许莉娜， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

空间角度编码的无芯片射频识别缝隙标签的设计

许莉娜， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

摘要:本文提出了两种新型的基于空间角度编码的无芯片(Radio Frequency Identification, RFID)缝隙标签. 标签利用金属平面上条形缝隙与水平极化方向的夹角进行编码. 通过检测水平和垂直两个极化方向上的反向散射电场实现对标签角度信息的识别. 结果表明： 线形缝隙标签的角度识别误差均小于2°， V形缝隙标签的角度识别误差均小于3°， 编码容量均可达4 bit. 标签结构简单， 制作成本低； 工作时占用频带窄， 大大提高了频谱利用率.

关键词:射频识别缝隙； 无芯片标签； 角度编码

0引言

射频识别(Radio Frequency Identification， RFID)是一种自动识别技术， 它利用射频信号获取数据完成对目标对象的自动识别. 由于芯片的昂贵价格制约了RFID技术的广泛应用， 于是无芯片RFID技术应运而生.

目前， 常用的无芯片RFID标签的编码方法有3种： 时域编码、 频域编码、 幅度/相位编码. 文献[1]设计了一种工作在2.4 GHz的SAW(Surface Acoustic Wave)时域编码标签； 文献[2]设计了一种基于相位编码的无芯片标签， 改变所加载开路传输线的长度可改变谐振频率的相位， 从而实现了相位编码； 文献[3]提出一种基于阶跃阻抗谐振器的无芯片标签， 利用谐振器的基频和一次谐波实现2 bit的编码信息， 所以N个阶跃阻抗谐振器可实现22N bit； 文献[4]利用水平极化缝隙和垂直极化缝隙进行编码， 设计出一种双极化无芯片标签； 文献[5]提出一种利用U形缝隙谐振器编码的无芯片标签， 实现了20 bit的编码容量； 文献[6]提出一种基于环形谐振器的无芯片标签， 由于开缝之后的环形谐振器对入射波的极化角度敏感， 所以可以用来检测标签的旋转角度； 文献[7]中提出了基于空间角信息编码的V形贴片无芯片射频识别标签. 当平面波垂直入射标签时， 各种角度编码的标签都能够被准确识别， 编码容量均可达4 bit.

本文对线形和V形无芯片RFID缝隙标签的散射场进行了研究， 通过标签的反向散射电场的水平和垂直分量实现对标签角度信息的识别. 在此基础上， 利用缝隙与水平极化方向的夹角进行编码， 编码容量均可达4 bit. 线形缝隙标签的角度识别误差均小于2°， V形缝隙标签的角度识别误差均小于3°.

1线形缝隙标签的设计

图 1　线形缝隙标签的结构图Fig.1　The structure of the linear-shape slot chipless tag

本文所设计的线形缝隙标签结构如图 1 所示， 标签包括一层介质板， 一层接地板. 所用介质基板材料为Rogers 4350， 相对介电常数εr为3.48， 尺寸为80×80×0.8 mm3. 在接地板的中心位置刻蚀尺寸为48×1 mm2的条形缝隙， 与水平极化方向的夹角为θ， 该角度用来编码信息.

用水平极化平面波沿着z方向对线形缝隙标签进行激励. 由于条形缝隙为理想缝隙， 而理想缝隙中只存在切向的电场强度， 且电场强度垂直于缝隙的长边， 并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布， 所以可以通过缝隙的电场分布得到电场分量与角度θ的关系. 以90°线形缝隙标签作为标准标签， 假设线形缝隙标签的反向散射电场在x和y方向上的分量分别为Ex和Ey， 根据标签电场分布可得， 缝隙中的电场E⊥=Eicos(θ-90°)， 入射场强Ei=Ex0-90°-Ex-90°， 所以有

(1)

(2)

式中： 以接地板不开缝隙的标签作为参考标签，Ex0是参考标签在对应θ角度线形标签的谐振点f处的散射电场值，Ex-90°是标准标签所产生的散射电场水平分量. 联立式(1)和式(2)， 即可得到标签的识别角度

(3)

图 2　不开缝隙标签的散射电场分量Fig.2　Component of the scattering electric fields for no-slot tag

用CST 2011仿真标签的散射电场， 结果如图 2， 图 3 所示. 图 2 给出了不开缝隙标签的散射电场分量， 可以看出随着f的增大，Ey值基本不变，Ex值逐渐增大； 图 3 给出了不同编码角度线形标签的散射电场， 其中Ex-120°表示120° 标签的后向散射电场的x方向分量，Ey-50°表示50° 标签的后向散射电场的y方向分量， 其他标注的含义与此类似. 从图3中可以看出， 50° 编码标签谐振频率点2.33 GHz处的散射电场值Ey-50°=28.95 mV/m，Ex-50°=31.85 mV/m，Ex0-50°=66.21 mV/m， 由式(3)得50° 编码标签的识别结果是θ=49.88°. 另外，Ey-120°=25.02 mV/m，Ex-120°= 21.78 mV/m，Ex0-120°= 66.24 mV/m，Ey-20°= 17.9 mV/m，Ex-20°=60.4 mV/m，Ex0-20°=66.36 mV/m，Ey-100°=8.95 mV/m，Ex-100°=10.41 mV/m，Ex0-100°=66.45 mV/m， 代入式(3)得这3个标签的识别结果分别为119.4°, 18.4°, 99.08°.

