0 引言

    RFID系統是以電磁信號為媒介進行數據傳輸的自動識別技術，與傳統條形碼技術相比，其優勢在于識別對象與讀取設備之間通信穿透性強、距離較遠、數據傳輸量大和適應環境能力強等^[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用。RFID主要由讀寫器和標簽兩部分組成，標簽一般貼附在物品上，接收讀寫器信號并將ID信息發回讀寫器^[2]。目前，RFID標簽仍無法取代條形碼的一個重要因素是成本仍然較高，而在整個標簽成本中芯片占有較大比重^[3]，因此近年有關無芯片標簽的研究和應用得到了廣泛關注^[4]。

    現有關于無芯片標簽的研究總體可分為延遲時間法、頻譜特征法、時域和相位調制法等，這些方法的共同目標是獲得穩定的識別性能和較大的編碼容量。基于開路短截線的無芯片標簽結構由文獻[5]提出，編碼位數與開路短截線數量相等，因此編碼容量因受標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簽結構，通過改變螺旋線諧振器的分布實現頻域編碼。該結構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簽，通過改變短截線長度進行頻域編碼，標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簽，通過改變縫隙線的分布調節頻譜特征，但由于U型縫隙間距較窄導致耦合較強，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限制。

    在無芯片標簽的設計方法中，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獲得更多的編碼容量。在現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計特定的頻譜特征，然后通過改變諧振器的參數構造不同的編碼。但采用這種方式，編碼容量往往受到標簽尺寸和頻譜分辨率的嚴重制約。當要增加編碼容量時，必然要相應增加諧振器個數，于是標簽尺寸也隨之增大，從而降低了標簽的實用性。如果標簽尺寸不變，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計無芯片標簽的核心問題。

    針對上述頻譜特征法在無芯片標簽設計中的主要矛盾，本文提出一種新型基于介質集成波導和互補分裂環的無芯片結構，在不增大標簽面積的條件下，通過改變諧振環的開口角度，充分利用諧振器之間的耦合強弱變化增大編碼容量，同時利用介質集成波導的高選擇性保證了頻譜分辨率，較好地解決了編碼容量、標簽尺寸和頻譜分辨率間的矛盾問題。

1 無芯片標簽結構及工作原理

    本文設計的無芯片標簽結構如圖1所示(圖1主副內、外環開口角度均為90°)，由介質集成波導加載互補分裂環諧振器組成。標簽為上下兩層結構，包括頂層金屬貼片和底層金屬地平面。標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，由外環和內環構成。為便于區分，將左邊定義為主環，右邊定義為副環。每個分裂環由頂層金屬貼片上兩個嵌套的環形縫隙組成。饋線和三角形貼片間的縫隙可用來調整標簽輸入阻抗。標簽中心一排過孔和其相對的兩個邊緣圍成了三角形介質集成波導，該結構由相同基模的方形波導演變而來，而面積只有方形波導的1/8，使標簽尺寸大大減小。三角形波導的等效電路可以看成終端短路傳輸線，具有高通特性。互補分裂環可等效為電偶極子，經介質集成波導加載后，可產生低于波導截止頻率的諧振頻率，有利于諧振器的小型化設計。

    由于三角形波導由相同基模的方形波導演變而來，因此其諧振頻率可通過分析方形波導直接獲得。根據文獻[10]的理論分析，對于寬度為a的介質集成波導，其主模TE110的電場和磁場分布如下：

    如圖1所示，將各環開口相對于各自所處位置角度基準線的旋轉角度定義為各環的開口角度。當波導尺寸固定時，標簽諧振頻率主要受互補分裂環半徑和內外環開口角度影響，因此可通過改變分裂環結構參數獲得不同的諧振頻率，然后通過頻域法構造標簽編碼。可獲得的不同諧振頻率越多，編碼容量越大。如果僅通過調節內外環開口角度獲得不同的諧振頻率，則可在不增大標簽尺寸的條件下擴大編碼容量。

2 無芯片標簽性能仿真

    采用圖1所示的無芯片標簽結構，使用高頻電磁仿真軟件HFSS分析標簽性能。標簽的結構參數如下：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，主內環半徑g=1.8 mm，主外環半徑h=2.5 mm，副內環半徑i=1.1 mm，副外環半徑j=1.8 mm，各環開口寬度k均為0.4 mm，各環縫隙線寬均為0.3 mm。所用介質板材料為Rogers RO4003，材料相對介電常數為3.55，介質板厚度為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，同步改變主外環和主內環的開口角度，分析主環開口角度對標簽頻率響應性能的影響。將主環開口角度分別設為0°、90°、180°和270°，通過全波電磁仿真后，獲得標簽對應不同主環角度的頻率響應曲線如圖2所示。

    由圖2的頻響曲線可見，當主環開口角度為0°時，諧振頻率最高。隨著主環開口角度的增大，諧振頻率逐漸降低，選擇性略有提高。當主環開口角度為180°時諧振頻率達到最小值。分析其原因，主要是由于主環角度增大時，主環開口更接近標簽的邊緣，而靠近標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，僅改變主內環角度，分析主內環角度變化對諧振頻率的影響。在主外環開口角度為90°時，改變主內環與主外環的開口角度差分別為90°、180°和270°，得到不同主內環角度下的頻率響應曲線如圖3所示。

