关于一种新型的无芯片RFID双极化标签设计

0 引言

射频识别（radio frequency identification，RFID）是一种利用电磁波来识别特定目标并读取相关数据的自动识别技术[1]。射频识别标签相对于目前的光学条形码而言，具有阅读距离长、非视距读写、自动识别与跟踪的特点，具有广阔的应用前景[2]。然而传统的有芯片射频识别标签相较于条形码而言，因成本较高无法使射频识别技术获得广泛的市场应用，所以必须降低标签的成本。目前国内外研究焦点在于可印制的无芯射频标签上，该类标签既不需要芯片存储数据，又减少了芯片与接收天线之间装配成本，相比传统标签，不但效率高且价格大幅降低[3]。

文献[4-8]提出了一种基于时域、频域和相位编码技术的可打印无芯片RFID标签。其中，基于频域的标签相比于基于时域或相位的标签具有更高的数据密度且更容易实现小型化[9]。学者Jalaly提出具有带通和带阻效应的微带偶极子谐振体阵列作为射频条形码标签[10]，通过改变谐振体结构来改变谐振频率，观察特定频率点上谐振的有无进行数据编码。文献[11]提出了一种“U”形槽加载的可印制双极化无芯标签，并通过一对双极化阅读器天线使其编码效率显著提高。

本文提出了一种单面紧凑、可完全印制的无芯片RFID双极化标签的设计。该标签利用具有相同谐振频率且极化方向正交的“I”形贴片型半波偶极子谐振器，在双极化平面波激励下，同样的固定频带内被使用两次，从而使编码容量加倍，具有18位编码容量。该标签具有容量大、尺寸小、结构稳定等特点，适用于数据量大、对方向敏感，阅读方向固定的应用。

1 RFID标签基本工作原理

1.1 半波偶极子谐振体的极化特性

长度为L、宽度为W的半波偶极子谐振体加载在厚度为h的基板上，则谐振体的谐振频率f与其自身长度L的关系如下[12]：

式(1)中，c为光速，εr为介质基板的相对介电常数。可知当一个半波长偶极子谐振体加载在基板上，其谐振频率是谐振体长度的函数。

不同长度的“I”形谐振体放置在基板上会产生不同的频率特征，每一个频率特征可编码1 B数据，并且对于“I”形谐振体，只有在与它相同极化方向的平面波激励下才能工作，在与它正交极化的平面波激励下不工作。例如使用FEKO仿真软件对一个加载在Taconic TLX-8基板(介电常数εr=2.55，损耗角正切tanδ=0.001 9，厚度h=0.5 mm)上长度L=27 mm的半波偶极子谐振器，设置极化方式为线极化，入射波为平面波，在θ=0°，=0°，η=0°或90°位置处进行照射，其中θ，决定入射波方向，η表示入射波的极化角度，即这里是分别采用水平极化(η=0°)或垂直极化(η=90°)平面波对其进行垂直照射，在1~10 GHz的超宽带范围内进行远场求解，在观察角度θ1=0°，1=0°(为默认观察角度)进行观察，仿真得到其RCS幅频特性曲线如图1、图2所示，其中Ht、Hr分别表示水平极化的阅读器发送天线和接收天线，用来发送和接收激励波；Vt、Vr分别表示垂直极化的阅读器发送天线和接收天线，用来发送和接收激励波。当用同极化的平面波垂直照射谐振器时，从其RCS幅频特性曲线中可以看到，在偶极子谐振频率点时，有明显的波峰出现；当用交叉极化的平面波垂直照射半波偶极子谐振器时，其RCS幅频特性曲线在谐振频率点上没有明显的频率特征出现，即谐振器只在相同极化的平面波激励下起振，而在正交极化平面波激励下不起振，验证了半波偶极子谐振器单极化特性。

1.2 基于导体自然谐振的无芯片标签

由于场在空间相互抵消作用会产生一个反谐振，反谐振与激励波的入射和极化方向有关[13-14]。谐振器的内在结构特性决定了在其频谱上有一个谐振的波峰与反谐振的波谷，利用这个波峰或波谷可以对数据进行编码，并通过改变标签物理结构参数，编码信息也随之改变，并通过改变谐振器的长度来调节谐振频率[15]。

本文所设计的无芯标签，主要是利用谐振体的单极化特性，由不同长度且交叉极化的“I”形镜像对成型谐振器阵列，印刷在基板上构成。通过极化复用并利用一对交叉极化的阅读器天线发送电磁波激励标签，使该标签在固定的超宽带频段内容纳的数据位数提高了1倍。如图3所示为双极化无芯片标签的原理图。

