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【oe娱乐注册】工程师研发出一种无散射RFID标签的等效电路模型,具有巨大的工业应用潜力!

无芯片射频识别(RFID)是一种无线技术,具有许多工业应用潜力,包括需要识别,感应和跟踪的物联网(IoT)应用。在上个世纪,这项技术得到了改进。但是,在无芯片RFID系统中对反向散射信号的处理仍然是一个挑战,因为编码数据被嵌入在无源标签的反向散射信号中。阅读器硬件,天线和无线通道在接收到的信号中有自己的响应,其中包含标签ID信息。标签还会产生响应,该响应是来自不同谐振器,基板和标签中铜反射的响应的组合。本文分析了典型无芯片RFID标签的反射,反向散射信号的所有分量在时域和频域中都分开。此外,研究人员提出了一种无散射RFID标签的等效电路模型,并根据谐振器的实际性能进行了验证,这项研究对未来的研究具有重要的意义。

相关论文以题为“Time and Frequency Domains Analysis of Chipless RFID Back-Scattered Tag Reflection”于北京时间2020年09月08号发表在《IoT》上。

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如今,先进的技术改变了人们的生活方式,需要通过识别、跟踪、传感来构建物联网系统。射频识别(RFID)是一种用于跟踪和识别的无线通信技术,在物联网应用中具有很高的潜力。RFID系统由三个主要部件组成;它们是一个读取器、一个标签和至少一个读取器天线。读取器产生射频信号,通过读取器天线传输到标签,然后测量标签反射的信号。无芯片RFID标签是一种无源器件,不含专用集成电路(ASIC)芯片组。无芯片标签可以直接印在包装材料(如纸张和塑料)上。低成本的无芯片RFID标签可以使这项技术与光学条形码[3]兼容。然而,无芯片RFID操作在微波,超宽带(UWB)频率从标签提取多频率特征作为身份数据。因此,无芯片RFID阅读器系统的阅读器硬件比传统芯片RFID阅读器系统更加复杂。这是由于具有倍频带带宽的超宽带无源设计具有很大的挑战性。此外,在将数据编码成无源微波超宽带电路和从背散射信号中提取标签的ID方面存在重大挑战。超宽频信号受到监管限制,因此它们的传输功率较低,因此接收信号较弱。弱背散射信号的信号处理不是一件容易的工作。

有不同类型的无芯片RFID标签,可以根据其编码技术进行分类。它们是时域、频域、基于图像的混合无芯片RFID标签。另一种无芯片标签是基于介质谐振器对数据进行编码。频率域标签是开放文献中最普遍的,其中数据编码在标签的频率域响应。根据标签反射波的偏振性,这些标签分为共极性和跨极性两类。在一个同极标签中,发射和接收波的极化是相同的,而在一个跨极标签中,这些波是垂直极化的。

频域标签可以是重传输类型的标签,也可以是背散射类型的标签。一种重发型标签包括一个或两个标签天线和一个多谐振器部分。标签的接收天线截获从阅读器天线发送的信号,并将其传递到标签的多谐振器部分。谐振器根据其谐振频率产生不同的频率特征,然后通过标签的传输天线重新提交信号。由于采用多谐振器电路,来自标签的重发信号具有独特的频率特征,它包含了标签二进制ID数据1:1的对应关系。接下来,在一个背向散射无芯片RFID标签中,天线被消除。标签包含多个谐振器,产生一个反散射信号与一个独特的频率签名基于标签ID。每个谐振器接收超宽频入射波从一个读者,调节信号的不同的共振频率的签名,和后向散射对读者(如图1)建模。因此,每个谐振器生成二进制ID 1:1的对应数据。频率特征与谐振器的几何形状和尺寸,以及介电常数和标签衬底材料的厚度有关。谐振器的共振/不谐和可以在超宽带频率响应的峰、空或峰和空的形式中看到。具有相邻频带和物理位置的多个谐振器具有互耦效应。这可能会导致共振的频率偏移。在典型的背散射无芯片RFID标签中,通过缩短或去除相应的谐振腔,产生不同的标签id,也可以实现这种耦合效应。

