CN106779011A - 一种绑定物性的超高频rfid安全标签设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法，通过在超高频RFID标签中适当位置采用与标签附着物体的材质电磁特性参数具有强耦合特性的结构，并开展结构优化设计，使得RFID标签的工作性能对标签附着物体的材质电磁特性改变敏感化，实现RFID标签与其所附着物体物性有效绑定。本发明的超高频物性绑定RFID安全标签，可以保证其仅当附着于经过标签绑定设计的物体表面时，才能正常工作，从而提高RFID系统的信息安全。采用本发明的设计方法可以方便地设计绑定各类物体物性的无源RFID标签，标签可以广泛地为仓储物流管理，食品冷链管理，医疗药品管理，高附加值艺术品鉴定等物联网RFID应用领域提供有效信息安全保障，具有广阔应用前景。

Description

一种绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法
技术领域
本发明属于电子信息工程领域，具体涉及一种绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法。
背景技术
随着物联网RFID技术的普及，RFID系统的信息安全问题日益受到关注。目前，关于RFID系统信息安全，已发展形成了多项安全技术，解决了两大类问题，即RFID系统信息传输、存储中的数据安全问题和RFID标签芯片的硬件防伪问题。其中，RFID数据安全可以通过密码系统安全技术、访问控制安全技术、秘钥管理安全技术与安全协议管理技术等措施加以保障。RFID标签硬件电路安全可以通过RFID芯片的物理不可克隆技术加以保障。
文献【1】(B.Song,J.Y.Hwang,and K.A.Shim,Security improvement of an RFIDsecurity protocol of ISO/IEC WD 29167-6,15(2011),1375-1377)从RFID安全协议的角度分析RFID系统安全的问题。文献【2】(L.Bolotnyy and G.Robins,Physicallyunclonable function-based security and privacy in RFID systems,Fifth AnnualIEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications(PerCom’07)(2007),211-220.)从芯片不可克隆电路的角度分析了RFID系统信息安全的问题。
解决了RFID系统信息传输、存储中的数据安全问题和RFID标签电路的硬件防伪问题并不足以保障RFID系统信息安全。确保RFID系统信息安全的另一项关键要求是，采用物理不可克隆设计的芯片、储存有经过加密的RFID数据信息的RFID标签，应该附着于正确的物品上。如果将可靠的RFID标签置换附着在错误的物体上，RFID信息系统安全体系也将从根本上崩溃。
通常的RFID射频标签，并不具有物体物性的选择性，即：对其附着物体材质电磁参数的改变不表现出敏感特性，例如，附着在纸制品、塑料制品、木制品等不同材质的表面时，其工作特性没有显著地区别。这样的RFID标签与贴附物品间难以建立起绑定关系。当RFID标签被恶意贴装在错误的物体上时，标签依然可以表现出很好的阅读性能，这对物品在系统中的记录可靠性提出了考验。
目前将标签与待标物体进行绑定主要有两种手段，其一是将标签用化学手段(如各类黏贴剂)贴在待标物体上，如文献【3】(发明专利：株式会社日立制作所，RFID标签，200810149705.4)将标签黏贴层进行特殊的工艺设计以将标签与物体绑定在一起。其二是将RFID标签嵌入到物体之中，这通常需要采用特殊的制造流程和制造工艺。如文献【4】(M.Ritamaki and A.Ruhanen,Embedded passive UHF RFID seal tag for metallicreturnable transit items,2010IEEE International Conference on RFID(IEEE RFID2010)(2010),152-157.)将RFID标签嵌在金属制品周围解决了将标签与物体绑定的问题。文献【5】(发明专利：罗建军，罗飞等，基于RFID的酒类防伪系统及RFID标签与RFID读写器认证方法，201210351152.7)将RFID标签嵌在酒瓶中解决了标签与酒瓶绑定的问题。这两种方法前者标签容易被破坏，后者制造工艺相当复杂，会大大增加RFID标签部署的成本，且将千变万化待标物体都进行相关标签设计明显是不可能完成的任务。
