一种基于四态耦合线谐振器的无芯片RFID标签及其优化系统

摘要

本发明公开了一种无芯片RFID标签的优化系统，包括：RFID标签、读写器和后端服务器；所述读写器用于读取所述RFID标签，并将数据通过无线或有线的方式传输给所述后端服务器；所述后端服务器用于完成数据处理和自动化智能管控；其中RFID标签包括贴片天线和所述多谐振器模型，多谐振器模型包括一个以上的四态耦合线谐振器，该谐振器包括四种状态，分别进行编码。本发明提供的无芯片RFID标签，具有最佳带宽、识别高效准确、可扩展性的良好效果，具有识别范围广、方向独立性等特点，有效提高了无芯片RFID标签系统的整体性能。

说明书

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，更具体的说是涉及一种基于四态耦合线谐振器的无芯片RFID标签及其优化系统。

背景技术

随着信息技术的快速发展，物联网(Internet of Things，IoT)成为当前新一代技术革命的核心技术之一。物联网时代正在融入社会各个领域，它与大数据、人工智能等是当前社会研究的热点领域，它们间的相互融合将是未来无线通信领域的核心内容。同时，它涉及多个产业链，截至2018年底，我国物联网设备的连接数就高达16亿个，到2020年预计超过70亿。物联网设备的指数型增长彰显着其巨大的发展空间和科研意义。其中射频识别(radio frequency identification，RFID)是物联网技术的核心技术，它是利用电磁信号在无线信道中进行信息交互，实现对目标进行检测和识别的一种技术。

截至目前，用作商业领域的RFID标签几乎全是有芯片的，它相对于条形码的占有率还较低，虽然传统的LF，HF和UHF RFID标签非常出色，但由于硅微芯片的存在，在高密度成本效益应用中受到限制。但由于无芯片的无线射频标签有更大的机会降低成本，一般预料当RFID标签的成本降低至可接受水平(低于每标签0.01美元)时，将会引发市场需求激增。

国内外有关无芯标签检测技术的研究可以分为三类，基于时域法(Time DomainReflectometry：TDR)、频域法(frequency-domain approach：FDA)和复频域法(complexfrequency-domain approach：CFDA)。在基于时域的系统中，RFID读取器通过一系列短脉冲询问标签。随后，标签接收询问脉冲，然后将响应信号重新发送为具有一些时间延迟的一系列回波。回波的存在或不存在及其沿时间轴的位置用于读出标签ID。表面声波(SAW)无芯片RFID标签是当前最流行和商业化的基于时域的无芯片标签。但是，由于材料成本高且制造工艺复杂，因此难以大范围推广。在基于频域的无芯片RFID系统中，由SEM理论：受电磁脉冲照射的目标，它的时域瞬态散射响应可以分为早时响应和后时响应。阅读器使用电磁(EM)波形询问标签，然后标签重新(或反向散射)对RFID阅读器的响应。对于基于CFDA构造的标签，不同标签结构对应不同的复谐振频率(又称为极点)，对回波信号极点的提取实现标签ID检索。这类标签完全以结构的不同作为谐振的基础，没有发射、接收天线，完全利用散射体的复谐振频率进行编码。混合域技术需要非常高的频谱带宽，并且在这种情况下所得到的配置难以实现与低成本读取器匹配。

在频域无芯片RFID系统中，有两种不同类型的标签：基于反向散射和基于重传。在反向散射技术中，标签仅包含谐振元件，不需要单独的天线。该技术的更多优点包括标签尺寸小且易读。然而，添加更多位会引入耦合并影响其他单元的共振频率，并且可能需要更多校准来克服这种影响。

因此，如何设计出一种成本低尺寸小且识别范围广的无芯片RFID标签是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对当前RFID成本高且难以实现在尺寸减小的同时达到识别范围增强、最佳带宽、可扩展性和降低成本的问题，提供了一种基于四态耦合线谐振器的新型无芯片RFID标签及其优化系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种四态耦合线谐振器，包括：第一水平臂、第二水平臂、第一垂直臂、第二垂直臂、耦合线和微带传输线；

所述第一水平臂与所述耦合线长度相等且平行设置，所述第二水平臂平行设置于所述第一水平臂和所述耦合线之间，所述耦合线平行设置于所述第二水平臂与所述微带传输线之间；

所述第一垂直臂与所述第二垂直臂位于同一条直线上，且均垂直设置于所述第一水平臂和所述耦合线的一侧，所述第一垂直臂的上端部与所述第一水平臂的右端部相连，所述第二垂直臂的下端部与所述耦合线的右端部相连；编码代码为00。