    由圖3可見，當主外環角度不變，僅改變主內環角度時，隨著主內環與主外環開口角度差異的增加，諧振頻率會逐漸減小，以主外環和主內環都為90°的結構為基準，當主內環與主外環開口角度差由0°增至90°時，諧振頻率由4.86 GHz減少至4.78 GHz，而當主內環開口角度由90°增至180°時，諧振頻率由4.78 GHz減少至4.77 GHz。顯然，主內環相對于開口角度的諧振頻率變化率要遠小于主外環，即單位角度變化時頻率變化較小。可以利用主內環的這個特性用于標簽頻率的精細調整，以減小加工工藝誤差對頻偏的影響。同時還可看出，內環與主外環開口角度差在0°～180°區間變化時，諧振頻率的變化主要集中在0°～90°區間，在該區間內的諧振頻率變化占比為88%，因此當調節主內環角度時可以主要在該區間內完成。

    下面分析環半徑對諧振頻率的影響。將主外環半徑分別設為3.2 mm、2.5 mm和1.8 mm,相應的主內環半徑為2.5 mm、1.8 mm和1.1 mm，通過仿真可獲得諧振頻率隨環半徑變化的曲線如圖4所示。

    由圖4可見，當環開口角度不變，半徑由小到大變化時，由于等效電長度增加，諧振頻率相應減小，分別為5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz，說明環半徑對諧振頻率影響較大，是決定標簽頻率的重要參數。

    因副環結構與主環類似，只是半徑不同，因此上述分析同樣適用于副環。

    最后分析地平面大小對標簽性能的影響。當改變地平面大小時，標簽諧振頻率和增益的變化如表1所示。表中數據是在主副環開口角度均為90°的條件下得出的。由表1可以看出，標簽諧振頻率受地平面尺寸影響較小，當地平面增大時，標簽諧振頻率僅有少量減少，而標簽反射增益則明顯增加。其主要原因是標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，從而能明顯提高標簽散射增益。

3 無芯片標簽編碼方法

    根據以上對標簽特性的仿真分析，標簽諧振頻率主要受互補分裂環半徑、內外環開口角度影響。由圖2和圖4可見，分裂環半徑和外環角度變化對諧振頻率的影響較大，較小的分裂環半徑或外環角度變化會引起較大的諧振頻率偏移。而由圖3可見，內環角度對諧振頻率影響較小，較大的內環角度變化產生的諧振頻率偏移較小。由上述特性可知，在確定標簽諧振頻率時，改變分裂環半徑和外環角度可使諧振頻率在較大范圍內選擇，而改變內環角度可使諧振頻率的選擇更加精細。換句話說，可以用分裂環半徑和外環角度這兩個參數完成對標簽諧振頻率的“粗調”，用內環角度實現對標簽諧振頻率的“細調”。這樣使標簽諧振頻率能夠在較大范圍內實現精細調整，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。

    充分利用分裂環半徑、內環角度、外環角度這3個調節參數，可設計無芯片標簽頻率調整方法如下：

    (1)調節分裂環半徑，將標簽諧振頻率調整到合適的中心頻率。為方便設計和標準化，根據上節設置內外環半徑，中心頻率可在5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz 3個中選擇。

    (2)調節外環角度，將標簽諧振頻率調整到合適的基頻位置，實現大范圍的粗調。

    (3)調節內環半徑，在基頻的基礎上加入頻率偏移，實現精細調整。

    本文設計的無芯片標簽包括主環和副環，主環外環半徑為2.5 mm，工作于中心頻率4.86 GHz；副環外環半徑為1.8 mm，工作于中心頻率5.15 GHz。以a₀~a₁₅表示位數由低至高的16 bit編碼。通過仿真測試，綜合考慮編碼容量和頻率分辨率，確定主副環參數與編碼的關系如表2所示。

    根據表2，考慮到當內外環角度變化時諧振頻率的分布情況，外環角度的變化范圍選為20°～180°，角度增量為5°，可實現5 bit編碼。內環角度的變化范圍選為100°～180°，角度增量為10°，可實現3 bit編碼。綜合主副環總共可實現16 bit編碼。該無芯片標簽與傳統標簽的性能對比見表3。

    由表3可見，本文提出的無芯片標簽尺寸能獲得更高的編碼密度，且在結構上比文獻[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，實際應用中可以適當改變分裂環個數、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：

其中，N為分裂環的個數，A為角度變化范圍，b為角度增量，R為可實現的編碼位數。

4 無芯片標簽測試

    本文無芯片標簽加工后的實物圖如圖5所示。經網絡分析儀測試，實測結果和仿真結果對比如圖6所示，主環頻率和副環頻率分別為4.86 GHz和5.15 GHz，測量結果和仿真結果基本一致。

5 結論

    本文提出了一種基于介質集成波導和互補分裂環的新型無芯片標簽結構。該結構通過調節互補分裂環外環和內環的開口角度實現諧振頻率的粗調和細調，通過介質集成波導提高頻率選擇性，在不增大標簽尺寸和不犧牲頻率分辨率的前提下增大了編碼容量，對解決傳統頻譜特征法存在的編碼容量與標簽尺寸、頻率分辨率間的矛盾提供了一種新型方案，具有較好的應用推廣價值。

參考文獻

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作者信息:

王  帥，王二永

（河南理工大學 電氣工程及自動化學院，河南 焦作454000）