0 引言

    射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）是一種利用電磁波來(lái)識(shí)別特定目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)^[1]。射頻識(shí)別標(biāo)簽相對(duì)于目前的光學(xué)條形碼而言，具有閱讀距離長(zhǎng)、非視距讀寫(xiě)、自動(dòng)識(shí)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(shí)別標(biāo)簽相較于條形碼而言，因成本較高無(wú)法使射頻識(shí)別技術(shù)獲得廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，所以必須降低標(biāo)簽的成本。目前國(guó)內(nèi)外研究焦點(diǎn)在于可印制的無(wú)芯射頻標(biāo)簽上，該類(lèi)標(biāo)簽既不需要芯片存儲(chǔ)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(jià)格大幅降低^[3]。

    文獻(xiàn)[4-8]提出了一種基于時(shí)域、頻域和相位編碼技術(shù)的可打印無(wú)芯片RFID標(biāo)簽。其中，基于頻域的標(biāo)簽相比于基于時(shí)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(guò)改變諧振體結(jié)構(gòu)來(lái)改變諧振頻率，觀察特定頻率點(diǎn)上諧振的有無(wú)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(wú)芯標(biāo)簽，并通過(guò)一對(duì)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(wú)芯片RFID雙極化標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。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(lì)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(duì)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(zhǎng)度為L(zhǎng)、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(zhǎng)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(duì)介電常數(shù)?？芍?dāng)一個(gè)半波長(zhǎng)偶極子諧振體加載在基板上，其諧振頻率是諧振體長(zhǎng)度的函數(shù)。

    不同長(zhǎng)度的“I”形諧振體放置在基板上會(huì)產(chǎn)生不同的頻率特征，每一個(gè)頻率特征可編碼1 B數(shù)據(jù)，并且對(duì)于“I”形諧振體，只有在與它相同極化方向的平面波激勵(lì)下才能工作，在與它正交極化的平面波激勵(lì)下不工作。例如使用FEKO仿真軟件對(duì)一個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(chǎng)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(lái)發(fā)送和接收激勵(lì)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(lái)發(fā)送和接收激勵(lì)波。當(dāng)用同極化的平面波垂直照射諧振器時(shí)，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(shí)，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(shí)，其RCS幅頻特性曲線在諧振頻率點(diǎn)上沒(méi)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(lì)下起振，而在正交極化平面波激勵(lì)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(wú)芯片標(biāo)簽

    由于場(chǎng)在空間相互抵消作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反諧振，反諧振與激勵(lì)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(gè)諧振的波峰與反諧振的波谷，利用這個(gè)波峰或波谷可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并通過(guò)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(guò)改變諧振器的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)諧振頻率^[15]。

    本文所設(shè)計(jì)的無(wú)芯標(biāo)簽，主要是利用諧振體的單極化特性，由不同長(zhǎng)度且交叉極化的“I”形鏡像對(duì)成型諧振器陣列，印刷在基板上構(gòu)成。通過(guò)極化復(fù)用并利用一對(duì)交叉極化的閱讀器天線發(fā)送電磁波激勵(lì)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(wú)芯片標(biāo)簽的原理圖。

2 無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的無(wú)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(gè)垂直極化的諧振體呈鏡像對(duì)稱(chēng)排列在介質(zhì)基板的上下兩端，M個(gè)水平極化的諧振體呈鏡像對(duì)稱(chēng)排列在介質(zhì)基板的左右兩端，為保證設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化以及方便加工，每個(gè)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(wú)芯片標(biāo)簽的仿真與編碼分析

    在該無(wú)芯片標(biāo)簽中除去長(zhǎng)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(zhǎng)度從大到小的順序設(shè)置諧振體的序號(hào)為1~9，則序號(hào)1~9的諧振體對(duì)應(yīng)的諧振頻率從小到大，通過(guò)式(1)計(jì)算與仿真分別得到的不同諧振體對(duì)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(zhǎng)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(cè)量以及得到9個(gè)較深的波谷。長(zhǎng)度最大的諧振體其諧振頻率最低，用來(lái)編碼最高位；長(zhǎng)度最小的諧振體其諧振頻率最高，用來(lái)編碼最低位。每一個(gè)諧振頻率在頻譜上都有一個(gè)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(jì)的18 bit的無(wú)芯雙極化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖5所示。

