適用于金屬物體識(shí)別的L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)*

閆麗云，張文梅，陳新偉

（山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院，太原　030006）

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適用于金屬物體識(shí)別的L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)*

閆麗云，張文梅，陳新偉

（山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院，太原030006）

摘要：設(shè)計(jì)了一種L形無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽，該標(biāo)簽包含6個(gè)不同尺寸的L形散射單元，利用其交叉極化方向上的反向散射場(chǎng)進(jìn)行識(shí)別。標(biāo)簽基于頻域特征進(jìn)行編碼，每個(gè)標(biāo)簽可攜帶6 bit信息。使用CST仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽進(jìn)行仿真，分析了L形散射單元的尺寸變化時(shí)對(duì)標(biāo)簽諧振特性的影響。此外，還仿真了標(biāo)簽的接地板尺寸增加后的情況，證明該標(biāo)簽可適用于金屬物體的識(shí)別或金屬背景下的物體識(shí)別。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別RFID，無(wú)芯標(biāo)簽，金屬物體識(shí)別，L形

0　引言

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一種利用射頻波進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，無(wú)芯RFID標(biāo)簽因其設(shè)計(jì)可以省去硅芯片而大大降低了標(biāo)簽成本，并且可以直接印制在產(chǎn)品或包裝上，逐漸成為了研究熱點(diǎn)。低成本的無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽在物流、零售等領(lǐng)域?qū)?huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽可以分為兩大類：基于時(shí)間域（TD）和基于頻域（FD）的標(biāo)簽［1］。目前，商用的無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽只有聲表面波（SAW）標(biāo)簽［2-3］，屬于基于時(shí)間域的標(biāo)簽。基于頻域的無(wú)芯RFID標(biāo)簽利用諧振結(jié)構(gòu)在頻率域上進(jìn)行編碼［4-5］。通常情況下，F(xiàn)D標(biāo)簽的每個(gè)比特是利用在預(yù)定頻率上諧振峰的有無(wú)來(lái)進(jìn)行編碼的。因此，F(xiàn)D標(biāo)簽一般占用頻帶較寬，需要設(shè)計(jì)寬帶閱讀器。但是，這種標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)是編碼容量大，并且標(biāo)簽成本低，可以直接打印。

本文提出的L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽，采用L形的貼片作為散射單元，利用頻域進(jìn)行編碼，通過(guò)測(cè)量交叉極化方向上的反向散射電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別。標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)是在金屬背景下，仍然可以通過(guò)交叉極化方向上的反向散射電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行識(shí)別。

1　L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

1.1標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1　L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)圖

本文所設(shè)計(jì)L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1所示，包括由互相垂直的兩個(gè)條形貼片組成的L形散射單元、介質(zhì)和接地板。標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：長(zhǎng)度和寬度均為a=20 mm，介質(zhì)為羅杰斯4 350（εr= 3.66），厚度h=1.6 mm。L形貼片的兩臂的長(zhǎng)度均為l=12 mm，寬度均為w=1 mm。L形貼片的總長(zhǎng)（2l）以及介質(zhì)的介電常數(shù)將決定其諧振頻率。

閱讀器天線沿-z軸方向發(fā)射水平極化的平面波，垂直入射到L形標(biāo)簽上。使用CST仿真，得到標(biāo)簽的反向散射電場(chǎng)在水平和垂直極化方向上的分量，Ex和Ey，如圖2所示。由圖2可看出，Ex幅度在諧振頻點(diǎn)f =3.98 GHz處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)最小值，而Ey幅度在該頻點(diǎn)達(dá)到峰值。因此，根據(jù)在水平或垂直方向上的反向散射電場(chǎng)的諧振位置可對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。但是，Ex隨著工作頻率的增大而增大，而且會(huì)受到標(biāo)簽背景金屬面積的影響（分析見(jiàn)本文第4部分）。因此，選擇利用垂直極化方向上的散射場(chǎng)Ey來(lái)識(shí)別標(biāo)簽。

圖2　L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的反向散射電場(chǎng)

2　仿真標(biāo)簽參數(shù)變化的影響

圖3　L形標(biāo)簽在垂直極化方向上的散射電場(chǎng)

使用CST仿真標(biāo)簽的L形貼片的長(zhǎng)度變化對(duì)諧振頻率的影響。將L形貼片的臂長(zhǎng)l分別設(shè)置為12 mm、13 mm、14 mm和15 mm，依次進(jìn)行仿真，得到標(biāo)簽垂直極化方向上的散射電場(chǎng)Ey，如圖3所示，l變化時(shí)，標(biāo)簽的諧振頻率列在表1中。由圖3可看出，長(zhǎng)度l變化時(shí)，標(biāo)簽在垂直極化方向上的散射電場(chǎng)會(huì)在相應(yīng)的諧振頻率點(diǎn)處出現(xiàn)峰值。而且，貼片長(zhǎng)度l越短，對(duì)應(yīng)的諧振頻率越高。

表1　長(zhǎng)度l變化時(shí)標(biāo)簽的諧振頻率

3　L形無(wú)芯RFID標(biāo)簽的編碼

圖4　包含6個(gè)諧振單元的L形標(biāo)簽

為了增加標(biāo)簽的信息密度，在標(biāo)簽上放置6個(gè)L形貼片，如圖4所示，臂長(zhǎng)分別為l1=15 mm、l2=14 mm、l3=13 mm、l4=12 mm、l5=11 mm和l6=10 mm，每個(gè)L形貼片的間距為1 mm。那么，6個(gè)不同尺寸的L形貼片在頻域上將產(chǎn)生6個(gè)諧振峰。為了增加標(biāo)簽的反向散射場(chǎng)強(qiáng)度，再將標(biāo)簽的長(zhǎng)寬均擴(kuò)大兩倍，即面積為40×40 mm2，然后將6個(gè)L形貼片按照?qǐng)D5所示方式重復(fù)8次。

