CN111553051A - 一种矩形微带贴片rfid标签编码可重构方法 - Google Patents

Abstract

一种矩形微带贴片射频识别标签编码可重构方法，先将工作频带划分成N个子带，每个子带对应一个子编码，然后设置若干编码单元，通过在编码单元不同位置添加二极管以达到重构编码的目的，二极管位置不同，重构的编码也不同。本发明创新性的将二极管引入RFID微带贴片天线，利用编码单元的长度不同对射频信号滤波情况不同的特点实现灵活的编码重构，实现超过编码单元位数的编码，从而打破编码式RFID应变标签编码难以改变的局面，使得标签编码的检测更加方便灵活，抗干扰能力更强。

Description

一种矩形微带贴片RFID标签编码可重构方法

技术领域

发明属于无芯片RFID微带天线技术领域，设计一种基于无芯片RFID微带天线的编码式RFID应变标签的编码可重构方法。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种无需人工干预的自动识别技术，因为可以适应恶劣环境，检测方便，现在被广泛应用于军事、物流、交通、资产管理等领域。原理是通过配套的阅读器发射射频信号，经过设计好的天线使射频信号按设定的规律被调制，随后信号被阅读器回收，读取数据后识别信息。近几年随着射频识别技术的飞速发展，射频识别逐渐标签趋势化、高频化、网络化与多能化，射频识别标签体积越来越小，识别距离越来越远，数据交换速度越来越快，对外界的抗干扰能力也越来越强。在大数据的背景下，将射频识别系统网络化使得其功能更加强大与多元，于此同时，成本也在不断降低，利于其大范围的推行。

无芯片RFID技术是目前一种前景广泛的RFID技术，它一边保留着传统RFID的非接触性读取、灵活等特点，一边因为没有内置芯片，极大削减了生产成本。无芯片RFID标签是指不含有硅芯片的射频识别标签，一般基于普通的印刷电路技术，可以被直接印刷在物体衬底上，制作方便快捷，结构简单易懂。无芯片RFID技术的出现与发展将不断填补传统RFID技术的一些局限和短处，促进物联网技术的进步。

发明内容

本发明的目的

为了改变传统编码标签天线设计中编码一旦固定就不可更改的情况，拓展单个天线载体的编码量，本发明公开了一种对应于编码式RFID标签传感器的编码可重构方式，将工作频带划分成若干个子频带，利用矩形微带天线谐振频率与矩形长度之间的关系与弯折后两边电流密度不同的情况，通过在不同的位置设置二极管开关，不同程度地改变矩形微带贴片组成的编码单元的谐振频率，使得谐振频率的频移可以跨越子频带，以实现凭借单编码传感器获得多种编码结果的目的。

本发明技术方案

方法原理：一种矩形微带贴片射频识别标签编码可重构方法，先将工作频带划分成N个子带，每个子带对应一个子编码，然后设置若干编码单元，通过在编码单元不同位置添加二极管以达到重构编码的目的，二极管位置不同，重构的编码也不同。具体实现时，本发明创新性的将二极管引入RFID微带贴片天线，利用编码单元的长度不同对射频信号滤波情况不同的特点实现灵活的编码重构，实现超过编码单元位数的编码，从而打破编码式RFID应变标签编码难以改变的局面，使得标签编码的检测更加方便灵活，抗干扰能力更强。

本发明创新性的在弯折矩形微带贴片谐振结构的不同位置设置开关，利用谐振结构不同位置的电流密度差异，通过改变谐振结构有效电长度来改变其谐振频率，得到不同程度的谐振频率变化，配合将工作频带划分，实现可重构编码。射频信号由宽带天线接收，由传输线经一边馈电点进入标签编码，由馈线依次通过谐振结构，此时谐振结构利用滤波原理对射频询问信号进行调制，随后由另一边馈电点流出，通过宽带天线返回阅读器。

需要保护的方法技术方案：

一种矩形微带贴片的RFID标签编码可重构方法，其特征在于：将工作频带划分为N个子频带，一个子频带对应一位编码，编码单元则以弯折矩形微带贴片标签为基础设计，数量少于子频带数，在弯折矩形微带贴片标签的不同位置设置二极管开关，通过二极管开关控制标矩形微带贴片标签的有效电长度，从而改变编码单元的谐振频率，通过控制谐振频率在不同子频带上的偏移，谐振频率能够跨越子频带，即重构了编码，实现可重构的超过编码单元位数的编码。

