适用于金属物体识别的L形无芯RFID标签设计*

闫丽云，张文梅，陈新伟

（山西大学物理电子工程学院，太原　030006）



适用于金属物体识别的L形无芯RFID标签设计*

闫丽云，张文梅，陈新伟

（山西大学物理电子工程学院，太原030006）

摘要：设计了一种L形无芯射频识别标签，该标签包含6个不同尺寸的L形散射单元，利用其交叉极化方向上的反向散射场进行识别。标签基于频域特征进行编码，每个标签可携带6 bit信息。使用CST仿真软件对所设计L形无芯RFID标签进行仿真，分析了L形散射单元的尺寸变化时对标签谐振特性的影响。此外，还仿真了标签的接地板尺寸增加后的情况，证明该标签可适用于金属物体的识别或金属背景下的物体识别。

关键词：射频识别RFID，无芯标签，金属物体识别，L形

0　引言

射频识别技术（RFID）是一种利用射频波进行无线数据获取的技术，其应用越来越广泛。目前，无芯RFID标签因其设计可以省去硅芯片而大大降低了标签成本，并且可以直接印制在产品或包装上，逐渐成为了研究热点。低成本的无芯射频识别标签在物流、零售等领域将会有广阔的应用前景。

无芯射频识别标签可以分为两大类：基于时间域（TD）和基于频域（FD）的标签［1］。目前，商用的无芯射频识别标签只有声表面波（SAW）标签［2-3］，属于基于时间域的标签。基于频域的无芯RFID标签利用谐振结构在频率域上进行编码［4-5］。通常情况下，FD标签的每个比特是利用在预定频率上谐振峰的有无来进行编码的。因此，FD标签一般占用频带较宽，需要设计宽带阅读器。但是，这种标签的优点是编码容量大，并且标签成本低，可以直接打印。

本文提出的L形无芯RFID标签，采用L形的贴片作为散射单元，利用频域进行编码，通过测量交叉极化方向上的反向散射电场实现对标签的识别。标签的优点是在金属背景下，仍然可以通过交叉极化方向上的反向散射电场来进行识别。

1　L形无芯RFID标签的设计

1.1标签的结构及参数

图1　L形无芯RFID标签的结构图

本文所设计L形无芯RFID标签的结构如下页图1所示，包括由互相垂直的两个条形贴片组成的L形散射单元、介质和接地板。标签结构参数如下：长度和宽度均为a=20 mm，介质为罗杰斯4 350（εr= 3.66），厚度h=1.6 mm。L形贴片的两臂的长度均为l=12 mm，宽度均为w=1 mm。L形贴片的总长（2l）以及介质的介电常数将决定其谐振频率。

阅读器天线沿-z轴方向发射水平极化的平面波，垂直入射到L形标签上。使用CST仿真，得到标签的反向散射电场在水平和垂直极化方向上的分量，Ex和Ey，如图2所示。由图2可看出，Ex幅度在谐振频点f =3.98 GHz处会产生一个最小值，而Ey幅度在该频点达到峰值。因此，根据在水平或垂直方向上的反向散射电场的谐振位置可对标签进行识别。但是，Ex随着工作频率的增大而增大，而且会受到标签背景金属面积的影响（分析见本文第4部分）。因此，选择利用垂直极化方向上的散射场Ey来识别标签。

图2　L形无芯RFID标签的反向散射电场

2　仿真标签参数变化的影响

图3　L形标签在垂直极化方向上的散射电场

使用CST仿真标签的L形贴片的长度变化对谐振频率的影响。将L形贴片的臂长l分别设置为12 mm、13 mm、14 mm和15 mm，依次进行仿真，得到标签垂直极化方向上的散射电场Ey，如图3所示，l变化时，标签的谐振频率列在表1中。由图3可看出，长度l变化时，标签在垂直极化方向上的散射电场会在相应的谐振频率点处出现峰值。而且，贴片长度l越短，对应的谐振频率越高。

表1　长度l变化时标签的谐振频率

3　L形无芯RFID标签的编码

图4　包含6个谐振单元的L形标签

为了增加标签的信息密度，在标签上放置6个L形贴片，如图4所示，臂长分别为l1=15 mm、l2=14 mm、l3=13 mm、l4=12 mm、l5=11 mm和l6=10 mm，每个L形贴片的间距为1 mm。那么，6个不同尺寸的L形贴片在频域上将产生6个谐振峰。为了增加标签的反向散射场强度，再将标签的长宽均扩大两倍，即面积为40×40 mm2，然后将6个L形贴片按照图5所示方式重复8次。

