大容量远距离声表面波标签研究

贾 浩 陈智军 徐海林 李亚飞

1.南京航空航天大学自动化学院，南京，2111062.中国电子科技集团公司第55研究所，南京，210016

0 引言

声表面波(surface acoustic wave,SAW)标签是声表面波射频识别系统的核心组成部分，其性能直接决定系统的整体性能[1-2]。脉冲幅度[3]和脉冲位置编码[4]是声表面波标签常用的两种编码方案，但是均存在编码容量不大等缺点。相位步进脉冲位置编码在脉冲位置编码的基础上，对相位进行更为精细的编码，利用相位的高分辨率弥补时间分辨率的不足，提高了标签的编码容量。双通道标签将声波的传播路径一分为二，形成两个声通道，相对于单通道标签，其在回波幅值和回波一致性上都有所提高。本文从SAW标签的编码方案和标签结构角度出发，设计制作了采用相位步进脉冲位置编码的双通道标签，以满足实际使用中的大容量和远距离要求[5-6]。

1 声表面波标签

SAW标签是基于压电效应工作的，主要由压电基底、叉指换能器(inter-digital transducer,IDT)和反射栅构成，如图1所示。

图1 声表面波标签结构示意图Fig.1 Schematic diagram of surface acoustic wave tag structure

对于SAW标签，压电基底的材料选择至关重要，其性能直接影响SAW标签的性能。选择压电材料时，需要考虑的参数有SAW波速、机电耦合系数和传输损耗等。IDT是产生SAW的一种电声换能器，由分别连接到上下汇流条的金属指条交叉组合而成。当激励信号加载到汇流条两端时，在基底表面建立起交变电场，通过逆压电效应在压电基底表面激发出声表面波。反射栅一般由周期性的金属栅条构成，由于金属栅条与压电基底之间的声阻抗不连续将产生机械反射，同时，反射栅中还存在声电再生效应，也会产生电学反射[7]。

SAW标签应用于射频识别系统时，其工作过程如图2所示。阅读器发射的射频查询脉冲经标签天线接收进入IDT，通过逆压电效应转换为声表面波；声表面波在沿压电基底传播的过程中遇到反射栅产生部分反射和部分透射，各反射栅的反射信号由IDT经正压电效应转换为回波脉冲串；阅读器通过回波脉冲串时间延迟与反射栅位置之间的关系来获得标签编码信息[8]。由于SAW的传播速度为3～4 km/s，比电磁波低5个数量级，因此经过电-声、声-电转换之后的回波脉冲串与环境干扰信号在时间上能够明显区分开来，具有极强的抗干扰能力，这也是声表面波射频识别系统的优势之一。

图2 声表面波射频识别系统Fig.2 Surface acoustic wave radio frequency identification system

2 相位步进脉冲位置编码方案

声表面波标签最常见的编码方案是脉冲幅度和脉冲位置编码，分别如图3a、图3b所示。图3b中，d1为数据区与起始和截止反射栅之间以及相邻数据区之间的间隔，d2为数据区内相邻时隙的间隔。

图3 常见的声表面波标签编码方案Fig.3 Common surface acoustic wave tag coding scheme

脉冲幅度编码通常是在SAW标签的有效区域内等间距排列多个位置固定的时隙，每个时隙代表一位编码，通过时隙上有无反射栅来实现1、0编码，类似于二进制编码方案[3]。以图3a所示的标签为例，其编码为10110101。对于具有8位编码的SAW标签，其容量为28=256。

脉冲幅度编码存在一定的局限性。首先，标签的编码密度较低；其次，不同标签的反射栅数目和位置各不相同，使得回波幅值差异较大，即回波一致性较差，导致标签的有效识别变得困难。

