Antenna design solutions for radio frequency identification (RFID) tags based on metamaterial-inspired resonators and other resonant structures

Abstract

Avui dia, la identificació automàtica i unívoca d’objectes s’està imposant com a necessitat creixent a nivell global, degut al ràpid increment de la producció i del comerç mundial. En resposta, la identificació per radiofreqüència (RFID) està emergint com una alternativa viable i més evolucionada al codi de barres, i està sent utilitzada en una multitud d’aplicacions diferents, tal com el seguiment de paquets, els inventaris intel·ligents, el control d’accessos i el pagament sense contacte. Encara que la tecnologia RFID ha aconseguit entrar amb èxit en la nostra vida diària, oferint una solució convenient en moltes aplicacions, existeixen alguns reptes que estan frenant la seva difusió. Per exemple, l’etiquetatge de petits objectes metàl·lics necessita de més recerca, per tal d’obtenir etiquetes RFID més primes i petites, donat que actualment les etiquetes RFID per metall són més gruixudes i més cares que les etiquetes RFID convencionals. El disseny d’etiquetes RFID miniaturitzades amb una resposta independent de l’orientació és també un problema encara pendent. En altres casos, el context d’etiquetatge requereix maximitzar la distancia de lectura, encara que això impliqui augmentar les dimensions de l’etiqueta. Per tant, el disseny d’etiquetes RFID d’alta distancia de lectura és un altre repte interessant en la investigació sobre la tecnologia RFID. L’objectiu principal d’aquesta tesi és la recerca de solucions pràctiques als problemes mencionats, que contribueixin al desenvolupament de la tecnologia RFID, així com a la seva ulterior difusió en les aplicacions de la vida diària. En concret, aquest treball es focalitza en el disseny d’antenes per etiquetes passives de RFID a la banda UHF basades en ressonadors inspirats en el món dels metamaterials (ressonadors d’anells oberts i estructures derivades) com a elements radiants, explorant també solucions alternatives basades en altres estructures ressonants.

Nowadays, the automatic and univocal identification of items all around the world is becoming a growing necessity, as a consequence of the rapid increase of the global production and trade. In this regard, radio frequency identification (RFID) technology has been emerging as a suitable and more evolved alternative to barcodes, being already used in a multitude of applications in everyday life, such as items tracking through the supply chain, smart inventory, access control and contactless payment. However, although RFID has achieved entering into the mainstream of technology, already providing a cost-effective solution in many scenarios, several challenges are still waiting response. Among these, the identification of small metallic objects still requires further efforts for obtaining thinner and smaller RFID tags, being the current on-metal tagging solutions thicker and much more expensive than conventional RFID tags. Also, the design of miniaturized RFID tags presenting uniform (or quasi-uniform) reading pattern, which would allow identification of small objects independently from their orientation, is still troublesome. On the other hand, some applications require maximizing the reading distance, even at the expense of the tag dimensions, so that the design of RFID tags with optimized reading distance is another interesting research subject within the frame of RFID technology. The main objective of this thesis is to explore solutions to the aforementioned problems, thus contributing to the advance of RFID technology, and to its further extension to everyday life applications. To this end, this work is focused on the antenna design for passive RFID tags working at the UHF frequency band (passive UHF-RFID tags), exploring the use of metamaterial-inspired resonators (i.e., the split-ring resonator and its derived structures) as radiating elements, and also considering alternative solutions based on other kinds of resonant structures.