频带划分，其特征在于：划分一段能够囊括标签编码所有谐振频率点并有空余的频带作为该标签编码的工作频带，将其划分为合适的子频带，一个子频带对应一个信息位，如果有一个编码单元的谐振频率落入该子频带，则该位信息位记“1”，反之记“0”；子频带的划分关系到编码单元的设计和开关位置的设计。

结构设计，其特征在于：该标签编码的金属上辐射面，由若干个弯折矩形微带贴片谐振结构与使它们与馈电点相连的馈线组成；将矩形微带贴片谐振结构部分弯折是使标签编码小型化的措施，能够有效减少标签编码的长度；弯折矩形微带贴片谐振结构负责编码信息，在不同位置设置开关，通过开关的通断改变弯折矩形微带贴片谐振结构的有效电长度，有效电长度变长，弯折矩形微带贴片谐振结构的谐振频率将减小，有效电长度变短，则增大，当有效电长度变短到一定程度，该编码单元不能正常编码，或者其谐振频率偏移出原来的子频带，则该信息位记“0”；馈线连接弯折矩形微带贴片谐振结构与馈电点，作为询问信号流通路径，两端焊接SAM接口以方便连接测试；该标签编码的金属下辐射面作为屏蔽层，避免编码信息受到附着物以及环境的影响；上下辐射面之间为介质基板。

所述金属上辐射面的弯折矩形微带贴片谐振结构的排列，需要按照降低互耦影响的原则实施，遵循相邻谐振频率的编码单体在物理位置上尽量不相邻的原则，以避免相邻弯折矩形微带贴片谐振结构之间出现耦合现象；弯折矩形微带贴片谐振结构长度不同导致谐振频率不同，使谐振频率相差不大的谐振结构相距尽可能远。

介质基板是高频板材材料。上辐射面的弯折矩形微带贴片谐振结构与馈线均为铜箔片。下辐射面全覆盖铜箔片。

谐振结构设计，其特征在于：对单个弯折矩形微带贴片谐振结构仿真其在谐振状态下的电流分布，由于弯折点左右部分在工作时的电流密度不同，远离与馈线连接处的一边电流密度小，靠近馈线连接处的一边电流密度大，因此断点设置在不同端产生的结果也不同：在电流密度小的一边，断口位置越靠近弯折点，有效电长度越小，谐振频率越高；在电脑密度大的一边，断口位置越靠近馈线连接点，有效电长度越小，谐振频率越高。但此处的断口靠近馈线连接点到一定位置时，谐振单元的谐振频率远超测量范围，或无法谐振，此信息位将记0处理。理论上有多少谐振单元就可以设置多少开关，各二极管均需要供电以支持其正常工作。

每个标签具有不唯一的编码。编码容量取决于开关与谐振单元个数，而标签又对应了若干个子频带，则子频带划分情况不同，和各标签谐振频率偏移量不同，利用这两点可以实现编码的可重构。使用阅读器外设同时读取多个标签编码所包含的信息，标签也可以通过规律的改变编码传递变化信息。

所述的编码由弯折矩形微带贴片谐振结构作为编码单元，二极管开关用于改变编码单元有效电长度，一条馈线将两端馈电点与所有编码单元的底部相连，以上结构均被刻蚀在介质基板(4)上辐射面，下辐射面(5)铺满铜箔片。

弯折矩形微带贴片谐振结构中弯折点左右的电流密度是不同的，使用二极管开关利用该特点能够实现对编码单元的谐振频率偏移程度的控制，谐振频率的偏移可以跨越子频带，通过对应子频带中谐振频率的有无实现“0”或“1”的编码，即实现使用较少编码单元表现超过编码单元位数信息的编码。其编码单元在初始情况下需与若干个子频带对应，如果设计的编码重构情况要跨越子频带，甚至是多个子频带，则需要为其谐振频率的偏移预留空间，要注意控制好子频带范围与编码单元谐振频率偏移程度的关系，避免出现一个子频带中出现多个谐振频率的情况。二极管开关需要供电以控制通断。

所述天线的激励为平面入射波激励，所述介质基板(4)材料为RT5880高频板材，介电常数为εr＝2.20±0.02，损耗角正切tanδ＝0.0014，厚度为0.508毫米。

附图说明

图1射频标签识别编码结构图

图2标签编码侧视图

图3标签编码一正视图

图4标签编码二正视图

图5标签编码主要参数标注示意图

图6单个编码单元仿真电流密度图

图7标签编码一的S₁₂参数仿真结果对比图

图8标签编码二的S₁₂参数仿真结果对比图

图9应用在大型码头对集装箱的管理(应用例：编码器应用场景)

