基于互補六邊形開環諧振器的無芯片RFID標簽

顧姍姍，張亞曦，田小敏，王逸之，余振中

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

0 引言

射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）技術是一種無線射頻識別技術，能夠通過無線信號讀取和寫入數據信息，并識別特定對象[1]。它在運輸管理、工業自動化等領域有著廣泛的應用[2-3]。與帶芯片RFID標簽[4]相比，無芯片RFID標簽體積小、成本低，使用更加方便[5]。目前，無芯片RFID標簽通常采用頻域編碼方式，其通過設計特定的諧振器結構影響諧振頻率從而實現編碼[6-7]。

開環諧振器（Split Ring Resonator, SRR）最早由Pendry等人提出，旨在提出一種同時呈現負介電常數和磁導率的人造材料[8]。互補六邊形開環諧振器是SRR的互補結構，與傳統SRR相比，具有阻帶更窄的特點。互補六邊形開環諧振器可放置在基板背面，以實現傳輸線和環形諧振之間的高磁耦合[9]。本文提出了一款基于互補六邊形開環諧振器的無芯片RFID標簽，其通過諧振結構設計在特定諧振頻率上引入頻移增加諧振器單元編碼容量、縮小標簽體積，提高標簽編碼密度。

1 無芯片RFID標簽設計

本文提出的基于互補六邊形開環諧振器的無芯片RFID標簽，其幾何結構如圖1所示。基板正面中間位置是寬度為W的微帶傳輸線，其特性阻抗為50Ω。基板背面有一個帶有開口的正六邊形結構，開口長度為G。六邊形的寬度為W=q-p，其中q和p分別為外邊和內邊的長度。

圖1 基于互補六邊形開環諧振器的幾何結構

對基于互補六邊形開環諧振器的諧振特性進行仿真分析。設置不同的開口長度值，利用仿真軟件得到的諧振頻率結果如圖2所示。可見，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。由仿真結果可以看出，隨著互補六邊形開環諧振器的寬度增大，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

基于互補六邊形開環諧振器結構諧振器單元的諧振頻率與諧振環單元有效長度之間存在如下近似關系：

其中f為諧振頻率，c為光速，ε為基板的介電常數，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，改進互補六邊形開環諧振器的諧振頻率可以通過改變線寬W和開口長度G的參數來進行調整。

本文設計了一款編碼容量可達8bit的改進互補六邊形開環諧振器無芯片RFID標簽，包括四個諧振器單元，整個標簽結構如圖4所示。基板長度為20mm，寬度為16mm，頂部為寬度W為2.2mm的微帶傳輸線。標簽背面為四個改進互補六邊形開環諧振器，從外到內依次編號為1R、2R、3R和4R。各諧振器單元的外邊長q、內邊長p和線寬W參數見表1，其工作頻率范圍為4～ 8GHz。

圖4 8bit 標簽結構示意圖

表1 無芯片RFID標簽結構參數

諧振器的諧振頻率主要是通過改變G和W參數實現，每個諧振器“00”“01”“10”“11”編碼對應的諧振頻率范圍如表2所示，對應的標簽尺寸和諧振頻率見表3。

表2 編碼對應的諧振頻率范圍

表3 四種編碼對應尺寸及諧振頻率

2 測試結果

對本文設計的標簽進行實際加工，其對應的編碼為“00000000”“00000011”，如圖5所示。采用N5244A矢量網絡分析儀對該標簽進行實際測試，測試結果如圖6所示，同時將其與仿真結果進行對比。從圖中可以看出，雖然實測結果中通帶范圍內出現較大的插入損耗，但是仿真與實測結果在趨勢上保持一致。另外，可能由于基板材質和加工精度的影響，實測結果中的諧振陷波深度不及仿真值。

圖5 標簽實物

3 結語

本文提出一種基于互補六邊形開環諧振器的無芯片RFID標簽，該RFID標簽由四個互補六邊形開環諧振器單元組成，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。通過調整六邊形開口長度和線寬，可以很容易地優化互補六邊形開環諧振器的諧振頻率。對該互補六邊形開環諧振器的8bit無芯片RFID標簽進行了實際加工和測試，效果較好，實現了較高的頻帶利用率，并且在增加標簽編碼容量時，標簽體積沒有顯著增加。