0 引言

    RFID系統(tǒng)是以電磁信號為媒介進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣幼R別技術(shù)，與傳統(tǒng)條形碼技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于識別對象與讀取設(shè)備之間通信穿透性強、距離較遠、數(shù)據(jù)傳輸量大和適應環(huán)境能力強等^[1]，因此在物流跟蹤、倉儲管理和物品定位等方面得到廣泛應用。RFID主要由讀寫器和標簽兩部分組成，標簽一般貼附在物品上，接收讀寫器信號并將ID信息發(fā)回讀寫器^[2]。目前，RFID標簽仍無法取代條形碼的一個重要因素是成本仍然較高，而在整個標簽成本中芯片占有較大比重^[3]，因此近年有關(guān)無芯片標簽的研究和應用得到了廣泛關(guān)注^[4]。

    現(xiàn)有關(guān)于無芯片標簽的研究總體可分為延遲時間法、頻譜特征法、時域和相位調(diào)制法等，這些方法的共同目標是獲得穩(wěn)定的識別性能和較大的編碼容量。基于開路短截線的無芯片標簽結(jié)構(gòu)由文獻[5]提出，編碼位數(shù)與開路短截線數(shù)量相等，因此編碼容量因受標簽尺寸約束難以有效提高。文獻[6]提出了一種傳輸線加載螺旋線諧振器的無芯片標簽結(jié)構(gòu)，通過改變螺旋線諧振器的分布實現(xiàn)頻域編碼。該結(jié)構(gòu)通過加大諧振器間距的方式減少諧振器間的耦合，但增大了整個標簽尺寸，限制了實用性。文獻[7]提出基于短截線陣列的無芯片標簽，通過改變短截線長度進行頻域編碼，標簽尺寸直接取決于最長的短截線長度，而為保證編碼容量，短截線長度難以有效縮短，因此仍然存在尺寸較大的問題。文獻[8]提出了基于U型縫隙線陣列的無芯片標簽，通過改變縫隙線的分布調(diào)節(jié)頻譜特征，但由于U型縫隙間距較窄導致耦合較強，其頻譜分辨率較低。另外，文獻[9]提出了通過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數(shù)限制。

    在無芯片標簽的設(shè)計方法中，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中，一般都是通過利用若干諧振器設(shè)計特定的頻譜特征，然后通過改變諧振器的參數(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簽尺寸和頻譜分辨率的嚴重制約。當要增加編碼容量時，必然要相應增加諧振器個數(shù)，于是標簽尺寸也隨之增大，從而降低了標簽的實用性。如果標簽尺寸不變，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，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)計無芯片標簽的核心問題。

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

1 無芯片標簽結(jié)構(gòu)及工作原理

    本文設(shè)計的無芯片標簽結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖1主副內(nèi)、外環(huán)開口角度均為90°)，由介質(zhì)集成波導加載互補分裂環(huán)諧振器組成。標簽為上下兩層結(jié)構(gòu)，包括頂層金屬貼片和底層金屬地平面。標簽頂層分為左右兩半部分，由縱向分布的一排過孔隔開。每部分包含一個互補分裂環(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)。每個分裂環(huán)由頂層金屬貼片上兩個嵌套的環(huán)形縫隙組成。饋線和三角形貼片間的縫隙可用來調(diào)整標簽輸入阻抗。標簽中心一排過孔和其相對的兩個邊緣圍成了三角形介質(zhì)集成波導，該結(jié)構(gòu)由相同基模的方形波導演變而來，而面積只有方形波導的1/8，使標簽尺寸大大減小。三角形波導的等效電路可以看成終端短路傳輸線，具有高通特性。互補分裂環(huán)可等效為電偶極子，經(jīng)介質(zhì)集成波導加載后，可產(chǎn)生低于波導截止頻率的諧振頻率，有利于諧振器的小型化設(shè)計。

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

    如圖1所示，將各環(huán)開口相對于各自所處位置角度基準線的旋轉(zhuǎn)角度定義為各環(huán)的開口角度。當波導尺寸固定時，標簽諧振頻率主要受互補分裂環(huán)半徑和內(nèi)外環(huán)開口角度影響，因此可通過改變分裂環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得不同的諧振頻率，然后通過頻域法構(gòu)造標簽編碼。可獲得的不同諧振頻率越多，編碼容量越大。如果僅通過調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)開口角度獲得不同的諧振頻率，則可在不增大標簽尺寸的條件下擴大編碼容量。

2 無芯片標簽性能仿真

    采用圖1所示的無芯片標簽結(jié)構(gòu)，使用高頻電磁仿真軟件HFSS分析標簽性能。標簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：三角形貼片長度a=24 mm，寬度b=12 mm，饋線寬度c=5 mm，饋線縫隙d=0.3 mm，過孔間距e=1.4 mm，過孔直徑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=1.8 mm，各環(huán)開口寬度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)的開口角度，分析主環(huán)開口角度對標簽頻率響應性能的影響。將主環(huán)開口角度分別設(shè)為0°、90°、180°和270°，通過全波電磁仿真后，獲得標簽對應不同主環(huán)角度的頻率響應曲線如圖2所示。

