關(guān)于一種雙極化結(jié)構(gòu)的新型無(wú)芯標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

0 引言

RFID是一種成熟的技術(shù)，近年來(lái)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)的自動(dòng)實(shí)時(shí)實(shí)別和追蹤等。由于RFID標(biāo)簽具有讀取距離遠(yuǎn)、體積小、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在潛在意義上成為了條形碼的一種替代品。然而與條形碼相比，傳統(tǒng)的有芯標(biāo)簽的制作成本較高，因此，有芯RFID標(biāo)簽技術(shù)并沒(méi)有得到大規(guī)模普及，尤其是在廉價(jià)物品領(lǐng)域上的應(yīng)用，比如銀行票據(jù)、郵票，以及用于其他低成本物品的標(biāo)記等。國(guó)外的研究者預(yù)計(jì)，如果標(biāo)簽的成本能控制在1美分以下，那么在低成本物品領(lǐng)域，將會(huì)有數(shù)以萬(wàn)億的標(biāo)簽需求量[1]。目前，多比特的無(wú)源有芯RFID標(biāo)簽已經(jīng)被用于標(biāo)記高成本物品，標(biāo)簽的成本主要取決于其內(nèi)部的硅芯片[2-3]，此外，硅片的脆性進(jìn)一步限制了有芯標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，學(xué)者們把研究方向集中到了可以直接用導(dǎo)電油墨打印在產(chǎn)品或包裝上的無(wú)芯RFID標(biāo)簽上來(lái)。

目前已提出的無(wú)芯標(biāo)簽，按照其特征檢測(cè)方法大致可分為三類(lèi)：時(shí)域法、頻域法和相位域法[4-6]。在可打印標(biāo)簽中，基于頻域法的標(biāo)簽相比于基于時(shí)域法和相位域法的標(biāo)簽擁有更高的編碼數(shù)據(jù)密度。然而大多數(shù)基于頻域法設(shè)計(jì)的無(wú)芯標(biāo)簽都需要特定的一個(gè)諧振單元來(lái)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。文獻(xiàn)[7]中，提出了一種在3.1 GHz～10.6 GHz的UWB（超寬帶）范圍內(nèi)最高可獲得35 bit的數(shù)據(jù)容量的標(biāo)簽。但其尺寸較大，難以投入使用。目前對(duì)于大多數(shù)文獻(xiàn)中提出的標(biāo)簽，第一個(gè)限制因素來(lái)自于諧振單元的二次諧波，二次諧波限制了可用作數(shù)據(jù)編碼的帶寬寬度；第二個(gè)問(wèn)題來(lái)自于標(biāo)簽的尺寸和編碼容量之間的關(guān)系，通常為了獲取較大的編碼容量，往往需要增加標(biāo)簽的諧振單元，即增加標(biāo)簽尺寸。為了克服上述提到的無(wú)芯RFID標(biāo)簽的限制因素，以及它們的尺寸較大、編碼容量受到限制和直接打印技術(shù)上的困難，本文提出了一種基于雙極化結(jié)構(gòu)的無(wú)芯片RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽由在豎直方向和水平方向蝕刻的I型諧振單元構(gòu)成。同時(shí)，引入頻移編碼技術(shù)使得標(biāo)簽的編碼數(shù)據(jù)密度得到進(jìn)一步增加。未來(lái)，這個(gè)單面的、易打印的緊湊型標(biāo)簽不僅可以用于郵票、重要文件和信用卡的標(biāo)記，并且可以直接打印在紙張或塑料包裝上用作物品級(jí)的標(biāo)記。

