基于互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的無芯片RFID標(biāo)簽

顧姍姍，張亞曦，田小敏，王逸之，余振中

（1.金陵科技學(xué)院智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.南京中興軟件有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）技術(shù)是一種無線射頻識別技術(shù)，能夠通過無線信號讀取和寫入數(shù)據(jù)信息，并識別特定對象[1]。它在運(yùn)輸管理、工業(yè)自動化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-3]。與帶芯片RFID標(biāo)簽[4]相比，無芯片RFID標(biāo)簽體積小、成本低，使用更加方便[5]。目前，無芯片RFID標(biāo)簽通常采用頻域編碼方式，其通過設(shè)計特定的諧振器結(jié)構(gòu)影響諧振頻率從而實(shí)現(xiàn)編碼[6-7]。

開環(huán)諧振器（Split Ring Resonator, SRR）最早由Pendry等人提出，旨在提出一種同時呈現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的人造材料[8]?；パa(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器是SRR的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)SRR相比，具有阻帶更窄的特點(diǎn)。互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器可放置在基板背面，以實(shí)現(xiàn)傳輸線和環(huán)形諧振之間的高磁耦合[9]。本文提出了一款基于互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的無芯片RFID標(biāo)簽，其通過諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計在特定諧振頻率上引入頻移增加諧振器單元編碼容量、縮小標(biāo)簽體積，提高標(biāo)簽編碼密度。

1 無芯片RFID標(biāo)簽設(shè)計

本文提出的基于互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的無芯片RFID標(biāo)簽，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示?；逭嬷虚g位置是寬度為W的微帶傳輸線，其特性阻抗為50Ω?；灞趁嬗幸粋€帶有開口的正六邊形結(jié)構(gòu)，開口長度為G。六邊形的寬度為W=q-p，其中q和p分別為外邊和內(nèi)邊的長度。

圖1 基于互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的幾何結(jié)構(gòu)

對基于互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的諧振特性進(jìn)行仿真分析。設(shè)置不同的開口長度值，利用仿真軟件得到的諧振頻率結(jié)果如圖2所示?？梢?，諧振器的諧振頻率隨著開口長度的增加而增大。

圖2 不同開口長度對諧振頻率的影響

圖3分析了線寬W的變化對諧振器的影響。由仿真結(jié)果可以看出，隨著互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的寬度增大，諧振頻率變大。

圖3 諧振器單元寬度W1變化對諧振器的影響

基于互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)諧振器單元的諧振頻率與諧振環(huán)單元有效長度之間存在如下近似關(guān)系：

其中f為諧振頻率，c為光速，ε為基板的介電常數(shù)，oL是諧振器單元有效長度，它決定了諧振頻率的大小。從式（1）和式（2）可以看出，改進(jìn)互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的諧振頻率可以通過改變線寬W和開口長度G的參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整。

本文設(shè)計了一款編碼容量可達(dá)8bit的改進(jìn)互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器無芯片RFID標(biāo)簽，包括四個諧振器單元，整個標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖4所示?；彘L度為20mm，寬度為16mm，頂部為寬度W為2.2mm的微帶傳輸線。標(biāo)簽背面為四個改進(jìn)互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器，從外到內(nèi)依次編號為1R、2R、3R和4R。各諧振器單元的外邊長q、內(nèi)邊長p和線寬W參數(shù)見表1，其工作頻率范圍為4～ 8GHz。

圖4 8bit 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示意圖

表1 無芯片RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)參數(shù)

諧振器的諧振頻率主要是通過改變G和W參數(shù)實(shí)現(xiàn)，每個諧振器“00”“01”“10”“11”編碼對應(yīng)的諧振頻率范圍如表2所示，對應(yīng)的標(biāo)簽尺寸和諧振頻率見表3。

表2 編碼對應(yīng)的諧振頻率范圍

表3 四種編碼對應(yīng)尺寸及諧振頻率

2 測試結(jié)果

對本文設(shè)計的標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)際加工，其對應(yīng)的編碼為“00000000”“00000011”，如圖5所示。采用N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果如圖6所示，同時將其與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。從圖中可以看出，雖然實(shí)測結(jié)果中通帶范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的插入損耗，但是仿真與實(shí)測結(jié)果在趨勢上保持一致。另外，可能由于基板材質(zhì)和加工精度的影響，實(shí)測結(jié)果中的諧振陷波深度不及仿真值。

圖5 標(biāo)簽實(shí)物

3 結(jié)語

本文提出一種基于互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的無芯片RFID標(biāo)簽，該RFID標(biāo)簽由四個互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器單元組成，工作頻率范圍為4～8GHz，每個單元編碼容量為2bit，只占用0.8GHz的工作帶寬。通過調(diào)整六邊形開口長度和線寬，可以很容易地優(yōu)化互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的諧振頻率。對該互補(bǔ)六邊形開環(huán)諧振器的8bit無芯片RFID標(biāo)簽進(jìn)行了實(shí)際加工和測試，效果較好，實(shí)現(xiàn)了較高的頻帶利用率，并且在增加標(biāo)簽編碼容量時，標(biāo)簽體積沒有顯著增加。