代号１０７０１学密号０４１８１２１１２０级公开分类号ＩＮ８２０．１蚤簧絮矛抖拨袁辫硕士学位论文题（中、英文）目用于ＲＦＩＤ系统的天线设计ＤｅｓｉｇｎｏｆＡｎｔｅｎｎａｓｆｏｒＲＦＩＤＳｙｓｔｅｍ作者姓名学科门类提交论文日期张明涛指导教师姓名、职务焦永昌教授工学学科、专业电磁场与微波技术…………一一………………………一………一一二ＯＯ七年一月摘要摘要作为一种非接触式的自动识别技术，射频识别（ＲＦＩＤ）技术利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。同其它识别技术相比，射频识别技术具有很多优点，尤其是随着电子技术的迅猛发展和制造技术水平的不断提高，采用无线电和雷达技术实现的射频识别技术的发展非常迅速，在诸如货物采购与分配、商业贸易、生产制造、防盗技术、识别技术和医学应用等领域中，具有巨大的发展和应用潜力。这使得作为ＲＦＩＤ系统关键部件的天线的设计和研究变得十分紧要和迫切。实际上，ＲＦＩＤ天线技术的发展对ＲＦＩＤ技术的成熟和广泛应用具有理论意义和实用价值。本文首先简要地介绍了ＲＦＩＤ技术的相关知识，说明了ＲＦＩＤ系统的工作原理和分类，并对系统中所采用的天线进行了分析和讨论。作者的主要工作包括以下几个方面：首先根据阻抗匹配理论，绘出了天线与芯片连接的等功率传输阻抗匹配圆图，在具体应用中，设计了一种新型的ＵＨＦ频段透射式ＲＦＩＤ系统，进行了系统测试；提出了一种用于ＲＦｌＤ的双圆极化天线设计方案，对天线性能作了分析和设计，根据分析结果，通过修改结构完成了性能改进，并对所得的天线实物进行了测量，结果表明，该天线可应用于双圆极化调制的ＲＦＩＤ系统。也验证了所采用的设计方法的有效性；本文还对标签天线进行了分析和设计，讨论了标签天线中经常遇到的问题，特别是设计出了一种工作在微波频段的双频的标签天线，对该天线进行了仿真计算和测量，天线性能满足了应用的要求，该天线结构具有小尺寸、低成本，机械强度好等优点。本文中还对ＲＦＩＤ系统应用中出现的一些问题进行了分析和天线设计。关键词：ＲＦＩＤ系统天线设计标签阻抗匹配ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓ锄ａｕｔｏｍａｔｉｃｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｉｔｈｏｕｔｔｏｕｃｈｉｎｇ，ｒａｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＲＦｌＤ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｃｒａｄｉｏｗａｖｅｓｃａｒｒｙｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔｏｒｅｄａｂｏｕｔｔｈｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｏｂｊｅｃｔｏｒｃｏｍｍａｎｄｓｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｏｂｊｅｃｔｓｖｉａｓｐａｃｅｃｏｕｐｌｉｎｇ．ｓｕｃｈａｓｉｎｄｕｃｔｉｖｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｒｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＲＦＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｅｄｆｏｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｍｏｓｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｎｅｉｓｔｈｅｈｕｇｅｍａｒｋｅｔｆｏｒＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈａｎｋｓｔｏｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅＲＦＩＤａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓａｎｄｒａｄａｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｅｍｅｒｇｅｒａｐｉｄｌｙ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅｆｏｕｎｄｖｅｒｙｕｓｅｆｕｌｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈａｓｇｏｏｄｓｓｔｏｃｋｉｎｇａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｓｕｐｐｌｙｃｈａｉｎ，ｃｏｍｍｅｒｃｅａｎｄｔｒａｄｅ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．ＡｓａｖｉｔａｌａｎｄｉｎｔｅｇｒａｌｐａｒｔｏｆＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍ，ＲＦＩＤａｎｔｅｎｎａｓｈａｖｅｒｅｃｅｉｖｅｄｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｉｒｉｓｖｅｒｙｕｒｇｅｎｔａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｉｎｆａｃｔ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＲＦＩＤａｎｔｅｎｎａｉｓｏｆｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｒｓｔ，ａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅＲＦＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｇｉｖｅｎ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍａｎｄｒｅｌａｔｅｄｋｎｏｗｌｅｄｇｅａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄｍｅａｎｗｈｉｌｅｔｈｅａｎｔｅｎｎａｉｎｓｙｓｔｅｍｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅａｕｔｈｏｒ’ｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｎｃｌｕｄｅａｓｐｅｃｔｓ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｈａｔｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍａｔｃｈｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎａｎｔｅｎｎａａｎｄｃｈｉｐｉｓｄｒａｗ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇａｎｅｗｍｏｄｕｌａｔｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍｉｎＵＨＦｂａｎｄｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｉｓａｌｓｏｔｅｓｔｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄ，ａｃｏｍｐａｃｔａｎｔｅｎｎａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｒｅａｌｉｚｉｎｇｄｕａｌｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｓｙｓｔｅｍｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｓｏｍｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｒｅｍａｄｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｎｐｒｏｔｏｔｙｐｅｉｓａｌｓｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｎｔｅｎｎａｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｎＲＦＩＤａｎｄｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｉｒｄ，ａｄｕａｌｂａｎｄａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈＲＦｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｍｉｃｒｏｗａｖｅｂａｎｄＲＦＩＤｔａｇｕｓｏａｔ２．４５／５．８ＧＨｚｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｅｅｔｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｓｙｓｔｅｍｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ＴｈｅａｎｔｅｎｎａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔＩｌｌｏｗｐｒｏｆｉｌｅ．ｃｏｓｔａｎｄｓｍａｌｌｓｉｚｅｉｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙｒｏｂｕｓｔａｎｄｅａｓｙｔｏｆａｂｒｉｃａｔｅａｎｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｗｉｔｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃｃｉｒｃｕｉｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｆａｃｉｎｇｉｎＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｒｅｇｉｖｅｎ，ａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｏｆＲＦＩＤｆｏｌｌｏｗｉｎｇｆｏｒｃｏｎｃｅｐｔｓ，ａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｔｈｅａｎｔｅｎｎａｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐａ－ｆｏｒｍａｎｃｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ．Ｔｈｅａｎｔｅｎｎａ１０ｗｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｌｓｏＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍａｎｔｅＮｌ］ａｄｅｓｉｇｎｔａｇｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇ创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：塑煎盗：日期迎ｆ：堡：关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名：毯塑塑：导师签名：壁垒墨日期—竺！二ｆ．，彦第一章绪论第一章绪论１．１选题背景及意义ＲＦＩＤ是射频识别技术的英文ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ的缩写。射频识别技术是２０世纪９０年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术在世界范围内正被广泛的应用，而在我国起步较晚，与先进国家相比存在～定的差距，国内现在这项技术还处在研发阶段，研究和发展射频识别技术及其应用刻不容缓，任务紧迫。目前，我国射频识别技术及应用处于初级发展阶段，存在技术水平不高，标准规范不完整等诸多问题。同时，我国射频识别技术又拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。相对于条码技术而言，射频识别技术的发展和应用的推广将是我国自动识别行业的一场技术革命。无线射频识别技术（Ｐａ＝－ＩＤ）已经成为一个很热门的话题。据业内人士预测，ＲＦＩＤ技术市场将在未来五年内在新的产品与服务上带来３０至１００亿美金的商机，随之而来的还有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。或许这些预测过于乐观，但ＲＦＩＤ将会成为未来的一个巨大市场是毫无疑问的。