摘要：目標雷達散射截面(RCS)，在復平面可以表示為復頻域的函數(shù)。根據(jù)奇點(SEM)展開(留數(shù))方法，計算對目標物體的散射奇點(留數(shù))，進行射頻識別(RFID)，是射頻識別的新思路。通過FEKO軟件，對蝶形無芯標簽結構進行仿真得出該結構散射場。仿真的結果顯示該結構具有開槽數(shù)量多、極點分布規(guī)律、數(shù)據(jù)容量大、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
關鍵詞：雷達散射截面(RCS)；奇點展開法(SEM)；散射場；FEKO
0 引言
射頻識別是一種全自動，非接觸識別方式。射頻識別的系統(tǒng)就是閱讀器和標簽天線之間的通信。在目前射頻識別系統(tǒng)中標簽都是有芯的，但這類標簽的結構復雜，體積、尺寸較大，價格較貴，所以限制了它的廣泛應用。雷達技術的廣泛深入地應用，激發(fā)了人們利用雷達技術進行射頻識別的新思路。研究者又提出了無源無芯結構標簽天線思想。Baum提出了奇點展開法的思想也促進了人們研究無芯標簽的熱情，奇點展開法對標簽的散射場(雷達截面積)進行分析以提取目標的自然諧振頻率。物體的本征頻率的固有特性，即目標的奇點只與目標的結構有關，而與目標的位置、形態(tài)無關。每個物體的結構在平面波激勵下都有自己的獨特的散射場，通過分析物體的散射場，提取目標的固有頻率并利用其進行存儲和恢復數(shù)據(jù)就可以進行目標識別。因而標簽的結構對于識別至關重要。為了尋求結構簡單，易于實現(xiàn)的標簽，Majid Manteghi and Yahya Rahmat-Samii等研究者研究了橢圓偶極子開槽方式。但這種方式，開槽數(shù)量有限。能夠容納的數(shù)據(jù)容量少，不能滿足當前的需要。
本文也就是處于這點考慮并在前人研究的基礎上，研究了能夠具有較多開槽結構的標簽結構，即蝶形結構。采用兩個對稱正三角形方式，能夠開槽達到8個，容納更多的數(shù)據(jù)容量。本文利用FEKO軟件詳細地分析這種蝶形標簽結構在不開槽、開槽數(shù)量從一個到八個不同方向散射雷達截面。同時利用矩量法，提取了它的極點。這個研究的重要性在于改變傳統(tǒng)的設計理念，徹底降低標簽價格，推動射頻識別技術的發(fā)展應用。
1 理論基礎
在這一部分，主要介紹關于散射所涉及的理論知識，不作理論的探討和推導，可參閱文獻。
1．1 雷達散射截面
三維度單位體積內入射波段所攜帶的功率在全向輻射時，入射場強度為方向(θ，φ)的函數(shù)如圖1所示，在定向方向上產生相同的散射功率密度可以表示為：
對于時諧電磁場，TEM模式電磁波，入射電場和磁場為(E，H)，坡印廷矢量可以表示為：
由式(3)和式(4)可以得到式(1)。
1．2 物體表面散射場積分方程
對于在自由空間里面積為S的任意形狀的完純導體，如圖1所示。
當此導體受到已知強迫電流和磁荷(J，M)電場激勵時，那么所有場將是具有時諧函數(shù)。在激勵場已知，對完純導體面積為S，設其表面電流為J，散射場為，這時整個區(qū)域的場為(E，H)。
上標帶撇號和不帶撇號的分別表示源的坐標和場的坐標。為激勵場的傅里葉變換，分別表示投射波的電場強度；J，M，ρ分別是等效源。如果只關心遠場區(qū)，則上式可以簡化為：
2 試驗仿真和數(shù)據(jù)分析
下面給出具有對稱性的邊長為30 mm的兩個對稱正三角形構成的具有蝶形金屬天線標簽如圖2(a)的雷達散射截面的仿真結果。完純導體標簽的雷達散射截面是頻域的函數(shù)。當標簽不開槽時，在激勵源超寬帶(UWB)脈沖的照射下，雷達散射是平滑的頻域函數(shù)如圖2(b)所示。當在金屬標簽上開槽時，那么標簽的散射截面會出現(xiàn)凹點(極值點)。凹點所對應的頻率，就是極值頻率。這個極點的位置不但與標簽的尺寸有關，而且與開槽的尺寸，位置，形狀有關。利用FEKO仿真軟件可以分析出開槽的位置，以及開槽的大小。通過分析得出通常開槽的大小一般取頻率波長的1／4，或1／8可以獲得較為理想的散射截面。本文給出了開槽數(shù)為零，即不開槽以及開槽數(shù)為8的散射截面。激勵頻率為2～10 GHz，開槽寬度為0．75 mm，開槽間距為1．732 mm方向為0°，30°，60°情況下的散射結果。表1給出了開槽數(shù)是8的具體參數(shù)。
圖3(a)為槽數(shù)為8個的標簽結構。圖3(b)是激勵平面波頻率為2～10 GHz，0°極化，激勵角度是0°，30°，60°情況下的散射場。圖3(c)給出了90°極化的RCS和E場。
通過對表1中數(shù)據(jù)開槽大小、長度、槽的位置變化對極點的影響的仿真分析得出，當開槽較小，距離中心點位置較近時，將產生一個較高的約9 GHz頻率極點。隨著開槽長度的增加，極點頻率越低并逐漸左移，開槽數(shù)量達到8個時，槽長最長，頻率極點在5 GHz。本文是采用激勵源UWB超寬帶脈沖分別對極化方向為0°，90°兩種極化方式做了仿真，從圖3(c)，(b)中顯示極化方向對極點的影響不明顯，但在0°極化時，RCS幅度會發(fā)生約6 dB波動，而采用90°極化時，激勵的入射方向對RCS幾乎沒有影響。結果顯示該結構散射場極點穩(wěn)定的特性。
3 極點提取分析
由于每個目標的極點跟它的結構相關，而與它的位置、姿態(tài)無關，為提高了標簽設計效率，這里采用標簽設計散射場仿真與極點提取相結合的方式來完成。根據(jù)極點最終確定目標的結構，而相應的結構就對應著不同的物體，這就是完成了目標識別。本文是使用矩陣束法來提取目標的極點，其過程如圖4所示。
4 結論
利用FEKO軟件對該結構標簽散射場進行仿真，結果可知，對稱正三角形的標簽結構，開槽數(shù)量較多，數(shù)據(jù)容量大，且開槽位置容易，開槽離中心點的距離決定極點位置，開槽離中心越近，開槽越短，極點會遠離起點頻率，越長則會靠近4．5 GHz的頻率點?？傊?，了解開槽位置與極點的對應關系，以及開槽位置大小對極點的影響，從而利用矩陣束法提取極點并用來存儲和恢復數(shù)據(jù)，就可以進行目標的識別。
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