基于回波能量补偿的声表面波RFID芯片反射系数设计方法与流程

本发明涉及声表面波(saw)射频识别(rfid)
技术领域：
，涉及一种声表面波芯片的延迟线反射栅的反射系数设计方法，具体涉及一种具有回波能量补偿能力的声表面波电子标签芯片反射栅特征参数的设计方法。
背景技术：
声表面波rfid芯片是基于声表面波技术的射频识别电子标签的核心器件。声表面波电子标签因其rfid芯片不涉及传统ic型电子标签rfid芯片的载流子运动，具备了对高温、高压、辐射、强电磁干扰等恶劣环境条件的天然适应性，并且具有无源、无线、识别距离远、识别可靠性高的优势。声表面波rfid芯片通常由换能器(idt)和反射栅组构成。由于编码的需要，反射栅组通常设计由代表不同编码的多组延迟线型反射栅构成。因为rfid芯片的编码具有唯一性，所以其对应代表不同编码的每个反射栅也需要设计不同。由此而言，声表面波电子标签的id编码特点决定了对其rfid芯片版图有唯一性要求，因此每一副版图均需要对表征具体位置编码信息的反射栅结构特征和性能参数进行专门设计，特别是在直接关系到回波信号质量的各级反射栅的反射系数设计是一个难点：反射系数过小则会使该级反射回波信噪比下降，反射系统过大则导致后级反射回波能量不足，会降低后级回波的信噪比。由于上述各级反射回波之间的关联性，加之还要考虑到反射栅延迟线的结构特征，反射系数的设计需要进行大量繁琐的有限元计算、迭代仿真和验证的过程，不仅费效比太高，而且不利于芯片的批量化生产。为此，迫切需要寻求合适的反射系数快速设计方法，在其满足延迟线结构特征要求的同时保证各级反射栅具有较好的回波性能，以提高设计效率，获取较好的检测识别效果。如何设计确定反射栅的反射系数，使得能够补偿相应的传播损失和透射损失，以保证各级反射栅回波能量(幅度)的一致性，一直未能很好解决。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了一种基于回波能量补偿的声表面波rfid芯片反射系数设计方法，能够在满足延迟线结构特征要求的同时保证各级反射栅具有较好的回波性能，从而能够获取较好的检测识别效果，计算方法简单、有效。本发明的基于回波能量补偿的声表面波rfid芯片反射系数设计方法，包括如下步骤：步骤1，依据芯片设计要求，设计第一反射栅的结构特征，确定第一反射栅的反射系数和透射系数；步骤2，根据下式计算后一级反射栅的反射系数：其中，rn-1、rn分别为第n-1、n级反射栅的反射系数；dn为第n-1、n级反射栅之间的中心间距；sn-1为第n-1级反射栅的透射系数；gn为第n-1、n级反射栅之间的回波关联补偿修正系数；k为传播损耗系数；步骤3，根据第n级反射栅的反射系数确定第n级反射栅的结构特征和透射系数；步骤4，重复步骤2～3，直到完成末级反射栅结构设计。进一步的，所述gn取值为1.01～1.03。进一步的，还包括步骤5：步骤5，对设计的芯片进行仿真，获得芯片的频域响应和时域响应，判断芯片的频域响应和时域响应是否满足设计要求；若满足，则完成芯片设计，若不满足，则修正回波关联补偿修正系数，重复步骤1～步骤5，直到设计的芯片的频域响应和时域响应满足设计要求。有益效果：本发明针对脉冲位置编码方式的声表面波rfid芯片，建立了回波补偿数学模型，实现了基于回波能量补偿的延迟线反射系数设计方法，通过合理设计各级反射栅的反射系数以补偿前级反射栅的传播损失和两次透射损失，从而保证各级反射栅回波能量(幅度)的一致性。本发明可有效消除声表面波rfid芯片前级反射栅的传播损失和两次透射损失对后一级反射栅反射回波能量的影响，在满足延迟线结构特征要求的同时保证了各级反射栅具有较好的回波性能，获取了较好的检测识别效果，同时大幅提高了芯片版图的设计效率，有利于芯片的批量化生产制备。附图说明图1为本发明设计方法的流程图；图2为本实例芯片总体结构的示意图；图3为本实例回波补偿模型的示意图；图4为芯片结构示意图；图5为s11频域响应特性图；图6为时域回波(时域响应)特性。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本发明提供了一种基于回波能量补偿的声表面波rfid芯片的延迟线反射系数的设计方法，针对脉冲位置编码方式的声表面波rfid芯片，通过建立回波补偿的数学模型来指导设计各级反射栅的反射系数，其核心思想就是将后级反射栅的反射系数补偿前级反射栅的传播损失和两次透射损失，从而保证各级反射栅回波能量(幅度)的一致性，获取较好的检测识别效果。声表面波rfid芯片总体结构如图2所示，包括1个idt换能器及m个反射栅(r1～rm)。其中r1为起始反射栅，后续的m-1个反射栅为m-1个编码数据区，每个数据区有n个可选的位置时隙。因此合计编码容量为nm-1个。图2中，d1为第一个反射栅r1与idt间距；dn为后级反射栅rn与前级反射栅rn-1之间的隔离区宽度；dt为反射栅位置时隙宽度。本发明流程如图1所示，具体包括如下步骤：步骤一：依据芯片设计要求(阻抗、中心频点以及带宽要求)，设计起始反射栅(即第一反射栅)的结构特征(包括反射栅的指条数量、单根指条的宽度、两指条中心间距以及金属化比等)，并确定其反射系数和透射系数。