许多高科技公司正在加紧开发ＲＦｌＤ专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔，微软、甲骨文、ＳＡＰ和ＳＵＮ，而最近全球最大的零售商沃尔玛的一项“要求其前１００家供应商在２００５年１月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用ＲＦＩＤ技术，２００６年１月前在单件商品中使用这项技术”的决议，把ＲＦＩＤ再次推到了聚光灯下。因此可以说无线射频识别技术（ＲＦＩＤ）正在成为全球熟门新科技ｐＪ。天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。射频识别系统由于自身的应用背景，其天线设计具有自身的特点和难题。在ＲＦＩＤ系统中，天线设计分为标签天线和读写器天线两种情况，当前的ＲＦｌＤ系统主要集中在ＬＦ、ＨＦ（１３．５６ＭＨｚ）、ＵＨＦ和微波频段。天线的原理和设计在ＬＦ、ＨＦ和ＵＨＦ频段有根本上的不同。实质上，由于在ＬＦ和Ｉ－ＩＦ频段系统的近场区并没有电磁波的传播，因此天线的问题主要集中在ＵＨＦ和微波频段。本文中主要针对ＵＨＦ和微波频段的ＲＦＩＤ天线的设计，以后文中所表述的天线，没经特别指出，均指ＵＨＦ和微波频段的ＲＦＩＤ系统的天线。对于可用于ＲＦＩＤ的具有高性能天线的设计和研究变得十分迫切，同时对于ＲＦＩＤ系统的架构和工程应用也具有理论意义和实用价值。２用于ＲＦＩＤ系统的天线设计１．２ＲＦＩＤ系统简介‘卜１０１射频识别技术是２０世纪９０年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。１．２．１射频识别技术发展历史从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。１９４８年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识剐技术的理论基础。射频识别技术的发展可按十年期划分如下：１９４０．１９５０年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，１９４８年奠定了射频识别技术的理论基础。１９５０，１９６０年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。１９６０．１９７０年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。１９７０．１９８０年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。１９８０．１９９０年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。１９９０．２０００年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。２０００年后：标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识别读写、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。特别值得一提的是在１９９８年美国麻省理工学院的ＤａｖｉｄＢｒｏｃｋ博士和ＳａｎｊａｙＳａｒｍａ教授在喝咖啡聊天时，谈及物品自动识别技术手段问题时产生的从系统的角度来解决物品自动识别问题的灵感，由此导致了供应链中物品自动识别概念的一次革命，并最终在１９９９年ｌＯ月１日正式创建Ａｕｔｏ．ＩＤＣｅｎｔｅｒ非盈利性的开发组织。Ａｕｔｏ．ＩＤＣｅｎｔｅｒ诞生后，迅速提出了产品电子代码ＥＰＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔＣｏｄｅ）的概念以及物联网的概念与构架，并积极推进有关概念的基础研究与实验工作。第一章绪论３可以说，ＥＰＣ与物联网的概念将射频识别技术的应用推到了极致，对射频识别技术的发展与应用的推广起到了极大的推动作用ｍ。１．２．２ＲＦＩＤ的工作原理及组成ｌ、工作原理射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。射频识别系统通常由电子标签（射频标签）和阅读爨组成。电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的命令，将内存的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。标签进入读写区后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借捕获的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即ＰａｓｓｉｖｅＴａｇ，无源标签或被动标签）。或者主动发送某一频率的信号（即ＡｃｔｉｖｅＴａｇ，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一丫圆功竺◇”—Ｕ被调制散射波Ｌ～一ｊ标签图１．１ＲＦＩＤ系统的工作原理２、ＲＦＩＤ系统的组成射频识别系统至少应包括以下两个部分，一是读写器，二是电子标签（或称射频卡、应答器等）。另外还应包括天线，主机等。ＲＦＩＤ系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从ＲＦＩＤ系统的工作原理来看，系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线等几部分组成。１．２．３ＲＦＩＤ系统的分类根据ＲＦＩＤ系统工作频率不同，可以粗略地把ＲＦＩＤ系统分成低频（３０－－３００ｋＨｚ）、高频（３～３０ＭＨｚ）、超高频（３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ）以及微波频段（２．４５ＧＨｚ４用于ＲＦＩＤ系统的天线设计和５．８ＧＨｚ）。低频系统一般工作在１００－．－５００ｋＨｚ，常见的工作频率为１２５ｋＨｚ、１３４．２ｋＨｚ；高频系统工作在ＩＯ－－１５ＭＨｚ左右，常见的高频工作频率为１３．５６ＭＨｚ：超高频工作频率为８５０－－－９６０ＭＨｚ，常见的工作频率为９１５ＭＨｚ；微波频段的系统工作在２．４５Ｇｌ－Ｉｚ和５．８ＧＨｚ。低频系统用于短距离，低成本的应用中。高频系统用于门禁控制和需要大量数据传送的应用；超高频系统和微波频段的系统应用于需要较长的距离读写和快速读写的场合等。Ｈ呐ＦｒＨｕ＿掣图１．２ＵＩ．ＩＦＲＦＩＤ系统工作频率划分表１．１工作在不同频率的ＲＦＩＤ系统性能门频率识别距离低频１．２５．１２４ｋｌ＂ｌｚ＜６０ｃｍ高频１３．５６ＭＨｚ约６０ｅｒａ４３３．９２ＭＨｚ５０－．１００ｍ超高频８６０～９６０ＭＨｚ微波２。４５ＧＨｚ，５．８ＧＨｚ约３．５ｍ㈣１００ｒｅ（Ａ）一先进的Ｉｃ技术使最低廉的生产成为可能．多重标签识别距离和性能最突出有源型／无源型＋高速·敏感一小型＜ｌｍ（Ｐ），５０ｒｅ（Ａ）－特性与９００ＭＨｚ频带类似－受环境的影响最大有源型／无源型．比较高价一般特性．几乎没有环境变化引起的性能下降远行方式识别速度环境影响标签尺寸无源型．比低频低廉一适合短识别距离和需要多重标签识别的应用无源型．长识别距离．实时跟踪，对集装箱内部湿度、冲击等环境敏感无源型低速迟钝。大型，（Ｐ．为无源标签，Ａ：为有源标签）根据ＲＦＩＤ系统工作机理不同，可以粗略地把ＲＦｌＤ系统分成磁场耦合（变压器原理）和电磁场耦合（雷达原理）。磁场耦合又叫电感耦合，电磁场耦合又可称电磁反向散射耦合。电感耦合为变压器耦合型，即作为初级线圈的读写器和作为次级线圈的应答器（标签）之间的耦合。谐振的应答器（固有频率于读写器的磁场振荡频率相符合）进入读写器的交变磁场中，该应答器就可以从磁场中获得能量。而电磁反向散射耦合与雷达原理类似。读写器检测来自应答器的反向散射波，通过改变散射的功率即可进行通讯，读写器与应答器的天线相互处于对方的远场区，之间存在电磁波的传播。本文中论述到的系统都是基于电磁场耦合的，所涉第一章绪论及到的天线，都是具有辐射性能的，在系统应用中，相互处于对方的远场区。根据ＲＦｌＤ系统标签能量来源不同，可以租略地把将电子标签分为无源（ｐａｓｓｉｖｅ）标签、半无源（ｓｅｍｉ－ｐａｓｓｉｖｅ）标签和有源（ａｃｔｉｖｅ）标签三种类型。无源标签没有内装电池，在阅读器的阅读范围之外时，标签处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。当标签进入系统的工作区域时，天线接收到特定的电磁波，产生感应电流，在经过整流电路后，激活电路的微型开关，给标签供电。无源标签具有永久的使用期，只要标签没有损坏，就还可以使用。半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签。标签进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源标签一样源自阅读器。有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为标签与阅读器通信所需的射频能量。有源标签的工作时间限制于电池的寿命。根据通讯方式的不同可分为主动式、被动式和半主动式。一般来说，无源系统为被动式，有源系统为主动式。主动式射频系统用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，调制方式可为调幅、调频或调相。被动式射频系统，使用散射调制方式反射数据，必须利用读写器的载波来调制自己的信号。被动式系统的读写器能量必须来去经过传播路径两次，而主动方式工作的射频标签发射的信号仅经过一次传播路径，可以实现更远的数据传输距离。半主动的ＲＦＩＤ系统类似于半无源标签，标签并不通过自身能量发送数据，只有被读写器的能量场“激活”时，才通过反向散射调制方式传送自身数据。射频识别系统的一个主要性能指标是阅读距离，也称为作用距离，它表示在最远为多远的距离上，阅读器能够可靠地与电子标签交换信息，即阅读器能读取标签中的数据。实际系统中这一指标相差很大，取决于标签及阅读器系统的设计、成本的要求、应用的需求等，范围从Ｏ～１００ｍ左右。典型的情况是，在低频１２５ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ频点上一般均采用无源标签，作用距离在１０～３０ｃｍ左右，个别有到１．５ｍ的系统。在高频ＵＨＦ频段，无源标签的作用距离可达到３～１０ｍ。更高频段的系统一般均采用有源标签。采用有源标签的系统有达到作用距离至１００ｍ左右的报道。根据ＲＦ［Ｄ系统完成的功能不同，可以粗略地把ＲＦＩＤ系统分成四种类型：ＥＡＳ系统、便携式数据采集系统、物流控制系统、定位系统。按其它原则分类还可分为可读写型（ｒｅａｄ—ｗｒｉｔｅ）与只读型（ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ），主动传输（ａｃｔｉｖｅｔｒａｎｓｍｉｔ）和反向散射调制（ｍｏｄｕｌａｔｅｄｂａｃｋｓｃａｔｔｅｄＭＢＳ］，ｐａｓｓｉｖｅｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｏｒｔｒａｎｓｍｉｔ），长识别距离和短识别距离（ｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｖｖｏｅｎｔａｇａｎｄ６用于ＲＦｌＤ系统的天线设计ｒｅａｄｅｒ），有芯和无芯等。一套完整的ＲＦＩＤ系统解决方案包括标签设计及制作工艺、天线设计、系统中间件研发、系统可靠性研究、读卡器设计和示范应用演示六部分。可以广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理和身份认证等多个领域，而在仓储物流管理、生产过程制造管理、智能交通、网络家电控制等方面更是引起了众多厂商的关注．１．２．４射频识别技术的发展【Ｉｏ】与传统的条型码、磁卡及ＩＣ卡等相比，射频卡或标签具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的优点以及具有防冲突功能，能同时处理多张卡片的能力，因此射频识别技术发展很快，市场潜力大。射频识别技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面射频识别技术的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说，射频识别技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，射频识别技术的发展目的在于不断满足日益增长的应用需求。射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括：芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性等。随着技术的不断进步，射频识别产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计，在未来的几年中，射频识别技术将持续保持高速发展的势头。射频识别技术的发展将会在电子标签（射频标签）、阅读器、系统种类等方面取得新进展。在电子标签方面，电子标签芯片所需的功耗更低，技术更趋成熟。其作用距离将更远，无线可读写性能也将更加完善，并且能够适合高速移动物品识别，识别速度也将更加快，具有快速多标签读写功能。