張 昭，鄒傳云，黃保虎

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

從1999年物聯(lián)網(wǎng)概念的提出到現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)已初步具備了一定的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。近來，由于物聯(lián)網(wǎng)被認為是下一代互聯(lián)網(wǎng)，是下一個推動世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”[1]，因而備受關(guān)注。然而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度卻并不快，其制約因素就是無法找到一個合適的識別裝置為每一個物體分配一個唯一的ID，無芯片標簽被認為是解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)。本文將展示一種新型標簽結(jié)構(gòu)，這一標簽結(jié)構(gòu)容量大、尺寸小，目前還處于探索階段。

近年來，利用目標的自然響應(yīng)頻率[2]來識別物體成為無芯片標簽發(fā)展的新方向[3]，但大多都是關(guān)注于目標響應(yīng)結(jié)果的頻率點提取的算法[4]，也出現(xiàn)了少數(shù)新的標簽結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)并不完美，或是尺寸有待改進，或是容量有待提升，或是帶寬有待縮短。

本文展示一種新的標簽結(jié)構(gòu)，具有容量大、尺寸小和帶寬小等優(yōu)點。目前該結(jié)構(gòu)還處于仿真階段，仿真平臺是FEKO電磁場仿真軟件。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)目標受到電磁波照射時，在目標的表面會激勵出感應(yīng)電荷和感應(yīng)電流，形成電磁場，發(fā)生電磁波散射[5]，該散射場是頻率、目標結(jié)構(gòu)和目標材料等的函數(shù)[6]。如果能找到具有規(guī)律頻譜圖的目標結(jié)構(gòu)，就可以用于物體識別。當(dāng)橢圓的短軸半徑r與長軸半徑R的比值μ在一定范圍內(nèi)時（假定X方向為短軸，Y方向為長軸），就有圖1（b）所示的頻譜圖。當(dāng)μ在一定范圍內(nèi)時，改變R，其諧振頻率會發(fā)生明顯的偏移，R越大，諧振頻率越低，R越小，諧振頻率越高；改變r，其諧振頻率也會發(fā)生偏移，當(dāng)r取值合適時，其諧振頻率幾乎不偏移，當(dāng) r大于某一值時，其諧振頻率會在較小的范圍內(nèi)移動。

圖1 橢圓標簽及其頻譜圖

圖1（a）所示的橢圓標簽參數(shù)的設(shè)置為R=20 mm，r=1mm，圖 1（b）是圖 1（a）的頻譜圖，其中 RA1=RA2=RA3=RA4=20 mm，rA1=1mm，rA2=0.01 mm，rA3=4 mm，rA4=8 mm。 從圖 1（b）可以看出，橢圓標簽短軸半徑取某一值時其頻譜圖的峰值有最小值。

如果將不同μ值的橢圓排成一個序列，是不是應(yīng)該得到一個波峰波谷相間分布的頻譜圖？仿真結(jié)果證明了該設(shè)想，如圖2所示。圖中橢圓的短軸半徑均為r=0.1 mm，R 分別取 20 mm、19.5 mm、19 mm、18.5 mm、18 mm 并按等差遞減等間距排列，間距 d=0.1 mm。從圖 2（b）中可以看出， 標簽不同角度入射波 （分別為 0°、30°、60°及90°）的頻率響應(yīng)曲線基本重合，只是在幅度上有些差別。仿真結(jié)果表明，單個橢圓標簽的諧振頻率和與其相對應(yīng)橢圓標簽陣列的響應(yīng)頻率并不完全對應(yīng)，除了第一個波峰向左偏移了外，其余的均向右偏移了，而且其幅度差別也很大，并不是簡單地線性相加的結(jié)果。

圖2 橢圓標簽陣列及其頻譜圖

2 仿真分析

對包含有21個橢圓標簽的標簽陣列進行較為細致的分析對比，來考查這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

