CN112257837B - 一种基于时域散射调制的无芯片rfid标签 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签。包括贴片天线结构和编码金属滑片，贴片天线结构包括五层结构；第五层中，圆形金属焊盘和月牙形金属焊盘均布置在第四层介质板底面且之间连接一个集总电阻，圆形金属焊盘通过一根长金属轴和第一层金属铜片连接，第三层金属接地底面连接一根短金属轴并穿出第四层介质板后和月牙形金属焊盘一起底面覆盖编码金属滑片；编码金属滑片相对于贴片天线结构滑动，滑动过程中和短金属轴、月牙形金属焊盘电接触；编码金属滑片是在带状介质基板上间隔布置一个矩形金属贴片构成。本发明成本低、结构紧凑、厚度薄、编码容量大，可以广泛应用于门禁系统、商业物流、企业供应链等各种涉及身份识别的领域。

Description

一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签
技术领域
本发明属于射频识别技术(RFID)的一种标签，具体涉及一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签。
背景技术
射频识别技术(RFID)是一种非接触式自动识别技术，他通过电磁场的空间耦合实现信息传递和接收，以达到识别的目的。但是传统RFID标签采用了硅芯片，成本比较高，没法广泛应用于低成本领域。
无芯片RFID技术是射频识别技术的新领域，它所使用的标签不使用传统的硅芯片，而是利用制作材料的特殊性，或者通过标签结构的特殊布局来实现特定的电磁特性，进而实现数据编码、存储。经过了十多年的发展，无芯片标签已经具有体积小、低成本、可印刷等特点，成为了射频自动识别领域一个十分活跃的研究方向。目前，无芯片标签已经开始正式应用于医学领域。
从编码方式分析，无芯片RFID标签设计主要有三种方案：基于频谱签名编码、基于时域反射编码、基于相位-幅度反向散射混合编码。国内外学者提出了不少结构，各有优缺点。Stevan Preradovic等人提出了多螺旋谐振器无芯片标签，以带宽和标签体积换取编码容量。Ferran Paredes等人提出了一种基于微带线电磁耦合的无芯片标签，以阅读距离换取大容量编码，读取装置需要紧贴标签。
目前缺乏一种集成本低、尺寸紧凑、大编码容量于一身的无芯片标签结构和处理。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，综合了频谱签名编码和时域反射编码两个原理的特点，提出了一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签方案，具有大编码容量、结构紧凑、低成本的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述无芯片RFID标签包括一个多层次的贴片天线结构和编码金属滑片，贴片天线结构包括从上到下依次层叠组成的第一层金属铜片、第二层介质板、第三层金属接地、第四层介质板和第五层编码层；第五层编码层具体包括编码金属滑片、集总电阻、圆形金属焊盘和月牙形金属焊盘，圆形金属焊盘和月牙形金属焊盘均布置在第四层介质板底面，圆形金属焊盘和月牙形金属焊盘之间连接一个集总电阻，第三层金属接地上开设通孔，圆形金属焊盘通过一根长金属轴和第一层金属铜片连接，长金属轴穿过通孔，第三层金属接地底面连接一根短金属轴，短金属轴的下端穿出第四层介质板后和月牙形金属焊盘位于同一平面上，这样圆形焊盘经过直接贯穿第二、三、四层结构的长金属轴，与第一层金属铜片相连；而月牙形焊盘附近经过直接贯穿第四层介质板的短金属轴，与第三层金属接地相连；短金属轴的下端面和月牙形金属焊盘底面覆盖同一编码金属滑片。
所述的编码金属滑片相对于贴片天线结构沿垂直于短金属轴的下端和月牙形金属焊盘之间连线的方向滑动，且在滑动过程中编码金属滑片始终均和短金属轴、月牙形金属焊盘保持接触；所述的编码金属滑片是在带状介质基板上间隔布置一个矩形金属贴片构成。
所述的第二层介质层和第四层介质层的材料相同。
所述的第二层介质板和第四层介质板所用材料均为Rogers RO3035。
所述的带状介质基板的材料和第二层介质层、第四层介质层材料相同。
所述的集总电阻是工作在无芯片RFID标签工作频率的射频电阻。