与此同时，在强场强下豹自保护功能也会更加完善、智能性更强，成本更低。在读写器方面，多功能读写器，包括与条码识别集成、无线数据传输、脱机工作等功能将被更多的应用。同时，多种数据接口包括ＲＳ２３２，ＲＳ４２２／４８５，ＵＳＢ，红外，以太网口也将得到应用。而读写器将实现多制式多频段兼容，能够兼容读写多种标签类型和多个频段标签。读写器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成本将更加低廉，应用范围更加广泛。在系统方面，低频近距离系统将具有更高的智能、安全特性；高频远距离系统性能将更加完善，成本更低。而２．４５ＧＨｚ和５．８ＧＨｚ系统将进一步完善，应用也将更加广泛。同时，无芯片系统将逐渐得到应用。总而言之，射频识别技术未来的发展中，在结合其它高新技术，比如ＧＰＳ、第一章绪论７生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通信及计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。１．３ＲＦＩＤ系统的天线以及研究现状与进展天线是各种无线系统的不可或缺的部件，同时又是直接影响系统性能的关键核心器件，是整个无线系统的“瓶颈”，天线性能的优劣决定系统能否正常工作或各项功能能否顺利运行。同样，对于射频识别系统，天线设计也是必经的一环，而对不同的可用于ＲＦＩＤ系统的天线的选择和设计，直接影响读写距离、鲁棒性等系统性能指标。１．３．１ＲＦＩＤ系统的天线根据天线在系统中的不同功能和作用，Ｉ沛ＩＤ中的天线可分为标签天线（ｔａｇａｎｔｅｎｎａ）和读写器天线（ｒｅａｄｅｒａｎｔｅｎｎａ）。标签天线不仅作为标签应答器的天线，将标签所存储的信息调制反射，同时还要捕获读写器发射的电磁波，为标签应答器提供能量。由于标签要能够粘贴到被识别的物体上，这就需要标签能够足够小，标签天线也就要求小尺寸，大多数情况下需要标签天线全向或半球覆盖的方向性．由于标签芯片的阻抗一般不是５０欧姆，这就需要标签天线能够实现非５０欧姆与芯片阻抗的共扼匹配，以提供最大功率给芯片。一般情况下，标签需要大规模使用，这就要求标签天线成本低，加工简单。读写器天线发射电磁能量以激活标签，实现数据传输向标签发出指令，同时也要接收来自标签的信息。一般地，由于被识别物体的空间指向可能无法固定，或标签的粘贴方式不确定，这就要求读写器天线为圆极化天线，可以实现物体空问指向发生变化时，不会出现极化完全失去匹配。同时，读写器天线还要求低剖面，小型化，有的要求多频段，甚至于有的读写器需要使用多天线技术，或智能波束扫描天线阵技术。无源ＲＦＩＤ系统中标签维持工作的能量来自读写器发射的电磁波。在这里，我们主要讨论无源系统，来说明天线参数对系统性能的影响［３５．３０ｊ。要将读写距离提高一倍，我们就要把发射功率，天线增益或接收机的灵敏度至少提高１２ｄＢ。首先，我们阐述天线增益对读写距离的影响。当发射功率一定后，ＲＦＩＤ系统的最大识别距离受天线增益，工作频段限制。从射频链路分析，读写器发射的电磁波经过空间衰减传播到标签，然后有反向传播回读写器。认为芯片能够将接收的电磁波能量完全有辐射出去，令读写器的发射功率为焉：２施，胄距离外的标签所处位置的功率密度：８用于ＲＦＩＤ系统的天线设计ｓ：‰筵ｒｅａｄｍｅｒ型‘４ｚＲ。（¨）标签接收到的功率为‰＝墨钆，而钆＝譬，有（１．２）‰＝（４－－刍Ｒ）２％，吆‰（１·３）读写器处来自标签的回波的功率密度为＆：峰ｕｓ，。４ｚＲ。（１．４）这样就有秽＝足ｋ２岛‰乞代入式（１．４），有（１．５）秽＝（翻４％嚷盘益，４。为标签天线的有效面积。定义等效辐射功率，（１．６）其中Ｇｋ。为读写器天线增益，４—，为读写器天线的有效面积，Ｇ培为标签天线增鼻一）＝ｑ‰。Ⅲ，丑一）＝ｑ‰。Ⅲ因Ｇ＝嘭·１．６４，ＧＩ（ｄＢ）＝ｑ（拈）＋２．１５ｄＢ，所以有（１．７）ｑ为相对于各向同性点源的天线增益，嘭为相对于半波偶极子的天线增益。最ｍ）＝最Ｗ）·１．６４，丑Ⅲ）（如）＝最∞）∞）＋２．１５ｄＢ这样式（１．６）就成为只≯＝（去）４嚷Ｇ，一（鼻一）），忍警＝（去４嚷Ｇ，一（１胁最删）（１．８）若读写器的灵敏度为璧嚣篇。，则有读写距离Ｒ；三４石（１．９）从雷达链路角度分析，标签天线与芯片连接后的雷达后向散射截面为仃一，则标签第一章绪论９处的后向散射功率‰一旷＝亟蒜等读写器处来自标签的后向散射回波的功率密度为（１．１０）是＝击＝气铲，‘４石置２（４石）２Ｒ４㈦…’…‘这样就有‘孵＝是ｋ＝岛‰笔＝监铲观：ｆ竽、『＼／Ｌ／（１．１２）根据标签存储信息改变标签芯片的阻抗，可以使仃ｗ发生变化，进而使读写器接收到来自标签的回波发生变化，实现幅度调制和解调，从而完成对标签信息的读取和对被标识物的识别。一般地，常见的反向散射ＲＦＩＤ系统的使用的工作频率范围为９１５Ｍ／－／ｚ、２．４５ＧＩ－－Ｉｚ和５．８Ｇｌ－ｌｚ，相对应的波长为０．３２８ｍ、Ｏ．１２２ｍ和０．０５１ｍ。从式（１．９）可以注意到最大读写距离正比于工作波长，即相同距离对较高频率引起的单程空间损耗大，空间损耗（１．１３）由于天线的尺寸一般正比于所使用的工作波长，频率越低，波长越长，则天线尺寸越大，意味标签的尺寸也会增大，而相同的结构尺寸，对于较高频率可以实现更高增益的天线。在大多种情况下，天线尺寸是限制标签小型化的主要因素。在对ＲＦＩＤ系统的工作频率的选择上，需要我们在空间损耗，天线增益和结构尺寸之间进行取舍和折衷，需要我们对各方面因素进行综合考虑。发射天线和接收天线之间的极化不相同，或来波的极化与天线极化不匹配，会使得天线接收来自来波的功率不能达到最大值，是为极化损耗。设来波电场为丘＝允局，接收天线的电场极化为忌＝允，其中色为来波的酉矢量，允为天线的极化方向，危为与天线的极化方向正交的极化方向。引入极化因子彪Ｆ＝阪·允ｆ＝Ｉｃｏｓ砟ｆ，ＰＬＦ（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ。ＰＬＦ，则有天线接收到的功率Ｐ＝ｆ＇恤·兕，，ｅ．（ｄＢ）＝，ｏ（ｄＢ）＋ＰＬＦ（ｄＢ），其中户螂为极化匹配时的接收到的最大功率。若来波的电磁波为圆极化，极化酉矢量可表示为Ａ＝半（危±』危），用于ＲＦＩＤ系统的天线设计则有儿Ｆ＝１／２，ＰＬＦ（ｄＢ）＝－３ｄＢ。夸ｏ·各ｏ＝０Ｐ口～～～图１．３天线极化与来波的极化方向由极化匹配问题引起的接收功率的降低，会影响到系统性能，对具有特定极化性能的天线选择，也是ＲＦＩＤ系统的建立和天线设计的重要环节。１．３．２ＲＦＩＤ系统中天线的研究现状与进展由于对ＲＦＩＤ技术的应用需求不断扩大，ＲＦＩＤ系统中的天线设计也需要得到不断发展，以设计出满足各种应用要求的高性能天线。ＲＦＩＤ系统作为巨大应用和发展潜力的一种识别系统，对天线的设计提出了前所未有的要求，涉及天线的结构形状、尺寸大小，体积重量、实现方式、带宽特性、方向图特性、极化特性、多天线间的互耦和天线的电磁散射等因素。当前，在ＲＦＩＤ应用中，读写器天线多使用圆极化天线，以微带天线和螺旋天线最为常见，部分特殊应用中也会使用线极化天线；标签天线多为蚀刻／冲压天线或印刷天线，天线形式一般为偶极子及其变形结构，在有些应用中也会要求标签天线具有圆极化特性。文献【１１】与文献【”】中介绍了ＲＦＩＤ系统中标签的阻抗匹配理论，并为具体应用进行了标签天线设计，同时进行了相关实验，但相关理论介绍较为简略，得到的等功率传输阻抗匹配圆为椭圆，准确绘制较为困难，需要对其进行改进。常见的双圆极化天线［２６－２９】多是基于分支线型定向耦合器的缝隙耦合微带天线，文献【２ｓ】所报道的缝隙耦合微带天线，还具有宽带特性。该类方案虽可以实现良好的双端口双圆极化特性，但限制了馈电线路的小型化，需要根据ＲＦＩＤ应用对天线耦合馈电方式进行改造。对于ＲＦＩＤ标签天线的设计，文献【３２】和文献１３３】报道了几种常见的标签天线，其中文献１３２Ｊ中天线均基于短路枝节的类型，易于实现天线与标签芯片的阻抗匹配，而且文献ｐ习中天线性能对弯曲不敏感。但该类天线的天线阻抗的Ｑ值较小，对于一些芯片，无法实现良好的阻抗匹配。文献ｍ】报道了一种阻抗具有高Ｑ值的宽频带标签天线，但由于短路环的限制，该类天线的天线阻抗的实部一般来说都比较小。第一章绪论文献【３６】对读写器多天线系统进行了说明和论述，但对具体的天线设计描述较少，特别是对工作在微波频段的标签天线没有进行具体介绍。文献［３＂／１和文献【３舯介绍了几种微波频段的标签天线，但需要结合读写器多天线系统特点进行设计和改进。对于文献【３６１描述的ＲＦＩＤ系统中金属面的影响，文献【４“３埂供了几种基于天线结构的解决方案，本文还从ＥＢＧ结构的天线应用【４‘Ｍｌ出发，进行了应用于ＲＦＩＤ系统的标签天线设计。现有文献［４９－５ｌ】介绍了采用基于天线ＲＣＳ来对标签天线性能进行分析方面的研究工作。本文中将根据其原理，对多个常见的标签天线的ＲＣＳ使用电磁仿真软件进行计算。本文在文献已有结果的基础上开展研究工作，旨在解决ＲＦＩＤ系统中天线所存在的问题。１．４天线设计中的数值计算软件介绍天线设计中引入数值计算方法使现代天线设计方法进行了一次变革，是天线设计不再是实体天线结构的“ｃｕｔ－ａｎｄ－ｔｒｙ＂，而成为基于理论的精确计算，和根据计算结果进行有效预测和有指导性的设计。现在基于数值计算的天线设计方法已深入到各种类型天线、各种应用天线的研发和设计中。现在使用最多，比较成熟的数值计算方法有矩量法（ＭｅｔｈｏｄｏｆＭｏｍｅｎｔ，ＭｏＭ）、有限元法（ＦｉｎｉｔｅＴｉｍｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ）、时域有限差分法（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＤｏｍａｉｎ，ＦＤＴＤ）等。现在已经开发出基于这几种数值方法的商用软件，如图１．４所示。这几种软件都有各自的特点，面向不同的天线具有各自的特长和不足。比如使用ＩＥ３Ｄ计算平面天线（包括微带天线）时，具有计算速度快，精度高等优点，但建立模型较为麻烦。在ＺｅｌａｎｄＩＥ３Ｄ中，还集成了各种优化工具，提供了３个强大的最优化方案：（１）随机（Ｒａｎｄｏｍ）优化；（２）鲍威尔（Ｐｏｗｅｌｌ）优化；（３）遗传算法（ＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＧＡ）优化。Ｆｏｗｅｉ最优化程序是最好的局部最优化器之一，当起始点靠近目标时Ｐｏｗｅｌ最优化程序可很快达到目标，但是本地最优化器对误差函数效果不好，该功能决定当前状态距离目标的程度，有多个局部最小量。Ｒａｎｄｏｍ和Ｇｅｎｅｔｉｃ最优化器也称为全局最优化方案。它们功能强大，适合对多个变量最优化，但当前状态靠近目标时它们的收敛一般要比局部最优化器慢。通常建议用局部最优化器和全局最优化器的组合实现高效而强大的电磁最优化，与Ｒａｎｄｏｍ最优化器相比，Ｇｅｎｅｔｉｃ最优化器应更智能，对一般目的的电磁最优化来说是一个较好的选择，Ｇｅｎｅｔｉｃ最优化器甚至比Ｐｏｗｅｉｌ最优化器更实用，通常我们可以先使用Ｇｅｎｅｔｉｃ最优化器得到一个较理想的结构，在以这个结构参数为初值，使用Ｐｏｗｅｌｌ最优化器，得剐更好的结构嘲。当然ＺｅｌａｎｄＩＥ３Ｄ的优化工具使用可能不是很方便，功能不是用于ＲＦＩＤ系统的天线设计很强大，用户还可以自己编写优化程序，调用ＩＥ３Ｄ仿真器，实现自己优化方案与已经发展成熟了的ＩＥ３Ｄ捆绑使用。ＦＥＫＯ和ＳｕｐｅｒＮＥＣ可以快速准确地计算线天线，当前流行的版本已经具有常用天线库，方便天线模型的建立。现在使用最为流行的软件为Ａｎｓｏｔ＝ｔ公司开发的ＨＦＳＳ（Ｈｉ曲ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｔｒｕｃｔｕｒ℃Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）。ＨＦＳＳ功能强大，建立模型方便主观，不仅可以用来计算天线，也可以进行滤波器设计，还可以与Ｄｅｓｉｇｎｅｒ集成，实现天线与微波电路的系统分析。当前所有的电磁问题基本都可以使用ＨＦｓｓ进行计算，其特有的自适应网格划分保证了它具有其他软件很难达到的准确性和方便性，解决了由于网格划分不正确引起的计算错误问题。当然，由于其计算方法本身缺陷和为实现强大功能而带来的其他问题，ＨＦＳＳ计算速度较基于矩量法的计算软件慢，精确计算复杂结构的超宽频带问题的能力差，对计算平台的配置要求更高。对于时域问题的解决，ＸＦＤＴＤ具有自身特有的优势，不仅体现了ＦＤＴＤ算法的特点，简化了模型建立，可以方便地设置各种边界，还可以对电磁分布、传播进行时域动态演示。图１．４数值计算方法以及相关软件每种设计软件在针对不同问题时，其特点各不相同。比如ＦＥＫＯ和ｓｕｐｅｒＮＥＣ计算线天线时，速度侠，计算量小，而如果使用ＨＦＳＳ，虽对一些简单问题也可以快速地给出结果，但未免显得浪费，对于一些复杂结构迸行分析时则费时、计算量大，有可能无能为力。这就需要我们在研究不同问题或设计不同天线时，需要合理选择适合的计算方法和正确应用计算软件。本论文中，在对ＲＦＩＤ系统中的天线设计和相关问题分析中使用到了ＨＦＳＳ、ＩＥ３Ｄ和ＸＦＤＴＤ等。在这里，我们不再对各种算法和计算软件做更为深入介绍，第一章绪论现已有大量文献对这些内容做了说明和论述，有兴趣者可以查阅相关资料。１．５论文主要工作及内容安排本文的主要工作是为ＲＦＩＤ系统设计满足应用要求的天线，对部分天线进行了制作和测量，并根据ＲＦＩＤ系统的具体应用，对天线设计中的相关问题进行了分析和讨论。