本发明设计方法设计的可直接贴附在物体表面，并能够与物体材质电磁参数绑定的RFID标签，无疑是一个很好的解决方案，可以有效地克服目前RFID标签与物体安全绑定技术的局限性。目前将无源RFID标签与待标物体通过材料电磁参数进行有效绑定仍然属于研究空白。本发明针对此问题公开了一种射频标签的设计方法，设计方法通过在超高频RFID标签中适当位置采用与标签附着物体的材质电磁参数具有强耦合特性的结构，并开展结构优化设计，使得RFID标签的工作性能与标签附着物体的材质电磁特性改变敏感化，实现RFID标签与其所附着物体物性有效绑定。
采用本发明的设计方法可以方便地设计各类绑定物体材质电磁参数的超高频RFID标签，标签可以广泛地为物联网RFID应用领域，如仓储物流管理，食品冷链管理，医疗药品管理，高附加值艺术品鉴定等提供有效信息安全保障，具有广阔应用前景。
发明内容
本发明目的：提供一种绑定物性的标签设计方法，以设计可以与物体材质电磁参数相绑定的无源RFID射频标签，设计的标签与附着物体间具有很高的绑定特性。通过在超高频RFID标签中适当位置采用与标签附着物体的材质电磁参数具有强耦合特性的结构，并开展结构优化设计，使得RFID标签的工作性能对标签附着物体的材质电磁参数改变敏感化，实现RFID标签与其所附着物体物性有效绑定。采用本发明设计的超高频物性绑定RFID安全标签，可以保证其仅当附着于经过标签绑定设计的物体表面时，才能正常工作，从而提高RFID系统的信息安全。
本发明采用的技术方案为：一种绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法，通过在超高频RFID标签中适当位置采用与标签附着物体的材质电磁参数具有强耦合特性的结构，并开展结构优化设计，使得RFID标签的工作性能对标签附着物体的材质电磁参数改变敏感化，实现RFID标签与其所附着物体物性有效绑定，其中，绑定特性表现为读取性能随贴附物体电磁参数微小变化而剧烈变化，采用该方法设计的超高频物性绑定RFID安全标签，可以保证其仅当附着于经过标签绑定设计的物体表面时，才能有正常阅读性能，当其附着物体的介电常数有微小变化时，标签的阅读性能显著降低，或不能正常工作，从而提高RFID系统的信息安全。
其中，接入了特殊构造的，与物体材料电磁参数有强耦合特性结构的标签，当材料电磁参数变化时，标签与芯片间的功率传输特性会发生极大地改变，这种标签表现出高Q值特点。
其中，采用在标签中加入与物性紧密耦合的结构进行标签设计，结构特征包括zigzag型结构，蜿蜒线型结构，分布式碎片结构或分布式线状结构，等等。
其中，在谐振点处，对标签与芯片间进行高性能功率传输设计。
其中，标签性能对材质的电导率，或者复介电常数实部或虚部变化敏感。
本发明原理在于：
一种射频标签的设计方法，通过对与物体电磁特性有强耦合特性的结构设计，实现设计的标签与附着物体间有效绑定，绑定特性表现为读取性能随贴附物体电磁特性微小变化而剧烈变化。将标签与物体材质电磁特性建立联系需要进行特殊结构设计，本发明采用在标签上接入与材料电磁特性有关的耦合结构实现标签与物体电磁特性间的关联。标签结构的变化会影响标签的输入阻抗，标签的输入阻抗变化会影响标签与芯片间的功率传输。接入了特殊构造的，与物体材料电磁参数有强耦合特性结构的标签，当材料电磁参数变化时，标签与芯片间的功率传输特性会发生极大地改变，这种标签表现出高Q值特点。
如图1所示，在通常的标签结构上加入一些特别选取的可以与附着材质电磁参数有强耦合的特殊结构，可敏化标签对附着材料电磁特性的感知能力。本发明包含物性绑定结构地选取，也包含描述标签-材料绑定程度的相关参量提出。通过给出的参量可以衡量设计的物性绑定标签的性能优劣，使用该参量结合耦合结构可以方便的对标签绑定能力进行优化。本发明可以广泛地为仓储物流管理，食品冷链管理，医疗药品管理，高附加值艺术品鉴定等物联网RFID应用领域提供有效信息安全保障，具有广阔应用前景。
