基于方向獨立無芯RFID標簽的頻域編碼研究

　　引言

　　射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一項通過射頻波提取遠距離標簽編碼信息的非接觸式自動識別技術。如今在倉儲、物流、高速路車輛收費等領域得到廣泛應用。通常射頻識別系統(tǒng)由兩個主要的部分組成：一部分是用于編碼數(shù)據的應答器或標簽，另一部分為提取標簽編碼數(shù)據的裝置(即閱讀器)。射頻識別標簽具有替代光學條形碼的巨大潛力，但是由于目前標簽中通常存在價格較為昂貴的硅芯片，導致標簽不能以低成本來制造。目前已有一些研究機構投入到無芯片RFID標簽的研究中。由于其不含硅芯片，編碼信息僅通過其結構特性來體現(xiàn)。標簽可以采用導電油墨打印技術實現(xiàn)生產，因而可以很大程度降低生產成本，所以無芯標簽的研究得到了廣泛的關注。

　　目前已提出了基于時域、頻域、幅值和相位編碼的無芯片射頻識別標簽技術。在基于時域編碼的無芯射頻識別標簽中，僅基于聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)標簽滿足編碼容量的需求，但是它需要價格昂貴的壓電晶體，而且需要較大的標簽尺寸來實現(xiàn)較大的編碼容量，很難滿足未來消費品市場對于標簽大容量、小尺寸的要求。

　　在基于幅值和相位編碼技術方面，可運用交叉極化散射相位編碼方式，通過在標簽上加載多個貼片天線來滿足編碼容量的需求。但由于多徑傳輸很容易產生誤比特率，會導致讀取標簽編碼信息失敗。

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

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

　　1 無芯RFID標簽的設計

　　1.1 標簽的結構

　　不同長度的菱形貼片諧振器能產生不同諧振頻率，每一個標簽諧振頻率信號代表1 bit編碼數(shù)據。本文提出的結構具有以下3個優(yōu)點。

　　(1)貼片結構對應的雷達散射截面(Radar Cross Section，RCS)曲線在散射區(qū)域內無2次和3次諧波分量，即增加諧振單元后，不會對其他結構的諧振頻率造成干擾。單個結構的仿真分析如圖1所示。

　　由圖1的RCS曲線可以看出，本文設計的無芯標簽可以在FCC規(guī)定的整個超寬范圍(3.1～10.6 GHz)內進行編碼。

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

　　(3)標簽結構具有對稱性，使得閱讀器可以在任何極化方向獲取標簽的編碼信息，即標簽具有方向獨立性。

　　1.2 無芯標簽的設計

　　本文提出的無芯標簽結構在矩量法電磁仿真軟件環(huán)境下完成了設計與仿真，如圖2所示。仿真設置選用介電常數(shù)為εr=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。用線極化的遠場平面波激勵無芯RFID標簽，在遠場區(qū)域觀測標簽的RCS曲線。

　　一個N位加載的方向獨立菱形貼片諧振標簽如圖3所示。其中L為基板的長度，L1為最長諧振單元的長度，L2為最短的結構單元，W1和W2分別為諧振單元的寬度和相鄰諧振單元的間隔。

　　當采用平面波激勵菱形貼片諧振標簽時，在仿真結果的頻率軸上會出現(xiàn)與諧振結構對應的波峰和波谷，即諧振單元結構具有頻率選擇特性。因此，可以通過增加諧振單元的個數(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節(jié)對應的RCS曲線。

　　1.3 標簽識別的工作原理

　　無芯標簽檢測和識別工作原理如圖4所示。

　　用線極化傳輸天線(TX)來激勵標簽，之后攜帶有標簽頻率編碼信息的后時響應信號被另一個線極化的接收天線(RX)接收。RFID閱讀器讀取和解碼分析后，與存儲在信息庫中的信息進行匹配，最后完成無芯標簽的識別。

　　2 無芯標簽的仿真和編碼分析

　　2.1 無芯標簽仿真

　　仿真的結構采用基板為邊長為L=24 mm的正方形，第一個結構單元的長度為L1=11.30 mm，寬度W1和W2均為0.2 mm，最小結構單元的長L2=5.93 mm。

　　通過諧振單元RCS曲線對應波谷有無來編碼標簽信息，當對應結構的RCS曲線波谷存在時編碼為“1”，反之為“0”。

　　10位編碼數(shù)據標簽在編碼全為1時，入射波極化角度分別為0°、30°、60°、90°時的仿真結果如圖5所示。

　　由圖5可見，在極化角度改變時，標簽的RCS曲線基本不變，驗證了標簽具有方向獨立性。

　　圖6為無芯RFID標簽不同編碼信息的結構圖，圖7為對應的RCS曲線。無芯標簽在介電常數(shù)為εr=3.38、損耗角正切為tanδ=0.002、基板厚度為h=0.8 mm的RO 4003板材上進行仿真。

　　標簽的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簽具有明顯的區(qū)別。在結構上移除部分貼片單元造成的頻移較小，滿足可識別碼的編碼需求。且結構中間為空心的設計，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實現(xiàn)大的數(shù)據編碼容量。

　　2.2 無芯標簽編碼分析

　　如圖7所顯示的RCS曲線，僅從圖形的角度觀測曲線的變化，很難定量地去分析結構的特性。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，從而實現(xiàn)信息的定量提取。將包含全部單元的結構命名為ID-1111111111，標簽結構如圖6(c)所示;無諧振單元結構的命名為ID-0000000000，標簽結構如圖6(a)所示;去掉部分諧振單元結構的其中一個命名為ID-1011011011，標簽結構如圖6(b)所示。

　　通過MATLAB編程實現(xiàn)波谷點的提取，3種無芯標簽結構對應的編碼信息ID-1111111111、ID-1011011011、ID-0000000000展示如圖8所示。

　　從圖8中可以看出，標簽的RCS對應波谷點的提取準確性高，偏移量很小，滿足無芯標簽編碼準確性的要求。不同編碼信息的標簽結構與諧振點的對應具有很好的區(qū)分性。

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

　　編碼步驟如下：

　　(1)仿真得出無芯RFID標簽的RCS曲線，定義全部的結構無芯標簽編碼信息為參考量。

　　(2)將標簽全部編碼信息存入到編碼庫中。

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

　　(4)vs(fs1，fs2，…，fsN)為存入的編碼庫中與v1(f1，f2，…，fN)最接近的分量。

　　(5)若|fsi-fi|≤dmin(i=1，2，…，N)(其中dmin為全部頻率點中最小相鄰頻率點距離的1/2)，則判定其為識別信息vs。

　　(6)如果|fsi-fi|≤dmin(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，經差量編碼提取后的波谷點誤差很小，最大的誤差為0.07 GHz，小于最小相鄰波谷頻率點差值的一半：(3.53-3.34)/2=0.095 GHz。故此編碼方法可以達到識別效果。

　　3 結論

　　本文分析了標簽編碼的重要性，設計了基于頻域方向獨立性的無芯RFID標簽。標簽的尺寸為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。本文設計的無芯標簽具有10 bit編碼數(shù)據容量。經實驗仿真分析， 所設計的結構目前可實現(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，可以對標簽的諧振信息進行更好的編碼識別。

　　后續(xù)研究將著重于分析不同基板材質對諧振頻點的影響，完成在不同介質條件下標簽的準確識別。而后將進一步優(yōu)化識別算法，實現(xiàn)在整個諧振頻率總的誤差不大于最小分辨率的1/2。