基于双极化波激励的新型无芯片RFID标签设计*

夏正浩， 邹传云， 王金魁， 郎跃磊

(西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引 言

无芯片标签不含任何芯片和微控制器，较传统射频识别(radio frequency identification,RFID)标签[1]，价格降低的同时也提高了系统识别效率[2]。文献[3]提出的基于圆环缝隙的标签结构，圆环结构的极化不敏感特性方便了阅读器各个角度的读取，但标签不容易起振。文献[4]提出的一种具有双极化特性的“I”型缝隙标签结构，编码容量仅提高2倍且标签尺寸相对较大。文献[5]中提出的“C”型标签结构，根据标签结构特性所提出的混合编码方式将编码容量增加4倍，但标签编码方式复杂，且对阅读器的识别性能提出了较高的要求。

本文设计了一种新型紧凑的双极化无芯片标签，通过在标签基板上蚀刻左右对称的具有正交极化特性的“M”型缝隙谐振器，编码容量加倍，高Q值的标签雷达散射截面(radar cross section,RCS)响应具有尖锐的陷波凹口，可以清楚地分辨各个谐振点，利用频移编码技术进一步提高了标签的编码容量。

1 标签结构和工作原理

图1所示为12 mm×18 mm的无芯片标签结构，由蚀刻在矩形基板上的2组对称的“M”型缝隙谐振器构成，基板材料为Taconic TLX-8(介电常数εr=2.23，损耗角正切tanδ=0.001 9，厚度h=0.5 mm)。通过电磁仿真软件(CST)对标签尺寸参数进行优化，获得在6～14 GHz固定带宽内不同的谐振频点。图中L1～L4分别为7.5,6.4,5.1,3.5 mm;M1～M4分别为1,1.3,1.8,2.5 mm;W,S,D分别为0.2，0.3，1.3 mm。

每个缝隙谐振器对应一个谐振频率，最小长度的谐振器以最高的谐振频率谐振，最大长度的谐振器将以最小谐振频率谐振[6]。当缝隙谐振器存在时，回波信号的RCS频谱上便有对应的谐振点，将其编码为“1”；当缝隙谐振器缺失时，接收到的RCS频谱上对应的谐振点消失，编码为“0”。通过改变谐振器的数目，便可以获得标签的不同编码状态。该方法为目前文献中使用最为广泛的标签编码方法[7～10]。

图1 无芯片标签结构

无芯片RFID系统的工作原理如图2所示，阅读器通过一对双极化天线发射入射波照射双极化标签，标签受到入射波激励便会反向散射与结构自身相关的回波信号，阅读器的一对双极化天线接收到编码回波信号后，便会通过相应的信号处理算法解码标签，获得标签的编码信息，完成对无芯片标签的检测和识别。

图2 双极化无芯片RFID标签的工作原理

2 标签特性分析

为更好说明所设计标签结构特性，分别用-45°和+45°极化波照射图1中标签左半部分结构，其RCS仿真曲线如图3所示。

图3 双极化波照射后的RCS仿真曲线

4个“M”型缝隙谐振器在-45°极化波照射下产生4个谐振频率点，谐振特性明显可清楚地识别各个谐振频率，分别为7.16，8.54，10.30，12.56 GHz。而在+45°极化波照射下，标签没有反应，表明其对正交极化波具有良好的抗干扰性。高Q值的RCS谐振响应具有更尖锐的凹口，每个谐振器分配2 GHz的信道带宽。4个“M”型缝隙谐振器通过旋转90°得到另一组对称的缝隙谐振器，同样使用±45°双极化波照射，标签只对+45°的极化波的照射产生响应，因此，只有相同极化角度的阅读器天线才能接收到其响应信号。

阅读器通过利用一对正交极化的发射天线激励标签结构，阅读器一对正交极化接收天线可以解码2组编码信息，实现编码容量加倍。±45°极化波照射图1所示标签结构得到的RCS仿真曲线如图4所示。

图4 ±45°极化波照射标签结构的RCS仿真曲线

可以得出，左右对称的2组“M”型缝隙谐振器分别很好地响应2个角度的极化入射波，谐振频率相互吻合。

3 无芯片标签的编码分析

在固定带宽内，极化复用只能将编码容量加倍，为进一步增加编码容量，根据标签RCS响应特性，使用频移编码技术。利用-45°极化波照射该标签，左侧标签响应，通过减少L2的长度，其对应谐振频率向右发生频移，利用谐振点的频移便可以得到更多的编码状态。改变L2长度得到的RCS仿真曲线如图5所示。

图5 不同L2对应的RCS仿真曲线

可以看出，在8～10 GHz的2 GHz带宽内，改变L2的长度(6.4，6.3，6.2，6.1，6.0，5.9，5.8，5.7 mm)得到了8个可清楚识别的谐振点，谐振点的频移产生了000，001，010，011，100，101，110，111的8种编码状态，因此，每个谐振器可以编码log28=3 bit，4只谐振器即可以编码12 bit，通过极化复用，在8 GHz的固定带宽内编码容量达到24 bit，编码密度达到11.1 bit/cm2，远高于其他文献[11，12]。

4 结 论

本文设计了一种使用±45°极化波激励的新型紧凑的无芯片RFID标签。相比传统编码方式，通过频移编码技术及极化复用，编码容量提高了6倍，在2.16 cm2面积内，编码容量达到24 bit。该标签结构具有紧凑的尺寸、极高的编码密度，更适用于实际需求。