關于一種雙極化結構的新型無芯標簽的設計

　　0 引言

　　RFID是一種成熟的技術，近年來已經被廣泛應用于目標的自動實時實別和追蹤等。由于RFID標簽具有讀取距離遠、體積小、抗污染能力強等特點，使其在潛在意義上成為了條形碼的一種替代品。然而與條形碼相比，傳統(tǒng)的有芯標簽的制作成本較高，因此，有芯RFID標簽技術并沒有得到大規(guī)模普及，尤其是在廉價物品領域上的應用，比如銀行票據、郵票，以及用于其他低成本物品的標記等。國外的研究者預計，如果標簽的成本能控制在1美分以下，那么在低成本物品領域，將會有數以萬億的標簽需求量[1]。目前，多比特的無源有芯RFID標簽已經被用于標記高成本物品，標簽的成本主要取決于其內部的硅芯片[2-3]，此外，硅片的脆性進一步限制了有芯標簽的應用領域。因此，學者們把研究方向集中到了可以直接用導電油墨打印在產品或包裝上的無芯RFID標簽上來。

　　目前已提出的無芯標簽，按照其特征檢測方法大致可分為三類：時域法、頻域法和相位域法[4-6]。在可打印標簽中，基于頻域法的標簽相比于基于時域法和相位域法的標簽擁有更高的編碼數據密度。然而大多數基于頻域法設計的無芯標簽都需要特定的一個諧振單元來完成特定的一個比特的編碼，這使得標簽的尺寸與數據的比特數呈現出線性關系，想要獲取多比特的編碼數據，標簽尺寸也會隨之增大，這也使其失去了商業(yè)上的可行性。文獻[7]中，提出了一種在3.1 GHz～10.6 GHz的UWB(超寬帶)范圍內最高可獲得35 bit的數據容量的標簽。但其尺寸較大，難以投入使用。目前對于大多數文獻中提出的標簽，第一個限制因素來自于諧振單元的二次諧波，二次諧波限制了可用作數據編碼的帶寬寬度;第二個問題來自于標簽的尺寸和編碼容量之間的關系，通常為了獲取較大的編碼容量，往往需要增加標簽的諧振單元，即增加標簽尺寸。為了克服上述提到的無芯RFID標簽的限制因素，以及它們的尺寸較大、編碼容量受到限制和直接打印技術上的困難，本文提出了一種基于雙極化結構的無芯片RFID標簽，該標簽由在豎直方向和水平方向蝕刻的I型諧振單元構成。同時，引入頻移編碼技術使得標簽的編碼數據密度得到進一步增加。未來，這個單面的、易打印的緊湊型標簽不僅可以用于郵票、重要文件和信用卡的標記，并且可以直接打印在紙張或塑料包裝上用作物品級的標記。

　　1 雙極化標簽的工作原理

　　1.1 I型諧振單元的極化特性

　　本文采用I型諧振單元來構造所設計的標簽。相比于其他結構的諧振單元，其主要有兩方面的優(yōu)勢。首先，無論激勵信號是同極化，還是交叉極化的電磁波，I型諧振單元的后向散射信號中都不含有二次諧波，然而U型諧振單元在交叉極化的信號源激勵下，會產生二次諧波[8]。其次，I型諧振單元在受到正交極化的平面波激勵時，只會對一個極化方向的電磁波有所回應，而不會對另一個極化方向的電磁波有所回應，相應的原理圖分別如圖1和圖2所示，其中V(vertical)和H(horizontal)分別代表諧振單元的放置方向和平面波極化方向是豎直和水平的，RCS是雷達散射界面(Radar Cross Section)。

　　1.2 雙極化特性分析

　　通過觀察圖1和圖2可知，豎直方向上放置的I型諧振單元在受到極化方向為豎直和水平方向上的平面波激勵時，都無二次諧波產生。同時，通過觀察兩個極化方向上的RCS曲線幅值可以看出，豎直方向上放置的I型諧振單元對極化方向為豎直方向的平面波產生的回波信號強度遠遠大于水平極化的平面波產生的回波信號強度，兩者的幅值相差6個數量級。因此當受到正交極化的平面波激勵時，來自水平極化的平面波產生的回波信號即可忽略不計。利用I型諧振單元的這種極化特性，可以同時在兩個正交極化方向上對多個I型諧振單元同時進行編碼，將這種編碼技術定義為雙極化編碼技術，應用此技術可使標簽在原有的尺寸上編碼密度加倍。

