本發明屬于電子信息工程領域，具體涉及一種綁定物性的超高頻RFID安全標簽設計方法。

背景技術：

隨著物聯網RFID技術的普及，RFID系統的信息安全問題日益受到關注。目前，關于RFID系統信息安全，已發展形成了多項安全技術，解決了兩大類問題，即RFID系統信息傳輸、存儲中的數據安全問題和RFID標簽芯片的硬件防偽問題。其中，RFID數據安全可以通過密碼系統安全技術、訪問控制安全技術、秘鑰管理安全技術與安全協議管理技術等措施加以保障。RFID標簽硬件電路安全可以通過RFID芯片的物理不可克隆技術加以保障。

文獻【1】(B.Song,J.Y.Hwang,and K.A.Shim,Security improvement of an RFID security protocol of ISO/IEC WD 29167-6,15(2011),1375-1377)從RFID安全協議的角度分析RFID系統安全的問題。文獻【2】(L.Bolotnyy and G.Robins,Physically unclonable function-based security and privacy in RFID systems,Fifth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications(PerCom’07)(2007),211-220.)從芯片不可克隆電路的角度分析了RFID系統信息安全的問題。

解決了RFID系統信息傳輸、存儲中的數據安全問題和RFID標簽電路的硬件防偽問題并不足以保障RFID系統信息安全。確保RFID系統信息安全的另一項關鍵要求是，采用物理不可克隆設計的芯片、儲存有經過加密的RFID數據信息的RFID標簽，應該附著于正確的物品上。如果將可靠的RFID標簽置換附著在錯誤的物體上，RFID信息系統安全體系也將從根本上崩潰。

通常的RFID射頻標簽，并不具有物體物性的選擇性，即：對其附著物體材質電磁參數的改變不表現出敏感特性，例如，附著在紙制品、塑料制品、木制品等不同材質的表面時，其工作特性沒有顯著地區別。這樣的RFID標簽與貼附物品間難以建立起綁定關系。當RFID標簽被惡意貼裝在錯誤的物體上時，標簽依然可以表現出很好的閱讀性能，這對物品在系統中的記錄可靠性提出了考驗。

目前將標簽與待標物體進行綁定主要有兩種手段，其一是將標簽用化學手段(如各類黏貼劑)貼在待標物體上，如文獻【3】(發明專利：株式會社日立制作所，RFID標簽，200810149705.4)將標簽黏貼層進行特殊的工藝設計以將標簽與物體綁定在一起。其二是將RFID標簽嵌入到物體之中，這通常需要采用特殊的制造流程和制造工藝。如文獻【4】(M.Ritamaki and A.Ruhanen,Embedded passive UHF RFID seal tag for metallic returnable transit items,2010IEEE International Conference on RFID(IEEE RFID 2010)(2010),152-157.)將RFID標簽嵌在金屬制品周圍解決了將標簽與物體綁定的問題。文獻【5】(發明專利：羅建軍，羅飛等，基于RFID的酒類防偽系統及RFID標簽與RFID讀寫器認證方法，201210351152.7)將RFID標簽嵌在酒瓶中解決了標簽與酒瓶綁定的問題。這兩種方法前者標簽容易被破壞，后者制造工藝相當復雜，會大大增加RFID標簽部署的成本，且將千變萬化待標物體都進行相關標簽設計明顯是不可能完成的任務。

本發明設計方法設計的可直接貼附在物體表面，并能夠與物體材質電磁參數綁定的RFID標簽，無疑是一個很好的解決方案，可以有效地克服目前RFID標簽與物體安全綁定技術的局限性。目前將無源RFID標簽與待標物體通過材料電磁參數進行有效綁定仍然屬于研究空白。本發明針對此問題公開了一種射頻標簽的設計方法，設計方法通過在超高頻RFID標簽中適當位置采用與標簽附著物體的材質電磁參數具有強耦合特性的結構，并開展結構優化設計，使得RFID標簽的工作性能與標簽附著物體的材質電磁特性改變敏感化，實現RFID標簽與其所附著物體物性有效綁定。

