯片RFID傳感標簽不僅能夠檢測出不同的光照強度，其較寬的頻帶間隔和加大的幅值差可以有效減小不同光照強度測量時信號特征的重疊干擾。

為了更準確地說明本文設計的無芯片RFID傳感標簽的性能，比較了響應頻率和諧振幅值在光傳感中的靈敏度和線性度。其中，傳感器的靈敏度為

(2)

式中X1 000 lux為光照強度為1 000 lux時的響應頻率或諧振幅值,X0 lux為光照強度為0 lux時的響應頻率或諧振幅值。由Sx計算得到利用響應頻率進行光傳感時靈敏度Sf=0.26MHz/lux，利用諧振幅值進行光傳感時靈敏度Sa=0.008 7 dB/lux。通過比較Sf和Sa的值可知，利用響應頻率變化檢測單位光強變化更易實現和操作。

通過對比2個參數與其各自擬合直線的最大偏差百分比，來比較兩種測量結果的線性度優劣。定義線性度為

(3)

式中 ΔYmax為傳感器測量曲線與擬合直線間的最大偏差,Y為傳感器測量范圍。使用MATLAB分別對2種結果參數進行線性擬合，分別得到響應頻率f與光照強度Lx的線以及諧振幅值A與光照強度Lx的線性擬合方程為

Lx=-0.000 27f+2.71,Lx=0.008 5A-23.976 2

(4)

圖8為實驗測試結果的折線圖和擬合后的擬合直線。經過計算，以響應頻率f為變量時其線性度δ1=0.001 4 %；以諧振幅值A為變量時其線性度δ2=0.032 %。δ1<δ2，以響應頻率f為變量的光照強度測試結果具有更好的線性度。

圖8 無芯片RFID標簽測試結果的線性性能

由此可知，對于本文設計的無芯片RFID傳感標簽在以響應頻率為變量，測試結果有更好的靈敏度和線性度。但在應用時，可能需要根據具體的應用場景選擇使用不同的特性，或者需要同時使用兩種特性來提高光傳感的精確性。

4 結 論

本文提出了一種無源、低廉無芯片RFID光傳感標簽。標簽集成現有光敏元件并采用無芯片RFID通信技術，使其具有RFID通信和光傳感能力。標簽采用緊湊型設計，在較小的面積上包含了6 bit數據。由于結構簡單、易生產、無需維護、可重復利用等特點，該標簽有著廣闊的實際應用前景。