本文介绍所设计的一种透射式ＲＦＩＤ系统以及设计该系统的方法，还根据具体应用设计出一种具有紧凑结构的双圆极化缝隙耦合微带天线和一种新型的微波频段的双频标签天线，给出了仿真与测量结果，文中还对ＲＦＩＤ系统应用中出现的问题进行了分析和讨论，并进行了金属体表面上的标签天线设计，使用仿真软件对相关设计方案进行了性能分析；最后还阐述了基于天线ＲＣＳ的标签天线性能分析方法。本文的内容安排如下：第一章绪论，介绍了选题的背景和研究的价值及意义；简要介绍了ＲＦＩＤ系统和ＲＦＩＤ技术，阐述了ＲＦＩＤ系统的工作原理，并介绍和讨论了ＲＦｌＤ系统的天线以及天线对系统性能的影响；对天线设计应用到的仿真软件耶ＳＳ、ＩＥ３Ｄ、ＸＦＤＴＤ也作了简略的介绍。同时，指出了本文的主要工作。第二章对标签设计中的天线与芯片阻抗匹配问题进行了讨论，设计出了一种新型透射式ＲＦＩＤ系统，给出了与所用到的ＲＦＩＤ芯片匹配连接的微带天线的设计方法，并测试了系统性能。第三章对ＲＦＩＤ系统中的圆极化天线的实现方法进行了论述，给出了在ＲＦＩＤ系统中常见的缝隙耦合馈电微带天线的理论模型和分析方法，并根据实际应用，对一种具有紧凑结构的双圆极化微带天线进行了设计和测量。第四章从天线设计的角度出发，通过设计具有合适性能的天线结构来解决ＩＬＦＩＤ系统设计与应用中遇到的问题。为标签芯片和天线之间的匹配连接问题给出了天线设计解决方法，讨论了标签天线中的短路枝节，还设计出一种梯型标签天线；根据读写器多天线的ＲＦＩＤ系统的要求，设计了双频标签天线，并进行了性能测量。第五章对ＲＦＩＤ应用中经常会遇到的金属体对系统性能影响问题进行了分析和讨论，给出了金属体表面上的标签天线的设计方案以及性能仿真分析与计算：说明了基于ＲＣＳ的标签天线性能分析的原理和方法，并应用ＨＦＳＳ对多个标签天线进行了分析，计算了天线在端口接不同阻抗时的ＲＣＳ。结束语对全文的工作加以总结，并提出了文中尚未解决、需要改进和进一步研究与探索的问题。第二章标签天线与ＲＦＩＤ芯片的阻抗匹配第二章标签天线与ＲＦＩＤ芯片的阻抗匹配常见的射频识别系统主要由读写器和标签组成，标签设计是射频识别系统设计最重要的环节，也是性能指标要求最苛刻、最难实现的一部分，标签性能直接决定整个系统性能的优劣。标签由标签天线和标签芯片组成，它们之间能否实现良好的连接和功率传输，直接影响到系统的架构和各项功能的实现，关系到系统能否达到相关的指标。因此，有必要对标签天线与ＲＦＩＤ标签芯片的连接进行分析，并对阻抗匹配问题进行讨论。２．１标签天线与ＲＦＩＤ芯片的阻抗匹配理论标签的一个最重要的性能指标就是识别距离，所谓识别距离就是ＲＦＩＤ读写器与标签之阅读写器能够检测到来自标签的反向散射信号的最大距离。相比较而言，读写器一般具有较高的灵敏度，识别距离主要由标签的性能决定。特别对于无源标签，由于维持和激励标签工作的能量来自所捕获的来自读写器的射频能量，标签天线与芯片的匹配情况直接影响到标签电路能否正常运转和芯片是否具有足够的能量进行反向散射通讯，进而影响到识别距离远近。”ｊ：≈！图２．１标签等效电路为了获得最大功率传输，与天线连接的芯片的输入阻抗必须和天线阻抗共轭匹配。当工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，标签天线的开发基于的是５０或者７５欧姆输入阻抗，而在ＲＦＩＤ应用中，芯片的输入阻抗可能是任意值，随频率变化而变化，也会因为输入功率的不同而有差异。天线与芯片之间实现合适的阻抗匹配在ＲＦＩＤ中极其重要。当前，新的Ｉｃ设计和制造是需要巨大投入的，这就需要设计出可以与已有芯片匹配的标签天线。在ＲＦＩＤ标签中，由于制造以及成本问题，通过添加匹配网络的方法实现天线与芯片的匹配是行不通的。为解决这个问题，需要天线具有较宽的阻用于ＲＦＩＤ系统的天线设计抗实现范围，能够通过调整天线结构和尺寸可以直接匹配到芯片上。如何设计可以匹配与任意输入阻抗芯片的天线是ＲＦＩＤ系统中天线设计不可回避的问题。对标签分析，得到其等效电路。如图２．１所示。其中乙为天线阻抗，乙＝尼＋Ⅸ，乙为芯片阻抗，乙＝足＋Ⅸ。此处，定义复功率波反射系数Ｊ：，：孕要（２－１）ｚｏ＋ｚｃ功率反射系数＂：Ｈ２＝１缓１２＝Ｉ等渊２（２－２）令妻＋，兰铲＝ｒ＋抄＝乏为归一于Ｒ的天线归一化阻抗，则有Ｈ２＝睁Ｚ－ａ－１～＝ｌ到（２．３）这样，就可以应用传统的史密斯圆图来描述天线与芯片的阻抗匹配问题，即云的实部与虚部如一般的归一化阻抗在圆图上标示ｆ１１１，厄的各个归一化阻抗点所在位置到圆心的距离为复功率波反射系数Ｊ的大小，而各个归一化阻抗所在位置到圆心为等距离的阻抗点轨迹组成了同心圆，为等功率反射圆。圆心点为阻抗理想共轭匹配点，最边沿的同心圆为代表完全失配情况，有㈦＝１。也可定义功率传输系数ｆ，￡＝只ｆ，只为标签天线捕获来自读写器的能量，只为标签天线传输到芯片的能量［１”。对于无源标签，认为读写器具有足够的灵敏度，识别距离则由可保障唤醒标签电路下，标签与读写器之间的最大距离决定【１３１。根据自由空间ＦＲＩＩＳ传输公式，有识别距离，：三陋（２－４），＝——卜‘Ｊ—ｏ４万、ｆ晶第二章标签天线与ＲＦＩＤ芯片的阻抗匹配１７其中，只为读写器的发射功率，Ｇ，为读写器发射天线增益·ｑ为标签接收天线的增益，昂为唤醒标签电路的最小门限功率。可以注意到，功率传输系数ｆ直接影响到识别距离。可根据标签等效电路，有ｆ；丁；！蔓妥，０－＜ｆ≤ｌ舷＋乏ｒ（２．５）ｆ＋奸－－Ｉ（２·６）令吒＝套，乞＝等，Ｑ２老，则有等功率传输圆方程：（２‘７）［乞一ｅ一１）】２＋阮＋Ｑ】２＝亏（１一ｆ）根据式（２．７），可得到天线与芯片连接的等功率传输阻抗匹配圆图，见图２．２。ｘ轴坐标代表归一化实部‘＝兄／足，Ｙ轴坐标代表归一化虚部吒－－ｘ，，疋，在图２．２中绘出的各个圆为等功率传输圆，分别实现功率传输为１、Ｏ．７５、０，５、０．２５，等功率传输圆的半径也依次从小到大，为０、１６／９、８、和４８。ｘ轴为谐振线，谐振线上所有点满足以＝一以，Ｙ轴为完全失配线，可以认为当ｆ寸０时等功率传输圆逼近为它的切线，这就是Ｙ轴，其上的点不可能实现功率传输。图２．２天线与芯片连接的等功率传输阻抗匹配圆图用于ＲＦＩＤ系统的天线设计当芯片与天线谐振时，兄＝－ｘ．，则有‘＝也以一仁一１）】：：乓（１一，）【ｆ‘一（２一ｆ）】２＝４（１一ｆ）左右求导：（２－８）（２—９）趣亿一∽小外‘老＋毒叫毫生：陋±１２１二堡丸２吃（２－１０）（２－１１）当ｆ：１时理想匹配，譬：０，当ｆ；ｏ时完全失配，譬：０。叱叱可见，理想匹配和完全失配均为‘对ｆ影响的稳定点。对于固定的惫、鲁，有（２－１２）老＝－ｓＱＡ．＋争２妻附争２＋彰ｏ＋套２】－２时，老锄ａ当Ｑ＝０时，即置＝０时，同时认为五＝０，有㈣，，当芯片内部阻抗为容性，即Ｑ＜。时，老＞。，当芯片内部阻抗为感性，即Ｑ＞。ｆ；黑，（足＋疋）２（２．１４）由以上可得下图２．３。结论：在天线和芯片连接时，对于固定的等，妻，从功率传输的角度看，应第二章标签天线与ＲＦＩＤ芯片的阻抗匹配要求Ｑｃ尽可能小。，＾１／＼、０如７图２．３功率传输系数ｆ随Ｑｃ的变化曲线对于一般标签天线，阻抗的实部较虚部变化缓慢。这样可结合阻抗匹配圆图，先根据芯片性能和预达到的功率传输系数确定应满足要求的名，然后调节阻抗虚部，使得天线的归一化阻抗在图２．２中的满足要求的等功率传输系数圆内，达到功率传输设计要求。该阻抗匹配圆图不仅可以用在ＲＦｌＤ标签设计中，也可以用在其他应用设计中，具有重要的理论意义和工程应用价值。２．２基于标签天线与ＲＦＩＤ芯片阻抗匹配的应用随着射频技术的不断成熟，射频识别技术（ＲＦＩＤ）得到了广泛的应用，实现方式各异的射频识别系统进入各种具体的应用场合。目前，各种矿难频频发生，给人民的生命和觅ｊ产安全构成很大威胁。因此，研究用于矿井下的新型ＲＦＩＤ系统，对于正确记录井下矿工人数、保障矿工生命安全和指导各项营救措施的进行具有极其重要的意义。本文根据具体的矿井作业实际，提出了一种新型的透射式ＲＦＩＤ系统，来实现对通过门禁的人员人数进行记录。在该系统中，使用了～款遵循ＩＳ０１８０００．６Ｂ协议的ＵＨＦ频段的ＲＦＩＤ芯片，并设计了与之匹配的微带天线，使得该系统在电磁波激励下输出可检测到的直流电压，通过对该直流电压的检测，记录通过门禁的人员人数。２．２．１透射式ＲＦＩＤ系统的机理一般的ＵＨＦ频段ＲＦｍ系统通常采用反向散射调制。鉴于实际情况和便于实现。本文中的ＲＦＩＤ系统采用了透射式机理。如图２．４所示。当发射天线和接收天用于ＲＦｌＤ系统的天线设计线之间没有障碍物时，检测电路可以检测到射频芯片输出的直流电压；当发射天线和接收天线之间存在障碍物时，射频芯片输出的直流电压为零。当有运动的物体经过通道时，射频芯片输出一个波动的低频信号，即从一个直流电平跳到零电平；而当障碍物通过后，射频芯片输出又从零电平跳回原来的直流电平。这样就可以将通道人员信息调制到接收电路的信号中。检测电路检测到这个波动之后，触发初始值为零的累加器自加一，并显示当前累加器值，而经过多次触发以及自加一后，该累加器当前显示值，即为已通过通道的人员人数。当下井人员依次通过装有该系统的通道时，该系统可以实现对通过人员人数的自动记录。该系统与红外线系统相比，可以避免因小动物引起的错误记录。图２．４透射式系统２．２．２系统设计由于ＵＨＦ频段的ＲＦＩＤ系统具有波长适中、远场耦合、标签较小、空间衰耗小、工作距离相对较远等优点，在对该透射式系统的实现中，采用了ＵＨＦ频段。在系统中选用了遵循ＩＳＯｌ８０００－６Ｂ协议的ＵＩ－ＩＦ频段ＲＦＩＤ芯片ＦＭｌ６０１Ｃ。该芯片不需要外部供电，通过天线从空间中的电磁波获得能量，输出低频信号，适用于需要较长操作距离的应用领域。该芯片的内部阻抗为１５＋ｊ２０１＂２。众所周知，当天线输入阻抗和芯片内部阻抗共扼匹配时，可以获得天线与芯片间的最大功率传输。因此，设计接收天线时，需要设计出输入阻抗为１５－ｊ２０ａ的天线。基于对该系统的考虑，我们选择了微带天线。现有大量的微带天线端口都与５０９ｌ相匹配。如何设计出非传统匹配的微带天线，成为系统中天线设计的主要问题。此处，我们作以下考虑：首先不能使用特性阻抗为５０ｆ２的微带馈线，本文中选择了宽度为１．５ｍｍ的微带线作为馈线；其次，在共扼匹配点，应该使天线的输入阻抗对微带馈线长度变化不敏感，这样便于芯片和天线的焊接，不会因为焊接点的微小变化，引起天线输入阻抗的较大变化。这里，我们使用ＦＩＦＳＳ来对天线进行参数分析，获得了稳定结构．为了得到输入阻抗为１５ｄ２０Ｑ的天线，简化搜索空间，首先确定了微带辐射贴片的尺寸（１００ｍｍｘｌＯＯｍｍ）和底板尺寸（２００ｍｍｘ２００ｍｍ），微带馈线的宽度为１．５ｒａｍ，介质板的相对介电常数为２．６５，厚度ｌｍｍ。第二章标签天线与ＲＦＩＤ芯片的阻抗匹配２１在对该天线的其它结构参数的确定过程中，我们以阻抗为优化目标，采用ＩＥ３Ｄ的遗传算法优化工具来设计天线的几何参数。第一种方案，使用一个变量进行搜索：确定馈电点在贴片边沿的中点，通过改变馈线长度来获得共扼匹配的输入阻抗。第二种方案，使用两个变量进行搜索，通过改变馈线长度和馈点位置来获得共扼匹配的输入阻抗，如图２．５所示。方案一比较简单，但其搜索范围较为狭窄；方案二可实现大范围的搜索，具有灵活性，但可能会引起天线极化方向的偏离。■＿＿微带天线贴片初始结构方案一搜索结果图２，５天线结构搜索方案二搜索结果以阻抗为优化目标。使用ＩＥ３Ｄ的遗传算法优化工具进行搜索，得到了输入阻抗为１５－ｊ２０ｆｌ的天线结构。射频芯片与天线连接电路如图２．６所示。经ＩＥ３Ｄ计算以及使用ＨＦＳＳ对优化后的天线结构的性能进行分析可知，由两个方案得到的天线结构的天线输入阻抗分别为１５．９－ｊ２１．１和１０．８－ｊ２１．１，由式（２－２）和（２－６）计算可知，天线与芯片之间的功率反射系数为０．００２１和０．０２８３，功率传输系数分剔为Ｏ．９９７９和Ｏ．９７１７，天线增益为５．９ｄＢ，前后比为１７ｄＢ，半功率波瓣宽度为７６度。［Ｈ勉芭Ｈ勉２．２．３测试结果ａｎｔｏｎｎａ．图２．６射频芯片与天线连接电路选择合适的馈线长度（方案一中，Ｌ－＇－＇－＝２３ｍｍ；方案二中，Ｌ＝３２ｍｍ），尽量满足小功率反射。加工制作了天线。将芯片和天线连接后，对该系统在电磁波激励下的用于ＲＦＩＤ系统的天线设计直流输出电平进行了测量。射频功率源输出ＵＨＦ能量，发射天线采用对数周期天线。方案二天线的极化方向发生偏移，不再垂直于贴片上下边沿。在辐射电磁波的照射下，距离２ｍ外的微带接收天线获得射频功率，经过ＲＩＦＤ芯片ＦＭｌ６０１Ｃ，输出的直流电压分别为３ｍＹ和３．５ｍＶ（发射天线和接收天线极化匹配时的测量值）。当人体处于发射天线和接收天线之问，阻挡了电磁波传播时。检测电路显示输出电压为０．１ｍＶ。当人从发射天线和接收天线之问经过时，输出电压从３ｍＶ减小为Ｏ．１ｍＶ，又从０．１ｍＶ回到３ｍＶ，用此波动触发累加器则可记录通过的次数，当要求该通道为单向，则可以自动记录通过的人数。表２．１ＲＦ源发射功率天线增益（ｄＢ）发射５实验中各项参数的具体数据传输距离直流输出电压（ｍｖ）无遮挡３／３．５ｌ（ｄＢｍ）１３接收５．５／５．９（ｍ）２有遮挡０．１２．２．４结论本文提出了一种新型的透射式ＲＦＩＤ系统，论述了ＵＨＦ频段与ＲＦＩＤ芯片匹配的微带天线设计方法，将芯片和天线连接后，实现了该透射式ＲＦＩＤ系统，并对该系统在电磁波激励下的直流输出电平进行了测量，还进行了人员经过通道的实验。测试结果表明，该系统可以实现基于透射式ＲＦＩＤ机理对通过人员数目的自动记录，若通道使用两个相互平行放置的透射式ＲＦＩＤ系统，各个系统使用的天线极化正交，还可以进行对人员流向的标示，达到了设计目标，满足实际应用需求。同时也证实了与该芯片直接匹配的微带天线的设计方法的正确性和可行性，对其它ＲＦＩＤ系统中芯片和天线在无匹配网络时的直接连接实现方法具有重要的参考价值。２．３小结本章首先对标签天线与ＲＦＩＤ芯片的连接问题进行了分析，对相关的阻抗匹配理论和概念进行了说明，得到了天线与芯片连接的等功率传输阻抗匹配圆图，并对相关问题进行了讨论。