0 引言

    射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)是一項(xiàng)通過射頻波提取遠(yuǎn)距離標(biāo)簽編碼信息的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。如今在倉儲(chǔ)、物流、高速路車輛收費(fèi)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用^[1]。通常射頻識(shí)別系統(tǒng)由兩個(gè)主要的部分組成：一部分是用于編碼數(shù)據(jù)的應(yīng)答器或標(biāo)簽，另一部分為提取標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)的裝置(即閱讀器)^[2]。射頻識(shí)別標(biāo)簽具有替代光學(xué)條形碼的巨大潛力，但是由于目前標(biāo)簽中通常存在價(jià)格較為昂貴的硅芯片，導(dǎo)致標(biāo)簽不能以低成本來制造^[3]。目前已有一些研究機(jī)構(gòu)投入到無芯片RFID標(biāo)簽的研究中。由于其不含硅芯片，編碼信息僅通過其結(jié)構(gòu)特性來體現(xiàn)。標(biāo)簽可以采用導(dǎo)電油墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，因而可以很大程度降低生產(chǎn)成本，所以無芯標(biāo)簽的研究得到了廣泛的關(guān)注。

    目前已提出了基于時(shí)域、頻域、幅值和相位編碼的無芯片射頻識(shí)別標(biāo)簽技術(shù)^[4]。在基于時(shí)域編碼的無芯射頻識(shí)別標(biāo)簽中，僅基于聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)標(biāo)簽滿足編碼容量的需求，但是它需要價(jià)格昂貴的壓電晶體，而且需要較大的標(biāo)簽尺寸來實(shí)現(xiàn)較大的編碼容量，很難滿足未來消費(fèi)品市場(chǎng)對(duì)于標(biāo)簽大容量、小尺寸的要求。

    在基于幅值和相位編碼技術(shù)方面，可運(yùn)用交叉極化散射相位編碼方式，通過在標(biāo)簽上加載多個(gè)貼片天線來滿足編碼容量的需求^[5]。但由于多徑傳輸很容易產(chǎn)生誤比特率，會(huì)導(dǎo)致讀取標(biāo)簽編碼信息失敗。

    與基于時(shí)域和幅值相位編碼的標(biāo)簽相比，基于頻域編碼的無芯片射頻識(shí)別標(biāo)簽具有更大的編碼容量，已經(jīng)提出了35位的螺旋諧振標(biāo)簽和交叉極化磁單極子天線^[6]。在近場(chǎng)區(qū)，低成本無芯標(biāo)簽可中在常規(guī)ID卡的尺寸上實(shí)現(xiàn)9 bit數(shù)據(jù)編碼。

    但上面提到的基于頻域編碼的無芯射頻識(shí)別標(biāo)簽對(duì)入射波的方向有一定的要求，而且對(duì)其極化角度同樣有一定的要求，從而需要閱讀器進(jìn)行定向提取。而本文提出的基于頻域編碼的無芯標(biāo)簽具有方向獨(dú)立性，具有16 bit數(shù)據(jù)的編碼容量，且尺寸僅為28 mm×28 mm，可采用油墨打印技術(shù)打印，能較為靈活地覆蓋在識(shí)別目標(biāo)上，滿足目前對(duì)于大容量標(biāo)簽的需求。

1 無芯RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

1.1 標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)

    不同長(zhǎng)度的菱形貼片諧振器能產(chǎn)生不同諧振頻率，每一個(gè)標(biāo)簽諧振頻率信號(hào)代表1 bit編碼數(shù)據(jù)。本文提出的結(jié)構(gòu)具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

    (1)貼片結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)曲線在散射區(qū)域內(nèi)無2次和3次諧波分量，即增加諧振單元后，不會(huì)對(duì)其他結(jié)構(gòu)的諧振頻率造成干擾。單個(gè)結(jié)構(gòu)的仿真分析如圖1所示。

    由圖1的RCS曲線可以看出，本文設(shè)計(jì)的無芯標(biāo)簽可以在FCC規(guī)定的整個(gè)超寬范圍(3.1～10.6 GHz)內(nèi)進(jìn)行編碼。

