0 引言

    RFID系統(tǒng)是以電磁信號(hào)為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)識(shí)別技術(shù)，與傳統(tǒng)條形碼技術(shù)相比,，其優(yōu)勢(shì)在于識(shí)別對(duì)象與讀取設(shè)備之間通信穿透性強(qiáng),、距離較遠(yuǎn),、數(shù)據(jù)傳輸量大和適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等^[1]，因此在物流跟蹤,、倉(cāng)儲(chǔ)管理和物品定位等方面得到廣泛應(yīng)用,。RFID主要由讀寫(xiě)器和標(biāo)簽兩部分組成，標(biāo)簽一般貼附在物品上,，接收讀寫(xiě)器信號(hào)并將ID信息發(fā)回讀寫(xiě)器^[2],。目前，RFID標(biāo)簽仍無(wú)法取代條形碼的一個(gè)重要因素是成本仍然較高,，而在整個(gè)標(biāo)簽成本中芯片占有較大比重^[3],，因此近年有關(guān)無(wú)芯片標(biāo)簽的研究和應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注^[4]。

    現(xiàn)有關(guān)于無(wú)芯片標(biāo)簽的研究總體可分為延遲時(shí)間法,、頻譜特征法,、時(shí)域和相位調(diào)制法等，這些方法的共同目標(biāo)是獲得穩(wěn)定的識(shí)別性能和較大的編碼容量,?；陂_(kāi)路短截線的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)由文獻(xiàn)[5]提出，編碼位數(shù)與開(kāi)路短截線數(shù)量相等,，因此編碼容量因受標(biāo)簽尺寸約束難以有效提高,。文獻(xiàn)[6]提出了一種傳輸線加載螺旋線諧振器的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變螺旋線諧振器的分布實(shí)現(xiàn)頻域編碼,。該結(jié)構(gòu)通過(guò)加大諧振器間距的方式減少諧振器間的耦合,，但增大了整個(gè)標(biāo)簽尺寸，限制了實(shí)用性,。文獻(xiàn)[7]提出基于短截線陣列的無(wú)芯片標(biāo)簽,，通過(guò)改變短截線長(zhǎng)度進(jìn)行頻域編碼，標(biāo)簽尺寸直接取決于最長(zhǎng)的短截線長(zhǎng)度,，而為保證編碼容量,，短截線長(zhǎng)度難以有效縮短，因此仍然存在尺寸較大的問(wèn)題,。文獻(xiàn)[8]提出了基于U型縫隙線陣列的無(wú)芯片標(biāo)簽,，通過(guò)改變縫隙線的分布調(diào)節(jié)頻譜特征，但由于U型縫隙間距較窄導(dǎo)致耦合較強(qiáng),，其頻譜分辨率較低,。另外，文獻(xiàn)[9]提出了通過(guò)頻率和相位混合編碼提高編碼容量的方法,，但編碼容量仍主要受諧振器個(gè)數(shù)限制,。

    在無(wú)芯片標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法中，頻譜特征法由于具有較高的編碼密度,，因此相比其他方法能夠在單位面積內(nèi)獲得更多的編碼容量,。在現(xiàn)有基于頻譜特征法的文獻(xiàn)中，一般都是通過(guò)利用若干諧振器設(shè)計(jì)特定的頻譜特征,，然后通過(guò)改變諧振器的參數(shù)構(gòu)造不同的編碼,。但采用這種方式，編碼容量往往受到標(biāo)簽尺寸和頻譜分辨率的嚴(yán)重制約,。當(dāng)要增加編碼容量時(shí),，必然要相應(yīng)增加諧振器個(gè)數(shù)，于是標(biāo)簽尺寸也隨之增大,，從而降低了標(biāo)簽的實(shí)用性,。如果標(biāo)簽尺寸不變，則必然要縮短諧振器間的距離縮短,，于是諧振器間耦合隨之加強(qiáng),，頻譜分辨率也隨之下降。因此,，如何在保持較小的尺寸和較高的頻譜分辨率的前提下提高編碼容量,，是基于頻譜特征法設(shè)計(jì)無(wú)芯片標(biāo)簽的核心問(wèn)題。

