廖同慶 ，張帆 ，沈國(guó)浩,3

（1 安徽大學(xué)，計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230039；2 炮兵學(xué)院，合肥 230031；3 蚌埠學(xué)院，蚌埠 233000）

0 引言

射頻識(shí)別（RFID）是從20世紀(jì)90年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是基于雷達(dá)原理的高頻微波反向散射耦合, 即讀卡器發(fā)射出去的電磁波, 碰到目標(biāo)標(biāo)簽后反射, 同時(shí)攜帶回來(lái)標(biāo)簽上的目標(biāo)信息。IC芯片的RFID系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛使用，但以IC芯片為主要特征的RFID在有金屬物體、液體、高溫、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中時(shí)，其信息讀取難，而聲表面波RFID以聲表面波（SAW）器件為核心，不但在上述環(huán)境中信息讀取相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，而且克服了IC芯片工作時(shí)要求直流電源的缺陷。此外，聲表面波器件的引入使識(shí)別系統(tǒng)性能得到了很大的提高，識(shí)別距離將超過(guò)十米，非常適合于車輛不停車收費(fèi)識(shí)別系統(tǒng)、路標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)、鐵路車輛車號(hào)識(shí)別以及列車準(zhǔn)確?？靠刂频认到y(tǒng)[1-2]。

由于受標(biāo)簽尺寸的限制，聲表面波標(biāo)簽還不能應(yīng)用于零售等小物品的識(shí)別上。因此，如何使標(biāo)簽小型化日益引起研究者的關(guān)注。

如圖1所示，無(wú)源聲表面波標(biāo)簽主要是由天線、壓電基片、叉指換能器和反射器組成，叉指換能器的兩條總線與標(biāo)簽的天線相連接。通常用LiNbO3、LiTaO3或者石英作基片，電極結(jié)構(gòu)是用光刻法完成的，如在微電子技術(shù)中生產(chǎn)集成電路時(shí)使用的方法一樣[3]。因此，標(biāo)簽的整體尺寸主要由壓電基片與天線的尺寸決定。

圖1 SAW標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu)

1 壓電基片的選取

對(duì)于聲表面波器件，選用合適的基底材料會(huì)大大改善器件的特性，如獲得更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，能承受更大的機(jī)械載荷，更高的溫度。所以基底材料是聲表面波器件性能的一個(gè)決定性因素。目前SAW器件應(yīng)用的壓電材料種類很多，但能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的壓電晶體還很少，常用的是石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等[4]。

鈮酸鋰(LiNbO3)是鐵電體，用提拉法生長(zhǎng)，是一種多功能晶體材料，不僅用于聲表面波器件，還用于光學(xué)器件和微波傳感器等器件中。鈮酸鋰由于居里溫度很高，壓電耦合系數(shù)優(yōu)異，在超聲波器件中很有吸引力[5,6]。石英由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，是設(shè)計(jì)壓電器件中最常用的材料。用水熱合成法生長(zhǎng)α-石英晶體的技術(shù)已經(jīng)很成熟，商用石英基片質(zhì)量高，價(jià)格合理，每批每片石英材料的性質(zhì)變化非常小。已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道了鈮酸鋰、石英足夠精確的各項(xiàng)材料常數(shù)，這使得我們能夠精確地模擬器件的特性。因而，我們研制的無(wú)源聲表面波標(biāo)簽選用基底為最常用的鈮酸鋰和石英晶體。

用COMSOL3.3作為仿真工具，對(duì)以石英和鈮酸鋰為壓電基底的聲表面波延遲線做仿真，主要目的是模擬相同尺寸，相同叉指下，壓電基體為不同晶體以及相同晶體不同切向時(shí)，聲表面波的性質(zhì)。為了節(jié)省計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，利用對(duì)稱性，只需模擬器件對(duì)稱的一半，如圖2所示。采用的壓電基體尺寸為：長(zhǎng)200μm，寬80μm(圖2中所示為一半寬度)，高80μm；有兩對(duì)輸入叉指和輸出叉指，叉指材料為鋁，長(zhǎng)70μm(2圖中所示為一半長(zhǎng)度)，寬10μm，叉指間相距10μm，輸入叉指對(duì)和輸出叉指對(duì)最近距離為40μm。在此模型中，我們忽略叉指厚度和質(zhì)量。為了得到更精確的網(wǎng)格質(zhì)量，我們采用人工劃分網(wǎng)格的方法， 圖3為劃分結(jié)果，網(wǎng)格單元5565個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1429個(gè)，自由度為37400，叉指區(qū)域網(wǎng)格最密，基體上表面次之，有上而下漸疏，這樣，可以較好地解決計(jì)算質(zhì)量和計(jì)算時(shí)間之間的矛盾。

圖2 聲表面波延遲線有限元幾何模型

3 有限元分析中的 網(wǎng)格劃分

為了節(jié)省計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，在輸入叉指換能器上輸入頻率為100MHz的交變電壓f = 100MHz，t=100ns。在輸出叉指換能器上獲取輸出電壓，如圖4所示。