　　2 標簽的設計與編碼

　　2.1 標簽的結構設計

　　利用上文提到的I型諧振單元的極化特性，便可構造雙極化結構的標簽。雙極化標簽由在豎直方向和水平方向蝕刻的I型諧振單元構成。在圖3中設計了兩種不同結構的雙極化標簽，并通過仿真得到了其RCS曲線圖。

　　通過觀察兩種標簽的RCS曲線圖，可以得出標簽2相比較于標簽1，其回波信號強度較強，幅值更為尖銳，便于進行觀察和編碼;并且其諧振頻點與標簽1保持一致，不會對原有的諧振頻點造成影響。因此，采取標簽2作為本文中的標簽基礎結構。

　　2.2 編碼方法

　　本文提出了一種雙極化編碼技術。利用兩個正交極化的電磁波同時作用于標簽，根據I型諧振單元的特殊極化特性，可在兩個極化方向上同時對標簽進行編碼。并且將頻移編碼技術引入到該標簽結構中，與雙極化編碼思想相結合，設計了一個雙極化無芯標簽的編碼方法。

　　3 標簽的仿真分析

　　下面根據圖3中設計的標簽基礎結構和上文提出的編碼方法，通過其標簽的6個不同結構(見圖4)闡述該編碼方法。其中V-pol和H-pol分別代表諧振單元的放置方向和入射波極化方向是豎直和水平的，Dummy是指該諧振單元并不參與編碼，其目的是使相鄰的諧振單元產生更加尖銳的波峰。圖5是6種不同結構的標簽對應的RCS曲線圖。

　　把每個初始長度的諧振單元作為參照，同時每個諧振單元對應的初始編碼為‘10’，如圖4(a)所示。當諧振單元長度增加時，其諧振頻點會隨之減小，此時將其編碼為‘01’。另一方面，當諧振單元的長度減小時，其諧振頻點會隨之增大，此時將其編碼為‘11’。最后，當諧振單元被移除時，其諧振頻點將不會存在，將其編碼為‘00’。這樣，通過改變每個諧振單元的長度來實現編碼，即頻移編碼技術。每個諧振單元可以獲得2 bit的編碼數據。

　　圖4(a)是利用參考長度的諧振單元構造的標簽，這個標簽的初始ID可表示為‘V-10 10 10 10+H-10 10 10 10’。圖5(a)是其對應的仿真結果，兩個極化方向上的平面波在每個諧振單元對應的頻點上，產生了相互重疊的回波信號。該結果將被用于驗證下述的5個標簽的仿真結果。

　　圖4(b)中，4個H-pol的諧振單元長度不變，4個V-pol的諧振單元長度減小，此時4個V-pol的諧振單元對應的編碼由‘10’變?yōu)?lsquo;11’。因此，此時標簽的ID可表示為‘V-11 11 11 11+H-10 10 10 10’。圖5(b)所示為對應的仿真結果，與實線表示的H-pol的曲線相比，虛線表示的V-pol的諧振頻點，向右發(fā)生了頻移。

　　將諧振單元按其長度由長到短依次排序。圖4(c)中，H-pol的第1個和第3個諧振單元的長度保持不變(10)，第2個的長度增加(01)，移除第4個諧振單元(00)。V-pol的第2個和第4個諧振單元的長度保持不變(10)，第1個長度減小(11)，移除第3個諧振單元(00)。因此，此時標簽的ID可以表示為‘V-11 10 00 10+H-10 01 10 00’。圖5(c)是其仿真結果，通過觀察可以看出，RCS曲線的仿真結果與標簽結構的變化是相互對應的。

　　同樣的，對于另外的3個標簽，通過觀察可以看出，當標簽結構發(fā)生變化時，仍然可以得到與其結構的變化規(guī)律相匹配的RCS曲線圖。因此，通過上述6個標簽的仿真結果可以得出，每個諧振單元均可實現2 bit的數據編碼，并且在兩個極化方向上能夠實現任意的編碼組合。

　　4 結論

　　本文利用‘I’型諧振單元提出了一種新型無芯RFID標簽。通過使用雙極化編碼技術使標簽的編碼密度得到加倍，并且引入頻移編碼技術，使得在減少諧振單元數目的同時，仍然可以得到理想的編碼容量。最后，設計了一個16 bit的雙極化結構的無芯標簽，并且通過仿真結果驗證了其可行性。這個單面的、易打印的、高容量無芯標簽為無芯標簽在低成本領域的應用，拓展了新的研究思路。