脉冲位置编码利用回波脉冲相对于参考点的时延对标签进行编码。在基底上划分不同的数据区，数据区之间以隔离区区分，每个数据区内又等间距地划分一定数量的时隙，同一数据区内可以放置一个或多个反射栅[4]。以图3b所示的标签为例，起始反射栅和截止反射栅作为参考，其数据区的时隙编码为2-1-3-0-2-1。若规定每个数据区只放一个反射栅，则上述标签的编码容量为46=4 096。

与脉冲幅度编码相比，在相同的编码容量下，脉冲位置编码大幅度减少了回波脉冲个数，即减少了反射栅的数量，从而降低了标签的插入损耗，提高了回波信号的信噪比。若每个数据区只存在一个反射栅，则不同编码的标签只是反射栅位置发生变化，反射栅个数仍保持不变，SAW的传输损耗是相近的，因此具有较好的回波一致性。

虽然脉冲位置编码的编码容量比脉冲幅度编码有了本质上的提高，但其容量仍然有限，从而限制了声表面波射频识别系统的大规模应用。事实上，在标签的回波信号中，不仅包括幅度和时延信息，还包括相位信息，并且相位分辨率远大于时间分辨率。相位延迟与时间延迟之间的关系为

Δφ=2πfΔτ

(1)

式中，Δτ为时间延迟；Δφ为相应的相位延迟；f为查询脉冲的载波频率。

相位步进脉冲位置编码将脉冲时延编码与相位编码相结合，通过相位测量的高分辨率来弥补时间分辨率的不足。采用相位步进脉冲位置编码方案的标签结构如图4所示，该标签包含1个起始反射栅、1个截止反射栅和6个数据区，每个数据区内包含4个时隙，分别编码为0、1、2和3，进一步地，每个时隙内又细分为3个步进相位0°、120°和240°，分别编码为A、B和C。上述采用相位步进脉冲位置编码方案的标签，其编码容量为(4×3)6=2 985 984，接近300万，可满足很多场合的应用要求。

图4 相位步进脉冲位置编码方案Fig.4 Phase stepping pulse position coding scheme

对采用上述编码方案的标签进行解码时，采用数字正交解调方法提取时隙和相位信息，过程如图5所示。

图5 数字正交解调过程Fig.5 Digital quadrature demodulation process

回波经过AD采样的数字信号可以用下式描述：

(2)

式中，f0为采样信号的中心频率；N为回波脉冲串的数量，即标签的反射栅数量；Ai(n)为第i个反射栅的回波包络幅值；φi为第i个反射栅的相位。

数控振荡器(numerically controlled oscillator,NCO)是数字正交解调的重要组成部分，分别产生相互正交的I、Q两路信号inco(n)、qnco(n)：

(3)

将I、Q两路信号分别与采样信号混频，可得到I′(n)、Q′(n)两路信号：

(4)

采用低通滤波滤除I′(n)、Q′(n)信号中的高频项，得到基带信号I(n)、Q(n)：

(5)

将基带信号代入下式，便可解算出回波信号的时隙编码和相位编码：

(6)

(7)

3 单通道与双通道标签对比分析

在单通道声表面波标签的基础上，将声波传播路径划分为上下两个通道，并将反射栅依序置于两个通道，便可以得到双通道声表面波标签。单、双通道声表面波标签的结构如图6所示。

图6 两种声表面波标签的结构Fig.6 Structure of two types of surface acoustic wave tag

当SAW在传播过程中经过反射栅时，一部分能量因栅条与基底的声阻抗不匹配产生反射，另一部分能量透射，还有极少的一部分能量散射。对于反射栅，可列出能量守恒公式如下：

R2+T2+Esc=1

(8)

式中，R、T、Esc分别为反射栅的反射率、透射率和散射能量，Esc通常取常数0.023。

反射栅的反射率与图1所示的构成反射栅的金属栅条宽度、厚度和条数有关。金属栅条的宽度和厚度越大、条数越多，反射率越高[9-10]。通常为便于工艺制作，声表面波标签各反射栅的金属栅条的宽度、厚度以及条数均相等。