1 雙極化標(biāo)簽的工作原理

1.1 I型諧振單元的極化特性

本文采用I型諧振單元來(lái)構(gòu)造所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽。相比于其他結(jié)構(gòu)的諧振單元，其主要有兩方面的優(yōu)勢(shì)。首先，無(wú)論激勵(lì)信號(hào)是同極化，還是交叉極化的電磁波，I型諧振單元的后向散射信號(hào)中都不含有二次諧波，然而U型諧振單元在交叉極化的信號(hào)源激勵(lì)下，會(huì)產(chǎn)生二次諧波[8]。其次，I型諧振單元在受到正交極化的平面波激勵(lì)時(shí)，只會(huì)對(duì)一個(gè)極化方向的電磁波有所回應(yīng)，而不會(huì)對(duì)另一個(gè)極化方向的電磁波有所回應(yīng)，相應(yīng)的原理圖分別如圖1和圖2所示，其中V（vertical）和H（horizontal）分別代表諧振單元的放置方向和平面波極化方向是豎直和水平的，RCS是雷達(dá)散射界面（Radar Cross Section）。

1.2 雙極化特性分析

通過(guò)觀察圖1和圖2可知，豎直方向上放置的I型諧振單元在受到極化方向?yàn)樨Q直和水平方向上的平面波激勵(lì)時(shí)，都無(wú)二次諧波產(chǎn)生。同時(shí)，通過(guò)觀察兩個(gè)極化方向上的RCS曲線幅值可以看出，豎直方向上放置的I型諧振單元對(duì)極化方向?yàn)樨Q直方向的平面波產(chǎn)生的回波信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平極化的平面波產(chǎn)生的回波信號(hào)強(qiáng)度，兩者的幅值相差6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此當(dāng)受到正交極化的平面波激勵(lì)時(shí)，來(lái)自水平極化的平面波產(chǎn)生的回波信號(hào)即可忽略不計(jì)。利用I型諧振單元的這種極化特性，可以同時(shí)在兩個(gè)正交極化方向上對(duì)多個(gè)I型諧振單元同時(shí)進(jìn)行編碼，將這種編碼技術(shù)定義為雙極化編碼技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)可使標(biāo)簽在原有的尺寸上編碼密度加倍。

2 標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與編碼

2.1 標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用上文提到的I型諧振單元的極化特性，便可構(gòu)造雙極化結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽。雙極化標(biāo)簽由在豎直方向和水平方向蝕刻的I型諧振單元構(gòu)成。在圖3中設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的雙極化標(biāo)簽，并通過(guò)仿真得到了其RCS曲線圖。

通過(guò)觀察兩種標(biāo)簽的RCS曲線圖，可以得出標(biāo)簽2相比較于標(biāo)簽1，其回波信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，幅值更為尖銳，便于進(jìn)行觀察和編碼；并且其諧振頻點(diǎn)與標(biāo)簽1保持一致，不會(huì)對(duì)原有的諧振頻點(diǎn)造成影響。因此，采取標(biāo)簽2作為本文中的標(biāo)簽基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2.2 編碼方法

本文提出了一種雙極化編碼技術(shù)。利用兩個(gè)正交極化的電磁波同時(shí)作用于標(biāo)簽，根據(jù)I型諧振單元的特殊極化特性，可在兩個(gè)極化方向上同時(shí)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行編碼。并且將頻移編碼技術(shù)引入到該標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中，與雙極化編碼思想相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙極化無(wú)芯標(biāo)簽的編碼方法。

3 標(biāo)簽的仿真分析

下面根據(jù)圖3中設(shè)計(jì)的標(biāo)簽基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上文提出的編碼方法，通過(guò)其標(biāo)簽的6個(gè)不同結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)闡述該編碼方法。其中V-pol和H-pol分別代表諧振單元的放置方向和入射波極化方向是豎直和水平的，Dummy是指該諧振單元并不參與編碼，其目的是使相鄰的諧振單元產(chǎn)生更加尖銳的波峰。圖5是6種不同結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的RCS曲線圖。

