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一種基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的新型無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

作者:電子技術(shù)應(yīng)用ChinaAET
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2018-07-27 10:41:11
摘要:針對(duì)頻譜特征法在設(shè)計(jì)無芯片標(biāo)簽中面臨的編碼容量與標(biāo)簽尺寸的矛盾問題,提出了一種新型無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的標(biāo)簽由介質(zhì)集成波導(dǎo)和位于表面貼片上的互補(bǔ)分裂環(huán)構(gòu)成。標(biāo)簽諧振頻率可通過調(diào)節(jié)互補(bǔ)分裂環(huán)內(nèi)外環(huán)的開口角度實(shí)現(xiàn),其中外環(huán)負(fù)責(zé)大范圍的頻率粗調(diào),內(nèi)環(huán)用于小范圍的頻率細(xì)調(diào)。標(biāo)簽工作于4 GHz~6 GHz頻率范圍,尺寸為25 mm×15 mm,編碼密度高達(dá)4.86 bit/cm2。通過仿真驗(yàn)證了與理論分析的一致性,相比傳統(tǒng)的無芯片標(biāo)簽,該結(jié)構(gòu)可以在不增大標(biāo)簽尺寸的前提下提高編碼容量,同時(shí)介質(zhì)集成波導(dǎo)為標(biāo)簽提供了高選擇性,使標(biāo)簽保持了較高的頻譜分辨率。

  引言

  RFID系統(tǒng)是以電磁信號(hào)為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)識(shí)別技術(shù),與傳統(tǒng)條形碼技術(shù)相比,其優(yōu)勢(shì)在于識(shí)別對(duì)象與讀取設(shè)備之間通信穿透性強(qiáng)、距離較遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸量大和適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等,因此在物流跟蹤、倉(cāng)儲(chǔ)管理和物品定位等方面得到廣泛應(yīng)用。RFID主要由讀寫器和標(biāo)簽兩部分組成,標(biāo)簽一般貼附在物品上,接收讀寫器信號(hào)并將ID信息發(fā)回讀寫器。目前,RFID標(biāo)簽仍無法取代條形碼的一個(gè)重要因素是成本仍然較高,而在整個(gè)標(biāo)簽成本中芯片占有較大比重,因此近年有關(guān)無芯片標(biāo)簽的研究和應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。

  現(xiàn)有關(guān)于無芯片標(biāo)簽的研究總體可分為延遲時(shí)間法、頻譜特征法、時(shí)域和相位調(diào)制法等,這些方法的共同目標(biāo)是獲得穩(wěn)定的識(shí)別性能和較大的編碼容量?;陂_路短截線的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)由文獻(xiàn)提出,編碼位數(shù)與開路短截線數(shù)量相等,因此編碼容量因受標(biāo)簽尺寸約束難以有效提高。文獻(xiàn)提出了一種傳輸線加載螺旋線諧振器的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu),通過改變螺旋線諧振器的分布實(shí)現(xiàn)頻域編碼。該結(jié)構(gòu)通過加大諧振器間距的方式減少諧振器間的耦合,但增大了整個(gè)標(biāo)簽尺寸,限制了實(shí)用性。文獻(xiàn)提出基于短截線陣列的無芯片標(biāo)簽,通過改變短截線長(zhǎng)度進(jìn)行頻域編碼,標(biāo)簽尺寸直接取決于最長(zhǎng)的短截線長(zhǎng)度,而為保證編碼容量,短截線長(zhǎng)度難以有效縮短,因此仍然存在尺寸較大的問題。文獻(xiàn)提出了基于U型縫隙線陣列的無芯片標(biāo)簽,通過改變縫隙線的分布調(diào)節(jié)頻譜特征,但由于U型縫隙間距較窄導(dǎo)致耦合較強(qiáng),其頻譜分辨率較低。另外,文獻(xiàn)提出了通過頻率和相位混合編碼提高編碼容量的方法,但編碼容量仍主要受諧振器個(gè)數(shù)限制。

  在無芯片標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法中,頻譜特征法由于具有較高的編碼密度,因此相比其他方法能夠在單位面積內(nèi)獲得更多的編碼容量。在現(xiàn)有基于頻譜特征法的文獻(xiàn)中,一般都是通過利用若干諧振器設(shè)計(jì)特定的頻譜特征,然后通過改變諧振器的參數(shù)構(gòu)造不同的編碼。但采用這種方式,編碼容量往往受到標(biāo)簽尺寸和頻譜分辨率的嚴(yán)重制約。當(dāng)要增加編碼容量時(shí),必然要相應(yīng)增加諧振器個(gè)數(shù),于是標(biāo)簽尺寸也隨之增大,從而降低了標(biāo)簽的實(shí)用性。如果標(biāo)簽尺寸不變,則必然要縮短諧振器間的距離縮短,于是諧振器間耦合隨之加強(qiáng),頻譜分辨率也隨之下降。因此,如何在保持較小的尺寸和較高的頻譜分辨率的前提下提高編碼容量,是基于頻譜特征法設(shè)計(jì)無芯片標(biāo)簽的核心問題。