在本章中，我们还应用阻抗匹配理论进行透射式ＲＦＩＤ系统设计，使用相关的电磁计算软件设计出了与ＲＦｌＤ芯片良好匹配的微带天线，并对系统进行了试验和测试，证明了设计方法的正确性。第三章ＲＦＩＤ系统中四极化天线设计第三章ＲＦＩＤ系统中圆极化天线设计３．１ＲＦＩＤ系统中圆极化天线的实现方法一般地，由于被识别物体的空间指向可能无法固定，或标签的粘贴方式不确定，这就要求读写器天线为圆极化天线，可以实现物体空间指向发生变化时，不会出现极化完全失去匹配，当然标签和读写器在读写时能够保持固定位置和指向时，可以使用线极化读写器天线以获得３ｄＢ强的信号。在有的ＲＦＩＤ无线通讯系统中，还会使用到圆极化调制方式【ｌ５１，使用圆极化调制可以很显著地降低系统对带宽的要求，简化了数据通讯方式，见图３．１，很适合一般来说数据通讯量都不是很大的ＲＦＩＤ系统。这就不仅要求读写器发射天线为双端口双圆极化天线，还需要标签天线也为双端口双圆极化天线。电磁波极化“右旋”向电磁波极化“左旋”向接收端口２图３，１圆极化调制通讯系统工作原理用于ＲＦＩＤ系统的天线设计在读写器天线设计中，一般应用中的单端口实现一种圆极化的ＲＦＩＤ读写器天线选择螺旋天线或微带天线。螺旋天线设计方法成熟，成本低，但天线尺寸大，以ＥＢＧ结构代替传统金属地板可实现低剖面圆极化的螺旋天线，可用于ＲＦＩＤ的读写器【悯。在微波波段的ＲＦＩＤ系统常会使用到圆极化调制（ＣＰＭ）。圆极化调制（ＣｉｒｃｕｌａｒＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）其原理为发射左手匾Ｉ极化（ＬＨｃＰ）波表示逻辑“ｏ”，发射右手圆极化波表示逻辑…１。读写器和标签都需要具有极化可切换意义上的圆极化天线。交叉极化隔离度对系统性能影响显著，交叉极化隔离度从５ｄＢ提高到２０ｄＢ，则最大传输距离可提高２０％。若使用反向散射调制，照射到标签的入射ＬＨＣＰ波被散射调制为ＫＨＣＰ波向读写器再发射，这个过程相对于使用线极化标签天线读写器天线为圆极化的ＲＦＩＤ系统，可以有６ｄＢ的增益转化，使得读写器接收到的信号强度比前者高６ｄＢ。对于读写器天线为圆极化标签使用线极化天线的ＲＦＩＤ系统，要经过两次因极化不完全匹配引起的功率损失，线极化的标签接收来自读写器的圆极化波，损失一半的功率，而读写器读取来自标签的应答信号，也会因极化不匹配而损失３ｄＢ的功率。不论采用那种调制，都需要高的交叉极化隔离，而且对于标签的天线，同时需要高的端口隔离。为了减小上行通讯时收发路径间的串扰，高的端口隔离度也非常非常重要。口２口３图３．２３ｄＢ分支线型定向耦合器传统的双端口双圆极化天线设计一般基于分支线型定向耦合器Ｉｌ－ｑ。３ｄＢ分支线型定向耦合器能够实现９０度相差的等功率分配，两个输入端口能够实现高隔离，如图３．２所示，如果分支线型定向耦合器的各个端口匹配良好，信号从ｌ端口输入，４端口没有输出，为隔离端，端口２和端口３的相位差为９０度。当端口２和端口３分别与对称结构线极化天线的两个在空间正交的隔离馈电端口匹配连接，这样该天线就可以实现双端口双圆极化天线，如图３．３。图３．４中就是几种常用的双端口双圆极化天线，使用双层介质板，一层为馈线层，一层为辐射层，间以带有耦合缝隙的金属覆铜，３ｄＢ分支线型定向耦合器或微波网络枝节由馈线层下方的微带线与金属覆铜地板构成，辐射层上方的覆铜贴片与金属覆铜地板构成微带天线，辐射层与馈线层共用金属覆铜地板，馈线层通过金属覆铜地板的耦合缝隙向辐射贴片耦合馈电，该缝隙耦合微带天线具体结构和性能将在下一节介绍·合图３．３基于３ｄＢ分支线型定向耦合器的缝隙耦合微带天线ＢＣＤ图３．４常用的双端口双圆极化天线用于ＲＦＩＤ系统的天线设计３．２缝隙耦合微带天线的理论模型在ＲＦＩＤ系统的双端１２１双圆极化天线多使用基于各种馈电网络的缝隙耦合微带天线。缝隙耦合微带天线具有低剖面结构，易于和微波电路连接等特点。缝隙耦合馈电微带天线由双层介质组成，带有缝隙的金属覆铜地板将辐射贴片与馈线分隔开，不仅缓解了天线辐射单元与馈电网络之间对布线空间的竞争，减少了馈线以及与之连接的电路对辐射性能的影响，而且地板抑制了馈线和有源器件对天线所在半空间的寄生辐射，提高了微带天线性能。一般地，辐射层介质使用低介电常数介质不仅提高辐射特性，还可以展宽天线频段，而馈线层多使用高介电常数介质；辐射层介质层较厚以展宽天线频段和提高辐射能力，而馈线层则要求尽量薄，以减小寄生辐射，获得良好的传输性能。该结构能够分隔了辐射层介质和馈线层介质，可以根据不同性能要求选择不同的介质。带有缝馈线层介茎缅辐射层乏绥贴图３．５缝隙耦合微带天线结构现在，对于缝隙耦合微带天线的分析方法有好几种，比如空腔模法嘲，模式展开法【１盯，谱域法【柳，基于互易原理和特殊格林函数的矩量法［２０，２”，传输线矩阵法【２２】，传输线法１２３】等和一些其它的简便计算描述方法【２４］，各有自己的特点和优势。在这里，我们给出基于互易原理和特殊格林函数的矩量法分析方法和传输线法。矩量法原理明晰，推导严格，计算准确较为麻烦，但适合于对该类天线的辐射机理进行说明；传输线法简单直观，能够直接给出各个参数对天线性能的影响，可用于对天线设计的指导。下来我们分别对这两种方法给予阐述。在对缝隙耦合天线的分析可基于微带馈电的缝隙天线的分析。对于微带馈电的缝隙天线的矩量法分析，可使用分段正弦（ｐｉｅｃｅｗｉｓｅｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ，ＰＷＳ）模式来代表缝隙场。苎三兰！墨旦墨竺！婴堡些墨垡堡茎当微带线被认为是无限长时。传播准ＴＥＭ波：一一．————————丝髀堂，｝曩（３－１）１五６‘ｚ）＿ｈ，帅乒’满足Ｌｆ＝ｏ亭×｜ｊ；·批＝１（３－２）由于在ｘ－－Ｏ处的不连续性，则有丘＝ｒ翟ｑ些ｉ例ｘ＜０ｍｆ：喾肚’篓令ｐｓ，｛善豪筹：雾，、羁＋：ｉｆＪ鼬．Ａ一；．－‰Ｊ鼬ｊ则有ｃｓ哪重＝｛豆苗一’嚣协｛曰Ｚ一’嚣，Ｒ和Ｔ分别为电压波反射系数和传输系数。由互易定理，有帮∽，ｆ雳×豆＋．毋＝【伊×雷·裾硒（３－６）其中，微带线横截面Ｓｏ：㈤＜Ｙ＜栅；Ｏｓｚ＜棚），咒：缝隙面，矗×矿＝０，Ⅳ×。－－…ａ．＾．Ｘ＾：（３。７）（３－８）＆：（ｙ一佃，ｚ—００，ｇ＿－－ｏ），卉×盂＝ｎ×伊－－０ｓ＝Ｓｏ＋Ｓ。＋ｓｗ·令眙％锹，ＩｘＩ＜ｒｒ／２，小ＩⅢ，乞＝毛辱了洒。７曰＋·席（３－９）ＰＷＳ模等效波常数（３·１０）由互易定理，有：Ｌ（伊＋Ｒｆｆ）×伊·麻＋工：７雷＋×霄＋·击＋￡茬×霄＋·击＝乓哥×（ｆｉ＋＋廊一）·击＋乓争ｘ方程两边减去Ｌ伊×晴＋·瘟，代入式（３４）、（３－５），由毛五的归一性，则有用于ＲＦＩＤ系统的天线设计图３．６微带馈电的缝隙天线结构．·．震＝ｉ１ｋＥ－－×霄＋·卤＝丢Ｌ聪量×如‘脾访＝圭￡圪《聋×（ｈｐ＋吃２弦叫班如出（３－１２）·．’．Ｉ．，《五，可认为矿伽对在积分中膏不变为缝隙所在处Ｘ轴坐标，即ｘ－ｑ），Ｆ’伽；１，．·．置＝圭％￡《ｏ，ｙ）砂协，力·出（３－１３）令ＡＶ－－ｋ《似力坝薯力·ｄｓ，又应用互易定理：（３－１４）．·．Ｒ：姿缸（３－１５）ｆ雪×詹’·虑＝￡哥×詹·布（３·１６）···乓（伊＋兄｝）×曰一·击＋Ｌｚ妒ｘ厅一·布＋￡雷×厅一·瘟＝￡争×（１７ｉ＋＋见詹一）访＋Ｌ于ｘ捕＋·国方程两边减去乓尼昆一×力亨一·荫，代入式（３－４）、（３－５），由ｉ，石的归一性，则有ＥｘＨ－．ｄｇ＝２Ｔ２＋Ｌ也（３－１７）而Ｌ豆×霄一·击＝Ｌ％《圣×（－庇’肛）·虑＝＿２Ｒ．’．Ｔ＝１－Ｒ（３一１８）（３－１９）在缝隙处，由只，的连续性：Ｈ；＝Ｈ；＋Ｈ：‘３－２０）其中影为由％《产生的ｚ＜０部分的场；日：为由％《产生的ｚ＞ｏ部分的场；第三章ＲＦＩＤ系统中圆极化天线设计彰为产生的ｚ＞ｏ部分馈线模式场·现在，在工＝Ｏ－（或耳＝Ｏ＋），由１－Ｒ＝Ｔ，有（３－２１）定义格林函数Ｇ铲，有蟛一嘭；形＝Ｋ￡眵ｏ，ｙ；ｘｏ，ｙｏ）．ｅ：Ｃｘｏ，ｙｏ）ａ，ｏ（３－２２）．·．Ｋ￡（≯ｏ，Ｙ；，Ｘｏ，ｙｏ）．ｅ：（Ｘｏ，ｙｏ）ａｓｏ。ｏ一回％（量力（３－２３）对上式乘，．一，ａ，再在疋上积分，有％Ｌ￡《（以ｙ）（≯（ｘ，ｙ；ｘｏ，ｙｏ）·ｅ；（ｘｏ，ｙｏ）ａＳｏａＳ＝（１一只）Ｌ《（‘力哆ｏ，ｙ）ｄｓ令ｒ＝￡￡《（毛力Ｇ：≯（矗Ｙ；Ｘｏ，ｙｏ）。ｅ；（ｘｅ，ｙｏ）ａＳｏａＳ（３－２４）为缝隙的外部导纳，有％ｒ＝ＡＶ０－Ｒ），（３－２５）．·．Ｋ＝淼，五＝五ｉ会军≥歹，ｒ＝五万；摹≥Ｆ＝ｔ—Ｒ（ｓ—ｚｓ）由Ｔ＝Ｉ－Ｒ，得（雷＋－Ｒ＃＋）０＝ＴＨｒ＋Ｉｏ．，这样缝隙的不连续性可视为串联到微带线的辐射阻抗，有以下等效电路，见图３．７。口————［＝二二卜———哆口————仁＝＝＝］＿———＿日－＿——一开路枝节｛忍岔ｚ历ｚ历！乃有限长微带线ｃｋ————．．．—————．．．—．．——．．．ｏ：Ｏ——．，—．——．．—．．——．．——————０－．．．．．．一无限长微带线ｊ图３．７微带馈电的缝隙天线等效电路对于无限长微带线，肛羰＝去，（ｚ＋乙）＋互ｚ＋２五㈤．·．ｚ＝乙羔＝乙等（３．２８）用于ＲＦＩＤ系统的天线设计对于有限长微带线，胄＝篆｛差耋糍－对微带线的终端接匹配负载，测量输入端可以得到辐射阻抗。ＰＷＳ模式将《展开为一系列的ＰＷＳ模式（Ⅳ个）：［２２ＱＱ立墨丕盗埝《＠，力＝∑Ｋ艺（墨），）＝∑％圭￡＠一儿）Ⅲｎ＝ｌⅣ（３—２９）其中：‘：｛里！掣，当Ｉｙｌ＜矗，只：一三／２＋砌，＾：三／（＾ｒ＋Ｉ）（３．３。）【ｏ，当ＪｙＩ＜＾为ＰＷＳ模半长，进行离散化，并经过以上推导过程，做傅立叶变换，应用矩量法，得到矩阵方程：【ｒ】【纠＝（Ｉ－Ｒ）［Ａｖ］（３—３１）．。∥】＝ｐ＋三［卅【卅７－１［ＡＶ］，Ｒ＝ｌａＹ］秒】，从而得到Ｚ。其中，【明为电压向量，【Ｐ】为外部导纳矩阵，【Ａｖ】为不连续电压向量。（３－３２）轴图３．８缝隙耦合微带天线结构在微带线馈电的缝隙天线，地板另一面加一层介质和微带贴片单元，就成为了缝隙耦合微带天线。缝隙耦合微带天线的耦合缝隙较缝隙天线的缝隙的谐振长度要短，单个ＰＷＳ模式足够代表缝隙内的场，同时认为耦合到贴片的电场为缝隙中的磁流皿＝多《激励产生的，将贴片电流展为全域基模式，基函数在善轴方向第三章ＲＦＩＤ系统中圊极化天线设计变化。沿ｙ轴不变，即认为贴片电流只沿ｘ轴流动而在边沿满足切向电场为零的边界条件，有Ⅳ其中，厶＝∑Ｌｒ（力五∽，“‘体西（３—３３）＠＋砖＜，¨＜∥Ｏ＝等仉无◇＝埘Ｈ０％＞晖仉抄陟砟％＞Ｏｏｑ由边界条件：巨Ｉ．咖一矽一脚＝ｏ，有彰＋《＝ｏ，则由缝隙磁流产生的入射电场（３—３５）Ｅ＝一￡粪‘∥瓴珑饥）《７＠，”而，朋）弼使用矩量法，有【Ｖ】－【Ｚｌ［／ｌ其中，贴片阻抗矩阵（３．３６）（３－３７）Ｚ黼＝一Ｅ￡∥。ｗ瓯珑。悦饥）Ｇ量（以ｙ；ｘｏ，儿）凼‰匕＝Ｌ《∥（ｘ）呃（力凼（３－３８）＝ＬＥ《ｏ，Ｙ；Ｘｏ，儿）（≯（ｘ，Ｙ；Ｘｏ，Ｙｏ）ｆ／（ｘｏ）Ｌ（Ｙ）ｄｓｄｓｏ为电区向量，厶为电流向量ａ（３－３９）由于贴片的存在，在缝隙的ｒ之外，产生了ｌ，４，ｙ口可看作贴片对缝隙导纳的影响：Ｙ４－【Ｖｌ，【ｚｒｉｖ】（３－４０）将原来的ｒ替换为Ｙ。＋Ｐ，可以认为缝隙辐射阻抗与耦合贴片辐射阻抗并联，则有ｚ＿乙筹础上延伸０．４倍的介质厚度。（３４１）这样，对于微带馈线终端为长度厶。的开路枝节的缝隙耦合微带天线，输入阻抗为乙＝ｚ一尼ｃｔｇ（卢ｚ枷）。考虑到边沿场的影响电长度上枷应在物理长度的基以上所用格林函数中，Ｇ≯为Ｙ向磁流元在空间一点产生的Ｙ向磁场疗，，（掣为ｘ向电流元在空间一点产生的毒向电场巨，Ｇ∥为），向磁流元在空间一点产生的ｘ向电场Ｅ。用于ＲＦＩＤ系统的天线设计以上是基于互易原理和矩量法对缝隙耦合微带天线进行的分析，从中可以了解到该类天线辐射机理和特点。在这一节剩下的篇幅，我们将介绍缝隙耦合微带天线的传输线分析方法。该方法可以给出一些参数对阻抗的影响。ｙ图３．９缝隙耦合微带天线结构第一步是对辐射贴片的分析，如图３．１０。将微带辐射贴片看作只在ｘ轴方向传播的ＴＥＭ波的传输线，其边沿接Ｇ＋归的负载而产生反射。Ｚｌ和Ｚ２分别为从Ｉ、ｌＩ面看入的输入阻抗，则有ｚ删＝ｚｌ＋ｚ２ＩⅡ（３－４２）Ｋ～ｕ………．》；Ｇ｜＜－－．－坛…》ｌＧ图３．１０辐射贴片等效电路第二步，分析缝隙与贴片耦合的变压器模型。认为贴片只有ｚ轴方向的电流存在，缝隙线两边皆为ＴＥＭ模式，地板上缝隙只获取贴片上部分电流，而这部分通过缝隙，耦合到微带馈线上。这样，变压系数％等于流过缝隙的那部分电流与总电流量之比，有啊＝厶／ｂ，这为第一级变压器。第三步，综合各部分等效电路。总的等效电路如图３．１ｌ，导纳匕代表缝隙周围的储能，可认为该缝隙为两终端短路的缝隙线。第二级变压器的变压系数从ｎ２＝ＡＶ／Ｖｏ计算得到，其中ＡＶ为微带馈线的模式电压的不连续量，ｒｏ为缝隙电压。第三章ＲＦＩＤ系统中圆极化天线设计ｏ———＾ＶｎＶｎ＿ｒ－—．（）’———一曰日缈ｖｏｏｐｅｎ５ｒｏｂＺ．＾一考虑到开路枝节，则有总的输入阻抗为图３．ＩＩ缝隙耦合微带天线等效电路乙＝衰‰一皿咄ｃ蚴约等于乞／√丽，其中Ｄ为馈线的有效宽度，＾为介质厚度。ｐ４ｓ，其中乙和屯为分别微带线的特性阻抗和波常数，‘为微带线开路枝节的长度．啦３．３一种紧凑结构的双圆极化微带天线一般地，为了实现低剖面和将馈线与辐射贴片分隔开，多使用缝隙耦合微带天线，该类天线使设计者能够根据微波集成电路应用要求，选择不同于辐射层的介质．正如第一节所讲，用于ＲＦＩＤ系统微波频段的双圆极化天线，一般基于３ｄＢ分支线型定向耦合器或其它复杂的微波网络［２６－２９］，来对两个相互独立、相互隔离的耦合馈电缝隙馈电。然而这种结构存在一个结构上的瓶颈：相互独立的耦合馈电缝隙和馈电网络限制了天线和射频卡的小型化，使用微波网络，要求较大的布线面积，限制了后端电路的布局。众所周知，微波频段的ＲＦＩＤ天线，虽可以实现远距离通讯，但存在有时会发生驻波无效的缺陷。