采用本發明的設計方法可以方便地設計各類綁定物體材質電磁參數的超高頻RFID標簽，標簽可以廣泛地為物聯網RFID應用領域，如倉儲物流管理，食品冷鏈管理，醫療藥品管理，高附加值藝術品鑒定等提供有效信息安全保障，具有廣闊應用前景。

技術實現要素：

本發明目的：提供一種綁定物性的標簽設計方法，以設計可以與物體材質電磁參數相綁定的無源RFID射頻標簽，設計的標簽與附著物體間具有很高的綁定特性。通過在超高頻RFID標簽中適當位置采用與標簽附著物體的材質電磁參數具有強耦合特性的結構，并開展結構優化設計，使得RFID標簽的工作性能對標簽附著物體的材質電磁參數改變敏感化，實現RFID標簽與其所附著物體物性有效綁定。采用本發明設計的超高頻物性綁定RFID安全標簽，可以保證其僅當附著于經過標簽綁定設計的物體表面時，才能正常工作，從而提高RFID系統的信息安全。

本發明采用的技術方案為：一種綁定物性的超高頻RFID安全標簽設計方法，通過在超高頻RFID標簽中適當位置采用與標簽附著物體的材質電磁參數具有強耦合特性的結構，并開展結構優化設計，使得RFID標簽的工作性能對標簽附著物體的材質電磁參數改變敏感化，實現RFID標簽與其所附著物體物性有效綁定，其中，綁定特性表現為讀取性能隨貼附物體電磁參數微小變化而劇烈變化，采用該方法設計的超高頻物性綁定RFID安全標簽，可以保證其僅當附著于經過標簽綁定設計的物體表面時，才能有正常閱讀性能，當其附著物體的介電常數有微小變化時，標簽的閱讀性能顯著降低，或不能正常工作，從而提高RFID系統的信息安全。

其中，接入了特殊構造的，與物體材料電磁參數有強耦合特性結構的標簽，當材料電磁參數變化時，標簽與芯片間的功率傳輸特性會發生極大地改變，這種標簽表現出高Q值特點。

其中，采用在標簽中加入與物性緊密耦合的結構進行標簽設計，結構特征包括zigzag型結構，蜿蜒線型結構，分布式碎片結構或分布式線狀結構，等等。

其中，在諧振點處，對標簽與芯片間進行高性能功率傳輸設計。

其中，標簽性能對材質的電導率，或者復介電常數實部或虛部變化敏感。

本發明原理在于：

一種射頻標簽的設計方法，通過對與物體電磁特性有強耦合特性的結構設計，實現設計的標簽與附著物體間有效綁定，綁定特性表現為讀取性能隨貼附物體電磁特性微小變化而劇烈變化。將標簽與物體材質電磁特性建立聯系需要進行特殊結構設計，本發明采用在標簽上接入與材料電磁特性有關的耦合結構實現標簽與物體電磁特性間的關聯。標簽結構的變化會影響標簽的輸入阻抗，標簽的輸入阻抗變化會影響標簽與芯片間的功率傳輸。接入了特殊構造的，與物體材料電磁參數有強耦合特性結構的標簽，當材料電磁參數變化時，標簽與芯片間的功率傳輸特性會發生極大地改變，這種標簽表現出高Q值特點。

如圖1所示，在通常的標簽結構上加入一些特別選取的可以與附著材質電磁參數有強耦合的特殊結構，可敏化標簽對附著材料電磁特性的感知能力。本發明包含物性綁定結構地選取，也包含描述標簽-材料綁定程度的相關參量提出。通過給出的參量可以衡量設計的物性綁定標簽的性能優劣，使用該參量結合耦合結構可以方便的對標簽綁定能力進行優化。本發明可以廣泛地為倉儲物流管理，食品冷鏈管理，醫療藥品管理，高附加值藝術品鑒定等物聯網RFID應用領域提供有效信息安全保障，具有廣闊應用前景。

