一种L型微带谐振器加载的射频识别无芯片标签

黄诗程，马中华^* ，陈 彭

(集美大学信息工程学院，福建 厦门 361021)

摘要：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 bits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 bits的编码容量。通过制作4 bits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。

关键词：无芯片标签；物联网；射频识别；L型微带谐振器

中图分类号： TN 926                      文献标识码：A

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。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，具有远距离非视距读取、自动识别和跟踪等优势。但由于传统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，因此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。如金融业中支票的鉴别；信用卡、图书证的扫描；零售环境中库存的跟踪；以及病理学和其它医学检测样品的鉴定等。

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，不能重复写入，数据容量受限，反向散射功率低，读取距离短，因此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]、频域^[6-8]、空间域^[9]这三类。基于延迟线结构的时域无芯片标签响应速度快，并且得到真正的商用^[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芯片标签的成本，达不到降低成本的目的。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]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。Ni等^[12]在文献[13]的基础上，将集总电阻加载到微带环上控制反向散射信号的幅度，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基板上打过孔到背面接地层，不能实现完全印刷，制作过程复杂。文献[9]提出了基于空间角度编码的无芯片标签，散射体设计成V字形，通过测量正交方向上场强的大小确定V字形的两个臂之间的夹角，进而进行编码。虽然这种无芯片标签提高了编码容量，但是实际应用中会受到场强测量精度和环境的限制，在实际应用中会产生较高的误码率。

由微带带阻滤波器的设计理论可知，多个L型微带谐振器放置在主传输微带线两边，就可以构成微带带阻滤波器^[14]。在此基础上，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无芯片标签。

1. 1.工作原理

L型微带谐振器加载的无芯片标签RFID系统工作原理如图1所示。无芯片标签的RFID系统由L型微带谐振器加载无芯片标签、超宽带读取器和读取器正交收发UWB天线组成。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。利用50 Ω微带传输线耦合不同尺寸的L型微带谐振器进行频率位置的编码，标签的正交收发天线采用超宽带(ultra wideband，UWB)圆盘单极天线。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。

图1 L型微带谐振器加载的无芯片标签的工作原理

Fig.1 Working principle of L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag

L型微带谐振器加载的无芯片标签由两个正交的收发超宽带天线、50Ω微带主传输线和多个加载的L型微带谐振器组成。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，读写器的收发天线要相互正交，标签的收发天线也要相互正交，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。

1. 2.L型微带谐振器加载的无芯片标签设计

图2为L型微带谐振器加载的无芯片标签的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为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，故耦合缝隙可以用电容C等效；长度不同的L型微带谐振器用不同值的电感L_i和电容C_i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C_i，故L型微带谐振器的谐振频率主要由L_i和C_i决定，i=1, 2,···, n。

选用F4BM的介质基板作为制备L型微带谐振器加载的无芯片标签的材料，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.000 7，厚度为1 mm。在三维高频结构仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)中建模仿真。结构参数如下：基板的长和宽分别为50.00 mm和43.22 mm，W₅₀=3.12 mm，d₁=5.00 mm，L₁=15.00 mm，w=1.00 mm，s=0.10 mm，Wr=1.00 mm。图3为单个L型的电场分布和频谱结构。图3(a)为L型微带谐振器耦合微带线的电场分布，当电磁波在主传输微带线上传输时，L型微带谐振器耦合到一部分能量，在其上有明显的电场分布。图3(b)所示的单个L型微带耦合谐振器的散射参数(S参数)随频率f的变化曲线。由正向传输系数S(2,1)可知谐振基波频率为4.80 GHz，在基波处L型微带耦合谐振器的品质因数达到26.7，提高了频谱利用率，也可以增加读取距离和分辨率。但是该结构会产生二次谐波，二次谐波频率为10.93 GHz，故其他L型微带耦合谐振器的基波频率不能接近二次谐波频率，否则将会产生干扰，造成误码。

当相邻L型微带谐振器的长度差t=1.00 mm，相邻谐振器之间的间距为0.50 mm时，使用HFSS仿真软件在F4BM基板上设计了由4个L型微带谐振器组成的几种典型编码L型微带谐振器加载无芯片标签。图4分别为编码ID1111、ID1010、ID0101和ID1001的标签仿真结果。把编码为ID1111的标签作为参考标签，其频谱曲线对应的4个谐振点分别为：4.80，5 .00，5.23，5.49 GHz。从图4可知编码为ID1010、ID0101和ID1001的标签对应的谐振点与参考标签的谐振点基本吻合，能够清楚地区分出它们的编码状态。

(a)

(b)

图2  L型微带谐振器加载的无芯片标签结构(a)和等效电路图(b)

Fig.2 L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag structure (a) and equivalent circuit (b).

(a)

(b)

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 Single L-shaped microstrip resonator loaded chipless tag electric field distribution (a) and resonance curve (b).

为了提高频谱利用率，增加编码容量，本研究采用幅度调制和频率位置混合编码的方法。保持L型微带谐振器其它参数不变，改变Wr，对应频谱上谐振点的凹陷深度随之改变，如图5所示。当耦合边宽度分别为1.00，2.00，3.00 mm时，凹陷的深度分别为-7.1，-6，-4.9 dB，不同宽度对应的凹陷深度相差1 dB。且此时L型耦合谐振器的谐振频率随Wr的改变变化微小，可以认为在同一位置发生谐振，谐振频率不变。

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.

