基于頻率選擇表面的縫隙諧振結構無芯片標簽設計

陳孟儒，陳 強，孫海靜，張崇琪，張 凱

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

0 引言

物聯網（the Internet of Things，IoT）產業發展速度迅猛，其核心技術具有很大的應用場景。自動識別技術在各物聯網產業領域中廣泛應用，其作用主要是在傳輸過程中為用戶端和物品端之間提供信息交換和通訊，以實現信息提取、識別、追蹤定位等功能[1]。加速物聯網發展的速度離不開識別技術的發展，射頻識別技術因其可移動識別、多目標識別和非接觸識別的優點，得到了廣泛關注和應用。相比傳統條形碼和二維碼，無芯片標簽具有無光條件下可識別的優勢，在未來工業智能化發展下具有廣闊的應用前景。目前限制傳統射頻識別技術發展的主要原因之一便是芯片的成本，選擇諧振電路代替內部芯片的無芯片標簽，既可以降低標簽成本，又避免了有芯片標簽的碰撞，極大程度上提高了識別的效率。

無芯片射頻識別技術應用雷達通信原理，將標簽的信息加載在電磁信號（EM，electromagnetic signature）中，無芯片標簽內部不含有硅芯片，依據不同介質基底具有的不同響應特性的結構，來實現對標簽的編碼和識別[2]。無芯片標簽可以根據數據編碼方式的不同主要分為三種，基于時域、頻域和相位/幅度的無芯片標簽[3]。目前已經在商業中使用的無芯片電子標簽始于上世紀80年代末，利用聲表面波技術。它是典型的基于時域的無芯片標簽，有別于IC芯片識別的非接觸自動識別技術。對于SAW標簽，壓電基底的材料選擇至關重要，其性能直接影響SAW標簽的性能，但因其壓電材料的成本偏高，同時需要較大的尺寸來滿足編碼的需求，因此難以滿足市場的需求[4]。由于目前基于相位/幅度類型的無芯片標簽具有結構簡單、可量產的優點；但編碼容量偏小，標簽面積較大，制造成本相應較高[5]。相比前面兩種標簽，基于頻域的無芯片標簽具有更大的編碼容量，尺寸較小，通過其結構特性來完成編碼，極大程度上降低生產的成本；同時基于它的多變性、高容量的特點，一直是研究的焦點。

基于頻域自諧振的無芯片標簽具有編碼容量大，結構緊湊等優點，同時標簽本身不含有天線，使得標簽表面積減小，因此該標簽的應用場景更加廣泛[6]。標簽的諧振器一般分為諧振中呈現帶阻特性的貼片型和諧振中呈現帶通特性的縫隙型兩種。目前常用的幾種諧振單元主要有U型貼片、U型縫隙、圓環形貼片、圓環形縫隙其他結構等，此類自諧振器標簽的諧振單元對標簽性能起著確定性作用，因此可以用品質因素Q的值評價標簽性能[3]，如式(1)所示：

1 無芯片電子標簽工作原理

無芯片射頻識別系統由閱讀器和無芯片電子標簽組成，通過讀寫器發送檢測探測信號給無芯片標簽，信號到達無芯片標簽后被反射、散射，將包含無芯片標簽特征信息的信號返回給讀寫器，系統工作原理如圖1所示。基于頻域編碼的無芯片電子標簽的工作原理一般是將標簽結構所預設的編碼信息加載到反向散射的電磁波頻譜中，利用標簽結構在頻譜特征中形成的特定衰減或反射形成特定的編碼信息，進行數據0～1的編碼[7]。文章設計的基于頻率選擇表面的無芯片電子標簽為單層銅箔結構，利用在介質板上層銅箔上周期性排列的縫隙結構的頻率選擇特性，進行數據編碼，通過反向散射回讀寫器進行解碼信息。

圖1 無芯片標簽工作原理

頻率選擇表面是一種二維陣列周期性排列而成的結構，具有明顯的濾波特性，分為帶通和帶阻兩種情況[8]。呈現帶阻特性的貼片型諧振結構，通過金屬貼片與基板構成的頻率選擇表面形成對特定頻率入射波的反射，從而實現兩端口之間特定頻率的衰減，可根據其傳輸特性進行數據編碼；呈現帶通特性的縫隙型結構，通過對特定頻點入射波的透射，形成對入射波的吸收，可根據其反射特性進行數據編碼。如圖2所示，貼片型結構等效電路可以為LC串聯諧振電路，縫隙型結構等效電路可以為LC并聯諧振電路。

圖2 結構模型和等效模型

設計的無芯片標簽基于頻率選擇表面通過在介質基板上層蝕刻一系列并排的諧振縫隙，每個諧振縫隙的寬度一定，長度不等，根據不同長度諧振縫隙產生不同的諧振頻率進行無芯片標簽的編碼[9]。諧振器的諧振頻率f由式(2)確定（C為自由空間光速，εr為介質的相對介電常數，L為諧振縫隙的長度）：

