基金项目:福建省自然科学基金(2016J01312); 厦门市科技局项目(3502Z20163008); 大学生创新创业项目(201710390003)
通信作者:mzhxm@jmu.edu.cn
(College of Information Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)
chipless tag; internet of things; radio frequency identification; L-shaped microstrip resonator
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201801019
将低成本的标签用于射频识别(radio frequency identification,RFID)系统有利于促进物联网(the internet of things,IoT)的发展,为了降低标签成本,提出了L型微带谐振器加载的无芯片标签.标签采用收发正交的两面超宽带(ultra wideband,UWB)圆盘单极天线,通过长度不等的L型微带谐振器和50 Ω传输相耦合构成L型微带谐振器加载无芯片标签.在4.80~10.93 GHz频带上得到了20 bit的频率位置编码容量; 将幅度调制和频率位置调制进行混合编码后得到60 bit 的编码容量.通过制作4 bit编码容量的几种典型编码的标签进行测试,测试结果和仿真结果基本一致.
The use of low-cost tags for radio frequency identification(RFID)systems contributes to development of the internet of things(IoT). For reducing the cost of the tag, a chipless tag loaded by an L-shaped microstrip resonator is proposed in this paper. Two orthogonal ultra wideband(UWB)monopole discantennas are used on the tag.The L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag is comprised by coupling the L-shaped microstrip resonator with a 50 Ω transmission line.There are 20 bits coding capacity on the 4.80 GHz to 10.93 GHz frequency band. The coding capacity is obtained 60 bits by hybrid coding with frequency position and amplitude modulation.Finally, several typical L-shaped microstrip coupling resonator chipless tags with 4 bits coding capacity are produced for measurement and the test results agree satisfactorily with the simulation results.
物联网(the internet of things,IoT)是在互联网技术基础上的延伸和扩展,主要为终端和终端之间的信息交换和通信,以实现信息提取、对象定位、跟踪和管理等功能.射频识别(radio frequency identification,RFID)技术的发展又促进了IoT技术的进一步发展[1].传统的RFID系统由读写器和标签组成,其大规模的应用主要取决于标签的成本.传统的RFID标签由专用集成电路芯片和天线组成,具有远距离读取、非视距读取、自动识别和跟踪等优势.但由于传统RFID标签主要由标签芯片和标签天线构成,标签芯片的材料和制造工艺流程都是不可替代和减少的,所以标签成本主要取决于标签芯片的成本[2].为了降低传统标签的成本,各国学者提出了各种类型的无芯片标签.无芯片标签可以像条形码一样直接印刷在纸、塑料袋和包装盒上,进行自动识别和认证,可以应用于供应链自动化和医疗等领域.
无芯片标签由于没有芯片,因此无记忆,没有传输协议,也不需要供电电路; 但是它不能重复写入,数据容量有限,反向散射功率低,读写距离短,因而不能使用调制和编码技术[3].无芯片标签主要分为时域[4-5]、空间域[6]、频域[7-9].基于延迟线结构的时域无芯片标签响应速度快,并得到真正的商用[10].但是这种无芯片标签主要由声表面波滤波器(surface acoustic wave,SAW)构成,制作时其压电材料需要亚微米级的光刻技术,而且不能实现直接印刷,成本已经接近传统带标签芯片的标签成本,达不到降低成本的目的.Feng等[6]提出的时空域无芯片标签,基于空间角度进行编码,虽然提高了编码容量,但实际应用中受场强测量精度和环境的限制,误码率偏高.基于频域的无芯片标签具有更高的数据密度[11],使用不同的谐振结构将数据编码到频谱中,其数据位通常与谐振频率处谐振峰的存在/缺失相关联; 缺点是需要大量频谱和专用宽带RFID阅读器.编码取决于频谱上出现或者缺失谐振峰.为了提高无芯片标签的编码容量,Ni等[12]在文献[13]基于偏据的基础上,将集总电阻加载到微带环上以控制反向散射信号的幅度,提出了基于幅度和频率混合编码技术的无芯片标签,是一种通过组合振幅偏差和频率位置编码的混合编码技术,使数据容量大幅度提升.但是此种技术需要在微带传输线上焊接不同阻值的电阻,而且电阻的接地端要在标签上打过孔到背面接地层,不能实现完全印刷,制作过程复杂.
基于L型微带谐振器可以构成微带带阻滤波器[14]的思想,考虑到分别改变这些L型微带谐振器的长度就可以实现不同的带阻谐振频率,提出了基于L型微带谐振器加载的RFID无芯片标签.
