SAW射频识别系统中无源标签的小型化设计

廖同庆 ，张帆 ，沈国浩,3

（1 安徽大学，计算智能与信号处理教育部重点实验室，合肥 230039；2 炮兵学院，合肥 230031；3 蚌埠学院，蚌埠 233000）

0 引言

射频识别（RFID）是从20世纪90年代兴起的一种自动识别技术，是基于雷达原理的高频微波反向散射耦合, 即读卡器发射出去的电磁波, 碰到目标标签后反射, 同时携带回来标签上的目标信息。IC芯片的RFID系统现已广泛使用，但以IC芯片为主要特征的RFID在有金属物体、液体、高温、强电磁干扰环境中时，其信息读取难，而声表面波RFID以声表面波（SAW）器件为核心，不但在上述环境中信息读取相对容易实现，而且克服了IC芯片工作时要求直流电源的缺陷。此外，声表面波器件的引入使识别系统性能得到了很大的提高，识别距离将超过十米，非常适合于车辆不停车收费识别系统、路标识别系统、铁路车辆车号识别以及列车准确停靠控制等系统[1-2]。

由于受标签尺寸的限制，声表面波标签还不能应用于零售等小物品的识别上。因此，如何使标签小型化日益引起研究者的关注。

如图1所示，无源声表面波标签主要是由天线、压电基片、叉指换能器和反射器组成，叉指换能器的两条总线与标签的天线相连接。通常用LiNbO3、LiTaO3或者石英作基片，电极结构是用光刻法完成的，如在微电子技术中生产集成电路时使用的方法一样[3]。因此，标签的整体尺寸主要由压电基片与天线的尺寸决定。

图1 SAW标签的基本结构

1 压电基片的选取

对于声表面波器件，选用合适的基底材料会大大改善器件的特性，如获得更好的长期稳定性，能承受更大的机械载荷，更高的温度。所以基底材料是声表面波器件性能的一个决定性因素。目前SAW器件应用的压电材料种类很多，但能实现产业化生产的压电晶体还很少，常用的是石英、铌酸锂、钽酸锂等[4]。

铌酸锂(LiNbO3)是铁电体，用提拉法生长，是一种多功能晶体材料，不仅用于声表面波器件，还用于光学器件和微波传感器等器件中。铌酸锂由于居里温度很高，压电耦合系数优异，在超声波器件中很有吸引力[5,6]。石英由于其优异的机械性能，是设计压电器件中最常用的材料。用水热合成法生长α-石英晶体的技术已经很成熟，商用石英基片质量高，价格合理，每批每片石英材料的性质变化非常小。已经有文献报道了铌酸锂、石英足够精确的各项材料常数，这使得我们能够精确地模拟器件的特性。因而，我们研制的无源声表面波标签选用基底为最常用的铌酸锂和石英晶体。

用COMSOL3.3作为仿真工具，对以石英和铌酸锂为压电基底的声表面波延迟线做仿真，主要目的是模拟相同尺寸，相同叉指下，压电基体为不同晶体以及相同晶体不同切向时，声表面波的性质。为了节省计算机运算时间，利用对称性，只需模拟器件对称的一半，如图2所示。采用的压电基体尺寸为：长200μm，宽80μm(图2中所示为一半宽度)，高80μm；有两对输入叉指和输出叉指，叉指材料为铝，长70μm(2图中所示为一半长度)，宽10μm，叉指间相距10μm，输入叉指对和输出叉指对最近距离为40μm。在此模型中，我们忽略叉指厚度和质量。为了得到更精确的网格质量，我们采用人工划分网格的方法， 图3为划分结果，网格单元5565个，节点数1429个，自由度为37400，叉指区域网格最密，基体上表面次之，有上而下渐疏，这样，可以较好地解决计算质量和计算时间之间的矛盾。

图2 声表面波延迟线有限元几何模型

3 有限元分析中的 网格划分

为了节省计算机运算时间，在输入叉指换能器上输入频率为100MHz的交变电压f = 100MHz，t=100ns。在输出叉指换能器上获取输出电压，如图4所示。

图4 压电基底为不同晶体及相同晶体不同切向时输出叉指上的电压

由图4可知，压电基体为YZ-LiNbO3和XYLiNbO3的输出叉指上的电压可以在较短的时间内达到比较平稳的状态，XY-LiNbO3的输出叉指上的能量转换效率最高。高的频率稳定性和能量转换效率，使声表面波标签具有更加紧凑的结构，从而减小压电基片尺寸。