圖4 壓電基底為不同晶體及相同晶體不同切向時(shí)輸出叉指上的電壓

由圖4可知，壓電基體為YZ-LiNbO3和XYLiNbO3的輸出叉指上的電壓可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到比較平穩(wěn)的狀態(tài)，XY-LiNbO3的輸出叉指上的能量轉(zhuǎn)換效率最高。高的頻率穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率，使聲表面波標(biāo)簽具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)，從而減小壓電基片尺寸。

因而，我們最終設(shè)計(jì)并加工制作的標(biāo)簽如圖5所示，以XY-LiNbO3為壓電基底，基片長(zhǎng)度為10mm，每個(gè)標(biāo)簽上刻寫八根反射條。圖5（b）所示的標(biāo)簽實(shí)物圖反面的四根腿，兩邊的兩根起固定作用，中間的兩根則與貼片天線的饋電點(diǎn)相連接。

圖5 標(biāo)簽的實(shí)物圖

2 標(biāo)簽天線的小型化設(shè)計(jì)

標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)主要考慮的有：工作頻率和帶寬，天線的物理尺寸，天線的阻抗匹配，天線的增益等。受標(biāo)簽尺寸及價(jià)格的限制，一般的天線類型如喇叭天線，螺旋天線，反射面天線等都不適用于設(shè)計(jì)成標(biāo)簽天線[7,8]。在IC卡標(biāo)簽中廣泛應(yīng)用的線圈天線，是一種利用線圈之間的電磁耦合來(lái)傳送信息的近場(chǎng)天線，線圈天線工作頻率小，一般在低頻到高頻之間，且作用距離在一米以內(nèi)，因而也不適宜應(yīng)用于聲表面波標(biāo)簽上。與線圈天線不同，印刷天線利用電磁波的反向散射來(lái)相互傳遞信息，是一種工作在超高頻和微波波段，工作距離可達(dá)到10m以上的遠(yuǎn)場(chǎng)天線。此外，印刷天線還具有剖面低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，非常適用于制作各種類型的標(biāo)簽天線[9、10]。

考慮到天線的成本和應(yīng)用，根據(jù)要求選擇的介質(zhì)材料為厚度1.6mm、介電常數(shù)4.5、損耗角正切tan delt=0.018的軟質(zhì)PVC板。天線的輪廓由厚度為0.018毫米的鋁貼片制成?；谫N片天線理論并使用ADS軟件進(jìn)行相應(yīng)仿真后，制成的小型化印刷天線結(jié)構(gòu)如圖6所示（天線的實(shí)際尺寸僅約為3*4cm）。用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測(cè)得的天線隨頻率變化的回波損耗如圖7所示。

圖6 印刷天線實(shí)物圖

圖7 天線的回波損耗

在天線滿足通信系統(tǒng)所要求的回波損耗小于-10dB的要求下，天線工作的中心頻率為2.5GHz，帶寬在2.40240～2.59960GHz，完全滿足天線設(shè)計(jì)時(shí)所需要的頻率和帶寬要求。

3 結(jié)論

為了減小聲表面波標(biāo)簽的整體尺寸，本文仿真模擬了相同尺寸，相同叉指下，壓電基體為不同晶體及相同晶體不同切向時(shí)聲表面波的性質(zhì)，為選擇高的頻率穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率基底材料提供了依據(jù)。從而使聲表面波標(biāo)簽具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)，減小壓電基片的尺寸。設(shè)計(jì)了一款小型化貼片天線，測(cè)量驗(yàn)證了這款小型化天線完全滿足聲表面波射頻識(shí)別的需要。

[1]Plessky, V.P.GVR Trade SA, Bevaix, Switzerland, “Review on SAW RFID tags” Frequency Control Symposium, 2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum.IEEE International,2009, Besancon,20-24：14 – 23.

[2]王玉林，曹金榮，前鋒，等.聲表面波射頻識(shí)別無(wú)源電子標(biāo)簽[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2007，27(1).

[3]P.V.Nikitin and K.V.S.Rao, “LabVIEW-based UHF RFID tag test and measurement system”,IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009，56（7）：2374-2381.

[4]蓋學(xué)周.壓電材料的研究發(fā)展方向和現(xiàn)狀[J].中國(guó)陶瓷，2008,44(5).

[5]張軍，韓勝元，盧貴武，夏海瑞.鈮酸鋰晶體電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)計(jì)算[J].中國(guó)激光，2007，34(9).

[6]陳曉莉，王培吉.對(duì)晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)中輸出光波曲線特性的理論分析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(1).

[7]鮑爾IJ，布哈蒂亞P.微帶天線[M].梁聯(lián)倬，寇廷耀譯.北京：電子工業(yè)出版社，1985：132-147.

[8]李秀萍，劉禹.基于RFID應(yīng)用的小型化印刷偶極子天線設(shè)計(jì)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(5).

[9]Hung, K.F.and Lin, Y.C., “Novel broadband circularly polarized cavity-backed aperture antenna with traveling wave excitation,”IEEE Trans.Antennas and Prop., Jan.2010 ，58（1）：35-42.

[10]Amin Rida, Li Yang, Rushi Vyas, “Design and Integration of Inkjet-printed Paper-Based UHF Components for RFID and Ubiquitous Sensing Applications” Proceedings of the 37th European Microwave Conference October 2007, Munich Germany :724-727.