基于互补六边形开环谐振器的无芯片RFID标签

顾姗姗，张亚曦，田小敏，王逸之，余振中

（1.金陵科技学院智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169；2.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094；3.南京中兴软件有限责任公司，江苏 南京 210012）

0 引言

射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）技术是一种无线射频识别技术，能够通过无线信号读取和写入数据信息，并识别特定对象[1]。它在运输管理、工业自动化等领域有着广泛的应用[2-3]。与带芯片RFID标签[4]相比，无芯片RFID标签体积小、成本低，使用更加方便[5]。目前，无芯片RFID标签通常采用频域编码方式，其通过设计特定的谐振器结构影响谐振频率从而实现编码[6-7]。

开环谐振器（Split Ring Resonator, SRR）最早由Pendry等人提出，旨在提出一种同时呈现负介电常数和磁导率的人造材料[8]。互补六边形开环谐振器是SRR的互补结构，与传统SRR相比，具有阻带更窄的特点。互补六边形开环谐振器可放置在基板背面，以实现传输线和环形谐振之间的高磁耦合[9]。本文提出了一款基于互补六边形开环谐振器的无芯片RFID标签，其通过谐振结构设计在特定谐振频率上引入频移增加谐振器单元编码容量、缩小标签体积，提高标签编码密度。

1 无芯片RFID标签设计

本文提出的基于互补六边形开环谐振器的无芯片RFID标签，其几何结构如图1所示。基板正面中间位置是宽度为W的微带传输线，其特性阻抗为50Ω。基板背面有一个带有开口的正六边形结构，开口长度为G。六边形的宽度为W=q-p，其中q和p分别为外边和内边的长度。

图1 基于互补六边形开环谐振器的几何结构

对基于互补六边形开环谐振器的谐振特性进行仿真分析。设置不同的开口长度值，利用仿真软件得到的谐振频率结果如图2所示。可见，谐振器的谐振频率随着开口长度的增加而增大。

图2 不同开口长度对谐振频率的影响

图3分析了线宽W的变化对谐振器的影响。由仿真结果可以看出，随着互补六边形开环谐振器的宽度增大，谐振频率变大。

图3 谐振器单元宽度W1变化对谐振器的影响

基于互补六边形开环谐振器结构谐振器单元的谐振频率与谐振环单元有效长度之间存在如下近似关系：

其中f为谐振频率，c为光速，ε为基板的介电常数，oL是谐振器单元有效长度，它决定了谐振频率的大小。从式（1）和式（2）可以看出，改进互补六边形开环谐振器的谐振频率可以通过改变线宽W和开口长度G的参数来进行调整。

本文设计了一款编码容量可达8bit的改进互补六边形开环谐振器无芯片RFID标签，包括四个谐振器单元，整个标签结构如图4所示。基板长度为20mm，宽度为16mm，顶部为宽度W为2.2mm的微带传输线。标签背面为四个改进互补六边形开环谐振器，从外到内依次编号为1R、2R、3R和4R。各谐振器单元的外边长q、内边长p和线宽W参数见表1，其工作频率范围为4～ 8GHz。

图4 8bit 标签结构示意图

表1 无芯片RFID标签结构参数

谐振器的谐振频率主要是通过改变G和W参数实现，每个谐振器“00”“01”“10”“11”编码对应的谐振频率范围如表2所示，对应的标签尺寸和谐振频率见表3。

表2 编码对应的谐振频率范围

表3 四种编码对应尺寸及谐振频率

2 测试结果

对本文设计的标签进行实际加工，其对应的编码为“00000000”“00000011”，如图5所示。采用N5244A矢量网络分析仪对该标签进行实际测试，测试结果如图6所示，同时将其与仿真结果进行对比。从图中可以看出，虽然实测结果中通带范围内出现较大的插入损耗，但是仿真与实测结果在趋势上保持一致。另外，可能由于基板材质和加工精度的影响，实测结果中的谐振陷波深度不及仿真值。

图5 标签实物

3 结语

本文提出一种基于互补六边形开环谐振器的无芯片RFID标签，该RFID标签由四个互补六边形开环谐振器单元组成，工作频率范围为4～8GHz，每个单元编码容量为2bit，只占用0.8GHz的工作带宽。通过调整六边形开口长度和线宽，可以很容易地优化互补六边形开环谐振器的谐振频率。对该互补六边形开环谐振器的8bit无芯片RFID标签进行了实际加工和测试，效果较好，实现了较高的频带利用率，并且在增加标签编码容量时，标签体积没有显著增加。