无芯片RFID电子标签信息容量扩充的方法与流程

本发明涉及无芯片RFID电子标签信息编码技术领域，特别涉及无芯片RFID电子标签编码容量的扩充，具体是指一种在无芯片RFID电子标签中加入新型弧形缺陷地结构以提高编码量的方法：应用于无芯片RFID电子标签的信息存储。

技术背景

射频识别RFID又称作无线识别，是一种可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。该技术作为一种快速、实时、准确采集与信息处理的高新技术和信息标准化的基础，是二十一世纪的十大重要技术之一，射频识别电子标签具有受环境影响小、不易损坏、非接触性以及识别效率高等优点。其中RFID电子标签可以分为“有源”电子标签和“无源”电子标签，有源电子标签的内部具有独立的电源，例如电池，从而使得该有源标签能够发送信号以被阅读器读取。无源电子标签的内部不具有电源，需要从阅读器发送的电磁波中获取能量。因此有源电子标签相对无源电子标签工作距离更远。但是以上两种电子标签均具有电子电路，典型的为集成电路或硅芯片的形式。该电路可以存储协议命令并且向合法阅读器传输识别数据。除了芯片之外，该电子标签还包括一些特定形式的天线，外部天线通过某些绑定技术连接到芯片。

无芯片RFID技术是一种新型的RFID技术，这种新型的RFID技术既继承了传统RFID避免直接接触、不易被破坏、灵活可靠等特点，同时还具有成本低，便于生产等优点。无芯片RFID电子标签的内部既不包括集成电路物理模块也不包括单独的电子部件，而是基于普通的印刷电路技术，所以无芯片RFID电子标签的成本可以控制在很低的范围内。同样这种特性也使得无芯片RFID电子标签可以以低于传统RFID电子标签的成本直接印刷在物体的衬底上，从而扩展RFID的应用领域。无芯片RFID技术的研究和发展也是对传统RFID技术的补充和提升，有望取代传统的条形码技术，可以填补传统RFID技术在一些领域的空白，成为建设物联网社会的必不可少的技术之一。

早期出现的无芯片RFID电子标签大多是基于电磁RF溅射薄膜、声磁和电子扫频RF感应器电容阵列原理。根据不同原理编码的无芯片RFID电子标签各有其特点，其中使用很广泛的一项编码技术就是根据频域特征来实现编码，这种编码方式是以滤波的基本原理为基础的。随着射频识别技术的不断发展，直到2016年全球市场上无芯片RFID电子标签的销售额占RFID电子标签销售额的17％。对于无芯片RFID技术而言，最大难点在于如何在没有IC芯片的情况下存储标签信息。另外在现阶段无芯片RFID技术的发展还存在许多问题，标签结构还不成熟，性能不稳定，标签所能存储的信息量很小，并且信息量和标签的尺寸之间存在着矛盾关系。

因此如何提高无芯片RFID电子标签的信息容量，促进无芯片RFID技术的发展以使无芯片RFID技术得到更为广泛的应用，成为了国内外学者和技术人员的广泛关注的问题。而本发明正是针对无芯片RFID电子标签的编码信息容量小这一缺点的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高无芯片RFID标签编码信息容量，是一种对现有无芯片RFID电子标签的结构进行改变来提高编码容量，可以对基于螺旋微带结构的无芯片RFID电子标签加入弧形缺陷地结构以提高该标签的编码信息容量。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种无芯片RFID电子标签信息容量扩充的方法，其特征在于：基于螺旋微带结构的多陷波电路的基础上加入弧形缺陷地结构，利用信号的频率特征和幅度特征实现混合编码，以提高标签的信息量。

所加入的缺陷地结构单元通过在地面上刻蚀弧形缺陷地结构，扰乱接地面上传导电流的分布，进而改变传输线的特性，为了实现对信号衰减强弱的控制，设计出弧形缺陷地结构刻蚀在螺旋微带结构的背面，弧形缺陷地的存在使得地面不完整，使微带线上的感应电流变小。形成3种结构不同的多陷波电路，进而根据信号的衰减程度将其分为三种状态，实现频率特性和振幅特性的混合编码。