本發明與傳統射頻標簽相比有益效果體現在：

1.使用本發明設計的射頻標簽具有對附著物體的相對介電常數變化擁有高感應靈敏度，與物性間具有很強的綁定特性。當標簽附著于要綁定的物體上時，有較遠的閱讀距離，當標簽置于其它的，擁有不同的介電常數的物品上時，標簽閱讀性能顯著下降。感應靈敏度相較于普通商用標簽有非常大地提升，效果顯著。

2.發明中與物性有高耦合度的結構可以適用于各種主流標簽結構中，包括偶極子結構，單極子結構，環狀結構，倒F結構，PIFA結構等，可以很好地兼容不同的應用背景。該耦合結構可采用的結構形式多種多樣，其代表性的形式包括：

a.Zigzag型高耦合結構。

b.蜿蜒線型高耦合結構。

c.分布式碎片型高耦合結構。

d.分布式線狀高耦合結構。

根據未來不同的應用需要，也可以采用其它形式的耦合結構。

附圖說明

圖1是采用強耦合結構的物性綁定超高頻RFID安全標簽。

圖2是RFID標簽τ的頻率響應隨△f的搬移特點示意圖。

圖3是可用的Zigzag型高耦合結構示意圖。

圖4是可用的蜿蜒線型高耦合結構示意圖。

圖5是可用的分布式碎片型高耦合結構示意圖。

圖6是可用的分布式線狀高耦合結構示意圖。

圖7是采用不同高耦合結構的標簽對相對介電常數變化的典型敏感度示圖，可以看出兩款標簽都有對介電常數變化較高的敏感度，其中擁有分布式碎片結構的標簽比擁有蜿蜒耦合結構的標簽對于介電常數變化有更高的敏感度。

圖8是采用不同高耦合結構的射頻標簽的典型Q值示圖。可以看出擁有碎片分布結構的標簽有更高的Q值。結合圖7可以看出擁有高Q值的天線擁有更高的物性綁定能力。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

綁定介電常數的標簽的設計參量可以歸納為1.在諧振點處，設計與芯片間有高匹配性能τ₀的天線結構；2.設計具有高Q值的天線結構。使用該參量可以較為方便的指導標簽進行結構優化設計，進而設計出與物體介電常數具有很高綁定度的安全標簽。下面進行具體闡述。

標簽對物品的安全保障特點要求標簽與物體電磁特性間擁有很高的綁定度，高綁定度要求標簽性能對物性變化反應敏感。射頻標簽的性能可以通過標簽的閱讀距離進行描述，本專利公開的綁定物性的射頻標簽設計方法即是通過閱讀距離隨物性變化的變化體現與物性間的綁定特性。在本專利中，物性特指物體材料的電磁參數，物體材料的電磁參數一般以介電常數，電導率，磁導率(ε_r,σ,μ)進行描述。本發明以介電常數為例，主要通過研究閱讀距離隨物體介電常數變化的變化關系展開標簽設計。

由Friis傳輸公式在測量環境不變的情況下(λ,P_t,G_t,P_th不變)，標簽閱讀距離與標簽的增益G_r及天線-芯片間的功率傳輸系數τ有關。標簽在工作頻率處，G_r·τ隨介電常數ε_r變化的斜率越大，標簽對物性變化的敏感度越高。

研究表明，隨著環境介電常數的變化，環境中的天線會發生諧振點偏移現象。當物體介電常數變大時(△ε_r>0)，天線諧振點f₀左偏，物體介電常數變小時(△ε_r<0)，天線諧振點f₀右偏，即△ε_r與△f₀存在一一對應關系。基于此，不同結構的射頻標簽對于△ε_r會有一系列不同的取值。一般的標簽設計中△G_r隨△_εr的變化不大，即設計中主要考慮如何找到擁有較大取值的結構方案，如圖2所示，圖示給出了一個擁有較高的天線特性表現。

