基于超材料的RFID天線的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù),其利用射頻通信實(shí)現(xiàn)非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。此技術(shù)利用讀寫器上的天線和標(biāo)簽進(jìn)行通信,也就是讀寫器通過射頻信號(hào)給標(biāo)簽提供能量并激活標(biāo)簽,標(biāo)簽工作后將其儲(chǔ)存的信息返還給讀寫器,讀寫器再將讀取到的標(biāo)簽信息送給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)的處理、儲(chǔ)存以及管理。正因?yàn)槌哳l(Ultrahigh Frequenc

2、y, UHF,860MHz~960MHz)標(biāo)簽具有非接觸、工作距離長(zhǎng)、讀取速度快、適于惡劣環(huán)境、可識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),射頻識(shí)別技術(shù)己被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。
　　標(biāo)簽與閱讀器要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無接觸通信,其主要利用讀寫器天線和標(biāo)簽天線之間的通信,因此在整個(gè)RFID系統(tǒng)中天線發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對(duì)于RFID系統(tǒng)來說,標(biāo)簽天線是最易變的部分,其受環(huán)境的影響較大,因此設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線已經(jīng)逐漸成為新的研究熱

3、點(diǎn)。目前現(xiàn)有的標(biāo)簽天線基本是偶極子結(jié)構(gòu)及其變形結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線只能滿足通常應(yīng)用場(chǎng)合的需求,但是在特殊場(chǎng)合(如寬頻帶、小型化、抗金屬,高讀取率等)的應(yīng)用中,其阻抗匹配、增益、輻射效率、輻射方向圖等特性都會(huì)受到環(huán)境的影響而改變,從而導(dǎo)致標(biāo)簽工作性能降低,甚至無法使用。為了針對(duì)解決在不同物體表面UHF RFID標(biāo)簽的性能能夠不受環(huán)境的影響,從非金屬環(huán)境到金屬環(huán)境,標(biāo)簽特性始終保持穩(wěn)定,本文在前人的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并研究了基于超材料的標(biāo)簽天

4、線,為RFID標(biāo)簽天線在金屬環(huán)境的應(yīng)用做了一些探索性的研究。
　　超材料最近幾年一直是物理學(xué)和材料學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,而微波光子晶體也作為一種新型的人工電磁材料具有獨(dú)特的性能,目前已廣泛的用于微波電路、天線的設(shè)計(jì),且發(fā)揮了優(yōu)越的性能。目前將微波光子晶體運(yùn)用在標(biāo)簽天線的研究不是很多,而本文就是將微波光子晶體這一類型的超材料運(yùn)用于標(biāo)簽天線以改善天線的指標(biāo)和增加標(biāo)簽的抗金屬特性。
　　在緒論中,論文概述了RFID技術(shù)的研究背景,簡(jiǎn)述

5、了RFID系統(tǒng)的發(fā)展歷程和組成,探討了標(biāo)簽的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。第二章全面系統(tǒng)的闡述了電磁場(chǎng)理論和標(biāo)簽天線的基本理論,并說明了標(biāo)簽天線阻抗、帶寬、輻射方向圖和功率傳輸系數(shù)等重要參數(shù),介紹了標(biāo)簽的仿真設(shè)計(jì)方法、制作工藝和阻抗測(cè)量方法以及制作了標(biāo)簽測(cè)試轉(zhuǎn)換裝置。第三章簡(jiǎn)要敘述了超材料概念和特性,就微波光子晶體做了詳細(xì)的分析并設(shè)計(jì)了反射相位0在915MHz的電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG, Electromagnetic Band gap)單元。第四章

6、首先研究了Alien Higgs-3這款芯片,其阻抗的共軛值作為后續(xù)設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線阻抗值。然后研究與設(shè)計(jì)仿真了四個(gè)標(biāo)簽天線,分別是變形偶極子標(biāo)簽天線、加載開口諧振環(huán)的標(biāo)簽天線、分形標(biāo)簽天線和圓極化標(biāo)簽天線。變形偶極子標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,但是相對(duì)于加載開口諧振環(huán)的標(biāo)簽天線和分形標(biāo)簽天線來說其尺寸大,設(shè)計(jì)此標(biāo)簽主要是便于天線之間的對(duì)比。圓極化標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)主要是為了增加讀取率和減少極化損失。文中設(shè)計(jì)的一款圓極化標(biāo)簽天線,其圓極化性能很好,且

7、軸比帶寬70MHz,相對(duì)于以往的圓極化天線,此標(biāo)簽天線帶寬比較寬。本文中制作了三款標(biāo)簽天線的實(shí)物,并在兩種環(huán)境下,對(duì)標(biāo)簽天線進(jìn)行了阻抗測(cè)試。最后,將上述設(shè)計(jì)的EBG結(jié)構(gòu)運(yùn)用于上述設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線中,并仿真調(diào)試,最終在HFSS軟件中模擬實(shí)際金屬環(huán)境,發(fā)現(xiàn)基于EBG的標(biāo)簽天線基本不受影響,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)基于EBG周期結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線的增益比沒有加載EBG的標(biāo)簽天線增加了將近3dB,驗(yàn)證了EBG周期結(jié)構(gòu)的同向反射特性,也證實(shí)了超材料在標(biāo)簽天線抗金屬和