r不變，不同R的橢圓標簽序列的頻譜圖如圖3所示，采用的入射角度分別為 0°、30°、60°和 90°。 它所對應(yīng)的橢圓標簽陣列的設(shè)置為：r=0.1 mm，且r不變；R從20 mm起按步長ΔR=0.005 mm等差遞減排列，間距d=0.1 mm共21個橢圓標簽，它應(yīng)該產(chǎn)生20波谷和21個波峰。然而仿真結(jié)果并非如此，它只有20個波峰，19個波谷。與圖2相比，其波峰波谷更密集地分布在3.4 GHz～4.6 GHz的頻率范圍內(nèi)，其諧振頻率之間的間隔更小，這是由不同的長軸半徑差ΔR所導(dǎo)致的。不同的ΔR會有不同的頻率間隔，總的來說，ΔR越小，頻率間隔越小，但并不是越小越好，當(dāng)ΔR小于某一值時，就會導(dǎo)致一些諧振頻率消失，這也是圖 3（a）只有 20個波峰 19個波谷的原因之一。影響諧振頻率間隔的還有標簽的間距d和標簽的排列順序，它們同樣會使一些諧振頻率消失。在其他設(shè)置相同的情況下，排列順序?qū)@種現(xiàn)象的影響很大，圖3（b）顯示了這種影響。其所對應(yīng)的橢圓標簽陣列，除了排列順序不同外其他都一樣，在排列順序上把第 2與 21、3與 20、4與 19、5與 18互換了位置，其頻譜圖就出現(xiàn)了如此大的區(qū)別，可以看出，其間只有2個波谷 3個波峰。圖 3（d）是兩個不同 ΔR的橢圓標簽陣列的頻譜圖的對比，A1與圖 3（a）的設(shè)置一致，A2中的ΔR=0.5 mm，其有用信號部分分布在3.5 GHz～9 GHz的頻率范圍內(nèi)。 圖 3（c）是圖 3（a）在 3.0 GHz～5.0 GHz 范圍內(nèi)的放大圖，從圖中可以看出，在某些波峰處，不同照射角度的諧振頻率有明顯的不同，而在波谷處幾乎不偏移。

圖3 不同R的橢圓標簽序列的頻譜圖

假如移除其中的一個橢圓標簽，其結(jié)構(gòu)改變前后的頻譜響應(yīng)圖會有什么不一樣的地方呢？假設(shè)移除第8個橢圓標簽，并保持橢圓標簽陣列之間的間距d不變。圖4是其頻譜圖的一部分，因為其他部分在諧振頻率處幾乎重合。其中曲線①代表的是移除第8個標簽后的頻譜圖，曲線②與圖 3（d）的 A2設(shè)置完全相同，與曲線②相比，可以看出曲線①在原來的第8～9的波峰處出現(xiàn)了很大的不一致（在4 GHz以前只有1個波峰），即結(jié)構(gòu)改變后，相應(yīng)地少了一個波峰和波谷，它們出現(xiàn)在原來的第8～9波峰之間，隨后趨于一致，如果減小ΔR，即減小諧振頻率間隔，它們的重合度會更高。

圖4 改變標簽結(jié)構(gòu)前后其頻譜圖對比

如果確保R不變，改變r會有什么樣的效果？仿真結(jié)果表明，這樣也會得到波谷波峰相間出現(xiàn)的頻譜圖，這時的頻譜圖更密集、更不規(guī)則，諧振頻率對標簽排列順序、短軸半徑差Δr、標簽之間的間隔等因素更敏感，各個角度（0°、30°、60°和 90°）照射的頻譜圖也不相同，如圖 5 所示。由于影響因素太多，目前還沒有仿真出比較好的頻譜圖。

圖5 改變r的橢圓標簽陣列的頻譜圖

本文論述了一種新型的標簽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在r不變時，該結(jié)構(gòu)不同角度照射的諧振頻率幾乎完全一致，改變結(jié)構(gòu)時，頻譜圖變化不大，容量很大，本文只是象征性地列舉了含有21個標簽的標簽陣列，只要工作帶寬允許，該結(jié)構(gòu)可以滿足實際需要。

[1]http：//www.cqcvc.com.cn/xinxi/newsdetails.aspx?id=4956.[2012-03-01].

[2]JALALY I，ROBERTSON I D.Capacitively tuned microstrip resonators for RFID barcodes[C].Proc.35th， EUMC’05，2005（4-6）： 1161-1164.

[3]羅春彬，易彬.RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].Communications Technology， 2009， 12（42）：112-114.

[4]TESCHE F M.On the analysis of scattering and antenna problems using the singularity expansion technique[C].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1973： 53-62.

[5]曹榮剛，鄒軍，袁建生.脈沖功率電源輻射電磁場測量與分析[J].強激光與粒子束，2009，21（9）：1426-1430.

[6]MANTEGHI M，RAHMAT-SAMII Y.Frequency notched UWB elliptical dipole tag with multi-bit data scattering properties[C].2007 IEEE Antennas and Propagation Society Int， 2007：789-792.