CN103593697A - 一种电子标签 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在一种可应用于物联网、超市的货物或者商品管理的可取代条形码的电子标签，特别是一种射频识别系统中使用的无芯片标签。本发明的电子标签是在一个其上为导电层其下为介质层的基板上的去除导电层的缝隙或/和不去除导电层的区域构成，利用标签的RCS的频谱结构得到信息编码。本发明具有容易编码，打印方便，成本低廉，可直接印刷或者制作到商品和货物上，标签尺寸较小等优点。

Description

一种电子标签

技术领域

本发明涉及在一种可应用于物联网、超市的货物或者商品管理的可取代条形码的电子标签，特别是一种射频识别系统中使用的无芯片标签。 

背景技术

随着物联网概念的提出，射频识别技术得到高速发展，在工业、农业、商业等领域得到广泛的应用，例如公交收费系统、物流管理、人员的安全监控以及生产过程的控制和超市的商品管理等，射频识别技术已经深入到人们生活的方方面面。 

早期人们采用光学技术进行自动设别，如条形码，是将线条按照一定的编码规则组合起来的符号，通过条码扫描器扫描得到一组反射的光信号，经解码还原为数据。条形码成本较低，有完善的标准体系，适用于需求量大且数据不必更改的场合，已在全球散播，所以被普遍接受。但是条形码是可视技术，必须在人的操作下工作；且它只能接受视野范围内的信号，如果条形码被划破，污染，脱落，扫描仪就无法辨认识别；较易磨损，且数据量很小。 

随着射频技术的发展，射频卡日益得到青睐和重视，其最大的优点在于非接触，完成识别工作时无需人工干预，适用于实现自动化且不易损坏；射频卡操作快捷方便，可识别高速运动物体，并可同时多项识别；不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可替代人工或条形码。     

射频识别技术主要采用电磁耦合和电磁辐射的方式，实现对各类物体和设备在移动、静止以及恶劣环境下的自动识别、跟踪和管理。被广泛地应用到车辆管理，高速公路收费，生产线管理和票务管理等方面。

物联网能够大规模应用的前提之一就是电子标签的成本降低，如果为所有的商品打上电子标签，那么电子标签的年产量要超过100亿个，标签成本才能降到10美分以下，这个价格对于汽车、冰箱、电视、手机等商品可能可以接受，但是对于牙膏、毛巾、灯泡等低价商品来说成本仍然很高，因此标签成本是制约物联网大规模应用的重要因素。而标签的成本主要取决于标签芯片的成本，为了降低标签的成本，各种无芯片标签被提出来，文献1： C.S.Hartmann. A global SAW ID tag with large data capacity [C]. in Proc.IEEE Ultrasonics Symp., Montreal,Canada,2002.8.pp:65-69.第一个公开了无芯片标签的RFID系统，利用时域进行数据编码，标签天线接收读写器发射的入射脉冲，然后通过SAW介质，可以形成一个脉冲编码调制的信号，编码容量达到了64bits。文献2：J.C.Liiu, J.H.Yao. Wireless RF identification system based on SAW[J]. IEEE Trans. Ind. Electron.,2008. 55(2). pp:958-961. 公开了用了一对SAW(声表面滤波器)的色散延迟线扩展和压缩信号，通过降低灵敏度来提高抗干扰的性能。文献3：S.Harma, W.G.Arthur,C.S.Hartmann et al. Inline SAW RFID tag using time position and phase encoding[J]. IEEE Trans.Ultrason.,Ferroelect.,Freq. Control.2008.55(8).pp:1840-1846.公开了利用短金属反射器进行编码的基于SAW的无芯片标签。可是SAW不能实现完全印刷，因为基于SAW的基材是压电材料，需要亚微米的光刻技术，这种材料的价格昂贵，它的成本已经接近了传统的带芯片的标签成本。为了降低这种标签的成本，文献4：C. Mandel, M. SchuBler, M. Maasch et al. A novel passive phase modulator based on LH delay lines for chipless microwave RFID applications[C]. presented at the IEEE MTT-S Int. Microwave Workshop on Wireless Sensing, Local Positioning, and RFID,Cavtat,Croatia,2009.9.pp: 24-29.公开了低成本的导电墨水材料设计的无芯片标签，但是这种标签的体积较大，而且编码容量较小。文献5：Sudhir Shrestha, Mercyma Balachandran, Mangilal Agarwal et al. A Chipless RFID Sensor System for Cyber Centeric Monitoring Applications[J]. IEEE Transaction on Microwave theory and techniques.2009.57(5).pp:1303-1309.公开了由天线，识别信息产生电路和传感器组成的标签，利用单个传输线产生PPM信号表示识别代码，利用天线模式反射脉冲的相位变化来检测传感器的信息。文献6：Shulabh Gupta,Babak Nikfal,Christophe Caloz. Chipless RFID System Based on Group Delay Engineered Dispersive Delay Structures[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011.10.pp:1366-1368.公开了基于群延迟设计的C型色散延迟线结构的无芯片标签，结构提供简单，频率可测量的多进制的脉位调制编码的能力。基于频于编码的无芯片标签也被提出，文献7: Stevan Preradovic, Isaac Balbin,Nemai Chandra Karmakar et al. Multiresonator-Based Chipless RFID System for Low-Cost Item Tracking[J]. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. 2009.57(5).pp:1411-1419.公开了用于传送带的无芯片标签的RFID系统，利用频谱进行编码，其频谱的产生主要依靠标签上的多个带阻滤波器来产生特定的频率的信号，而且标签必须有发射和接收两面天线构成，发射天线和接收天线必须正交极化。要增加其编码容量，必须增大面积，同时提出了第一代和第二代的无芯片标签的读写器系统，设计了基于UWB系统的无芯片标签。文献8：Randika V. Koswatta, Nemai C. Karmakar. A Novel Reader Architecture Based on UWB Chirp Signal Interrogation for Multiresonator-Based Chipless RFID Tag Reading[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012.60(9).pp:2925-2933.公开了由VCO，Mixer和LPF构成无芯片标签读写器，明确的给出了无芯片标签在时域实现解码。为了减小无芯片标签的面积，文献9：C.M.Nijas,R.Dinesh,U.Deepak et al. Chipless RFID Tag Using Multiple Microstrip Open Stub Resonators[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012.60(9).pp:4429-4432.公开了利用L型的开路枝节产生谐振频率，用紧凑的超宽带天线代替了单级圆形天线，减小了标签的面积，但是这种标签还是需要接收和发射两面正交极化的天线。文献10：Isaac Balbin, Nemai Chandra Karmakar. Phase-Encoded Chipless RFID Transponder for Large-Scale Low-Cost Applications[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2009. 19(8).pp:509-511.公开了基于频域的相位编码无芯片标签，由三个开路的高阻微带贴片天线组成3bits的无芯片标签，根据反向散射信号的相位特征区分信号。 

