0 引言

    射頻識別（RFID）系統是使用閱讀器從遠程放置的標簽提取信息的無線數據捕獲技術。該系統由兩個主要元件組成：數字編碼的RFID標簽和用于從標簽中提取編碼數據的RFID讀取器。對于不同的場合，需要使用特定的射頻識別系統。與傳統的條形碼相比，RFID標簽的優點在于其較長的讀取距離、穿透性和抗污染能力強，因此它具有取代條形碼的潛在能力。但是目前的RFID標簽相比于條形碼成本較高，所以它們仍然難以應用于低成本領域。廣泛使用的無源有芯RFID標簽的成本主要取決于其內部使用的硅芯片^[1]。因此，目前的研究側重于研發可打印的無芯片RFID標簽。如果標簽的成本能夠降低到1美分，那么在低成本領域將會有數以十億計的標簽需求量^[2]。

    目前，相關文獻中提出了一些無芯片RFID標簽。按照無芯片標簽的檢測方法，它們被分為時域法、頻域法和相位域法。采用時域法的標簽，根據一系列經過時間延遲的脈沖信號實現對標簽ID的檢測^[3-5]。基于相位域法的標簽在文獻[6]中被提出，是由枝節加載的多個貼片天線構成的。文獻[7-8]中提出了使用折疊偶極子諧振器構造的無芯標簽，但是標簽對極化方向敏感。文獻[9]中提出了一種在3.1 GHz～10.6 GHz的超寬帶（UWB）范圍內最高可獲得35 bit的數據容量的頻域法標簽，但其尺寸較大，難以被投入使用。相比于時域法和相位域法，基于頻域法構造的無芯標簽擁有更高的數據密度，通過標簽在確定的頻點產生共振峰來實現無芯標簽的設計和編碼。因此，它們需要較寬的頻率范圍。

    對于大多數文獻中提出的無芯標簽，第一個要考慮的問題來自于標簽的尺寸和編碼容量之間的關系，現有的基于頻域法構造的無芯標簽，所采用的是在頻域的OOK(On Off Keying)編碼方式^[10-12]。所設計的無芯標簽都需要特定的一個諧振單元來完成特定的一個比特的編碼，這使得標簽的尺寸與數據的比特數呈現出線性關系，想要獲取多比特的編碼數據，標簽尺寸也會隨之增大，這也使其失去了商業上的可行性。第二個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簽設計中所面臨的問題，設計了一種新型可打印無芯RFID標簽，并提出了一種新的無芯標簽編碼方法，能夠使無芯標簽在減少諧振器數目的同時，仍然可以獲得較高的編碼容量，同時減小了諧振器間的相互耦合，并提高了印刷公差。

1 無芯標簽的結構和工作原理

    圖1所示為無芯標簽的結構，由多個在矩形基板上蝕刻的直角型諧振器構成。基板材料為聚四氟乙烯銅箔板F4BM，基板的相對介電常數ε_r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，W是直角型諧振器的臂寬，S為相鄰諧振器之間的間距，S₀為兩個陣列之間的間距。

    任意的金屬結構在受到雷達波照射時，都能以特殊的方式對入射雷達波產生散射。無芯標簽本質上也是一種金屬散射體結構，當受到雷達波激勵時，能散射出與自身結構相關的后向散射信號。其中特定的金屬結構會在特定頻率點產生有明顯波峰或波谷的雷達散射截面(RCS)曲線，每個金屬諧振器都對應著一個諧振頻率點。當金屬諧振器存在時，回波信號的RCS頻譜圖上會出現對應的諧振頻點，此時將其編碼為‘1’；當金屬諧振器不存在時，其對應的諧振頻點也不會產生，此時編碼為‘0’。這樣通過改變諧振器的數目，便可以獲得標簽的不同編碼狀態。這也是現有的文獻中使用較為廣泛的標簽編碼方法。

    無芯RFID標簽的工作原理如圖2所示，當無芯標簽受到來自閱讀器發射的查詢信號激勵時，便會后向散射出與自身結構相關的回波信號，此時數據便會編碼在后向散射信號中，閱讀器通過接收天線收到編碼后的后向散射信號后，便會通過一定的算法得到該標簽的編碼信息，這樣便完成了無芯標簽的檢測和識別。

