0 引言
RFID是一種成熟的技術(shù)，近年來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)的自動實時實別和追蹤等。由于RFID標(biāo)簽具有讀取距離遠、體積小、抗污染能力強等特點，使其在潛在意義上成為了條形碼的一種替代品。然而與條形碼相比，傳統(tǒng)的有芯標(biāo)簽的制作成本較高，因此，有芯RFID標(biāo)簽技術(shù)并沒有得到大規(guī)模普及，尤其是在廉價物品領(lǐng)域上的應(yīng)用，比如銀行票據(jù)、郵票，以及用于其他低成本物品的標(biāo)記等。國外的研究者預(yù)計，如果標(biāo)簽的成本能控制在1美分以下，那么在低成本物品領(lǐng)域，將會有數(shù)以萬億的標(biāo)簽需求量[1]。目前，多比特的無源有芯RFID標(biāo)簽已經(jīng)被用于標(biāo)記高成本物品，標(biāo)簽的成本主要取決于其內(nèi)部的硅芯片[2-3]，此外，硅片的脆性進一步限制了有芯標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，學(xué)者們把研究方向集中到了可以直接用導(dǎo)電油墨打印在產(chǎn)品或包裝上的無芯RFID標(biāo)簽上來。
目前已提出的無芯標(biāo)簽，按照其特征檢測方法大致可分為三類：時域法、頻域法和相位域法[4-6]。在可打印標(biāo)簽中，基于頻域法的標(biāo)簽相比于基于時域法和相位域法的標(biāo)簽擁有更高的編碼數(shù)據(jù)密度。然而大多數(shù)基于頻域法設(shè)計的無芯標(biāo)簽都需要特定的一個諧振單元來完成特定的一個比特的編碼，這使得標(biāo)簽的尺寸與數(shù)據(jù)的比特數(shù)呈現(xiàn)出線性關(guān)系，想要獲取多比特的編碼數(shù)據(jù)，標(biāo)簽尺寸也會隨之增大，這也使其失去了商業(yè)上的可行性。文獻[7]中，提出了一種在3.1 GHz～10.6 GHz的UWB(超寬帶)范圍內(nèi)最高可獲得35 bit的數(shù)據(jù)容量的標(biāo)簽。但其尺寸較大，難以投入使用。目前對于大多數(shù)文獻中提出的標(biāo)簽，第一個限制因素來自于諧振單元的二次諧波，二次諧波限制了可用作數(shù)據(jù)編碼的帶寬寬度;第二個問題來自于標(biāo)簽的尺寸和編碼容量之間的關(guān)系，通常為了獲取較大的編碼容量，往往需要增加標(biāo)簽的諧振單元，即增加標(biāo)簽尺寸。為了克服上述提到的無芯RFID標(biāo)簽的限制因素，以及它們的尺寸較大、編碼容量受到限制和直接打印技術(shù)上的困難，本文提出了一種基于雙極化結(jié)構(gòu)的無芯片RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽由在豎直方向和水平方向蝕刻的I型諧振單元構(gòu)成。同時，引入頻移編碼技術(shù)使得標(biāo)簽的編碼數(shù)據(jù)密度得到進一步增加。未來，這個單面的、易打印的緊湊型標(biāo)簽不僅可以用于郵票、重要文件和信用卡的標(biāo)記，并且可以直接打印在紙張或塑料包裝上用作物品級的標(biāo)記。
1 雙極化標(biāo)簽的工作原理
1.1 I型諧振單元的極化特性
本文采用I型諧振單元來構(gòu)造所設(shè)計的標(biāo)簽。相比于其他結(jié)構(gòu)的諧振單元，其主要有兩方面的優(yōu)勢。首先，無論激勵信號是同極化，還是交叉極化的電磁波，I型諧振單元的后向散射信號中都不含有二次諧波，然而U型諧振單元在交叉極化的信號源激勵下，會產(chǎn)生二次諧波[8]。其次，I型諧振單元在受到正交極化的平面波激勵時，只會對一個極化方向的電磁波有所回應(yīng)，而不會對另一個極化方向的電磁波有所回應(yīng)，相應(yīng)的原理圖分別如圖1和圖2所示，其中V(vertical)和H(horizontal)分別代表諧振單元的放置方向和平面波極化方向是豎直和水平的，RCS是雷達散射界面(Radar Cross Section)。
1.2 雙極化特性分析
通過觀察圖1和圖2可知，豎直方向上放置的I型諧振單元在受到極化方向為豎直和水平方向上的平面波激勵時，都無二次諧波產(chǎn)生。同時，通過觀察兩個極化方向上的RCS曲線幅值可以看出，豎直方向上放置的I型諧振單元對極化方向為豎直方向的平面波產(chǎn)生的回波信號強度遠遠大于水平極化的平面波產(chǎn)生的回波信號強度，兩者的幅值相差6個數(shù)量級。因此當(dāng)受到正交極化的平面波激勵時，來自水平極化的平面波產(chǎn)生的回波信號即可忽略不計。利用I型諧振單元的這種極化特性，可以同時在兩個正交極化方向上對多個I型諧振單元同時進行編碼，將這種編碼技術(shù)定義為雙極化編碼技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)可使標(biāo)簽在原有的尺寸上編碼密度加倍。
2 標(biāo)簽的設(shè)計與編碼
2.1 標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)設(shè)計
