毕业设计（论文）-无芯片RFID电子标签的设计
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毕业设计（论文）-无芯片RFID电子标签的设计,芯片,rfid,电子标签,设计
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毕业设计论文外文资料翻译系别电子信息系专业通信工程班级姓名学号外文出处中国电子商情（RFID技术与应用）附件1原文；2译文2013年03月无芯片标签，下一个RFID前沿1引言射频识别（RFID）的概念在十年前已被引入了许多1，但在长期的RD和新的应用程序2中，它仍然非常具有吸引力。今天，RFID被看作是一项非常有利的技术，它根据考虑成千上万的应用程序而涵盖了种类繁多的领域，其中包括身份证明文件，安全性，访问控制，公路收费，售票，制药，物流，制造，赌博等。由于其相对较低的成本和大通讯距离，被动（即无电池）UHF标签变的非常有前途。世界各地都在考虑成本，效率，可靠性，安全性，和标准这几组3关键问题。为了保证互操作性、低成本和数据安全的要求，研究无源标签特别是UHF标签，已经迫在眉睫。因为有三个全球频带，互操作性变的非常必要。粗略地说，操作系统频段欧洲865869MHZ，美洲和美国902928MHZ，中国，日本和亚洲大部分地区952954MHZ4。互操作性要求发展高效率的小型化天线能够覆盖三个RFIDUHF频段。隐私高度依赖于包含在RFID芯片中的数据安全性。今天，不同的微电子技术可用于制造RFID芯片CMOS，ASIC和EEPROM是最著名的例子4，5。在第二次世界大战期间，IFF6（识别朋友或敌人），就是盟军使用的密码系统上的敌我识别应答器，是第一个RFID的应用。在今天的RFID芯片上标签的加密技术通常是可取的，可以实现在许多应用程序中。然而，标签上的加密费用仍然是高昂的，它违反了应用程序的要求，如电力或成本限制7。第三个问题涉及到标签的成本。除了RFIDIC和天线的成本，标签的成本将取决于制造工艺之间的连接天线和IC的RFID芯片。即使在天线降低成本、使用成本低的基材和至少一部分的天线的油墨印刷8方面已经取得了很大的进展，天线和RFID芯片之间的互连端口仍然需要更好的可靠性9，10。为实现更好的数据安全性和低成本目标，一种解决方案就是考虑无芯片。最近有很多无芯片RFID的设计在微波地区的文献报道。微波标签与RF标签光学条形码相比，在较长的范围内具有明显的优势，并且容易通过常规的光刻技术来制造。许多实验室正在开发中，这是一个非常有趣的方法。在这篇文章中，我们讨论了不同的方法及几款UHF标签的设计。第2节讨论传统的基于RFID芯片的标签。第3节是专门介绍和讨论RF和太赫兹无芯片的可能性。某些新提出的结构的仿真结果也将被报道。2传统的RFID标签如今，超高频射频识别（RFID）技术由于其巨大的潜力，使得工业和学术机构对其产生了很大的兴趣而在跟踪研究。这就是为什么UHFRFID标签的高性能、低成本的设计是一个非常活跃的研究领域。在过去的10年中，UHF标签成本一直相对较低。然而，这项技术在高容量的部署方面，标签成本仍相对较高。这是一部分的情况，但它不是唯一的的原因。事实上，如果我们在考虑的情况下，HFRFID，人们看到的这样的标签就制造工艺、技术和原材料，都比较接近UHF标签。这些标记也由硅芯片和金属带用于与读写器进行通信，并且因此，这些标签的（UH和UHF）的成本是可比。HF标签用于短程应用程序。但是，如果我们考虑大众市场，尽管这是真实障碍（维修或处理的原因，一般是能够更好地在一个特定的区域参与远程读取所有标签），HF标签在这个部门仍然是最复杂的。除了技术，这样做的原因是不经济的（标签的价格是可比的）。