基于极化变换谐振器的远距无芯片RFID湿度传感器设计

高 伟，马润波

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

射频识别(RFID)技术在物联网应用中发挥着至关重要的作用[1]. 无芯片RFID传感器不需电池供电，直接从阅读器的电磁场中提取能量. 与传统传感器相比，无芯片RFID传感器具有低成本、工作寿命长等优点[2,3]. 文献[4]介绍了多种无芯片RFID传感器，如湿度、温度、压力及PH传感器等.

无芯片标签仅靠反射阅读器发射来的电磁波传输数据，反射信号能量很弱，传输距离较短. 因此，远距离RFID标签成为当下一个研究热点. 文献[5]标签的基本单元是在三角形金属贴片上刻蚀一组三角形槽，由6个基本结构组成阵列实现远距离检测的设计. 结果表明，与单个贴片相比，阵列的接收信号水平增加了3 dB～13 dB左右. 文献[6]设计了一种基于“I”形贴片谐振器的无芯片RFID标签，在水平和垂直方向上重复设置使得RCS响应幅值显著提高. 文献[7]利用周期阵列结构来提高无芯片RFID标签RCS响应. 仿真表明，通过增加单元数量，可以同时提高RCS和标签响应Q值. 此外，实际环境中标签的响应容易受周围环境杂波的干扰. 为了实现更高的检测能力，设计具有较强环境适应力的标签非常有必要. 在线极化电磁波激励下，文献[8]介绍了一种无芯片RFID标签的工作原理，发射天线发射垂直或水平的极化信号，接收天线接收极化方向与发射正交的信号. 文献[9]利用圆极化电磁波增强无芯片RFID标签的可读性，该阅读器产生一个右旋圆极化(RHP)电磁信号，具有极化变换特性的标签使得其以右旋圆极化来散射信号，而背景中物体则将散射左旋圆极化(LHP)信号. 文献[10]提出了一种类似方环形谐振器的极化变换标签，提高了在现实环境中检测的可靠性. 文献[11]介绍了一种湿度传感器，利用敏感材料PVA (Polyvinyl Alcohol)[12]实现湿度传感.

用于湿度传感的极化变换无芯片RFID标签工作原理如图 1 所示. 阅读器通过发射天线Tx发射水平极化的宽带脉冲信号激励目标传感器，传感器标签和周围环境中的物体都会对此水平极化波产生反射. 环境产生的反射波极化方向一般不会发生改变，但具有极化变换特性的传感器标签可以使水平入射波变换为垂直极化散射波，因此，垂直接收天线Rx接收到的信号主要来自传感器标签的后向散射的垂直极化信号，对环境杂波具有抑制作用.

图 1 无芯片RFID传感器的工作原理Fig.1 Working principle of the chipless RFID sensor

本文设计了一种具有极化变换特性的无芯片RFID标签，用于远距离湿度传感. 编码单元利用交叉极化技术克服了无芯片RFID系统的可读性和鲁棒性问题，传感单元的设计具有传感谐振器频移与相对湿度变化的确定关系. 此外，最终设计采用了标签阵列结构，可显著提高雷达散射截面(RCS)，有利于实现远距离传感.

1 无芯片RFID湿度传感器设计

如图 2 所示，本文提出的湿度传感器标签设计在双面覆铜FR-4基板上，基板厚度为0.8 mm，相对介电常数为4.3.

(a) 侧视图

(b) 顶视图图 2 无芯片RFID传感器标签结构Fig.2 Chipless RFID sensor tag structure

顶层覆铜蚀刻标签的各谐振器，包含传感谐振器和编码谐振器，底层金属作为接地板. 传感谐振器位于标签中心区域，是长为lr，宽为wr的双螺旋金属条带，其中螺旋线宽为ws，螺旋线间隙为gs. 如图2(b)所示，编码谐振器由位于传感谐振器四周的4组弯曲哑铃形条带构成，对角组两两相同，每组编码谐振器包含2个不同谐振频率的条带，这种排布有助于提高谐振器的RCS. 整个编码谐振器共包含4种不同谐振频率的条带，分别标识为ID1～ ID4，因此，编码谐振器可以承载4位二进制编码. 将具有吸水性的湿度敏感材料PVA(Polyvinyl Alcohol)附着在传感谐振器上，当PVA所处环境湿度变化时，会具有不同的介电常数，从而影响传感谐振器的谐振频率. 无芯片RFID传感器标签的具体参数如表 1 所示，整个标签尺寸为25 mm×25 mm×0.9 mm.

为了验证设计的合理性，利用CST微波仿真软件对所设计的湿度传感器进行建模和仿真. 仿真模型如图 3，在传感器标签正前方100 mm处，采用水平极化平面波激励标签并设置RCS探针来检测标签的后向散射信号.图 4 给出了极化变换后垂直极化响应的RCS，可以看出在4 GHz～7.5 GHz的频率范围内有5个明显的谐振峰，前 4个谐振峰由编码谐振器ID1～ID4产生，第5个谐振峰由传感谐振器产生.

