0 引言

    射頻識別（radio frequency identification，RFID）是一種利用電磁波來識別特定目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)的自動識別技術(shù)^[1]。射頻識別標(biāo)簽相對于目前的光學(xué)條形碼而言，具有閱讀距離長、非視距讀寫、自動識別與跟蹤的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景^[2]。然而傳統(tǒng)的有芯片射頻識別標(biāo)簽相較于條形碼而言，因成本較高無法使射頻識別技術(shù)獲得廣泛的市場應(yīng)用，所以必須降低標(biāo)簽的成本。目前國內(nèi)外研究焦點(diǎn)在于可印制的無芯射頻標(biāo)簽上，該類標(biāo)簽既不需要芯片存儲數(shù)據(jù)，又減少了芯片與接收天線之間裝配成本，相比傳統(tǒng)標(biāo)簽，不但效率高且價格大幅降低^[3]。

    文獻(xiàn)[4-8]提出了一種基于時域、頻域和相位編碼技術(shù)的可打印無芯片RFID標(biāo)簽。其中，基于頻域的標(biāo)簽相比于基于時域或相位的標(biāo)簽具有更高的數(shù)據(jù)密度且更容易實(shí)現(xiàn)小型化^[9]。學(xué)者Jalaly提出具有帶通和帶阻效應(yīng)的微帶偶極子諧振體陣列作為射頻條形碼標(biāo)簽^[10]，通過改變諧振體結(jié)構(gòu)來改變諧振頻率，觀察特定頻率點(diǎn)上諧振的有無進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。文獻(xiàn)[11]提出了一種“U”形槽加載的可印制雙極化無芯標(biāo)簽，并通過一對雙極化閱讀器天線使其編碼效率顯著提高。

    本文提出了一種單面緊湊、可完全印制的無芯片RFID雙極化標(biāo)簽的設(shè)計。該標(biāo)簽利用具有相同諧振頻率且極化方向正交的“I”形貼片型半波偶極子諧振器，在雙極化平面波激勵下，同樣的固定頻帶內(nèi)被使用兩次，從而使編碼容量加倍，具有18位編碼容量。該標(biāo)簽具有容量大、尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)量大、對方向敏感，閱讀方向固定的應(yīng)用。

1 RFID標(biāo)簽基本工作原理

1.1 半波偶極子諧振體的極化特性

    長度為L、寬度為W的半波偶極子諧振體加載在厚度為h的基板上，則諧振體的諧振頻率f與其自身長度L的關(guān)系如下^[12]：

式(1)中，c為光速，ε_r為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)?？芍?dāng)一個半波長偶極子諧振體加載在基板上，其諧振頻率是諧振體長度的函數(shù)。

    不同長度的“I”形諧振體放置在基板上會產(chǎn)生不同的頻率特征，每一個頻率特征可編碼1 B數(shù)據(jù)，并且對于“I”形諧振體，只有在與它相同極化方向的平面波激勵下才能工作，在與它正交極化的平面波激勵下不工作。例如使用FEKO仿真軟件對一個加載在Taconic TLX-8基板(介電常數(shù)ε_r=2.55，損耗角正切tanδ=0.001 9，厚度h=0.5 mm)上長度L=27 mm的半波偶極子諧振器，設(shè)置極化方式為線極化，入射波為平面波，在θ=0°，=0°，η=0°或90°位置處進(jìn)行照射，其中θ，決定入射波方向，η表示入射波的極化角度，即這里是分別采用水平極化(η=0°)或垂直極化(η=90°)平面波對其進(jìn)行垂直照射，在1~10 GHz的超寬帶范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)場求解，在觀察角度θ₁=0°，₁=0°(為默認(rèn)觀察角度)進(jìn)行觀察，仿真得到其RCS幅頻特性曲線如圖1、圖2所示，其中H_t、H_r分別表示水平極化的閱讀器發(fā)送天線和接收天線，用來發(fā)送和接收激勵波；V_t、V_r分別表示垂直極化的閱讀器發(fā)送天線和接收天線，用來發(fā)送和接收激勵波。當(dāng)用同極化的平面波垂直照射諧振器時，從其RCS幅頻特性曲線中可以看到，在偶極子諧振頻率點(diǎn)時，有明顯的波峰出現(xiàn)；當(dāng)用交叉極化的平面波垂直照射半波偶極子諧振器時，其RCS幅頻特性曲線在諧振頻率點(diǎn)上沒有明顯的頻率特征出現(xiàn)，即諧振器只在相同極化的平面波激勵下起振，而在正交極化平面波激勵下不起振，驗(yàn)證了半波偶極子諧振器單極化特性。

1.2 基于導(dǎo)體自然諧振的無芯片標(biāo)簽

    由于場在空間相互抵消作用會產(chǎn)生一個反諧振，反諧振與激勵波的入射和極化方向有關(guān)^[13-14]。諧振器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特性決定了在其頻譜上有一個諧振的波峰與反諧振的波谷，利用這個波峰或波谷可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并通過改變標(biāo)簽物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，編碼信息也隨之改變，并通過改變諧振器的長度來調(diào)節(jié)諧振頻率^[15]。

    本文所設(shè)計的無芯標(biāo)簽，主要是利用諧振體的單極化特性，由不同長度且交叉極化的“I”形鏡像對成型諧振器陣列，印刷在基板上構(gòu)成。通過極化復(fù)用并利用一對交叉極化的閱讀器天線發(fā)送電磁波激勵標(biāo)簽，使該標(biāo)簽在固定的超寬帶頻段內(nèi)容納的數(shù)據(jù)位數(shù)提高了1倍。如圖3所示為雙極化無芯片標(biāo)簽的原理圖。