图 3　θ 为不同值时的散射电场分量Fig.3　Component of the scattering electric fields for different θ

根据标签工作时频谱的分布情况， 选择θ=10°～160°， 间隔为10° 的16个角度来编码地址信息， 每个单元可以实现4 bit信息的编码， 对应4 b的地址信息. 将标签在工作频率处的电场值代入式(3)， 结果见表 1. 由表 1 可知， 角度的识别误差均小于2°， 所有的地址都能够被正确识别.

表 1　线形缝隙标签的识别结果

图 4　V型缝隙标签的结构图Fig.4　The structure of the V-shape slot chipless tag

2V形缝隙标签的设计

在线形缝隙标签可准确识别的基础上， 将线形缝隙标签结构中的条形缝隙改成“V形”. 如图 4 所示， V形结构中两臂的尺寸相等， 均为24×1 mm2. 固定臂A沿水平方向放置， 两臂之间的夹角θ用来编码数据.

以90° V形缝隙标签作为标准标签， 臂A在水平方向上的散射电场分量为Ex0-90°-Ex-90°， 臂B周围散射电场在水平方向上的分量为(Ex0-90°-Ex-90°)cos(180°-θ)， 在垂直方向上的分量为(Ex0-90°-Ex-90°)sin(180°-θ). 则总的水平散射电场

(4)

垂直方向上的散射电场

(5)

水平方向与垂直方向上散射电场的比值为

(6)

图 5 给出θ为不同值时的散射电场分量. 可以看出， 120° 编码标签谐振频率点2.43 GHz处的散射电场值Ey-120°=23.3 mV/m，Ex-120°= 53.32 mV/m，Ex0-120°=66.72 mV/m， 由式(6)得120° 编码标签的识别结果是θ=120.2°. 另外，Ey-60°=19.11 mV/m，Ex-60°=34.73 mV/m，Ex0-60°=67.3 mV/m，Ey-150°=13.78 mV/m，Ex-150°=63.11 mV/m，Ex0-150°=66.55 mV/m， 代入式(6)得这两个标签的识别结果分别为60.8°, 151.9°.

图 5　θ 为不同值时的散射电场分量Fig.5　Component of the scattering electric fields for different θ

根据标签工作时频谱的分布情况， 选择θ=0°～180°， 间隔为10° 的16个角度来编码地址信息， 每个单元可以实现4 bit信息的编码， 对应4 b的地址信息. 将标签在工作频率处的电场值代入式(6)， 结果见表 2. 由表 2 可知， 角度的识别误差均小于3°， 所有的地址都能够被正确识别.

表 2　V形缝隙标签的识别结果

3结论

本文提出了两种新型的基于空间角度信息编码的无芯片缝隙标签. 标签既包含要检测的角度信息， 同时也携带了其地址信息， 可应用于物联网. 通过检测反向散射电场的水平和垂直分量， 同时实现对标签角度信息和地址信息的识别. 标签编码容量均可达4 bit. 线形缝隙标签的角度识别误差均小于2°， V形缝隙标签的角度识别误差均小于3°. 标签结构简单， 制作成本低； 编码容量高， 不同编码标签占用相同频谱， 且工作时占用频带窄， 大大提高了频谱利用率， 从而降低整个射频识别系统的成本.

参考文献：

[1]Harma S, Plessky V P, Hartmann C S, et al. Z-path SAW RFID tag[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2008, 55(1): 208-213.

[2]Balbin I, Karmakar N C. Phase-encoded chipless RFID transponder for large-Scale low-cost applications[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2009, 19(8): 509-511.

[3]Nijas C M, Vinesh P V, Sujith R, et al. Low-cost multiple-bit encoded chipless RFID tag using stepped impedance resonator[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(9): 4762-4770.

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[5]Polivka M, Svanda M, Machac J. Chipless RFID tag with an improved RCS response[C]. Proceedings of the 44th European Microwave Conference, 2014: 770-773.

[6]Vena A, Perret E, Tedjini S. A compact chipless RFID tag using polarization diversity for encoding and sensing[C]. IEEE International Conference on RFID, 2012: 191-197.

[7]Yan Liyun, Zhang Wenmei, Ma Runbo, et al. Chipless RFID tag based on space angle information[J]. IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications (IMWS-BIO), 2013: 1-3.

The Design of Angle-Encoding Chipless RFID Slot Tag

XU Lina, ZHANG Wenmei

(College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:Two novel chipless RFID slot tags were presented in this paper, the tags encode data using the space angle between strip-type slot and the horizontal polarization direction. Tags are identified by measuring the scattered field in the horizontal and vertical polarization directions. The simulation results show that the identification errors of the linear-shape and V-shape slot tag are less than 2° and 3°, and the coding capacity can reach 4 bit. Furthermore, the proposed tags have simple structure, low cost and narrow operating frequency band, which greatly saving frequency spectrum resources.

Key words:RFID slot; chipless tag; angle-encoding

文章编号:1671-7449(2016)03-0236-05

收稿日期:2015-11-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61271160)； 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20121401110009)； 山西省青年科技基金资助项目(2014021021-1)

作者简介：许莉娜(1991-)， 女， 硕士生， 主要从事射频识别研究.

通信作者：张文梅(1969-)， 女， 教授， 博导， 主要人事微波集成电路、 天线等研究.

中图分类号:TN926

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.010