0 引言

    射頻識別（RFID）系統(tǒng)是使用閱讀器從遠(yuǎn)程放置的標(biāo)簽提取信息的無線數(shù)據(jù)捕獲技術(shù),。該系統(tǒng)由兩個主要元件組成：數(shù)字編碼的RFID標(biāo)簽和用于從標(biāo)簽中提取編碼數(shù)據(jù)的RFID讀取器,。對于不同的場合，需要使用特定的射頻識別系統(tǒng),。與傳統(tǒng)的條形碼相比,，RFID標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)在于其較長的讀取距離、穿透性和抗污染能力強(qiáng),，因此它具有取代條形碼的潛在能力,。但是目前的RFID標(biāo)簽相比于條形碼成本較高，所以它們?nèi)匀浑y以應(yīng)用于低成本領(lǐng)域,。廣泛使用的無源有芯RFID標(biāo)簽的成本主要取決于其內(nèi)部使用的硅芯片^[1],。因此，目前的研究側(cè)重于研發(fā)可打印的無芯片RFID標(biāo)簽,。如果標(biāo)簽的成本能夠降低到1美分,，那么在低成本領(lǐng)域?qū)袛?shù)以十億計的標(biāo)簽需求量^[2]。

    目前,，相關(guān)文獻(xiàn)中提出了一些無芯片RFID標(biāo)簽,。按照無芯片標(biāo)簽的檢測方法，它們被分為時域法,、頻域法和相位域法,。采用時域法的標(biāo)簽，根據(jù)一系列經(jīng)過時間延遲的脈沖信號實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽ID的檢測^[3-5],?；谙辔挥蚍ǖ臉?biāo)簽在文獻(xiàn)[6]中被提出，是由枝節(jié)加載的多個貼片天線構(gòu)成的,。文獻(xiàn)[7-8]中提出了使用折疊偶極子諧振器構(gòu)造的無芯標(biāo)簽,，但是標(biāo)簽對極化方向敏感。文獻(xiàn)[9]中提出了一種在3.1 GHz～10.6 GHz的超寬帶（UWB）范圍內(nèi)最高可獲得35 bit的數(shù)據(jù)容量的頻域法標(biāo)簽，但其尺寸較大,，難以被投入使用,。相比于時域法和相位域法，基于頻域法構(gòu)造的無芯標(biāo)簽擁有更高的數(shù)據(jù)密度,，通過標(biāo)簽在確定的頻點(diǎn)產(chǎn)生共振峰來實(shí)現(xiàn)無芯標(biāo)簽的設(shè)計和編碼,。因此，它們需要較寬的頻率范圍,。

    對于大多數(shù)文獻(xiàn)中提出的無芯標(biāo)簽,，第一個要考慮的問題來自于標(biāo)簽的尺寸和編碼容量之間的關(guān)系，現(xiàn)有的基于頻域法構(gòu)造的無芯標(biāo)簽,，所采用的是在頻域的OOK(On Off Keying)編碼方式^[10-12],。所設(shè)計的無芯標(biāo)簽都需要特定的一個諧振單元來完成特定的一個比特的編碼，這使得標(biāo)簽的尺寸與數(shù)據(jù)的比特數(shù)呈現(xiàn)出線性關(guān)系,，想要獲取多比特的編碼數(shù)據(jù),，標(biāo)簽尺寸也會隨之增大，這也使其失去了商業(yè)上的可行性,。第二個需要考慮的問題來自于諧振器之間的相互耦合,。為了克服上述提到的無芯標(biāo)簽設(shè)計中所面臨的問題，設(shè)計了一種新型可打印無芯RFID標(biāo)簽,，并提出了一種新的無芯標(biāo)簽編碼方法,，能夠使無芯標(biāo)簽在減少諧振器數(shù)目的同時，仍然可以獲得較高的編碼容量,，同時減小了諧振器間的相互耦合,，并提高了印刷公差。

1 無芯標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)和工作原理

    圖1所示為無芯標(biāo)簽的結(jié)構(gòu),，由多個在矩形基板上蝕刻的直角型諧振器構(gòu)成,。基板材料為聚四氟乙烯銅箔板F4BM,，基板的相對介電常數(shù)ε_r為2.23,，損耗角正切tanδ為0.000 7。其中L為直角型諧振器的臂長,，W是直角型諧振器的臂寬,，S為相鄰諧振器之間的間距，S₀為兩個陣列之間的間距,。

