王　芳， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

加封装层的V形无芯片标签的识别

王芳， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

摘要:本文研究了加封装层的V形无芯片标签的散射特性及其识别方法. 考虑了封装层对标签识别的影响， 改进了识别公式； 分别研究了封装层的厚度和介电常数不同时标签的散射场及识别， 并将其与改进前的识别结果进行了对比. 仿真结果表明： 改进后的公式提高了识别精度， 识别误差均在2°以内， 且封装层厚度和介电常数越小识别越准确. 为了验证仿真结果， 对120°封装标签进行了实验测量. 结果表明测量结果与仿真结果相吻合.

关键词:封装层； 无芯片标签； 散射场； 标签角度

射频识别(RFID, Radio Frequency Identification )技术是通过收发无线射频信号进行数据传递的自动识别技术. 为了防止标签结构受外界环境的影响， 于是对其进行封装， 但封装层会对标签的识别产生一定的影响， 于是本文研究了加封装的V形无芯片标签的识别.

无芯片标签的识别是通过分析其反向散射信号的不同特性进行识别的[1,2]. 目前， 有3种不同的方法编码信息运用到无芯片标签的结构中： 时域编码、 频域编码和混合编码[3]. 文献[4]和[5]研究了时域编码的RFID标签， 文献[6]基于时域反射设计了一个可重构的RFID标签. 基于频域特征的无芯片标签利用谐振结构在频谱编码数据， 文献[7]和[8]提出一种对入射波产生多个不同谐振点的频域编码标签. 文献[9]设计的标签包含多个谐振单元的高阻抗表面， 仿真和测量了共面极化和交叉极化两种不同的识别方法， 其中交叉极化探测相对于共面极化缩短了阅读距离， 但优点是不受多路径影响， 而且对金属物体也能正确识别. 文献[10]提出了一种基于3个开口环谐振器的无芯片标签， 且开口方向可配置， 它利用相对于参考谐振环的几何角度进行编码. 对于相同的谐振结构， 通过采用极化分集技术得到不同的谐振模式， 从而可以增加编码容量. 文献[11]从时域和频域两个方面研究了由平面单极子天线构成的标签的后向散射特性.

本文对加封装层的V形无芯片RFID标签的散射场进行了研究， 通过标签的后向散射电场的水平和垂直分量实现对标签的识别. 由于忽略封装层的散射识别误差较大， 所以考虑了封装层的影响， 对识别公式进行了改进， 使得标签的识别误差都在2°范围内. 此外， 还对标签进行了实验测量.

1封装标签的识别原理

图 1　V形无芯片封装标签结构Fig.1　The structure of the V-shape chipless tag with package layer

加封装的V形无芯片标签如图 1 所示， 从上到下依次由封装层、 金属导体结构单元和介质基板组成， 其中介质板材料是Rogers4350， 尺寸为60 mm×32 mm×0.762 mm. 金属导体部分成“V形”， V形结构中的两臂尺寸均为28.7 mm×1.02 mm， 两臂之间的夹角θ用来编码数据.

水平极化波垂直入射加封装层的标签时,设接收到的封装标签水平和垂直方向的反向散射电场分别为Esx和Esy， 根据V形结构的表面电流方向可得

(1)

(2)

式中：E0是两臂成180°时的标准标签所产生的散射电场的一半.

联立式(1)和式(2)， 即可得到标签的识别角度

(3)

若考虑封装层散射对标签识别结果的影响， 则封装标签的识别公式为

(4)

式中：Edx和Edy分别为封装层散射电场的水平和垂直分量.

由于Edy相对于Esy很小， 可以忽略不计， 则改进后的识别公式简化为

(5)

2封装层厚度不同时的识别

根据以上识别原理， 对不同厚度的Rogers 4350封装层标签进行识别. 图 2 是封装层厚度不同的130°标签的正交散射场分量.

图 2　封装层厚度不同的130°标签的后向散射电场Fig.2　Backscatter electric field of the 130° tag with different thickness of package layer

从图 2 中可以看到随着封装层厚度的增加， 散射场分量的谐振频率逐渐左移,且谐振点的散射场幅度逐渐增大. 当封装层厚度h=0.762 mm时， 在谐振频率1.865 GHz处，Esx=35.57 mV/m，Esy=15.78 mV/m， 同时， 仿真得到E0=21.48 mV/m，Edx=0.468 mV/m， 根据式(5)得出识别结果为130.8°. 其它厚度封装层标签的识别过程与此类似.

表 1 列出了5种不同编码角度标签在考虑封装层散射前后的识别结果. 其中识别结果①是忽略封装层影响， 由式(3)计算得到的； 识别结果②是由式(5)计算得到的. 从表1中可以看出， 对于封装厚度分别为0.254 mm， 0.762 mm， 1.524 mm的120°标签， 识别误差分别从①中的0.6°， 1.6°和2.9°减小到②中的0.1°， 0.5°和1.0°. 由此可见， 考虑封装层的散射场， 识别结果会更加准确. 此外， 从表1中可以看出， 对同一种角度编码的标签， 随着封装层厚度的增加， 识别误差逐渐增大.

表 1　封装层厚度不同的标签的识别结果

3封装层介电常数不同时的识别

将封装层厚度设定为0.254 mm， 研究封装层介电常数不同时标签的识别. 图 3 是封装层介电常数不同的150°标签的正交散射场分量. 从图3中可以看到随着封装层介电常数的增大， 散射场分量的谐振频率逐渐左移， 且谐振点的散射场幅度逐渐增大. 当封装层介电常数εr=3.48时， 在谐振频率1.940 GHz 处，Esx=38.12 mV/m，Esy=9.78 mV/m， 且有E0=20.36 mV/m，Edx=0.172 mV/m， 通过式(5)计算出的识别结果为150.9°. 其它介电常数的封装层标签的识别过程与此类似.

