基于弧型諧振器的高密度無芯片RFID標簽

李珊珊，薛嚴冰,宋智,陳寶君

(大連交通大學 電氣信息工程學院，遼寧 大連 116028)*

射頻識別(Radio Frequency Identification ，RFID)技術是物聯網的重要組成部分和關鍵技術，傳統的射頻識別系統標簽因芯片的高成本限制無法取代光學條形碼而大規模應用，所以提出了無芯片標簽(chipless RFID)[1-3].無芯片標簽主要基于時域、頻域進行編碼.最早出現的利用延時線技術的無芯片標簽，閱讀器檢測的時間要求納秒級，實現困難且編碼容量不足[4].基于時域的聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)標簽，是唯一商用的無芯片標簽，但這種標簽制作時其壓電材料需要亞微米級的光刻技術，成本與有芯片標簽相比并無優勢[5].基于頻域的無芯片標簽可以提高編碼密度[6]，通過諧振器結構位置改變頻譜進行編碼，編碼容量取決于諧振器的數目[7].文獻[8]利用多螺旋諧振結構實現了35bits的編碼，標簽尺寸為 88 mm×35 mm×0.8 mm.文獻[9]設計了八邊環形諧振器結構的無芯片標簽，使用電墨水印刷，標簽可以彎折，但在有限的頻譜資源內只能實現5bits編碼.文獻[10]提出頻域RCS(Radar Cross Section，RCS)幅值編碼的無芯片標簽，利用不同位置的C形貼片得到不同幅值的諧振峰，根據開口間隙的大小來控制幅值實現編碼，但品質因數低，且電磁耦合現象明顯.文獻[11]為縮小標簽尺寸，減少空間消耗，利用改進的互補開口環結構進行編碼.文獻[12]提出一種基于馬刺線諧振器的新型無芯片標簽，在不增加標簽尺寸同時不降低性能的情況下，將標簽由8bits提高到14bits.文獻[13]將幅度和頻率編碼技術結合，為使數據容量增大，在微帶環上加載電阻以控制反向散射信號的幅度，但是需要焊接不同阻值電阻，不能實現完全印刷.文獻[14]中提出了基于頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，FSS)的無芯片標簽，實現了6bits編碼容量，但因為出現了旁瓣諧振點造成識別不精準.

為解決無芯片標簽尺寸大、編碼位數少、容量低的問題，本文設計了一種結構緊湊的弧型諧振器無芯片標簽，根據RCS幅頻特性進行編碼，應用拐點短路重構，頻率分離法減小電磁耦合.通過數值仿真給出弧長與諧振頻率的擬合關系式，并利用公式在2.5～7.7 GHz頻帶、38 mm×18 mm的Rogers RT/duriod 5880的介質基板上設計并實現了20 bits的無芯片標簽.

1 弧型諧振器結構及編碼原理

1.1 弧型諧振器結構及參數計算

為了使標簽充分利用輻射貼片表面空間，結構更加緊湊，編碼單元采用了1/4波長弧型槽諧振器，其結構如圖1所示.

介質基板尺寸為Sl×Sw，開槽的寬度為Ws，開槽兩側覆銅層寬度均為ds，L0是弧型開槽短路一側到圓心的水平距離，弧長半徑為R0，弧長度為Lslot.其中Lslot可由式(1)得到.

(1)

1.2 弧型諧振器編碼原理

當金屬散射體受到一束均勻平面電磁波照射，因為開槽的存在，某個頻段的電磁波會直接透射，其余頻點的電磁波會通過金屬進行散射，則此時單站RCS的幅頻特性會在某個頻點產生一個諧振波谷，波谷存在對應二進制‘1’，反之為’0’.故一個弧型開槽對應1 bit編碼.

用電磁仿真軟件HFSS對圖1所示的弧型開槽諧振器進行單站RCS仿真，介質基板選用Rogers RT/duriod 5880，其相對介電常數εr為2.2，電正切損耗tanδ為0.000 9，介質基板厚度h為0.787 mm.其仿真的結果如圖2所示.可以看出，整個編碼頻段內該結構只在3 GHz附近出現一個波谷頻點，即只對應一個諧振頻率，沒有高次諧波產生.因此可以在較寬的頻段內利用不同諧振頻率的多個諧振器進行多位編碼.

在改變標簽編碼時，通常采用的方式是移除諧振器使對應位諧振消失，導致不同編碼標簽具有不同的結構，難以實現重構.本文采用拐點短路法，不需改變標簽整體結構，僅在需重構的諧振器上加載一個短路貼片.為確定短路貼片的合理加載位置，對諧振頻率表面電場強度和表面電流強度進行了仿真，結果如圖3所示.

根據圖3(a)可以看出，弧型槽的開路處感應電場強度最大，且表面電場沿著槽開路端逐漸向短路端減小；根據圖3(b)可以看出，電流沿著槽的邊緣從一側流向另一側中間并未分流，可以等效成一個串聯諧振電路.同時，電流的大小在槽短路的一側最強，因此應將短路貼片盡量遠離槽短路端，以減少由于電磁耦合造成的短路貼片對相鄰諧振器的影響.加載短路貼片的諧振器如圖4(a)所示，其RCS幅頻特性仿真結果如圖4(b)所示.

可以看出增加短路貼片后，RCS頻譜上3GHz附近的諧振消失，該位編碼由邏輯“1”變為邏輯“0”，因此，利用拐點短路法可以移除弧型槽諧振器的諧振陷波，進而可以實現對標簽編碼的重構.