事实上，在现实情况中，HF标签比UHF标签更强大。这对最终用户具有极其重要的影响没有初步测试，独特的高频标签可以使用一个非常了不起的数字对象。例如，在实践中，不管对象包不包含金属，只要其被放置标记，在RFID系统的操作就不被干扰。在超高频的情况下，环境（被放置标记的对象，相当于紧闭的环境）中标签的特性将受到很大的影响。特别地,当标记被放置在为它专门设计的不同的环境中，该系统的性能将迅速损坏，因而这种技术的潜力是有限的。一般的观察可能会导致一个跟踪对象既没有相同的电磁特性，也不在相同的几何尺寸内。此外，考虑到新的应用程序的趋势，预期的标签将被直接集成在对象本身。事实上，有趣的是，在其不同的制造工序，而且在整个供应链，它都是效仿的对象。基于折叠偶极子天线和电流环（匹配和近场的考虑），天线的设计方案停留在纯粹的经验设计方法的基础上。我们开发了一种新的设计方法，在其中，用户要求参加天线的设计。在古典方法中，该天线拓扑还没有被定义。原始拓扑结构的天线是根据限制条件自动生成并选择的。图1给出了一些示例。这种做法并不能简单的由已经选择的拓扑结构优化，也要从头到尾考虑天线的设计。我们的方法结合了通用软件（例如，MATLAB）的专用软件EM模拟（例如，ANSOFTDESIGNERR）。这两种类型软件整合的主要动机受益于数据处理非常广泛的面板功能（例如功能优化），以及强大且非常通用电磁仿真器。所有的命令都受控于MATLAB，这使得这种方法非常灵活。因此，设计人员可以避免繁琐的参数化这些手动重复的任务。基于遗传算法的概念，我们使用一个优化的过程（GA），以满足在设计过程中受设置的限制。优化包括一个迭代过程，根据所施加的限制，其中首先生成该天线的形状，然后模拟和精细评估其性能。因此，在迭代过程中，天线的形状变化遵循一个渐进的原则。一直重复直到满足天线设计，做到项目规范（尽可能地好）。这种非常灵活的方式使人们在整个过程中，通过考虑不同的问题在特殊的物理环境中设计标签变为可能11。图1自动天线设计的实例（1）不对称（2）对称（3）扇区化方法（虚线蜿蜒区）3无芯片解决方案针对于超低成本的RFID应用程序，无芯片RFID是RFID技术的一个新领域。然而，它目前受限于未经授权的无线电频带。在本节中，我们提出了不同无芯片的解决方案，包括考虑更高的频率这种非比寻常的方案，即太赫兹领域。31无芯片方法市场上最热门（同样也最畅销）的是无源标签。该系列标签已经取得了巨大的增长，但单位成本仍然很高，阻碍了它们的发展1。这就是为什么无芯片标签（无芯片）会出现，且使得大规模降低成本与自动识别中心的建议并存成为可能。除了芯片价格之外，该方法还可以降低芯片组装成本。这些元素占传统标签价格的一半以上12。无芯片标签，也称为“RF条形码”，通常用具有低成本的电磁反射或吸收的材料制造。无芯片标签相比于被动式标签一般具有以下特点1低成本，小于5美分量；2非接触式，短距离小于1米；3更高的可靠性热学和力学行为。然而，这些优点应该平衡于有限的存储容量（几十位）和这些设备的非可重写特性（只读标签）。另一个缺点是阅读器的成本，相比之下，可能高于以芯片为基础的阅读器的成本。无芯片标签是根据不同的途径由不同的家庭组成。最有希望的是基于1声光性能的材料，对表面声波（SAW）更精确13。这种方法已经商业化，是目前为止最成熟的无芯片RFID技术；2印刷有机晶体管。这项前瞻性的做法，主要是基于相同原则的无源RFID14；3射频在被动微波集成电路中的电磁性能1521。这种方法是非常有前途的，但仍处于发展阶段。现在的问题是究竟如何采用超低成本无源射频器件对信息进行编码信息编码的原则包括编码标签的识别号码，在该原则的基础上产生一个明确的时间或频率足迹。有几种方法来对二进制数据进行编码。