数字标记：

馈线(1)、编码单体(2)、弯折矩形微带贴片谐振结构(21,22,23,24)、开关(3)、弯折矩形微带贴片谐振结构(21)的开关(31)、弯折矩形微带贴片谐振结构(22)的开关(32)、介质基板(4)、下辐射面(5)

具体实施方式

以下给出实施例，结合附图与具体仿真情况，对本发明技术方案做出进一步的说明。

实施例

本实施例，矩形微带贴片RFID标签的可重构标签编码单体2如图1-图4的所示，仿真的介质基板材料选择RT5880高频板材料，10GHz IPC-TM 2.5.5.5标准下的相对介电常数ε_r,＝2.20±0.02，损耗角正切tanδ＝0.0014，标签编码的上辐射面由4个弯折矩形微带贴片谐振结构(21,22,23,24)与一条连接谐振结构和馈电的馈线(1)组成，它们与下辐射面(5)均选用铜箔片作为材料印刷到介质基板上。标签编码主要参数尺寸标注如图5，具体数据由下表1所示：

表1标签编码主要参数尺寸表

主要参数

L_sub

W_sub

h

patch

LD

ID123

W

尺寸

50mm

30mm

0.508mm

4mm

5mm

10mm

1mm

主要参数

L1

L2ID_L

L3

L4

ID34

Width

ID_L

尺寸

13mm

11mm

16mm

15mm

12mm

3mm

5mm

本实施例的工作原理如下：

由四个弯折矩形微带贴片谐振结构(21,22,23,24)构成主要编码结构，四个弯折矩形微带贴片谐振结构是滤波谐振器，总长度不同最终的谐振频率也不同，表征为一个4位标签编码，可以储存4位的信息量。当系统的阅读器天线发射出的射频询问信号流入标签编码的馈线时，经过不同长度的弯折矩形微带贴片谐振结构即会在相应的频点产生谐振。

其中弯折矩形微带贴片的谐振频率与总长度的关系有公式：

其中等效介电常数是ε_e的介质基板，c为真空中的光速，在开关联通时的长度为b，如果开关断开则补偿长度为Δl，此时的谐振频率为f_r。

标签的下辐射面(5)直接与被测对象即固体结构表面接触，全部印刷上铜箔片以保证上辐射面的编码结构不受贴面下的情况影响。

标签编码一的开关(31,32)都设置在弯折点左边。

标签编码2的开关(31)设置在弯折点左边，开关(32)设置在弯折点右边。

仿真步骤

对于工作频段设定为1.50GHz至2.75GHz之间，这里方便讨论将其等分为五段(实际是否等分、分成几段可以灵活讨论)：

第一段(第一信息位)：1.50GHz-1.75GHz

第二段(第二信息位)：1.75GHz-2.00GHz

第三段(第三信息位)：2.00GHz-2.25GHz

第四段(第四信息位)：2.25GHz-2.50GHz

第五段(第五信息位)：2.50GHz-2.75GHz

对依据矩形微带贴片RFID标签标签编码的编码可重构方法设计的新型可重构标签编码进行仿真验证，在HFSS中选择RT5880高频板材(介电常数ε_r＝2.29，损耗正切tanδ＝0.0014)按照给出的尺寸制作模型，如图5所示。

在实例中为了对比添加一个不讨论可重构的含有四个编码单元的标签编码作为对照组，同时得到单个编码单元的电流密度如图6所示，颜色越深电流密度越大，颜色越浅电流密度越小。因此弯折点左边电流密度小，弯折点右边越靠近馈线连接处电流密度越大。

为了讨论二极管的通断，在标签编码一与标签编码二的弯折矩形微带贴片谐振结构(21)的弯折点左边设置Lumped RLC断口，在标签编码一的弯折矩形微带贴片谐振结构(22)的弯折点左边与标签编码二的弯折矩形微带贴片谐振结构(22)的弯折点右边设置Lumped RLC断口，参数设置为二极管断开时R＝10MΩ，C＝0.2pf，二极管导通时，R＝0.5Ω，C＝0。

最终标签编码一与标签编码二得到的在开关断开时的S12参数图与对照组对比如图7、图8所示，其中分块阴影表示子频带，虚线划分出各编码单元的谐振频率偏移程度。由图可知：

