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(yuǎn),、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(jìn)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(xiàn)[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(xiàn)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(jìn)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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,。

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作者信息：

趙  峰1，何  毅1,，鄒傳云1,，賈小林2

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010,；2.西南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,，四川 綿陽621010）