2 20bits無芯片標簽設計與仿真

2.1 弧長與諧振頻率的關系

弧型槽諧振器是一種1/4波長諧振器，目前并沒有一個合理的等效電路模型，本文給出諧振頻率點與對應弧型開槽長度的關系式，進而為多諧振器的設計提高了效率.在HFSS軟件中根據式(1)建立了弧長從9.8 mm變化到24.6 mm的不同諧振器結構，仿真了各結構RCS幅頻特性，獲得了弧長與對應諧振頻率點的關系，如圖5所示.

由圖5可知，隨著弧長的不斷增大，諧振頻率減小.將弧長設為自變量x(單位取為mm)，諧振頻率為因變量y(單位為GHz)，采用三次函數進行曲線擬合，擬合結果如式(2)所示：

(2)

擬合曲線的R2值為0.99，擬合效果良好，可以用來近似地描述諧振頻率點與弧長的關系.

保持弧長Lslot為20.1 mm，改變開槽寬度Wslot從0.1～0.5 mm，仿真了開槽寬度同諧振頻率的關系，仿真結果如圖6所示.可以看出，與開槽長度明顯改變諧振頻率不同，開槽寬度對頻率影響不大，當Wslot=0.3 mm時，對應的陷波的品質因數可達45.32，諧振特性最好，所以在設計標簽時，將開槽寬度確定為0.3 mm，通過改變弧長實現不同頻率的諧振.

2.2 20bits標簽的設計

在38 mm×18 mm基板上設計標簽，將20個弧型諧振槽開在扇形覆銅層上.為減小相鄰諧振器間的耦合作用，采用頻率分離方法，將頻域中相鄰諧振頻率對應的諧振器分別設計在了不同的輻射貼片上，即覆銅貼片1的開槽對應第2、4、6,…20諧振頻率，而覆銅貼片2對應1、3、5、…19諧振頻率.20個弧型開槽對應的弧長分別為Lslot1-Lslot20.圖7是20 bits標簽的結構圖.

設計工作頻帶為2.5～7.7 GHz，為實現頻帶隔離，且考慮到高頻電磁耦合現象加劇，前8位諧振頻率的間隔設為200 MHz，后12位諧振頻率的間隔設為300 MHz，根據式(2)，計算出各諧振器的弧長參數，建立20 bits標簽的模型，獲得20bits標簽的結構參數，如表1所示.

表1 20bits標簽參數 mm

2.3 20bits仿真結果與分析

將圖7結構的標簽定義為Tag1，在此基礎上利用拐點短路法進行了三種典型重構，分別為Tag2、Tag3、Tag4.圖8是四個標簽仿真結果.Tag1(圖8(a))的20個諧振器產生了箭頭指向的20個諧振峰，表明可以實現20bits編碼，且諧振頻率點分布相對均勻，諧振特性明顯，RCS回波強度至少為-27.36dBsm.Tag2將后10位進行重構，后10位諧振波谷消失，前10位諧振諧振頻率點未發生明顯偏移(圖8(b)).Tag3根據結構將相鄰弧槽依次交替進行重構，雖然該重構方式相鄰槽間耦合作用最大，但10位“1”編碼未缺失，可知各諧振單元頻率特征相互獨立(圖8(c)).Tag4對標簽進行“1”“0”交替重構編碼，諧振波谷偶數位消失(圖8(d)).

將圖8中Tag1、Tag2、Tag3、Tag4的諧振頻率在表2中進行比較.可以看出由于采用了頻率分離設計，有效減小了重構對相鄰諧振器的電磁耦合效應，重構后標簽結構與諧振點個數相對應，相對于未重構的諧振頻率在低頻段基本未產生偏移，而高頻段因為諧振器相互之間的耦合作用有一定偏差，可通過簡單信號處理正確識別編碼.

表2 20bits標簽重構和未重構之間諧振頻率點的比較

3 測試

3.1 標簽的制作

采用濕法腐蝕法制作了Tag1和Tag2，其實物圖如圖9所示.

3.2 測試系統與測試方法

測試時使用的是Agilent N5242A矢量網絡分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)，測試前進行開路負載、短路負載、50Ω寬頻帶負載校準.標簽的單站RCS測試示意圖如圖10所示：寬頻帶天線連接在一個校準好的VNA端口，將標簽置于天線前方，測量參數為S11.

將測量獲得的S11參數進行數據處理，可獲得復RCS，計算方法如式(3)所示[15]：

(3)

3.3 測試結果

圖11是20bits標簽實測數據經公式(3)處理后得到的RCS結果，從圖中可以明顯看出，20bits標簽具有20個諧振陷波(箭頭所指區域)，而重構后被短路的諧振器的諧振“陷波”消失(虛線圓區域)，標簽編碼可以被正確識別.

3.4 標簽性能對比

表3列出了文獻中給出的無芯片RFID標簽性能，通過比較發現，本文提出的無芯片標簽編碼密度為2.9 bit/cm2，明顯高于所列文獻編碼密度，同時編碼容量為3.85 bit/GHz，有效的利用了頻段資源.

表3 基于頻域無芯片RFID標簽性能對比

4 結論

本文利用曲線擬合得到弧型開槽諧振器的諧振頻率點與弧長的關系，設計了具有20bits編碼容量的結構緊湊型標簽，通過短路貼片短路對應諧振器的方法實現了標簽的重構.標簽的尺寸為38 mm×18 mm，占用的頻段在2.5～7.7 GHz，測試結果表明，編碼能正確識別.相對于傳統無芯片標簽，本文設計的標簽具有結構簡單、編碼密度高、易于重構的特點，在物流、生產線管理等領域具有應用潛力.