一种小型化的无芯片RFID电子标签的制作方法

本实用新型涉及无芯片RFID电子标签信息编码和体积结构领域，特别涉及到无芯片RFID电子标签尺寸的小型化，具体指一种利用物体的背向散射原理设计出有多个折叠C型缺陷环嵌套组成的C型缺陷谐振环以达到扩大标签编码容量，但是有效控制了标签体积编号的方法：应用于无芯片RFID电子标签的尺寸小型化。

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。

因此如何在提高无芯片RFID电子标签的信息容量的同时尽可能的控制标签的尺寸变化，以使得无芯片RFID电子标签拥有更为广泛的应用领域，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。而本实用新型正是针对无芯片RFID电子标签在提高编码容量的同时尺寸增大的缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于扩充无芯片RFID电子标签编码容量的同时控制标签尺寸的变化，是一种通过改变现有无芯片RFID电子标签的结构来扩充标签的编码容量同时有抑制标签尺寸的增大的方法，利用物体能产生背向散射的原理，设计出基于背向散射的C型缺陷谐振环无芯片标签。对于拥有多信号处理能力的散射体而言，其可以实现接收信号、信息编码和发送信号这三个功能。

为了实现上述目的，本实用新型的解决方案是，

一种无芯片RFID电子标签小型化的方法，其特征在于：基于背向散射原理的无芯片RFID电子标签，通过加入多个形状折叠的类C型缺陷谐振环结构，利用信号的频率和幅度特征实现缓和编码，在提高无芯片RFID电子标签的编码信息容量的同时避免了标签的尺寸的大幅变化，从而达到无芯片RFID电子标签的小型化。在该方法解决了针对扩充信息容量后的无芯片RFID电子标签的体积会明显增大的缺点。

一种小型化的无芯片RFID电子标签，其特征在于：实施例结构包括g1、 g2、g3、g4四个谐振结构，在平面内呈组合式的嵌套结构，其中，所述谐振结构g1、谐振结构g2半包围着所述的谐振结构g4，所述谐振结构g3由谐振结构 g1、g2的开路臂共同构成，所述谐振结构g1、g2处于外围，且各有一个短路端；这种新型结构在垂直极化入射波的照射下可以产生4个谐振点，并且分别由这4个谐振结构产生；对于所述四个不同的C型缺陷谐振环，它们的谐振频率点能够通过改变相邻C型缺陷谐振环之间的缝隙长度来单独控制。

附图说明

图1实施例嵌套式结构的无芯片RFID标签

图2实施例嵌套C型环结构标签的RCS仿真结果

图3实施例嵌套式结构标签仿真与测试结果比较

图4原C型缺陷谐振环结构

具体实施方式

本实用新型创新性的提出利用背向散射的原理设计出基于背向散射的无芯片RFID电子标签，对于拥有多信号处理能力的散射体而言，可以实现接收信号、信息编码和发送信号这三个功能，因此，标签的尺寸将远远小于利用频谱特性进行编码的标签。

在该设计中将原C型缺陷谐振环的结构(如图4所示)进行改进，在C型缺陷谐振环的两边添加开路臂，使得无芯片RFID电子标签在垂直极化方向上有更大的尺寸。这样不仅提高了反射信号的功率有利于阅读器读取该芯片的信息，同时获得了三种编码信息，分别是波峰谐振频率、波峰波谷谐振频率差和雷达散射界面RCS的大小。在本实用新型中同一个无芯片RFID电子标签里有多个 C型缺陷谐振环嵌套式结构存在，将物理尺寸不同的C型缺陷谐振环并行排列在同一个介质板上，使得无芯片RFID电子标签在不同的频率点产生谐振效果。对于折叠改变形状的C型结构而言，除了开路端和短路端引起的不连续之外，还有直角引起的不连续。C型缺陷谐振环结构在添加了开路臂后，对幅度信息进行编码，而多个C型缺陷谐振环组合的嵌套式标签，又进一步扩大了无芯片 RFID电子标签的信息容量。又由于折叠过后的C型环结构尺寸较小，这样就在扩充标签编码信息容量的同时避免了尺寸的大幅增加。

实施例1

本实施例无芯片RFID电子标签，结构为：包括g1、g2、g3、g4四个谐振结构，在平面内呈组合式的嵌套结构，其中，

所述谐振结构g1、谐振结构g2半包围着所述的谐振结构g4，

所述谐振结构g3由谐振结构g1、g2的开路臂共同构成，

所述谐振结构g1、g2处于外围，且各有一个短路端。

这种新型结构在垂直极化入射波的照射下可以产生4个谐振点，并且分别由这4个谐振结构产生。

对于所述四个不同的C型缺陷谐振环，它们的谐振频率点能够通过改变相邻C型缺陷谐振环之间的缝隙长度来单独控制。

具体参照图1，本实用新型设计新型的C型缺陷谐振环，当极化波垂直照射到嵌套结构上是，根据C型环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，嵌套C型环结构对不同频率的入射极化波有不同的衰减特性，因此会有不同的衰减程度的极化波被反射出来，然后阅读器在外部通过垂直接收到不同幅度的反射波。对于本实用新型所验证的由四个折叠的C型缺陷环嵌套组成的嵌套结构来说，在垂直极化入射波的照射下能产生四个谐振点，且分别由四个谐振结构产生。这样在该种标签中用到了三种信息进行编码，同时与短路偶极子结构和并列式结构组成的C型缺陷环结构相比，这种嵌套结构又是最小的，所以这种新型的嵌套的C型环结构在扩充无芯片RFID电子标签信息容量的同时也缩小了标签的尺寸。