  針對(duì)上述頻譜特征法在無芯片標(biāo)簽設(shè)計(jì)中的主要矛盾,本文提出一種新型基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的無芯片結(jié)構(gòu),在不增大標(biāo)簽面積的條件下,通過改變諧振環(huán)的開口角度,充分利用諧振器之間的耦合強(qiáng)弱變化增大編碼容量,同時(shí)利用介質(zhì)集成波導(dǎo)的高選擇性保證了頻譜分辨率,較好地解決了編碼容量、標(biāo)簽尺寸和頻譜分辨率間的矛盾問題。

  1 無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及工作原理

  本文設(shè)計(jì)的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖1主副內(nèi)、外環(huán)開口角度均為90°),由介質(zhì)集成波導(dǎo)加載互補(bǔ)分裂環(huán)諧振器組成。標(biāo)簽為上下兩層結(jié)構(gòu),包括頂層金屬貼片和底層金屬地平面。標(biāo)簽頂層分為左右兩半部分,由縱向分布的一排過孔隔開。每部分包含一個(gè)互補(bǔ)分裂環(huán),由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成。為便于區(qū)分,將左邊定義為主環(huán),右邊定義為副環(huán)。每個(gè)分裂環(huán)由頂層金屬貼片上兩個(gè)嵌套的環(huán)形縫隙組成。饋線和三角形貼片間的縫隙可用來調(diào)整標(biāo)簽輸入阻抗。標(biāo)簽中心一排過孔和其相對(duì)的兩個(gè)邊緣圍成了三角形介質(zhì)集成波導(dǎo),該結(jié)構(gòu)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來,而面積只有方形波導(dǎo)的1/8,使標(biāo)簽尺寸大大減小。三角形波導(dǎo)的等效電路可以看成終端短路傳輸線,具有高通特性?;パa(bǔ)分裂環(huán)可等效為電偶極子,經(jīng)介質(zhì)集成波導(dǎo)加載后,可產(chǎn)生低于波導(dǎo)截止頻率的諧振頻率,有利于諧振器的小型化設(shè)計(jì)。

  由于三角形波導(dǎo)由相同基模的方形波導(dǎo)演變而來,因此其諧振頻率可通過分析方形波導(dǎo)直接獲得。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的理論分析,對(duì)于寬度為a的介質(zhì)集成波導(dǎo),其主模TE110的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布如下:

  如圖1所示,將各環(huán)開口相對(duì)于各自所處位置角度基準(zhǔn)線的旋轉(zhuǎn)角度定義為各環(huán)的開口角度。當(dāng)波導(dǎo)尺寸固定時(shí),標(biāo)簽諧振頻率主要受互補(bǔ)分裂環(huán)半徑和內(nèi)外環(huán)開口角度影響,因此可通過改變分裂環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得不同的諧振頻率,然后通過頻域法構(gòu)造標(biāo)簽編碼。可獲得的不同諧振頻率越多,編碼容量越大。如果僅通過調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)開口角度獲得不同的諧振頻率,則可在不增大標(biāo)簽尺寸的條件下擴(kuò)大編碼容量。

  2 無芯片標(biāo)簽性能仿真

  采用圖1所示的無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu),使用高頻電磁仿真軟件HFSS分析標(biāo)簽性能。標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:三角形貼片長(zhǎng)度a=24 mm,寬度b=12 mm,饋線寬度c=5 mm,饋線縫隙d=0.3 mm,過孔間距e=1.4 mm,過孔直徑f=0.7 mm,主內(nèi)環(huán)半徑g=1.8 mm,主外環(huán)半徑h=2.5 mm,副內(nèi)環(huán)半徑i=1.1 mm,副外環(huán)半徑j(luò)=1.8 mm,各環(huán)開口寬度k均為0.4 mm,各環(huán)縫隙線寬均為0.3 mm。所用介質(zhì)板材料為Rogers RO4003,材料相對(duì)介電常數(shù)為3.55,介質(zhì)板厚度為0.8 mm,金屬層厚度為0.017 mm。

