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關(guān)于一種新型的無(wú)芯片RFID雙極化標(biāo)簽設(shè)計(jì)

發(fā)表時(shí)間:2022-12-27 11:27

作者:佚名 來(lái)源:RFID世界網(wǎng) 2018-12-28 16:52:54

摘要:本文提出了一種單面緊湊、可完全印制的無(wú)芯片RFID雙極化標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。該標(biāo)簽利用具有相同諧振頻率且極化方向正交的“I”形貼片型半波偶極子諧振器,在雙極化平面波激勵(lì)下,同樣的固定頻帶內(nèi)被使用兩次,從而使編碼容量加倍,具有18位編碼容量。該標(biāo)簽具有容量大、尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn),適用于數(shù)據(jù)量大、對(duì)方向敏感,閱讀方向固定的應(yīng)用。

  0 引言

  射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)是一種利用電磁波來(lái)識(shí)別特定目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1]。射頻識(shí)別標(biāo)簽相對(duì)于目前的光學(xué)條形碼而言,具有閱讀距離長(zhǎng)、非視距讀寫、自動(dòng)識(shí)別與跟蹤的特點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。然而傳統(tǒng)的有芯片射頻識(shí)別標(biāo)簽相較于條形碼而言,因成本較高無(wú)法使射頻識(shí)別技術(shù)獲得廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用,所以必須降低標(biāo)簽的成本。目前國(guó)內(nèi)外研究焦點(diǎn)在于可印制的無(wú)芯射頻標(biāo)簽上,該類標(biāo)簽既不需要芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù),又減少了芯片與接收天線之間裝配成本,相比傳統(tǒng)標(biāo)簽,不但效率高且價(jià)格大幅降低[3]。

  文獻(xiàn)[4-8]提出了一種基于時(shí)域、頻域和相位編碼技術(shù)的可打印無(wú)芯片RFID標(biāo)簽。其中,基于頻域的標(biāo)簽相比于基于時(shí)域或相位的標(biāo)簽具有更高的數(shù)據(jù)密度且更容易實(shí)現(xiàn)小型化[9]。學(xué)者Jalaly提出具有帶通和帶阻效應(yīng)的微帶偶極子諧振體陣列作為射頻條形碼標(biāo)簽[10],通過改變諧振體結(jié)構(gòu)來(lái)改變諧振頻率,觀察特定頻率點(diǎn)上諧振的有無(wú)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。文獻(xiàn)[11]提出了一種“U”形槽加載的可印制雙極化無(wú)芯標(biāo)簽,并通過一對(duì)雙極化閱讀器天線使其編碼效率顯著提高。

  本文提出了一種單面緊湊、可完全印制的無(wú)芯片RFID雙極化標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。該標(biāo)簽利用具有相同諧振頻率且極化方向正交的“I”形貼片型半波偶極子諧振器,在雙極化平面波激勵(lì)下,同樣的固定頻帶內(nèi)被使用兩次,從而使編碼容量加倍,具有18位編碼容量。該標(biāo)簽具有容量大、尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn),適用于數(shù)據(jù)量大、對(duì)方向敏感,閱讀方向固定的應(yīng)用。

  1 RFID標(biāo)簽基本工作原理

  1.1 半波偶極子諧振體的極化特性

  長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬度為W的半波偶極子諧振體加載在厚度為h的基板上,則諧振體的諧振頻率f與其自身長(zhǎng)度L的關(guān)系如下[12]:

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  式(1)中,c為光速,εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)。可知當(dāng)一個(gè)半波長(zhǎng)偶極子諧振體加載在基板上,其諧振頻率是諧振體長(zhǎng)度的函數(shù)。

  不同長(zhǎng)度的“I”形諧振體放置在基板上會(huì)產(chǎn)生不同的頻率特征,每一個(gè)頻率特征可編碼1 B數(shù)據(jù),并且對(duì)于“I”形諧振體,只有在與它相同極化方向的平面波激勵(lì)下才能工作,在與它正交極化的平面波激勵(lì)下不工作。例如使用FEKO仿真軟件對(duì)一個(gè)加載在Taconic TLX-8基板(介電常數(shù)εr=2.55,損耗角正切tanδ=0.001 9,厚度h=0.5 mm)上長(zhǎng)度L=27 mm的半波偶極子諧振器,設(shè)置極化方式為線極化,入射波為平面波,在θ=0°,

