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带微带贴片谐振器的无芯片射频识别标签

Kawther Mekki、Ali Gharsallah，University of Tunis El Manar；Omrane Necibi，University of Jouf；Hugo Dinis、Paulo Mendes，University of Minho

几年来，RFID（射频识别）技术在人员和货物的自动识别领域带来了许多创新。然而，对于消费产品的识别，条形码仍然占主导地位。¹ RFID系统由RFID标签和RFID阅读器组成。^2,3 RFID标签被贴在要识别的物体上。每个RFID标签包含一个独特的标签识别号码（标签ID）。RFID标签包含存储标签ID的电子电路，并与RFID阅读器进行无线通信。RFID阅读器发射一个询问信号，与RFID标签通信，以获得其标签ID。标签或者主动发射一个射频响应信号，或者被动反映（背向散射）询问信号。标签的响应被RFID阅读器天线捕获，并由阅读器处理以提取其标签ID。^4-7

无芯片技术备受关注，因为它的成本比有源芯片技术低，而且它可以在电子芯片容易被破坏的恶劣环境下运行。已经有很多研究集中在高性能的无芯片RFID标签上。^8,9 许多谐振拓扑结构已经被提出，如U形¹⁰、L形¹¹、八角形¹²、槽形¹³、三角贴片¹⁴、微带线¹⁵和45度方向的短偶极。¹⁶

按编码方法，无芯片RFID标签可分为两类：1）基于频率签名的^17-20；2）基于时域反射的无芯片RFID。^7,21-23

最近，低成本和小型通信系统的发展很大程度上是由于小重量和小尺寸天线的出现，这些天线可以在广泛的频率范围内提供良好的性能。矩形微带贴片就是一个有吸引力的选择。它的工作原理在计算上是简单的。它成本低、容易制造，而且是可塑的。它可以实现小尺寸的低剖面结构，还能确保可靠性、移动性和良好的效率。

本文的工作是一个由6个贴片谐振器组成的无芯片标签，其编码是基于在4.5至6.2GHz的1.6GHz带宽内控制其RCS的大小。还探讨了相互耦合的影响。相位，加上频率编码，使编码能力增加。测量结果验证了仿真。

微带贴片谐振器的设计

微带贴片被设计为在一个狭窄的波段上工作。在设计基于RCS量级的无芯片标签时，希望有谐振行为。Karmakar描述了设计步骤。²⁴ 它被制作在一个0.76毫米厚的罗杰斯RO4350B基板上（见图1）。

图1 微带贴片天线的几何形状。

宽度W_p和长度L_p由以下公式给出：²⁵

其中

而ΔL由以下因素决定：

其中c是真空中的光速，h是基板厚度，ε_reff是由公式给出的有效介电常数：

参数研究

经理论计算，微带天线的贴片长度L_p和宽度W_p分别为17.2和21.7毫米，用于在4.6GHz（最低频率贴片的目标频率）发生谐振。对带槽的贴片天线的尺寸进行了参数研究（见图2），优化了性能和减小了尺寸（L_p=W_p=16.5mm）。

图2 使用槽来缩小尺寸的无芯片RFID标签的几何形状。Lp=Wp=16.5、W=1.2、G=6毫米的贴片在4.6GHz的谐振。

用CST Studio套件的参数扫描部分优化了各种贴片参数。W_p、L_p和槽尺寸W和G的变化对RCS都有很大影响。图3a显示了谐振频率与L_p和W_p的关系。使用尺寸分析得出的最初结果显示了在f = 3.6 GHz的谐振。经过优化，在f = 4.6 GHz时实现了谐振，L_p和W_p都等于16.5 mm。为了达到最佳效果，W=0.9至1.5毫米，G=4至8毫米，如图3b所示。图4显示了4.6GHz贴片的最终RCS面积和相位响应。