圖5　6個(gè)L形諧振單元重復(fù)8次的無(wú)芯RFID標(biāo)簽

圖6　L形標(biāo)簽在垂直極化方向的散射電場(chǎng)

使用CST對(duì)圖5所示標(biāo)簽進(jìn)行仿真，得到垂直極化方向上的反向散射電場(chǎng)強(qiáng)度如圖6所示。由圖6可看出，散射場(chǎng)強(qiáng)Ey在6個(gè)頻點(diǎn)分別出現(xiàn)峰值。與圖3圖比較發(fā)現(xiàn)，單個(gè)L形貼片的散射場(chǎng)強(qiáng)僅為0.002 V/m，而散射單元被重復(fù)8次后的散射場(chǎng)強(qiáng)大多都超過(guò)了0.02 V/m，幾乎是單個(gè)散射單元的場(chǎng)強(qiáng)的10倍。這將有利于環(huán)境噪聲較大時(shí)標(biāo)簽的識(shí)別。

此外，根據(jù)雷達(dá)散射截面的定義，如式（1）所示，標(biāo)簽的散射單元重復(fù)后，其散射場(chǎng)強(qiáng)Es增強(qiáng)，會(huì)使標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面σ增大。對(duì)于無(wú)芯RFID標(biāo)簽，閱讀距離Rrange與雷達(dá)散射截面之間的關(guān)系如式（2）所示［6］，其中，PT表示發(fā)射功率，λ表示波長(zhǎng)，GT和GR表示射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器天線的增益，Pmin表示接收機(jī)的靈敏度（一般為-70 dBm）。由式（2）可以看出，同樣發(fā)射功率的情況下，標(biāo)簽的散射單元重復(fù)后，閱讀距離也將增加。

圖7　3個(gè)L形標(biāo)簽在垂直極化方向的散射電場(chǎng)

圖7為3種編碼狀態(tài)的標(biāo)簽的交叉極化方向上的反向散射電場(chǎng)。紅色實(shí)線對(duì)應(yīng)的是標(biāo)簽上同時(shí)具有6條不同尺寸的L形貼片的情況，該標(biāo)簽的反向散射場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生6個(gè)不同的諧振頻率，對(duì)應(yīng)于碼字“111111”；黑色曲線（-o-）所對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，去掉第3條貼片，反向散射場(chǎng)只有5個(gè)諧振頻率，在f3處將不產(chǎn)生峰值，對(duì)應(yīng)碼字為“110111”；藍(lán)色曲線（-●-）所對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，去掉最短的一條貼片，在f6處將不出現(xiàn)峰值，對(duì)應(yīng)碼字為“111110”。

4　加大接地板尺寸對(duì)標(biāo)簽識(shí)別的影響

為了驗(yàn)證標(biāo)簽是否適用于金屬背景下的識(shí)別，把接地板尺寸在各個(gè)方向上增加g，如圖8所示，來(lái)模擬標(biāo)簽貼在金屬物體上，或是背景有金屬的情況。g取不同值（5 mm、10 mm、15 mm）時(shí)分別進(jìn)行仿真，得到標(biāo)簽在水平和垂直極化方向上的反向散射電場(chǎng)如圖9所示。由圖9（a）可以看出，當(dāng)g變化時(shí)，水平極化方向的反向散射電場(chǎng)Ex的幅度有明顯的變化，隨著g的增大，Ex的幅度將增大。由圖9（b）可以看出，垂直極化方向上的散射電場(chǎng)Ey的幅度幾乎不變。這說(shuō)明，標(biāo)簽在有金屬背景的情況下，仍然可以利用垂直極化方向上的散射電場(chǎng)在頻域上的諧振特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別。

5　結(jié)論

圖8　增加接地板尺寸的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖

圖9　接地板尺寸變化時(shí)標(biāo)簽兩個(gè)方向上的反向散射電場(chǎng)

本文設(shè)計(jì)了一種L形無(wú)芯射頻識(shí)別標(biāo)簽，并研究了標(biāo)簽的貼片長(zhǎng)度以及接地板大小的變化對(duì)標(biāo)簽性能的影響。所設(shè)計(jì)標(biāo)簽可攜帶6 bit信息，可以通過(guò)反向散射電場(chǎng)在頻域上的諧振特征進(jìn)行識(shí)別，而且在背景有金屬情況下，仍然可以通過(guò)交叉極化方向上的反向散射電場(chǎng)的諧振特征進(jìn)行識(shí)別。

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Design of L- shaped Chipless RFID Tag with Metallic Background

YAN Li-yun，ZHANG Wen-mei，CHEN Xin-wei
（School of Physics & Electronics Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Abstract：A L-shaped chipless RFID tag is proposed for used in the metallic background. The tag comprises six L-shaped scatterers of different sizes，which generate six separate resonant frequencies. The tag can be identified by the backscatter field in the？cross polarization direction. This paper studied the effects of varying the dimensions of the L-shaped scatterer on the tag recognition. Also，the effects of placement of additional metallic ground-plane have also been studied and the result shows that the proposed L-shaped chipless RFID tag can be also identified in the metallic background.

Key words：radio frequency identification（RFID），chipless tag，metal object identification，L-shape

中圖分類號(hào)：TN828.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0640（2016）05-0154-03

收稿日期：2015-04-13修回日期：2015-05-09

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61172045，61271160）；山西省自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（2014021021-1）

作者簡(jiǎn)介：閆麗云（1977-），女，山西忻州人，在讀博士。研究方向：射頻識(shí)別系統(tǒng)標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)。