因此，有必要将微波频段的天线和线圈集成在一起，该线圈可以用来向低频系统通过电感耦合提供功率。这样需要尽可能减小馈线的布线面积。为了节省馈线网络的布线面积，打破瓶颈，需用于ＲＦＩＤ系统的天线设计要设计出不使用复杂馈线网络具有紧凑结构的缝隙耦合微带天线，来实现双圆极化。在这一节，我们提出并讨论了一个方案来实现ＲＦＩＤ紧凑结构双圆极化天线，并进行了仿真设计与测量。在ＲＦｌＤ应用中，一般来说数据通讯量都不是很大。甚至有时只有几个字节，因此ＲＦＩＤ系统一般不要求宽带，而圆极化调制方式可以进行窄带通讯，实现简化了的数据通讯。这样就需要设计出可用于圆极化调制的两馈电端口具有良好隔离度的双圆极化天线。为了实现天线小型化，我们不使用传统的基于３ｄＢ分支线型定向耦合器的方案。在经过对带宽和天线尺寸的折衷考虑后，我们采用了文献Ｂ明中的天线结构：贴片和微带线之问的耦合缝隙交叉，形成十字缝隙；地板下的单根微带馈线连续横穿过十字缝隙的四臂，得到四个耦合点，并通过相位累积来实现双圆极化，调整两个相邻耦合点沿微带线的馈线长度以获得９０度相移。该天线具有以其几何轮廓的一个列角线为对称轴的结构特性。这里，我们根据此方案为ＲＦＩＤ系统设计微波频段的天线，并将其应用面向于应用越来越广泛的２．４５ＧＨｚ频段。端口ｌ（ＬＩ＇ｔＣＰｌ端口２（ＲＨＳ岛图３．１１初步方案的天线结构（ａ）俯视图（ｂ）侧视图为了降低成本，可以被泡沫材料代替的空气介质辐射层夹在两层相同介质层之间，介电常数为２．６５，天线结构如图３．１１所示。经过使用ＨＦＳＳ电磁仿真软件计算，从结果可以发现，天线性能无法满足ＲＦＩＤ系统的要求。因此，该结构需要进行改进。经过计算和优化，最终我们发现使用方形切角贴片代替一般的方形贴片可以提高天线的圆极化性能和端口性能。为了进一步提高端口隔离度，我们在贴片中心切一方孔，这样可以约束贴片电流，以获得高的端口隔离。这样，经过结构改进，辐射贴片变成带有方孔的方形切角贴片，改进过程如图３．１２所示，而表３．１给出了改进过程中的天线性能仿真结果，图３．１３给出了最终的天线结构。第三章ＲＦＩＤ系统中圆极化天线设计国图３．１２贴片改进过程声形她弛片｜≯一ｊ￡。。。。。．．．。。．．√在仿真和优化中，我们按照以下步骤：首先，调整贴片尺寸，实现在保持其他结构参数保持不变时，获得最大增益。在确定贴片尺寸之后，可以通过变化缝隙的长度和宽度以获得良好的端口性能，缝隙长度对微带线与贴片之间耦合的影响比其宽度的影响大，这需要我们在调整缝隙宽度之前再调整长度。最后，我们可以调整贴片方孔和切角，以获得更好的天线性能。这样，我们得到了天线的结构尺寸：天线的总体尺寸为６０ｍｍｘ６０ｍｍｘ３ｍｍ，带有方孔的方形切角贴片宽度为５１ｒａｍ，包括空气层的每一介质层的厚度都为１ｒａｍ，缝隙的长度和宽度分别为２４ｒａｍ和０．３１６ｒａｍ，微带馈线的宽度为特征阻抗为５０欧姆的微带线的宽度。端口ｌ（ＬＨＣＰ、端口２（ＲｎＣＰ）圈３．１３改进后的天线结构（俯视图）表３．１改进过程中的天线性能修改赌片原始方形贴片方形切角贴片最终结构豺比（ｄＢ）３．６４０．７３１．０７Ｓｌｌ（ｄＢ）—１１－２０．２．２０．４Ｓ２１（ｄＢ）．１７．１９．２．３０用于ＲＦＩＤ系统的天线设计根据该尺寸，我们加工了天线实物（见图３．１６），并进行了测量，如图３．１４所示，测量结果与仿真结果吻合得很好。与仿真值相比较，测量的隔离度要高，但测量得到得两个端口的回波损耗比仿真结果差，回波损耗和端口隔离需要折衷设计。在测量的辐射方向图中，两个相互正交的圆极化的交叉极化度为．１５ｄＢ，虽然没有达到仿真结果中的圆极化性能，但已经满足ＲＦＩＤ系统的要求，使用该天线，圆极化调制可以应用于ＲＦＩＤ系统的通讯。从这个双圆极化缝隙耦合天线的仿真结果和测量结果可知，该紧凑结构满足了ＲＦＩＤ应用的要求，高的端口隔离和圆极化性能使系统能够使用圆极化调制。该’天线具有小尺寸、低剖面特性，同时使用该耦合和馈电方式实现了高于２０ｄＢ的端口隔离和良好的圆极化性能，而没有使用３ｄＢ分支线型定向耦合器或其它的复杂馈电网络。这样就为ＩＣ设计节省了布线空间，天线小型化只限制于辐射贴片的大小了。该紧凑结构的双圆极化天线不仅可以应用于一般的ＲＦＩＤ系统。特别是一些识别卡应用，而且适合应用于其它的一些无线通讯系统．０·１０－２０兽－３０＿４０－５０一２．３５甚垦，瞅一２．４０２．４５２．５０频率（ＧＨｚ）图３．１４端口散射参数的测量值亘§ｌ吾ｌ盈角度（ｄｅｄ角度（ｄｅｇ）（ａ）图３．１５频率为２．４５ＧＨｚ的测量方向图（ａ）端口１激励（ｂ）端口２激励（ｂ）第三章ＲＦＩＤ系统中圆极化天线设计正面图３．１６紧凑结构的双圆极化天线实物图反面３．４小结本章主要对ＲＦＩＤ系统中的圆极化天线设计与应用进行了论述，给出了常见的实现方法和天线形式，并加以说明和讨论。在这一章中。我们还对ＲＦＩＤ系统中使用较多的天线类型——缝隙耦合馈电微带天线的理论模型进行了说明，并介绍了几种分析方法。本章最后介绍了一种具有紧凑结构的双圆极化微带天线并进行了设计和改进，使之能够满足应用圆极化调制的ＲＦＩＤ系统对双圆极化天线的要求，在３．３节中我们对相关问题进行了讨论，并给出了计算与测量结果。第四章标签天线的设计第四章标签天线的设计正如第二章所述，为了获得最大功率传输，与天线连接的芯片的输入阻抗必须和天线阻抗共轭匹配ｆ１２１。当工作频率进入到微波区域的时候。天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。４．１标签天线的阻抗匹配设计一直以来，标签天线的开发基于的是５０或者７５欧姆输入阻抗，而在ＲＦＩＤ应用中，芯片的输入阻抗可能会是任意值，天线与芯片之问实现合适的阻抗匹配在ＲＦＩＤ设计中极其重要。当前，新的Ｉｃ设计和制造是需要巨大投入的，这就需要设计出可以匹配于已有芯片的标签天线。在ＲＦＩＤ标签中，由于小尺寸要求以及制造与成本问题，通过添加匹配网络的方法实现天线与芯片的匹配是行不通的。为解决这个问题，需要天线具有较宽的阻抗实现范围，能够直接匹配到芯片上。如何设计可以匹配与任意输入阻抗芯片的天线是ＲＦＩＤ系统中天线设计不可回避的问题。针对标签天线中存在的问题，本文提出了对称倒Ｆ天线，并对其工作在ＵＨＦ频段频率为９１１ＭＨｚ时的性能进行了分析，该天线具有结构简单，尺寸小，造价低廉，阻抗实现范围大等优点。将传统的倒Ｆ天线的镜像天线用实物实现，即得到对称双倒Ｆ型天线，如图４．１所示。、’；∈————７，－———————————一ｘ轴、、？，／Ｌｌ图４．Ｉ对称倒Ｆ天线结构经过分析发现，该结构具有较宽的阻抗实现范围，见图４．２。其中，数据Ａ、数据Ｂ、数据Ｃ和数据Ｄ分别实现了２２欧姆、５０欧姆、７５欧姆和１００欧姆的天线辐射阻抗。４０用于ＲＦ＂／Ｄ系统的天线设计２∞１∞≤比ｏＪ———，～Ｊ。／Ｌ１｜∥舟苓ＦｉＩｚＬ１１∞２∞卜９ｅ’。圜饵）Ｗ＝５０，Ｌ２－－２５（Ａ）Ｗ＝３０＇Ｌ２－ｌＯ跏譬旷Ｎ４伽～。～，，一。∥伽，。ｃ。订｝昌Ｌ１。一粤—Ｉ吖刊＿＿１（ｃ）Ｗ－－６４，Ｌ２＝３２焉一Ｌ１（Ｄ）Ｗ＝７３，Ｌ２＝３２图４．２对称倒Ｆ天线的天线阻抗由于该结构的天线能够通过调整结构尺寸，特别是调整短路枝节，获得较宽的阻抗实现范围，许多常用的标签天线都是该结构的变形和改进。如图４．３中给出了几种使用短路枝节的标签天线旧，其中天线Ｂ较天线Ａ在发生弯曲时，性能受影响程度小ｐ叫，天线Ｃ和天线Ｄ使用电感耦合馈电，天线Ｄ辐射振予还使用了折叠线以减小天线尺寸，短路环与辐射振子通过磁场耦合来实现馈电，短路环终端直接与芯片连接，可实现阻抗具有高Ｑ值的宽频带标签天线设计例。但由于短路环的限制，该类天线的天线阻抗的实部一般来说都比较小。由于微波集成电路自身原因和一些应用时会遇到的具体问题（比如芯片管脚经常会产生寄生电容），我们经常会注意到ＲＦＩＤ标签芯片的阻抗具有高Ｑ值，即大的容抗，和较小的电阻。这样的高Ｑ值芯片阻抗，使得设计与之共轭匹配的标第四章标签天线的设计４１签天线较为困难，虽图４．３中的天线Ｃ和Ｄ可以实现阻抗具有高Ｑ值的宽频带标签天线设计，但天线阻抗实部较小，一般都不超过十几个欧姆，虚部的绝对值也不是特别大．Ｂ—－≯ｌ．７［二…曲Ｄ图４．３常用的标签天线峙高凸◆坠’｜；世霜交▲Ｙ轴／、＿。一；．９：．６奎／、｝！，２ｌ，１３．１邑２４．。＋＆ｘ轴｛４一，标签芯片／ｌ９１１，、图４．４梯型偶极子天线结构及尺寸（图中单位为ｍｍ）在这里，我们要为ＵＨＦ频段的阻抗为４３－ｊ８００欧姆的标签芯片设计可与之匹配连接的标签天线，同时要具有小尺寸，结构简单等优点，天线结构见图４．４。其结构为梯型偶极子，向对称折叠线进行馈叫”】，耦合到外部矩形环来进行辐射，对称折叠线结构使得天线阻抗的实部能够较大，而矩形环与被置于矩形环内的折叠线的耦合和相互之间的储能，实现了高的天线阻抗虚部，这样就获得天线阻抗实部和虚部绝对值大、Ｑ值较大的标签天线，适合与该标签芯片的共轭匹配连接，用于ＲＦＩＤ系统的天线设计以实现天线与芯片之间良好的功率传输。振子馈电缝隙宽度为Ｏ．１ｍｍ，铜条宽度除矩形窄边为２ｍｍ外其它均为ｌｍｍ，厚度为Ｏ．０１８ｍｍ，尺寸见图４．４标注。使用ＨＦＳＳ电磁仿真软件对结构尺寸如图４．４所示的天线进行了分析，得到了天线阻抗以及功率传输性能，见表４．１，同样可以得到天线的辐射特性，如图４．５、图４．６所示。表４．１天线阻抗以及功率反射系数、功率传输系数（芯片阻抗为４３－ｊ８００欧姆）频率（ＭＩ－Ｌｚ）９００９０ｌ９０２９０３９０４９０５９０６９０７９０８９０９９１０９１ｌ９１２９１３９１４９１５９１６９１７９１８９１９９２０９２ｌ９２２９２３９２４９２５９２６９２７９２８９２９９３０阻抗实部（欧姆）３６．６３７．１３７．７３８．３３８．９３９．５４０．１４０．７４１．３４２．０４２．７４３．４４４．１４４．８４５．５４６．３４７．１４７．９４８．７４９．６５０．４５１．３５２．２５３．２５４．１５５．１５６．１５７．２５８．３５９．４６０．５阻抗虚部（欧姆）６９５．２７０１．６７０８．Ｏ７１４．５７２１．０７２７．７７３４．５７４１．４７４８．４７５５．５７６２．７７７０．Ｏ７７７．４７８５．０７９２．７８００．５８０８．４８１６．４８２４．６８３２．９８４１．４８５０．０８５８．７８６７．６８７６．７８８５．９８９５．２９０４．８９１４．５９２４．４９３４．５功率反射系数ｐｆ０．６３６５０．６０３６０．５６７００．５２６８０．４８３３０．４３５４０．３８４００３２９４０．２７２８Ｏ．２１５２０．１５９３０．１０７６０．０６３２０．０２８８０．００７６Ｏ．００１４０．０１０７０．０３４３０．０７０７０．１１６６０．１６９５０．２２５５０．２８２２０．３３８ｌ０．３９２３０．４４２６０．４８９００．５３２００．５７１００．６０６５０．６３８７功率传输系数７０，３６３５Ｏ．３９６４０．４３３００．４７３２Ｏ．５１６７０．５６４６０．６１６００．６７０６０．７２７２０．７８４８０．８４０７０．８９２４０．９３６８０．９７１２０９９２４０．９９８６Ｏ．９８９３０．９６５７０．９２９３０．８８３４０．８３０５０．７７４５０．７１７８Ｏ．６６１９０．６０７７０．５５７４Ｏ．５１１００｜４６８０Ｏ．４２９００．３９３５０．３６１３第四章标签天线盼设计４３图４．５梯型偶极子三维辐射方向图２７０图４．６梯型偶极子辐射方向图使用ＨＦＳＳ对该可用于ＲＦＩＤ标签的偶极子天线的进行分析和计算，从结果可知，所给出尺寸的天线在９０７～９２２ＭＨｚ内可以实现２／３以上的功率传输，在８ＭＨｚ频段宽度（９１１ＭＨｚ～９１８ＭＦＩｚ）内实现小于０．１１１ｌ（ＶＳＷＲ－－２）的功率反射，天线实现了与芯片的良好匹配，同时天线增益约为．２ｄＢ，Ｈ面实现了全空间辐射，达到了设计要求。该天线可以满足用于匹配于该射频识别芯片的射频识别系统标签天线的设计，实现了对小尺寸的要求。用于ＲＦＩＤ系统的天线设计４．２标签天线的双频设计对于微波频段的标签和读写器设计，由于应用在该频段的专门ＲＦＩＤ芯片较少或不成熟，多采用分离式结构，这样可以将已有的微波集成电路应用于ＲＦｌＤ系统设计，微波电路与天线之间有时也会使用同轴线连接，这时的天线设计则需要以端口匹配于５０欧姆设计。大多数ＲＦＩＤ系统由读写器、标签组成，数据在标签和读写设备之间无接触地传输与交换。读写器向标签发射射频功率，然后标签将一个特定编码的信号发送回给读写器，当然在一些应用中读写器也可以改变标签的存储信息。现在已有一些频段分配给ＲＦＩＤ应用，比如：１２５ｋＨｚ，１３．５６，８６９，９０２．９２８ＭＨｚ，２．４５ＧＨｚ和５．８ＧＨｚ。当ＲＦＩＤ系统的工作频率进入微波频段，天线设计更为重要。标签由天线和发射机组成，为了能够粘贴到物体进行识别以方便应用，一般要求低剖面，成本低，小尺寸。这样，适合应用于标签的天线，就显得越来越重要。随着ＲＦＩＤ技术不断的广泛地应用，特别是有些应用需要高可靠性。抗干扰或其他特殊要求，能够工作在微波频段２．４５ＧＨｚ和５．８ＧＨｚ这两个频段的系统具有其特殊的优点。只有单个天线的读写器在数据发射和接收时，都需要经过同一个天线。这样，要同时进行双向通讯，就对读写器的射频前端提出更高的性能要求。这里，我们讨论另一个可供选择的解决方法，那就是使用一个天线用来数据发射，接收数据时使用另一个天线，这样就降低了对硬件的设计难度。当然，读写器也可以使用多于两个天线，读写器必须按一定的顺序在天线之间分时隙切换，连通一个天线同时使其它天线断开，来避免天线信号之间的干扰。发射与接收使用各自的天线，主要考虑：（１）．使用单天线的系统可能会出现读写器发射的电磁波在标签应答信号到达读写器时还没有结束的情况。（２）．读写器的灵敏度显然比一般的雷达系统低，读写器的输出信号的强度与接收到的信号强度相差较大，这就对环路器和定向耦合器的设计提出更高的要求。