【学术论文】基于互补分裂环角度编码的无芯片RFID标签设计
摘要： 针对频谱特征法在设计无芯片标签中面临的编码容量与标签尺寸的矛盾问题，提出了一种新型无芯片标签结构。设计的标签由介质集成波导和位于表面贴片上的互补分裂环构成。标签谐振频率可通过调节互补分裂环内外环的开口角度实现，其中外环负责大范围的频率粗调，内环用于小范围的频率细调。标签工作于4 GHz～6 GHz频率范围，尺寸为25 mm×15 mm，编码密度高达4.86 bit/cm2。通过仿真验证了与理论分析的一致性，相比传统的无芯片标签，该结构可以在不增大标签尺寸的前提下提高编码容量，同时介质集成波导为标签提供了高选择性，使标签保持了较高的频谱分辨率。
0 引言
RFID系统是以电磁信号为媒介进行数据传输的自动识别技术，与传统条形码技术相比，其优势在于识别对象与读取设备之间通信穿透性强、距离较远、数据传输量大和适应环境能力强等[1]，因此在物流跟踪、仓储管理和物品定位等方面得到广泛应用。RFID主要由读写器和标签两部分组成，标签一般贴附在物品上，接收读写器信号并将ID信息发回读写器[2]。目前，RFID标签仍无法取代条形码的一个重要因素是成本仍然较高，而在整个标签成本中芯片占有较大比重[3]，因此近年有关无芯片标签的研究和应用得到了广泛关注[4]。
现有关于无芯片标签的研究总体可分为延迟时间法、频谱特征法、时域和相位调制法等，这些方法的共同目标是获得稳定的识别性能和较大的编码容量。基于开路短截线的无芯片标签结构由文献[5]提出，编码位数与开路短截线数量相等，因此编码容量因受标签尺寸约束难以有效提高。文献[6]提出了一种传输线加载螺旋线谐振器的无芯片标签结构，通过改变螺旋线谐振器的分布实现频域编码。该结构通过加大谐振器间距的方式减少谐振器间的耦合，但增大了整个标签尺寸，限制了实用性。文献[7]提出基于短截线阵列的无芯片标签，通过改变短截线长度进行频域编码，标签尺寸直接取决于最长的短截线长度，而为保证编码容量，短截线长度难以有效缩短，因此仍然存在尺寸较大的问题。文献[8]提出了基于U型缝隙线阵列的无芯片标签，通过改变缝隙线的分布调节频谱特征，但由于U型缝隙间距较窄导致耦合较强，其频谱分辨率较低。另外，文献[9]提出了通过频率和相位混合编码提高编码容量的方法，但编码容量仍主要受谐振器个数限制。
在无芯片标签的设计方法中，频谱特征法由于具有较高的编码密度，因此相比其他方法能够在单位面积内获得更多的编码容量。在现有基于频谱特征法的文献中，一般都是通过利用若干谐振器设计特定的频谱特征，然后通过改变谐振器的参数构造不同的编码。但采用这种方式，编码容量往往受到标签尺寸和频谱分辨率的严重制约。当要增加编码容量时，必然要相应增加谐振器个数，于是标签尺寸也随之增大，从而降低了标签的实用性。如果标签尺寸不变，则必然要缩短谐振器间的距离缩短，于是谐振器间耦合随之加强，频谱分辨率也随之下降。因此，如何在保持较小的尺寸和较高的频谱分辨率的前提下提高编码容量，是基于频谱特征法设计无芯片标签的核心问题。
针对上述频谱特征法在无芯片标签设计中的主要矛盾，本文提出一种新型基于介质集成波导和互补分裂环的无芯片结构，在不增大标签面积的条件下，通过改变谐振环的开口角度，充分利用谐振器之间的耦合强弱变化增大编码容量，同时利用介质集成波导的高选择性保证了频谱分辨率，较好地解决了编码容量、标签尺寸和频谱分辨率间的矛盾问题。
1 无芯片标签结构及工作原理
本文设计的无芯片标签结构如图1所示(图1主副内、外环开口角度均为90°)，由介质集成波导加载互补分裂环谐振器组成。标签为上下两层结构，包括顶层金属贴片和底层金属地平面。标签顶层分为左右两半部分，由纵向分布的一排过孔隔开。每部分包含一个互补分裂环，由外环和内环构成。为便于区分，将左边定义为主环，右边定义为副环。每个分裂环由顶层金属贴片上两个嵌套的环形缝隙组成。馈线和三角形贴片间的缝隙可用来调整标签输入阻抗。标签中心一排过孔和其相对的两个边缘围成了三角形介质集成波导，该结构由相同基模的方形波导演变而来，而面积只有方形波导的1/8，使标签尺寸大大减小。三角形波导的等效电路可以看成终端短路传输线，具有高通特性。互补分裂环可等效为电偶极子，经介质集成波导加载后，可产生低于波导截止频率的谐振频率，有利于谐振器的小型化设计。
