基于频率选择表面的缝隙谐振结构无芯片标签设计

陈孟儒，陈 强，孙海静，张崇琪，张 凯

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620）

0 引言

物联网（the Internet of Things，IoT）产业发展速度迅猛，其核心技术具有很大的应用场景。自动识别技术在各物联网产业领域中广泛应用，其作用主要是在传输过程中为用户端和物品端之间提供信息交换和通讯，以实现信息提取、识别、追踪定位等功能[1]。加速物联网发展的速度离不开识别技术的发展，射频识别技术因其可移动识别、多目标识别和非接触识别的优点，得到了广泛关注和应用。相比传统条形码和二维码，无芯片标签具有无光条件下可识别的优势，在未来工业智能化发展下具有广阔的应用前景。目前限制传统射频识别技术发展的主要原因之一便是芯片的成本，选择谐振电路代替内部芯片的无芯片标签，既可以降低标签成本，又避免了有芯片标签的碰撞，极大程度上提高了识别的效率。

无芯片射频识别技术应用雷达通信原理，将标签的信息加载在电磁信号（EM，electromagnetic signature）中，无芯片标签内部不含有硅芯片，依据不同介质基底具有的不同响应特性的结构，来实现对标签的编码和识别[2]。无芯片标签可以根据数据编码方式的不同主要分为三种，基于时域、频域和相位/幅度的无芯片标签[3]。目前已经在商业中使用的无芯片电子标签始于上世纪80年代末，利用声表面波技术。它是典型的基于时域的无芯片标签，有别于IC芯片识别的非接触自动识别技术。对于SAW标签，压电基底的材料选择至关重要，其性能直接影响SAW标签的性能，但因其压电材料的成本偏高，同时需要较大的尺寸来满足编码的需求，因此难以满足市场的需求[4]。由于目前基于相位/幅度类型的无芯片标签具有结构简单、可量产的优点；但编码容量偏小，标签面积较大，制造成本相应较高[5]。相比前面两种标签，基于频域的无芯片标签具有更大的编码容量，尺寸较小，通过其结构特性来完成编码，极大程度上降低生产的成本；同时基于它的多变性、高容量的特点，一直是研究的焦点。

基于频域自谐振的无芯片标签具有编码容量大，结构紧凑等优点，同时标签本身不含有天线，使得标签表面积减小，因此该标签的应用场景更加广泛[6]。标签的谐振器一般分为谐振中呈现带阻特性的贴片型和谐振中呈现带通特性的缝隙型两种。目前常用的几种谐振单元主要有U型贴片、U型缝隙、圆环形贴片、圆环形缝隙其他结构等，此类自谐振器标签的谐振单元对标签性能起着确定性作用，因此可以用品质因素Q的值评价标签性能[3]，如式(1)所示：

1 无芯片电子标签工作原理

无芯片射频识别系统由阅读器和无芯片电子标签组成，通过读写器发送检测探测信号给无芯片标签，信号到达无芯片标签后被反射、散射，将包含无芯片标签特征信息的信号返回给读写器，系统工作原理如图1所示。基于频域编码的无芯片电子标签的工作原理一般是将标签结构所预设的编码信息加载到反向散射的电磁波频谱中，利用标签结构在频谱特征中形成的特定衰减或反射形成特定的编码信息，进行数据0～1的编码[7]。文章设计的基于频率选择表面的无芯片电子标签为单层铜箔结构，利用在介质板上层铜箔上周期性排列的缝隙结构的频率选择特性，进行数据编码，通过反向散射回读写器进行解码信息。

图1 无芯片标签工作原理

频率选择表面是一种二维阵列周期性排列而成的结构，具有明显的滤波特性，分为带通和带阻两种情况[8]。呈现带阻特性的贴片型谐振结构，通过金属贴片与基板构成的频率选择表面形成对特定频率入射波的反射，从而实现两端口之间特定频率的衰减，可根据其传输特性进行数据编码；呈现带通特性的缝隙型结构，通过对特定频点入射波的透射，形成对入射波的吸收，可根据其反射特性进行数据编码。如图2所示，贴片型结构等效电路可以为LC串联谐振电路，缝隙型结构等效电路可以为LC并联谐振电路。

图2 结构模型和等效模型

设计的无芯片标签基于频率选择表面通过在介质基板上层蚀刻一系列并排的谐振缝隙，每个谐振缝隙的宽度一定，长度不等，根据不同长度谐振缝隙产生不同的谐振频率进行无芯片标签的编码[9]。谐振器的谐振频率f由式(2)确定（C为自由空间光速，εr为介质的相对介电常数，L为谐振缝隙的长度）：