（３）．反向散射场的强度与发射场相比较要低得多，这就要求环路器或定向耦合器具有高隔离度来分离所要求的信号。（４）．读写器必须成本低，而由于以上原因，很难实现。而读写器多天线系统方案——用一个天线来发射，另一个用来接收，就可以解决这些问题，可以实现两个天线同时工作１３６］。但这要求天线相互之间能够实现足够隔离，而小尺寸的要求使得天线之间的隔离很难实现。微波频段可用于ＲＦＩＤ的频率有２ＡＳＧｈｚ和５．８ＧＨｚ，由于这两个频率都在微波频段，电磁波空间传播特性类似，微波器件的设计方法基本相同。如果发射天线和接收天线分别工作在分第四章标签天线的设计配给ＲＦＩＤ应用的这两个频率，而这两个频率在频谱分布中有一定的频段间隔，窄带的单频ＲＦＩＤ读写器天线比较容易实现，由此这样，读写器的发射天线与接受天线之间就可以比较容易实现高隔离度，同时该ＲＦＩＤ系统只使用了分配给ＲＦＩＤ应用的两个频段，没有使用临近的频段，这样不会对工作在其它频段的无线系统产生信号干扰，满足了电磁兼容要求。这里我们提出ＲＦＩＤ中的读写器多天线系统，上下行分别使用不同频率，发射天线和接收天线分别工作在２．４５ＧＨｚ和５．８ＧＨｚ，如图４．７所示，这就要求标签天线能够工作在这两个频率，不仅能够接收载波频率为５．８ＧＨｚ来自发射天线的信号，而且还可以发射载波频率为２．４５ＧＨｚ调制有标签代码信息的电磁波，工作在２．４５ＧＨｚ的读写器接收天线接收到来自标签的信号，解调后获得标签信息。同图４．７ＲＦＩＤ中的读写器多天线系统１．．．．．．．．．一要实现能够进行双频体制通讯的读写器多天线的ＲＦＩＤ系统，双频标签天线的设计必不可少的一环。在这一节，我们将介绍一种双频共面波导馈电的折叠缝隙单极子天线，该天线由终端开口的折叠缝隙和单层介质的共面波导馈电结构组成，包括介质层天线只有３２ｍｍ高，２０ｒａｍ宽，ｌｍｍ厚，能够工作在２．４５Ｇｌ－Ｉｚ和５．８Ｇｌ－ｌｚ，性能适合ＲＦＩＤ标签应用，天线结构如图４．８所示。该天线由单层ＦＲ４介质及其覆铜组成，沿轴向左右对称，折叠缝隙将矩形金属面切割为双Ｃ形地板和天平形的金属带，而连接到ＳＭＡ接头的共面波导向该金属带馈电，这样就组成了双频单极子天线。天平形状的金属带可以通过调整两臂的位置，获得两个谐振频率，天平形状的金属带的中心带长度为３ｌｍｍ，约为２．４５ＧＨｚ的自由空间波长的四分之一，而中心带在两臂连接处以上部分的长度为１２ｒａｍ，约是５．８ＧＨｚ的自由空间波长的四分之一．用于ＲＦＩＤ系统的天线设计ＣＯｌｌＩｌｅｃｔＯＩ＂图４．８双频共面波导馈电折叠缝隙单极子天线结构图（单位：ｍｍ）我们首先通过使用ＨＦＳＳ电磁计算软件获得天线的结构尺寸，然后使用ＸＦＤＴＤ对天线的性能进行了分析，并加工了实物（见图４．１２）进行了测量和调试，测量结果如图４．９、４．１０和图４．Ｉｌ所示。Ｏ岔３－５耀’１０鬓－１５匣渤频率（Ｇｌｔｚ）频率（ＧＨｚ）ａ．２．４５ＧＨｚ频段ｂ．５．８ＧＨｚ频段图４．９测量和仿真的天线回波损耗曲线该天线在２．４５ＧＨｚ频段的．１０ｄＢ阻抗带宽为３２０ＭＩ－Ｉｚ（２．３６－２．６８ＧＨｚ），在第四章标签天线的设计４７５．８ＧＨｚ频段的阻抗带宽为２６０ＭＨｚ（５．７３￣５．９９ＧＨｚ），测量值与仿真值吻合交好；在这两个频率测量得到的辐射方向图中，Ｅ面为宽波瓣和双向辐射，Ｈ面的全向性较好，峰值增益分别为．１．８ｄＢｉ和２．３ｄＢｉ。该天线有足够的带宽来覆盖用于ＲＦＩＤ的微波频段，实现了双频标签天线，满足读写器多天线系统对标签的要求。该天线成本低，尺寸小，机械强度好，加工容易，并易于和电路集成，不仅能够在双频ＲＦＩＤ系统中使用，还可以应用于ＷＬＡＮ的双频通讯系统。ｔＥ面ｂ．Ｈ面图４．１０２．４５ＧＨｚ时天线远场辐射方向图ａ．Ｅ面图４．１Ｉ５．ＳＧＨｚ时天线远场辐射方向图ｂ．Ｈ面图４．１２双频标签天线的实物图４５用于ＲＦＩＤ系统的天线设计４．３小结在本章中，我们首先对于标签芯片和天线的匹配连接问题，进行了标签天线的阻抗匹配设计，对标签天线的短路枝节进行了讨论，并根据实际应用需要，设计了梯型标签天线，实现了天线阻抗与标签芯片的共轭匹配和良好的功率传输。本章还根据读写器使用多个天线的ＲＦＩＤ系统的要求，设计了双频标签天线，从测量结果可知，该天线满足了系统要求。第五章ＲＦＩＤ系统中电磁问题的理论分析和解决方寨第五章ＲＦＩＤ系统中电磁问题的理论分析和解决方案５．Ｉ金属环境影响以及半空间电磁覆盖问题随着射频识别技术的广泛应用，金属环境对射频识别系统的影响需要进行研究。特别是在工业应用等环境中，金属体，如引擎、机械、车辆等，对射频识别系统的影响需要特别注意。金属体表面会反射通讯信号，引起多径效应和电磁干扰，甚至阻碍信号传输。天线周围的金属体可视为天线的反射体。金属表面可以和天线组成阵列，可能使总场为零，也会加强辐射。当激励电流平行金属表面，则镜像电流和激励电流等幅反向，辐射场在远区相互抵消，没有辐射；当激励电流垂直于金属表面，则镜像电流和激励电流等幅同向，辐射场在远区翻倍。电磁波照射到金属表面，金属表面会使反射波相对于入射波实现ｌ８０度相差。反射面距离天线半个波长（＾／２），会使电磁波总场是原来入射波的２倍。当反射面距离天线四分之一波长（ｖ４）时，会使反射场与入射场抵消，电磁波总场为零。同样，当反射面与天线距离为半个波长的整数倍时，总场也会加倍，而当距离为四分之一波长的奇数倍对，总场也同样为零。＾／４———●、，入射波＇’—－—－—＋‘八ＶＶ八件Ｖｆ来自天线的后时９古／—、。某靠的反射；Ｖ厂＼厂Ｖ、：朱自反射面ｆｑ反射波ｆ～，，来自天线白《Ｖ，、！’～、沂．ｆ图５．１天线受反射面影响时的电磁波传播与反射在ＲＦＩＤ系统的通讯中，受反射面影响的天线的电磁波的反射可分为以下３个特定的情况分析‘３６１：第一种情况：读写器天线向标签发射功率。由于没有数据被发射，即读写器发出的电磁波没有带有调制信号，当来自反用于ＲＦｌＤ系统的天线设计射面的反射波能量没有抵消掉读写器天线的发射功率，这时来自反射面的反射波对功率传输是有用的。这就意味着，当读写器天线和金属面距离为＾，２时，金属面对功率发射是有帮助的。自然，当距离为７，／４时，反射波会削弱入射功率。同样，当标签和反射面距离为批时，标签天线无法获得能量，无法唤醒电路，致使无源Ｉ强ＩＤ系统无法运行。第二种情况：读写器天线向标签发出指令。当标签天线和反射面距离为＾／４时，来自读写器的入射波会被来自反射面的反射波抵消，当距离为Ｘ，２时，标签处的入射波场强会加倍。但由于通讯时，信息字节使用不同量级的振幅表示，来自读写器的入射波不会被来自反射面的反射波完全抵消，标签能够成功接收到指令。第三种情况：标签根据指令做出应答。如第二种情况，当标签天线和反射面距离为＾／４时，反射波会相互抵消，当距离为＾／２是，通讯是能够顺利完成的。然而，如果标签天线吸收对已经反射反射面的反射波，然后再辐射，而该对吸收来自反射面的反射波进行再辐射的电磁波与原来的反射波相位相差１８０度，也将相互抵消。以上情况中，由于金属体的存在，而使来自天线的能量与来自金属反射面的能量相互抵消，部分区域的总场为零，致使ＲＦＩＤ系统运行失败。还有一种情况，可认为是因为标签天线处于入射波和反射波构成驻波的驻波振幅零点所致，所以通称为驻波无效。驻波无效就是在电磁场的一定区域内（盲区）载码体不能被读取。盲区的出现是因为微波辐射的波长短（１２到３０ｃｍ）。当天线与金属件的距离恰好等于波长的整数倍时，天线与金属之间的电磁波传播就会发生驻波图现象，天线在驻波振幅为零处，无法获取能量，也就是说，在某些点上信号强度不足以读取载码体。盲区是不可预知的，因为驻波无效现象会由于场内金属结构的不同而不同。实际上，这意味着微波系统中的载码体当静止不动时不能可靠地工作，因为它可能位于盲区。低频系统不存在这些问题１５”。为了解决由于ＲＦｌＤ标签天线附近存在金属体，而给ＲＦＩＤ系统带来的问题，需要设计一些特殊的天线，一般这些天线都带有金属地板。以上所讲的可能会影响系统的金属体可以成为天线金属地板的延伸，从而获得更好的天线性能。这就需要天线地板和金属体存在物理性能上的连接，或金属体成为天线的组成部分。经常，我们会把标签天线直接粘贴到金属表面上，但这里存在一些问题需要我们研究和解决。在射频识别技术的不断发展过程中，对于金属物体的识别有很广泛的应用前景，比如对于集装箱的运输管理，弹体的库存管理等，都需要设计出可应用于金属物体的识别的身寸频识别系统。在设计可用于识别金属物体的射频识别系统的时候，需要解决金属物体对标签的影响这个问题。第五章ＲＦＩＤ系统中电磁问题的理论分析和解决方案５ｌ由互易原理可知，当偶极子平行与无限大金属板紧密粘贴时．偶极予将没有辐射。所以这就需要我们设计出具有半空间电磁覆盖的标签天线，考虑到实际应用，还需要尽量满足低剖面要求，这就使得标签天线的激励电流一般不能垂直于金属面流动。面如图５．２．ａ所示，标签天线平行靠近金属面时，会在金属表面激励起镜像电流，其与激励电流等幅反向，天线的辐射能力会下降，当标签天线紧密粘贴金属面时，镜像电流的辐射抵消激励电流的辐射，使标签失效。对于金属体的识别可以使用微带天线，但对于常用的ＲＦＩＤ标签芯片，在芯片与微带天线的连接时需要进行平衡到不平衡的转换。为了避免平衡器的设计，我们仍使用原有的对称振子，在这里，提出两种解决方案：第一，八木天线方案：标签天线与金属表面保持一定距离，使金属面和标签天线组成八木天线，金属面为反射器，标签天线为有源振子，标签与反射面之间以高介电常数的介质填充来降低剖面，实现半空间的电磁覆盖；第二、高阻抗面方案：在金属表面加装高阻抗结构，使感应的等幅反向镜像电流为零，而实现半空间的电磁辐射，高阻抗结构一般使用电子带隙（ＥＢＧ）结构，ＥＢＧ结构以金属面为地板。金金属面金属面５Ⅵ４；铲冀藏电流小毒流为零电流；寡喜镜像电流感应电流：弋、、Ｖ；荠质一’｛，截，，ｉｂ．约为０．２母图５．２金属表面上标签天线的解决方案：丑，平行紧密靠近无限大金属面的激励电流ｂ．八木天线解决方案ｃ．高阻抗表面解决方案用于ＲＦＩＤ系统的天线设计这里，我们根据以上设计方案，设计出分别共轭匹配于标签芯片阻抗为１５－３２０欧姆和６．７－ｊ１９７欧姆的可用于金属体识别的标签天线。图５．３中所示的八木天线的有源振子为对称山字型对称振子１３９１，反射器为附着在高介电常数介质下方的金属覆铜，介质的介电常数为ｌＯ．２，尺寸为２４０ｍｍ×２４０ｍｍ，有源振子处于介质上表面的中心，振子馈电缝隙宽度为Ｏ．１ｍｍ，铜条宽度均为Ｏ．８ｍｍ，尺寸见图５．４。一：≤霸至～臣三盈么…铜图５．３准八木天线三维结构图，ｙ轴《爪里竺；》；３９ｍｍｌ山图５．４准八木天线有源振子结构及尺寸使用ＨＦＳＳ电磁仿真软件对该结构天线分析，得到该天线阻抗的计算值，如表５．１所示，在９１０ＭＨ加９２ｌＭＨｚ频段内功率反射系数小于Ｏ．１１１１（对应于ＶＳＷＲ小于２），能够实现与阻抗为１５－ｊ２０欧姆的ＵＨＦ频段射频识别芯片匹配连接，该结构使标签天线具有类似于微带天线的方向图（这主要是因为振子宽度较大，使得振子电流分布与微带天线贴片上辐射电流分布类似），而不需要进行芯片到天线的平衡到不平衡转换，可以实现芯片与天线的直接连接，与一般的微带天线相比，具有自身特殊的优点。第五章ＲＦｌＤ系统中电磁问题的理论分析和解挟方案５３表５．１天线阻抗以及功率反射系数（芯片阻抗为１５－ｊ２０欧姆）频率（ＭＨｚ）９００９０１９０２９０３９０４９０５９０６９０７９０８９０９９１０９ｌＩ９１２９１３９１４９１５９１６９１７９１８９】９９２０９２１９２２９２３９２４９２５９２６９２７９２８９２９９３０阻抗实部（欧姆）】６．８１６．８１６．９１６．９１６．９１７．０１７．０１７．１１７．１１７．２１７．３１７．３１７．４１７．４１７．５１７．６１７．７１７．８１７．９１８。Ｏ１８．１１８．２１８．３１８．４１８．５１８．７１８．８１８．９１９．１１９．２１９．４阻抗虚部（欧姆）－６．８．５－２．３，５．１．９－０．２１．４３．１４．８６．５８．３１０．１１１．９１３．７１５．５１７．３１９２２１．１２３．Ｏ２４．９２６，９２８．９３０．９３２．９３５．０３７．１３９．２４１．４４３．６４５．８４８．０５０．３功率反射系数Ｈ２ｏｔ４１７２０．３８７７０，３５４１０．３２２７０．２８８７０．２５５５０．２２ｌｌ０．１８６７０．１５３９０．１２０８０．０９０５０．０６３９０．０４１７０．０２４３０．０１２７０．００７００．００７９０．０１５５０．０２９３０．０４９８０．０７５６０．１０５７０．１３９０Ｏ．１７６５Ｏ．２１５４０．２５４２０．２９５２０．３３５４０．３７３２０．４１０３Ｏ．４４６ｌ功率传输系数ｆ０．５８２８０．６１２３０，６４５９０．６７７３０．７１１３０．７４４５０．７７８９Ｏ．８１３３０．８４６１０．８７９２０．９０９５０．９３６１０．９５８３０．９７５７０．９８７３０．９９３００．９９２１０．９８４５０．９７０７Ｏ．９５０２０．９２４４０．８９４３０．８６１００．８２３５０．７８４６０．７４５８０．７０４８０．６６４６０．６２６８０．５８９７０．５５３９要实现共轭匹配于６．７－ｊ１９７欧姆，则需要调整天线结构，如图５．７所示。此时，该天线在Ｅ面出现了多个副瓣，具有八木天线方向图的特征。这主要是因为振子宽度减小的原因。如果在介质板上做圆柱孔，以构成介质ＥＢＧ结构来抑制表面波。减小后瓣，这样能够进一步提商天线性能。该结构虽可以实现半空间的电磁覆盖，但尺寸较大；若减小高介电常数的介质的覆盖面积，方向图中的后瓣电平较大，粘贴到物体上时，物体对天线性能的影响会比较明显，而且高介电常数的介质，用于ＲＦＩＤ系统的天线设计成本都比较高，造价昂贵。这样，如何使用常见的一般的材料来实现类似性能成为我们设计时新的考虑。图５．５准八木天线的三维辐射方向图挪１Ｊ叫１—ｌ图５．