摘  要： 提出了一種新型標簽結構——橢圓標簽陣列，通過對橢圓標簽陣列結構的初步仿真和頻譜分析，證明該結構容量、帶寬足夠大，體積可以足夠小，能滿足實際應用的需要。
關鍵詞： 自然諧振響應；頻譜圖；RFID標簽；橢圓標簽陣列

　從1999年物聯網概念的提出到現在，物聯網已初步具備了一定的技術、產業(yè)和應用基礎，呈現出良好的發(fā)展態(tài)勢。近來，由于物聯網被認為是下一代互聯網，是下一個推動世界高速發(fā)展的“重要生產力”[1]，因而備受關注。然而物聯網的發(fā)展速度卻并不快，其制約因素就是無法找到一個合適的識別裝置為每一個物體分配一個唯一的ID，無芯片標簽被認為是解決這一難題的關鍵技術。本文將展示一種新型標簽結構，這一標簽結構容量大、尺寸小，目前還處于探索階段。
　近年來，利用目標的自然響應頻率[2]來識別物體成為無芯片標簽發(fā)展的新方向[3]，但大多都是關注于目標響應結果的頻率點提取的算法[4]，也出現了少數新的標簽結構，但這些結構并不完美，或是尺寸有待改進，或是容量有待提升，或是帶寬有待縮短。
本文展示一種新的標簽結構，具有容量大、尺寸小和帶寬小等優(yōu)點。目前該結構還處于仿真階段，仿真平臺是FEKO電磁場仿真軟件。
1 結構設計
　當目標受到電磁波照射時，在目標的表面會激勵出感應電荷和感應電流，形成電磁場，發(fā)生電磁波散射[5]，該散射場是頻率、目標結構和目標材料等的函數[6]。如果能找到具有規(guī)律頻譜圖的目標結構，就可以用于物體識別。當橢圓的短軸半徑r與長軸半徑R的比值μ在一定范圍內時（假定X方向為短軸，Y方向為長軸），就有圖1（b）所示的頻譜圖。當μ在一定范圍內時，改變R，其諧振頻率會發(fā)生明顯的偏移，R越大，諧振頻率越低，R越小，諧振頻率越高；改變r，其諧振頻率也會發(fā)生偏移，當r取值合適時，其諧振頻率幾乎不偏移，當r大于某一值時，其諧振頻率會在較小的范圍內移動。
　圖1（a）所示的橢圓標簽參數的設置為R=20 mm，r=1 mm，圖1（b）是圖1（a）的頻譜圖，其中RA1=RA2=RA3=RA4=20 mm，rA1=1 mm，rA2=0.01 mm，rA3=4 mm，rA4=8 mm。從圖1（b）可以看出，橢圓標簽短軸半徑取某一值時其頻譜圖的峰值有最小值。

　如果將不同μ值的橢圓排成一個序列，是不是應該得到一個波峰波谷相間分布的頻譜圖？仿真結果證明了該設想，如圖2所示。圖中橢圓的短軸半徑均為r=0.1 mm，R分別取20 mm、19.5 mm、19 mm、18.5 mm、18 mm并按等差遞減等間距排列，間距d=0.1 mm。從圖2（b）中可以看出，標簽不同角度入射波（分別為0°、30°、60°及90°）的頻率響應曲線基本重合，只是在幅度上有些差別。仿真結果表明，單個橢圓標簽的諧振頻率和與其相對應橢圓標簽陣列的響應頻率并不完全對應，除了第一個波峰向左偏移了外，其余的均向右偏移了，而且其幅度差別也很大，并不是簡單地線性相加的結果。

2 仿真分析
　對包含有21個橢圓標簽的標簽陣列進行較為細致的分析對比，來考查這一結構的優(yōu)越性。
r不變，不同R的橢圓標簽序列的頻譜圖如圖3所示，采用的入射角度分別為0°、30°、60°和90°。它所對應的橢圓標簽陣列的設置為：r=0.1 mm，且r不變；R從20 mm起按步長ΔR=0.005 mm等差遞減排列，間距d=0.1 mm共21個橢圓標簽，它應該產生20波谷和21個波峰。然而仿真結果并非如此，它只有20個波峰，19個波谷。與圖2相比，其波峰波谷更密集地分布在3.4 GHz~4.6 GHz的頻率范圍內，其諧振頻率之間的間隔更小，這是由不同的長軸半徑差ΔR所導致的。不同的ΔR會有不同的頻率間隔，總的來說，ΔR越小，頻率間隔越小，但并不是越小越好，當ΔR小于某一值時，就會導致一些諧振頻率消失，這也是圖3（a）只有20個波峰19個波谷的原因之一。影響諧振頻率間隔的還有標簽的間距d和標簽的排列順序，它們同樣會使一些諧振頻率消失。在其他設置相同的情況下，排列順序對這種現象的影響很大，圖3（b）顯示了這種影響。其所對應的橢圓標簽陣列，除了排列順序不同外其他都一樣，在排列順序上把第2與21、3與20、4與19、5與18互換了位置，其頻譜圖就出現了如此大的區(qū)別，可以看出，其間只有2個波谷3個波峰。圖3（d）是兩個不同ΔR的橢圓標簽陣列的頻譜圖的對比，A1與圖3（a）的設置一致，A2中的ΔR=0.5 mm，其有用信號部分分布在3.5 GHz~9 GHz的頻率范圍內。圖3（c）是圖3（a）在3.0 GHz~5.0 GHz范圍內的放大圖，從圖中可以看出，在某些波峰處，不同照射角度的諧振頻率有明顯的不同，而在波谷處幾乎不偏移。

　假如移除其中的一個橢圓標簽，其結構改變前后的頻譜響應圖會有什么不一樣的地方呢？假設移除第8個橢圓標簽，并保持橢圓標簽陣列之間的間距d不變。圖4是其頻譜圖的一部分，因為其他部分在諧振頻率處幾乎重合。其中曲線①代表的是移除第8個標簽后的頻譜圖，曲線②與圖3（d）的A2設置完全相同，與曲線②相比，可以看出曲線①在原來的第8~9的波峰處出現了很大的不一致（在4 GHz以前只有1個波峰），即結構改變后，相應地少了一個波峰和波谷，它們出現在原來的第8~9波峰之間，隨后趨于一致，如果減小ΔR，即減小諧振頻率間隔，它們的重合度會更高。

　如果確保R不變，改變r會有什么樣的效果？仿真結果表明，這樣也會得到波谷波峰相間出現的頻譜圖，這時的頻譜圖更密集、更不規(guī)則，諧振頻率對標簽排列順序、短軸半徑差Δr、標簽之間的間隔等因素更敏感，各個角度（0°、30°、60°和90°）照射的頻譜圖也不相同，如圖5所示。由于影響因素太多，目前還沒有仿真出比較好的頻譜圖。

　本文論述了一種新型的標簽結構，該結構比較穩(wěn)定，在r不變時，該結構不同角度照射的諧振頻率幾乎完全一致，改變結構時，頻譜圖變化不大，容量很大，本文只是象征性地列舉了含有21個標簽的標簽陣列，只要工作帶寬允許，該結構可以滿足實際需要。
參考文獻
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[2] JALALY I， ROBERTSON I D. Capacitively tuned microstrip resonators for RFID barcodes[C]. Proc.35th， EUMC’05， 2005（4-6）： 1161-1164.
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