  首先在固定其他尺寸的情況下,同步改變主外環(huán)和主內(nèi)環(huán)的開口角度,分析主環(huán)開口角度對(duì)標(biāo)簽頻率響應(yīng)性能的影響。將主環(huán)開口角度分別設(shè)為0°、90°、180°和270°,通過全波電磁仿真后,獲得標(biāo)簽對(duì)應(yīng)不同主環(huán)角度的頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。

  由圖2的頻響曲線可見,當(dāng)主環(huán)開口角度為0°時(shí),諧振頻率最高。隨著主環(huán)開口角度的增大,諧振頻率逐漸降低,選擇性略有提高。當(dāng)主環(huán)開口角度為180°時(shí)諧振頻率達(dá)到最小值。分析其原因,主要是由于主環(huán)角度增大時(shí),主環(huán)開口更接近標(biāo)簽的邊緣,而靠近標(biāo)簽邊緣的地方電流密度較大,從而增加了等效電長(zhǎng)度,降低了諧振頻率。

  其次在固定其他尺寸的條件下,僅改變主內(nèi)環(huán)角度,分析主內(nèi)環(huán)角度變化對(duì)諧振頻率的影響。在主外環(huán)開口角度為90°時(shí),改變主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)的開口角度差分別為90°、180°和270°,得到不同主內(nèi)環(huán)角度下的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

  由圖3可見,當(dāng)主外環(huán)角度不變,僅改變主內(nèi)環(huán)角度時(shí),隨著主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開口角度差異的增加,諧振頻率會(huì)逐漸減小,以主外環(huán)和主內(nèi)環(huán)都為90°的結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),當(dāng)主內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開口角度差由0°增至90°時(shí),諧振頻率由4.86 GHz減少至4.78 GHz,而當(dāng)主內(nèi)環(huán)開口角度由90°增至180°時(shí),諧振頻率由4.78 GHz減少至4.77 GHz。顯然,主內(nèi)環(huán)相對(duì)于開口角度的諧振頻率變化率要遠(yuǎn)小于主外環(huán),即單位角度變化時(shí)頻率變化較小。可以利用主內(nèi)環(huán)的這個(gè)特性用于標(biāo)簽頻率的精細(xì)調(diào)整,以減小加工工藝誤差對(duì)頻偏的影響。同時(shí)還可看出,內(nèi)環(huán)與主外環(huán)開口角度差在0°~180°區(qū)間變化時(shí),諧振頻率的變化主要集中在0°~90°區(qū)間,在該區(qū)間內(nèi)的諧振頻率變化占比為88%,因此當(dāng)調(diào)節(jié)主內(nèi)環(huán)角度時(shí)可以主要在該區(qū)間內(nèi)完成。

  下面分析環(huán)半徑對(duì)諧振頻率的影響。將主外環(huán)半徑分別設(shè)為3.2 mm、2.5 mm和1.8 mm,相應(yīng)的主內(nèi)環(huán)半徑為2.5 mm、1.8 mm和1.1 mm,通過仿真可獲得諧振頻率隨環(huán)半徑變化的曲線如圖4所示。

  由圖4可見,當(dāng)環(huán)開口角度不變,半徑由小到大變化時(shí),由于等效電長(zhǎng)度增加,諧振頻率相應(yīng)減小,分別為5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz,說明環(huán)半徑對(duì)諧振頻率影響較大,是決定標(biāo)簽頻率的重要參數(shù)。

  因副環(huán)結(jié)構(gòu)與主環(huán)類似,只是半徑不同,因此上述分析同樣適用于副環(huán)。

  最后分析地平面大小對(duì)標(biāo)簽性能的影響。當(dāng)改變地平面大小時(shí),標(biāo)簽諧振頻率和增益的變化如表1所示。表中數(shù)據(jù)是在主副環(huán)開口角度均為90°的條件下得出的。由表1可以看出,標(biāo)簽諧振頻率受地平面尺寸影響較小,當(dāng)?shù)仄矫嬖龃髸r(shí),標(biāo)簽諧振頻率僅有少量減少,而標(biāo)簽反射增益則明顯增加。其主要原因是標(biāo)簽電流主要集中在金屬貼片的邊緣,增大地平面尺寸對(duì)等效電長(zhǎng)度的影響甚微,而地平面的增大可以顯著降低反向輻射耗散,從而能明顯提高標(biāo)簽散射增益。