因而，我们最终设计并加工制作的标签如图5所示，以XY-LiNbO3为压电基底，基片长度为10mm，每个标签上刻写八根反射条。图5（b）所示的标签实物图反面的四根腿，两边的两根起固定作用，中间的两根则与贴片天线的馈电点相连接。

图5 标签的实物图

2 标签天线的小型化设计

标签天线设计主要考虑的有：工作频率和带宽，天线的物理尺寸，天线的阻抗匹配，天线的增益等。受标签尺寸及价格的限制，一般的天线类型如喇叭天线，螺旋天线，反射面天线等都不适用于设计成标签天线[7,8]。在IC卡标签中广泛应用的线圈天线，是一种利用线圈之间的电磁耦合来传送信息的近场天线，线圈天线工作频率小，一般在低频到高频之间，且作用距离在一米以内，因而也不适宜应用于声表面波标签上。与线圈天线不同，印刷天线利用电磁波的反向散射来相互传递信息，是一种工作在超高频和微波波段，工作距离可达到10m以上的远场天线。此外，印刷天线还具有剖面低，结构简单等特点，非常适用于制作各种类型的标签天线[9、10]。

考虑到天线的成本和应用，根据要求选择的介质材料为厚度1.6mm、介电常数4.5、损耗角正切tan delt=0.018的软质PVC板。天线的轮廓由厚度为0.018毫米的铝贴片制成。基于贴片天线理论并使用ADS软件进行相应仿真后，制成的小型化印刷天线结构如图6所示（天线的实际尺寸仅约为3*4cm）。用网络矢量分析仪测得的天线随频率变化的回波损耗如图7所示。

图6 印刷天线实物图

图7 天线的回波损耗

在天线满足通信系统所要求的回波损耗小于-10dB的要求下，天线工作的中心频率为2.5GHz，带宽在2.40240～2.59960GHz，完全满足天线设计时所需要的频率和带宽要求。

3 结论

为了减小声表面波标签的整体尺寸，本文仿真模拟了相同尺寸，相同叉指下，压电基体为不同晶体及相同晶体不同切向时声表面波的性质，为选择高的频率稳定性和能量转换效率基底材料提供了依据。从而使声表面波标签具有更加紧凑的结构，减小压电基片的尺寸。设计了一款小型化贴片天线，测量验证了这款小型化天线完全满足声表面波射频识别的需要。

[1]Plessky, V.P.GVR Trade SA, Bevaix, Switzerland, “Review on SAW RFID tags” Frequency Control Symposium, 2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum.IEEE International,2009, Besancon,20-24：14 – 23.

[2]王玉林，曹金荣，前锋，等.声表面波射频识别无源电子标签[J].固体电子学研究与进展，2007，27(1).

[3]P.V.Nikitin and K.V.S.Rao, “LabVIEW-based UHF RFID tag test and measurement system”,IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009，56（7）：2374-2381.

[4]盖学周.压电材料的研究发展方向和现状[J].中国陶瓷，2008,44(5).

[5]张军，韩胜元，卢贵武，夏海瑞.铌酸锂晶体电子结构和光学性质计算[J].中国激光，2007，34(9).

[6]陈晓莉，王培吉.对晶体电光调制实验中输出光波曲线特性的理论分析[J].实验技术与管理，2008，25(1).

[7]鲍尔IJ，布哈蒂亚P.微带天线[M].梁联倬，寇廷耀译.北京：电子工业出版社，1985：132-147.

[8]李秀萍，刘禹.基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计[J].北京邮电大学学报，2006，29(5).

[9]Hung, K.F.and Lin, Y.C., “Novel broadband circularly polarized cavity-backed aperture antenna with traveling wave excitation,”IEEE Trans.Antennas and Prop., Jan.2010 ，58（1）：35-42.

[10]Amin Rida, Li Yang, Rushi Vyas, “Design and Integration of Inkjet-printed Paper-Based UHF Components for RFID and Ubiquitous Sensing Applications” Proceedings of the 37th European Microwave Conference October 2007, Munich Germany :724-727.