探究新型的无芯片RFID双极化标签设计

摘要：本文采用I型谐振单元来构造所设计的标签。相比于其他结构的谐振单元，其主要有两方面的优势。首先，无论激励信号是同极化，还是交叉极化的电磁波，I型谐振单元的后向散射信号中都不含有二次谐波，然而U型谐振单元在交叉极化的信号源激励下，会产生二次谐波［8］。其次，I型谐振单元在受到正交极化的平面波激励时，只会对一个极化方向的电磁波有所回应，而不会对另一个极化方向的电磁波有所回应，相应的原理图分别如图1和图2所示，其中V（vertical）和H（horizontal）分别代表谐振单元的放置方向和平面波极化方向是竖直和水平的，RCS是雷达散射界面（Radar Cross Section）。

0 引言

RFID是一种成熟的技术，近年来已经被广泛应用于目标的自动实时实别和追踪等。由于RFID标签具有读取距离远、体积小、抗污染能力强等特点，使其在潜在意义上成为了条形码的一种替代品。然而与条形码相比，传统的有芯标签的制作成本较高，因此，有芯RFID标签技术并没有得到大规模普及，尤其是在廉价物品领域上的应用，比如银行票据、邮票，以及用于其他低成本物品的标记等。

国外的研究者预计，如果标签的成本能控制在1美分以下，那么在低成本物品领域，将会有数以万亿的标签需求量［1］。目前，多比特的无源有芯RFID标签已经被用于标记高成本物品，标签的成本主要取决于其内部的硅芯片［2-3］，此外，硅片的脆性进一步限制了有芯标签的应用领域。因此，学者们把研究方向集中到了可以直接用导电油墨打印在产品或包装上的无芯RFID标签上来。

目前已提出的无芯标签，按照其特征检测方法大致可分为三类：时域法、频域法和相位域法［4-6］。在可打印标签中，基于频域法的标签相比于基于时域法和相位域法的标签拥有更高的编码数据密度。然而大多数基于频域法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，标签尺寸也会随之增大，这也使其失去了商业上的可行性。

文献［7］中，提出了一种在3.1 GHz～10.6 GHz的UWB（超宽带）范围内最高可获得35 bit的数据容量的标签。但其尺寸较大，难以投入使用。目前对于大多数文献中提出的标签，第一个限制因素来自于谐振单元的二次谐波，二次谐波限制了可用作数据编码的带宽宽度;

第二个问题来自于标签的尺寸和编码容量之间的关系，通常为了获取较大的编码容量，往往需要增加标签的谐振单元，即增加标签尺寸。为了克服上述提到的无芯RFID标签的限制因素，以及它们的尺寸较大、编码容量受到限制和直接打印技术上的困难，本文提出了一种基于双极化结构的无芯片RFID标签，该标签由在竖直方向和水平方向蚀刻的I型谐振单元构成。同时，引入频移编码技术使得标签的编码数据密度得到进一步增加。未来，这个单面的、易打印的紧凑型标签不仅可以用于邮票、重要文件和信用卡的标记，并且可以直接打印在纸张或塑料包装上用作物品级的标记。

1 双极化标签的工作原理

1.1 I型谐振单元的极化特性

本文采用I型谐振单元来构造所设计的标签。相比于其他结构的谐振单元，其主要有两方面的优势。首先，无论激励信号是同极化，还是交叉极化的电磁波，I型谐振单元的后向散射信号中都不含有二次谐波，然而U型谐振单元在交叉极化的信号源激励下，会产生二次谐波［8］。其次，I型谐振单元在受到正交极化的平面波激励时，只会对一个极化方向的电磁波有所回应，而不会对另一个极化方向的电磁波有所回应，相应的原理图分别如图1和图2所示，其中V（vertical）和H（horizontal）分别代表谐振单元的放置方向和平面波极化方向是竖直和水平的，RCS是雷达散射界面（Radar Cross Section）。

1.2 双极化特性分析

通过观察图1和图2可知，竖直方向上放置的I型谐振单元在受到极化方向为竖直和水平方向上的平面波激励时，都无二次谐波产生。同时，通过观察两个极化方向上的RCS曲线幅值可以看出，竖直方向上放置的I型谐振单元对极化方向为竖直方向的平面波产生的回波信号强度远远大于水平极化的平面波产生的回波信号强度，两者的幅值相差6个数量级。因此当受到正交极化的平面波激励时，来自水平极化的平面波产生的回波信号即可忽略不计。利用I型谐振单元的这种极化特性，可以同时在两个正交极化方向上对多个I型谐振单元同时进行编码，将这种编码技术定义为双极化编码技术，应用此技术可使标签在原有的尺寸上编码密度加倍。