本实用新型实施例的工作原理如下：

由四个折叠后形状类似C型环g1、g2、g3和g4组成，通过嵌套缩小面积，这些不同尺寸的折叠C型环由于短路臂结构(即：短路端)的不同，对入射极化波的影响也是不同的，当入射极化波进入C型缺陷嵌套结构的时候会在不同的频点产生谐振效果。又由于嵌套结构中有横向结构L(图中L所示)也有竖向结构 H(图中H所示)，可以把它看作是一个同时拥有开路端和短路端的传输线，其效果类似与一个四分之一的波长谐振器。传输线的边缘场近似为一个与横向尺寸相关的附加长度，影响着入射波的谐振频率点。同时谐振产生的波峰和波谷都具有良好的选择性，并且会随着结构特定参数的改变而发生改变，因此利用它们进行编码存储信息。

本实施例是对C型缺陷环结构进行创新性地嵌套组合形成C型环缺陷嵌套结构，所设计的C型缺陷谐振环单元如图1所示。对于该嵌套结构来说，在垂直极化入射波的照射下能产生四个谐振点，且分别由图1中的四个谐振结构产生。对于谐振结构g1、g2和g4，它们的谐振频率点都能够通过改变缝隙的长度来单独控制。图2中的曲线分别为改变长度L1、L2和L4，RCS(雷达散射截面积) 的变化情况。可以看出，每个长度都能够单独控制一个谐振点。而对于谐振结构 g3来说，它的谐振效果在很大的程度上受周围的感应电流的影响，所以无法单独控制。不过由于它的存在，有效地防止了结构g1、g2和结构g4之间产生耦合，确保了它们之间的独立性和可控性。

为了能够有效地编码，限定工作带宽为2GHz到5.5GHz之间。其中，最小频点由最外层谐振结构g1和g2的开槽长度决定，而最高频点则必须小于该谐振结构的第一高次谐波，防止高次谐波对其它谐振结构的谐振效果产生干扰。对于谐振结构g1，选择其谐振范围为2GHz到2.3GHz之间，带宽为300MHz；结构 g2的谐振范围为2.4GHz到2.6GHz之间，带宽为200MHz；结构g4的谐振范围为4GHz到5.5GHz之间，带宽为1.5GHz。对于标签的最大信息量，有公式：

其中对于第i个谐振结构，带宽为BWi，Δf为最小频率分辨率，p为谐振结构数，N为最大信息量。

实施例验证

对新型的C型缺陷嵌套结构基于背向散射的无芯片RFID进行验证，使用 FR4介质板制作了并列式结构标签和嵌套式结构标签(尺寸2cm*2cm，厚度为0.8mm)。两种标签的尺寸远小于基于频谱特性的标签。在微波暗室中，使用双脊喇叭天线对这两个标签分别进行测试。

图3是两种标签的测量结果。测试过程中使用的双脊喇叭天线的工作频率为 2GHz～3GHz，由图3的仿真结果可知，标签在2GHz到3GHz之间产生了两个谐振点，分别在2.19GHz和2.67GHz左右。而实际测试结果显示，在这两个频点处存在最大值，意味着两个频率的信号发生了谐振，这与仿真结果相符合。不过实际测量结果中，谐振产生的波峰和波谷并没有仿真的那么明显，造成这种情况的原因是由于制作工艺的误差，使得C型谐振环参数发生了变化，导致谐振的陷波发生了变化。

本实用新型能够应用与如下环境：

1)物流产品的运输追踪和管理

通过利用该种结构生产的小型化无芯片RFID电子标签粘贴在商品外包装的表面，在物流产品运输与存储的过程中建立可追踪的产品信息系统。把电子标签进行编号与产品一一对应建立相应的数据库，使每一个产品都有特定的标签信息，在存储和运输的过程中可以直接通过射频识别系统时刻监察产品的位置坐标、产品特性信息已经其他运输物流信息。

2)工业原件信息的追踪监控

通过利用该种结构生产的小型化无芯片RFID电子标签嵌入到工业原件的内部，在工业系统运行中对工业原件的工作信息建立可监控的系统。把电子标签进行分别编号与工业原件的身份信息和工作状态信息建立相对应的数据库系统，使工业原件的具体信息得以实时监控可以反馈原件的工作状态，这样可以对工业系统的工作状况进行实时的检测控制。