【学术论文】基于多谐振器的无芯片RFID标签设计
提出了一种新型可打印无芯片RFID标签。标签由在矩形介质板上蚀刻的多个按规律排列的直角型谐振器构成，标签结构对于多种极化方向的入射波都有着良好的稳定性。同时提出了一种新的无芯片标签编码方法，在不增加谐振器间相互耦合的前提下，使标签的编码密度增加了一倍。标签工作在3.1～10.6 GHz的超宽带频率范围内，在22 mm×11 mm的合理尺寸内编码密度高达3.3 bit/cm2。仿真给出了标签的雷达散射截面积曲线，仿真结果与理论分析一致，验证了本设计的合理性。相比于传统的无芯标签，该标签具有尺寸小和编码密度高等优点，标签采用单层导体结构能被直接印制在ID卡甚至纸张上。
0 引言
射频识别（RFID）系统是使用阅读器从远程放置的标签提取信息的无线数据捕获技术。该系统由两个主要元件组成：数字编码的RFID标签和用于从标签中提取编码数据的RFID读取器。对于不同的场合，需要使用特定的射频识别系统。与传统的条形码相比，RFID标签的优点在于其较长的读取距离、穿透性和抗污染能力强，因此它具有取代条形码的潜在能力。但是目前的RFID标签相比于条形码成本较高，所以它们仍然难以应用于低成本领域。广泛使用的无源有芯RFID标签的成本主要取决于其内部使用的硅芯片[1]。因此，目前的研究侧重于研发可打印的无芯片RFID标签。如果标签的成本能够降低到1美分，那么在低成本领域将会有数以十亿计的标签需求量[2]。
目前，相关文献中提出了一些无芯片RFID标签。按照无芯片标签的检测方法，它们被分为时域法、频域法和相位域法。采用时域法的标签，根据一系列经过时间延迟的脉冲信号实现对标签ID的检测[3-5]。基于相位域法的标签在文献[6]中被提出，是由枝节加载的多个贴片天线构成的。文献[7-8]中提出了使用折叠偶极子谐振器构造的无芯标签，但是标签对极化方向敏感。文献[9]中提出了一种在3.1 GHz～10.6 GHz的超宽带（UWB）范围内最高可获得35 bit的数据容量的频域法标签，但其尺寸较大，难以被投入使用。相比于时域法和相位域法，基于频域法构造的无芯标签拥有更高的数据密度，通过标签在确定的频点产生共振峰来实现无芯标签的设计和编码。因此，它们需要较宽的频率范围。
对于大多数文献中提出的无芯标签，第一个要考虑的问题来自于标签的尺寸和编码容量之间的关系，现有的基于频域法构造的无芯标签，所采用的是在频域的OOK(On Off Keying)编码方式[10-12]。所设计的无芯标签都需要特定的一个谐振单元来完成特定的一个比特的编码，这使得标签的尺寸与数据的比特数呈现出线性关系，想要获取多比特的编码数据，标签尺寸也会随之增大，这也使其失去了商业上的可行性。第二个需要考虑的问题来自于谐振器之间的相互耦合。为了克服上述提到的无芯标签设计中所面临的问题，设计了一种新型可打印无芯RFID标签，并提出了一种新的无芯标签编码方法，能够使无芯标签在减少谐振器数目的同时，仍然可以获得较高的编码容量，同时减小了谐振器间的相互耦合，并提高了印刷公差。
1 无芯标签的结构和工作原理
图1所示为无芯标签的结构，由多个在矩形基板上蚀刻的直角型谐振器构成。基板材料为聚四氟乙烯铜箔板F4BM，基板的相对介电常数εr为2.23，损耗角正切tanδ为0.000 7。其中L为直角型谐振器的臂长，W是直角型谐振器的臂宽，S为相邻谐振器之间的间距，S0为两个阵列之间的间距。
任意的金属结构在受到雷达波照射时，都能以特殊的方式对入射雷达波产生散射。无芯标签本质上也是一种金属散射体结构，当受到雷达波激励时，能散射出与自身结构相关的后向散射信号。其中特定的金属结构会在特定频率点产生有明显波峰或波谷的雷达散射截面(RCS)曲线，每个金属谐振器都对应着一个谐振频率点。当金属谐振器存在时，回波信号的RCS频谱图上会出现对应的谐振频点，此时将其编码为‘1’；当金属谐振器不存在时，其对应的谐振频点也不会产生，此时编码为‘0’。这样通过改变谐振器的数目，便可以获得标签的不同编码状态。这也是现有的文献中使用较为广泛的标签编码方法。
无芯RFID标签的工作原理如图2所示，当无芯标签受到来自阅读器发射的查询信号激励时，便会后向散射出与自身结构相关的回波信号，此时数据便会编码在后向散射信号中，阅读器通过接收天线收到编码后的后向散射信号后，便会通过一定的算法得到该标签的编码信息，这样便完成了无芯标签的检测和识别。
2 无芯标签的特性分析
2.1 基板材质分析
标签结构通过三维全波电磁仿真软件(FEKO)进行仿真分析，当基板材质为F4BM时，得到如图3(a)所示的无芯标签的RCS曲线，标签的结构参数如下：基板的厚度为0.5 mm，尺寸为22 mm×11 mm，S为0.8 mm，S0为1.6 mm，臂宽W为0.2 mm。由图3（a）可以得到按谐振器的臂长L由大到小对应的谐振频率分别为6.68 GHz、7.79 GHz、9.01 GHz和10.19 GHz，幅值接近于-30 dBsm，谐振特性明显并能清楚分别出各个谐振频点。
