一種新型可打印無芯片RFID標(biāo)簽

提出了一種新型可打印無芯片RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽由在矩形介質(zhì)板上蝕刻的多個(gè)按規(guī)律排列的直角型諧振器構(gòu)成，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)于多種極化方向的入射波都有著良好的穩(wěn)定性。同時(shí)提出了一種新的無芯片標(biāo)簽編碼方法，在不增加諧振器間相互耦合的前提下，使標(biāo)簽的編碼密度增加了一倍。標(biāo)簽工作在3.1～10.6 GHz的超寬帶頻率范圍內(nèi)，在22 mm×11 mm的合理尺寸內(nèi)編碼密度高達(dá)3.3 bit/cm2。仿真給出了標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面積曲線，仿真結(jié)果與理論分析一致，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。相比于傳統(tǒng)的無芯標(biāo)簽，該標(biāo)簽具有尺寸小和編碼密度高等優(yōu)點(diǎn)，標(biāo)簽采用單層導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能被直接印制在ID卡甚至紙張上。

0 引言

射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)是使用閱讀器從遠(yuǎn)程放置的標(biāo)簽提取信息的無線數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)。該系統(tǒng)由兩個(gè)主要元件組成：數(shù)字編碼的RFID標(biāo)簽和用于從標(biāo)簽中提取編碼數(shù)據(jù)的RFID讀取器。對(duì)于不同的場(chǎng)合，需要使用特定的射頻識(shí)別系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的條形碼相比，RFID標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)在于其較長(zhǎng)的讀取距離、穿透性和抗污染能力強(qiáng)，因此它具有取代條形碼的潛在能力。但是目前的RFID標(biāo)簽相比于條形碼成本較高，所以它們?nèi)匀浑y以應(yīng)用于低成本領(lǐng)域。廣泛使用的無源有芯RFID標(biāo)簽的成本主要取決于其內(nèi)部使用的硅芯片[1]。因此，目前的研究側(cè)重于研發(fā)可打印的無芯片RFID標(biāo)簽。如果標(biāo)簽的成本能夠降低到1美分，那么在低成本領(lǐng)域?qū)?huì)有數(shù)以十億計(jì)的標(biāo)簽需求量。

目前，相關(guān)文獻(xiàn)中提出了一些無芯片RFID標(biāo)簽。按照無芯片標(biāo)簽的檢測(cè)方法，它們被分為時(shí)域法、頻域法和相位域法。采用時(shí)域法的標(biāo)簽，根據(jù)一系列經(jīng)過時(shí)間延遲的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽ID的檢測(cè)[3-5]。基于相位域法的標(biāo)簽在文獻(xiàn)[6]中被提出，是由枝節(jié)加載的多個(gè)貼片天線構(gòu)成的。文獻(xiàn)[7-8]中提出了使用折疊偶極子諧振器構(gòu)造的無芯標(biāo)簽，但是標(biāo)簽對(duì)極化方向敏感。文獻(xiàn)[9]中提出了一種在3.1 GHz～10.6 GHz的超寬帶（UWB）范圍內(nèi)最高可獲得35 bit的數(shù)據(jù)容量的頻域法標(biāo)簽，但其尺寸較大，難以被投入使用。相比于時(shí)域法和相位域法，基于頻域法構(gòu)造的無芯標(biāo)簽擁有更高的數(shù)據(jù)密度，通過標(biāo)簽在確定的頻點(diǎn)產(chǎn)生共振峰來實(shí)現(xiàn)無芯標(biāo)簽的設(shè)計(jì)和編碼。因此，它們需要較寬的頻率范圍。