发明内容

本发明提供一种可克服现有电子标签的不足，能更简单和容易制作，成本更低的，可代替条形码的射频无芯片标签。 

本发明的电子标签由在一个其上为导电层其下为介质层的基板上的去除导电层的缝隙或/和不去除导电层的区域构成，去除导电层的缝隙最短长度L_min与电子标签读取频率满足 

，其中C为光速，

为绝缘介质的相对介电常数。 

本发明的电子标签中，基板上有两条以上去除导电层缝隙的,任一缝隙的长度比其左侧的缝隙长度略长，或者任一缝隙的长度比其右侧的缝隙长度略长，相邻两缝隙的最小长度差以读取时不至造成区分谐振频率困难确定。 

采用射频识别系统或超高频射频识别系统对本发明的电子标签进行扫描，在射频信号的作用下相应缝隙可产生谐振，读出其谐振频率；而不不去除导电层的区域则不发生谐振，也就读不出相应的信息，如此即可形成0与1的两种不同的状态，形成二进制的编码。通过增加或者去掉对应特定频率的缝隙就可以获得不同编码的频谱特征，由多个这类编码即可形成不同的标签内容。 

本发明的电子标签可以用印刷电路板通过刻蚀方法制备，也可以通过在绝缘介质板上以电镀方式镀出或印制出带有所述缝隙的导电层的方法制备。 

与现有的无芯片技术相比，本发明有如下优点： 

⑴本发明的标签结构与条形码相似，容易编码，打印方便，成本低廉，可直接印刷或者制作到商品和货物上，是一种可替代条形码的最佳选择。

⑵本发明的标签尺寸较小，利用RCS进行频谱编码，且可去掉了标签的两个收发正交的UWB天线，大大减小了标签的尺寸。 

附图说明    

图1为本发明的一个实施例的示意图，图中的四个缝隙表示1111编码。

图2 为图1的侧视图。 

图3为图1的RCS频谱结构。 

图4 表示编码为1010的实施例的标签示意图。 

图5 表示图4的RCS频谱结构。 

图6 表示编码为0011的实施例的标签示意图。 

图7表示图6的RCS频谱结构。 

图8表示编码为1001的实施例的标签示意图。 

图9表示图8的RCS频谱结构。 

以上附图中带有阴影线的区域为去除表面上导电层缝隙，带有虚线的为末去除表面导电层的区域。 

具体实施方式

本发明以下结合了实施例及附图进行更详细的解说。 

本发明的下述实施例是在Rogers 5870单面基板上实现，其基板的上层为金属层，下层为绝缘介质层，相对介电常数

，损耗角正切

。在基板上层的金属层上可形成去除金属层的缝隙或不去除金属层的编码区域。附图给出的本发明的实施例是用四个不同长度的去除金属层的缝隙或不去除金属层的组合，在介质板上构成4bits编码的谐振电路，通过改变不同缝隙的长度，可调节相应缝隙的谐振频率，通过增加或者去掉缝隙就可以实现不同的编码组合。 