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图1. 背向散射无芯片射频识别(RFID)谐振器模型。

在无芯片RFID系统中,读取器可以在时域和/或频域中处理后向散射信号。捕获的原始数据是多个组件的组合。这些成分可能在时域和频域重叠,无法使用简单的算法将其分开。以往,在单天线无芯片RFID系统中,读取器天线的回波损耗之前测量和无芯片RFID标签被放置用于校准,这被称为背景减法。在这种技术中,可以消除天线和环境的反射,但是标签的天线模式和结构模式雷达横截面(RCS)组件仍然可用。

研究人员提出了一种时间门控算法,该算法从具有延迟短截线的同极化贴片谐振器中检测标签ID,以提取天线模式RCS。该技术仅限于标签检测范围大于15 cm的情况。同样,研究人员提出的一种用于去极化的无芯片RFID标签检测的短时傅立叶变换(STFT),不需要背景扣除。去极化标签具有抗环境反射能力。但是,需要两个垂直极化天线来检测标签信息。相反,仅使用一根或两根具有相同极化的天线可以检测到同极化标签。

因此,所提及的处理方法不适用于典型的反向散射无芯片RFID标签,该标签在所需组件中不会产生足够的时间延迟,尤其是在短距离检测情况下。同样,逆问题中时间窗口的到达时间的估计是另一个挑战。因此仍然需要在短距离检测中对典型的同极性反向散射无芯片RFID标签的响应进行进一步研究,以了解从标签的每个谐振器产生的信号的性质。这项研究是向前发展的序言,以找到一种解决方案,可在相反的情况下从典型的无芯片RFID标签提取反射信号的所需分量。

单谐振器模型

为了研究标签的天线模式RCS,研究人员给出了每个谐振腔的等效电路模型。在谐振频率下,每个谐振器都可以用一个等效的RLC电路来建模。电压源是从接收到的入射波到标签,输出电压是产生从标签反射波的电压/电流。单腔u形槽的构型和RLC等效电路模型分别如图2a,b所示。谐振腔的总长度为2L2+L1,线宽为w。

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图2. (a)单个U形缝隙谐振器;和(b)等效电路。

每个谐振腔都可以用基于中心频率和质量因子的二阶RLC带通滤波器进行建模。假设一个典型的u型槽谐振器(图2a)产生的谐振中心频率为fo,品质因数为Q,其传递函数可由以下公式计算。

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这个传递函数等于一个RLC带通滤波器的传递函数(图3a),可以由下面公式计算得到。

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图3.(a)当标签以5厘米的间距放置在天线上方时,模拟无芯片RFID系统的设置;(b) u型槽无芯片RFID标签。

仿真结果

预计在模拟中捕获的数据非常接近在消声室环境中的实际测量值,除了测量数据中的噪声影响之外。因此,对于本研究,大多数处理都基于CST Microwave Studio套件中的模拟系统。这项研究的主要目的是了解短距离标签检测中信号不同成分的性质。

为了研究无芯片RFID系统中捕获信号中不同成分的影响,在CST Microwave Studio 2017中对简化系统进行了仿真。图3显示了无芯片RFID系统的仿真设置,其中天线已加载无芯片RFID标签。数据生成中使用的UWB天线的工作带宽为4.4至7.8 GHz。UWB天线的增益为9 dBi。6位U槽无芯片RFID标签[ 26 ]设计在Taconic TLX-8基板上,厚度为0.5毫米。表1列出了每个谐振器的长度和该标签的其他参数。。该标签中的每个时隙在与标签ID的一个二进制数据位相对应的频率签名中产生谐振。谐振器由位“ 1”定义。短路的谐振器(部分填充有铜)对应于位“ 0”。这项研究使用了六个标签,其中只有一个有源谐振器处于不同的频率,而一个标签具有所有六个有源谐振器。