一种扩充信息容量的无芯片RFID电子标签，其特征在于：在螺旋滤波结构的基础上添加的弧形缺陷地结构，形成3种结构不同的多陷波电路，进而根据信号的衰减程度将其分为三种状态，使得6bit标签的最大信息量为3⁶＝729个，与原本未加入弧形缺陷地结构的标签相比提升了近10倍。这种无芯片RFID标签中的多陷波电路的具体结构是：在电路的正面一共有6个不同长度的螺旋微带结构，分别位于微带线的两侧，背面接地板，每一个螺旋微带结构在一个频点上产生一个陷波。

一种是短路的螺旋微带结构，由于短路而无法产生谐振；

一种是结合弧形缺陷地的螺旋微带结构，弧形的存在将影响谐振的效果；

最后一种就是普通的螺旋微带结构。

其特征在于：在原标签的基础上加入新的缺陷地结构，所述的标签由多陷波结构电路和收发天线组成，询问信号通过标签外接的接收天线(接收天线在图中未示意)进入多陷波电路，当特定频率的信号经过多陷波电路时发生谐振，产生明显的衰减。

其特征在于：所加入的缺陷地结构单元通过在地面上刻蚀几何图形，扰乱接地面上传导电流的分布，进而改变传输线的特性，为了实现对信号衰减强弱的控制，设计出弧形缺陷地结构刻蚀在螺旋微带结构的背面，弧形缺陷地的存在使得地面不完整，使微带线上的感应电流变小。

对于基于频谱特性的无芯片RFID系统来说，标签是由多陷波结构电路和收发天线组成，询问信号通过标签的接收天线进入多陷波电路，多陷波电路就会使得特定频率的信号经过时发生谐振，并产生明显的衰减。在整个无芯片RFID系统中，无芯片RFID标签利用信号的物理特性进行编码，即把信息存储在多陷波电路的结构中。而基于螺旋微带结构的的标签是根据固定频段内有无陷波进行编码的，对于一个带有n个螺旋微带结构的标签，最大的信息存储量为2ⁿ个。如果想要提高标签的信息量，依靠增加螺旋微带结构数目或者缩小频段范围等方法都是不合理的。那么，为了在标签尺寸和工作带宽都不变的情况下，尽可能提高标签的信息量，就需要改变标签的编码方法。本发明就研究了一种新的编码方法，这种方法充分利用了信号的振幅信息，实现频率特性和振幅特性的混合编码。因此，需要在螺旋滤波结构的基础上添加一种新型的缺陷地结构，使得信号谐振时的幅度可控，来实现这种混合编码。这样编码就有原来的二进制编码转变为三进制编码，提高了信息容量。本发明具有结构简单，制造成本低廉，极大的扩大了无芯片RFID电子标签的应用范围。

附图说明

图1本发明改进后的6位无芯片RFID标签

图2改进前后的6位无芯片RFID标签的S21曲线

图3是本发明设计的弧形缺陷地结构及其等效电路

图4是本发明改进后的滤波单元结构

图5未改进的螺旋滤波单元结构

图6未改进的6位无芯片RFID标签

具体实施方式

在原来无芯片RFID电子标签(如图6所示)的基础上创新性的加入弧形缺陷地结构，所加入的缺陷地结构单元通过在地面上刻蚀弧形缺陷地结构，扰乱接地面上传导电流的分布，进而改变传输线的特性，为了实现对信号衰减强弱的控制，设计出弧形缺陷地结构刻蚀在螺旋微带结构的背面，弧形缺陷地的存在使得地面不完整，使微带线上的感应电流变小。形成3种结构不同的多陷波电路，进而根据信号的衰减程度将其分为三种状态，实现频率特性和振幅特性的混合编码，使得6bit标签的最大信息量为3⁶＝729个，与原本未加入弧形缺陷地结构的标签相比提升了近10倍。其中关于加入弧形的编码具体描述如下：

根据改进后的6位无芯片RFID标签的结构，多陷波电路包含三种结构如图1所示，

一种是短路的螺旋微带结构(图1中结构1和结构4)，由于短路而无法产生谐振；

一种是结合弧形缺陷地的螺旋微带结构(图1中结构2和结构5)，弧形的存在将影响谐振的效果；

最后一种就是普通的螺旋微带结构(图1中结构3和结构6)。

如图2所示是利用HFSS仿真得到的S21曲线，其中曲线1表示未加入弧形缺陷地结构的6位无芯片RFID标签的S21曲线，曲线2表示改进后的6位无芯片RFID标签的S21曲线。可以看到，曲线2一共产生了4个陷波，对应的频率分别为2.63GHz，2.91GHz，3.24GHz和3.47GHz。在曲线1的第一个谐振点附近，曲线2不存在陷波。这是因为标签中的第一个螺旋微带结构被短路了，没有发生谐振；在曲线1的第二个谐振点附近，本发明曲线2的S21为-8dB，远小于曲线1的S21，这是由于第二个螺旋微带结构背面刻蚀了弧形缺陷地结构，且使得谐振频率产生向左的偏移；第三个螺旋微带结构没有发生变化，因此产生的陷波也与之前差不多，其中存在的偏移是由于其他螺旋微带结构之间的耦合作用。