以单通道标签为例，图7描述了声表面波依次经过各反射栅时的反射、透射过程，以及与该过程有关的参数和反射栅对应的回波。

图7 声表面波经过各反射栅时的反射和透射过程Fig.7 Reflection and transmission of surface acoustic wave passing through reflector

忽略反射栅间的多次反射影响，第i个反射栅对应的回波幅值可写成如下形式：

Si=FiS0

(9)

式中，S0为标签的输入信号幅值；Fi为第i个回波的衰减系数。

以第1个反射栅即起始反射栅对应的第1个回波为例，其衰减系数可写为如下形式[11]：

(10)

式中，D为IDT的电-声、声-电换能系数；P0为第1个反射栅与IDT之间的传输损耗。

相邻回波之间的衰减系数存在如下递推关系：

(11)

式中，Pi为第i+1个反射栅与第i个反射栅之间的传输损耗。

由式(11)可知，对于SAW标签，当在声表面波传播路径上依次分布着若干个反射率相同的反射栅时，各反射栅对应的回波幅值呈现逐渐减小的趋势，即在所有反射栅中，起始反射栅对应的回波幅值最大，截止反射栅对应的回波幅值最小。

综上所述，如果系统能够成功读取截止反射栅对应的回波，就能保证对其他回波的读取，从而实现对SAW标签的有效识别。因此，截止反射栅的回波幅值可以表征标签以及系统的性能。起始反射栅与截止反射栅对应的回波幅值之差可以表征标签的回波一致性，幅值差越小，回波一致性越好。

对于如图6a所示的包括8个反射栅的单通道标签，当各个反射栅的反射率相同时，其截止反射栅对应回波的衰减系数为

D2(P′8)2T14R

(12)

式中，P′8为截止反射栅与IDT之间的传输损耗。

由于压电材料的传输损耗与其传输距离成正比，因此针对单通道声表面波标签，可推导出表征标签回波一致性的起始反射栅与截止反射栅对应的回波幅值差：

(13)

式中，PL为截止反射栅与起始反射栅之间的传输损耗，回波幅值差以分贝的形式表述。

对于图6b所示的双通道声表面波标签，每个通道的SAW能量为图6a单通道的一半，且每个通道上SAW经过的反射栅数目也减少到单通道的一半。对式(12)进行修正，可得到双通道标签截止反射栅对应回波的衰减系数：

(14)

相应地，表征双通道声表面波标签回波一致性的幅值差：

(15)

基于上述理论分析，针对各反射栅反射率均相同的单通道与双通道声表面波标签，对其回波幅值进行了仿真，仿真结果如图8所示。图8a为两种标签的起始、截止反射栅回波幅值随反射栅反射率的变化，图8b为表征回波一致性的起始、截止反射栅回波幅值差的相应变化。

图8 单通道与双通道声表面波标签的回波幅值Fig.8 Echo amplitude of single and dual-channelsurface acoustic wave tag

分析仿真结果，可得出如下结论：

(1)无论单通道还是双通道声表面波标签，起始反射栅的回波幅值都随反射栅的反射率增大而增大，截止反射栅在反射率较小时有相同的变化趋势，之后则随反射栅的反射率增大而减小。鉴于截止反射栅的回波幅值用于表征标签以及系统的性能，因此为保证标签具有足够的识别距离，反射栅的反射率不能过大。

(2)在反射栅反射率相同的前提下，双通道标签的截止反射栅回波幅值明显大于单通道标签，表明双通道标签具有更远的识别距离。

(3)无论单通道还是双通道声表面波标签，随着反射栅反射率的增大，起始与截止反射栅对应的回波之间的幅值差也越大。为保证标签具有较好的回波一致性，反射栅反射率不能过大。