    由圖2的頻響曲線可見，當主環(huán)開口角度為0°時，諧振頻率最高。隨著主環(huán)開口角度的增大，諧振頻率逐漸降低，選擇性略有提高。當主環(huán)開口角度為180°時諧振頻率達到最小值。分析其原因，主要是由于主環(huán)角度增大時，主環(huán)開口更接近標簽的邊緣，而靠近標簽邊緣的地方電流密度較大，從而增加了等效電長度，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)角度變化對諧振頻率的影響。在主外環(huán)開口角度為90°時，改變主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)的開口角度差分別為90°、180°和270°，得到不同主內(nèi)環(huán)角度下的頻率響應曲線如圖3所示。

    由圖3可見，當主外環(huán)角度不變，僅改變主內(nèi)環(huán)角度時，隨著主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開口角度差異的增加，諧振頻率會逐漸減小，以主外環(huán)和主內(nèi)環(huán)都為90°的結(jié)構(gòu)為基準，當主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開口角度差由0°增至90°時，諧振頻率由4.86 GHz減少至4.78 GHz，而當主內(nèi)環(huán)開口角度由90°增至180°時，諧振頻率由4.78 GHz減少至4.77 GHz。顯然，主內(nèi)環(huán)相對于開口角度的諧振頻率變化率要遠小于主外環(huán)，即單位角度變化時頻率變化較小。可以利用主內(nèi)環(huán)的這個特性用于標簽頻率的精細調(diào)整，以減小加工工藝誤差對頻偏的影響。同時還可看出，內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開口角度差在0°～180°區(qū)間變化時，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%，因此當調(diào)節(jié)主內(nèi)環(huán)角度時可以主要在該區(qū)間內(nèi)完成。

    下面分析環(huán)半徑對諧振頻率的影響。將主外環(huán)半徑分別設(shè)為3.2 mm、2.5 mm和1.8 mm,相應的主內(nèi)環(huán)半徑為2.5 mm、1.8 mm和1.1 mm，通過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，當環(huán)開口角度不變，半徑由小到大變化時，由于等效電長度增加，諧振頻率相應減小，分別為5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz，說明環(huán)半徑對諧振頻率影響較大，是決定標簽頻率的重要參數(shù)。

    因副環(huán)結(jié)構(gòu)與主環(huán)類似，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標簽性能的影響。當改變地平面大小時，標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)開口角度均為90°的條件下得出的。由表1可以看出，標簽諧振頻率受地平面尺寸影響較小，當?shù)仄矫嬖龃髸r，標簽諧振頻率僅有少量減少，而標簽反射增益則明顯增加。其主要原因是標簽電流主要集中在金屬貼片的邊緣，增大地平面尺寸對等效電長度的影響甚微，而地平面的增大可以顯著降低反向輻射耗散，從而能明顯提高標簽散射增益。

3 無芯片標簽編碼方法

    根據(jù)以上對標簽特性的仿真分析，標簽諧振頻率主要受互補分裂環(huán)半徑、內(nèi)外環(huán)開口角度影響。由圖2和圖4可見，分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度變化對諧振頻率的影響較大，較小的分裂環(huán)半徑或外環(huán)角度變化會引起較大的諧振頻率偏移。而由圖3可見，內(nèi)環(huán)角度對諧振頻率影響較小，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，在確定標簽諧振頻率時，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。換句話說，可以用分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度這兩個參數(shù)完成對標簽諧振頻率的“粗調(diào)”，用內(nèi)環(huán)角度實現(xiàn)對標簽諧振頻率的“細調(diào)”。這樣使標簽諧振頻率能夠在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)精細調(diào)整，同時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個調(diào)節(jié)參數(shù)，可設(shè)計無芯片標簽頻率調(diào)整方法如下：

    (1)調(diào)節(jié)分裂環(huán)半徑，將標簽諧振頻率調(diào)整到合適的中心頻率。為方便設(shè)計和標準化，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個中選擇。

    (2)調(diào)節(jié)外環(huán)角度，將標簽諧振頻率調(diào)整到合適的基頻位置，實現(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，實現(xiàn)精細調(diào)整。

    本文設(shè)計的無芯片標簽包括主環(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。通過仿真測試，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，考慮到當內(nèi)外環(huán)角度變化時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°，可實現(xiàn)3 bit編碼。綜合主副環(huán)總共可實現(xiàn)16 bit編碼。該無芯片標簽與傳統(tǒng)標簽的性能對比見表3。

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

    在加工精度和讀寫器頻率分辨率允許的情況下，實際應用中可以適當改變分裂環(huán)個數(shù)、角度增量和角度變化范圍，以增大編碼容量。編碼容量的計算公式如下：

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

4 無芯片標簽測試

    本文無芯片標簽加工后的實物圖如圖5所示。經(jīng)網(wǎng)絡分析儀測試，實測結(jié)果和仿真結(jié)果對比如圖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)集成波導和互補分裂環(huán)的新型無芯片標簽結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)互補分裂環(huán)外環(huán)和內(nèi)環(huán)的開口角度實現(xiàn)諧振頻率的粗調(diào)和細調(diào)，通過介質(zhì)集成波導提高頻率選擇性，在不增大標簽尺寸和不犧牲頻率分辨率的前提下增大了編碼容量，對解決傳統(tǒng)頻譜特征法存在的編碼容量與標簽尺寸、頻率分辨率間的矛盾提供了一種新型方案，具有較好的應用推廣價值。

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作者信息:

王  帥，王二永

（河南理工大學 電氣工程及自動化學院，河南 焦作454000）