优选的，还包括第一金属条，所述第一金属条水平设置，且所述第一金属条将所述第二水平臂与所述第二垂直臂连接；编码代码为01。

优选的，还包括第二金属条，所述第二金属条垂直设置，且所述第二金属条将所述第一垂直臂与所述第二垂直臂连接；编码代码为10。

优选的，还包括第三金属条和第四金属条，所述第三金属条垂直设置，所述第四金属条水平设置，所述第三金属条连接所述第一垂直臂和第二垂直臂，所述第四金属条连接所述第二水平臂与所述第二垂直臂；编码代码为11。

一种基于四态耦合线谐振器的多谐振器模型，包括一个以上的所述四态耦合线谐振器，且每个所述四态耦合线谐振器之间通过所述微带传输线相连。

优选的，所述四态耦合线谐振器为六个。

一种基于多谐振器模型的无芯片RFID标签，包括贴片天线和所述多谐振器模型；

所述贴片天线通过所述微带传输线与所述多谐振器模型相连，并在所述多谐振器模型的两侧呈现正交极化分布。

优选的，所述贴片天线依次包括贴片层、介质层、接地层和底板，所述贴片天线的贴片层通过微带传输线与所述多谐振器模型相连。

一种基于无芯片RFID标签的优化系统，包括：RFID标签、读写器和后端服务器；

所述读写器用于读取所述RFID标签，并将数据通过无线或有线的方式传输给所述后端服务器；

所述后端服务器用于完成数据处理和自动化智能管控。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，有益效果如下：

1、本发明公开提供了一种四态耦合线谐振器，该谐振器可以通过金属条来来重新配置该谐振器以呈现四态，其中该四种状态的谐振器可以分别存储00(无频率响应)，01(f₂处的谐振)，10(f₁处的谐振)或11(f₁和f₂处的谐振)。可以容易的通过控制f₁和f₂之间的频率跨度，从而减少所需的频谱。换而言之，所提出的标签的每个谐振器可以编码两个比特，允许以紧凑的尺寸存储大量数据以降低每比特的成本。

2、通过构造双极化标签结构，两种极化方向上的信号互不影响。使无芯标签能够同时在两种极化方式入射波下进行工作。将基于四态耦合线谐振器的编码技术和双极化标签结构结合，大幅度提高了标签的频带利用率和编码密度。

3、结合读写器、通过无线或有线的通信方式将数据信息传至后端服务器，在后端服务器完成对标签和读写器之间的身份相互认证过程和实现智能化管理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的四态耦合线谐振器的原理图；

图2附图为本发明提供的四态耦合线谐振器的等效电路图；

图3附图为本发明提供的四态耦合线谐振器的具体结构示意图；

图4附图为本发明提供的S1状态时的四态耦合线谐振器结构示意图；

图5附图为本发明提供的S2状态时的四态耦合线谐振器结构示意图；

图6附图为本发明提供的S3状态时的四态耦合线谐振器结构示意图；

图7附图为本发明提供的S4状态时的四态耦合线谐振器结构示意图；

图8附图为本发明提供的六谐振器模型的结构示意图；

图9附图为本发明提供的无芯片RFID标签结构示意图；

图10附图为本发明提供的贴片天线的结构示意图；

图11附图为本发明提供的基于无芯片RFID标签的优化系统结构示意图；

图12附图为本发明提供的编码为111111111111和000000000000的标签的S11仿真结果图；

图13附图为本发明提供的编码为111111111111和000000000000的标签的S21仿真结果；

图14附图为本发明提供的编码为111111111111和101010101010、010101010101的标签的S11的仿真结果图；

图15附图为本发明提供的编码为111111111111和101010101010、010101010101的标签的S21仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本发明所提出的四态耦合线谐振器的原理图和等效电路如图1和图2所示。该谐振器的阻带特性可以用阻抗ZI₁和ZI₂来表示。

其中θ是耦合线长度，Za和Zb分别是偶数和奇数模式的特征阻抗。当θ＝π/2时，即当耦合线长度等于基本共振频率f₀处的四分之一波长时，发生基本阻带共振。该结构还在所有奇次谐波处产生阻带特性。