在附图1、4、6、8的技术方案中，四条缝隙的长度分别是L_1、L_2、L₃和L₄；缝隙的宽度为W_slot，缝隙间的距离为d。基板的长宽分别为L和W，基板的厚度为h。本发明导体层只有顶层，底层无导体，无底层地，参见图2。 

附图1中的四条去除金属层的缝隙中，缝隙最短长度L_min（附图中最左边的一条）与电子标签读取频率f满足

，其中C为光速，

为介质的相对介电常数。由此可见，本发明的缝隙的谐振频率主要是由缝隙长度决定，缝隙的长度范围从26mm到86mm，如果缝隙太短，将不会谐振，缝隙太长，将会使得标签的面积增大，并在低频端形成密集的谐振区域。其余各缝隙均比其左边的缝隙长度要长，在本发明的实施例中，第一条缝隙长度为26mm，第二条缝隙的长度比第一条大6mm，第三条缝隙的长度比第二条长6mm，第四条比第三条长6mm。缝隙的宽度Wslot对谐振频率进行微调改变，取值范围可从0.5到2mm。本发明中如果相邻缝隙间的长度差很小，谐振频率就会靠的很近，大编码容量的无芯片电子标签缝隙间的长度差可以取得很小，一般取1mm，但是不能过小，过小会造成谐振频率区分困难，将来造成误码。如果缝隙间的长度差过大，就会降低编码效率，进而增大标签的面积。在四缝隙无芯片电子标签中，为了使谐振点均匀的分布在2GHz到5GHz的频段里，相邻缝隙的长度差取6mm。 

附图4是编码为1010时的无芯片标签的结构图，图中两条缝隙的长度分别是32mm和44mm，两条缝隙间的距离是5mm。也就是把图1中长度为26mm和长度为38mm的两个缝隙删掉。 

附图6是编码为0011时的无芯片标签的结构图，图中两条缝隙的长度分别是26mm和32mm。也就是把图1中长度为38mm和长度为44mm的两个缝隙删掉。 

附图8是编码为1001时的无芯片标签的结构图，图中两条缝隙的长度分别是26mm和44mm。也就是把图1中长度为32mm和长度为38mm的两个缝隙删掉。 

本发明在实验中采用安捷伦公司的矢量网络分析仪E8362B（10MHz-20GHz）进行测试，网络分析仪的输入输出端口接超宽带的收发天线，当输出端口输出一个连续的扫频波，通过I型缝隙谐振器的反向散射，接收端接收到具有一定编码特征的频谱，得到如附图3,5,7,9示的RCS频谱结构。 

图3为当四条缝隙全部存在时，读写器接收到的RCS频谱进行的1111编码，其中2.83GHz对应的谐振点为最高有效位，4.68GHz对应的谐振点是最低有效位。图5为当只挖去第二条缝隙和第四条缝隙处的导电层形成的1010编码经读写器接收到的RCS频谱图，其中频谱对应只有3.29GHz和4.68GHz处的谐振。图7为挖去第三条缝隙和第四条缝隙处的导电层形成的0011编码经读写器接收到的RCS频谱图，其中频谱对应只有2.83GHz和3.29GHz处的谐振。图9为挖去第一条缝隙和第三条缝隙处的导电层形成的1010编码经读写器接收到的RCS频谱图，其中频谱对应只有2.83GHz和4.68GHz处的谐振。 

本说明仅仅列举了四种编码时缝隙的排列。当本发明应用其它编码时缝隙的排列也是遵循上述规律，并可以采用更多条的缝隙或/和不去除金属层的区域。在具体应用中可通过接收标签的RCS(Radar Cross-Section)识别标签的信息，或者另外制备专门的读取装置。 

显然，本发明还可以有其他多种实施实例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明实施各种相应的变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。 

Claims (2)

1.一种电子标签，其特征在于电子标签由在一个其上为导电层其下为介质层的基板上的去除导电层的缝隙或/和不去除导电层的区域构成，去除导电层的缝隙最短长度L_min与电子标签读取频率满足                                               

，其中C为光速，

为绝缘介质层的介电常数，利用标签的RCS的频谱结构得到信息编码。

2. 根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于基板上有两条以上去除导电层缝隙的,任一缝隙的长度比其左侧的缝隙长度略长，或者任一缝隙的长度比其右侧的缝隙长度略长，相邻两缝隙的最小长度差以读取时不至造成区分谐振频率困难确定。

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