两个易于实现信息编码的方法包括1给定一个时间或频率（如通断键控（OOK）的调制方式）去定位一个特定的信号，存在或不存在都是众所周知的；2测量两个特征信号之间的间隙（在时间或频率）（如脉冲位置调制（PPM）。信号是一般可以使用编码信息的幅度或相位的电磁波。在时域，设备的设计建立在不连续性的信号反射概念的基础上。这个不连续性，可以通常是由于几何构型（微波的方法）或介质（光纤的方法）的变化形成的一个粗略的的过渡线。为了对获得一个特定的脉冲之间的时间间隙信号的信息进行编码，有一个简单的方法就是在不同的距离放置大量的不连续的信号。这些不连续点，可以容易地实现本地化15或分发16在放置在传输线中的电容中。在频域，也能够通过考虑后向散射波频率的幅度变化对信息进行编码。通过将谐振元件附近的传输线17,18或通过利用网络的谐振频率的偶极子19，20可以将这些工作完成。一些研究已经表明，通过相波的变化21，22对信息进行编码是特别有趣的。这些设备的很大的优点是，它们可以被制造在低成本的电介质基片的顶部上。然而，它具有相当低的数据容量和尺寸（约十分之一平方厘米）。二维结构的引入可以解决这些限制。我们还认为，前面介绍的这些不同的原则可以被转移到更高的频率，以提供更大容量的微型标签解决方案。几年前，基于全息原理的装置23已被研究。为了读取信息，这样的解决方案需要成像技术。32RF无芯片做振幅的方法，一种是调谐到某些预定频率的带通或带阻滤波器被用来表示为19中给出的数据的微带偶极子阵列。另一种方法是使用电容调整分割微带谐振器。这里，偶极阵列的每个元素的电容变化都是通过改变在该中心的分割尺寸来获得所期望的调谐20。上述两种是基于目标的双站S21测量技术。由于多径效应，相互耦合，这些方法存在一定的困难，要求大带宽和很少数量的数据位。PRERADOVICETAL提出了一个完全被动的同时使用振幅和相位的光谱特征的无芯片RFID系统17。该系统使用了对正交极化的双波段天线，该天线用于发送和接收的信号具有很宽的带宽。一种多谐振器电路是用来编码从天线发来的多频率编码器的信号。通过改变每个螺旋谐振器的尺寸改变对应的频率。但在实际情况中，它已被视为是否保持良好信噪比的依据。此方法需要一个用于执行振幅和相位的信号来参考。MUKHERJEEETAL22基于该相位提出了一种方法，即反应终止的标签天线的频率特征。一个基于LC梯形的微带用来编码相位比特频率分布。各种完全可打印的无芯片RFID标签成本的降低，也可在文献中找到。喷墨打印的8位标签已在16中被实现。此方法是使用一个与电容不连续的传输线采用SMT（表面山科技）技术来实现。根据电容器是否连接或没连接到传输线上，决定是有反射或无反射。这个想法被用到了代码数据中。INKSURE技术提出了一个易于打印的基于RFID标签的SAR，它有一只脚的阅读范围24。考虑到标签中元素之间的衍射效应，后处理工艺用在已经接受的数据中，以增加数据的准确性。不过，即使是上述所有的技术，唯一的商业成功的无芯片RFID系统是RFSAW开发的基于表面声波波（锯）的技术13。为了产生声波，声表面波装置使用了压电材料。当一个振荡电场被施加到压电声波传感器中，将会创建声波，并通过基板传播。这是再转换回电场。因为不连续性，反射波被修改时可以进行分析，以获得所存储的信息。SAW标签是最具成本效益的大容量的数据存储装置。虽然，SAW标签的功能完全正常，可替代缺口的标签，但由于其压电性质不提供完全可印刷溶液。因此，他们不能适用于低成本的基材，如纸张。这进一步加剧了所有可打印的和紧凑的具有大容量数据存储能力和较小带宽分配的RFID频段内工作标签的需要。我们正在向所有可打印的紧凑型RFRFID标签设计迈进。举一个例子，一个两比特的无芯片RFID标签已经在相位上的变化的基础上进行研究。通过以下方式可以获得不同拓扑结构的反射的相位变化元素。根据该标记存在或不存在，相位的反射波会改变。