图5　6个L形谐振单元重复8次的无芯RFID标签

图6　L形标签在垂直极化方向的散射电场

使用CST对图5所示标签进行仿真，得到垂直极化方向上的反向散射电场强度如图6所示。由图6可看出，散射场强Ey在6个频点分别出现峰值。与图3图比较发现，单个L形贴片的散射场强仅为0.002 V/m，而散射单元被重复8次后的散射场强大多都超过了0.02 V/m，几乎是单个散射单元的场强的10倍。这将有利于环境噪声较大时标签的识别。

此外，根据雷达散射截面的定义，如式（1）所示，标签的散射单元重复后，其散射场强Es增强，会使标签的雷达散射截面σ增大。对于无芯RFID标签，阅读距离Rrange与雷达散射截面之间的关系如式（2）所示［6］，其中，PT表示发射功率，λ表示波长，GT和GR表示射频识别系统的阅读器天线的增益，Pmin表示接收机的灵敏度（一般为-70 dBm）。由式（2）可以看出，同样发射功率的情况下，标签的散射单元重复后，阅读距离也将增加。

图7　3个L形标签在垂直极化方向的散射电场

图7为3种编码状态的标签的交叉极化方向上的反向散射电场。红色实线对应的是标签上同时具有6条不同尺寸的L形贴片的情况，该标签的反向散射场会产生6个不同的谐振频率，对应于码字“111111”；黑色曲线（-o-）所对应的标签，去掉第3条贴片，反向散射场只有5个谐振频率，在f3处将不产生峰值，对应码字为“110111”；蓝色曲线（-●-）所对应的标签，去掉最短的一条贴片，在f6处将不出现峰值，对应码字为“111110”。

4　加大接地板尺寸对标签识别的影响

为了验证标签是否适用于金属背景下的识别，把接地板尺寸在各个方向上增加g，如图8所示，来模拟标签贴在金属物体上，或是背景有金属的情况。g取不同值（5 mm、10 mm、15 mm）时分别进行仿真，得到标签在水平和垂直极化方向上的反向散射电场如图9所示。由图9（a）可以看出，当g变化时，水平极化方向的反向散射电场Ex的幅度有明显的变化，随着g的增大，Ex的幅度将增大。由图9（b）可以看出，垂直极化方向上的散射电场Ey的幅度几乎不变。这说明，标签在有金属背景的情况下，仍然可以利用垂直极化方向上的散射电场在频域上的谐振特征来进行识别。

5　结论

图8　增加接地板尺寸的标签结构图

图9　接地板尺寸变化时标签两个方向上的反向散射电场

本文设计了一种L形无芯射频识别标签，并研究了标签的贴片长度以及接地板大小的变化对标签性能的影响。所设计标签可携带6 bit信息，可以通过反向散射电场在频域上的谐振特征进行识别，而且在背景有金属情况下，仍然可以通过交叉极化方向上的反向散射电场的谐振特征进行识别。

参考文献：

［1］COSTA F，GENOVESI S，MONORCHIO A.A chipless RFID based on multiresonant high-impedance surfaces［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61 （1）：146-153.

［2］BULST W E，FISCHERAUER G，REINDL L. State of the art in wireless sensing with surface acoustic waves［J］. IEEE Trans. Ind. Electron.，2001，48（4）：265-271.

［3］PLESSKY V，REINDL L. Review on SAW RFID tags［J］. IEEE Trans.Ultrason Ferroelect Freq. Control，2010，57（3）：654-668.

［4］NIJAS C M，DINESH R，DEEPAK U，et al. Chipless RFID tag using multiple microstrip open stub resonators［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，60（9）：4429-4432.

［5］PRERADOVIC S，KARMAKAR N C. Design of fully printable planar chipless RFID transponder with 35-bit data capacity［C］// Proceedings of the 39th European Microwave Conference，2009：13-16.

［6］COSTA F，GENOVESI S，MONORCHIO A. Chipless RFIDs for metallic objects by using cross polarization encoding［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62 （8）：4402-4407.

Design of L- shaped Chipless RFID Tag with Metallic Background

YAN Li-yun，ZHANG Wen-mei，CHEN Xin-wei
（School of Physics & Electronics Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Abstract：A L-shaped chipless RFID tag is proposed for used in the metallic background. The tag comprises six L-shaped scatterers of different sizes，which generate six separate resonant frequencies. The tag can be identified by the backscatter field in the？cross polarization direction. This paper studied the effects of varying the dimensions of the L-shaped scatterer on the tag recognition. Also，the effects of placement of additional metallic ground-plane have also been studied and the result shows that the proposed L-shaped chipless RFID tag can be also identified in the metallic background.

Key words：radio frequency identification（RFID），chipless tag，metal object identification，L-shape

中图分类号：TN828.6

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）05-0154-03

收稿日期：2015-04-13修回日期：2015-05-09

*基金项目：国家自然科学基金（61172045，61271160）；山西省自然科学青年基金资助项目（2014021021-1）

作者简介：闫丽云（1977-），女，山西忻州人，在读博士。研究方向：射频识别系统标签天线设计。