    任意的金屬結(jié)構(gòu)在受到雷達(dá)波照射時,，都能以特殊的方式對入射雷達(dá)波產(chǎn)生散射。無芯標(biāo)簽本質(zhì)上也是一種金屬散射體結(jié)構(gòu),，當(dāng)受到雷達(dá)波激勵時,，能散射出與自身結(jié)構(gòu)相關(guān)的后向散射信號,。其中特定的金屬結(jié)構(gòu)會在特定頻率點(diǎn)產(chǎn)生有明顯波峰或波谷的雷達(dá)散射截面(RCS)曲線，每個金屬諧振器都對應(yīng)著一個諧振頻率點(diǎn),。當(dāng)金屬諧振器存在時,，回波信號的RCS頻譜圖上會出現(xiàn)對應(yīng)的諧振頻點(diǎn)，此時將其編碼為‘1’,；當(dāng)金屬諧振器不存在時,，其對應(yīng)的諧振頻點(diǎn)也不會產(chǎn)生，此時編碼為‘0’,。這樣通過改變諧振器的數(shù)目,，便可以獲得標(biāo)簽的不同編碼狀態(tài)。這也是現(xiàn)有的文獻(xiàn)中使用較為廣泛的標(biāo)簽編碼方法,。

    無芯RFID標(biāo)簽的工作原理如圖2所示,，當(dāng)無芯標(biāo)簽受到來自閱讀器發(fā)射的查詢信號激勵時，便會后向散射出與自身結(jié)構(gòu)相關(guān)的回波信號,，此時數(shù)據(jù)便會編碼在后向散射信號中,，閱讀器通過接收天線收到編碼后的后向散射信號后，便會通過一定的算法得到該標(biāo)簽的編碼信息,，這樣便完成了無芯標(biāo)簽的檢測和識別。

2 無芯標(biāo)簽的特性分析

2.1 基板材質(zhì)分析

    標(biāo)簽結(jié)構(gòu)通過三維全波電磁仿真軟件(FEKO)進(jìn)行仿真分析,，當(dāng)基板材質(zhì)為F4BM時,，得到如圖3(a)所示的無芯標(biāo)簽的RCS曲線，標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：基板的厚度為0.5 mm,，尺寸為22 mm×11 mm,，S為0.8 mm，S₀為1.6 mm,，臂寬W為0.2 mm,。由圖3（a）可以得到按諧振器的臂長L由大到小對應(yīng)的諧振頻率分別為6.68 GHz、7.79 GHz,、9.01 GHz和10.19 GHz,，幅值接近于-30 dBsm，諧振特性明顯并能清楚分別出各個諧振頻點(diǎn),。

    保持上述標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)不變,，改變基板的材料。采用相對介電常數(shù)為2.25,、損耗角正切為0.045的紙來代替基板,，得到標(biāo)簽的RCS頻譜曲線如圖3（b）所示，清楚看出各個諧振頻點(diǎn)分別為6.67 GHz,、7.72 GHz,、8.98 GHz和10.18 GHz,。對比圖3(a)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基板材質(zhì)更改為紙時,，諧振頻點(diǎn)略有降低且RCS頻譜圖的幅值也有所減小,，幅值接近于-35 dBsm。但是仍然可以清楚地分辨出各個諧振頻點(diǎn),，說明紙制材料也有著充當(dāng)基板材質(zhì)的能力,，這也為該無芯標(biāo)簽的可打印性（打印在紙張或其他文件）提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.2 入射波極化角度分析

    為了能夠適應(yīng)更復(fù)雜的檢測環(huán)境,，這里來驗(yàn)證標(biāo)簽對多種極化方向的入射波的穩(wěn)定性,。改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方向，令極化角度η分別為0°,、30°,、60°和90°，得到圖4所示的RCS頻譜圖,。由圖4可知當(dāng)入射波極化方向發(fā)生改變時,，諧振頻點(diǎn)均不會發(fā)生偏移，從而可以得出這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)具有對極化角度不敏感的特性,，即該結(jié)構(gòu)對多種極化方向的入射波都保持了良好的穩(wěn)定性,。還可以看出當(dāng)η逐漸增大時，|RCS|隨之減小,。當(dāng)極化角度為90°時,，|RCS|最小，這意味著單位面積內(nèi)回波信號的強(qiáng)度最大,?；夭ㄐ盘柕膹?qiáng)度大小對于標(biāo)簽的檢測識別并沒有干擾，但是會對其讀取范圍有所影響,。

2.3 諧振器間距分析

    當(dāng)金屬諧振器受到雷達(dá)波照射時,，相鄰的諧振器間存在著相互耦合，這便會對諧振頻點(diǎn)造成一定的影響,。保持上述的標(biāo)簽物理參數(shù)不變,，改變相鄰諧振器的間距得到了標(biāo)簽的RCS曲線，如圖5所示,。

    觀察可知,，圖5（a）和圖5（b）中不能分辨出每個諧振器對應(yīng)的諧振頻點(diǎn)。圖5（c）和圖5（d）中可以清楚地分辨出每個諧振點(diǎn),，并且隨著間距S的增大,，諧振特性變得更加明顯，說明適當(dāng)增加相鄰諧振器的間距,，有利于降低諧振器間的相互耦合,，因此相鄰諧振器之間必須保持一定的間距,。

3 頻移編碼技術(shù)

