一种减少无芯RFID标签散射体互耦的方案研究*

王金魁，邹传云，胥 磊

（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010）

0 引 言

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术作为一项非接触式自动识别技术，通过射频波来实现目标信息的传递[1-2]。标签为RFID系统的重要组成部分，而目前已投入市场中的标签大多数含有硅芯片。硅芯片价格较高，不能替代目前广泛应用的光学条形码[3]。

无芯RFID标签不含有硅芯片，编码信息仅体现在标签的结构上。然而，在有限尺寸上设计的大容量标签，由于临近谐振体间存在较强的耦合[4]，使得谐振频点存在较大的偏移量，可能导致标签信息的误判。本文对Vena等人提出的基于C型折叠偶极子结构编码方式[5]进行了改进。运用金属贴片隔断的方式代替传统去除部分结构的编码方法，降低了标签散射体间的耦合干扰，减小了谐振频率的偏移，提高了无芯标签的识别精度。

1 相关研究及分析

在信息编码方面，阅读器和标签进行信息传递时，有芯片标签通常采用幅移键控或二进制相移键控[8]两种信息编码方式。而无芯RFID标签的编码信息仅体现在标签结构上，因此改变标签结构可以编码不同的识别信息。目前，无芯片RFID标签信息编码方案包含时域和频域编码。在频域编码方面，可通过观测无芯标签RCS曲线，在横轴频率轴上观测纵轴波峰或波谷有无来完成信息的编码。在时域编码信息时，通过标签反射回阅读器的信息时间间隔来完成信息的编码。

在编码容量方面，传统的条形码编码容量较小，很难适应于以后的市场需求。因此，对无芯标签提出了小型化、大容量的要求[9]。目前，无芯RFID标签编码容量较条形码有了较大提升，而在标签的编码方案方面仍需进一步的探究。

2 无芯RFID标签的结构及参数

本文设计标签的工作范围为3.21～5.65 GHz，频带宽度为2.44 GHz，在联邦通信委员会（Fedeal Communications Commission，FCC） 定 义 的 3.1～10.6 GHz超宽带范围内。本文的设计和仿真均在相对介电常数较低的RO 4003基板上完成，其介电常数为εr=3.38，损耗角正切为tan δ=0.002，厚度为h=0.6，基板尺寸为26 mm×56 mm。

不同长度的C型贴片谐振器能产生不同谐振频率，每一个标签谐振频率信号代表1 bit编码数据。无芯标签由15个C型贴片散射体组成，内部单元最大的部分结构尺寸为16 mm×2.5 mm，最小的单元尺寸为9 mm×2.5 mm。贴片的宽度和两结构单元间的间隔均为1 mm，结构单元内部的缝隙间隔为0.5 mm。

采用线极化的远场平面波激励方式来激励无芯RFID标签，在远场区域观测标签的RCS曲线。仿真模型是在矩量法电磁仿真软件下完成的，标签的结构和对应的RCS曲线分别如图1、图2所示。

图1 无芯标签的俯视图

图2 对应的雷达散射截面曲线

3 谐振原理及降低耦合效果的实现

3.1 谐振原理和误差分析

在一个无限大的地平面上，缝隙天线的导波波长近似为：

其中，λg为导波的波长，λ为自由空间的波长，εr为介质板的相对介电常数。

有一件事显示祖父聪明过人。当时上海正在修建外白渡桥，工程遇到一个难题：外白渡桥建在苏州河上，建桥时打下大量木桩需拔掉，由于苏州河淤泥深厚，拔桩十分不易，主持建桥的英国人采纳了一位年轻木工的建议，退潮时在木桩上绑上大油桶，涨潮时借助浮力轻易地拔起木桩。这个年轻木工就是我的祖父。

由式（1）可以推导出缝隙的谐振频率为[10]：

其中，fr为缝隙结构的谐振频率，c为光在真空中传播的速度，L为自由空间波长的一半。由此，设计的为1/4波长结构。图1中的谐振频率与在矩量算法算法软件下仿真的结果对比，如表1所示。

表1 标签的尺寸和对应谐振频率误差

由表1知，通过对15个C型散射体结构进行电磁仿真，得出的仿真结果与通过理论分析计算得出的谐振频率存在的误差最大值为3.93%，最小值为0。由此可见，仿真具有较好的效果。