由于三角形波导由相同基模的方形波导演变而来，因此其谐振频率可通过分析方形波导直接获得。根据文献[10]的理论分析，对于宽度为a的介质集成波导，其主模TE110的电场和磁场分布如下：
如图1所示，将各环开口相对于各自所处位置角度基准线的旋转角度定义为各环的开口角度。当波导尺寸固定时，标签谐振频率主要受互补分裂环半径和内外环开口角度影响，因此可通过改变分裂环结构参数获得不同的谐振频率，然后通过频域法构造标签编码。可获得的不同谐振频率越多，编码容量越大。如果仅通过调节内外环开口角度获得不同的谐振频率，则可在不增大标签尺寸的条件下扩大编码容量。
2 无芯片标签性能仿真
采用图1所示的无芯片标签结构，使用高频电磁仿真软件HFSS分析标签性能。标签的结构参数如下：三角形贴片长度a=24 mm，宽度b=12 mm，馈线宽度c=5 mm，馈线缝隙d=0.3 mm，过孔间距e=1.4 mm，过孔直径f=0.7 mm，主内环半径g=1.8 mm，主外环半径h=2.5 mm，副内环半径i=1.1 mm，副外环半径j=1.8 mm，各环开口宽度k均为0.4 mm，各环缝隙线宽均为0.3 mm。所用介质板材料为Rogers RO4003，材料相对介电常数为3.55，介质板厚度为0.8 mm，金属层厚度为0.017 mm。
首先在固定其他尺寸的情况下，同步改变主外环和主内环的开口角度，分析主环开口角度对标签频率响应性能的影响。将主环开口角度分别设为0°、90°、180°和270°，通过全波电磁仿真后，获得标签对应不同主环角度的频率响应曲线如图2所示。
由图2的频响曲线可见，当主环开口角度为0°时，谐振频率最高。随着主环开口角度的增大，谐振频率逐渐降低，选择性略有提高。当主环开口角度为180°时谐振频率达到最小值。分析其原因，主要是由于主环角度增大时，主环开口更接近标签的边缘，而靠近标签边缘的地方电流密度较大，从而增加了等效电长度，降低了谐振频率。
其次在固定其他尺寸的条件下，仅改变主内环角度，分析主内环角度变化对谐振频率的影响。在主外环开口角度为90°时，改变主内环与主外环的开口角度差分别为90°、180°和270°，得到不同主内环角度下的频率响应曲线如图3所示。
由图3可见，当主外环角度不变，仅改变主内环角度时，随着主内环与主外环开口角度差异的增加，谐振频率会逐渐减小，以主外环和主内环都为90°的结构为基准，当主内环与主外环开口角度差由0°增至90°时，谐振频率由4.86 GHz减少至4.78 GHz，而当主内环开口角度由90°增至180°时，谐振频率由4.78 GHz减少至4.77 GHz。显然，主内环相对于开口角度的谐振频率变化率要远小于主外环，即单位角度变化时频率变化较小。可以利用主内环的这个特性用于标签频率的精细调整，以减小加工工艺误差对频偏的影响。同时还可看出，内环与主外环开口角度差在0°～180°区间变化时，谐振频率的变化主要集中在0°～90°区间，在该区间内的谐振频率变化占比为88%，因此当调节主内环角度时可以主要在该区间内完成。
下面分析环半径对谐振频率的影响。将主外环半径分别设为3.2 mm、2.5 mm和1.8 mm,相应的主内环半径为2.5 mm、1.8 mm和1.1 mm，通过仿真可获得谐振频率随环半径变化的曲线如图4所示。
由图4可见，当环开口角度不变，半径由小到大变化时，由于等效电长度增加，谐振频率相应减小，分别为5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz，说明环半径对谐振频率影响较大，是决定标签频率的重要参数。