  =0°,η=0°或90°位置處進(jìn)行照射,其中θ,

  決定入射波方向,η表示入射波的極化角度,即這里是分別采用水平極化(η=0°)或垂直極化(η=90°)平面波對(duì)其進(jìn)行垂直照射,在1~10 GHz的超寬帶范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)求解,在觀察角度θ1=0°,

  1=0°(為默認(rèn)觀察角度)進(jìn)行觀察,仿真得到其RCS幅頻特性曲線如圖1、圖2所示,其中Ht、Hr分別表示水平極化的閱讀器發(fā)送天線和接收天線,用來(lái)發(fā)送和接收激勵(lì)波;Vt、Vr分別表示垂直極化的閱讀器發(fā)送天線和接收天線,用來(lái)發(fā)送和接收激勵(lì)波。當(dāng)用同極化的平面波垂直照射諧振器時(shí),從其RCS幅頻特性曲線中可以看到,在偶極子諧振頻率點(diǎn)時(shí),有明顯的波峰出現(xiàn);當(dāng)用交叉極化的平面波垂直照射半波偶極子諧振器時(shí),其RCS幅頻特性曲線在諧振頻率點(diǎn)上沒有明顯的頻率特征出現(xiàn),即諧振器只在相同極化的平面波激勵(lì)下起振,而在正交極化平面波激勵(lì)下不起振,驗(yàn)證了半波偶極子諧振器單極化特性。

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  1.2 基于導(dǎo)體自然諧振的無(wú)芯片標(biāo)簽

  由于場(chǎng)在空間相互抵消作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反諧振,反諧振與激勵(lì)波的入射和極化方向有關(guān)[13-14]。諧振器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特性決定了在其頻譜上有一個(gè)諧振的波峰與反諧振的波谷,利用這個(gè)波峰或波谷可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,并通過改變標(biāo)簽物理結(jié)構(gòu)參數(shù),編碼信息也隨之改變,并通過改變諧振器的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)諧振頻率[15]。

  本文所設(shè)計(jì)的無(wú)芯標(biāo)簽,主要是利用諧振體的單極化特性,由不同長(zhǎng)度且交叉極化的“I”形鏡像對(duì)成型諧振器陣列,印刷在基板上構(gòu)成。通過極化復(fù)用并利用一對(duì)交叉極化的閱讀器天線發(fā)送電磁波激勵(lì)標(biāo)簽,使該標(biāo)簽在固定的超寬帶頻段內(nèi)容納的數(shù)據(jù)位數(shù)提高了1倍。如圖3所示為雙極化無(wú)芯片標(biāo)簽的原理圖。

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  2 無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  本文設(shè)計(jì)的無(wú)芯片標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖4所示,標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中N個(gè)垂直極化的諧振體呈鏡像對(duì)稱排列在介質(zhì)基板的上下兩端,M個(gè)水平極化的諧振體呈鏡像對(duì)稱排列在介質(zhì)基板的左右兩端,為保證設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化以及方便加工,每個(gè)諧振器的寬度相同,相互間隙保持一致。為增加諧振頻率點(diǎn)上的波谷深度,使頻率特征明顯,增加編碼可靠性,水平和垂直極化的諧振體陣列被重復(fù)設(shè)置。基板材料采用Taconic TLX-8基板(介電常數(shù)εr=2.55,損耗角正切tanδ=0.001 9),標(biāo)簽整體尺寸為22.48×22.48×0.5 mm3,可實(shí)現(xiàn)18 B的數(shù)據(jù)容量。

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  3 無(wú)芯片標(biāo)簽的仿真與編碼分析

  在該無(wú)芯片標(biāo)簽中除去長(zhǎng)度最短的諧振體為虛擬放置不用于編碼,剩余的按照諧振體長(zhǎng)度從大到小的順序設(shè)置諧振體的序號(hào)為1~9,則序號(hào)1~9的諧振體對(duì)應(yīng)的諧振頻率從小到大,通過式(1)計(jì)算與仿真分別得到的不同諧振體對(duì)應(yīng)諧振頻率如表2所示,由于噪聲、耦合作用等干擾,存在一定誤差,但基本一致,表明公式的正確性。這里諧振體長(zhǎng)度被優(yōu)化到以確保它們的諧振頻率均在6~14 GHz頻率范圍內(nèi)便于以后的實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及得到9個(gè)較深的波谷。長(zhǎng)度最大的諧振體其諧振頻率最低,用來(lái)編碼最高位;長(zhǎng)度最小的諧振體其諧振頻率最高,用來(lái)編碼最低位。每一個(gè)諧振頻率在頻譜上都有一個(gè)波峰和波谷,其中波谷被用于編碼1位數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的18 bit的無(wú)芯雙極化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖5所示。