2 基于頻率選擇表面的無芯片標簽設計

2.1 結構特性確定

根據式(2)的原理，選用相對介電常數為2.2、損耗角正切0.0009的Rogers 5880為介質覆銅板為介質基板，在只考慮諧振縫隙長度和介質材料的相對介電常數的條件下，可以得出當縫隙長度L為24mm時，諧振頻率f為5.4GHz。結構示意圖3(a)與諧振縫隙的縫隙表面電流分布如圖3(b)所示，電流主要集中在諧振縫隙的兩端，可以通過改變諧振縫隙長度，而改變諧振頻率[10]。圖4為單諧振縫隙電磁仿真諧振曲線，基波頻率為5.39GHz，二次諧波在10.39GHz。

圖3 單諧振縫仿真圖

圖4 單諧振縫隙電磁仿真諧振曲線

通過HFSS三維電磁仿真軟件進行建模仿真發現，控制諧振縫隙的長度可以產生不同的諧振頻率，諧振縫隙長度L1=20mm、21mm、22mm時的諧振曲線如圖5所示。隨著諧振縫隙長度的增加，諧振頻率對應的頻點依次降低，因此可以通過不同長度的諧振縫隙進行一系列的組合，從而進行編碼信息。另外可以看出：諧振頻率并不隨著諧振長度的變化線性增加。

圖5 不同諧振縫隙長度的仿真諧振曲線

表1 不同長度諧振縫隙的諧振參數

將諧振縫隙的長度固定為21.5mm，諧振縫隙的寬度W1從0.2mm以步長0.1mm依次增加至0.6mm，得諧振縫隙寬度變化時的諧振曲線，如圖5所示。隨著諧振縫隙寬度的增大，諧振頻率的頻點依次增加，從0.2mm至0.6mm，諧振頻率偏移0.4GHz，偏移量較大。

表2 不同寬度諧振縫隙的諧振參數

將諧振縫隙寬度以0.5mm，第一條諧振縫隙的長度24mm，后序依次遞減2.5mm，以諧振縫隙的耦合間隙gap為變量，gap設置在1mm、1.5mm、2.0mm進行仿真，得到耦合間隙與諧振曲線關系如圖6所示。隨著耦合間隙的逐步增大，各諧振縫隙的耦合效應逐步減弱，各諧振頻點明顯往高頻移動。

圖6 不同諧振縫隙寬度的仿真諧振曲線

圖7 不同耦合間隙的仿真諧振曲線

表3 不同諧振縫隙的諧振參數

2.2 標簽結構

通過仿真，在長度為L，寬度為W，厚度為H的介質基板上進行諧振縫隙編排。諧振縫隙的寬度均為W1，第一個諧振縫隙長度為L1，往后長度依次遞減2.5mm，相鄰諧振縫隙的耦合間距為d1，x和y為首個諧振縫隙在介質基板上的坐標。標簽結構如圖8所示，具體參數如表4所示。

圖8 基于頻率選擇表面的無芯片標簽結構示意圖

表4 標簽結構參數

3 標簽仿真與實驗測試

3.1 無芯片標簽仿真測試

圖9為5bit編碼的無芯片電子標簽的諧振曲線，可以看出：諧振曲線中存在5個明顯的諧振峰，各諧振點的參數如表5所示，把每個凹陷頻點都記作編碼“1”，無凹陷的頻點記作編碼“0”，則此具有五個諧振縫隙的單層覆銅介質板可構成最高5bit的編碼標簽，通過介質板上諧振縫隙的有無，實現0～1編碼。

圖9 5bit編碼的無芯片電子標簽的諧振曲線

表5 5bit編碼的參考標簽諧振曲線參數值

以編碼為ID-11111編碼作為參考標簽，分別仿真了編碼為ID-10100、ID-00101的標簽，仿真結果的諧振曲線如圖10所示。由圖可知仿真的標簽頻點相對于參考標簽頻點，頻點一定的偏移，但偏移量不超過0.11GHz，幅值變化約為4dB左右。在偏移遠小于頻率分辨率的情況下，可以忽略影響，將其劃歸為同一諧振頻點。以確保閱讀精度，降低標簽誤碼率。

圖10 不同ID的5bit編碼的無芯片電子標簽的諧振曲線

3.2 實驗測試

如圖11(a)所示的是基于頻率選擇表面的縫隙諧振結構無芯片標簽實物圖，采用矢量網絡分析儀Rohde&Schwarz ZNB40作為標簽的收發檢測儀器，將超寬帶收發天線分別連接到矢量網絡分析儀的兩端口，兩天線間的測試距離為15cm，待測標簽置于兩天線之間。測試結果如圖11(b)所示，實驗測試的諧振點位置雖然出現一定的偏移，但最大偏移量不超過0.08GHz，可以認為每個諧振點均能夠被準確識別，不出現誤碼現象。

圖11 基于頻率選擇表面的5位縫隙諧振結構無芯片標簽

表6 不同編碼的標簽諧振參數

4 結語

本文提出一款縫隙諧振結構的3cm×3cm自諧振無芯片標簽，可在Rogers 5880介質板上實現完全印刷，在頻譜上實現了5bit的編碼容量，后續通過結構改進，可以實現編碼容量的擴大。通過改變諧振縫隙在介質基板上的有無，實現無芯片標簽的編碼，該種標簽通過對介質基板的蝕刻，結構簡單，同時去除了天線，減小了標簽的面積，同時有效降低了標簽成本。以無芯片標簽為載體的數字識別系統會在圖書館、服裝行業、物流運輸等場景大量普及，因此無芯片標簽具有廣闊的應用前景。