基于多谐振器的可打印无芯片RFID标签设计

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1、基于多谐振器的可打印无芯片RFID标签设计摘要提出了一种新型可打印无芯片RFID标签。标签由在矩形介质板上蚀刻的多个按规律排列的直角型谐振器构成，标签结构对于多种极化方向的入射波都冇着良好的稳定性。同时提出了一种新的无芯片标签编码方法，在不增加谐振器间相互耦合的前捉卜一，使标签的编码密度增加了一倍。标签工作在3.1-10.6GHz的超宽带频率范围内，在22mmx11mm的合理尺寸内编码密度高达3.3bit/cm2。仿真给出了标签的雷达散射截面积曲线，仿真结果L理论分析一致，验证了木设计的合理性。相比于传统的无芯标签，该标签具冇尺寸小和编码

2、密度高等优点，标签采用单层导体结构能被直接印制在ID卡英至纸张上。0引言射频识别(RFID)系统是使用阅读器从远程放置的标签提取信息的无线数据捕获技术。该系统由两个主要元件组成:数字编码的RFID标签和用于从标签中提取编码数据的RFID读取器。对于不同的场合，需耍使用特定的射频识别系统。与传统的条形码相比，RFID标签的优点在于其较长的读取距离、穿透性和抗污染能力强，因此它具有取代条形码的潜在能力。但是廿前的RFID标签相比于条形码成本较高，所以它们仍然难以应用于低成本领域。广泛使用的无源冇芯RFID标签的成本主要収决于其内部使用的硅芯片

3、［1］。因此，冃前的研究侧重于研发可打印的无芯片RFID标签。如果标签的成本能够降低到1美分，那么在低成本领域将会冇数以十亿计的标签需求量［2］。日前，相关文献中提出了一些无芯片RFID标签。按照无芯片标签的检测方法，它们被分为时域法、频域法和相位域法。采用时域法的标签，根据一系列经过时间延迟的脉冲信号实现对标签ID的检测［3-5］o基丁•相位域法的标签在文献［6］中被提出，是由枝节加载的多个贴片天线构成的。文献［7・8］中提出了使用折叠偶极子谐振器构造的无芯标签，但是标签对极化方向敏感。文献［9］中提出了一种在3.1GHz〜10.6GH

4、z的超宽带(UWB)范围内最高可获得35bit的数据容量的频域法标签，但其尺寸较大，难以被投入使用。相比于时域法和相位域法，基于频域法构造的无芯标签拥冇更高的数据密度,通过标签在确定的频点产牛共振峰来实现无芯标签的设计和编码。因此，它们需要较宽的频率范围。对于大多数文献屮提出的无芯标签，第一个要考虑的问题来自于标签的尺寸和编码容量Z间的关系，现冇的基丁•频域法构造的无芯标签，所采用的是在频域的OOK(OnOffKeying)编码方式[10-12]o所设计的无芯标签都需要特定的一个谐振单元来完成特定的一个比特的编码，这使得标签的尺寸与数据的

5、比特数呈现出线性关系，想要获取多比特的编码数据，标签尺寸也会随Z增大，这也使其失去了商业上的可行性。第二个需要考虑的问题来自于谐振器Z间的相互耦合。为了克服上述提到的无芯标签设计屮所面临的问题，设计了一种新型可打印无芯RFID标签，并提出了一种新的无芯标签编码方法，能够使无芯标签在减少谐振益数目的同时，仍然可以获得较高的编码容量，同时减小了谐振器间的相互耦合，并提高了印刷公差。1无芯标签的结构和工作原理图1所示为无芯标签的结构，由多个在矩形基板上蚀刻的直角型谐振器构成。基板材料为聚四氟乙烯铜箔板F4BM,基板的相对介电常数n■为2.23,

6、损耗角止切tan&为0.0007。其中L为直角型谐振器的臂长，W是直角型谐振器的臂宽，S为相邻谐振器Z间的间距，S0为两个阵列Z间的间距。任意的金属结构在受到雷达波照射时，都能以特殊的方式对入射雷达波产生散射。无芯标签本质上也是一种金属散射体结构，当受到雷达波激励时，能散射出与口身结构相关的后向散射信号。其中特定的金属结构会在特定频率点产牛有明显波峰或波谷的雷达散射截面(RCS)曲线，每个金属谐振器都对应着一个谐振频率点。当金属谐振器存在时，回波信号的RCS频谱图上会出现对应的谐振频点，此时将其编码为‘1‘；当金属谐振器不存在时，其对应的

7、谐振频点也不会产牛，此时编码为'0'。这样通过改变谐振器的数冃，便可以获得标签的不同编码状态。这也是现冇的文献中使用较为广泛的标签编码方法。无芯RFID标签的工作原理如图2所示，当无芯标签受到来自阅读器发射的查询信号激励时，便会后向散射出与自身结构相关的回波信号，此时数据便会编码在后向散射信号中，阅读器通过接收天线收到编码后的后向散射信号后，便会通过一定的算法得到该标签的编码信息，这样便完成了无芯标签的检测和识别。2无芯标签的特性分析2.1基板材质分析标签结构通过三维全波电磁仿真软件(FEKO)进行仿真分析，当基板材质为F4BM时，得到如

8、图3(a)所示的无芯标签的RCS曲线，标签的结构参数如下：基板的厚度为0.5mm,尺寸为22mmx11mm,S为0.8mm,SO为1.6mm,臂宽W为0.2mm。由图3(a)可以得到按谐振器的