基于方向独立无芯RFID标签的频域编码研究

　　引言

　　射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一项通过射频波提取远距离标签编码信息的非接触式自动识别技术。如今在仓储、物流、高速路车辆收费等领域得到广泛应用。通常射频识别系统由两个主要的部分组成：一部分是用于编码数据的应答器或标签，另一部分为提取标签编码数据的装置(即阅读器)。射频识别标签具有替代光学条形码的巨大潜力，但是由于目前标签中通常存在价格较为昂贵的硅芯片，导致标签不能以低成本来制造。目前已有一些研究机构投入到无芯片RFID标签的研究中。由于其不含硅芯片，编码信息仅通过其结构特性来体现。标签可以采用导电油墨打印技术实现生产，因而可以很大程度降低生产成本，所以无芯标签的研究得到了广泛的关注。

　　目前已提出了基于时域、频域、幅值和相位编码的无芯片射频识别标签技术。在基于时域编码的无芯射频识别标签中，仅基于声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)标签满足编码容量的需求，但是它需要价格昂贵的压电晶体，而且需要较大的标签尺寸来实现较大的编码容量，很难满足未来消费品市场对于标签大容量、小尺寸的要求。

　　在基于幅值和相位编码技术方面，可运用交叉极化散射相位编码方式，通过在标签上加载多个贴片天线来满足编码容量的需求。但由于多径传输很容易产生误比特率，会导致读取标签编码信息失败。

　　与基于时域和幅值相位编码的标签相比，基于频域编码的无芯片射频识别标签具有更大的编码容量，已经提出了35位的螺旋谐振标签和交叉极化磁单极子天线。在近场区，低成本无芯标签可中在常规ID卡的尺寸上实现9 bit数据编码。

　　但上面提到的基于频域编码的无芯射频识别标签对入射波的方向有一定的要求，而且对其极化角度同样有一定的要求，从而需要阅读器进行定向提取。而本文提出的基于频域编码的无芯标签具有方向独立性，具有16 bit数据的编码容量，且尺寸仅为28 mm×28 mm，可采用油墨打印技术打印，能较为灵活地覆盖在识别目标上，满足目前对于大容量标签的需求。

　　1 无芯RFID标签的设计

　　1.1 标签的结构

　　不同长度的菱形贴片谐振器能产生不同谐振频率，每一个标签谐振频率信号代表1 bit编码数据。本文提出的结构具有以下3个优点。

　　(1)贴片结构对应的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)曲线在散射区域内无2次和3次谐波分量，即增加谐振单元后，不会对其他结构的谐振频率造成干扰。单个结构的仿真分析如图1所示。

　　由图1的RCS曲线可以看出，本文设计的无芯标签可以在FCC规定的整个超宽范围(3.1～10.6 GHz)内进行编码。

　　(2)由于标签的结构为连续的，可以得到较为紧密的频率信号，从而可以获得较大的编码容量。

　　(3)标签结构具有对称性，使得阅读器可以在任何极化方向获取标签的编码信息，即标签具有方向独立性。

　　1.2 无芯标签的设计

　　本文提出的无芯标签结构在矩量法电磁仿真软件环境下完成了设计与仿真，如图2所示。仿真设置选用介电常数为εr=3.38、损耗角正切为tanδ=0.002、厚度为h=0.8 mm的RO 4003材料基板。用线极化的远场平面波激励无芯RFID标签，在远场区域观测标签的RCS曲线。

　　一个N位加载的方向独立菱形贴片谐振标签如图3所示。其中L为基板的长度，L1为最长谐振单元的长度，L2为最短的结构单元，W1和W2分别为谐振单元的宽度和相邻谐振单元的间隔。

　　当采用平面波激励菱形贴片谐振标签时，在仿真结果的频率轴上会出现与谐振结构对应的波峰和波谷，即谐振单元结构具有频率选择特性。因此，可以通过增加谐振单元的个数来增加编码容量，或者通过改变谐振单元的宽度和相邻谐振单元的间隔大小来调节对应的RCS曲线。

　　1.3 标签识别的工作原理

　　无芯标签检测和识别工作原理如图4所示。

　　用线极化传输天线(TX)来激励标签，之后携带有标签频率编码信息的后时响应信号被另一个线极化的接收天线(RX)接收。RFID阅读器读取和解码分析后，与存储在信息库中的信息进行匹配，最后完成无芯标签的识别。