對(duì)于大多數(shù)文獻(xiàn)中提出的無芯標(biāo)簽，第一個(gè)要考慮的問題來自于標(biāo)簽的尺寸和編碼容量之間的關(guān)系，現(xiàn)有的基于頻域法構(gòu)造的無芯標(biāo)簽，所采用的是在頻域的OOK(On Off Keying)編碼方式[10-12]。所設(shè)計(jì)的無芯標(biāo)簽都需要特定的一個(gè)諧振單元來完成特定的一個(gè)比特的編碼，這使得標(biāo)簽的尺寸與數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)呈現(xiàn)出線性關(guān)系，想要獲取多比特的編碼數(shù)據(jù)，標(biāo)簽尺寸也會(huì)隨之增大，這也使其失去了商業(yè)上的可行性。第二個(gè)需要考慮的問題來自于諧振器之間的相互耦合。為了克服上述提到的無芯標(biāo)簽設(shè)計(jì)中所面臨的問題，設(shè)計(jì)了一種新型可打印無芯RFID標(biāo)簽，并提出了一種新的無芯標(biāo)簽編碼方法，能夠使無芯標(biāo)簽在減少諧振器數(shù)目的同時(shí)，仍然可以獲得較高的編碼容量，同時(shí)減小了諧振器間的相互耦合，并提高了印刷公差。

1 無芯標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1所示為無芯標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)，由多個(gè)在矩形基板上蝕刻的直角型諧振器構(gòu)成?；宀牧蠟榫鬯姆蚁┿~箔板F4BM，基板的相對(duì)介電常數(shù)εr為2.23，損耗角正切tanδ為0.000 7。其中L為直角型諧振器的臂長(zhǎng)，W是直角型諧振器的臂寬，S為相鄰諧振器之間的間距，S0為兩個(gè)陣列之間的間距。

任意的金屬結(jié)構(gòu)在受到雷達(dá)波照射時(shí)，都能以特殊的方式對(duì)入射雷達(dá)波產(chǎn)生散射。無芯標(biāo)簽本質(zhì)上也是一種金屬散射體結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到雷達(dá)波激勵(lì)時(shí)，能散射出與自身結(jié)構(gòu)相關(guān)的后向散射信號(hào)。其中特定的金屬結(jié)構(gòu)會(huì)在特定頻率點(diǎn)產(chǎn)生有明顯波峰或波谷的雷達(dá)散射截面(RCS)曲線，每個(gè)金屬諧振器都對(duì)應(yīng)著一個(gè)諧振頻率點(diǎn)。當(dāng)金屬諧振器存在時(shí)，回波信號(hào)的RCS頻譜圖上會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)，此時(shí)將其編碼為‘1’；當(dāng)金屬諧振器不存在時(shí)，其對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)也不會(huì)產(chǎn)生，此時(shí)編碼為‘0’。這樣通過改變諧振器的數(shù)目，便可以獲得標(biāo)簽的不同編碼狀態(tài)。這也是現(xiàn)有的文獻(xiàn)中使用較為廣泛的標(biāo)簽編碼方法。

無芯RFID標(biāo)簽的工作原理如圖2所示，當(dāng)無芯標(biāo)簽受到來自閱讀器發(fā)射的查詢信號(hào)激勵(lì)時(shí)，便會(huì)后向散射出與自身結(jié)構(gòu)相關(guān)的回波信號(hào)，此時(shí)數(shù)據(jù)便會(huì)編碼在后向散射信號(hào)中，閱讀器通過接收天線收到編碼后的后向散射信號(hào)后，便會(huì)通過一定的算法得到該標(biāo)簽的編碼信息，這樣便完成了無芯標(biāo)簽的檢測(cè)和識(shí)別。

2 無芯標(biāo)簽的特性分析

2.1 基板材質(zhì)分析

標(biāo)簽結(jié)構(gòu)通過三維全波電磁仿真軟件(FEKO)進(jìn)行仿真分析，當(dāng)基板材質(zhì)為F4BM時(shí)，得到如圖3(a)所示的無芯標(biāo)簽的RCS曲線，標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：基板的厚度為0.5 mm，尺寸為22 mm×11 mm，S為0.8 mm，S0為1.6 mm，臂寬W為0.2 mm。由圖3（a）可以得到按諧振器的臂長(zhǎng)L由大到小對(duì)應(yīng)的諧振頻率分別為6.68 GHz、7.79 GHz、9.01 GHz和10.19 GHz，幅值接近于-30 dBsm，諧振特性明顯并能清楚分別出各個(gè)諧振頻點(diǎn)。

