《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 微波|射頻 > 設(shè)計應(yīng)用 > 基于互補分裂環(huán)角度編碼的無芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計
基于互補分裂環(huán)角度編碼的無芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
王 帥，王二永
河南理工大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，河南 焦作454000
摘要： 針對頻譜特征法在設(shè)計無芯片標(biāo)簽中面臨的編碼容量與標(biāo)簽尺寸的矛盾問題，提出了一種新型無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。設(shè)計的標(biāo)簽由介質(zhì)集成波導(dǎo)和位于表面貼片上的互補分裂環(huán)構(gòu)成。標(biāo)簽諧振頻率可通過調(diào)節(jié)互補分裂環(huán)內(nèi)外環(huán)的開口角度實現(xiàn)，其中外環(huán)負責(zé)大范圍的頻率粗調(diào)，內(nèi)環(huán)用于小范圍的頻率細調(diào)。標(biāo)簽工作于4 GHz～6 GHz頻率范圍，尺寸為25 mm×15 mm，編碼密度高達4.86 bit/cm2。通過仿真驗證了與理論分析的一致性，相比傳統(tǒng)的無芯片標(biāo)簽，該結(jié)構(gòu)可以在不增大標(biāo)簽尺寸的前提下提高編碼容量，同時介質(zhì)集成波導(dǎo)為標(biāo)簽提供了高選擇性，使標(biāo)簽保持了較高的頻譜分辨率。
中圖分類號： TN713.5
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181478
中文引用格式： 王帥，王二永. 基于互補分裂環(huán)角度編碼的無芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(7)：24-27，33.
英文引用格式： Wang Shuai，Wang Eryong. Design of chipless RFID tag based on substrate-integrated waveguide and complementary split ring[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(7)：24-27，33.
Design of chipless RFID tag based on substrate-integrated waveguide and complementary split ring
Wang Shuai，Wang Eryong
School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China
Abstract： Facing on the contradiction between the coding capacity and the tag size in the design of chipless tags, a new chipless tag structure is proposed. The tag is composed of a substrate-integrated waveguide and a complementary split ring on the surface patch. The complementary split ring contains nested inner ring and outer ring. The resonance frequency of the tag can be tuned by adjusting the opening angle of the inner and outer ring of the complementary split ring, in which the outer ring is responsible for a wide range of frequency coarse tuning, and the inner ring is used for a small range of frequency tuning. The tag operates in the frequency range of 4 GHz to 6 GHz, the size is 25 mm×15 mm, and the coding density is as high as 4.86 bit/cm2. The radar cross section curve of the tag is obtained through simulation, and the consistency with the theoretical analysis is verified. Compared with the traditional chipless tag, the structure can improve the coding capacity without increasing the size of the tag, while the substrate-integrated waveguide provides high selectivity for the tag, which keeps the tag with high spectral resolution.
Key words : chipless tag；substrate-integrated waveguide；complementary split ring

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(yīng)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(yīng)用。RFID主要由讀寫器和標(biāo)簽兩部分組成，標(biāo)簽一般貼附在物品上，接收讀寫器信號并將ID信息發(fā)回讀寫器[2]。目前，RFID標(biāo)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(biāo)簽成本中芯片占有較大比重[3]，因此近年有關(guān)無芯片標(biāo)簽的研究和應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[4]。

    現(xiàn)有關(guān)于無芯片標(biāo)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(biāo)是獲得穩(wěn)定的識別性能和較大的編碼容量?；陂_路短截線的無芯片標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽，通過改變短截線長度進行頻域編碼，標(biāo)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(biāo)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(dǎo)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(biāo)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(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，必然要相應(yīng)增加諧振器個數(shù)，于是標(biāo)簽尺寸也隨之增大，從而降低了標(biāo)簽的實用性。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，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(biāo)簽的核心問題。

    針對上述頻譜特征法在無芯片標(biāo)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(dǎo)和互補分裂環(huán)的無芯片結(jié)構(gòu)，在不增大標(biāo)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(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題。

1 無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及工作原理

    本文設(shè)計的無芯片標(biāo)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(dǎo)加載互補分裂環(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(biāo)簽輸入阻抗。標(biāo)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(dǎo)，該結(jié)構(gòu)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來，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。互補分裂環(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。

sp5-t1.gif

    由于三角形波導(dǎo)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來，因此其諧振頻率可通過分析方形波導(dǎo)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(dǎo)，其主模TE110的電場和磁場分布如下：

sp5-gs1-6.gif

    如圖1所示，將各環(huán)開口相對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)的開口角度。當(dāng)波導(dǎo)尺寸固定時，標(biāo)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(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(biāo)簽尺寸的條件下擴大編碼容量。

2 無芯片標(biāo)簽性能仿真

    采用圖1所示的無芯片標(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(luò)=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(biāo)簽頻率響應(yīng)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(biāo)簽對應(yīng)不同主環(huán)角度的頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。

sp5-t2.gif

    由圖2的頻響曲線可見，當(dāng)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(dāng)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(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(yīng)曲線如圖3所示。

sp5-t3.gif

    由圖3可見，當(dāng)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(zhǔn)，當(dāng)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(dāng)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?？梢岳弥鲀?nèi)環(huán)的這個特性用于標(biāo)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(dāng)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(yīng)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。

sp5-t4.gif

    由圖4可見，當(dāng)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(yīng)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(biāo)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(biāo)簽性能的影響。當(dāng)改變地平面大小時，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，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(biāo)簽散射增益。

sp5-b1.gif

3 無芯片標(biāo)簽編碼方法

    根據(jù)以上對標(biāo)簽特性的仿真分析，標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽諧振頻率的“粗調(diào)”，用內(nèi)環(huán)角度實現(xiàn)對標(biāo)簽諧振頻率的“細調(diào)”。這樣使標(biāo)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(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(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。

sp5-b2.gif

    根據(jù)表2，考慮到當(dāng)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(biāo)簽與傳統(tǒng)標(biāo)簽的性能對比見表3。

sp5-b3.gif

    由表3可見，本文提出的無芯片標(biāo)簽尺寸能獲得更高的編碼密度，且在結(jié)構(gòu)上比文獻[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(yīng)用中可以適當(dāng)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：

    sp5-gs7.gif

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(biāo)簽測試

    本文無芯片標(biāo)簽加工后的實物圖如圖5所示。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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。

sp5-t5.gif

sp5-t6.gif

5 結(jié)論

    本文提出了一種基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補分裂環(huán)的新型無芯片標(biāo)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(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)用推廣價值。

參考文獻

[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) 電氣工程及自動化學(xué)院，河南 焦作454000）

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。