从图3中单个L型微带耦合谐振器频谱曲线上可知，每个L型微带耦合谐振器谐振点的3 dB带宽为180 MHz，外加上下保护频带120 MHz，每个谐振点占有的带宽为300 MHz。如果不受谐波干扰的情况下，在4.80 GHz到10.93 GHz频带上可以得到20个频率位置；每个频率位置幅度分为3个状态，共有20×3=60 bit的编码容量，编码状态达到2⁶⁰个。因此，频率位置和幅度调制进行混合编码大幅度增加了编码容量。

1. 3.实验测试

根据4 bits无芯片标签仿真结果，在F4BM介质板上制作了典型的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。无芯片标签需要读写器发送频谱均匀的超宽带信号激励，由不同长度的L型微带谐振器改变此超宽带信号的频谱结构，形成对应L型带阻谐振器的陷波特征。由于传统的读写器为窄带工作，不能用于超宽带无芯片标签系统，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文献[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。网络分析仪两个端口分别接正交的UWB圆盘单极天线，它们分别和标签收发天线的极化特性一致，测试距离为20 cm。

图6几种典型编码的无芯片标签照片

Fig. 6 Photograph of several typical coding chipless tags.

(a) ID1111

(b) ID1010

(c) ID0101

                                                                                         (d) ID1001

图 7  谐振曲线测试结果

Fig.7 Measuring results of the resonance curve

几种典型的编码如ID1111、ID1010、ID0101和ID1001的标签测试结果如图7(a) ⁓ (d)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相比，基本是一致的。虽然图7(c)中最右边的陷波特征对应的谐振频率与参考标签对应的频率相比略有降低，但在误差允许的范围内，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。

4.讨 论

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个时的结构和电场强度的示意图。图中为了减小标签面积，L型微带谐振器分布在主传输线两侧。而且为了减小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在主传输微带线两侧。L型微带谐振器放置在微带主传输线两侧，排列顺序如图8所示。图9是16 bit标签的频谱结构仿真结果，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型微带谐振器对用的谐振频率位置，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 bits 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-bit L-shaped microstrip resonators loaded chipless tag.

图9 16 bits无芯片标签仿真结果

Fig.9 Simulated result of 16-bit chipless tag.

图10 L型微带谐振器变形后的枝节开路线谐振器无芯片标签照片

Fig.10 Photograph of stubs opening circuit resonators chipless tag after deformed the L-shaped microstrip resonators.

为了进一步减小标签尺寸，将原来的L型微带谐振器加载的无芯片标签变形为倒L型微带谐振器，并将其垂直边直接连接到微带主传输线上，图10为这种变形的开路枝节线结构无芯片标签的照片。其基板尺寸为35.00 mm×23.62 mm，4条枝节线长度分别为24.00，21.00，18.00和15.00 mm。和图6的结构50.00 mm ×43.22 mm 相比，面积减小了61.7%。图11为变形后开路枝节微带线无芯片标签仿真和测试结果，通过软件仿真的频点分别为2.37，2.76，3.28和4.10 GHz。做板后测试的谐振频点分别为2.405，2.795，3.300和4.095 GHz，仿真和实测结果基本一致，验证了本设计的合理性。

图11 开路枝节微带线无芯片标签的仿真和测试结果

Fig.11 Simulation and test results of the stub opening line chipless tag.

表 1   不同类型无芯片标签比较

Tab. 1 Comparison of different types of chipless tags

表1列出了不同工作类型的标签性能的比较，通过对比发现，本研究提出的这种类型的无芯片标签，单个谐振器对应的比特数较高，编码容量较大，易于实现。尤其和文献[12]比较，谐振单元设计简单，能够实现完全印刷。

5．结论

本研究提出基于L型微带谐振器加载的无芯片标签，将50 Ω微带主传输线和L型微带谐振器耦合，改变微带线上的超宽带均匀频谱的结构，产生频率位置编码。通过改变L型微带谐振器耦合边的宽度进行幅度调制编码，形成混合编码的无芯片标签，来增加编码容量。为了减小标签的面积，将L型微带谐振器变形为开路枝节线，减小61.7%的标签面积。最后制作了典型编码的几种标签进行测试，测试结果和仿真结果基本一致。这种标签可应用于物流领域，成本较低，可取代光条形码。

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An L-shaped Microstrip Resonator Loaded Radio Frequency Identification Chipless Tag

HUANG Shi chen, MA Zhong hua^*，CHEN Peng

(College of Information Engineering, Jimei University, Xiamen, 361021, China )

Abstract: The use of low-cost tags for radio frequency identification (radio frequency identification, RFID) systems contributes to development of the internet of things (IoT，the Internet of Things). 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 (ultra wideband，UWB) monopole disc antennas are used on the tag. The L-shaped microstrip resonator loaded with chipless tag is comprised by coupling the L-shaped microstrip resonators 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. Results agree satisfactorily with the simulation results.

Key words: chipless tag; internet of things; radio frequency identification; L-shaped microstrip resonator