潘凌楠1，吴成玲1，胡芳仁1, 2

　　(1.南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京 210046；2.南京邮电大学Peter Grüenberg中心，江苏 南京 210023)

　　摘要：针对基于声表面波技术的射频识别系统工作原理，提出利用COMSOL软件进行ZnO单晶材料射频波标签特性研究，进行多物理域耦合建模与仿真。提取出符合声表面波特性的模态图，得到正特征频率和反特征频率分别为268 MHz和275 MHz。通过对特征频率的仿真分析，计算ZnO单晶的相速度达到2 715 m/s；通过频率响应分析，画出标签位移与频率之间的关系图，获得了标签的幅频特性；最后讨论脉冲幅度编码对回波脉冲的影响。

　　关键词：ZnO单晶；声表面波；射频识别；标签

　　射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是通过无线电信号查询目标并读取相关数据的一种通信技术，查询系统与待测目标之间不需要直接接触就能识别［1］。主要通过无线射频信号空间耦合作用实现传递并获取识别对象的相关数据。声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)标签属于无芯片电子标签，它将接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播，具有适应恶劣环境、无源、识别距离长、批量生产成本低等优点,与如今的IC电子芯片标签有良好的互补性。目前，SAW 标签广泛应用于高速公路智能收费系统、车辆防盗识别、货运管理网络系统、供应链管理等方面。

　　ZnO单晶由于其光电耦合系数高、温度系数低且廉价易得等特性，备受国内外研究机构的关注。但目前国内对于ZnO单晶研究却少有报导。

1工作原理

　　1.1SAW射频识别原理

　　图1SAW射频标签工作原理SAW射频识别系统由阅读器、声表面波标签以及终端的数据处理系统这三部分组成。其中声表面波标签由压电基底以及沉融在基底上面的标签天线、反射栅和叉指换能器组成。其工作原理如图1所示，标签天线接收到阅读器发射的查询信号后进入叉指换能器，由于存在逆压电效应将电信号转化为声表面波信号在ZnO单晶上传播，经过反射栅时由于反射形成回波信号［2］，回波信号再次经过叉指换能器将正压电效应转换为脉冲回波信号发射给阅读器。反射栅排列不同反射的回波信号也不同，所代表的标签信息也就不同。

　　特征频率是声表面波标签这种器件的主要参数，这个频率即阅读器发射射频查询脉冲的频率。当查询信号频率与标签的特征频率相等时，此时转化的声表面波效率也最高、标签的插入损耗也最小［3］。因此阅读器可通过查询特征频率来达到检测不同标签的目的。本文利用COMSOL软件有限元方法研究影响ZnO单晶射频标签的频率特性。

　　2二维模型结构建立

　　叉指换能器（Inter Digital Transducer,IDT)由周期性排列并与汇流条交替连接的多对电极构成。由于声表面波主要集中在基底表面传播［4］，能量也集中在表面附近。为减少仿真计算量并且确保仿真的精度，将周期性排列的叉指换能器简化成由一对电极组图2射频标签二维模型

　　成［5］。简化后的标签二维模型如图2所示。基片材料为ZnO单晶,取向为（0001），IDET采用金属铝电极。假设设计波长λ为10 μm,叉指换能器电极宽度a为2 μm，电极高度h为0.2 μm，两个电极中心间距p为5 μm，模型边界［6］如表1。表1射频标签的边界条件边界ΓTΓBΓL,ΓR机械边界条件自由固定自由电学边界条件零电荷零电荷周期性边界条件

　　2.1特征频率研究

　　利用上面设计的尺寸建立模型后,在consol模块里选择特征频率处理器求解标签特征频率。由于叉指换能器的电极效应，仿真过程中可以提取到两个符合声表面波振型的特征频率,定义为正特征频率fsc+和反特征频率fsc-［7］。由图3对称模态图和反特征模态图可以看出对应的声表面波正特征频率fsc+为268 MHz ，反特征频率fsc-为275 MHz，并且发现振幅从上至下逐渐减小，同时发声表面波只在基片表面1~2个波长深度内传播，符合声面波传播特性。

