可完全印刷的无芯片RFID标签设计

贾 胤，邹传云

(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)技术是一种利用无线电磁波进行目标识别的技术。该技术通过反向散射信号，自动识别目标对象并获取数据，在物联网技术的应用中发挥着重要作用[1]。近年来，射频识别技术的应用已经越来越广泛。该技术实现了物流管理、 身份识别、货物追踪、空间定位和交通收费等功能[2]。射频识别系统通常由标签、阅读器和连接阅读器的主机组成[3]。传统的RFID标签中存在射频集成电路(radio frequency integrated circuit，RFIC)，其价格昂贵，不适用于大规模、低成本的应用环境。

无芯片RFID标签既不需要射频集成电路,又不含有专用电源，是一种经济、实惠的替代品，广受国内外研究者的青睐。无芯片RFID标签因自身的众多优势，有望替代当前广泛使用的条形码，用于远距离阅读、非可视阅读、自动识别和追踪。无芯片RFID标签按照编码方式，主要分为基于时域、频域、相位和图像编码。一个基于时域的、可打印在纸基上的无芯片RFID标签[4]，每一个比特的编码都通过添加一个分流电容器到微带线，标签的体积随编码容量线性提升。另一个基于时域编码的表面声波(surface acoustic wave，SAW)标签能在一张信用卡的尺寸内(85.6 mm×53.98 mm)达到64 bit的编码容量[5]。但是这种标签需要使用价格昂贵的压电基片，并且要采用亚微米光刻工艺制造，使标签成本接近传统标签。目前，基于相位编码的无芯片标签由于受到相位分辨率的限制，不能达到大容量编码的要求[6]；基于图像编码的无芯片RFID标签仍处于试验阶段，且需要昂贵的亚微米印刷技术，因此并不实用。基于频域编码的无芯片RFID标签使用简单的辐射结构，可将数据转化为唯一的电磁签名(electromagnetic signature,EMS)。其数据密度比时域标签更高。然而，因为增加了额外的谐振器,标签的尺寸同样随编码容量的提升而线性增加。目前，研究者们致力于在可使用的频谱上提升无芯片RFID标签的编码容量，并实现小型化[7-8]。

本文提出了一种可完全印刷的缝隙开槽无芯片RFID标签。该标签采用I型谐振器作为散射单元，通过测量反向散射电场的雷达散射截面(radar cross section,RCS)实现对标签的识别。该标签仅有一个导电层，可使用3D打印技术实现批量生产[9-10]。由于标签同时采用了二进制启闭键控(on/off keying，OOK)和脉冲位置调制(pulse-position modulation，PPM)2种编码方式，因此可以在较窄的频带内实现大容量编码，大幅提高了频谱利用率。

1 基本原理

频率选择表面(frequency selective surface，FSS)是由大量相同单元按照一定规律排列组成的单层或多层结构，其自身并不吸收能量，特性随入射波的频率而变化。当特定频带的入射波照射时，产生全反射(贴片型)或全透射(缝隙型)。这种频率选择特性取决于谐振单元的排列方式、结构尺寸和加载的介质。为了让标签具有广泛的适用性，本文设计的无芯片RFID标签采用了缝隙结构，无需使用接地板。在实际应用中，只需根据介质参数调整缝隙结构，在介质板上有规律地蚀刻出一些缝隙。根据天线基本原理，当偶极子的长度为半波长的整数倍时，天线将会产生谐振，在平面电磁波的激励下产生感应电流，形成电磁散射。

标签的身份识别(identification,ID)信息存于标签的图形结构中，不同长度的缝隙对应不同的谐振频率。依据缝隙的存在或缺失，在频谱上形成有效的签名，以达到编码的目的。缝隙谐振器的谐振频率可以根据式(1)估算[11]。

(1)

式中：c为光速；εr为介质的相对介电常数。

如果半波谐振器被放置在金属片上，它将根据式(1)给出频率签名。如果有N个不同长度的谐振器，就会产生N个不同的谐振频率。图1是谐振频率为4.8 GHz的单个缝隙的仿真结果。由图1可以看到，4.8 GHz谐振槽的二次谐波不会出现在9.6 GHz，但三次谐波出现在14.4 GHz，已经远离超宽带(ultra wideband，UWB)频带(3.1～10.6 GHz)。因此，在UWB频带内不会形成二次谐波的干扰，确保了本设计的鲁棒性。