图2示出的是反射信号的相位。从图中可以看出，由于电流分布的变化，大的显著的相位变化产生在各种配置反射元件中。有趣的是，由于电流分布的变化也有不同的共振（图3），这是显而易见的。此数据也可以用于仔细检查接收到的信息。图2与不同的码对应于不同的配置的相位变化图3不同的配置的共振变化33建立太赫兹无芯片如前所示，表面信息将被已被射频信号读取的射频结构展开。在这部分，我们讨论了不同的RFID方法,它的信息具有多层结构，多层结构的尺寸将与太赫兹（THZ）频率兼容。在这种情况下，以数量编码的信息将会被太赫兹信号读取。用户将在他的控制内有三种处理已记住信息的可能性一种是使用射频识别信号标签的表面标记，一种在体内，或两者都标记。这后一种解决方案带来了更好的灵活性和更好的保护数据的可行性。这一系列的新标签构成了强大的通信对象，并确保了最佳的管理能源，因为它们是反射基础上的无源器件。此外，他们的被动的特征使他们不能被伪造，除非被授权，否则在他们体内的太赫兹编码信息无法被读取。它可以通过不同的途径来编写THZ信息。这样就可以实现使用多层结构的频率签名的时间响应。事实上，由于介质材料依靠其自身光学特性（介电常数和磁导率）的阻抗特性（在THZ域）使得频率系数会出现在每一个结构的接口上，然后由脉冲源发射的电磁（EM）信号就会被部分地反映在各接口的多层结构上，其产生回波时间延迟和幅度取决于每一层的几何和光学性质。反过来，一个检测器读取一个在时域上被编码的标记信息的时间签名。只要入射波的脉冲持续时间小于它后面和更薄层内的第4行驶时间，读者就能够检测到两个连续的回声。考虑到这一点，使用源必须产生一个脉冲信号与脉冲持续时间不大于几十飞秒的1毫米厚的标签。对于这样的标签，系统需要太赫兹源。尽管如此，即使太赫兹源提供了一个连续信号（CW源），它仍然可能得到有关下列内容的具体标记信息。事实上，通过整个多层结构反射的总EM是整个反射波的总和，且已在各界面反射。由于这些反射波具有相同频率不同量的特点，只要多次反射依赖于CW入射波频率的相对相移，反射波的总强度就会受到这些相移反射波的干扰。一方面，表现在标签的几何和光学性质，另一方面，表现在一个CW源的频率扫描，其涉及特定强度调制的总反射（或发送）电磁波。反过来，一个检测器读出的光谱特征在频域中的标签信息将进行编码。下面我们提出一些通过这后一种方法得到的结果，更具体地说，它是如何可能用一个简单的RFID无芯片标签在太赫兹领域的多层结构重的几比特进行编码。下图4中研究的是太赫兹标签，它是将非磁性介质放置在一个定义良好的秩序中，以确保三个不同的用来精确识别标签及其信息的功能。堆叠的层A和B的周期性布拉格反射镜是众所周知的。这种周期性结构具有传输系数，它取决于入射信号的频率。图4太赫兹无芯片标签结构的原理图图5一个来自不同缺陷层厚度的THZ标签的TEM平面波的透射系数和相位虚线如该图5所示，如果发送它的波长被限制在一定的带宽内，其光谱特性（拒绝电平，位置和宽度）取决于每个周期性层叠层上的电介质和几何特性的A和B，则布拉格反射镜可以防止传入波通过该结构。布拉格反射镜是一个1D光子晶体，呈现出光子带隙（PBG），可实现光谱信息。事实上，引入嵌入两个一维光子晶体的层C（缺陷层图4），一个创建了具有与频率相关的反射率的法布里PEROT腔25，因为这个带宽分离了两个依赖于缺损的光学长度的连续传输峰。因此，在PBG里要么没有要么有几个峰出现。然后，透射峰的存在或不存在，被称为缺陷模式，其用来编码信息。例如，我们认为图4中的多层结构，制定了一个THZ标签，其光谱特征提供了一个无方向的依据无论其相对的方向如何，阅读器必须识别标签。为适应RFID的应用需求，
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