保持上述標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)不變，改變基板的材料。采用相對(duì)介電常數(shù)為2.25、損耗角正切為0.045的紙來代替基板，得到標(biāo)簽的RCS頻譜曲線如圖3（b）所示，清楚看出各個(gè)諧振頻點(diǎn)分別為6.67 GHz、7.72 GHz、8.98 GHz和10.18 GHz。對(duì)比圖3(a)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基板材質(zhì)更改為紙時(shí)，諧振頻點(diǎn)略有降低且RCS頻譜圖的幅值也有所減小，幅值接近于-35 dBsm。但是仍然可以清楚地分辨出各個(gè)諧振頻點(diǎn)，說明紙制材料也有著充當(dāng)基板材質(zhì)的能力，這也為該無芯標(biāo)簽的可打印性（打印在紙張或其他文件）提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.2 入射波極化角度分析

為了能夠適應(yīng)更復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境，這里來驗(yàn)證標(biāo)簽對(duì)多種極化方向的入射波的穩(wěn)定性。改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方向，令極化角度η分別為0°、30°、60°和90°，得到圖4所示的RCS頻譜圖。由圖4可知當(dāng)入射波極化方向發(fā)生改變時(shí)，諧振頻點(diǎn)均不會(huì)發(fā)生偏移，從而可以得出這種標(biāo)簽結(jié)構(gòu)具有對(duì)極化角度不敏感的特性，即該結(jié)構(gòu)對(duì)多種極化方向的入射波都保持了良好的穩(wěn)定性。還可以看出當(dāng)η逐漸增大時(shí)，|RCS|隨之減小。當(dāng)極化角度為90°時(shí)，|RCS|最小，這意味著單位面積內(nèi)回波信號(hào)的強(qiáng)度最大?；夭ㄐ盘?hào)的強(qiáng)度大小對(duì)于標(biāo)簽的檢測(cè)識(shí)別并沒有干擾，但是會(huì)對(duì)其讀取范圍有所影響。

2.3 諧振器間距分析

當(dāng)金屬諧振器受到雷達(dá)波照射時(shí)，相鄰的諧振器間存在著相互耦合，這便會(huì)對(duì)諧振頻點(diǎn)造成一定的影響。保持上述的標(biāo)簽物理參數(shù)不變，改變相鄰諧振器的間距得到了標(biāo)簽的RCS曲線，如圖5所示。

觀察可知，圖5（a）和圖5（b）中不能分辨出每個(gè)諧振器對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)。圖5（c）和圖5（d）中可以清楚地分辨出每個(gè)諧振點(diǎn)，并且隨著間距S的增大，諧振特性變得更加明顯，說明適當(dāng)增加相鄰諧振器的間距，有利于降低諧振器間的相互耦合，因此相鄰諧振器之間必須保持一定的間距。

3 頻移編碼技術(shù)

3.1 編碼思想

由上述分析可知，由于無芯片標(biāo)簽的相鄰諧振器之間必須保持一定的間距，因此諧振器數(shù)目的增加，將會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽的尺寸也會(huì)隨之增大。現(xiàn)有的基于頻域法構(gòu)造的無芯標(biāo)簽大都采用OOK的編碼方式，利用共振峰的有無進(jìn)行編碼，獲取多比特的編碼容量，需要增加相應(yīng)的諧振器的數(shù)目，這無疑不利于標(biāo)簽尺寸的小型化。為了解決上述的問題，這里將頻移技術(shù)的思想引入到無芯標(biāo)簽的設(shè)計(jì)中，提出了一種新的標(biāo)簽編碼方法，這里稱之為頻移編碼技術(shù)。采用此方法，使無芯標(biāo)簽在不增加諧振器間相互耦合的前提下，使標(biāo)簽的編碼密度增加了一倍。