本发明与传统射频标签相比有益效果体现在：
1.使用本发明设计的射频标签具有对附着物体的相对介电常数变化拥有高感应灵敏度，与物性间具有很强的绑定特性。当标签附着于要绑定的物体上时，有较远的阅读距离，当标签置于其它的，拥有不同的介电常数的物品上时，标签阅读性能显著下降。感应灵敏度相较于普通商用标签有非常大地提升，效果显著。
2.发明中与物性有高耦合度的结构可以适用于各种主流标签结构中，包括偶极子结构，单极子结构，环状结构，倒F结构，PIFA结构等，可以很好地兼容不同的应用背景。该耦合结构可采用的结构形式多种多样，其代表性的形式包括：
a.Zigzag型高耦合结构。
b.蜿蜒线型高耦合结构。
c.分布式碎片型高耦合结构。
d.分布式线状高耦合结构。
根据未来不同的应用需要，也可以采用其它形式的耦合结构。
附图说明
图1是采用强耦合结构的物性绑定超高频RFID安全标签。
图2是RFID标签τ的频率响应随△f的搬移特点示意图。
图3是可用的Zigzag型高耦合结构示意图。
图4是可用的蜿蜒线型高耦合结构示意图。
图5是可用的分布式碎片型高耦合结构示意图。
图6是可用的分布式线状高耦合结构示意图。
图7是采用不同高耦合结构的标签对相对介电常数变化的典型敏感度示图，可以看出两款标签都有对介电常数变化较高的敏感度，其中拥有分布式碎片结构的标签比拥有蜿蜒耦合结构的标签对于介电常数变化有更高的敏感度。
图8是采用不同高耦合结构的射频标签的典型Q值示图。可以看出拥有碎片分布结构的标签有更高的Q值。结合图7可以看出拥有高Q值的天线拥有更高的物性绑定能力。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
绑定介电常数的标签的设计参量可以归纳为1.在谐振点处，设计与芯片间有高匹配性能τ0的天线结构；2.设计具有高Q值的天线结构。使用该参量可以较为方便的指导标签进行结构优化设计，进而设计出与物体介电常数具有很高绑定度的安全标签。下面进行具体阐述。
标签对物品的安全保障特点要求标签与物体电磁特性间拥有很高的绑定度，高绑定度要求标签性能对物性变化反应敏感。射频标签的性能可以通过标签的阅读距离进行描述，本专利公开的绑定物性的射频标签设计方法即是通过阅读距离随物性变化的变化体现与物性间的绑定特性。在本专利中，物性特指物体材料的电磁参数，物体材料的电磁参数一般以介电常数，电导率，磁导率(εr,σ,μ)进行描述。本发明以介电常数为例，主要通过研究阅读距离随物体介电常数变化的变化关系展开标签设计。
由Friis传输公式在测量环境不变的情况下(λ,Pt,Gt,Pth不变)，标签阅读距离与标签的增益Gr及天线-芯片间的功率传输系数τ有关。标签在工作频率处，Gr·τ随介电常数εr变化的斜率越大，标签对物性变化的敏感度越高。
研究表明，随着环境介电常数的变化，环境中的天线会发生谐振点偏移现象。当物体介电常数变大时(△εr>0)，天线谐振点f0左偏，物体介电常数变小时(△εr<0)，天线谐振点f0右偏，即△εr与△f0存在一一对应关系。基于此，不同结构的射频标签对于△εr会有一系列不同的取值。一般的标签设计中△Gr随△εr的变化不大，即设计中主要考虑如何找到拥有较大取值的结构方案，如图2所示，图示给出了一个拥有较高的天线特性表现。
当天线满足以下两个条件时，可以认为天线拥有类似图2的，较大的特点。
1.当天线在谐振点f0处，天线-芯片间有较高的功率传输系数τ＝τ0；
2.天线有较窄带宽B。其中天线带宽B定义为：当τ＝τ'时，B＝|f0-f1|+|f0-f2|，f1,f2为τ＝τ'时的频率。
Q值是描述天线性能的一个物理量，考虑到射频标签是由天线与芯片共同组成，其Q值应是个有载Q值的表达形式：其中因为芯片阻抗固定，Qchip固定不变，主要研究外部Q值Qant即可。外部Q值表达式为可见当谐振频率不变时，高天线外部Q值将导致标签拥有较窄的带宽，符合与前述条件2所要求。即，天线Q值可以描述标签与物体介电常数间的耦合程度，Q值越高，耦合度越高，标签对物体介电常数变化的敏感度越高。高Q值可以替代条件2作为物性绑定标签设计的一个设计目标。
标签输入阻抗与要专门设计的标签的功率传输系数及Q值密切相关，在实际标签设计中，可以通过拥有弯折的或拥有分布特点的特殊结构实现多样化的输入阻抗幅频响应，进而满足上述两点要求。如图1所示。图1给出了通过在普通标签结构中加入特别选取的耦合结构，进行物性绑定标签设计的示意图，这些耦合结构一般拥有寄生的电容电感。使用了这种结构的标签，阅读性能会变得对物体介电常数变化敏感。