当空间的微波信号辐射到所述无芯片RFID标签的第一层金属铜片时，在工作频率发生电磁谐振，将工作频率分量的微波信号经长金属轴集中传输到无芯片RFID标签另一侧的第五层编码层；第五层编码层中，带动编码金属滑片相对于贴片天线结构沿垂直于短金属轴的下端和月牙形金属焊盘之间连线的方向滑动，滑动过程中通过编码金属滑片上间隔布置的矩形金属贴片控制实现月牙形金属焊盘和短金属轴之间有序地短路和断路：短路时，集总电阻完全吸收了从长金属轴传来的微波信号的能量，此时无芯片RFID标签的反射信号没有工作频率分量；断路时，集总电阻不工作，从长金属轴传来的微波信号经断路端反射回去，无芯片RFID标签的反射信号中具有工作频率分量。
根据无芯片RFID标签的反射信号频谱特征在时间上的变化，对编码金属滑片上的矩形金属贴片进行所需间隔布置，实现无芯片RFID标签的数据编码。
短金属轴和月牙形金属焊盘之间导通时，编码为1，2.4Ghz信号被第一层金属铜片接收后被集总电阻吸收进而不反射回去而无法被发射源探测到。反之，短金属轴和月牙形金属焊盘之间不导通时，编码为0，2.4Ghz信号被第一层金属铜片接收后不会被集总电阻吸收，进而能反射回去而可以被发射源探测到。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
本发明设计成本低，制作简单，厚度薄。
本发明实现了同时具备编码容量大、结构紧凑、工作距离范围可调这三个优点。这是以往的无芯片RFID标签设计没有达到的。
本发明设计编码容量大、结构紧凑，在120×50mm尺寸大小情况下可以实现12位4096个编码，标签在工作距离适中。
本发明成本低廉、编码容量大，与传统纸质条形码相比，具有天然的功能优势，完全可以在低成本领域(比如门禁系统、商业物流管理、企业供应链等各种涉及身份识别的领域)替代条形码。本发明的成本几乎与条形码等同，但是技术优势却更多(比如寿命长、可自动识别、无需放置在物体表面等)，这将为企业生产节省大量成本，创造更大收益。
附图说明
图1是无芯片RFID标签实例的侧剖、顶层、中间层、底层示意图。
图1(a)是无芯片RFID标签实例的侧剖结构图。
图1(b)是无芯片RFID标签实例的俯视结构图。
图1(c)是无芯片RFID标签实例的第三层金属接地结构图。
图1(d)是无芯片RFID标签实例省略了编码金属滑片的仰视结构图。
图2是平面波正入射情况下，两种反射信号状态RCS参数的对比图。
图2(a)是平面波正入射情况下，编码为“1”的反射信号状态RCS参数图。
图2(b)是平面波正入射情况下，编码为“0”的反射信号状态RCS参数图。
图3是编码金属滑片结构示意图。
图4是编码金属滑片与标签相对位置示意图，滑片的滑动趋势示意图。
图4(a)是滑片滑动前的示意图。
图4(b)是滑片滑动一段距离后，短金属轴、月牙形金属焊盘没有接通的示意图。
图4(c)是滑片滑动一段距离后，短金属轴、月牙形金属焊盘接通的示意图。
图5是第一种金属编码滑片的具体编码效果图。
图6是第二种金属编码滑片的具体编码效果图。
图中：1、第一层金属铜片，2、第二层介质板，3、第三层金属接地，4第四层介质板，5、第五层编码层，6、编码金属滑片，7、圆形金属铜焊盘，8、月牙形金属焊盘，9、集总电阻，10、长金属轴，11、短金属轴，12、通孔，13、矩形金属贴片，14、带状介质基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明
如图1所示，无芯片RFID标签包括一个多层次的贴片天线结构和编码金属滑片6，贴片天线结构包括从上到下依次层叠组成的第一层金属铜片1、第二层介质板2、第三层金属接地3、第四层介质板4和第五层编码层5；第五层具体包括编码金属滑片6、集总电阻9、圆形金属焊盘7和月牙形金属焊盘8，圆形金属焊盘7和月牙形金属焊盘8均布置在第四层介质板4底面，圆形金属焊盘7和月牙形金属焊盘8之间连接一个集总电阻9，第三层金属接地3上开设通孔12，圆形金属焊盘7通过一根长金属轴10和第一层金属铜片1连接，长金属轴10穿设过通孔12，且长金属轴10和第三层金属接地3不电接触连接，第三层金属接地3底面连接一根短金属轴11，短金属轴11的下端穿出第四层介质板4后和月牙形金属焊盘8位于同一平面上，短金属轴11的下端面和月牙形金属焊盘8底面覆盖同一编码金属滑片6。
如图3所示，编码金属滑片6相对于贴片天线结构沿垂直于短金属轴11的下端和月牙形金属焊盘8之间连线的方向滑动，且在滑动过程中编码金属滑片6始终均和短金属轴11、月牙形金属焊盘8保持电接触；编码金属滑片6是在一定厚度的(0.4～0.6mm)带状介质基板14上每隔一段距离间隔布置一个矩形金属贴片13构成，编码金属滑片6有金属的一侧同时覆盖在月牙形金属焊盘8和短金属轴11上面。
具体实施中，带状介质基板14、第二层介质层2和第四层介质层4的材料均采用Rogers RO3035。