當天線滿足以下兩個條件時，可以認為天線擁有類似圖2的，較大的特點。

1.當天線在諧振點f₀處，天線-芯片間有較高的功率傳輸系數τ＝τ₀；

2.天線有較窄帶寬B。其中天線帶寬B定義為：當τ＝τ'時，B＝|f₀-f₁|+|f₀-f₂|，f₁,f₂為τ＝τ'時的頻率。

Q值是描述天線性能的一個物理量，考慮到射頻標簽是由天線與芯片共同組成，其Q值應是個有載Q值的表達形式：其中因為芯片阻抗固定，Q_chip固定不變，主要研究外部Q值Q_ant即可。外部Q值表達式為可見當諧振頻率不變時，高天線外部Q值將導致標簽擁有較窄的帶寬，符合與前述條件2所要求。即，天線Q值可以描述標簽與物體介電常數間的耦合程度，Q值越高，耦合度越高，標簽對物體介電常數變化的敏感度越高。高Q值可以替代條件2作為物性綁定標簽設計的一個設計目標。

標簽輸入阻抗與要專門設計的標簽的功率傳輸系數及Q值密切相關，在實際標簽設計中，可以通過擁有彎折的或擁有分布特點的特殊結構實現多樣化的輸入阻抗幅頻響應，進而滿足上述兩點要求。如圖1所示。圖1給出了通過在普通標簽結構中加入特別選取的耦合結構，進行物性綁定標簽設計的示意圖，這些耦合結構一般擁有寄生的電容電感。使用了這種結構的標簽，閱讀性能會變得對物體介電常數變化敏感。

具體實施中可以包括下述若干種結構，如圖3，圖4，圖5，圖6。

其中圖3是zigzag型結構，其特點是擁有若干彎角轉折的“之字形”線狀結構，其中，結構的彎折次數不定，彎角角度可以不同，每段線狀結構的長度可以任意選取，左右兩邊的“之字型”結構的末端可以連在一起也可以斷開。圖4是蜿蜒線型耦合結構，其特點是擁有若干彎曲迂回的線狀結構，其中結構的彎曲次數不定，線與線間的角度不定，線長不定，結構可以存在間斷。圖5是分布式碎片結構。此結構的特點是黑白相間碎片網格代表了金屬結構的有無，結構無規則排列，這種結構遍歷了所有涉及區域范圍內存在的片狀結構，可以用于在上述zigzag型結構，蜿蜒線型結構基礎上，做進一步結構優化。此碎片結構單元可以以圓形，方形，三角形，多邊形，環形等形式存在，單元排布密度可以根據實際情況進行調整。圖6是分布式線狀碎片結構，此結構與圖5中分布式碎片結構類似，由分布的線狀結構組成，線長短可調，角度可變。

為了驗證方法，圖7給出了兩款分別使用了蜿蜒線型結構與分布碎片結構設計的綁定物性標簽實例，及其對介電常數變化的感應性能。由圖可見，設計的標簽可以與相對介電常數為2.5的物體綁定，當相對介電常數為2.5時，標簽閱讀性能達到最好，當介電常數變化時，標簽性能迅速惡化。圖8給出了設計的擁有不同耦合結構標簽的Q值表現，其中擁有分布碎片結構的標簽擁有較大的Q值。對比圖7可以看出，相對于低Q值的蜿蜒線結構標簽，擁有高Q值的分布碎片結構標簽物性綁定能力顯著增強。當ε_r變化0.5時，G_r·τ的值下降10dB，比低Q值結構的標簽提高了10dB/ε_r0，ε_r0為單位相對介電常數。即，高Q值標簽表現出了高物性綁定特性。

本發明公開了一種綁定物性射頻標簽的設計方法。使用此方法設計的標簽可以與待標物體的介電常數綁定在一起，當標簽擁有較遠工作距離時，代表標簽附著物體被標簽正確標定，當標簽閱讀性能惡化時，待標物體存在重大安全隱患。這種工作特點可以保證物品被RFID系統正確讀取，提高了系統的安全特性。本發明可以廣泛地為物聯網RFID應用領域，如倉儲物流管理，食品冷鏈管理，醫療藥品管理，高附加值藝術品鑒定等提供有效信息安全保障，具有廣闊應用前景。