    針對(duì)上述頻譜特征法在無(wú)芯片標(biāo)簽設(shè)計(jì)中的主要矛盾,，本文提出一種新型基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的無(wú)芯片結(jié)構(gòu),，在不增大標(biāo)簽面積的條件下，通過(guò)改變諧振環(huán)的開(kāi)口角度,，充分利用諧振器之間的耦合強(qiáng)弱變化增大編碼容量,，同時(shí)利用介質(zhì)集成波導(dǎo)的高選擇性保證了頻譜分辨率，較好地解決了編碼容量,、標(biāo)簽尺寸和頻譜分辨率間的矛盾問(wèn)題,。

1 無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及工作原理

    本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖1主副內(nèi)、外環(huán)開(kāi)口角度均為90°),，由介質(zhì)集成波導(dǎo)加載互補(bǔ)分裂環(huán)諧振器組成,。標(biāo)簽為上下兩層結(jié)構(gòu)，包括頂層金屬貼片和底層金屬地平面,。標(biāo)簽頂層分為左右兩半部分,，由縱向分布的一排過(guò)孔隔開(kāi)。每部分包含一個(gè)互補(bǔ)分裂環(huán),，由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成,。為便于區(qū)分，將左邊定義為主環(huán),，右邊定義為副環(huán),。每個(gè)分裂環(huán)由頂層金屬貼片上兩個(gè)嵌套的環(huán)形縫隙組成。饋線和三角形貼片間的縫隙可用來(lái)調(diào)整標(biāo)簽輸入阻抗,。標(biāo)簽中心一排過(guò)孔和其相對(duì)的兩個(gè)邊緣圍成了三角形介質(zhì)集成波導(dǎo),，該結(jié)構(gòu)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來(lái),，而面積只有方形波導(dǎo)的1/8，使標(biāo)簽尺寸大大減小,。三角形波導(dǎo)的等效電路可以看成終端短路傳輸線,，具有高通特性?；パa(bǔ)分裂環(huán)可等效為電偶極子,，經(jīng)介質(zhì)集成波導(dǎo)加載后，可產(chǎn)生低于波導(dǎo)截止頻率的諧振頻率,，有利于諧振器的小型化設(shè)計(jì),。

    由于三角形波導(dǎo)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來(lái)，因此其諧振頻率可通過(guò)分析方形波導(dǎo)直接獲得,。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的理論分析,，對(duì)于寬度為a的介質(zhì)集成波導(dǎo)，其主模TE110的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布如下：

    如圖1所示,，將各環(huán)開(kāi)口相對(duì)于各自所處位置角度基準(zhǔn)線的旋轉(zhuǎn)角度定義為各環(huán)的開(kāi)口角度,。當(dāng)波導(dǎo)尺寸固定時(shí)，標(biāo)簽諧振頻率主要受互補(bǔ)分裂環(huán)半徑和內(nèi)外環(huán)開(kāi)口角度影響,，因此可通過(guò)改變分裂環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得不同的諧振頻率,，然后通過(guò)頻域法構(gòu)造標(biāo)簽編碼?？色@得的不同諧振頻率越多,，編碼容量越大。如果僅通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)開(kāi)口角度獲得不同的諧振頻率,，則可在不增大標(biāo)簽尺寸的條件下擴(kuò)大編碼容量,。

