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大容量無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)探索

作者:張 昭,鄒傳云,黃?;?/div>
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2012年第15期
日期:2015-04-22 15:49:38
摘要:本文展示一種新的標(biāo)簽結(jié)構(gòu),具有容量大、尺寸小和帶寬小等優(yōu)點(diǎn)。目前該結(jié)構(gòu)還處于仿真階段,仿真平臺(tái)是FEKO電磁場(chǎng)仿真軟件。

  從1999年物聯(lián)網(wǎng)概念的提出到現(xiàn)在,物聯(lián)網(wǎng)已初步具備了一定的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ),呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。近來(lái),由于物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是下一代互聯(lián)網(wǎng),是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”,因而備受關(guān)注。然而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度卻并不快,其制約因素就是無(wú)法找到一個(gè)合適的識(shí)別裝置為每一個(gè)物體分配一個(gè)唯一的ID,無(wú)芯片標(biāo)簽被認(rèn)為是解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)。本文將展示一種新型標(biāo)簽結(jié)構(gòu),這一標(biāo)簽結(jié)構(gòu)容量大、尺寸小,目前還處于探索階段。

  近年來(lái),利用目標(biāo)的自然響應(yīng)頻率來(lái)識(shí)別物體成為無(wú)芯片標(biāo)簽發(fā)展的新方向,但大多都是關(guān)注于目標(biāo)響應(yīng)結(jié)果的頻率點(diǎn)提取的算法,也出現(xiàn)了少數(shù)新的標(biāo)簽結(jié)構(gòu),但這些結(jié)構(gòu)并不完美,或是尺寸有待改進(jìn),或是容量有待提升,或是帶寬有待縮短。

  本文展示一種新的標(biāo)簽結(jié)構(gòu),具有容量大、尺寸小和帶寬小等優(yōu)點(diǎn)。目前該結(jié)構(gòu)還處于仿真階段,仿真平臺(tái)是FEKO電磁場(chǎng)仿真軟件。

  1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  當(dāng)目標(biāo)受到電磁波照射時(shí),在目標(biāo)的表面會(huì)激勵(lì)出感應(yīng)電荷和感應(yīng)電流,形成電磁場(chǎng),發(fā)生電磁波散射,該散射場(chǎng)是頻率、目標(biāo)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)材料等的函數(shù)。如果能找到具有規(guī)律頻譜圖的目標(biāo)結(jié)構(gòu),就可以用于物體識(shí)別。當(dāng)橢圓的短軸半徑r與長(zhǎng)軸半徑R的比值μ在一定范圍內(nèi)時(shí)(假定X方向?yàn)槎梯S,Y方向?yàn)殚L(zhǎng)軸),就有圖1(b)所示的頻譜圖。當(dāng)μ在一定范圍內(nèi)時(shí),改變R,其諧振頻率會(huì)發(fā)生明顯的偏移,R越大,諧振頻率越低,R越小,諧振頻率越高;改變r(jià),其諧振頻率也會(huì)發(fā)生偏移,當(dāng)r取值合適時(shí),其諧振頻率幾乎不偏移,當(dāng)r大于某一值時(shí),其諧振頻率會(huì)在較小的范圍內(nèi)移動(dòng)。

  圖1(a)所示的橢圓標(biāo)簽參數(shù)的設(shè)置為R=20 mm,r=1 mm,圖1(b)是圖1(a)的頻譜圖,其中RA1=RA2=RA3=RA4=20 mm,rA1=1 mm,rA2=0.01 mm,rA3=4 mm,rA4=8 mm。從圖1(b)可以看出,橢圓標(biāo)簽短軸半徑取某一值時(shí)其頻譜圖的峰值有最小值。

大容量無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)探索

  如果將不同μ值的橢圓排成一個(gè)序列,是不是應(yīng)該得到一個(gè)波峰波谷相間分布的頻譜圖?仿真結(jié)果證明了該設(shè)想,如圖2所示。圖中橢圓的短軸半徑均為r=0.1 mm,R分別取20 mm、19.5 mm、19 mm、18.5 mm、18 mm并按等差遞減等間距排列,間距d=0.1 mm。從圖2(b)中可以看出,標(biāo)簽不同角度入射波(分別為0°、30°、60°及90°)的頻率響應(yīng)曲線基本重合,只是在幅度上有些差別。仿真結(jié)果表明,單個(gè)橢圓標(biāo)簽的諧振頻率和與其相對(duì)應(yīng)橢圓標(biāo)簽陣列的響應(yīng)頻率并不完全對(duì)應(yīng),除了第一個(gè)波峰向左偏移了外,其余的均向右偏移了,而且其幅度差別也很大,并不是簡(jiǎn)單地線性相加的結(jié)果。

