基于9形微帶諧振器的無芯片RFID標簽設計*

張崇琪， 陳 強， 孫海靜， 陳孟儒

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院,上海 201620)

0 引 言

射頻識別(radio frequency identification,RFID)起源于第二次世界大戰期間第一臺用于識別敵友(identifying friends and foes,IFF)飛機的雷達[1]。近年來RFID已經越來越成熟，也因其在眾多物聯網(Internet of things,IoT)工程應用中的支持能力而越來越受到研究和開發的關注，物聯網建設也因此得到了進一步的發展。

傳統的有芯片標簽包含硅芯片和天線，因而價格昂貴，使其難與低成本的條形碼技術競爭[2]，所以目前芯片式RFID標簽尚未在IoT工程應用中得到廣泛使用，尤其是在廉價商品識別標簽領域，例如郵票、安全紙張等低成本商品的防偽識別應用中。但是，物聯網的快速發展正在推動低成本的無芯片RFID標簽的進一步研究。

無芯片RFID標簽內部不嵌入任何硅芯片，使用其電磁簽名(electromagnetic signature, EMS)來提取唯一編碼(identity，ID)。根據數據編碼方式，無芯片RFID標簽可以分為三種，基于時域[3～5]、頻域[6～8]和相位的無芯片標簽。最早的時域無芯片設計之一是基于在ISM頻段工作的表面聲波(surface acoustic wave,SAW)技術，主要是2.4 GHz[9]。文獻[10]提出了一種大容量的SAW標簽，但是需要使用價格昂貴的壓電基片，成本與傳統芯片式RFID標簽相差不大，成本依舊偏高?；陬l域的無芯片標簽更易于小型化，有更高的數據密度，在物聯網技術的實施中發揮著重要作用[11]，文獻[12]實現了在常規尺寸內得到9 bit數據的無芯片標簽，但是基于頻域的無芯片標簽需要添加一定數量的諧振器來擴大容量，標簽的尺寸會隨之擴大，而且還需要專用的寬帶閱讀器。由于目前相位分辨率受限，基于相位編碼的無芯片RFID標簽目前還是不能達到大容量編碼的要求[13]；文獻[14]提出一種在3 GHz帶寬內實現8 bit編碼容量的標簽，但是標簽包含天線，需要從用于編碼標簽信息的終端反應網絡打印(printable)和解嵌(de-embeddable)。文獻[15]采用了幅度和頻率混合編碼的方法提升編碼容量，但是微帶線上添加的電阻需要打孔接到反面接地層，制作工藝復雜，無法完全印刷。由于微帶諧振器可以構成微帶帶阻濾波器[16]，所以分別改變這些9形微帶諧振器的整體長度就可以得到不同的諧振頻率，改變相同長度的9形微帶諧振器與主微帶傳輸線之間的耦合間隙大小就可實現相同諧振頻率下的幅值變化。

基于此，本文提出一種基于9形微帶諧振器的RFID無芯片標簽。

1 基本工作原理

1.1 無芯片標簽工作原理

如圖1所示，射頻系統由讀寫器和基于9形諧振器的無芯片標簽組成。標簽由兩個正交收發超寬帶(ultra wideband,UWB)天線、50 Ω特征阻抗主微帶傳輸線和多個9形微帶諧振器組成，單個諧振器帶寬和可用頻譜帶寬會影響添加的諧振器個數。

圖1 無芯片RFID標簽工作原理

讀寫器通過發射電路產生超寬帶問詢信號，經發射天線發送給標簽，標簽上的9形微帶諧振器會損耗特定頻率的信號，產生陷波，改變頻譜結構，頻帶譜上的陷波標記編碼狀態“1”，沒有陷波則標記為編碼狀態“0”，然后經天線將改變后的信號發射回讀寫器，讀寫器對信號進行處理，解碼編碼信息。

1.2 無芯片標簽結構

基于9形微帶諧振器的無芯片標簽結構如圖2所示。50 Ω特征阻抗微帶傳輸線連接收發天線，其寬度為Wm，諧振器寬度均為W，諧振器與微帶傳輸線之間的間隙為S1，諧振器與微帶傳輸線平行的長度為d1，垂直于微帶傳輸線的長度是Li，諧振器末梢長度為d2，其與諧振器底邊間隙為S2，兩諧振器之間的間隙為S3。

設置諧振器和微帶主傳輸線之間的距離相同，改變微帶諧振器的其他參數可以產生不同的阻帶諧振。實驗改變9形微帶諧振器垂直微帶主傳輸線方向的長度Li來獲取不同的諧振頻率，以此來進行編碼設計。

圖2 基于9形微帶諧振器的無芯片標簽結構

2 基于 9形微帶諧振器的無芯片RFID標簽設計

2.1 無芯片標簽仿真測試與分析

基于9形微帶諧振器的無芯片RFID標簽選用Rogers RO4003為基板材料進行設計，其相對介電常數為3.55，損耗角正切為0.002 7，厚度為0.813。在三維高頻結構仿真器(HFSS)中進行建模仿真。1 bit無芯片標簽結構參數如下：Wm=1.9 mm，W=0.6 mm，L1=8.96 mm，d1=3.5 mm，d2=2.1 mm，S1=0.15 mm，S2=2.6 mm。

當入射波在微帶傳輸線上傳輸時，9形微帶諧振器會耦合到一部分能量，從而會有明顯的電場分布，如圖3(a)所示。標簽的諧振曲線隨頻率變化的關系曲線如圖3(b)所示，可以看出9形微帶諧振器具有良好的帶阻濾波特性和較好的插入損耗S21。根據式(1)可以計算出品質因數Q

(1)