2 無(wú)芯片標(biāo)簽性能仿真

    采用圖1所示的無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，使用高頻電磁仿真軟件HFSS分析標(biāo)簽性能,。標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：三角形貼片長(zhǎng)度a=24 mm,，寬度b=12 mm，饋線寬度c=5 mm,，饋線縫隙d=0.3 mm,，過(guò)孔間距e=1.4 mm，過(guò)孔直徑f=0.7 mm,，主內(nèi)環(huán)半徑g=1.8 mm,，主外環(huán)半徑h=2.5 mm，副內(nèi)環(huán)半徑i=1.1 mm,，副外環(huán)半徑j(luò)=1.8 mm,，各環(huán)開(kāi)口寬度k均為0.4 mm，各環(huán)縫隙線寬均為0.3 mm,。所用介質(zhì)板材料為Rogers RO4003,，材料相對(duì)介電常數(shù)為3.55,，介質(zhì)板厚度為0.8 mm，金屬層厚度為0.017 mm,。

    首先在固定其他尺寸的情況下,，同步改變主外環(huán)和主內(nèi)環(huán)的開(kāi)口角度，分析主環(huán)開(kāi)口角度對(duì)標(biāo)簽頻率響應(yīng)性能的影響,。將主環(huán)開(kāi)口角度分別設(shè)為0°、90°,、180°和270°,，通過(guò)全波電磁仿真后，獲得標(biāo)簽對(duì)應(yīng)不同主環(huán)角度的頻率響應(yīng)曲線如圖2所示,。

    由圖2的頻響曲線可見(jiàn),，當(dāng)主環(huán)開(kāi)口角度為0°時(shí)，諧振頻率最高,。隨著主環(huán)開(kāi)口角度的增大,，諧振頻率逐漸降低，選擇性略有提高,。當(dāng)主環(huán)開(kāi)口角度為180°時(shí)諧振頻率達(dá)到最小值,。分析其原因，主要是由于主環(huán)角度增大時(shí),，主環(huán)開(kāi)口更接近標(biāo)簽的邊緣,，而靠近標(biāo)簽邊緣的地方電流密度較大，從而增加了等效電長(zhǎng)度,，降低了諧振頻率,。

    其次在固定其他尺寸的條件下，僅改變主內(nèi)環(huán)角度,，分析主內(nèi)環(huán)角度變化對(duì)諧振頻率的影響,。在主外環(huán)開(kāi)口角度為90°時(shí)，改變主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)的開(kāi)口角度差分別為90°,、180°和270°,，得到不同主內(nèi)環(huán)角度下的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

    由圖3可見(jiàn),，當(dāng)主外環(huán)角度不變,，僅改變主內(nèi)環(huán)角度時(shí)，隨著主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開(kāi)口角度差異的增加,，諧振頻率會(huì)逐漸減小,，以主外環(huán)和主內(nèi)環(huán)都為90°的結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，當(dāng)主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開(kāi)口角度差由0°增至90°時(shí),，諧振頻率由4.86 GHz減少至4.78 GHz,，而當(dāng)主內(nèi)環(huán)開(kāi)口角度由90°增至180°時(shí),，諧振頻率由4.78 GHz減少至4.77 GHz。顯然,，主內(nèi)環(huán)相對(duì)于開(kāi)口角度的諧振頻率變化率要遠(yuǎn)小于主外環(huán),，即單位角度變化時(shí)頻率變化較小?？梢岳弥鲀?nèi)環(huán)的這個(gè)特性用于標(biāo)簽頻率的精細(xì)調(diào)整,，以減小加工工藝誤差對(duì)頻偏的影響。同時(shí)還可看出,，內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開(kāi)口角度差在0°～180°區(qū)間變化時(shí),，諧振頻率的變化主要集中在0°～90°區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)的諧振頻率變化占比為88%,，因此當(dāng)調(diào)節(jié)主內(nèi)環(huán)角度時(shí)可以主要在該區(qū)間內(nèi)完成,。

    下面分析環(huán)半徑對(duì)諧振頻率的影響。將主外環(huán)半徑分別設(shè)為3.2 mm,、2.5 mm和1.8 mm,相應(yīng)的主內(nèi)環(huán)半徑為2.5 mm,、1.8 mm和1.1 mm，通過(guò)仿真可獲得諧振頻率隨環(huán)半徑變化的曲線如圖4所示,。