2 标签的设计与编码

2.1 标签的结构设计

利用上文提到的I型谐振单元的极化特性，便可构造双极化结构的标签。双极化标签由在竖直方向和水平方向蚀刻的I型谐振单元构成。在图3中设计了两种不同结构的双极化标签，并通过仿真得到了其RCS曲线图。

通过观察两种标签的RCS曲线图，可以得出标签2相比较于标签1，其回波信号强度较强，幅值更为尖锐，便于进行观察和编码;并且其谐振频点与标签1保持一致，不会对原有的谐振频点造成影响。因此，采取标签2作为本文中的标签基础结构。

2.2 编码方法

本文提出了一种双极化编码技术。利用两个正交极化的电磁波同时作用于标签，根据I型谐振单元的特殊极化特性，可在两个极化方向上同时对标签进行编码。并且将频移编码技术引入到该标签结构中，与双极化编码思想相结合，设计了一个双极化无芯标签的编码方法。

3 标签的仿真分析

下面根据图3中设计的标签基础结构和上文提出的编码方法，通过其标签的6个不同结构（见图4）阐述该编码方法。其中V-pol和H-pol分别代表谐振单元的放置方向和入射波极化方向是竖直和水平的，Dummy是指该谐振单元并不参与编码，其目的是使相邻的谐振单元产生更加尖锐的波峰。图5是6种不同结构的标签对应的RCS曲线图。

把每个初始长度的谐振单元作为参照，同时每个谐振单元对应的初始编码为‘10’，如图4（a）所示。当谐振单元长度增加时，其谐振频点会随之减小，此时将其编码为‘01’。另一方面，当谐振单元的长度减小时，其谐振频点会随之增大，此时将其编码为‘11’。最后，当谐振单元被移除时，其谐振频点将不会存在，将其编码为‘00’。这样，通过改变每个谐振单元的长度来实现编码，即频移编码技术。每个谐振单元可以获得2 bit的编码数据。

图4（a）是利用参考长度的谐振单元构造的标签，这个标签的初始ID可表示为‘V-10 10 10 10+H-10 10 10 10’。图5（a）是其对应的仿真结果，两个极化方向上的平面波在每个谐振单元对应的频点上，产生了相互重叠的回波信号。该结果将被用于验证下述的5个标签的仿真结果。

图4（b）中，4个H-pol的谐振单元长度不变，4个V-pol的谐振单元长度减小，此时4个V-pol的谐振单元对应的编码由‘10’变为‘11’。因此，此时标签的ID可表示为‘V-11 11 11 11+H-10 10 10 10’。图5（b）所示为对应的仿真结果，与实线表示的H-pol的曲线相比，虚线表示的V-pol的谐振频点，向右发生了频移。

将谐振单元按其长度由长到短依次排序。图4（c）中，H-pol的第1个和第3个谐振单元的长度保持不变（10），第2个的长度增加（01），移除第4个谐振单元（00）。V-pol的第2个和第4个谐振单元的长度保持不变（10），第1个长度减小（11），移除第3个谐振单元（00）。因此，此时标签的ID可以表示为‘V-11 10 00 10+H-10 01 10 00’。图5（c）是其仿真结果，通过观察可以看出，RCS曲线的仿真结果与标签结构的变化是相互对应的。

同样的，对于另外的3个标签，通过观察可以看出，当标签结构发生变化时，仍然可以得到与其结构的变化规律相匹配的RCS曲线图。因此，通过上述6个标签的仿真结果可以得出，每个谐振单元均可实现2 bit的数据编码，并且在两个极化方向上能够实现任意的编码组合。

4 结论

本文利用‘I’型谐振单元提出了一种新型无芯RFID标签。通过使用双极化编码技术使标签的编码密度得到加倍，并且引入频移编码技术，使得在减少谐振单元数目的同时，仍然可以得到理想的编码容量。最后，设计了一个16 bit的双极化结构的无芯标签，并且通过仿真结果验证了其可行性。这个单面的、易打印的、高容量无芯标签为无芯标签在低成本领域的应用，拓展了新的研究思路。

编辑：jq