    (2)由于標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)為連續(xù)的，可以得到較為緊密的頻率信號(hào)，從而可以獲得較大的編碼容量。

    (3)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，使得閱讀器可以在任何極化方向獲取標(biāo)簽的編碼信息，即標(biāo)簽具有方向獨(dú)立性。

1.2 無芯標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

    本文提出的無芯標(biāo)簽結(jié)構(gòu)在矩量法電磁仿真軟件環(huán)境下完成了設(shè)計(jì)與仿真，如圖2所示。仿真設(shè)置選用介電常數(shù)為ε_r=3.38、損耗角正切為tanδ=0.002、厚度為h=0.8 mm的RO 4003材料基板。用線極化的遠(yuǎn)場(chǎng)平面波激勵(lì)無芯RFID標(biāo)簽，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域觀測(cè)標(biāo)簽的RCS曲線。

    一個(gè)N位加載的方向獨(dú)立菱形貼片諧振標(biāo)簽如圖3所示。其中L為基板的長(zhǎng)度，L₁為最長(zhǎng)諧振單元的長(zhǎng)度，L₂為最短的結(jié)構(gòu)單元，W₁和W₂分別為諧振單元的寬度和相鄰諧振單元的間隔。

    當(dāng)采用平面波激勵(lì)菱形貼片諧振標(biāo)簽時(shí)，在仿真結(jié)果的頻率軸上會(huì)出現(xiàn)與諧振結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的波峰和波谷，即諧振單元結(jié)構(gòu)具有頻率選擇特性。因此，可以通過增加諧振單元的個(gè)數(shù)來增加編碼容量，或者通過改變諧振單元的寬度和相鄰諧振單元的間隔大小來調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的RCS曲線。

1.3 標(biāo)簽識(shí)別的工作原理

    無芯標(biāo)簽檢測(cè)和識(shí)別工作原理如圖4所示。

    用線極化傳輸天線（TX）來激勵(lì)標(biāo)簽，之后攜帶有標(biāo)簽頻率編碼信息的后時(shí)響應(yīng)信號(hào)被另一個(gè)線極化的接收天線（RX）接收。RFID閱讀器讀取和解碼分析后，與存儲(chǔ)在信息庫中的信息進(jìn)行匹配，最后完成無芯標(biāo)簽的識(shí)別。

2 無芯標(biāo)簽的仿真和編碼分析

2.1 無芯標(biāo)簽仿真

    仿真的結(jié)構(gòu)采用基板為邊長(zhǎng)為L(zhǎng)=24 mm的正方形，第一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁=11.30 mm，寬度W₁和W₂均為0.2 mm，最小結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)L₂=5.93 mm。

    通過諧振單元RCS曲線對(duì)應(yīng)波谷有無來編碼標(biāo)簽信息，當(dāng)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的RCS曲線波谷存在時(shí)編碼為“1”，反之為“0”。

    10位編碼數(shù)據(jù)標(biāo)簽在編碼全為1時(shí)，入射波極化角度分別為0°、30°、60°、90°時(shí)的仿真結(jié)果如圖5所示。

    由圖5可見，在極化角度改變時(shí)，標(biāo)簽的RCS曲線基本不變，驗(yàn)證了標(biāo)簽具有方向獨(dú)立性。

    圖6為無芯RFID標(biāo)簽不同編碼信息的結(jié)構(gòu)圖，圖7為對(duì)應(yīng)的RCS曲線。無芯標(biāo)簽在介電常數(shù)為ε_r=3.38、損耗角正切為tanδ=0.002、基板厚度為h=0.8 mm的RO 4003板材上進(jìn)行仿真。

    標(biāo)簽的ID信息分別為：ID-1111111111、ID-1011011011和ID-0000000000。從仿真的RCS圖可以看出，代表不同編碼信息的標(biāo)簽具有明顯的區(qū)別。在結(jié)構(gòu)上移除部分貼片單元造成的頻移較小，滿足可識(shí)別碼的編碼需求。且結(jié)構(gòu)中間為空心的設(shè)計(jì)，有效地減小了由于相鄰諧振單元之間耦合造成的高頻部分頻點(diǎn)偏移，既節(jié)省了頻帶寬度，又提高頻帶利用率，在有限的頻帶寬度內(nèi)實(shí)現(xiàn)大的數(shù)據(jù)編碼容量。