　　2 无芯标签的仿真和编码分析

　　2.1 无芯标签仿真

　　仿真的结构采用基板为边长为L=24 mm的正方形，第一个结构单元的长度为L1=11.30 mm，宽度W1和W2均为0.2 mm，最小结构单元的长L2=5.93 mm。

　　通过谐振单元RCS曲线对应波谷有无来编码标签信息，当对应结构的RCS曲线波谷存在时编码为“1”，反之为“0”。

　　10位编码数据标签在编码全为1时，入射波极化角度分别为0°、30°、60°、90°时的仿真结果如图5所示。

　　由图5可见，在极化角度改变时，标签的RCS曲线基本不变，验证了标签具有方向独立性。

　　图6为无芯RFID标签不同编码信息的结构图，图7为对应的RCS曲线。无芯标签在介电常数为εr=3.38、损耗角正切为tanδ=0.002、基板厚度为h=0.8 mm的RO 4003板材上进行仿真。

　　标签的ID信息分别为：ID-1111111111、ID-1011011011和ID-0000000000。从仿真的RCS图可以看出，代表不同编码信息的标签具有明显的区别。在结构上移除部分贴片单元造成的频移较小，满足可识别码的编码需求。且结构中间为空心的设计，有效地减小了由于相邻谐振单元之间耦合造成的高频部分频点偏移，既节省了频带宽度，又提高频带利用率，在有限的频带宽度内实现大的数据编码容量。

　　2.2 无芯标签编码分析

　　如图7所显示的RCS曲线，仅从图形的角度观测曲线的变化，很难定量地去分析结构的特性。因此将得到的RCS曲线通过矩阵束算法(Matrix Pencil Method，MPM)[7]提取谐振频率，从而实现信息的定量提取。将包含全部单元的结构命名为ID-1111111111，标签结构如图6(c)所示;无谐振单元结构的命名为ID-0000000000，标签结构如图6(a)所示;去掉部分谐振单元结构的其中一个命名为ID-1011011011，标签结构如图6(b)所示。

　　通过MATLAB编程实现波谷点的提取，3种无芯标签结构对应的编码信息ID-1111111111、ID-1011011011、ID-0000000000展示如图8所示。

　　从图8中可以看出，标签的RCS对应波谷点的提取准确性高，偏移量很小，满足无芯标签编码准确性的要求。不同编码信息的标签结构与谐振点的对应具有很好的区分性。

　　但是考虑到存在频率的偏移情况，当数据量较大、频率分辨率较小时，仅凭视觉上的直观的判断，不仅工作复杂，而且很容易造成谐振频点的误判，从而导致读取编码信息的错误。因此本文提出了一种基于识别频点差量的差分编码算法。

　　编码步骤如下：

　　(1)仿真得出无芯RFID标签的RCS曲线，定义全部的结构无芯标签编码信息为参考量。

　　(2)将标签全部编码信息存入到编码库中。

　　(3)v1(f1，f2，…，fN)为通过矩阵束算法分析得出的一个频率分量。

　　(4)vs(fs1，fs2，…，fsN)为存入的编码库中与v1(f1，f2，…，fN)最接近的分量。

　　(5)若|fsi-fi|≤dmin(i=1，2，…，N)(其中dmin为全部频率点中最小相邻频率点距离的1/2)，则判定其为识别信息vs。

　　(6)如果|fsi-fi|≤dmin(i=1，2，…，N)判定条件不成立，则视其为非编码信息。

　　由表1中可以看出，经差量编码提取后的波谷点误差很小，最大的误差为0.07 GHz，小于最小相邻波谷频率点差值的一半：(3.53-3.34)/2=0.095 GHz。故此编码方法可以达到识别效果。

　　3 结论

　　本文分析了标签编码的重要性，设计了基于频域方向独立性的无芯RFID标签。标签的尺寸为28 mm×28 mm，工作频段为3.17 GHz~6.12 GHz，在FCC规定的3.1 GHz～10.6 GHz的超宽带频段范围内。本文设计的无芯标签具有10 bit编码数据容量。经实验仿真分析， 所设计的结构目前可实现16 bit编码容量，满足小尺寸、大编码容量的需求。通过差分编码方法分析后，可以对标签的谐振信息进行更好的编码识别。

　　后续研究将着重于分析不同基板材质对谐振频点的影响，完成在不同介质条件下标签的准确识别。而后将进一步优化识别算法，实现在整个谐振频率总的误差不大于最小分辨率的1/2。