对于标签编码一，两个二极管开关均在电流密度较小的弯折矩形微带贴片谐振结构弯折点左侧，当开关断开时，编码单元(21,22)的有效长度变短，依据谐振频率公式(1)，谐振频率将升高，图中与对照组对比明显，编码单元(21,22)的谐振频率均有较大幅度的提高，谐振频率的间距也拉大了，其中编码单元(21)的谐振频率没有偏移出原先的子频带，因此这一子频带对应的信息位的编码信息仍然为“1”，而编码单元(22)的谐振频率偏移到了后一个子频带，则原先子频带对应的信息位的编码信息变成“0”，后一子频带对应的信息位编码信息变成“1”。而编码单元(23,24)由于电长度没有改变，谐振频率在其他编码单元的影响下仅发生极小的偏移，均未偏移出原子频带，携带的信息不变。

测试结果：标签编码一携带的信息从“11110”经编码可重构变成了“11101”。

而对于标签编码二而言，谐振单元(21)的开关设置与标签编码一保持一致，而谐振单元(22)的开关设置位于电流密度较大的弯折矩形微带贴片谐振结构弯折点右侧，开关断开时，编码单元(21)由于有效电长度变短，谐振频率提高，但其谐振频率没有偏移出原先的子频带，因此这一子频带对应的信息位的编码信息仍然为“1”，编码单元(22)则由于电长度果断导致谐振频率过高，远超出该标签编码的测试范围，因此从工作频段范围消失，编码单元(23,24)受另外两个改变的编码单元的影响，在电长度不变的情况下谐振频率有小幅度的升高，均未偏移出原子频带，携带的信息不变。

测试结果：标签编码二携带的信息从“11110”经编码可重构变成了“11100”。

应用例

应用在大型码头对集装箱的管理中，如图9所示，编码器附着于集装箱上，通过阅读器进行信号的发射与接收，传送回后台进行数据处理。

对于该发明而言，可以适当分配标签实现多种信息的传输。不含二极管开关的标签是固定标签，可以用作为集装箱编码，每个集装箱可以对应一个独一无二的编码，而含有二极管开关的标签因为可以变动，能够灵活的传达多种信息。

结合本发明中的应用实例假设以下场景：

集装箱编码(固定)：

某个集装箱编号：“11”[对应于标签23，24，对应于第一与第二信息位]

集装箱状态：

1.集装箱有货物，第三信息位为“1”[对应于标签21]

货物情况分类：

2.集装箱内无货物，第三信息位为“0”[对应于标签21]

3.已经清空的集装箱中是否需要维修

根据实际情况，标签、信息位的对应频带划分与编码位数都可以灵活改变以适应具体的应用。

Claims (3)

1.一种矩形微带贴片的RFID标签编码可重构方法，其特征在于：将工作频带划分为N个子频带，一个子频带对应一位编码，编码单元则以弯折矩形微带贴片标签为基础设计，数量少于子频带数，在弯折矩形微带贴片标签的不同位置设置二极管开关，通过二极管开关控制标矩形微带贴片标签的有效电长度，从而改变编码单元的谐振频率，通过控制谐振频率在不同子频带上的偏移，谐振频率能够跨越子频带，即重构了编码，实现可重构的超过编码单元位数的编码。

2.如权利要求1所述的一种矩形微带贴片的RFID标签编码可重构方法，其特征在于，频带划分：划分一段能够囊括标签编码所有谐振频率点并有空余的频带作为该标签编码的工作频带，将其划分为合适的子频带，一个子频带对应一个信息位，如果有一个编码单元的谐振频率落入该子频带，则该位信息位记“1”，反之记“0”；子频带的划分关系到编码单元的设计和开关位置的设计。

3.如权利要求1所述的一种矩形微带贴片的RFID标签编码可重构方法，其特征在于，结构设计：该标签编码的金属上辐射面，由若干个弯折矩形微带贴片谐振结构与使它们与馈电点相连的馈线组成；将矩形微带贴片谐振结构部分弯折是使标签编码小型化的措施，能够有效减少标签编码的长度；弯折矩形微带贴片谐振结构负责编码信息，在不同位置设置开关，通过开关的通断改变弯折矩形微带贴片谐振结构的有效电长度，有效电长度变长，弯折矩形微带贴片谐振结构的谐振频率将减小，有效电长度变短，则增大，当有效电长度变短到一定程度，该编码单元不能正常编码，或者其谐振频率偏移出原来的子频带，则该信息位记“0”；馈线连接弯折矩形微带贴片谐振结构与馈电点，作为询问信号流通路径，两端焊接SAM接口以方便连接测试；该标签编码的金属下辐射面作为屏蔽层，避免编码信息受到附着物以及环境的影响；上下辐射面之间为介质基板。

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