利用上文提到的I型諧振單元的極化特性，便可構(gòu)造雙極化結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽。雙極化標(biāo)簽由在豎直方向和水平方向蝕刻的I型諧振單元構(gòu)成。在圖3中設(shè)計了兩種不同結(jié)構(gòu)的雙極化標(biāo)簽，并通過仿真得到了其RCS曲線圖。
通過觀察兩種標(biāo)簽的RCS曲線圖，可以得出標(biāo)簽2相比較于標(biāo)簽1，其回波信號強度較強，幅值更為尖銳，便于進行觀察和編碼;并且其諧振頻點與標(biāo)簽1保持一致，不會對原有的諧振頻點造成影響。因此，采取標(biāo)簽2作為本文中的標(biāo)簽基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
2.2 編碼方法
本文提出了一種雙極化編碼技術(shù)。利用兩個正交極化的電磁波同時作用于標(biāo)簽，根據(jù)I型諧振單元的特殊極化特性，可在兩個極化方向上同時對標(biāo)簽進行編碼。并且將頻移編碼技術(shù)引入到該標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中，與雙極化編碼思想相結(jié)合，設(shè)計了一個雙極化無芯標(biāo)簽的編碼方法。
3 標(biāo)簽的仿真分析
下面根據(jù)圖3中設(shè)計的標(biāo)簽基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上文提出的編碼方法，通過其標(biāo)簽的6個不同結(jié)構(gòu)(見圖4)闡述該編碼方法。其中V-pol和H-pol分別代表諧振單元的放置方向和入射波極化方向是豎直和水平的，Dummy是指該諧振單元并不參與編碼，其目的是使相鄰的諧振單元產(chǎn)生更加尖銳的波峰。圖5是6種不同結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽對應(yīng)的RCS曲線圖。
把每個初始長度的諧振單元作為參照，同時每個諧振單元對應(yīng)的初始編碼為‘10’，如圖4(a)所示。當(dāng)諧振單元長度增加時，其諧振頻點會隨之減小，此時將其編碼為‘01’。另一方面，當(dāng)諧振單元的長度減小時，其諧振頻點會隨之增大，此時將其編碼為‘11’。最后，當(dāng)諧振單元被移除時，其諧振頻點將不會存在，將其編碼為‘00’。這樣，通過改變每個諧振單元的長度來實現(xiàn)編碼，即頻移編碼技術(shù)。每個諧振單元可以獲得2 bit的編碼數(shù)據(jù)。
圖4(a)是利用參考長度的諧振單元構(gòu)造的標(biāo)簽，這個標(biāo)簽的初始ID可表示為‘V-10 10 10 10+H-10 10 10 10’。圖5(a)是其對應(yīng)的仿真結(jié)果，兩個極化方向上的平面波在每個諧振單元對應(yīng)的頻點上，產(chǎn)生了相互重疊的回波信號。該結(jié)果將被用于驗證下述的5個標(biāo)簽的仿真結(jié)果。
圖4(b)中，4個H-pol的諧振單元長度不變，4個V-pol的諧振單元長度減小，此時4個V-pol的諧振單元對應(yīng)的編碼由‘10’變?yōu)椤?1’。因此，此時標(biāo)簽的ID可表示為‘V-11 11 11 11+H-10 10 10 10’。圖5(b)所示為對應(yīng)的仿真結(jié)果，與實線表示的H-pol的曲線相比，虛線表示的V-pol的諧振頻點，向右發(fā)生了頻移。
將諧振單元按其長度由長到短依次排序。圖4(c)中，H-pol的第1個和第3個諧振單元的長度保持不變(10)，第2個的長度增加(01)，移除第4個諧振單元(00)。V-pol的第2個和第4個諧振單元的長度保持不變(10)，第1個長度減小(11)，移除第3個諧振單元(00)。因此，此時標(biāo)簽的ID可以表示為‘V-11 10 00 10+H-10 01 10 00’。圖5(c)是其仿真結(jié)果，通過觀察可以看出，RCS曲線的仿真結(jié)果與標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的變化是相互對應(yīng)的。
同樣的，對于另外的3個標(biāo)簽，通過觀察可以看出，當(dāng)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，仍然可以得到與其結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律相匹配的RCS曲線圖。因此，通過上述6個標(biāo)簽的仿真結(jié)果可以得出，每個諧振單元均可實現(xiàn)2 bit的數(shù)據(jù)編碼，并且在兩個極化方向上能夠?qū)崿F(xiàn)任意的編碼組合。
4 結(jié)論
本文利用‘I’型諧振單元提出了一種新型無芯RFID標(biāo)簽。通過使用雙極化編碼技術(shù)使標(biāo)簽的編碼密度得到加倍，并且引入頻移編碼技術(shù)，使得在減少諧振單元數(shù)目的同時，仍然可以得到理想的編碼容量。最后，設(shè)計了一個16 bit的雙極化結(jié)構(gòu)的無芯標(biāo)簽，并且通過仿真結(jié)果驗證了其可行性。這個單面的、易打印的、高容量無芯標(biāo)簽為無芯標(biāo)簽在低成本領(lǐng)域的應(yīng)用，拓展了新的研究思路。