    由圖4可見(jiàn),，當(dāng)環(huán)開(kāi)口角度不變，半徑由小到大變化時(shí),，由于等效電長(zhǎng)度增加,，諧振頻率相應(yīng)減小，分別為5.15 GHz,、4.86 GHz和4.4 GHz,，說(shuō)明環(huán)半徑對(duì)諧振頻率影響較大，是決定標(biāo)簽頻率的重要參數(shù),。

    因副環(huán)結(jié)構(gòu)與主環(huán)類(lèi)似,，只是半徑不同，因此上述分析同樣適用于副環(huán),。

    最后分析地平面大小對(duì)標(biāo)簽性能的影響,。當(dāng)改變地平面大小時(shí)，標(biāo)簽諧振頻率和增益的變化如表1所示,。表中數(shù)據(jù)是在主副環(huán)開(kāi)口角度均為90°的條件下得出的,。由表1可以看出，標(biāo)簽諧振頻率受地平面尺寸影響較小,，當(dāng)?shù)仄矫嬖龃髸r(shí),，標(biāo)簽諧振頻率僅有少量減少，而標(biāo)簽反射增益則明顯增加。其主要原因是標(biāo)簽電流主要集中在金屬貼片的邊緣,，增大地平面尺寸對(duì)等效電長(zhǎng)度的影響甚微,，而地平面的增大可以顯著降低反向輻射耗散，從而能明顯提高標(biāo)簽散射增益,。

3 無(wú)芯片標(biāo)簽編碼方法

    根據(jù)以上對(duì)標(biāo)簽特性的仿真分析,，標(biāo)簽諧振頻率主要受互補(bǔ)分裂環(huán)半徑、內(nèi)外環(huán)開(kāi)口角度影響,。由圖2和圖4可見(jiàn),，分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度變化對(duì)諧振頻率的影響較大，較小的分裂環(huán)半徑或外環(huán)角度變化會(huì)引起較大的諧振頻率偏移,。而由圖3可見(jiàn),，內(nèi)環(huán)角度對(duì)諧振頻率影響較小，較大的內(nèi)環(huán)角度變化產(chǎn)生的諧振頻率偏移較小,。由上述特性可知，在確定標(biāo)簽諧振頻率時(shí),，改變分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度可使諧振頻率在較大范圍內(nèi)選擇,，而改變內(nèi)環(huán)角度可使諧振頻率的選擇更加精細(xì)。換句話說(shuō),，可以用分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度這兩個(gè)參數(shù)完成對(duì)標(biāo)簽諧振頻率的“粗調(diào)”,，用內(nèi)環(huán)角度實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽諧振頻率的“細(xì)調(diào)”。這樣使標(biāo)簽諧振頻率能夠在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整,，同時(shí)提高了頻率選擇范圍和頻率分辨率,，有利于提高編碼容量。

    充分利用分裂環(huán)半徑,、內(nèi)環(huán)角度,、外環(huán)角度這3個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，可設(shè)計(jì)無(wú)芯片標(biāo)簽頻率調(diào)整方法如下：

    (1)調(diào)節(jié)分裂環(huán)半徑,，將標(biāo)簽諧振頻率調(diào)整到合適的中心頻率,。為方便設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)上節(jié)設(shè)置內(nèi)外環(huán)半徑,，中心頻率可在5.15 GHz,、4.86 GHz和4.4 GHz 3個(gè)中選擇。

    (2)調(diào)節(jié)外環(huán)角度,，將標(biāo)簽諧振頻率調(diào)整到合適的基頻位置,，實(shí)現(xiàn)大范圍的粗調(diào)。

    (3)調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)半徑,，在基頻的基礎(chǔ)上加入頻率偏移,，實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整。

    本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片標(biāo)簽包括主環(huán)和副環(huán)，主環(huán)外環(huán)半徑為2.5 mm,，工作于中心頻率4.86 GHz,；副環(huán)外環(huán)半徑為1.8 mm，工作于中心頻率5.15 GHz,。以a₀~a₁₅表示位數(shù)由低至高的16 bit編碼,。通過(guò)仿真測(cè)試，綜合考慮編碼容量和頻率分辨率,，確定主副環(huán)參數(shù)與編碼的關(guān)系如表2所示,。