3.1 編碼思想

    由上述分析可知，由于無芯片標(biāo)簽的相鄰諧振器之間必須保持一定的間距,，因此諧振器數(shù)目的增加,，將會導(dǎo)致標(biāo)簽的尺寸也會隨之增大。現(xiàn)有的基于頻域法構(gòu)造的無芯標(biāo)簽大都采用OOK的編碼方式,，利用共振峰的有無進(jìn)行編碼,，獲取多比特的編碼容量，需要增加相應(yīng)的諧振器的數(shù)目,，這無疑不利于標(biāo)簽尺寸的小型化,。為了解決上述的問題，這里將頻移技術(shù)的思想引入到無芯標(biāo)簽的設(shè)計中,，提出了一種新的標(biāo)簽編碼方法,，這里稱之為頻移編碼技術(shù)。采用此方法,，使無芯標(biāo)簽在不增加諧振器間相互耦合的前提下,，使標(biāo)簽的編碼密度增加了一倍。

    下面利用圖6中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)來介紹頻移編碼技術(shù)的編碼過程,。直角型諧振器的臂長L是與諧振頻率成反比的,，因此通過減少或增加金屬諧振器的長度L，會使諧振頻率變得更高或更低,，而在RCS頻譜圖中則表現(xiàn)為諧振頻點(diǎn)右移（較高頻率）或左移（較低頻率）,，利用諧振頻點(diǎn)的偏移便可以獲得多種不同的編碼狀態(tài)。為了便于表示諧振頻點(diǎn)的偏移,，定義了a、b,、c,、d 4個頻移參量，表示為圖6中陰影部分的長度,。頻移參數(shù)的變化將會導(dǎo)致諧振頻點(diǎn)產(chǎn)生與之相關(guān)的改變,，對于本文中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，單個諧振器可以產(chǎn)生4個不同的二進(jìn)制狀態(tài),，分別為‘01’,、‘10’、‘11’和‘00’其中,，‘00’表示諧振器不存在,，即沒有共振峰產(chǎn)生。

    頻譜圖的編碼狀態(tài)如圖7所示,，不同編碼狀態(tài)下的相關(guān)物理參數(shù)在表1中給出,。觀察圖7可以清楚看出共振峰偏移的位置,，以及根據(jù)共振峰偏移產(chǎn)生的不同編碼狀態(tài)，這樣便獲得了不同的標(biāo)簽ID,，曲線1表示的標(biāo)簽ID是‘10 10 10 10’,，曲線2表示的標(biāo)簽ID是‘01 01 01 01’，曲線3表示的標(biāo)簽ID是‘11 11 11 11’,。相比于現(xiàn)有文獻(xiàn)中的方法,，基于頻域法的無芯標(biāo)簽通過增加諧振器的數(shù)量來增加編碼容量的方法，不僅提高了編碼密度,，而且減少了標(biāo)簽制作的工作量,。

3.2 編碼容量分析

    根據(jù)上述的編碼方法，每個諧振器都有4個不同的編碼狀態(tài)即‘01’,、‘10’,、‘11’、‘00’,。因此,，這里的每個諧振器實(shí)際上將編碼2 bit，文中的4個諧振器則編碼8 bit,。但是,，如果使用OOK的編碼方式，每個諧振器只有兩個狀態(tài)即‘0’和‘1’,。對于文中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu),，最多只能獲得4 bit的編碼容量。因此這種編碼方法所獲得的編碼容量是文獻(xiàn)[10-12]中提出的兩個狀態(tài)的編碼技術(shù)的2倍,。

    此外,，如果閱讀器擁有更高的分辨率（可以檢測更小的頻移），那么按照頻移編碼技術(shù)的思想,，編碼容量可以得到進(jìn)一步提高,。總的編碼容量計算如下：

其中,，N為單個標(biāo)簽中的諧振器個數(shù),，2^M為每個諧振器可以表示的編碼狀態(tài)數(shù)。

    根據(jù)給出的編碼容量計算方法,，將來可以對更多的無芯標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種新型可打印無芯片RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽由在矩形介質(zhì)板上蝕刻的多個按規(guī)律排列的直角型諧振器構(gòu)成,。相比于現(xiàn)有的無芯標(biāo)簽,，該標(biāo)簽尺寸小、編碼密度高,、諧振特性明顯,。通過本文提出的無芯標(biāo)簽的頻移編碼方法,，在保證不增加諧振器間相互耦合的情況下，使標(biāo)簽的編碼容量提高了一倍,，理論分析和仿真結(jié)果一致,，驗(yàn)證了該方法的可靠性。所設(shè)計的無芯片RFID標(biāo)簽是單層導(dǎo)體結(jié)構(gòu),，可直接粘貼或打印在ID卡或紙張上面,，具有廉價、持久,、抗污和廣泛適用性,。

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作者信息:

趙  峰，鄒傳云,，胥  磊,，何  毅

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010）