图 3　封装层介电常数不同的150°标签的后向散射电场Fig.3　Backscatter electric field of 150° tag with different dielectric constant of package layer

表 2 给出了封装层材料为Rogers 3006 和Rogers 3010的不同角度标签的识别结果. 从表2中可以看出， 对于封装层为两种不同介电常数的140°标签， 识别误差分别从①中的1.4°和2.2°减小到②中的0.9°和1.3°， 且其它编码角度标签的识别误差②相对于识别误差①都有明显的减小， 改进识别公式后的误差都在2°以内. 此外， 从表2中可以看出， 对同一种角度的封装标签， 随着封装层介电常数的增大， 识别误差逐渐增大.

表 2　加不同介电常数封装层的标签的识别结果

4测量结果

为了验证上述封装标签的识别理论， 选用120°编码标签进行实验测量. 图 4 是不同封装层及其封装标签的S参数. 其中S21-x-120表示接收天线水平极化时120°封装标签的S21参数，S21-y-120表示接收天线垂直极化时120°封装标签的S21参数， 其他标注的含义与此类似. 根据文献[12]的测量原理， 以图4(a)为例， 在谐振频率处， |S21-x-120| = 0.008 9， |S21-y-120| = 0.004 2， |S21-x-180| = 0.012 4， |S21-x-d| = 1.968 3e-4， 计算得出改进前后120°标签的识别结果分别为122.7°， 120.8°.

图 4　不同封装层及其封装标签测量的S参数Fig.4　The measured S parameters of different package layers and tags packed by these package layers

其它几幅图的识别与此类似， 识别结果见表 3. 另外， 当封装层厚度从0.762 mm增大到1.524 mm时， 标签的识别误差②由0.8°增大到1.2°， 当封装层的介电常数由6.15增大到10.2时， 识别误差②由0.5°增大到1.5°， 所以实际制作的标签应选择厚度和介电常数较小的封装层.

表 3　不同封装的120°标签的测量结果

5结论

本文从封装层厚度和介电常数两个方面对加封装的V形无芯片标签进行识别， 分析了封装层对标签识别的影响， 并且将公式改进前后的识别结果进行了对比. 仿真结果表明： 改进后的识别结果更加准确. 此外， 还进行了实验测量， 对仿真结果加以验证.

参考文献：

[1]Manteghi M. A novel approach to improve noise reduction in the Matrix Pencil Algorithm for chipless RFID tag detection[J]. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2010: 1-4.

[2]Chakraborty G, Mukherjee S, Chiba K. Synthesis of passive RFID from backscatter using soft-computing techniques[C]. Second International Conference on Emerging Applications of Information Technology. IEEE Computer Society, 2011： 325-328

[3]Tedjini S, Perret E, Vena A, et al. Chipless and conventional radio frequency identification： systems for ubiquitous tagging[M]. IGI Global, 2012.

[4]Lazaro A, Ramos A, Girbau D, et al. Chipless UWB RFID tag detection using continuous wavelet transform[J]. IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett., 2011(10)： 520-523.

[5]Girbau D, Lázaro A, Ramos. Time-coded chipless RFID tags： design, characterization and application[C]. IEEE International Conference on RFID-Technologies and Applications, 2012： 12-17.

[6]Shao Botao, Chen Qiang, Liu Ran, et al. Configurable ink-jet-printed RFID tag on paper substrate for low cost and green applications[J]. Microwave and Optical Technology. Lett. , 2011, 53(12)： 2781-2786.

[7]Shao Botao, Chen Qiang, Liu Ran, et al. Design of fully printable and configurable chipless RFID tag on flexible substrate[J]. Microwave and Optical Technology. Lett., 2012, 54(1)： 226-230.

[8]Rezaiesarlak R, Manteghi M. Complex-natural-resonance-based design of chipless RFID tag for high-density data[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(2)： 898-904.

[9]Costa F, Genovesi S, Monorchio A. Chipless RFIDs by using metasurfaces[C]. The 8th European Conference on Antennas and Propagation, 2014： 2384-2388.

[10]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.

[11]Hu Sanming, Zhou Yuan, Law C L, et al. Study of a uniplanar monopole antenna for passive chipless UWB-RFID localization system[J]. IEEE Antennas and Propagation, 2010, 58(2)： 271-278.

[12]Feng Caixia, Zhang Wenmei, Li Li, et al. Angle-Based Chipless RFID Tag with High Capacity and Insensitivity to Polarization[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 63(4)： 1789-1797.

The Identification of the V-Shaped Chipless Tag with Package Layer

WANG Fang, ZHANG Wenmei

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

Abstract:This paper studied the scattering characteristics and identification method of the V-shaped chipless tag with package layer. Firstly, influence of package layer was taken into account and formula of identification was improved. The scattered field and identification of tags packed by substrate with different thickness and dielectric constant were studied. The results before and after were compared. The simulation results show that the improved formula can improve identification accuracy and the identification errors are less than 2 , as well as identification results are more accuracy when thickness and dielectric constant of package layer are smaller. In order to verify simulation results, 120 tags with different package layers were conducted. The results show that experiment results are almost agreeable with simulation’s.

Key words:package layer； chipless tag; scattered field； tag angle

文章编号:1671-7449(2016)03-0241-05

收稿日期:2015-09-20

作者简介：王芳(1989-)， 女， 硕士， 主要从事射频识别研究.

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

中图分类号:TP29

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.011