孙海静， 陈 强， 杨 娇， 周 玲， 朱俊涛

（上海工程技术大学 电子电气工程学院， 上海201600）

0 引 言

近二十年来，自动识别技术在各领域得到广泛应用，其作用主要是在传输过程中为用户端和物品端之间提供信息交换和通讯，以实现信息提取、识别、追踪定位等功能［1］。 在物联网（the internet of things，IoT）的建设过程中，射频识别技术作为一种信息传递与获取的核心技术应用于整个传输系统中［2］。 在射频系统中对标签的数量要求较多，因此单个标签的成本直接决定着整个系统的成本，因此无芯片标签被越来越多的研究人员所关注。 无芯片标签由于不含标签芯片，与传统标签相比成本大幅降低，且通过谐振电路替代标签芯片，结构也较为简单。

基于目前公开的文献，无芯片射频识别标签主要分为3 个大类：（1）基于时域反射的无芯片电子标签［3-6］。 （2） 基 于 频 域 特 征 的 无 芯 片 电 子 标签［7-9］。 （3）基于空间域的无芯片电子标签［10-11］。基于时域的声表面波标签的压电晶体较为昂贵且本身采用集成电路工艺，对比传统硅芯片标签成本并没有降低。 基于频域的贴片自谐振标签体积较小，但是对读写器的灵敏度要求较高。 基于空间域的V型无芯片标签目前可实现3 bit 的编码容量，编码容量较小。

1 工作原理

整个射频识别系统是由用于收发并解码信息的读写器和用于存储信息的电子标签组成，其工作原理如图1 所示。 无芯片电子标签是由两个收发正交的超宽带标签天线和用于编码信息的谐振电路组成。 谐振电路由50 Ω 的微带主传输线和耦合在主传输线两侧的阶跃阻抗谐振器（stepped impedance resonators，SIR）组成。 读写器产生的多频访问信号滤波放大后，由读写器发射天线辐射至自由空间，由标签的接收天线接收，并改变由读写器发出的功率频谱均匀的频谱结构。 每一个谐振单元在频谱上对应特定谐振频率，该谐振频率在频率响应曲线上的谐振峰对应逻辑编码“1”。 当去掉或者短路该谐振器后，在频率相应曲线上该谐振频率消失，对应频率编码“0”，由于每一个标签都拥有不同结构的谐振器，即具有唯一的频谱特征，即唯一的编码。

图1 无芯片电子标签工作原理图Fig. 1 Schematic diagram of chipless tag

2 阶跃阻抗谐振器分析

本文提出的基于阶跃阻抗谐振器的无芯片电子标签，这种二分之一波长型SIR 谐振器的主要优点在于设计的灵活性，图2 为其结构示意图，该结构由高阻抗和低阻抗交替级联组成，可通过控制其阻抗比RZ来确定谐振频率。

图2 阶跃阻抗谐振器基本结构Fig. 2 Basic structure of SIR

Z1和Z2为该谐振器的特征阻抗，θ1，θ2为其电长度。 因此， 阶跃阻抗谐振器的总电长度θT＝2（θ1+θ2）。 由开路端看过去输入导纳Yi为：

3 谐振电路设计及编码分析

由于工程上各仪器各线缆的参考阻抗均为50 Ω，为防止微带主传输线与外接线缆连接时造成阻抗不匹配，可通过式（3），式（4），将微带主传输线的特征阻抗也设计为50 Ω。

本文选用相对介电常数为2.55，损耗角正切为0.001 9 的Taconic TLX-8 高频介质板作为制备此多阻带谐振电路的基板。 图3 是图2 变形后的阶跃阻抗谐振器的结构示意图， 其Wf为微带主传输线的宽度，W2为构成谐振器的两臂的宽度，L1为首个谐振器的长度，D1为首个谐振器的单臂长度，Li为第i个谐振器的长度，Di为第i 个谐振器的单臂长度，W1为所有谐振器的宽度，C 为构成谐振器的两臂之间的间距，gap 为谐振器和主传输线之间的耦合间隙。

图3 阶跃阻抗谐振器的结构示意图Fig. 3 Structure diagram of SIR

图4 为阶跃阻抗谐振器的等效电路模型，L1为微带主传输线上的等效电感，C1i为第i 个谐振器与微带主传输线之间的耦合电容，C2i和L2i为第i 个谐振器的等效电感和等效电容，主要体现其带阻特性，谐振器的谐振频率可主要通过式（5），即等效电路模型中呈现带阻特性的L2i和C2i决定。

图4 阶跃阻抗谐振器的等效电路模型Fig. 4 Equivalent circuit model of SIR

为降低谐振电路面积，将谐振单元放置在主传输线两侧，经过HFSS 的仿真优化，最终确定的结构参数值如表1 所示。

以编码ID-111111 的标签作为其他标签的参考标签，选取3 组典型编码状态进行仿真，分别为ID-111111，ID-000110，ID-000000，得到如图5 所示的不同编码组合的谐振曲线。

表1 结构参数值Tab. 1 Structure parameter value

图6 无芯片标签的结构示意图Fig. 6 Flow chart of improved TLD algorithm

表2 不同编码状态下的谐振点参数Tab. 2 Resonance point parameters in different coding states

可以看出：以编码ID-111111 的标签作为其他标签的参考标签，其余两编码的偏移量在10 MHz以内，在1.4 ～2.6 GHz 的频带内实现了6 bit 编码。

增加编码容量最直接的方法是增加谐振器的个数，但是谐振器个数的增加，会造成标签面积过大。从单谐振器的等效电路可以看出影响谐振频率的的主要参数为谐振器的等效电感L2i和等效电容C2i，其余参数对于谐振频率的而影响较小，基于这些显著的特征，可通过调节谐振器与微带主传输线间的耦合间隙，改变谐振器等效电路模型中耦合电容C1i的大小，从而改变对应谐振频率下的幅值大小，图7 为不同耦合间隙下的谐振曲线。 可以看出，随着耦合间隙的增加，谐振器的谐振频率几乎不发生改变，但幅值随着耦合间隙的增加而不断减小，3 种耦合间隙对应3 种不同的幅值，结合频率位置编码，在1.4 GHz～2.6 GHz 的频带内可实现18 bit 的编码容量。

图7 不同耦合间隙下的谐振曲线Fig.7 Resonance curves under different coupling gaps

4 结束语

提出了一种基于阶跃阻抗谐振器的的无芯片射频识别标签，将阶跃阻抗谐振器耦合至微带主传输线的边侧，通过调节谐振器的阻抗比来进行频率位置编码；通过调节谐振器与微带主传输线的耦合间隙来进行幅值编码，将二者结合而成的混合编码可增加编码容量，这种无芯片标签成本低，能够应用于物联网的建设中。