(4)在反射栅反射率相同的前提下，双通道标签的起始与截止反射栅的回波幅值差明显小于单通道标签，表明双通道标签具有更好的回波一致性。

(5)对于反射栅数量相同的单通道与双通道声表面波标签，在回波一致性相同的前提下，双通道标签可以选取更大的反射栅反射率，从而使得标签的识别距离更远。

4 标签测试

实际制作了内部结构如图6所示的单通道、双通道两种声表面波标签，两种标签均采用图4所示的相位步进脉冲位置编码方案。标签的压电基底为Y-Z铌酸锂，中心频率为922.5 MHz。双通道标签的每个反射栅均由4个金属栅条构成，大于单通道标签每个反射栅的3个金属栅条，从而使得双通道标签的反射栅反射率大于单通道标签。

图9 封装后的声表面波标签Fig.9 Packaged surface acoustic wave tag

两种标签封装后的外观完全一样。声表面波标签实物和焊接在测试座上的标签分别如图9a、图9b所示。通过网络分析仪测量标签的S11参数，并将频域的S11数据通过逆傅里叶变换得到时域回波信息。采用网络分析仪的单通道、双通道声表面波标签时域回波测试结果如图10a、图10b所示。

图10 采用网络分析仪的声表面波标签时域回波测试结果Fig.10 Time domain echo test result of surface acoustic wave tag using network analyzer

从图10a可以看出，单通道声表面波标签的8个回波幅值逐渐减小。对于图10b所示的双通道标签回波信号，由于奇数号和偶数号反射栅分别位于上下两个不同的通道，因此，位于不同通道的相邻近的奇、偶数号反射栅对应的回波，其幅值近似相等，而在各自通道内，其回波幅值仍然呈现依次递减的趋势。上述两种标签的测试结果与理论分析和数值仿真一致。比较图10a和图10b可以发现，双通道标签的回波幅值明显大于单通道标签的回波幅值，表明双通道标签的性能更优，具有更远的识别距离。

为进一步定量分析单通道、双通道两种标签的识别距离，自制阅读器对标签进行了测试。阅读器的接收机灵敏度为-66 dBm，阅读器原理框图和相应的实物分别如图11a、图11b所示。实际搭建的包括声表面波标签和阅读器的射频识别系统如图12所示。

图11 阅读器Fig.11 The reader

图12 实际搭建的声表面波射频识别系统Fig.12 Surface acoustic wave radio frequency identification system

采用阅读器的声表面波标签测试结果如图13所示。图13a、图13b为双通道标签在距离5 m左右时的回波幅值、相位信息，图13c为相应的下位机界面，可以准确识别标签的编码“2A-1B-3A-0B-2A-1B”。将标签逐渐远离阅读器进行测试，图13a所示的回波幅值随之逐渐减小，系统最终无法识别编码信息。对单双通道声表面波标签都进行了测试，双通道标签最远识别距离可达7.8 m，远大于单通道标签的2.2 m识别距离。除室内环境外，在室外噪声较大的环境也进行了测试，由于声表面波标签本身的抗干扰能力强，双通道标签依然能达到7 m左右的识别距离。与近年来国内外同行5 m以内的识别距离[12-14]相比，本文具有较明显的提升。

图13 采用阅读器的声表面波标签测试结果Fig.13 Test results of surface acoustic wave tag using reader

5 结论

(1)本文在声表面波标签脉冲幅度、脉冲位置编码的基础上，设计了相位步进脉冲位置编码方案，利用相位测量的高分辨率来弥补时间分辨率的不足，从而实现大容量编码。

(2)通过理论推导和仿真分析对比研究了单通道与双通道声表面波标签的回波幅值、回波一致性与反射栅反射率之间的关系。仿真结果表明，在反射栅反射率相同的前提下，双通道标签具有更远的识别距离和更好的回波一致性。与此同时，对于反射栅数量相同的两种标签，双通道标签可以选取更高的反射栅反射率，从而具有更远的识别距离。

(3)实际制作了单通道、双通道两种声表面波标签，分别采用网络分析仪和自制阅读器对标签进行了测试，测试结果验证了采用相位步进脉冲位置编码方案双通道标签的大容量和远距离特点。