贾 胤，邹传云，胥 磊

(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)技术是一种采用电磁耦合和电磁辐射原理自动识别远距离放置标签的无线识别技术，主要应用于交通运输、防盗系统、物流管理、货物追踪、身份识别等方面[1-2]，在物联网的实施中发挥着重要作用[3]。射频标签因其自身的非可视阅读、远距离阅读、自动识别和追踪、能在恶劣环境下工作等众多优势，具有代替条形码的潜力[4]。射频识别系统主要由大量标签、阅读器以及连接阅读器主机组成[5]，其成本主要由标签芯片决定。相对于一些廉价商品的应用，传统的RFID标签存在射频集成电路(radio frequency integrated circuit，RFIC)，价格昂贵，并不实用。

为降低标签成本，设计了无芯RFID标签。它既不含有射频集成电路，又不需要专用的电源，无芯片RFID标签主要分为基于时域、频域、相位和图像等几种编码方式。基于时域编码的声表面波(surface acoustic wave，SAW)标签[6]，主要由传输线和插指换能器(interdigital transducer，IDT)组成，能在一张信用卡尺寸内实现64 bit的编码容量;但其需使用成本较高的压电基片，并需采用亚微米光刻技术完成制造，使得标签成本接近传统标签。另一种基于时域编码的无芯标签采用了微带延迟线[7]，使输入信号和延迟信号叠加；但这种标签体积大，编码容量不足。基于相位编码的无芯标签由于目前相位分辨率不高，不能满足大容量编码要求[8]。基于图像编码的无芯标签目前还在试验阶段，且需要昂贵的亚微米印刷技术，因此并不实用[9]。

频域标签采用简单的辐射结构，将数据转化为唯一的电磁签名(electromagnetic signature，EMS)，由每个缝隙谐振器对应一个比特编码，通过增加或删减不同长度的谐振器，形成频域编码信息[10]。使用螺旋谐振器和交叉极化单极天线构成的频域标签，能实现35 bit的编码容量[11]。在安全近场数据传输的低成本无芯RFID系统中，常规ID卡可提供9 bit的编码容量[12]。该方法通过偶极子的长度变化进行数据编码，并使用了频移原理和复杂的高阶模式检测技术。基于圆环缝隙的无芯标签[13]，考虑了圆环的对称性。标签能水平旋转任意角度，而读写器天线始终能检测到标签信息。这种标签结构可以向前或向后辐射，但不容易起振。

为降低标签成本，且在增加编码容量的同时不增加标签的面积，本文提出了基于蝶形缝隙谐振器的无芯片标签。它仅含有1个导电层，可采用3D打印技术大量制作[14-15]。该标签通过阅读器接收后向散射信号的频谱特征，并进行数据编码，在24 mm×11 mm的TLX-0基板上，可实现10 bit的编码容量。2个标签可以紧凑地放在基板上。

1 基本原理

1.1 缝隙谐振器基本原理

频率选择表面(frequency selective surface，FSS)通常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，会在特定的频点产生有明显波峰和波谷变化的频谱签名，可实现一定频率范围内的数据编码。频率选择表面自身并不吸收能量，它的频率选择特性取决于缝隙谐振单元的结构尺寸、排列方式和所用的介质。本文设计的无芯RFID标签采用了蝶形缝隙结构，不需要使用接地板。在介质板上有规律地蚀刻出一些蝶形缝隙。当存在某个蝶形缝隙环时，后向散射信号的雷达散射截面(rader cross sections,RCS)频谱曲线就会出现相应的谐振点，表示为逻辑“1”；当某个蝶形缝隙环缺失，对应的谐振点就会消失，表示为逻辑“0”。蝶形缝隙谐振器的底边为L,两翼均为Lp。

缝隙谐振器的谐振频率可以根据式(1)估算[16]。

(1)