　　利用式（1）可计算出ZnO单晶的声表面波相速度v=2 715 m/s，根据声表面波器件工作原理可知，由图4振动位移图可以看出，当外界查询信号的频率等于标签的特征频率268 MHz 时，此时声表面波的振动位移达到最大。

　　veff=p×(fsc++fsc－)(1)

　　2.2反射栅设计

　　本文选择金属铝作为反射栅材料，脉冲幅度编码利用有无设置反射栅代表编码的1和0。反射栅排列方式不同意味着标签携带信息编码方式不同。当声表面波传送到反射栅，由于反射和透射产生延迟，导致回波信号编码信息不同，从而可以识别不同标签信息［810］。假设阅读器发射一个查询脉冲持续时间为to,载波中心频率为fo。在叉指换能器IDT金属铝电极上加载随时间变化的电压，分别为sin(wt)rec(t)和sin(wt+π)rec(t)，幅值为 1 V。其中：rec(t)=1(0<t<t0)。当波长λ为10 μm，由上面仿真出来的特征频率为268 MHz，波速v为2 715 m/s。为了模仿识别标签信息，设置110110和111011两种不同反射栅编码标签模型，由图5可以看出脉冲间隔时间为20 ns，

　　图5不同反射栅编码对应不同的回波脉冲相比发射的查询波展宽了一倍，实际上回波脉冲在反射栅传播时经历反射叠加造成回波脉冲的延展。制作标签时可通过在标签两边添加吸声材料减少此延误。

3结论

　　本文利用COMSOL软件中有限元仿真模块进行ZnO单晶射频波标签特性研究，进行多物理域耦合建模与仿真。提取出符合声表面波特性的模态图，并计算出声表面波在ZnO单晶传播的相速度v=2 715 m/s，特征频率为268 MHz。由于SAW集中在ZnO单晶表面1~2个波长范围内传播,要使其激发出的声表面波振动位移达到最大，外加的查询信号频率应与其标签的特征频率相等，才能符合声表面波的特性。通过对射频标签反射栅的仿真设计，进而可以简单明了地识别标签。上述实验结果表明了仿真研究的有效性，可以为实际制作射频标签提供参考。

参考文献

　　［1］ 刘男男，李阳，李亚楠. 基于RFID的医疗器械智能控制系统设计 ［J］.物联网技术，2015（1）：7577.

　　［2］ 温兴辉，陈伟，钱雯雯，等.基于射频技术的电动自行车智能防盗系统 ［J］.微型机与应用,2014,33（10）:2729,32.

　　［3］ 高山,杜秀丽,李晓伟，等.基于射频识别技术的温度监测系统［J］. 微型机与应用,2014, 33（20）:8082.

　　［4］ 黄鑫，陈智军，阮鹏，等．声表面波标签的仿真与实验研究［J］.中国机械工程,2014，25（5）：651656.

　　［5］ 何明，梁文辉，陈国华，等．基于多视图的信息物理融合系统体系结构研究［J］. 计算机工程与应用，2013，49（12）：2531.

　　［6］ 姚恒斌，胡芳仁，吴成玲. ZnO单晶声表面波谐振器传播特性的研究 ［J］.压电与声光，2015，37（4）：550553,557.

　　［7］ PLESSKY V P,REINDL L M. Review on SAW RFID tags［J］. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2010,54(7):654668.

　　［8］ 卢旭，陈智军，黄鑫，等．基于COMSOL的声表面波标签仿真［J］.压电与声光,2012,34（4）：494497.

　　［9］ 钱莉荣，杨保和．ZnO薄膜/金刚石在不同激励条件下声表面波特性的计算与分析［J］.物理学报，2013, 62（11）：468479.

　　［10］ 宗子轩，谌海云，吉宁，等．物联网和SCADA系统的发展、现状与展望［J］.物联网技术，2014（12）：6164.