表1. 单个和组合谐振的规范。

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首先,在没有任何标记的情况下,对天线响应进行了时域和频域模拟。接下来,为了模拟数据生成,将标签放置在UWB孔径耦合微带贴片天线前,标签与天线之间的间距为5cm。天线的S11作为无芯片RFID系统的模拟输出,在MATLAB 2018中单独处理。CST采用超宽带高斯脉冲作为时域模拟器的激励信号。但是,仿真的输出是在放置标签进行研究之前和之后的两个测试阶段的频域返回损失。因此,为了将捕获的频域s参数转换为时域信号,将天线的回波损耗乘以超宽带高斯脉冲进行进一步处理。然后,在对频域信号进行零填充后,利用快速傅里叶反变换(IFFT)将其转换为时域信号。这种方法通常用于将捕获的每个s参数转换为时域信号。

该信号的处理方法是,在标签ytag(t)存在的情况下,从捕获的输入信号中减去时域天线效应yantenna(t)。输入时域信号ytag(t)和处理后信号ytag(t)−yantenna(t)如图4所示。可以看出,天线在输入信号中的作用是显著的,与标签的作用相比,其幅值较高。此外,可以观察到,在2ns时,天线响应的某一段与标签响应具有相同的时间间隔。这些结果表明,在这种情况下,对ytag(t)应用时间窗的方法无法成功分离出标签响应,因为标签与天线之间的距离较短,标签分量到达时有较短的时间延迟。

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图4.时域输入信号和读取器天线去除反射后的处理信号。

在本研究中,研究人员为了研究结构模RCS组件的实际模式,将标签中所有谐振器短路(在槽中填充铜)以抵消天线模组件;通过仿真测量了标签的反射。所得到的背散射信号ys_copper(t)是结构模态RCS,在其余的分析中用作提取天线模态结果的参考信号。

结论

本文分析了利用超宽频天线捕获的无芯片RFID标签信号。将读卡器天线、标签结构和谐振器的时频域信号分离,计算并检验了它们的不同特性参数,如谐振频率、归一化RCS幅值、差峰/零幅值、谐振时延等。人们注意到,来自阅读器天线的反射产生了最强的后向散射,因为它是在从天线释放之前被接收到的。下一个强组件是标签的结构模式RCS组件。最后一个信号是与标签ID相对应的天线模式RCS,标签中的每个谐振器都有一个唯一的时频域信号。结构模RCS的起始点、分量的振幅和持续时间取决于谐振腔的物理参数,如谐振腔的结构、反射系数、群延迟和谐振腔的返回损耗。可以看到,在一个短距离标签测量中,捕获信号的所有分量在时域和频域都有重叠。因此,需要一种时频域检测算法来提取所需的分量。

时间门控技术在输入信号上进行测试,当数据从一个测量标签在一个短距离(5到7厘米)捕获时进行背景减除。在极短的标签检测中,由于天线反射与期望元件的重叠,对来自标签的测量输入信号施加时间门控不是一种理想的方法。另一方面,背景减除后的时间加窗有助于去除噪声对结果的影响,同时也可以去除结构模态RCS响应。

此外,本文还提出了多带谐振器标签的等效电路模型,并用仿真结果在时域和频域对模型进行了验证。该标签模型可用于无芯片RFID系统模型,也可用于从期望传递函数合成标签。例如,可以从期望的传递函数中得到谐振的中心频率和品质因子,然后根据所建议的分析,可以得到谐振腔物理长度的估计。

总的来说,本研究对理解来自频域多比特无芯片RFID标签的背散射信号有一定的帮助,同时也表明了未来在短距离应用标签检测方面的研究空白。

论文链接https://www.mdpi.com/2624-831X/1/1/7/htm

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