表 1 无芯片RFID传感器结构参数Tab.1 Chipless RFID sensor structure parameters

图 3 线极化平面波激励标签时的仿真模型

图 4 无芯片RFID传感器的RCS响应

为观察各谐振器工作情况，图 5 给出了传感器标签在不同频率下的表面电流分布情况. 从图 5(a)～5(d)可以看出，在 4.92 GHz, 5.40 GHz, 5.83 GHz, 6.30 GHz频率下，最强电流分别集中在长度相同的一对对角弯曲哑铃形谐振器表面. 从图5(e)可以看出，在6.94 GHz下，最强电流集中在双螺旋谐振器上. 可见各谐振器在特定频率点处都表现出很强的电流，从而证实了各谐振频率是由对应谐振器产生.

2 无芯片RFID湿度传感器性能分析

2.1 交叉极化编码分析

用于识别传感器标签的编码信息储存于编码谐振器中，频域编码通常是利用不同长度的谐振器产生与其对应的谐振频率来实现. 普通条带谐振器产生的谐振频率可近似用式(1)来表征

(1)

式中：c为光速；εr为介质基板的相对介电常数；L为谐振器的有效长度. 由式(1)可知，介质基板选定后，谐振器的谐振频率取决于其长度. 由于本文设计的编码谐振器是通过在弯曲偶极子两端加载电容性结构得到的弯曲哑铃形条带，该谐振器有利于缩短弯曲偶极子的物理长度并减小谐振器之间的耦合. 因此，相邻谐振器可以放置得更近，使得传感器标签的总体尺寸明显减小.

本文采用RCS的交叉极化分量对传感器标签进行编码，通过改变弯曲哑铃形条带的数目来获得标签的不同编码状态. 如图 5 所示，每组弯曲哑铃形条带对应1个谐振频率，当编码谐振器存在时，相应频率交叉极化RCS响应表现出峰值，记为逻辑“1”； 当编码谐振器缺失时，相应交叉极化RCS的谐振峰消失，记为逻辑“0”. 对应图 6 中4个示例标签的RCS如图 7 所示，以标签(c)为例，当移除条带ID3时，对应第3个谐振点消失，编码为“1101”. 由图 7 可以看到，移除条带后对其它编码位“1”的谐振频率产生了微小影响，但在可正确解码的接受范围之内.

图 6 四种不同编码的标签Fig.6 Chipless RFID sensor tags with four different codes

图 7 交叉极化编码结果Fig.7 Cross-polarization encoding simulation results

此外，将标签放置在金属结构上，验证了交叉极化编码的鲁棒性. 在线极化平面波入射角度和极化角度均不变的情况下，将标签(a)分别放置在尺寸为60 mm×60 mm，100 mm×100 mm，300 mm×300 mm的金属结构上，其主极化响应和交叉极化响应如图 8 所示. 从曲线可知，金属结构的增加会掩盖主极化响应的编码信息，但对交叉极化响应没有影响. 因此，采用交叉极化编码的传感器标签具有编码稳定性强和抗金属的特性.

图 8 传感器标签的抗金属特性Fig.8 RCS response of tag placed on MS of different sizes

2.2 湿度传感性能分析

传感器检测到的环境湿度信息由传感单元来反映，本文设计的湿度传感单元为双螺旋谐振器，该结构可等效为LC谐振电路模型，当受到电磁波激励时，螺旋谐振器表面会产生感应电流，螺旋线上会有分布电容和分布电感产生，双螺旋条带的谐振频率

(2)

式中：Cr为分布电容与寄生电容之和；Lr为分布电感.由此可知，在保证Lr不变的情况下，只调节螺旋线间隙的结构参数就可以改变双螺旋条带的谐振频率. 本文通过改变PVA的介电常数可以改变谐振器的等效电容，使其谐振频率发生偏移，实现湿度传感功能.

在传感器标签尺寸确定后，通过调整结构参数对传感单元的工作频率进行微调，直到满足谐振明显且有较高幅值的设计要求为止.图 9 给出了螺旋线间隙gs对传感单元谐振频率的影响.可以看出： 当gs逐渐增大时，传感单元谐振频率向高频移动且幅值逐渐降低. 综合考虑传感器标签的工作频带和RCS幅值，最终优化得到双螺旋谐振器的参数为lr=7.45 mm，wr=7.9 mm，ws=0.3 mm，gs=0.3 mm.

图 9 gs对传感单元谐振的影响Fig.9 Effect of gs on resonance of sensor unit

仅考虑恒温25 ℃条件下的情况，根据文献[13]中给出的数据，湿度变化范围为50%RH～90%RH时，PVA的介电常数与相对湿度关系可拟合为εr=1.6+0.023 4RH(%). 据此本文通过改变PVA介电常数来模拟恒温条件下环境湿度变化时的传感性能. 对PVA建模并将其厚度设置为0.18 mm，介电常数范围设置为2.77～3.71(50%RH～90%RH)，仿真结果如图 10 所示.