需要说明的是：f₀表示谐振频率，第一次谐波出现在约2f₀处，f₁和f₂也是表示中心频率。谐振频率往往有一个频率范围，发生共振的频率范围。共振最强点对应的频率就是中心频率-点频率。

本实施例在FR4为材料的基板上设计，将f₁和f₂设计成分别为5GHz和5.2GHz。介电常数为4.4，厚度为0.78mm。

表1中给出了图1、图2中所示电路的物理参数。

表1

该长度为l_c和宽度为w_c的耦合线可以通过长度为l_v和宽度w_v的垂直臂使用短金属条连接到第一水平臂，第二水平臂。可以通过重新配置该谐振器以呈现四态。具体包括以下四态：

一种四态耦合线谐振器，如图3所示，包括：第一水平臂、第二水平臂、第一垂直臂、第二垂直臂、耦合线和微带传输线；

第一水平臂与耦合线平行设置，第二水平臂平行设置于第一水平臂和耦合线之间，耦合线平行设置于第二水平臂与微带传输线之间；

第一垂直臂与第二垂直臂位于同一条直线上，且均垂直设置于第一水平臂和耦合线的一侧，第一垂直臂的上端部与第一水平臂的右端部相连，第二垂直臂的下端部与耦合线的右端部相连。

该结构耦合线谐振器，实现第一状态S1状态。在操作频带中没有观察到共振，这种情况编码为00表示，如图4所示。

为了进一步实现上述技术方案，基本结构与S1状态的耦合线谐振器相同，此外还包括第一金属条，第一金属条水平设置，且第一金属条将第二水平臂与第二垂直臂连接。该结构的谐振器为S2状态，谐振频率是f₂并且编码为01表示，如图5所示。

为了进一步实现上述技术方案，基本结构与S1状态的耦合线谐振器相同，此外还包括第二金属条，第二金属条垂直设置，且第二金属条将第一垂直臂与第二垂直臂连接。此种结构的谐振器为S3状态，只有第一水平臂通过短金属条连接到垂直线。谐振频率为f₁，该状态编码为10，如图6所示。

为了进一步实现上述技术方案，基本结构与S1状态的耦合线谐振器相同，此外还包括第三金属条和第四金属条，第三金属条垂直设置，第四金属条水平设置，第三金属条连接第一垂直臂和第二垂直臂，第四金属条连接第二水平臂与第二垂直臂。此种结构谐振器为S4状态，水平臂均连接到垂直臂，谐振发生在f₁和f₂，谐振器由代码11表示，如图7所示。

实施例二：

一种基于四态耦合线谐振器的多谐振器模型，包括一个以上的四态耦合线谐振器，且每个四态耦合线谐振器之间通过微带传输线相连。

为了进一步实现上述技术方案，如图8所示，四态耦合线谐振器为六个。

本实施例中：在材料为FR4的基板上设计一个上述所提出的谐振器的六谐振器模型，介电常数为4.4，损耗正切为0.02，厚度为0.78mm。结构的总长度和宽度分别为29.4和12.6mm。该结构设计用于将每个谐振器的频率跨度保持在大约200MHz。每两个相邻谐振器之间的频率跨度也选择为大约200MHz。对于5.4至8GHz的操作，谐振器长度选自L1＝9.4mm至L6＝5.5mm。相邻谐振器之间的间隔为1毫米。微带传输线设计特征阻抗为50Ω的，宽度为2.4mm。

实施例三：

一种基于多谐振器模型的无芯片RFID标签，如图9所示。标签包括贴片天线和多谐振器模型；通过调整贴片天线便可实现水平极化和垂直极化两种极化方式。

本实施例中，贴片天线通过微带传输线与多谐振器模型相连，并在多谐振器模型的两侧呈现正交极化分布。

为了进一步实现上述技术方案，如图10所示，贴片天线依次包括贴片层、介质层、接地层和底板，贴片天线的贴片层通过微带传输线与多谐振器模型相连。

为了能够提高RFID系统识别速度和准确性，而双极化天线具有同频段的双通道通信、提高通信容量、可以提高系统灵敏度、抗多径效应等优点，因此设计并优化了两个覆盖5至10GHz频率范围的典型宽带双极化天线。