步骤二：由于后级反射栅的反射系数要补偿前一级反射栅的传播损失和两次透射损失，可以依据下面的回波补偿数学模型确定第二反射栅的反射系数：其中，r1、r2分别为第一、二反射栅的反射系数；d2为第一、二反射栅的中心间距；s1为第一反射栅的透射系数；k为传播损耗系数，为常量，与衬底材质有关；g2为第一、二反射栅回波关联补偿修正系数。步骤三：根据第二反射栅的反射系数确定第二反射栅的结构特征(包括反射栅的指条数量、单根指条的宽度、两指条中心间距以及金属化比等)和透射系数。步骤四：依次根据前一级反射栅的反射系数和透射系数，按照回波能量(幅度)一致原则(后级反射栅的反射系数应补偿前级反射栅的传播损失和两次透射损失)，依据下面的回波补偿数学模型推算后一级反射栅的反射系数：其中：rn-1、rn分别为第n-1、n级反射栅的反射系数；dn为第n-1、n级反射栅的中心间距；sn-1为第n-1级反射栅的透射系数；gn为第n-1、n级反射栅回波关联补偿修正系数。步骤五：根据第n级反射栅的反射系数确定第n级反射栅的结构特征(包括反射栅的指条数量、单根指条的宽度、两指条中心间距以及金属化比等)和透射系数；步骤六：重复步骤四～五，直至完成末级反射栅结构设计；步骤七：仿真整个芯片的频域响应和时域响应，根据结果适当修正关联补偿修正系数。重复步骤一～步骤七，直至整个芯片的频域响应和时域响应满足设计要求。本发明回波补偿数学模型(公式(2))中充分考虑了前级反射栅的传播损失和两次透射损失对后一级反射栅反射回波能量的影响，通过建立回波补偿的数学模型以除去前级反射栅的传播损失和两次透射损失对后一级反射栅反射回波能量的影响。相比于现有设计方法，本发明方法所设计的声表面波电子标签芯片具有较好的回波质量和检测识别效果以及较高的设计效率。下面对公式(1)和公式(2)的推导过程进行详细说明：回波补偿模型的示意图如图3所示。由图3可知，入射能量e到达反射栅后通常会发生反射和透射两种行为。以第一反射栅为例，能量e1在行进到第一反射栅处反射回idt的回波能量为e1·r1，其在第一反射栅透射过去的能量为e1·s1。考虑到透射能量在行进到第二反射栅时经历的传播损耗与距离成正比，即传播损耗为k·d2，于是到达第二反射栅的能量e2为：e2＝e1·s1·(1-k·d2)(3)其中：e1为idt激发出的入射到第一反射栅的声表面波能量；e2为经过第一反射栅后入射到第二反射栅的声表面波能量；d2为第一、二反射栅的中心间距；s1为第一反射栅的透射系数；k为传播损耗系数。接下来，能量e2到达第二反射栅时反射回的能量为e2·r2，当该反射能量继续传播到达第一反射栅时考虑到传波损耗k·d2，于是经由第一反射栅透射后回idt的能量为e2·r2·(1-k·d2)·s1。由于仿真中经过了适当简化，忽略了声表面波在传播过程中的能量转换为体波所带来的少量损失，因此需要在回波补偿模型中加上前级、后级反射栅回波关联补偿修正系数gn来补偿体波能量的损失。为使第一反射栅和第二反射栅回idt的回波幅度一致，应满足如下等式：g2·e1·r1＝e2·r2·(1-k·d2)·s1(4)其中：e1为idt激发出的入射到第一反射栅的声表面波能量；e2为经过第一反射栅后入射到第二反射栅的声表面波能量；r1、r2分别为第一、二反射栅的反射系数；d2为第一、二反射栅的中心间距；s1为第一反射栅的透射系数；k为声表面波的传播损耗系数；g2为第1、2反射栅回波关联补偿修正系数。将(3)式代入(4)得：由于传播损耗可以通过实际器件的实验做粗糙估算(通常不超过1％/毫米)。于是(k·d2)2≈0，所以：同样以此类推得到第n级反射栅的反射系数：通常，可令g2＝g3＝…＝gn＝…＝g，根据实验结果通常将g取值为1.01～1.03。下面以128°yx-linbo3为衬底的922.5mhz声表面波rfid芯片具体实例作说明：芯片结构如图4所示，器件仿真计算输入参数如表1所示：表1器件仿真计算输入参数(波长4.18μm)指条宽度(μm)1.045反射栅组数量2指条间隙(μm)1.045反射栅1对数/波长9idt对数25反射栅1孔径/波长240idt孔径/波长240膜厚/波长0.016idt与栅1距离/波长966栅1与栅2距离/波长594考虑到要使反射系数对半宽度最不敏感，结合对起始反射栅的结构设计，可将起始反射栅的结构设计为9对开路指构成，孔径为240·λf，其中，λf为波长(4.18um)。反射系数设计为r1＝14％，其透射系数为s1＝0.98。由于第二反射栅的标称位置是：d2＝594·λf＝594×4.18μm＝2482.92μm因此第二反射栅在中心频率下的反射系数按公式(1)设计为：于是可以根据该级反射栅的反射系数，通过校核反射栅结构，将该级反射栅结构设计为16对开路指构成，孔径为240·λf。进一步根据该反射栅结构可以确定其透射系数。最后仿真整个芯片的频域响应和时域响应如图5和图6所示，反射回波的时延分别是：t1＝2.04μs；t2＝3.3μs。由时域响应可以看到，反射栅1、反射栅2的回波幅值基本相当，信噪比较好，达到了设计要求。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12