图 10 不同湿度下的RCS响应Fig.10 RCS response of the sensor at different humidity

图 11 传感器的灵敏度拟合曲线Fig.11 The sensitivity fitting curve of the sensor

随着湿度的增加，PVA介电常数增大，传感单元的谐振频率降低，频移总量可达84 MHz.图 11 给出了传感器频率随湿度变化的数据，以及灵敏度线性拟合曲线，可见该传感器标签实现了灵敏度为2.1 MHz/%RH的湿度传感性能.

3 远距离设计与分析

无芯片RFID传感器标签的传感距离与后向散射信号的大小和接收机的灵敏度直接相关. 在给定传输功率下，可感知到传感器标签的阅读距离由雷达方程表征为

(3)

式中：PT为传输功率；λ为波长；GT、GR为阅读器天线的增益；Pmin为接收机灵敏度，即能够检测到的最小功率；σcross为传感器标签交叉极化RCS响应.

图 12 3×3无芯片RFID传感器标签阵列结构Fig.12 3×3 chipless RFID sensor tag array structures

传感器标签阵列设计通过增加单元数量来增加交叉极化RCS响应，而不影响其谐振特性. 本文以图6(a)为单元周期结构，重复周期为25 mm，设计了2×2、3×3无芯片RFID传感器标签阵列. 分别对2种传感器标签阵列建模，得到如图 13 所示的交叉极化RCS响应结果.

图 13 各阵列标签的RCS响应比较Fig.13 Comparison of RCS response of different arrays

可以看到，两种传感器标签阵列的RCS响应分别比单元结构增加了约8.3 dB和15.7 dB，这有助于提高传感器的阅读距离. 尽管单元之间的耦合使谐振频率产生了少许偏移，但所有谐振峰还是明显且相对稳定的，具有较好的可鉴别性，可以从中获取标签的编码和传感信息.

4 实测结果

无芯片RFID传感器的实测装置如图 14 所示，是由温湿度控制装置、2个超宽带喇叭天线以及矢量网络分析仪(Keysight N5222A)组成. 2个喇叭天线相互正交放置并与矢量网络分析仪相连作为阅读器收发天线，与端口1相连的喇叭天线发射0 dBm传输信号至传感器标签，与端口2相连的喇叭天线接收标签的反射信号. 温湿度控制装置是由温湿度控制器、超声波雾化器、陶瓷加热板和泡沫保温盒组成.

图 14 实测装置Fig.14 Experimental setup

将如图 15 所示加工好的传感器标签放置在天线正前方的泡沫箱内进行测试.

图 15 3×3传感器标签阵列实物Fig.15 Photo of fabricated 3×3 sensor tag array

对涂覆PVA的3×3传感器阵列进行湿度传感测试. 通过设置温湿度控制器使保温盒内的温度维持在25 ℃，相对湿度从50%增加至90%，每增加10%，超声波雾化器停止工作10 min以确保PVA充分吸收水分.图 16 为在不同湿度环境下 3×3 湿度传感器阵列的测试结果. 由图可知，传感器阵列在5.2 GHz～7.5 GHz的频率范围内有明显的5个谐振峰，与仿真结果相比，实测的谐振频率整体向右移动了0.5 GHz，这是由介质板介电常数偏差及加工误差所引起的. 相对湿度从50%增加到90%的过程中，明显可见编码单元的谐振频率基本保持不变，但传感单元的谐振频率从 7.33 GHz 降低至 7.18 GHz，频移量为150 MHz，实际灵敏度约为3.7 MHz/%RH，与仿真结果相比灵敏度提高. 这是由于实际涂抹的PVA在干燥成型后比仿真中的厚度更厚，也证实了PVA对湿度敏感的特性.

图 16 不同湿度下3×3传感器阵列的实测结果Fig.16 |△S21| of the 3×3 sensor array at different humidity

根据式(4)和式(5)计算3×3标签的RCS，以便使用雷达方程估计标签的读取范围.

(4)

(5)

式中：σTag为标签的RCS；σref为与标签相同尺寸金属板的RCS；a、b为金属板的长和宽.

实测中采用与文献[14]增益接近的喇叭天线进行测试，其增益为GT=GR=15.3 dB，接收机灵敏度为Pmin=-70 dBm. 通过计算本文所设计的3×3阵列传感器标签可实测的距离为1.4 m，与文献[14]采用交叉极化编码的RFID标签阵列(3×3)实现的0.77 m距离相比，本文在增加传感功能的情况下仍保持了较远的阅读距离.

5 结 论

本文设计了一种具有湿度传感功能的极化变换无芯片RFID标签. 采用交叉极化编码和介电常数传感方案，实现了4 Bit编码数据和实测灵敏度约3.7 MHz/%RH的识别和湿度传感功能. 此外，本文设计的传感器标签阵列实现了RCS响应幅值的提高，实验结果验证了该传感器远距离工作的可靠性与可行性. 相比于现有的无芯片RFID传感器，该标签具有1.4 m的远距离传感潜力，具有较好的实用性.