集总电阻9是能工作在无芯片RFID标签工作频率的射频电阻。
具体实施中，编码金属滑片6采用人手滑动的方式驱动运动。根据应用需要，也可采用小型电机带动等方式驱动运动
如图4所示，当空间的微波信号辐射到无芯片RFID标签的第一层金属铜片1时，在工作频率发生电磁谐振，将工作频率分量的微波信号经长金属轴10集中传输到无芯片RFID标签另一侧的第五层编码层5；第五层编码层5中，带动编码金属滑片6相对于贴片天线结构沿垂直于短金属轴11的下端和月牙形金属焊盘8之间连线的方向滑动，滑动过程中通过编码金属滑片6上间隔布置的矩形金属贴片13控制实现月牙形金属焊盘8和短金属轴11之间有序地短路和断路：短路时，集总电阻9完全吸收了从长金属轴10传来的微波信号的能量，此时无芯片RFID标签的反射信号没有工作频率分量；断路时，集总电阻9不工作，从长金属轴10传来的微波信号经断路端反射回去，无芯片RFID标签的反射信号中具有工作频率分量。
然后实施中根据无芯片RFID标签的反射信号频谱特征在时间上的变化，对编码金属滑片6上的矩形金属贴片13进行所需间隔布置，实现无芯片RFID标签的数据编码。
本发明的工作原理为：
发明的标签工作在2.4Ghz，具有矩形微带贴片天线的结构特征，可以接收空间传来的微波信号能量并产生一个反射信号。当微波信号入射标签表面，标签的第一层金属铜片、第二层介质板和第三层金属接地会发生电谐振和磁谐振，等效的谐振电路工作在2.4Ghz，因此标签可以很好接收2.4Ghz的微波信号分量，并且集中到长金属轴上传输给第五层编码层。
根据傅立叶分析，反射信号在频域上可以看作是不同频率分量的叠加。本发明思路是设计了两种反射信号状态，如图2所示，两者的频域特征截然不同，根据反射信号其2.4GHz分量的有无，实现了“0”、“1”编码。
具体实现方法是，竖直滑动编码金属滑片(如图3、图4所示)，当矩形金属贴片部分滑过月牙形金属焊盘和短金属轴时，两者被短路，集总电阻被接通，电阻两端存在电压差开始消耗能量，完全吸收了从金属轴传来的2.4Ghz信号能量，此时标签反射信号没有2.4Ghz频率分量，对应编码“1”；反之当没有金属的部分划过时，月牙形金属焊盘和短金属轴断开连接，集总电阻被断路，2.4Ghz信号能量没有能够被消耗掉，被反射回自由空间，因此标签反射信号存在2.4Ghz频率分量，此时对应编码“0”。
通过编码金属滑片的滑动实现两种状态的切换，编码信息就蕴含在反向散射信号频谱的时序变化中。在实际应用时，可用一个阅读器天线检测标签的两种反射信号状态。对于标签编码“1”，阅读器天线馈电端口S11参数在2.4GHz的值会极小；对于标签编码“0”，阅读器天线馈电端口S11参数在2.4GHz的值会较大。阅读器可以根据天线S11参数在2.4GHz频点的时域变化趋势，提取出标签的编码数据。提出了两种编码标签，并仿真其工作过程得到天线S11参数的时序变化图并提取了编码信息，如图5和图6所示。
集总电阻作为标签的负载，起吸收能量的作用。根据传输线理论可知，能量传输系数为τ＝4·RB·R0/|ZB+ZL|2，其中R0是负载的实部，ZL是负载的阻抗，ZB是从负载两端看进去的阻抗，RB是ZB的实部。可以得到，当负载阻抗ZL和ZB共轭匹配时，能量传输系数最高，意味着更多的能量会传输到负载被吸收。本发明经仿真软件CST Microwave Studio的仿真优化，结合市面上的射频电阻产品确定了最佳阻值。
当将本发明的无芯片RFID标签作为门禁卡贴附到门禁无线发射底座上时，门禁无线发射底座上的无线发射源发出微波信号到无芯片RFID标签，无芯片RFID标签中经编码金属滑片6相对于贴片天线结构滑动，进而产生反射信号发送回到门禁无线发射底座上的无线接收源，无线接收源探测识别反射信号后进行反馈决定是否打开门禁。
本发明的无芯片RFID标签具体实例如图1所示：
标签由五层材料组成，整体的尺寸size1为50mm。第一层方形金属铜片尺寸size2为30mm，厚度为0.05mm，其上的开槽缝隙宽度w为0.16mm，较长缝隙长度l1为12mm，较短缝隙长度l2为6mm，长金属轴在对角线的偏移量bias为5.3mm。第二层介质板的厚度h2为1.6mm，第四层介质板厚度h1位1.2mm。金属接地层厚度h为0.5mm，金属接地上的通孔尺寸R2为1.29mm。短金属轴和长金属轴的水平距离d为8mm，两根金属轴的半径R1为0.8mm。两个金属焊盘的厚度为0.5mm。集总电阻阻值为150欧姆。编码金属滑片的基板的宽度长度lb为41mm，厚度hb0.5mm。基板上的矩形金属贴片的宽度wr为2.9mm，长度lr为5mm，厚度为0.05mm，矩形金属贴片之间的间隔Ds为8mm。所使用的介质板材料Rogers RO3035的相对介电常数为3.6，损耗正切值为0.0015。经过仿真和实验证明，在标签与阅读天线几何中心正对的情况下，120×50mm的封装尺寸可以实现12位4096个编码，远高于现有研究同等尺寸标签的编码容量。