2 無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計

    本文設(shè)計的無芯片標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖4所示，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中N個垂直極化的諧振體呈鏡像對稱排列在介質(zhì)基板的上下兩端，M個水平極化的諧振體呈鏡像對稱排列在介質(zhì)基板的左右兩端，為保證設(shè)計簡化以及方便加工，每個諧振器的寬度相同，相互間隙保持一致。為增加諧振頻率點(diǎn)上的波谷深度，使頻率特征明顯，增加編碼可靠性，水平和垂直極化的諧振體陣列被重復(fù)設(shè)置。基板材料采用Taconic TLX-8基板（介電常數(shù)ε_r=2.55，損耗角正切tanδ=0.001 9），標(biāo)簽整體尺寸為22.48×22.48×0.5 mm³，可實(shí)現(xiàn)18 B的數(shù)據(jù)容量。

3 無芯片標(biāo)簽的仿真與編碼分析

    在該無芯片標(biāo)簽中除去長度最短的諧振體為虛擬放置不用于編碼，剩余的按照諧振體長度從大到小的順序設(shè)置諧振體的序號為1~9，則序號1~9的諧振體對應(yīng)的諧振頻率從小到大，通過式(1)計算與仿真分別得到的不同諧振體對應(yīng)諧振頻率如表2所示，由于噪聲、耦合作用等干擾，存在一定誤差，但基本一致，表明公式的正確性。這里諧振體長度被優(yōu)化到以確保它們的諧振頻率均在6~14 GHz頻率范圍內(nèi)便于以后的實(shí)驗(yàn)測量以及得到9個較深的波谷。長度最大的諧振體其諧振頻率最低，用來編碼最高位；長度最小的諧振體其諧振頻率最高，用來編碼最低位。每一個諧振頻率在頻譜上都有一個波峰和波谷，其中波谷被用于編碼1位數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的18 bit的無芯雙極化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖5所示。

    9個垂直極化(V)諧振體在垂直極化的平面波激勵下產(chǎn)生9個波谷，可代表垂直極化身份識別(Identification，ID)為“V-111111111”，9個水平極化（H）諧振體在水平極化平面波激勵下產(chǎn)生9個波谷，可代表水平極化ID為“H-111111111”，因此，這個18 B的雙極化標(biāo)簽的完整ID可表示為“V-111111111+H-111111111”，對應(yīng)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及其仿真結(jié)果如圖6(a)與圖6(b)所示。由圖5、圖6和圖7所示的三個標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的仿真結(jié)果可證明，這18個波谷中任一個均可以在不改變其他波谷存在與否的情況下通過移除相對應(yīng)的諧振體，使其代表的比特“1”變化為比特“0”。

    其中，圖7所示的標(biāo)簽中序號分別為2、4、6和8的4個水平極化諧振器被移除，則其仿真結(jié)果圖7(b)中顯示僅有在水平極化平面波激勵下的第2、4、6和8的波谷消失，其他的所有波谷均沒有因?yàn)檫@4個諧振器的移除而發(fā)生明顯改變，從而這18 bit的雙極化標(biāo)簽可以標(biāo)識目標(biāo)物體的ID為“V-111111111+H-101010101”。

    在圖8所示的標(biāo)簽中序號為2、4、6和8的垂直極化諧振器和序號為3、5、7和9的水平極化諧振器被移除，則從其仿真結(jié)果圖8(b)中可看到與其相對應(yīng)的垂直極化平面波激勵下的第2、4、6和8的波谷與水平極化平面波激勵下的第3、5、7和9的波谷均消失，該標(biāo)簽可表示的ID為“V-101010101+H-110101010”。

    類似的，在圖9(a)所示的標(biāo)簽中序號為3、5、6和8的垂直極化諧振器和序號為2、4、6和8的水平極化諧振器被移除，則由仿真結(jié)果圖9(b)可知相對應(yīng)的垂直極化平面波激勵下的第3、5、6和8的波谷與水平極化平面波激勵下的第2、4、6和8的波谷消失，該標(biāo)簽表示的ID為“V-110100101+H-101010101”。從這4個可分別表征不同比特組合的ID的雙極化標(biāo)簽的仿真結(jié)果中可知，在兩個正交極化的平面波激勵下，具有相同諧振頻率的諧振體可以被使用兩次，從而使標(biāo)簽在雙極化方式下在固定的頻率帶寬內(nèi)編碼容量雙倍增加了。

4 結(jié)論

    本文中提出的在介質(zhì)基板上加載貼片式I形諧振器的無芯片雙極化標(biāo)簽，具有完全可印制、結(jié)構(gòu)緊湊和編碼容量大的優(yōu)勢，適用于讀取方向固定和數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用領(lǐng)域。標(biāo)簽整體尺寸僅為22.48 mm×22.48 mm×0.5 mm，根據(jù)半波偶極子諧振器的極化特性，在兩個正交極化的平面波激勵下，水平極化和垂直極化的諧振器可分別編碼不同的比特位，則相較于其他的基于頻域編碼的標(biāo)簽，該標(biāo)簽在固定的有限頻帶內(nèi)編碼容量加倍了。就其編碼容量而言，雖然本文中設(shè)計的標(biāo)簽只編碼了18位，但通過調(diào)整諧振器的寬度W₁和諧振器之間的間隙寬度s，更高的編碼容量在相同的面積內(nèi)也能夠?qū)崿F(xiàn)。仿真結(jié)果得到的RCS頻譜曲線與標(biāo)簽結(jié)構(gòu)是對應(yīng)的，表明標(biāo)簽是可行的，后期需要進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)物制作和實(shí)際測量，比較仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果是否吻合。

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作者信息：

左正璞，郭海燕，劉明敏

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010）