下面利用圖6中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)來介紹頻移編碼技術(shù)的編碼過程。直角型諧振器的臂長(zhǎng)L是與諧振頻率成反比的，因此通過減少或增加金屬諧振器的長(zhǎng)度L，會(huì)使諧振頻率變得更高或更低，而在RCS頻譜圖中則表現(xiàn)為諧振頻點(diǎn)右移（較高頻率）或左移（較低頻率），利用諧振頻點(diǎn)的偏移便可以獲得多種不同的編碼狀態(tài)。為了便于表示諧振頻點(diǎn)的偏移，定義了a、b、c、d 4個(gè)頻移參量，表示為圖6中陰影部分的長(zhǎng)度。頻移參數(shù)的變化將會(huì)導(dǎo)致諧振頻點(diǎn)產(chǎn)生與之相關(guān)的改變，對(duì)于本文中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，單個(gè)諧振器可以產(chǎn)生4個(gè)不同的二進(jìn)制狀態(tài)，分別為‘01’、‘10’、‘11’和‘00’其中，‘00’表示諧振器不存在，即沒有共振峰產(chǎn)生。

頻譜圖的編碼狀態(tài)如圖7所示，不同編碼狀態(tài)下的相關(guān)物理參數(shù)在表1中給出。觀察圖7可以清楚看出共振峰偏移的位置，以及根據(jù)共振峰偏移產(chǎn)生的不同編碼狀態(tài)，這樣便獲得了不同的標(biāo)簽ID，曲線1表示的標(biāo)簽ID是‘10 10 10 10’，曲線2表示的標(biāo)簽ID是‘01 01 01 01’，曲線3表示的標(biāo)簽ID是‘11 11 11 11’。相比于現(xiàn)有文獻(xiàn)中的方法，基于頻域法的無芯標(biāo)簽通過增加諧振器的數(shù)量來增加編碼容量的方法，不僅提高了編碼密度，而且減少了標(biāo)簽制作的工作量。

3.2 編碼容量分析

根據(jù)上述的編碼方法，每個(gè)諧振器都有4個(gè)不同的編碼狀態(tài)即‘01’、‘10’、‘11’、‘00’。因此，這里的每個(gè)諧振器實(shí)際上將編碼2 bit，文中的4個(gè)諧振器則編碼8 bit。但是，如果使用OOK的編碼方式，每個(gè)諧振器只有兩個(gè)狀態(tài)即‘0’和‘1’。對(duì)于文中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，最多只能獲得4 bit的編碼容量。因此這種編碼方法所獲得的編碼容量是文獻(xiàn)[10-12]中提出的兩個(gè)狀態(tài)的編碼技術(shù)的2倍。

此外，如果閱讀器擁有更高的分辨率（可以檢測(cè)更小的頻移），那么按照頻移編碼技術(shù)的思想，編碼容量可以得到進(jìn)一步提高。總的編碼容量計(jì)算如下：

其中，N為單個(gè)標(biāo)簽中的諧振器個(gè)數(shù)，2M為每個(gè)諧振器可以表示的編碼狀態(tài)數(shù)。

根據(jù)給出的編碼容量計(jì)算方法，將來可以對(duì)更多的無芯標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型可打印無芯片RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽由在矩形介質(zhì)板上蝕刻的多個(gè)按規(guī)律排列的直角型諧振器構(gòu)成。相比于現(xiàn)有的無芯標(biāo)簽，該標(biāo)簽尺寸小、編碼密度高、諧振特性明顯。通過本文提出的無芯標(biāo)簽的頻移編碼方法，在保證不增加諧振器間相互耦合的情況下，使標(biāo)簽的編碼容量提高了一倍，理論分析和仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了該方法的可靠性。所設(shè)計(jì)的無芯片RFID標(biāo)簽是單層導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可直接粘貼或打印在ID卡或紙張上面，具有廉價(jià)、持久、抗污和廣泛適用性。