2.2 無芯標(biāo)簽編碼分析

    如圖7所顯示的RCS曲線，僅從圖形的角度觀測(cè)曲線的變化，很難定量地去分析結(jié)構(gòu)的特性。因此將得到的RCS曲線通過矩陣束算法(Matrix Pencil Method，MPM)^[7]提取諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)信息的定量提取。將包含全部單元的結(jié)構(gòu)命名為ID-1111111111，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖6(c)所示；無諧振單元結(jié)構(gòu)的命名為ID-0000000000，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示；去掉部分諧振單元結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)命名為ID-1011011011，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。

    通過MATLAB編程實(shí)現(xiàn)波谷點(diǎn)的提取，3種無芯標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的編碼信息ID-1111111111、ID-1011011011、ID-0000000000展示如圖8所示。

    從圖8中可以看出，標(biāo)簽的RCS對(duì)應(yīng)波谷點(diǎn)的提取準(zhǔn)確性高，偏移量很小，滿足無芯標(biāo)簽編碼準(zhǔn)確性的要求。不同編碼信息的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)與諧振點(diǎn)的對(duì)應(yīng)具有很好的區(qū)分性。

    但是考慮到存在頻率的偏移情況，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大、頻率分辨率較小時(shí)，僅憑視覺上的直觀的判斷，不僅工作復(fù)雜，而且很容易造成諧振頻點(diǎn)的誤判，從而導(dǎo)致讀取編碼信息的錯(cuò)誤。因此本文提出了一種基于識(shí)別頻點(diǎn)差量的差分編碼算法。

    編碼步驟如下：

    (1)仿真得出無芯RFID標(biāo)簽的RCS曲線，定義全部的結(jié)構(gòu)無芯標(biāo)簽編碼信息為參考量。

    (2)將標(biāo)簽全部編碼信息存入到編碼庫中。

    (3)v₁(f₁，f₂，…，f_N)為通過矩陣束算法分析得出的一個(gè)頻率分量。

    (4)v_s(f_s1，f_s2，…，f_sN)為存入的編碼庫中與v₁(f₁，f₂，…，f_N)最接近的分量。

    (5)若|f_si-f_i|≤d_min(i=1，2，…，N)(其中d_min為全部頻率點(diǎn)中最小相鄰頻率點(diǎn)距離的1/2)，則判定其為識(shí)別信息v_s。

    (6)如果|f_si-f_i|≤d_min(i=1，2，…，N)判定條件不成立，則視其為非編碼信息。

    由表1中可以看出，經(jīng)差量編碼提取后的波谷點(diǎn)誤差很小，最大的誤差為0.07 GHz，小于最小相鄰波谷頻率點(diǎn)差值的一半：（3.53-3.34）/2=0.095 GHz。故此編碼方法可以達(dá)到識(shí)別效果。

3 結(jié)論

    本文分析了標(biāo)簽編碼的重要性，設(shè)計(jì)了基于頻域方向獨(dú)立性的無芯RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽的尺寸為28 mm×28 mm，工作頻段為3.17 GHz~6.12 GHz，在FCC規(guī)定的3.1 GHz～10.6 GHz的超寬帶頻段范圍內(nèi)。本文設(shè)計(jì)的無芯標(biāo)簽具有10 bit編碼數(shù)據(jù)容量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真分析， 所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)目前可實(shí)現(xiàn)16 bit編碼容量，滿足小尺寸、大編碼容量的需求。通過差分編碼方法分析后，可以對(duì)標(biāo)簽的諧振信息進(jìn)行更好的編碼識(shí)別。

    后續(xù)研究將著重于分析不同基板材質(zhì)對(duì)諧振頻點(diǎn)的影響，完成在不同介質(zhì)條件下標(biāo)簽的準(zhǔn)確識(shí)別。而后將進(jìn)一步優(yōu)化識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)諧振頻率總的誤差不大于最小分辨率的1/2。

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作者信息:

王金魁，鄒傳云，胥  磊

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010）