因副环结构与主环类似，只是半径不同，因此上述分析同样适用于副环。
最后分析地平面大小对标签性能的影响。当改变地平面大小时，标签谐振频率和增益的变化如表1所示。表中数据是在主副环开口角度均为90°的条件下得出的。由表1可以看出，标签谐振频率受地平面尺寸影响较小，当地平面增大时，标签谐振频率仅有少量减少，而标签反射增益则明显增加。其主要原因是标签电流主要集中在金属贴片的边缘，增大地平面尺寸对等效电长度的影响甚微，而地平面的增大可以显著降低反向辐射耗散，从而能明显提高标签散射增益。
3 无芯片标签编码方法
根据以上对标签特性的仿真分析，标签谐振频率主要受互补分裂环半径、内外环开口角度影响。由图2和图4可见，分裂环半径和外环角度变化对谐振频率的影响较大，较小的分裂环半径或外环角度变化会引起较大的谐振频率偏移。而由图3可见，内环角度对谐振频率影响较小，较大的内环角度变化产生的谐振频率偏移较小。由上述特性可知，在确定标签谐振频率时，改变分裂环半径和外环角度可使谐振频率在较大范围内选择，而改变内环角度可使谐振频率的选择更加精细。换句话说，可以用分裂环半径和外环角度这两个参数完成对标签谐振频率的“粗调”，用内环角度实现对标签谐振频率的“细调”。这样使标签谐振频率能够在较大范围内实现精细调整，同时提高了频率选择范围和频率分辨率，有利于提高编码容量。
充分利用分裂环半径、内环角度、外环角度这3个调节参数，可设计无芯片标签频率调整方法如下：
(1)调节分裂环半径，将标签谐振频率调整到合适的中心频率。为方便设计和标准化，根据上节设置内外环半径，中心频率可在5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz 3个中选择。
(2)调节外环角度，将标签谐振频率调整到合适的基频位置，实现大范围的粗调。
(3)调节内环半径，在基频的基础上加入频率偏移，实现精细调整。
本文设计的无芯片标签包括主环和副环，主环外环半径为2.5 mm，工作于中心频率4.86 GHz；副环外环半径为1.8 mm，工作于中心频率5.15 GHz。以a0~a15表示位数由低至高的16 bit编码。通过仿真测试，综合考虑编码容量和频率分辨率，确定主副环参数与编码的关系如表2所示。
根据表2，考虑到当内外环角度变化时谐振频率的分布情况，外环角度的变化范围选为20°～180°，角度增量为5°，可实现5 bit编码。内环角度的变化范围选为100°～180°，角度增量为10°，可实现3 bit编码。综合主副环总共可实现16 bit编码。该无芯片标签与传统标签的性能对比见表3。
由表3可见，本文提出的无芯片标签尺寸能获得更高的编码密度，且在结构上比文献[2]和文献[3]更紧凑。
在加工精度和读写器频率分辨率允许的情况下，实际应用中可以适当改变分裂环个数、角度增量和角度变化范围，以增大编码容量。编码容量的计算公式如下：
其中，N为分裂环的个数，A为角度变化范围，b为角度增量，R为可实现的编码位数。
4 无芯片标签测试
本文无芯片标签加工后的实物图如图5所示。经网络分析仪测试，实测结果和仿真结果对比如图6所示，主环频率和副环频率分别为4.86 GHz和5.15 GHz，测量结果和仿真结果基本一致。
5 结论
本文提出了一种基于介质集成波导和互补分裂环的新型无芯片标签结构。该结构通过调节互补分裂环外环和内环的开口角度实现谐振频率的粗调和细调，通过介质集成波导提高频率选择性，在不增大标签尺寸和不牺牲频率分辨率的前提下增大了编码容量，对解决传统频谱特征法存在的编码容量与标签尺寸、频率分辨率间的矛盾提供了一种新型方案，具有较好的应用推广价值。
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作者信息:
王 帅，王二永
（河南理工大学 电气工程及自动化学院，河南 焦作454000）