2 无芯片标签结构设计

本文设计的无芯片标签的结构如图4所示，标签结构参数如表1所示。其中N个垂直极化的谐振体呈镜像对称排列在介质基板的上下两端，M个水平极化的谐振体呈镜像对称排列在介质基板的左右两端，为保证设计简化以及方便加工，每个谐振器的宽度相同，相互间隙保持一致。为增加谐振频率点上的波谷深度，使频率特征明显，增加编码可靠性，水平和垂直极化的谐振体阵列被重复设置。基板材料采用Taconic TLX-8基板（介电常数εr=2.55，损耗角正切tanδ=0.001 9），标签整体尺寸为22.48×22.48×0.5 mm3，可实现18 B的数据容量。

3 无芯片标签的仿真与编码分析

在该无芯片标签中除去长度最短的谐振体为虚拟放置不用于编码，剩余的按照谐振体长度从大到小的顺序设置谐振体的序号为1~9，则序号1~9的谐振体对应的谐振频率从小到大，通过式(1)计算与仿真分别得到的不同谐振体对应谐振频率如表2所示，由于噪声、耦合作用等干扰，存在一定误差，但基本一致，表明公式的正确性。这里谐振体长度被优化到以确保它们的谐振频率均在6~14 GHz频率范围内便于以后的实验测量以及得到9个较深的波谷。长度最大的谐振体其谐振频率最低，用来编码最高位；长度最小的谐振体其谐振频率最高，用来编码最低位。每一个谐振频率在频谱上都有一个波峰和波谷，其中波谷被用于编码1位数据。本文设计的18 bit的无芯双极化标签结构的仿真模型如图5所示。

9个垂直极化(V)谐振体在垂直极化的平面波激励下产生9个波谷，可代表垂直极化身份识别(Identification，ID)为“V-111111111”，9个水平极化（H）谐振体在水平极化平面波激励下产生9个波谷，可代表水平极化ID为“H-111111111”，因此，这个18 B的双极化标签的完整ID可表示为“V-111111111+H-111111111”，对应的标签结构及其仿真结果如图6(a)与图6(b)所示。由图5、图6和图7所示的三个标签结构及其对应的仿真结果可证明，这18个波谷中任一个均可以在不改变其他波谷存在与否的情况下通过移除相对应的谐振体，使其代表的比特“1”变化为比特“0”。

其中，图7所示的标签中序号分别为2、4、6和8的4个水平极化谐振器被移除，则其仿真结果图7(b)中显示仅有在水平极化平面波激励下的第2、4、6和8的波谷消失，其他的所有波谷均没有因为这4个谐振器的移除而发生明显改变，从而这18 bit的双极化标签可以标识目标物体的ID为“V-111111111+H-101010101”。

在图8所示的标签中序号为2、4、6和8的垂直极化谐振器和序号为3、5、7和9的水平极化谐振器被移除，则从其仿真结果图8(b)中可看到与其相对应的垂直极化平面波激励下的第2、4、6和8的波谷与水平极化平面波激励下的第3、5、7和9的波谷均消失，该标签可表示的ID为“V-101010101+H-110101010”。

类似的，在图9(a)所示的标签中序号为3、5、6和8的垂直极化谐振器和序号为2、4、6和8的水平极化谐振器被移除，则由仿真结果图9(b)可知相对应的垂直极化平面波激励下的第3、5、6和8的波谷与水平极化平面波激励下的第2、4、6和8的波谷消失，该标签表示的ID为“V-110100101+H-101010101”。从这4个可分别表征不同比特组合的ID的双极化标签的仿真结果中可知，在两个正交极化的平面波激励下，具有相同谐振频率的谐振体可以被使用两次，从而使标签在双极化方式下在固定的频率带宽内编码容量双倍增加了。

4 结论

本文中提出的在介质基板上加载贴片式I形谐振器的无芯片双极化标签，具有完全可印制、结构紧凑和编码容量大的优势，适用于读取方向固定和数据量大的应用领域。标签整体尺寸仅为22.48 mm×22.48 mm×0.5 mm，根据半波偶极子谐振器的极化特性，在两个正交极化的平面波激励下，水平极化和垂直极化的谐振器可分别编码不同的比特位，则相较于其他的基于频域编码的标签，该标签在固定的有限频带内编码容量加倍了。就其编码容量而言，虽然本文中设计的标签只编码了18位，但通过调整谐振器的宽度W1和谐振器之间的间隙宽度s，更高的编码容量在相同的面积内也能够实现。仿真结果得到的RCS频谱曲线与标签结构是对应的，表明标签是可行的，后期需要进一步优化标签结构，并进行实物制作和实际测量，比较仿真结果与实际测量结果是否吻合。