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  9個(gè)垂直極化(V)諧振體在垂直極化的平面波激勵(lì)下產(chǎn)生9個(gè)波谷,可代表垂直極化身份識(shí)別(Identification,ID)為“V-111111111”,9個(gè)水平極化(H)諧振體在水平極化平面波激勵(lì)下產(chǎn)生9個(gè)波谷,可代表水平極化ID為“H-111111111”,因此,這個(gè)18 B的雙極化標(biāo)簽的完整ID可表示為“V-111111111+H-111111111”,對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及其仿真結(jié)果如圖6(a)與圖6(b)所示。由圖5、圖6和圖7所示的三個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果可證明,這18個(gè)波谷中任一個(gè)均可以在不改變其他波谷存在與否的情況下通過移除相對(duì)應(yīng)的諧振體,使其代表的比特“1”變化為比特“0”。

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  其中,圖7所示的標(biāo)簽中序號(hào)分別為2、4、6和8的4個(gè)水平極化諧振器被移除,則其仿真結(jié)果圖7(b)中顯示僅有在水平極化平面波激勵(lì)下的第2、4、6和8的波谷消失,其他的所有波谷均沒有因?yàn)檫@4個(gè)諧振器的移除而發(fā)生明顯改變,從而這18 bit的雙極化標(biāo)簽可以標(biāo)識(shí)目標(biāo)物體的ID為“V-111111111+H-101010101”。

  在圖8所示的標(biāo)簽中序號(hào)為2、4、6和8的垂直極化諧振器和序號(hào)為3、5、7和9的水平極化諧振器被移除,則從其仿真結(jié)果圖8(b)中可看到與其相對(duì)應(yīng)的垂直極化平面波激勵(lì)下的第2、4、6和8的波谷與水平極化平面波激勵(lì)下的第3、5、7和9的波谷均消失,該標(biāo)簽可表示的ID為“V-101010101+H-110101010”。

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  類似的,在圖9(a)所示的標(biāo)簽中序號(hào)為3、5、6和8的垂直極化諧振器和序號(hào)為2、4、6和8的水平極化諧振器被移除,則由仿真結(jié)果圖9(b)可知相對(duì)應(yīng)的垂直極化平面波激勵(lì)下的第3、5、6和8的波谷與水平極化平面波激勵(lì)下的第2、4、6和8的波谷消失,該標(biāo)簽表示的ID為“V-110100101+H-101010101”。從這4個(gè)可分別表征不同比特組合的ID的雙極化標(biāo)簽的仿真結(jié)果中可知,在兩個(gè)正交極化的平面波激勵(lì)下,具有相同諧振頻率的諧振體可以被使用兩次,從而使標(biāo)簽在雙極化方式下在固定的頻率帶寬內(nèi)編碼容量雙倍增加了。

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  4 結(jié)論

  本文中提出的在介質(zhì)基板上加載貼片式I形諧振器的無(wú)芯片雙極化標(biāo)簽,具有完全可印制、結(jié)構(gòu)緊湊和編碼容量大的優(yōu)勢(shì),適用于讀取方向固定和數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用領(lǐng)域。標(biāo)簽整體尺寸僅為22.48 mm×22.48 mm×0.5 mm,根據(jù)半波偶極子諧振器的極化特性,在兩個(gè)正交極化的平面波激勵(lì)下,水平極化和垂直極化的諧振器可分別編碼不同的比特位,則相較于其他的基于頻域編碼的標(biāo)簽,該標(biāo)簽在固定的有限頻帶內(nèi)編碼容量加倍了。就其編碼容量而言,雖然本文中設(shè)計(jì)的標(biāo)簽只編碼了18位,但通過調(diào)整諧振器的寬度W1和諧振器之間的間隙寬度s,更高的編碼容量在相同的面積內(nèi)也能夠?qū)崿F(xiàn)。仿真結(jié)果得到的RCS頻譜曲線與標(biāo)簽結(jié)構(gòu)是對(duì)應(yīng)的,表明標(biāo)簽是可行的,后期需要進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)簽結(jié)構(gòu),并進(jìn)行實(shí)物制作和實(shí)際測(cè)量,比較仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果是否吻合。

文章分類: 知識(shí)問答
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