    9個(gè)垂直極化(V)諧振體在垂直極化的平面波激勵(lì)下產(chǎn)生9個(gè)波谷，可代表垂直極化身份識(shí)別(Identification，ID)為“V-111111111”，9個(gè)水平極化（H）諧振體在水平極化平面波激勵(lì)下產(chǎn)生9個(gè)波谷，可代表水平極化ID為“H-111111111”，因此，這個(gè)18 B的雙極化標(biāo)簽的完整ID可表示為“V-111111111+H-111111111”，對(duì)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(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果可證明，這18個(gè)波谷中任一個(gè)均可以在不改變其他波谷存在與否的情況下通過(guò)移除相對(duì)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(hào)分別為2、4、6和8的4個(gè)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(lì)下的第2、4、6和8的波谷消失，其他的所有波谷均沒(méi)有因?yàn)檫@4個(gè)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(shí)目標(biāo)物體的ID為“V-111111111+H-101010101”。

    在圖8所示的標(biāo)簽中序號(hào)為2、4、6和8的垂直極化諧振器和序號(hào)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(duì)應(yīng)的垂直極化平面波激勵(lì)下的第2、4、6和8的波谷與水平極化平面波激勵(lì)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(lèi)似的，在圖9(a)所示的標(biāo)簽中序號(hào)為3、5、6和8的垂直極化諧振器和序號(hào)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(duì)應(yīng)的垂直極化平面波激勵(lì)下的第3、5、6和8的波谷與水平極化平面波激勵(lì)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(gè)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(gè)正交極化的平面波激勵(lì)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(wú)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(shì)，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(gè)正交極化的平面波激勵(lì)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(jì)的標(biāo)簽只編碼了18位，但通過(guò)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(duì)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(cè)量，比較仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果是否吻合。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙軍輝.射頻識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：2-10.

[2] 羅春彬，易彬.RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].通信技術(shù)，2009，42(12)：112-114.

[3] 黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)射頻技術(shù)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010：5-9.

[4] 胥磊.基于復(fù)自然諧振的無(wú)芯RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2015，38(6)：1321-1326.

[5] PRERADOVIC S，KARMAKAR N C.Chipless RFID：Bar code of the future[J].IEEE Microw.Mag.，2010，11(7)：87-97.

[6] SHAO B，CHEN Q，LIU R，et al.Design of fully printable and configurable chipless RFID tag on flexible substrate[J].Microw.Opt.Technol.Lett.，2012，54(1)：226-230.

[7] GIRBAU D，LORENZO J，LAZARO A，et al.Frequency-coded chipless RFID tag based on dual-band resonators[J].IEEE Antennas and Wireless Prop.Letters，2012，11(2)：126-128.

[8] KALANSURIYA P，KARMAKAR N，VITERBO E.Signal space representation of chipless RFID tag frequency signatures[C]//Proc.IEEE Global Telecommun. Conf..Houston：TX，2011：1-5.

[9] Filippo Costa，Simone Genovesi，Agostino Monorchio.Normalization-free chipless RFIDs by using dual-polarized interrogation[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2016，64(1)：310-318.

[10] Md Aminul Islam，Nemai Chandra Karmakar.Real-World implementation challenges of a novel dual-polarized compact printable chipless RFID tag[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2015，63(12)：4581-4591.

[11] COSTA F，GENOVESI S，MONORCHIO A.A chipless RFID based on multiresonant high-impedance surfaces[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Tech.，2013，1(1)：146-153.

[12] Preradovic S，Balbin I，Karmakar N C，et al.Multireso-nator-based chipless RFID system for low-cost item tracking[J].IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech.，2009，57(5)：1411-1419.

[13] ISLAM M，KARMAKAR N.A novel compact printable dual-polarized chipless RFID system[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Tech.，2012，60(7)：2142-2151.

[14] KALANSURIYA P，KARMAKAR N C，VITERBO E.On the detection of frequency-spectra-based chipless RFID using UWB impulsed interrogation[J].IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech.，2012，60(12)：4187-4197.

[15] BLISCHAK A，MANTEGHI M.Enbedded singularity chipless RFID tags[J].IEEE Trans.Antennas Propag.，2011，59(11)：3961-3968.

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(yáng)621010）