保持上述标签结构的物理参数不变，改变基板的材料。采用相对介电常数为2.25、损耗角正切为0.045的纸来代替基板，得到标签的RCS频谱曲线如图3（b）所示，清楚看出各个谐振频点分别为6.67 GHz、7.72 GHz、8.98 GHz和10.18 GHz。对比图3(a)，发现当基板材质更改为纸时，谐振频点略有降低且RCS频谱图的幅值也有所减小，幅值接近于-35 dBsm。但是仍然可以清楚地分辨出各个谐振频点，说明纸制材料也有着充当基板材质的能力，这也为该无芯标签的可打印性（打印在纸张或其他文件）提供了实验依据。
2.2 入射波极化角度分析
为了能够适应更复杂的检测环境，这里来验证标签对多种极化方向的入射波的稳定性。改变入射波的极化方向，令极化角度η分别为0°、30°、60°和90°，得到图4所示的RCS频谱图。由图4可知当入射波极化方向发生改变时，谐振频点均不会发生偏移，从而可以得出这种标签结构具有对极化角度不敏感的特性，即该结构对多种极化方向的入射波都保持了良好的稳定性。还可以看出当η逐渐增大时，|RCS|随之减小。当极化角度为90°时，|RCS|最小，这意味着单位面积内回波信号的强度最大。回波信号的强度大小对于标签的检测识别并没有干扰，但是会对其读取范围有所影响。
2.3 谐振器间距分析
当金属谐振器受到雷达波照射时，相邻的谐振器间存在着相互耦合，这便会对谐振频点造成一定的影响。保持上述的标签物理参数不变，改变相邻谐振器的间距得到了标签的RCS曲线，如图5所示。
观察可知，图5（a）和图5（b）中不能分辨出每个谐振器对应的谐振频点。图5（c）和图5（d）中可以清楚地分辨出每个谐振点，并且随着间距S的增大，谐振特性变得更加明显，说明适当增加相邻谐振器的间距，有利于降低谐振器间的相互耦合，因此相邻谐振器之间必须保持一定的间距。
3 频移编码技术
3.1 编码思想
由上述分析可知，由于无芯片标签的相邻谐振器之间必须保持一定的间距，因此谐振器数目的增加，将会导致标签的尺寸也会随之增大。现有的基于频域法构造的无芯标签大都采用OOK的编码方式，利用共振峰的有无进行编码，获取多比特的编码容量，需要增加相应的谐振器的数目，这无疑不利于标签尺寸的小型化。为了解决上述的问题，这里将频移技术的思想引入到无芯标签的设计中，提出了一种新的标签编码方法，这里称之为频移编码技术。采用此方法，使无芯标签在不增加谐振器间相互耦合的前提下，使标签的编码密度增加了一倍。
下面利用图6中的标签结构来介绍频移编码技术的编码过程。直角型谐振器的臂长L是与谐振频率成反比的，因此通过减少或增加金属谐振器的长度L，会使谐振频率变得更高或更低，而在RCS频谱图中则表现为谐振频点右移（较高频率）或左移（较低频率），利用谐振频点的偏移便可以获得多种不同的编码状态。为了便于表示谐振频点的偏移，定义了a、b、c、d 4个频移参量，表示为图6中阴影部分的长度。频移参数的变化将会导致谐振频点产生与之相关的改变，对于本文中的标签结构，单个谐振器可以产生4个不同的二进制状态，分别为‘01’、‘10’、‘11’和‘00’其中，‘00’表示谐振器不存在，即没有共振峰产生。
频谱图的编码状态如图7所示，不同编码状态下的相关物理参数在表1中给出。观察图7可以清楚看出共振峰偏移的位置，以及根据共振峰偏移产生的不同编码状态，这样便获得了不同的标签ID，曲线1表示的标签ID是‘10 10 10 10’，曲线2表示的标签ID是‘01 01 01 01’，曲线3表示的标签ID是‘11 11 11 11’。相比于现有文献中的方法，基于频域法的无芯标签通过增加谐振器的数量来增加编码容量的方法，不仅提高了编码密度，而且减少了标签制作的工作量。
3.2 编码容量分析
根据上述的编码方法，每个谐振器都有4个不同的编码状态即‘01’、‘10’、‘11’、‘00’。因此，这里的每个谐振器实际上将编码2 bit，文中的4个谐振器则编码8 bit。但是，如果使用OOK的编码方式，每个谐振器只有两个状态即‘0’和‘1’。对于文中的标签结构，最多只能获得4 bit的编码容量。因此这种编码方法所获得的编码容量是文献[10-12]中提出的两个状态的编码技术的2倍。
此外，如果阅读器拥有更高的分辨率（可以检测更小的频移），那么按照频移编码技术的思想，编码容量可以得到进一步提高。总的编码容量计算如下：
其中，N为单个标签中的谐振器个数，2M为每个谐振器可以表示的编码状态数。
根据给出的编码容量计算方法，将来可以对更多的无芯标签结构进行设计。
4 结论
本文设计了一种新型可打印无芯片RFID标签。标签由在矩形介质板上蚀刻的多个按规律排列的直角型谐振器构成。相比于现有的无芯标签，该标签尺寸小、编码密度高、谐振特性明显。通过本文提出的无芯标签的频移编码方法，在保证不增加谐振器间相互耦合的情况下，使标签的编码容量提高了一倍，理论分析和仿真结果一致，验证了该方法的可靠性。所设计的无芯片RFID标签是单层导体结构，可直接粘贴或打印在ID卡或纸张上面，具有廉价、持久、抗污和广泛适用性。
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作者信息:
赵 峰，邹传云，胥 磊，何 毅
（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010）