可以根据信号的衰减程度将其分为三种状态：没有衰减、衰减程度较小、衰减程度较大。根据仿真结果，将-5dB和-10dB作为两个标准，定义S21在-5dB以内为0，S21在-5dB到-10dB之间为1，S21小于-10dB为2。则改进后的标签ID为012012；改进前的标签ID为222222。6bit标签的最大信息量为3⁶＝729个。相比改进前的无芯片RFID标签，信息量提升了近十倍。需要说明的是，在这里将-5dB和-10dB作为标准是以仿真结果为基础的。而在实际应用中，衰减幅度会受到环境的影响，不会是一个固定的值。因此需要选择一个合适的标准，将两种不同的衰减程度区分开来。

参照图3，本发明设计新型弧形缺陷地结构，根据弧形结构尺寸的不同其等效的LC滤波电路的电容和电感的参数值也不同。在原有基于微带结构的无芯片RFID电子标签的基础上加入弧形缺陷地结构。弧形缺陷地结构单元通过在地面上刻蚀几何图形，扰乱接地面上传导电流的分布，进而改变传输线的特性，为了实现对信号衰减强弱的控制，设计出弧形缺陷地结构刻蚀在螺旋微带结构的背面，弧形缺陷地的存在使得地面不完整，使微带线上的感应电流变小。正是这些差别使得不同的螺旋微带结构产生不同的陷波。

实施例1

参照图1，本发明第一实施例中的六位编码的无芯片RFID电子标签有6个结构不同的螺旋微带滤波单元组成，分别位于50Ω微带线的两侧，以及作为载体的介质基板。该六位编码的无芯片RFID电子标签，其中标签1、标签2、标签4、标签5背面腐蚀的“弧形缺陷地结构”。其中不同编号的滤波单元的物理尺寸不同，螺旋结构的宽度H＝5W_S+4D_S；从编号1到编号6的六个滤波单元的螺旋微带结构的长度L_s依次减小，六个螺旋微带的宽度W_s、螺旋微带结构中的缝隙D_s以及两个螺旋微带结构之间的间隙D_g都是相同的，并且螺旋结构与微带线的间隙足够小又不能相连。一共能够在6个频点上产生6个陷波，根据信号的衰减程度将其分为三种状态：没有衰减、衰减程度较小、衰减程度较大。如图2所示

本发明的工作原理如下：

本发明中在螺旋微带结构的金属接地面蚀刻出弧形的缺陷环，从而影响微带线的分布电容和电感，进而改变微带线的整体传输特性。弧形缺陷地结构单元扰乱接地面上传导电流的分布，进而改变传输线的特性，实现了对信号衰减强弱的控制，弧形缺陷地的存在使得地面不完整，缺陷地结构提高了介质的有效介电常数，同时改变了电流的分布。正是这些差别使得不同的螺旋微带结构产生不同的陷波。当电流通过弧形结构的时候，由于弧形增大了电流的流经路径，使得电磁波的频率降低改变了谐振点的频率。

本发明能够应用于如下环境：

1)低廉物品的运输和管理

通过无芯片RFID电子标签在物品的存储和流通过程中建立可追溯系统。把电子标签直接附着在物体的表面，对电子标签的编号建立数据库，使物品拥有完整的身份信息，在储藏和运输的过程中可以直接通过射频识别系统清楚的获知物品的坐标位置、身份信息、储藏记录以及运输信息等

2)体积较小的元件的追踪监控

通过无芯片RFID电子标签在元件的工作状况中建立可追溯系统。把无芯片的RFID电子标签直接嵌入体积较小元件的内部，对电子标签的编号建立对应数据库，使元件的具体信息与电子标签的编码一一对应，在不破坏整体结构的基础上对体积较小的元件进行追踪监控。