其中，諧振基波頻率f為4.08 GHz，帶寬BW為0.069 GHz。求得該諧振器的品質因數Q為59.13，表明該諧振器有較高的頻譜利用率，能夠實現較高的編碼容量和諧振點的準確提取。

圖3 基于單個9形微帶諧振器的無芯片標簽的電場分布與諧振曲線

為增大編碼容量，提高頻譜利用率，本文采用了基于幅值與頻率位置的混合編碼方法，即保持芯片上的9形諧振器的各項參數不變，只改變諧振器與微帶傳輸線之間的耦合間隔S1的值，對應頻譜上諧振點的幅值會發生改變，如圖4(a)所示。

當耦合間隔分別為0.15，0.25，0.35 mm時，對應的諧振幅值為18.86，14.71，10.9 dB，對應的諧振點分別為 4.08，4.10，4.12 GHz，幅值相差4.15，3.81 dB，諧振點之間頻率的變化不超過20 MHz，處于保護頻段內，可以認為在同一位置發生諧振，諧振頻率無變化。

根據圖3(b)的諧振曲線可以得出單個9形微帶諧振器的阻抗帶寬約為29 MHz，上下保護頻帶帶寬約為130 MHz，所以每個諧振點所占頻率約為159 MHz。若無其他干擾，在4～5.6 GHz頻段上可以得到10個諧振點，每個諧振點有幅值有三種，所以在此頻帶上可以得到30 bit的編碼容量。

基于單個9形諧振器的無芯片標簽的仿真測試結果，使用HFSS軟件設計了由5個9形微帶諧振器組成的3種典型編碼無芯片標簽，相鄰兩振器之間的間距均為1 mm。3組標簽編碼分別為ID11111，ID11010，ID10100。其中，編碼為ID11111的標簽作為參考標簽，仿真結果如圖4(b)所示。

圖4 不同S1值的無芯片標簽諧振曲線與5 bit無芯片標簽的3種典型編碼諧振曲線

在圖4(b)中，編碼為ID11010，ID10100的標簽對應的諧振點頻率基本與參考標簽相吻合，能夠清晰地對比出他們的編碼狀態。另外，電磁耦合是移除諧振器時影響標簽識別的一個重要因素，諧振器之間的耦合會進一步導致未刪除比特位之間的諧振惡化，所以，相鄰諧振頻率會有一個較小的偏移。

2.2 超寬帶天線設計

無芯片RFID標簽系統提出的RFID標簽放置在兩個正交極化天線之間，天線采取交叉極化裝置可以減少信號干擾。實驗設計一種超寬帶天線，如圖5(a)所示。天線同樣選用Rogers RO4003作為基板材料，在三維高頻結構仿真器(HFSS)中進行建模仿真，天線的結構參數如下：LT=34 mm，Lt1=15 mm，Lt2=8 mm，Lt3=18 mm，Lt4=15.8 mm，WT=19 mm，Wt1=15 mm，Wt2=6 mm，dt1=1 mm，dt2=1.9 mm。

天線饋電端口的反射損耗(return loss) 是反映天線性能的重要指標，在仿真中，常取反射損耗小于-10 dB作為參考基準。圖5(b)為超寬帶天線的反射損耗的變化曲線，可以得出天線反射損耗為-10 dB時的工作帶寬為2.9～7.5 GHz，由式(2)可以得出分數帶寬為88.46 %，這意味著天線可以保證整個系統的正常工作

(2)

圖5 超寬帶天線結構示意與反射損耗曲線

3 實驗測試

通過在Rogers RO4003高頻介質基板上印刷多個長度不等的銅質9形諧振貼片制作了5 bit無芯片電子標簽，如圖6(a)所示。因為傳統讀寫器的工作頻帶較窄，不能直接工作于無芯片標簽系統，所以，實驗采用可輸出超寬帶多頻訪問信號的安捷倫矢量網絡分析儀E5063A作為無芯片射頻識別系統的讀寫器，對基于9形微帶諧振器的無芯片電子標簽進行信息編碼功能測試。測試結果如圖6(b)所示，5 bit無芯片標簽實驗測試的諧振點位置有小幅波動，考慮到在諧振點周圍加上保護頻帶，可以認為每個諧振點均能夠被準確識別，不出現誤碼現象。

圖6 5 bit基于9形微帶諧振器的無芯片標簽的實物圖與實驗測試諧振曲線

4 討 論

對于無芯片標簽來說，增加編碼容量最直接的方法就是增加諧振器的數目，但是需要考慮到尺寸問題。本文將9形微帶諧振器的數目增加至10個，沿主微帶傳輸線對稱分布，這樣可以減小標簽面積，也可以減小相鄰頻率之間的干擾。制板后進行實驗測試，實物圖與測試結果如圖7所示，最低諧振頻率為3.98 GHz，最高諧振頻率5.60 GHz，從諧振曲線中可以清晰看出每一個9形微帶諧振器對應的諧振頻率位置。

圖7 10 bit基于9形微帶諧振器的無芯片標簽的實物圖與實驗測試諧振曲線

通過表1對比現有的無芯片標簽，本研究提出的基于9形微帶諧振器的無芯片標簽，編碼容量高，編碼強度差異明顯、易于區分，標簽整體結構簡單，易于實現，可以實現完全印刷。

表1 不同類型標簽性能對比

5 結束語

本文提出了一種基于9形微帶諧振器的無芯片RFID標簽，在微帶傳輸線兩側對稱分布的不同長度9形諧振器與微帶主傳輸耦合，改變頻譜結構，實現頻率位置編碼，然后通過幅頻混合編碼增大了編碼容量，提高了頻帶譜的利用率。同時設計了適配超寬帶天線，具有良好的反射損耗，能夠滿足系統工作需要。這種標簽面積小，編碼容量大，可以有效降低商品識別等物聯網工程應用成本，促進物聯網的發展。