    根據(jù)表2，考慮到當(dāng)內(nèi)外環(huán)角度變化時(shí)諧振頻率的分布情況,，外環(huán)角度的變化范圍選為20°～180°,，角度增量為5°，可實(shí)現(xiàn)5 bit編碼,。內(nèi)環(huán)角度的變化范圍選為100°～180°,，角度增量為10°，可實(shí)現(xiàn)3 bit編碼,。綜合主副環(huán)總共可實(shí)現(xiàn)16 bit編碼,。該無(wú)芯片標(biāo)簽與傳統(tǒng)標(biāo)簽的性能對(duì)比見(jiàn)表3。

    由表3可見(jiàn),，本文提出的無(wú)芯片標(biāo)簽尺寸能獲得更高的編碼密度,，且在結(jié)構(gòu)上比文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]更緊湊。

    在加工精度和讀寫(xiě)器頻率分辨率允許的情況下,，實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)改變分裂環(huán)個(gè)數(shù),、角度增量和角度變化范圍，以增大編碼容量,。編碼容量的計(jì)算公式如下：

其中,，N為分裂環(huán)的個(gè)數(shù)，A為角度變化范圍,，b為角度增量,，R為可實(shí)現(xiàn)的編碼位數(shù)。

4 無(wú)芯片標(biāo)簽測(cè)試

    本文無(wú)芯片標(biāo)簽加工后的實(shí)物圖如圖5所示,。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試,，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示，主環(huán)頻率和副環(huán)頻率分別為4.86 GHz和5.15 GHz,，測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致,。

5 結(jié)論

    本文提出了一種基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的新型無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)互補(bǔ)分裂環(huán)外環(huán)和內(nèi)環(huán)的開(kāi)口角度實(shí)現(xiàn)諧振頻率的粗調(diào)和細(xì)調(diào),，通過(guò)介質(zhì)集成波導(dǎo)提高頻率選擇性,，在不增大標(biāo)簽尺寸和不犧牲頻率分辨率的前提下增大了編碼容量，對(duì)解決傳統(tǒng)頻譜特征法存在的編碼容量與標(biāo)簽尺寸、頻率分辨率間的矛盾提供了一種新型方案,，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

[1] WANT R.An introduction to RFID technology[J].IEEE Pervasive Computing，2006,，5(1)：25-33.

[2] FINKENZELLER K.RFID handbook：radio-frequency identification fundamentals and applications[M].New York：Wiley,，2004.

[3] VENA A.Design of chipless RFID tags printed on paperby flexography[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013,，61(12)：5868-5877.

[4] PERRET E. Radio frequency identification and sensors：from RFID to chipless RFID[M].New York：Wiley,，2014.

[5] DINESH R，ANILA P.Modified open stub multi-resonator based chipless RFID tag[C].31th URSI General Assembly and Scientific Symposium.IEEE,，2014：233-23.

[6] GU Q,，WAN G C.Frequency-coded chipless RFID tag based on spiral resonators[C].Progress In Electromagnetics Research Symposium(PIERS).IEEE，2016：844-846.

[7] SUMI M,，DINESH R.Frequency signature based chipless RFID tag using shorted stub resonators[C].Proceedings of the 2015 IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation.IEEE,，2015：296-299.

[8] POLIVKA M，SVANDA M.Chipless RFID tag with an improved RCS response[C].Proceedings of the 44th European Microwave Conference.IEEE,，2014：770-773.

[9] VENA A,，PERRET E.Chipless RFID tag using hybrid coding technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2011,，59(12)：3356-3364.

[10] POZAR D M.Microwave engineering[M].New York：Wiley，2005.

作者信息:

王  帥,，王二永

（河南理工大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,，河南 焦作454000）