2 無芯標簽的特性分析

2.1 基板材質分析

    標簽結構通過三維全波電磁仿真軟件(FEKO)進行仿真分析，當基板材質為F4BM時，得到如圖3(a)所示的無芯標簽的RCS曲線，標簽的結構參數如下：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L由大到小對應的諧振頻率分別為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諧振頻點。

    保持上述標簽結構的物理參數不變，改變基板的材料。采用相對介電常數為2.25、損耗角正切為0.045的紙來代替基板，得到標簽的RCS頻譜曲線如圖3（b）所示，清楚看出各個諧振頻點分別為6.67 GHz、7.72 GHz、8.98 GHz和10.18 GHz。對比圖3(a)，發現當基板材質更改為紙時，諧振頻點略有降低且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諧振頻點，說明紙制材料也有著充當基板材質的能力，這也為該無芯標簽的可打印性（打印在紙張或其他文件）提供了實驗依據。

2.2 入射波極化角度分析

    為了能夠適應更復雜的檢測環境，這里來驗證標簽對多種極化方向的入射波的穩定性。改變入射波的極化方向，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可知當入射波極化方向發生改變時，諧振頻點均不會發生偏移，從而可以得出這種標簽結構具有對極化角度不敏感的特性，即該結構對多種極化方向的入射波都保持了良好的穩定性。還可以看出當η逐漸增大時，|RCS|隨之減小。當極化角度為90°時，|RCS|最小，這意味著單位面積內回波信號的強度最大。回波信號的強度大小對于標簽的檢測識別并沒有干擾，但是會對其讀取范圍有所影響。

2.3 諧振器間距分析

    當金屬諧振器受到雷達波照射時，相鄰的諧振器間存在著相互耦合，這便會對諧振頻點造成一定的影響。保持上述的標簽物理參數不變，改變相鄰諧振器的間距得到了標簽的RCS曲線，如圖5所示。

    觀察可知，圖5（a）和圖5（b）中不能分辨出每個諧振器對應的諧振頻點。圖5（c）和圖5（d）中可以清楚地分辨出每個諧振點，并且隨著間距S的增大，諧振特性變得更加明顯，說明適當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

3.1 編碼思想

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

    下面利用圖6中的標簽結構來介紹頻移編碼技術的編碼過程。直角型諧振器的臂長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度L，會使諧振頻率變得更高或更低，而在RCS頻譜圖中則表現為諧振頻點右移（較高頻率）或左移（較低頻率），利用諧振頻點的偏移便可以獲得多種不同的編碼狀態。為了便于表示諧振頻點的偏移，定義了a、b、c、d 4個頻移參量，表示為圖6中陰影部分的長度。頻移參數的變化將會導致諧振頻點產生與之相關的改變，對于本文中的標簽結構，單個諧振器可以產生4個不同的二進制狀態，分別為‘01’、‘10’、‘11’和‘00’其中，‘00’表示諧振器不存在，即沒有共振峰產生。

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

3.2 編碼容量分析

    根據上述的編碼方法，每個諧振器都有4個不同的編碼狀態即‘01’、‘10’、‘11’、‘00’。因此，這里的每個諧振器實際上將編碼2 bit，文中的4個諧振器則編碼8 bit。但是，如果使用OOK的編碼方式，每個諧振器只有兩個狀態即‘0’和‘1’。對于文中的標簽結構，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[10-12]中提出的兩個狀態的編碼技術的2倍。

    此外，如果閱讀器擁有更高的分辨率（可以檢測更小的頻移），那么按照頻移編碼技術的思想，編碼容量可以得到進一步提高。總的編碼容量計算如下：

其中，N為單個標簽中的諧振器個數，2^M為每個諧振器可以表示的編碼狀態數。

    根據給出的編碼容量計算方法，將來可以對更多的無芯標簽結構進行設計。

4 結論

    本文設計了一種新型可打印無芯片RFID標簽。標簽由在矩形介質板上蝕刻的多個按規律排列的直角型諧振器構成。相比于現有的無芯標簽，該標簽尺寸小、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，使標簽的編碼容量提高了一倍，理論分析和仿真結果一致，驗證了該方法的可靠性。所設計的無芯片RFID標簽是單層導體結構，可直接粘貼或打印在ID卡或紙張上面，具有廉價、持久、抗污和廣泛適用性。

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作者信息:

趙  峰，鄒傳云，胥  磊，何  毅

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽621010）