本发明介绍的标签结构工作频率为2.4Ghz，如果要工作在其他频率，可以根据工作波长比例调整结构的尺寸以及电阻值的大小。
以上所示，仅是本发明在2.4Ghz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作出任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可以利用上述揭示的技术内容加以变更或修改为等同变化的等效实例。依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：所述无芯片RFID标签包括一个多层次的贴片天线结构和编码金属滑片（6），贴片天线结构包括从上到下依次层叠组成的第一层金属铜片（1）、第二层介质板（2）、第三层金属接地（3）、第四层介质板（4）和第五层编码层（5）；第五层编码层（5）具体包括编码金属滑片（6）、集总电阻（9）、圆形金属焊盘（7）和月牙形金属焊盘（8），圆形金属焊盘（7）和月牙形金属焊盘（8）均布置在第四层介质板（4）底面，圆形金属焊盘（7）和月牙形金属焊盘（8）之间连接一个集总电阻（9），第三层金属接地（3）上开设通孔（12），圆形金属焊盘（7）通过一根长金属轴（10）和第一层金属铜片（1）连接，长金属轴（10）穿过通孔（12），第三层金属接地（3）底面连接一根短金属轴（11），短金属轴（11）的下端穿出第四层介质板（4）后和月牙形金属焊盘（8）位于同一平面上，短金属轴（11）的下端面和月牙形金属焊盘（8）底面覆盖同一编码金属滑片（6）。
2.根据权利要求1所述的一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：所述的编码金属滑片（6）相对于贴片天线结构沿垂直于短金属轴（11）的下端和月牙形金属焊盘（8）之间连线的方向滑动，且在滑动过程中编码金属滑片（6）始终均和短金属轴（11）、月牙形金属焊盘（8）保持接触；所述的编码金属滑片（6）是在带状介质基板（14）上间隔布置一个矩形金属贴片（13）构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：所述的第二层介质板（2）和第四层介质板（4）的材料相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：所述的第二层介质板（2）和第四层介质板（4）所用材料均为Rogers RO3035。
5.根据权利要求2所述的一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：所述的带状介质基板（14）的材料和第二层介质板（2）、第四层介质板（4）材料相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：所述的集总电阻（9）是工作在无芯片RFID标签工作频率的射频电阻。
7.根据权利要求1所述的一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：当空间的微波信号辐射到所述无芯片RFID标签的第一层金属铜片（1）时，在工作频率发生电磁谐振，将工作频率分量的微波信号经长金属轴（10）集中传输到无芯片RFID标签另一侧的第五层编码层（5）；第五层编码层（5）中，带动编码金属滑片（6）相对于贴片天线结构沿垂直于短金属轴（11）的下端和月牙形金属焊盘（8）之间连线的方向滑动，滑动过程中通过编码金属滑片（6）上间隔布置的矩形金属贴片（13）控制实现月牙形金属焊盘（8）和短金属轴（11）之间有序地短路和断路：短路时，集总电阻（9）完全吸收了从长金属轴（10）传来的微波信号的能量，此时无芯片RFID标签的反射信号没有工作频率分量；断路时，集总电阻（9）不工作，从长金属轴（10）传来的微波信号经断路端反射回去，无芯片RFID标签的反射信号中具有工作频率分量。
8.根据权利要求7所述的一种基于时域散射调制的无芯片RFID标签，其特征在于：根据无芯片RFID标签的反射信号频谱特征在时间上的变化，对编码金属滑片（6）上的矩形金属贴片（13）进行所需间隔布置，实现无芯片RFID标签的数据编码。
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