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        基于互補六邊形開環(huán)諧振器的無芯片RFID標(biāo)簽

        2021-03-26 03:29:50顧姍姍張亞曦田小敏王逸之余振中
        電子元器件與信息技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:諧振器開環(huán)六邊形

        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六邊形開環(huán)諧振器是SRR的互補結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)SRR相比,具有阻帶更窄的特點?;パa六邊形開環(huán)諧振器可放置在基板背面,以實現(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 基于互補六邊形開環(huán)諧振器的幾何結(jié)構(gòu)

        對基于互補六邊形開環(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。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(biāo)簽背面為四個改進(jìn)互補六邊形開環(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,實測結(jié)果中的諧振陷波深度不及仿真值。

        圖5 標(biāo)簽實物

        3 結(jié)語

        本文提出一種基于互補六邊形開環(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)化互補六邊形開環(huán)諧振器的諧振頻率。對該互補六邊形開環(huán)諧振器的8bit無芯片RFID標(biāo)簽進(jìn)行了實際加工和測試,效果較好,實現(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。

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