该RFID标签的具体相关参数如表2所示：

表2

根据相关参数，包含但不限于扫描范围、半功率波束的宽度等，去调整每个单元激励电流的振幅和相位。

微带平面天线元的方向性函数或阵因子为f(α,β)：

以贴片作为参考底面，以贴片一角为原点做xyz轴坐标系，宽为x轴，长为y轴，高为z轴方向。M、N分别为在贴片面上等距排布的天线元行列数量；βx表示空间某一点在xy坐标平面上与x轴的夹角；βxz表示与xz坐标平面的夹角；βy和βyz同理；A表示馈电电流的振幅值。两个天线连接到六谐振器结构的馈线的相对端。并且两个天线以正交极化布置放置。

需要进一步说明的是：本实施例所采用的是相控阵天线，实现微带贴片天线圆极化，第一步需要进行切角操作，这是针对形状为正方形的金属贴片进行的，主要是对其中一个对角进行，然后从基本模式上对天线进行分解，根据特征模理论任意导体表面上电流分布都可以分解为一系列正交特征电流模式的叠加。正交特征电流模式在对角线上的频率均不相同。通过进行观察可以看到在某一个频率点上，两种正交模式能够产生大约九十度的相位差，之后对其进行合成可以变成圆极化辐射。采用双层贴片结构产生两个相互垂直的线极化波，并使二者辐射相同，相位相差90°得到圆极化波，从而能够实现在同一层面上完成双极化。

实施例四：

一种基于无芯片RFID标签的优化系统，如图11所示，包括：RFID标签、读写器和后端服务器；

读写器用于读取RFID标签，并将数据通过无线或有线的方式传输给后端服务器；

后端服务器用于完成数据处理和自动化智能管控。

本实施例中的新型独立无芯片RFID优化系统是基于本发明所设计的四态六谐振器结构的标签系统。读写器同时识别多个标签时，为了避免不同标签传输的内容的某一部分内容发生碰撞，也为了减少传统算法的工作量，从而提升算法的识别速度，本实施例在RFID系统中采用新型的混合型防碰撞算法；数据由读写器传到后端服务器后，由服务器完成数据处理和自动化智能管控。同时，将所有采集数据上传到云端，利用大数据技术可以对识别目标做数据分析。比如：智慧畜牧，可通过本RFID系统实现更精确和快速识别牲畜，完成牲畜信息采集：计数、体重等，结合如步态等做大数据分析，有利于实现增产增收。

根据说明书附图和具体实施例，对本发明作进一步验证：

设计了四种配置来验证该概念。第一种结构如图8所示(图中的臂1即为第一水平臂，臂2即为第二水平臂)，其中所有的谐振器都连接起来代表每一个的代码11。因此，编码代码是111111111111。第二种编码代码均为零，其中所有谐振器的两个臂未连接。第三种编码代码101010101010，是表示所有谐振器的臂1连接且臂2未连接下的情况。第四种编码代码010101010101，表示所有谐振器的臂2连接且臂1未连接下的情况。图12、13分别为：编码为111111111111和000000000000的标签的S11、S21仿真结果。图14、15分别为：编码为111111111111和101010101010、010101010101的标签的S11和S21仿真结果。第一，第三和第四的代码的仿真结果如图14、图15所示。从仿真图中必须注意到，几乎没有频移。还可以将不同的谐振器即从一个编码代码切换到另一个编码代码时的设计进行验证本文未提及的其他编码代码，例如011110011110，110011001100和001100110011。

从图中可以看到，本发明中的该编码方法准确、高效。在测量中向高频率只有非常小的移位。这可归功于所设计的优化标签具有良好的应用效果以及制造的精度与衬底参数的高耐受性。

综上所述，本发明有以下有益效果：

1、设计并制造了一种新颖紧凑的无芯片RFID标签，该结构包含六个四态微带耦合线谐振器，具有最佳带宽、识别高效准确、可扩展性的良好效果。

2、对于每个谐振器，两个谐振频率是可能的；因此，可以为两位信息码(00，01，10和11)重新配置单个谐振器，这比传统的无芯片RFID标签设计更经济。

3、所提出的标签的独特设计允许在不进一步增加尺寸的情况下增加编码密度。可以针对4⁶个代码和12个可能的频率重新配置所提出的标签。实现了以紧凑的尺寸存储大量数据，降低每比特的成本。

4、双极化标签设计具有识别范围广、方向独立性等特点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。