2 基于频率选择表面的无芯片标签设计

2.1 结构特性确定

根据式(2)的原理，选用相对介电常数为2.2、损耗角正切0.0009的Rogers 5880为介质覆铜板为介质基板，在只考虑谐振缝隙长度和介质材料的相对介电常数的条件下，可以得出当缝隙长度L为24mm时，谐振频率f为5.4GHz。结构示意图3(a)与谐振缝隙的缝隙表面电流分布如图3(b)所示，电流主要集中在谐振缝隙的两端，可以通过改变谐振缝隙长度，而改变谐振频率[10]。图4为单谐振缝隙电磁仿真谐振曲线，基波频率为5.39GHz，二次谐波在10.39GHz。

图3 单谐振缝仿真图

图4 单谐振缝隙电磁仿真谐振曲线

通过HFSS三维电磁仿真软件进行建模仿真发现，控制谐振缝隙的长度可以产生不同的谐振频率，谐振缝隙长度L1=20mm、21mm、22mm时的谐振曲线如图5所示。随着谐振缝隙长度的增加，谐振频率对应的频点依次降低，因此可以通过不同长度的谐振缝隙进行一系列的组合，从而进行编码信息。另外可以看出：谐振频率并不随着谐振长度的变化线性增加。

图5 不同谐振缝隙长度的仿真谐振曲线

表1 不同长度谐振缝隙的谐振参数

将谐振缝隙的长度固定为21.5mm，谐振缝隙的宽度W1从0.2mm以步长0.1mm依次增加至0.6mm，得谐振缝隙宽度变化时的谐振曲线，如图5所示。随着谐振缝隙宽度的增大，谐振频率的频点依次增加，从0.2mm至0.6mm，谐振频率偏移0.4GHz，偏移量较大。

表2 不同宽度谐振缝隙的谐振参数

将谐振缝隙宽度以0.5mm，第一条谐振缝隙的长度24mm，后序依次递减2.5mm，以谐振缝隙的耦合间隙gap为变量，gap设置在1mm、1.5mm、2.0mm进行仿真，得到耦合间隙与谐振曲线关系如图6所示。随着耦合间隙的逐步增大，各谐振缝隙的耦合效应逐步减弱，各谐振频点明显往高频移动。

图6 不同谐振缝隙宽度的仿真谐振曲线

图7 不同耦合间隙的仿真谐振曲线

表3 不同谐振缝隙的谐振参数

2.2 标签结构

通过仿真，在长度为L，宽度为W，厚度为H的介质基板上进行谐振缝隙编排。谐振缝隙的宽度均为W1，第一个谐振缝隙长度为L1，往后长度依次递减2.5mm，相邻谐振缝隙的耦合间距为d1，x和y为首个谐振缝隙在介质基板上的坐标。标签结构如图8所示，具体参数如表4所示。

图8 基于频率选择表面的无芯片标签结构示意图

表4 标签结构参数

3 标签仿真与实验测试

3.1 无芯片标签仿真测试

图9为5bit编码的无芯片电子标签的谐振曲线，可以看出：谐振曲线中存在5个明显的谐振峰，各谐振点的参数如表5所示，把每个凹陷频点都记作编码“1”，无凹陷的频点记作编码“0”，则此具有五个谐振缝隙的单层覆铜介质板可构成最高5bit的编码标签，通过介质板上谐振缝隙的有无，实现0～1编码。

图9 5bit编码的无芯片电子标签的谐振曲线

表5 5bit编码的参考标签谐振曲线参数值

以编码为ID-11111编码作为参考标签，分别仿真了编码为ID-10100、ID-00101的标签，仿真结果的谐振曲线如图10所示。由图可知仿真的标签频点相对于参考标签频点，频点一定的偏移，但偏移量不超过0.11GHz，幅值变化约为4dB左右。在偏移远小于频率分辨率的情况下，可以忽略影响，将其划归为同一谐振频点。以确保阅读精度，降低标签误码率。

图10 不同ID的5bit编码的无芯片电子标签的谐振曲线

3.2 实验测试

如图11(a)所示的是基于频率选择表面的缝隙谐振结构无芯片标签实物图，采用矢量网络分析仪Rohde&Schwarz ZNB40作为标签的收发检测仪器，将超宽带收发天线分别连接到矢量网络分析仪的两端口，两天线间的测试距离为15cm，待测标签置于两天线之间。测试结果如图11(b)所示，实验测试的谐振点位置虽然出现一定的偏移，但最大偏移量不超过0.08GHz，可以认为每个谐振点均能够被准确识别，不出现误码现象。

图11 基于频率选择表面的5位缝隙谐振结构无芯片标签

表6 不同编码的标签谐振参数

4 结语

本文提出一款缝隙谐振结构的3cm×3cm自谐振无芯片标签，可在Rogers 5880介质板上实现完全印刷，在频谱上实现了5bit的编码容量，后续通过结构改进，可以实现编码容量的扩大。通过改变谐振缝隙在介质基板上的有无，实现无芯片标签的编码，该种标签通过对介质基板的蚀刻，结构简单，同时去除了天线，减小了标签的面积，同时有效降低了标签成本。以无芯片标签为载体的数字识别系统会在图书馆、服装行业、物流运输等场景大量普及，因此无芯片标签具有广阔的应用前景。