L型微带谐振器加载的无芯片标签的RFID系统工作原理如图1所示.整个系统由L型微带谐振器加载无芯片标签、超宽带读取器和正交收发超宽带(ultra wideband,UWB)天线组成.L型微带谐振器加载的无芯片标签由两个正交的收发UWB圆盘单极天线、50 Ω微带主传输线和多个加载的L型微带谐振器组成.L型微带谐振器的一边和主传输线平行,另一边和主传输线垂直,改变L型微带谐振器垂直边的长度就可以得到不同的谐振频率.超宽带读取器主要由脉冲产生电路形成频谱均匀的超宽带发射信号.接收电路接收经标签改变了频谱结构的信号,将其进行信号处理,并通过算法解调出编码信息.无芯片标签的超宽带读写器发射天线和标签的接收天线极化一致,读写器的接收天线和标签的发射天线极化一致; 同时,读写器的收发天线相互正交,标签的收发天线也相互正交,避免收发干扰.当无芯片标签的读写器发送一超宽带脉冲信号,标签天线接收后,由主传输线两边加载的L型微带谐振器改变超宽带信号的频谱结构,每个L型微带谐振器会在超宽带频谱的谐振频点上形成对应的凹陷,作为编码状态“1”,当移除凹陷对应的L型微带谐振器,凹陷则会消失,编码状态变为“0”.其中,L型微带谐振器的数目受到单个谐振器带宽和总的可用频带宽度限制.
图2为L型微带谐振器加载的无芯片标签结构参数示意图和等效电路.图中连接收发天线的微带阻抗为50 Ω,对应的微带宽度为W50,L型微带谐振器和微带之间的间距为s,和微带平行的所有L型微带谐振器边的长度为d1,宽度为Wr.另外和微带垂直的最短L型微带谐振器边的长度为L1,相邻的L型垂直边的长度相差t,垂直边的宽度为w.得出其等效电路如图2(b)所示,因为所有L型微带谐振器和微带主传输线的间距s都相等,故耦合缝隙可以用同电容C等效; 长度不同的L型微带谐振器用不同值的电感Li(i=1, 2,…, n)和电容Ci的串联支路等效.电容C的值远大于L型微带谐振器等效的电容Ci,故L型微带谐振器的谐振频率主要由Li和Ci决定.
图2 L型微带谐振器加载的无芯片标签结构(a)和等效电路(b)
Fig.2 Structure(a)and equivalent circuit(b)of L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag
图3 单个L型微带谐振器加载的无芯片标签电场分布(a)和谐振曲线(b)
Fig.3 Electric field distribution(a)and resonance curve(b)of single L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag
图4 4 bit L型微带谐振器加载的无芯片标签的谐振曲线
Fig.4 Resonance curve of the 4 bits L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag.
图5 当Wr改变时谐振凹陷的幅度变化
Fig.5 Amplitude changes of the resonance ditch when Wr changes
根据4 bit无芯片标签仿真结果,在F4BM介质基板上制作了典型的4种编码状态的无芯片标签,图6所示为制作的ID1111、ID1010、ID1001和ID0101无芯片标签照片.由于传统的读写器为窄带工作,不能用于无芯片标签系统,而矢量网络分析仪可以输出超宽带信号,故本研究采用安捷伦矢量网络分析仪E8362B代替无芯片标签系统的超宽带读写器.L型微带谐振器加载的无芯片标签收发天线采用Liang等[15]提出的UWB圆盘单极天线,它具有紧凑的结构和很宽的工作频带,适合用作无芯片标签的收发天线.网络分析仪的两个端口分别接正交的UWB圆盘单极天线,测试距离为20 cm.
上述4种典型的编码ID1111、ID1010、ID0101和ID1001的无芯片标签测试结果如图7所示.其中参考标签ID1111对应的4个频点分别为4.80,5.03,5.27和5.53 GHz,和仿真结果最大相差40 MHz.ID1111作为参考标签,和其他编码的标签测试结果相比,各种编码对应的频率点基本一致.虽然图7(c)中最右边对应的频率与参考标签对应的频率相比略有降低,但在容差允许的范围内,不会影响编码状态的解调.综上所述,测试结果和图4的仿真结果基本一致,而且各种编码 状态下的谐振点位置基本不变,如果每个谐振点频率加上保护频带,就能够正确进行编解码而不会出现误码.为了增加编码容量,最直接的方法就是增加L型微带谐振器的数目.图8是当L型微带谐振器数目增加到16个时的结构和电场分布图.图中为了减小标签面积和相邻谐振频率之间的干扰,把对应的L型微带谐振器分别放置在主传输微带线两侧,排列顺序如图8所示.图9是图8中16 bit无芯片标签的频谱仿真结果,最低位的谐振频率为3.64 GHz,最高位的谐振频率为7.61 GHz,判断谐振频率的幅度阈值可以定为-8 dB.从图中可以清晰地分辨出每个L型微带谐振器对应的谐振频率位置,但是这种方法最大的缺点就是相应地增大了标签的尺寸.
图8 16 bit L型微带谐振器加载的无芯片标签结构和电场分布
Fig.8 Structure and electric field distribution of 16 bits L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag
图 11 开路枝节微带无芯片标签的频谱仿真和测试结果
Fig.11 Spectrum simulation and test results of the opening stub microstrip chipless tag