大容量無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)探索

  2 仿真分析

  對(duì)包含有21個(gè)橢圓標(biāo)簽的標(biāo)簽陣列進(jìn)行較為細(xì)致的分析對(duì)比,來(lái)考查這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

  r不變,不同R的橢圓標(biāo)簽序列的頻譜圖如圖3所示,采用的入射角度分別為0°、30°、60°和90°。它所對(duì)應(yīng)的橢圓標(biāo)簽陣列的設(shè)置為:r=0.1 mm,且r不變;R從20 mm起按步長(zhǎng)ΔR=0.005 mm等差遞減排列,間距d=0.1 mm共21個(gè)橢圓標(biāo)簽,它應(yīng)該產(chǎn)生20波谷和21個(gè)波峰。然而仿真結(jié)果并非如此,它只有20個(gè)波峰,19個(gè)波谷。與圖2相比,其波峰波谷更密集地分布在3.4 GHz~4.6 GHz的頻率范圍內(nèi),其諧振頻率之間的間隔更小,這是由不同的長(zhǎng)軸半徑差ΔR所導(dǎo)致的。不同的ΔR會(huì)有不同的頻率間隔,總的來(lái)說(shuō),ΔR越小,頻率間隔越小,但并不是越小越好,當(dāng)ΔR小于某一值時(shí),就會(huì)導(dǎo)致一些諧振頻率消失,這也是圖3(a)只有20個(gè)波峰19個(gè)波谷的原因之一。影響諧振頻率間隔的還有標(biāo)簽的間距d和標(biāo)簽的排列順序,它們同樣會(huì)使一些諧振頻率消失。在其他設(shè)置相同的情況下,排列順序?qū)@種現(xiàn)象的影響很大,圖3(b)顯示了這種影響。其所對(duì)應(yīng)的橢圓標(biāo)簽陣列,除了排列順序不同外其他都一樣,在排列順序上把第2與21、3與20、4與19、5與18互換了位置,其頻譜圖就出現(xiàn)了如此大的區(qū)別,可以看出,其間只有2個(gè)波谷3個(gè)波峰。圖3(d)是兩個(gè)不同ΔR的橢圓標(biāo)簽陣列的頻譜圖的對(duì)比,A1與圖3(a)的設(shè)置一致,A2中的ΔR=0.5 mm,其有用信號(hào)部分分布在3.5 GHz~9 GHz的頻率范圍內(nèi)。圖3(c)是圖3(a)在3.0 GHz~5.0 GHz范圍內(nèi)的放大圖,從圖中可以看出,在某些波峰處,不同照射角度的諧振頻率有明顯的不同,而在波谷處幾乎不偏移。

大容量無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)探索

  假如移除其中的一個(gè)橢圓標(biāo)簽,其結(jié)構(gòu)改變前后的頻譜響應(yīng)圖會(huì)有什么不一樣的地方呢?假設(shè)移除第8個(gè)橢圓標(biāo)簽,并保持橢圓標(biāo)簽陣列之間的間距d不變。圖4是其頻譜圖的一部分,因?yàn)槠渌糠衷谥C振頻率處幾乎重合。其中曲線①代表的是移除第8個(gè)標(biāo)簽后的頻譜圖,曲線②與圖3(d)的A2設(shè)置完全相同,與曲線②相比,可以看出曲線①在原來(lái)的第8~9的波峰處出現(xiàn)了很大的不一致(在4 GHz以前只有1個(gè)波峰),即結(jié)構(gòu)改變后,相應(yīng)地少了一個(gè)波峰和波谷,它們出現(xiàn)在原來(lái)的第8~9波峰之間,隨后趨于一致,如果減小ΔR,即減小諧振頻率間隔,它們的重合度會(huì)更高。

大容量無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)探索

  如果確保R不變,改變r(jià)會(huì)有什么樣的效果?仿真結(jié)果表明,這樣也會(huì)得到波谷波峰相間出現(xiàn)的頻譜圖,這時(shí)的頻譜圖更密集、更不規(guī)則,諧振頻率對(duì)標(biāo)簽排列順序、短軸半徑差Δr、標(biāo)簽之間的間隔等因素更敏感,各個(gè)角度(0°、30°、60°和90°)照射的頻譜圖也不相同,如圖5所示。由于影響因素太多,目前還沒(méi)有仿真出比較好的頻譜圖。

大容量無(wú)芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)探索

  本文論述了一種新型的標(biāo)簽結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,在r不變時(shí),該結(jié)構(gòu)不同角度照射的諧振頻率幾乎完全一致,改變結(jié)構(gòu)時(shí),頻譜圖變化不大,容量很大,本文只是象征性地列舉了含有21個(gè)標(biāo)簽的標(biāo)簽陣列,只要工作帶寬允許,該結(jié)構(gòu)可以滿足實(shí)際需要。