图1 单个缝隙的RCS频谱曲线Fig.1 RCS spectrum curve of a single gap

图2是控制缝隙长度分别为18 mm、20 mm、22 mm、24 mm、26 mm时，相对应的RCS频谱曲线。从图2中可以看出，不同缝隙长度的谐振器有不同的谐振频率，可组合成有效的编码。此外，随着缝隙长度的增加，对应的谐振点频率相应减小。

图2 不同长度缝隙的RCS频谱曲线Fig.2 RCS spectrum curves of gaps with different lengths

2 无芯片RFID标签的设计

本文设计的缝隙开槽无芯片RFID标签如图3所示。在介质基板上，采用蚀铜工艺并排蚀刻出一系列有规律的缝隙。不同缝隙长度的偶极子会在特定的频点谐振。基板采用厚度h=1.6 mm、相对介电常数ε=2.45、损耗角正切tanδ=0.001 9的Taconic TLX-0。基板长L=30 mm，宽W=17 mm。缝隙宽Wslot=0.5 mm，从最长到最短的缝隙编号分别为a、b、c、e。为了减小缝隙间的寄生干扰，取缝隙间距d=3 mm,缝隙距离介质边界Ws=3 mm。

图3 无芯片RFID标签设计图Fig.3 Design of chipless RFID tag

图4给出了本文提出的无芯片RFID标签工作原理。标签由阅读器发射天线(Tx)的平面电磁波激发，根据特定谐振器的尺寸，在后向散射信号中形成频谱签名。接收天线(Rx)接收到隐含编码信息的后向散射信号，阅读器记录并提取这个独有的频谱签名，交由主机处理，恢复编码信息。

图4 无芯片RFID标签工作原理图Fig.4 Working principle of chipless RFID tag

表1给出了谐振频率和缝隙长度的关系。

表1 缝隙长度和谐振频率的关系Tab.1 Relationship between gap length and resonant frequency

以缝隙a为例，当La的长度发生变化时，谐振频率也会发生变化，使得谐振发生在以4.0、4.2、4.4为中心频率的200 MHz的频带内。本文结合了OOK和PPM两种编码方式。在这些频带内存在谐振，可分别编码01、10、11。当3个频带均没有检测到谐振，则编码为00。仅用4个谐振器，即可达到8 bit的编码容量。

3 仿真分析

为了验证本设计的可行性，设计了2款不同ID的标签，分别代表11111111和01101100。无芯片RFID标签是通过电磁仿真软件FEKO进行仿真设计的，建模时要把谐振单元设置为理想电导体。激励波以均匀平面波入射到标签表面，可得这2款标签的RCS响应曲线如图5所示。

图5 RCS响应曲线Fig.5 RCS response curves

从图5中可以看到，ID为11111111的标签分别在以4.4 GHz、5.0 GHz、5.6 GHz、6.2 GHz为中心频率的频带内谐振；ID为01101100的标签分别在以4.0 GHz、4.8 GHz、5.6 GHz为中心频率的频带内谐振，且最后一个谐振点消失了，代表编码00。另外，必须注意到，由于偶极子谐振器的相互耦合作用，谐振频率会有一定的偏移，这可以通过简单的信号处理技术克服。这种频率偏移还和标签使用的环境有关。因此，在实际应用中，必须考虑使用环境的影响。

4 结束语

本文设计了由多个缝隙谐振器构成的无芯片RFID标签。这种标签结构紧凑、成本较低、制作简单。由于没有接地板，该设计可以应用于任何物体表面，并能用导电油墨实现完全印刷。它的工作频带为UWB范围的3.9～6.3 GHz。为了增加识别距离，同时满足美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)对能量频谱密度(-41.3 dBm/MHz)

的规定，使用窄带脉冲激励标签。标签的大小为30 mm×17 mm，仅用4个谐振器，即可达到8 bit的编码容量，并且留下了足够的带宽供编码容量扩展。

参考文献:

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