  3 無芯片標(biāo)簽編碼方法

  根據(jù)以上對(duì)標(biāo)簽特性的仿真分析,標(biāo)簽諧振頻率主要受互補(bǔ)分裂環(huán)半徑、內(nèi)外環(huán)開口角度影響。由圖2和圖4可見,分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度變化對(duì)諧振頻率的影響較大,較小的分裂環(huán)半徑或外環(huán)角度變化會(huì)引起較大的諧振頻率偏移。而由圖3可見,內(nèi)環(huán)角度對(duì)諧振頻率影響較小,較大的內(nèi)環(huán)角度變化產(chǎn)生的諧振頻率偏移較小。由上述特性可知,在確定標(biāo)簽諧振頻率時(shí),改變分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度可使諧振頻率在較大范圍內(nèi)選擇,而改變內(nèi)環(huán)角度可使諧振頻率的選擇更加精細(xì)。換句話說,可以用分裂環(huán)半徑和外環(huán)角度這兩個(gè)參數(shù)完成對(duì)標(biāo)簽諧振頻率的“粗調(diào)”,用內(nèi)環(huán)角度實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽諧振頻率的“細(xì)調(diào)”。這樣使標(biāo)簽諧振頻率能夠在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整,同時(shí)提高了頻率選擇范圍和頻率分辨率,有利于提高編碼容量。

  充分利用分裂環(huán)半徑、內(nèi)環(huán)角度、外環(huán)角度這3個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù),可設(shè)計(jì)無芯片標(biāo)簽頻率調(diào)整方法如下:

  (1)調(diào)節(jié)分裂環(huán)半徑,將標(biāo)簽諧振頻率調(diào)整到合適的中心頻率。為方便設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化,根據(jù)上節(jié)設(shè)置內(nèi)外環(huán)半徑,中心頻率可在5.15 GHz、4.86 GHz和4.4 GHz 3個(gè)中選擇。

  (2)調(diào)節(jié)外環(huán)角度,將標(biāo)簽諧振頻率調(diào)整到合適的基頻位置,實(shí)現(xiàn)大范圍的粗調(diào)。

  (3)調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)半徑,在基頻的基礎(chǔ)上加入頻率偏移,實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整。

  本文設(shè)計(jì)的無芯片標(biāo)簽包括主環(huán)和副環(huán),主環(huán)外環(huán)半徑為2.5 mm,工作于中心頻率4.86 GHz;副環(huán)外環(huán)半徑為1.8 mm,工作于中心頻率5.15 GHz。以a0~a15表示位數(shù)由低至高的16 bit編碼。通過仿真測(cè)試,綜合考慮編碼容量和頻率分辨率,確定主副環(huán)參數(shù)與編碼的關(guān)系如表2所示。

  根據(jù)表2,考慮到當(dāng)內(nèi)外環(huán)角度變化時(shí)諧振頻率的分布情況,外環(huán)角度的變化范圍選為20°~180°,角度增量為5°,可實(shí)現(xiàn)5 bit編碼。內(nèi)環(huán)角度的變化范圍選為100°~180°,角度增量為10°,可實(shí)現(xiàn)3 bit編碼。綜合主副環(huán)總共可實(shí)現(xiàn)16 bit編碼。該無芯片標(biāo)簽與傳統(tǒng)標(biāo)簽的性能對(duì)比見表3。

  由表3可見,本文提出的無芯片標(biāo)簽尺寸能獲得更高的編碼密度,且在結(jié)構(gòu)上比文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]更緊湊。

  在加工精度和讀寫器頻率分辨率允許的情況下,實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)改變分裂環(huán)個(gè)數(shù)、角度增量和角度變化范圍,以增大編碼容量。編碼容量的計(jì)算公式如下:

  其中,N為分裂環(huán)的個(gè)數(shù),A為角度變化范圍,b為角度增量,R為可實(shí)現(xiàn)的編碼位數(shù)。

  4 無芯片標(biāo)簽測(cè)試

  本文無芯片標(biāo)簽加工后的實(shí)物圖如圖5所示。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試,實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示,主環(huán)頻率和副環(huán)頻率分別為4.86 GHz和5.15 GHz,測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

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  5 結(jié)論

  本文提出了一種基于介質(zhì)集成波導(dǎo)和互補(bǔ)分裂環(huán)的新型無芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)互補(bǔ)分裂環(huán)外環(huán)和內(nèi)環(huán)的開口角度實(shí)現(xiàn)諧振頻率的粗調(diào)和細(xì)調(diào),通過介質(zhì)集成波導(dǎo)提高頻率選擇性,在不增大標(biāo)簽尺寸和不犧牲頻率分辨率的前提下增大了編碼容量,對(duì)解決傳統(tǒng)頻譜特征法存在的編碼容量與標(biāo)簽尺寸、頻率分辨率間的矛盾提供了一種新型方案,具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。