把每個(gè)初始長(zhǎng)度的諧振單元作為參照，同時(shí)每個(gè)諧振單元對(duì)應(yīng)的初始編碼為‘10’，如圖4（a）所示。當(dāng)諧振單元長(zhǎng)度增加時(shí)，其諧振頻點(diǎn)會(huì)隨之減小，此時(shí)將其編碼為‘01’。另一方面，當(dāng)諧振單元的長(zhǎng)度減小時(shí)，其諧振頻點(diǎn)會(huì)隨之增大，此時(shí)將其編碼為‘11’。最后，當(dāng)諧振單元被移除時(shí)，其諧振頻點(diǎn)將不會(huì)存在，將其編碼為‘00’。這樣，通過(guò)改變每個(gè)諧振單元的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼，即頻移編碼技術(shù)。每個(gè)諧振單元可以獲得2 bit的編碼數(shù)據(jù)。

圖4(a)是利用參考長(zhǎng)度的諧振單元構(gòu)造的標(biāo)簽，這個(gè)標(biāo)簽的初始ID可表示為‘V-10 10 10 10+H-10 10 10 10’。圖5（a）是其對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果，兩個(gè)極化方向上的平面波在每個(gè)諧振單元對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)上，產(chǎn)生了相互重疊的回波信號(hào)。該結(jié)果將被用于驗(yàn)證下述的5個(gè)標(biāo)簽的仿真結(jié)果。

圖4（b）中，4個(gè)H-pol的諧振單元長(zhǎng)度不變，4個(gè)V-pol的諧振單元長(zhǎng)度減小，此時(shí)4個(gè)V-pol的諧振單元對(duì)應(yīng)的編碼由‘10’變?yōu)椤?1’。因此，此時(shí)標(biāo)簽的ID可表示為‘V-11 11 11 11+H-10 10 10 10’。圖5（b）所示為對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果，與實(shí)線表示的H-pol的曲線相比，虛線表示的V-pol的諧振頻點(diǎn)，向右發(fā)生了頻移。

將諧振單元按其長(zhǎng)度由長(zhǎng)到短依次排序。圖4(c)中，H-pol的第1個(gè)和第3個(gè)諧振單元的長(zhǎng)度保持不變(10)，第2個(gè)的長(zhǎng)度增加(01)，移除第4個(gè)諧振單元(00)。V-pol的第2個(gè)和第4個(gè)諧振單元的長(zhǎng)度保持不變(10)，第1個(gè)長(zhǎng)度減小(11)，移除第3個(gè)諧振單元(00)。因此，此時(shí)標(biāo)簽的ID可以表示為‘V-11 10 00 10+H-10 01 10 00’。圖5(c)是其仿真結(jié)果，通過(guò)觀察可以看出，RCS曲線的仿真結(jié)果與標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的變化是相互對(duì)應(yīng)的。

同樣的，對(duì)于另外的3個(gè)標(biāo)簽，通過(guò)觀察可以看出，當(dāng)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，仍然可以得到與其結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律相匹配的RCS曲線圖。因此，通過(guò)上述6個(gè)標(biāo)簽的仿真結(jié)果可以得出，每個(gè)諧振單元均可實(shí)現(xiàn)2 bit的數(shù)據(jù)編碼，并且在兩個(gè)極化方向上能夠?qū)崿F(xiàn)任意的編碼組合。

4 結(jié)論

本文利用‘I’型諧振單元提出了一種新型無(wú)芯RFID標(biāo)簽。通過(guò)使用雙極化編碼技術(shù)使標(biāo)簽的編碼密度得到加倍，并且引入頻移編碼技術(shù)，使得在減少諧振單元數(shù)目的同時(shí)，仍然可以得到理想的編碼容量。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)16 bit的雙極化結(jié)構(gòu)的無(wú)芯標(biāo)簽，并且通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了其可行性。這個(gè)單面的、易打印的、高容量無(wú)芯標(biāo)簽為無(wú)芯標(biāo)簽在低成本領(lǐng)域的應(yīng)用，拓展了新的研究思路。