具体实施中可以包括下述若干种结构，如图3，图4，图5，图6。
其中图3是zigzag型结构，其特点是拥有若干弯角转折的“之字形”线状结构，其中，结构的弯折次数不定，弯角角度可以不同，每段线状结构的长度可以任意选取，左右两边的“之字型”结构的末端可以连在一起也可以断开。图4是蜿蜒线型耦合结构，其特点是拥有若干弯曲迂回的线状结构，其中结构的弯曲次数不定，线与线间的角度不定，线长不定，结构可以存在间断。图5是分布式碎片结构。此结构的特点是黑白相间碎片网格代表了金属结构的有无，结构无规则排列，这种结构遍历了所有涉及区域范围内存在的片状结构，可以用于在上述zigzag型结构，蜿蜒线型结构基础上，做进一步结构优化。此碎片结构单元可以以圆形，方形，三角形，多边形，环形等形式存在，单元排布密度可以根据实际情况进行调整。图6是分布式线状碎片结构，此结构与图5中分布式碎片结构类似，由分布的线状结构组成，线长短可调，角度可变。
为了验证方法，图7给出了两款分别使用了蜿蜒线型结构与分布碎片结构设计的绑定物性标签实例，及其对介电常数变化的感应性能。由图可见，设计的标签可以与相对介电常数为2.5的物体绑定，当相对介电常数为2.5时，标签阅读性能达到最好，当介电常数变化时，标签性能迅速恶化。图8给出了设计的拥有不同耦合结构标签的Q值表现，其中拥有分布碎片结构的标签拥有较大的Q值。对比图7可以看出，相对于低Q值的蜿蜒线结构标签，拥有高Q值的分布碎片结构标签物性绑定能力显著增强。当εr变化0.5时，Gr·τ的值下降10dB，比低Q值结构的标签提高了10dB/εr0，εr0为单位相对介电常数。即，高Q值标签表现出了高物性绑定特性。
本发明公开了一种绑定物性射频标签的设计方法。使用此方法设计的标签可以与待标物体的介电常数绑定在一起，当标签拥有较远工作距离时，代表标签附着物体被标签正确标定，当标签阅读性能恶化时，待标物体存在重大安全隐患。这种工作特点可以保证物品被RFID系统正确读取，提高了系统的安全特性。本发明可以广泛地为物联网RFID应用领域，如仓储物流管理，食品冷链管理，医疗药品管理，高附加值艺术品鉴定等提供有效信息安全保障，具有广阔应用前景。

Claims (5)

1.一种绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法，其特征在于，通过在超高频RFID标签中适当位置采用与标签附着物体的材质电磁特性参数具有强耦合特性的结构，并开展结构优化设计，使得RFID标签的工作性能对标签附着物体的材质电磁特性改变敏感化，实现RFID标签与其所附着物体物性有效绑定，其中，绑定特性表现为读取性能随贴附物体电磁特性微小变化而剧烈变化，采用该方法设计的超高频物性绑定RFID安全标签，可以保证其仅当附着于经过标签绑定设计的物体表面时，才能有正常阅读性能，当其附着物体的介电常数有微小变化时，标签的阅读性能显著降低，或不能正常工作，从而提高RFID系统的信息安全。
2.根据权利要求1所述的绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法，其特征在于，接入了特殊构造的，与物体材料电磁参数有强耦合特性结构的标签，当材料电磁参数变化时，标签与芯片间的功率传输特性会发生极大的改变，这种标签表现出高Q值特点。
3.根据权利要求2所述的绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法，其特征在于，采用在标签中加入与物性紧密耦合的结构进行标签设计，结构特征包括zigzag型结构，蜿蜒线型结构，分布式碎片结构或分布式线状结构。
4.根据权利要求3所述的绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法，其特征在于，在谐振点处，对标签与芯片间进行高性能功率传输设计。
5.根据权利要求4所述的绑定物性的超高频RFID安全标签设计方法，其特征在于，标签性能对材质的电导率，或者复介电常数实部或虚部变化敏感。
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