3.2 降低耦合效果的实现

选择不同的极化角度下对RCS曲线会带来一定影响。RCS曲线随着极化角度的不同变化情况，如图3所示。

图3 单个C型谐振单元在不同极化角度下的RCS曲线

从仿真结果可以看出，标签结构对极化角度敏感，使得阅读器可以通过调整极化方向进行标签的区分，即标签具有方向敏感性。

微带线在公共的接地板表面，相互之间产生了一定的耦合效果。所以，按照Vena等人提出的基于C型折叠偶极子结构编码方式，即谐振体对应的谐振频率存在时编码为“1”，去掉相应谐振单元，谐振频率缺失时编码为“0”。因为删去谐振单元会导致频率有较大偏移，所以在大容量编码时会带来误识别信息的隐患。因此，通过谐振单元短路的实现形式，减小由传统方式带来的频率偏移较大的影响，以提高信息的准确识别率，为大容量编码提供有效的准确率。传统结果与改进后的无芯片标签结构对比如图4所示。

图4 为和传统的去掉编码单元实现编码结构相比较

图5 中，15 bit对应的编码信息为ID1-111111111111111、12 bit对 应 的 信 息 为 ID2-111011011111011。图6为图5中放大3.5～4.5 GHz频段，可以看到相较于传统的去掉对应结构的方式，采用金属贴片隔断的方式具有较小的频率偏移。15个贴片的结构可实现的编码容量为N=2k，其中k为编码独立结构电源个数，本文中k为15。

针对以上结构，使用改进后的矩阵束算法将标签的回波信号变换到复频域进行分析，提取分析后的极点和衰减因子，得到极点分布。从图7可以看出，同传统的去掉散射体结构相比，本次采用的金属贴片隔断方式与原频率点偏差更小，具有很好的区分效果，有利于满足未来对大容量编码的需求。

图5 不同编码信息的标签结构仿真结果

图6 局部放大结果

图7 标签谐振频率提取结果

4 结 语

本文提出了一种新型的用于减小散射体谐振单元耦合的无芯RFID标签结构。通过运用电磁仿真软件仿真验证后，得出其相对于传统的删减散射体单元编码方式具有较小的频率偏移，这对于未来大容量编码的实现具有一定的意义。未来，可以在窄频带内实现更大的编码，提高频带利用率。同时，本文的标签尺寸为26 mm×56 mm，尺寸较小，可以方便地附着在识别目标上。下一步的工作是运用频率和极点的关系，提取RCS曲线的谐振频率，采用新型编码方式进一步在提取精度上优化频率信息。此外，在保证识别有效性的前提下，实现无介质板直接打印，从而进一步降低无芯RFID标签的制造复杂性，降低成本，使其可以尽快实现商业大规模生产。

参考文献：

[1] 黄玉兰.物联网射频识别(RFID)核心技术详解[M].北京:人民邮电出版社,2012.HUANG Yu-lan.Detailed Explanation of the Core Technology of Internet of Things Radio Frequency Identification(RFID)[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Press,2012.

[2] Dobkin D M.The RF in RFID[M].Newnes,2012.

[3] Preradovic S,Karmakar N C.Chipless RFID:Bar Code of the Future[J].IEEE Microwave Magazine,2010,11(07):87-97.

[4] Vena A,Perret E,Tedjini S.Chipless RFID Tag Using Hybrid Coding Technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory &Techniques,2011,59(12):3356-3364.

[5] Dissanayake T,Esselle K P.Prediction of the Notch Frequency of Slot Loaded Printed UWB Antennas[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagati on,2007,55(11):3320-3325.

[6] 王俊峰.射频识别技术原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2015.WANG Jun-feng.Principles and Applications of Radio Frequency Identification Technology[M].Beijing:Electronic Industry Press,2015.

[7] Chaabane H,Perret E,Tedjini S.Towards UHF RFID Robust Design Tag[C].IEEE International Conference on Rfid,2010:223-229.

[8] Finkenzeller K.RFID Handbook:Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification[M].Second Edition.John Wiely & Sons Ltd,2003.

[9] Alshoudokhi Y A,Alshebeili S A,Ashraf M A,et al.Recent Developments in Chipless Ultra-Wide-Band(UWB)Radio Frequency Identification(RFID) Systems[C].Advanced Information Technology,Electronic and Automation Control Conference,2017.

[10] Dissanayake T,Esselle K P.Prediction of the Notch Frequency of Slot Loaded Printed UWB Antennas[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagati on,2007,55(11):3320-3325.