图3 对应L_p和W_p（a）以及W与G（b）的不同组合时，RCS面积与频率的关系。

图4 优化设计的4.6GHz的RCS面积（a）和相位（b）。

用类似的步骤确定多比特标签中其他贴片的尺寸。

设计的无芯片RFID标签的仿真和测量

4比特贴片标签

在多贴片标签的情况下，一个窄带贴片阵列执行信号接收、标签ID数据编码和背向散射信号传输。每个贴片都有不同的谐振频率和背向散射。在总的背向散射信号中，阵列会产生一个独特的频率签名。标签的RCS呈现出编码标签ID数据的频率签名。

我们考虑了两种多贴片标签结构。第一个由4个矩形微带贴片谐振器组成。这4个贴片谐振器的长度L_p为12、13.5、15和16.5毫米，分别在6.1、5.7、5.1和4.6GHz的频率上发生谐振（见图5）。测量是在暗室中使用Keysight PNA-N5221A矢量网络分析仪（VNA）进行的，如图6所示。喇叭天线之间的距离e = 30厘米。所有达到r = 30厘米的谐振峰都可以被提取出来。仿真和测量结果显示在图7中。

图5 标签布局（a）和制造的贴片标签（b），返回ID 1111。

图6 在暗室中使用VNA的测量装置。

图7 4比特无芯片标签的仿真与实测RCS面积的对比。

一个或多个矩形贴片可以印在标签上，这些贴片中的一个或多个可以被短路，使其相应的频率无效。一个数据比特1或0分别根据频谱响应中缺口的存在或不存在而被编码。ID为"1111"的标签的幅度响应中出现4个缺口为4个1，而ID为"1101"的标签的幅度响应中出现3个缺口为3个1，没有缺口为0（见图8a）。在ID为"1111"的标签的相位响应中出现了4个相位转换，但在ID为"1011"的标签的0中没有出现相位转换（见图8b）。

图8 两个不同ID的标签的仿真与测量RCS幅度（a）和相位（b）。

6比特贴片标签

通过增加更多的谐振器，可以实现更大数据容量。6个L_p=12、13.5、14.5、15.5、16.5和17.5毫米的谐振器在频谱中产生6个缺口，对应于6.1、5.7、5.4、5.1、4.7和4.4GHz的6个谐振频率。仿真和制造的结构显示在图9中。仿真和测量结果显示在图10中。6个谐振被清楚地检测到，并且很容易区分，显示出测量和仿真之间良好的一致性。

图9 标签布局(a)和制造的贴片标签(b)，返回ID 111111。

图10 6比特无芯片标签的仿真与实测RCS面积的对比。

理论上的RCS定义与标签和天线之间的距离（r）无关。²⁶ 在实践中，测量的是在天线上收到的背向散射功率，这在很大程度上取决于测量装置。安捷伦PNA-N5221A VNA在双稳态配置下被用来测量频域中的垂直极化辐射。在2至8 GHz的频率范围内，VNA提供0 dBm的功率。在感兴趣的频段上，两个喇叭天线各自有12dBi的增益。在图6所示的装置中，测量时e=30厘米、r=20和30厘米。当r为30厘米时，最高频率的缺口不是很明确，这意味着该范围以外的性能下降了（见图11）。

图11 6比特无芯片标签的RCS面积，放置在距离发射和接收喇叭天线20和30毫米处。

无芯片标签产生6位数据，具有独特的频率签名。比较图12a中蓝色曲线和红色曲线，第4个缺口消失了，形成了一个ID为"111011"的标签响应。在蓝色曲线中ID为"111111"的标签的相位响应中可以看到6个相位转换，而在图12b中的红色曲线中只看到五个相位转换。

图12 ID为111111和111011的标签的RCS面积（a）和相位（b）响应。

与其他报道的工作的比较见表1。

结论

一个工作频率为4.5至6.2GHz的无芯片RFID标签可以传输和恢复多比特数据。矩形谐振器增加了比特编码的能力。多贴片式RFID无芯片标签使用窄带谐振结构来创造缺口频率。虽然在提出的标签中编码了6比特数据，但在保持相同工作带宽的情况下，可以通过增加更多的谐振器来设计更高容量的数据结构。这种低成本的单面小型无芯片RFID标签可以直接印在许多物品上。

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