式中：c为光速；εr为介质的相对介电常数；L为谐振器的长度。

本文设计了单个无芯标签蝶形缝隙谐振器模型。RCS频谱曲线如图1所示。

图1 RCS频谱曲线 Fig.1 RCS spectrum curve of chipless tag

由图1可以看到，蝶形缝隙谐振器的二次谐波很小，对编码信息没有影响，而在超宽带(3.1～10.6 GHz)内未出现三次谐波，确保了本设计的鲁棒性。

控制缝隙长度a分别为35 mm、38 mm、41 mm、44 mm、47mm，对应的RCS频谱曲线如图2所示。

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

由图2可知，不同长度的谐振器具有不同的谐振频率，通过组合能形成有效的编码。随缝隙长度增加，对应的谐振频率相应减小。

1.2 无芯RFID标签工作原理

无芯RFID标签系统的工作原理如图3所示。RFID阅读器发射天线(Tx)发送超宽带连续电磁波询问信号照射到标签表面后，蝶形缝隙谐振器会改变入射信号的频谱结构，形成电磁签名。隐含编码信息的后向散射信号返回到阅读器的接收天线(Rx)，由阅读器记录并提取频谱签名，并交由后台处理系统，通过预先定义的算法恢复编码信息。

图3 无芯RFID标签工作原理图 Fig.3 Working principle of the chipless RFID tag

2 无芯RFID标签设计

本文设计的蝶形缝隙无芯RFID标签结构如图4所示。

图4 无芯RFID标签结构图 Fig.4 Structure of chipless RFID tag

在介质基板上蚀刻出一系列有规律的缝隙，不同缝隙长度的谐振器会产生特定的频点谐振。基板采用厚度h=0.8 mm、相对介电常数εr=2.45、损耗角正切tanδ=0.001 9的Taconic TLX-0。为使标签简单、易于打印，缝隙间距Wslot和缝隙宽度Ws均取0.2 mm。 按缝隙长度编号，最长缝隙为L1，对应最高有效位MSB；最短的缝隙为L10，对应最低有效位LSB。整个蝶形标签相当于一个等边三角形减去一个等腰三角形剩余的部分。基板长Lpatch=24 mm，宽W=11 mm，蝶形标签的底边与基板长边重合。

通过增加开槽数量、缩小缝隙间距来提升编码容量，而不是增加标签表面积。当平面电磁波照射到标签表面时，会表现出频率选择性，简单地加入和移除谐振器，可控制频率选择特性。每个缝隙对应频谱上的一个谐振点。当存在谐振谷时，则表示逻辑状态“1”；反之，表示逻辑状态“0”。

3 仿真分析

3.1 仿真结果

为了验证本设计的正确性，设计了4款不同ID的标签，分别代表1111111111、1011011011、1010101010、0101010101。利用电磁仿真软件FEKO进行仿真设计。建模时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。图5给出了不同编码标签设计图。

图5 不同编码标签设计图 Fig.5 Design of tags with different encodings

缝隙无芯片标签仿真结果如图6所示。

图6 缝隙无芯片标签仿真结果图 Fig.6 Simulation results of slot chipless tags

图5(a)标签有10个全为“1”的编码，从仿真的后向散射信号看，标签有10个谐振谷，代表频谱签名全为“1”。图5(b)标签的第2、5、8个缝隙谐振器缺失，从后向散射信号看，标签的第2、5、8个谐振谷也消失了，代表频谱签名为“0”。图5(c)和图5(d)标签，在删除相应的谐振槽后，频谱签名表现为“0”。另外，由于缝隙谐振器之间的相互耦合，在移除谐振槽之后，相邻谐振频率有一个很小的偏移，可以通过简单的信号处理技术来克服。

3.2 远距离识别

新设计的标签能以非常紧凑的方式并排放置多个，以增大标签的雷达散射截面[16]，获得远距离无芯片RFID标签。在24 mm×22 mm的Taconic TLX-0的基板上，放置2个相同的标签形成一个对称的结构，如图7所示。RCS频谱比较曲线如图8所示。与单个标签相比，2个标签叠放能检测到的信号强度增加了3～12 dB。

图7 标签叠放图 Fig.7 Overlapping of the tags

图8 RCS频谱比较曲线 Fig.8 Comparison of RCS sepctrum curves

4 结束语

本文设计了一种新的无芯RFID标签。该设计数据率高、结构紧凑、成本较低、制作简单。标签由多个蝶形缝隙谐振器组成，在超宽带上产生多个谐振频率点编码信息。标签制作在24 mm×11 mm的Taconic TLX-0的基板上，可实现10 bit的编码容量。2个标签以非常紧凑的方式放在一起，可扩大标签的阅读范围。在接下来的工作中，要制造并测量这种标签的实用性。这种单面紧凑的标签由于不存在接地板，能像条形码一样，用导电油墨直接印刷到ID卡、信用卡，甚至纸张上，具有很大的应用潜力。

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