６准八木天线的辐射方向图（１）放置在介质上的有源振子图５．７准八木天线结构图（２）有源振子结构第五章ＲＦＩＤ系统中电磁问题的理论分析和解决方案图５．８准八木天线的三维辐射方向圈抛１Ｊ叫１．；］一图５．９准八木天线的辐射方向图同样，也可以使用ＥＢＧ结构来实现对金属体上标签天线的设计，如图５．１０中，标签天线平行放置于ＥＢＧ结构上方，而ＥＢＧ结构地板紧靠金属体表面，现在已有大量文献对匹配于５０欧姆的该类型天线结构进行了论述和计算［４０４．３１，也设计出了很多ＥＢＧ结构和有源振子天线结构。本章中，我们使用传统的ＥＢＧ结构，而有源振予仍使用类似于前面的准八木天线中的振子。来进行的半空间电磁覆盖的标签天线设计，该天线可以放置在金属体上，实现对金属体的识别。在这里，我们根据该ＥＢＧ方案为工作频率为９１５ＭＨｚ芯片阻抗４３－ｊ８００欧姆的标签设计了与之共轭匹配的标签天线，并对其性能进行了分析。以下图５．１１和图５．１２给出了辐射方向图，同时ＥＢＧ结构由５ｘ７个单元组成，所使用介质的介电常数为２．６５，厚度为２ｍｍ，振子与ＥＢＧ表面之间为空气填充。由ＥＢＧ结构和振用于ＲＦＩＤ系统的天线设计子组成的天线，总体高度为１５ｍｍ，实现了低剖面。同时使用的材料较为常用，成本低，天线性能也满足了设计要求。ＥｌｉＯ表金属体图５．１０放置在ＥＢＧ结构上的标签天线图５．１１放置在ＥＢＧ结构上标签天线的三维辐射方向图图５．１２放置在ＥＢＯ结构上标签天线的辐射方向图第五章ＲＦＩＤ系统中电磁闽题的理论分析和解决方案本文只是列举了部分基于偶极子结构的用于金属表面的天线设计方案，现已有不少文献给出Ｔｇ它的天线形式和设计Ⅲ删。５．２标签天线的ＲＣＳ分析电磁波在自由空间中传播，遇到物体，一部分能量会发生反射，一部分能量会穿过物体，继续传播，还会有一部分能量会被吸收。如果物体为导体，由于入射波的作用，导体上会产生表面电流，从而激励起散射场。而对于天线，由于天线不同于一般的导体，天线不仅会如同金属导体一样在表面激励起表面电流，还会接收到电磁能量，使电磁外问题变成电磁内问题，完成能量传输，然后根据端口性能来对接收到的能量进行再辐射或吸收。所以天线的电磁散射问题需要分为天线模式和结构模式进行分析。天线散射机理可分为结构模式散射和天线模式散射。天线的结构模式散射取决于天线的结构，形状和材料，与天线是否用来发射还是接收无关。而天线模式却与天线以何种方向图进行辐射或接收能量有关。天线端口图５．１３天线散射当电磁波照射目标时，电磁波会被反射，散射和吸收，目标特性信息会被散射波调制到散射波上，这就是雷达的工作原理。当电磁波照射到天线时，电磁波会被接收，吸收和散射，当天线能够将储存信息反向散射调制到散射波中，使得能够被读写器读取，这就是ＲＦＩＤ的工作原理了。一个射频识别系统是由标签，读写器和面向应用的主机组成。读写器和标签进行无线通讯而获得储存在标签上的信息。来自读写器的功率流和数据被调制，又从标签反向散射回读写器。为了适应ＲＦＩＤ广泛应用和标签大量使用的要求，需要标签应尽可能便宜。当前，最便宜又有巨大市场潜力的ＲＦＩＤ标签是无源标签，该种标签通过获取来自读写器通讯信号的能量，来支持自身的运行和与标签进行通讯。该类型的ＲＦＩＤ工作原理可用于ＵＨＦ频段在相互远场区域内的远距离ＲＦＩＤ无线通讯。在图５．１４中，读写器向标签发射一段连续波，电磁波激励标签，标签接到来自读写器的命令，同时也获得维持自身运行的能量。然后标签执行命令，对于使用ＡＳＫ键控的ＲＦＩＤ系统，标签控制电路根据储存信息改变芯片的输入阻用于ＲＦＩＤ系统的天线设计抗来改变反向散射波（负载阻抗调制），从而将标签信息调制到后向散射波，供读写器读取。图５．１４无源ＲＦＩＤ的工作原理对于使用二进制数字振幅键控（２ＡＳＫ）调制的系统，传输信息中的“０”和“ｌ”分别用不同大小振幅来表示，信息传输的误码率主要由两个表示不同代码的振幅电平的差决定。对于使用多进制数字振幅键控（ＭＡｓＫ）调制的系统，传输信息要用多个大小不同振幅来表示，信息传输的误码率主要由表示不同代码的各个振幅的电平差决定。为保障读写器对反向散射信号的正确读取，需要解调器能够对代表不同代码的振幅电平做出正确判断，这就需要各个振幅之间有足够的电平差。标签通过改变芯片的输入阻抗，实现对标签ＲＣｓ的信息调制，这样读写器接收到的标签后向散射波为载有标签信息的电磁波，解调后就获得了标签信息。ｑ乙＝Ｚｌ”０”圹＝｛三当乏三乏：：：或盯＝０当乙亍ｚ２ｄＭ”ｌｆｔ”Ｍ－Ｉ”（５．１）ｚｈ＝ｚＭ‘７（４１ｒ）３Ｒ４Ｐ：型”Ｏ”（５．１）Ｐ＝｛２一三：或Ｐ＝。”！””Ｍ—ｌ”（５．３）第五章ＲＦＩＤ系统中电磁问题的理论分析和解决方案照射波ｉ圈５．１５天磊散射天线散射可分为结构模式散射（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｏｄｅ）和天线模式散射（ａｎｔｅｎｎａｍｏｄｅ）。结构模式散射是由天线的已有外型和材料决定，与天线是用来接收还是用来发射无关；而天线模式散射却是因为天线可以以具有一定方向图的方式来发射或接收。电磁波照射到天线上，将散射一部分能量，同时将接收到的能量传输给芯片，由于芯片和天线不可能理想匹配，所以存在反射波，这部分能量又被辐射到外部空间，如图５．１５所示。根据天线端口特性，可以将天线散射分为３种特殊情况研究：１．短路情况，２．开路情况，３．匹配情况。当天线端１３短路时，天线的ＲＳＣ中，天线模式的ＲＣＳ为零，此时测得的ＲＣＳ值也为天线散射结构模式ＲＣＳ的值。其他情况时，两种散射模式的ＲＣＳ都不为零。虽然在短路时，天线模式的ＲＣＳ为零，但并不意味着短路时的ＲＣＳ最小，恰恰相反，一般情况下，天线在短路时的ＲＣＳ比其它２种情况都大。因为无论是端口开路还是匹配，都使得天线从只具有简单的外部结构特性走向了不仅具有外部结构特性还具有电磁能量的传输特性，这样就会在提高天线模式下散射的同时降低了天线结构模式下的散射，而一般情况下，结构的散射要比天线模式散射显著得多。在这里，我们不对天线散射的具体理论、公式、方程进行说明和推导。读者可阅读相关参考文献１４９Ｊ。一般地，在ＲＦＩＤ系统中使用的天线，大多数其尺寸和波长相当，则ＲＦＩＤ系统中的散射主要为谐振区散射，既天线尺寸发生较小变化，而散射能量会发生较大变化。而且各个标签天线的端口性能各不相同，天线的散射会有所不同，致使系统的性能有差别，这就需要对不同结构标签天线的ＲＣＳ进行计算，得出对天线用于ＲＦＩＤ系统的天线设计性能的分析结果，而且基于ＲＣＳ的标签天线性能分析具有其特殊的优点。通常对ＲＦＩＤ系统的性能评估中使用指标（最大）识别距离，经过对ＲＦＩＤ反向散射调制通讯机制的公式推导，有Ｒ：鱼４石（５．４）其中Ｒ为识别距离，Ｅ为读写器发射功率，ｑ为读写器天线增益，Ｇ，为标签天线增益，矗为工作频率的自由空间波长，Ｂ为读写器的灵敏度。外部散射环境ｚＡ＿ＲＡ＋ｊＸＡ＿ｌ毡＋ＲＬ勺）（ｓ芯片内部环境ｚｆａｃ＋ｊｘｃ电压源Ｖ图５．１６天线散射等效电路从式（５．４）可知，对于不同的读写器的灵敏度只有不同的兄，无法得到对于标签天线的独立的性能分析。在这里，基于ＲＣＳ来对标签天线性能进行分析。对于标签的散射，可使用图中的等效电路进行分析。ｚＡ为标签的天线阻抗，其实部Ｒｓ代表天线辐射能量的能力，ＲＬ为天线的等效损耗阻抗，虚部ＸＡ代表天线辐射场的储能，ｚｃ为标签芯片的输入阻抗。在以下分析中，为方便讨论，总认为可以经过调节使得ＸＡ—ｘｃ，这在芯片和天线的匹配设计中是可以实现的，以实现天线芯片之间的最大能量传输，对于不能实现匹配的标签进行讨论是没有意义的，这样就有：只＝（南２∞０＜恐如（５．５）其中￡为散射功率，Ｖ为入射波电压。天线结构确定以后，其短路ＲＣＳ、开第五章ＲＦＩＤ系统中电磁问题的理论分析和解决方案６１路ＲＣＳ以及完全匹配（ｚＡ．－ｚｃ）时的ＲＣＳ确定，由上式（５．５）可知，散射功率￡与芯片输入电阻Ｒｃ成平方反比，所以可以认为对于芯片输入电阻为Ｉｋ时的标签的天线后向散射截面总是介于短路ＲＣＳ、开路ＲＣＳ之问．１５７肜斜豢‘ｋ／●ｒ／ｆ爿，２。笊～：：：气３０｝对称振。折合振子古＿…Ｆｉ蚴驿脯予ｌ：：：６０、！螗。‘。引：：：：里－．图５．１７丘释耘见的ＵＨＦ频段标签天线（尺寸单位：姗，各枝节宽度为ｌｍｍ）表５．２中，使用电磁计算软件Ｉ－ＩＦＳＳ对图５．１７中所示尺寸的几种常见的ＵＨＦ频段工作频率为９１］ＭＨｚ的标签天线的ＲＣＳ进行了计算，特别是对弓字型振子的ＲＣＳ计算，其结果与文献［５０１结果吻合的相当好。在相同的设置下，对其它的天线结构进行了ＲＣＳ计算。表５．２和表５．３中计算结果证明了以上分析的正确。同时从表５．３可以发现，合理选择匹配阻抗，能够得到易分辨的具有较大差值的ＲＣＳ，降低误码率。也可以选择多个匹配阻抗得到多个具有一定差值的ＲＣＳ，在确保通讯正常的前提下实现ＭＡＳＫ，提高通讯容量和识别速度。而具有较大短路ＲＣＳ和开路ＲＣＳ差值的标签天线。提供了较大的阻抗选择自由废，便于实现易解调的负载调制，有利于误码率的降低。同样，具有较大短路ＲＣＳ和开路ＲＣＳ差值的标签天线使实现ＭＡＳＫ数字调制成为可能。在对标签天线的选择，在对其阻抗特性和辐射特性的考虑之外，还应尽量选择具有较大短路后向散射截面和较大的短路ＲＣＳ和开路ＲＣＳ差值的标签天线，这样在保证获得不同可分辨的ＲＣＳ时，可以选择接近短路ＲＣＳ的阻抗匹配ＲｃＳ。如此，就可以提高识别距离，获得读写器对标签数据稳定地读取。表５．２常用的ＵＨＦ频段标签天线的ＲＣＳ天线结构对称振子折合振子对称倒Ｆ弓字形振子（单位：ｄＢｍ２）短路·１０Ａ７２－１１．２７３·１５．１１２－１１２４２天线ｍ抗Ｌ∞７４４７２１３５完全匹配－１６．５２６—１７．４７４－２０．３２２－１７．０７５开路—３３．９９６－４０．８２６－３６．５９６．３０．８７６用于ＲＦＩＤ系统的天线设计表５．３常用的ＵＨＦ频段标签天线不同匹配阻抗的ＲＣＳ天线结构对称振子折合振子对称倒Ｆ弓字形振子天线阻抗ｔｉ＇Ｄ７４４７２ｌ３５２０１＂２－１２．７４５－１６．０８２·２０．５４１·１４．８８２３５ｎ－１３．７３５—１６．２２４－２２．７３５－１６．８９９５０１２—１４．９２５－１７．７２５－２４．７７４．１８．４２３（单位；ｄＢｍ２）７５Ｑ．１６．３４７－１９．５９２－２６．７１３—２０．３１２ｌＯＯｆｌ．１９．６１４－２１．３５５－２９．３９８－２２．０２８经以上分析可知，标签天线的ＲＣＳ的最大值一般是在天线端口短路时获得的，而当天线与芯片匹配时，天线和芯片之间实现最大功率传输。所以，一般的无源标签的芯片阻抗状态选择在短路和匹配负载之间切换负载阻抗，进而完成当前ＲＦＩＤ系统最常用也最容易实现的二迸制数字振幅键控（２ＡＳＫ）调制的数据通讯。基于识别距离来对标签的性能进行分析，依赖于读写器的灵敏度，无法给出标签天线性能独立的分析和评估，不能对标签性能做出统一的说明，从而不能实现不同标签进行独立于读写器之外的性能比较。而对连接于具有不同阻抗的芯片的标签天线进行ＲＣＳ分析，给出了一种对标签性能分析的新方法，不仅摆脱了对读写器的灵敏度的依赖，而且能够反映标签性能足够的信息。基于ＲＣＳ对ＲＦＩＤ标签天线进行分析的方法，具有重要意义。５．３小结本章首先对ＲＦＩＤ应用中经常会遇到的金属体对系统性能影响问题进行了分析和讨论，然后给出了两种可以实现对金属体识别的金属体上标签天线的设计方案，并进行了性能仿真分析与计算。本章中还给出了基于ＲＣＳ的标签天线性能分析的原理和方法，并应用ＨＦＳＳ对多个标签天线进行了分析，计算了天线在端口接不同阻抗时的ＲＣＳ，介绍了标签天线的散射问题。结束语结束语本文以ＲＦＩＤ系统为应用背景，根据具体应用进行了天线设计；首先，对标签天线与ＲＦＩＤ芯片的连接问题进行了分析，对相关的阻抗匹配理论和概念进行了说明，分析了天线阻抗与功率传输的关系，并对相关问题进行了讨论。本文还应用阻抗匹配理论进行透射式ＲＦＩＤ系统设计，使用相关的电磁计算软件设计出了与ＲＦＩＤ芯片匹配良好的微带天线，并对系统进行了试验和测试。其次，对ＲＦＩＤ系统中的圆极化天线设计与应用进行了论述，给出了常见的实现方法和天线形式，并加以说明和讨论。同时还对ＲＦＩＤ系统中使用较多的天线类型——缝隙耦合馈电微带天线的理论模型进行了说明，并介绍了几种分析方法。从已有的双圆极化微带天线的缺陷出发，介绍了一种具有紧凑结构的双圆极化微带天线并进行了设计和改进，实现了紧凑结构，并使之能够满足应用圆极化调制的ＲＦＩＤ系统对双圆极化天线的要求，还完成了相应的计算与测量工作。接着，对于标签芯片和天线的匹配连接问题。从天线设计解决问题的角度出发，进行了标签天线的阻抗匹配设计，对在标签天线中经常出现的短路枝节进行了分析和讨论，并根据实际应用需要，设计了梯型标签天线，实现了天线阻抗与标签芯片的共轭匹配和良好的功率传输。文中还根据读写器使用多个天线的ＲＦＩＤ系统的要求，设计了双频标签天线，从测量结果可知，该天线满足了系统要求，同时该结构具有小尺寸、低成本，机械强度好等优点。最后，对ＲＦＩＤ系统应用中常见的电磁问题进行了说明。首先对ＲＦＩＤ应用中经常会遇到的金属体对天线性能的影响进行了分析和讨论，然后为了实现对金属体的识别，给出了两种可以粘贴在金属体上的标签天线的设计方案，并进行了性能仿真和计算。还从天线散射和ＲＦＩＤ系统工作原理出发，阐述了基于ＲＣＳ的标签天线性能分析的原理和方法，介绍了基于ＲＣＳ的分析方法的特点，并应用ＨＦＳＳ对多个标签天线进行了分析，计算了天线在端口连接不同阻抗时的ＲＣＳ。本文的研究和设计虽然取得了一些成果，但同时还存在一些不足和可以改进的地方，如具有紧凑结构的双圆极化缝隙耦合微带天线的相互正交的两个圆极化的交叉极化度只有１５ｄＢ，没有达到性能仿真所得到的结果：由于ＵＨＦ频段的标签天线的天线阻抗测量较为困难，本论文中所设计的标签天线只给出天线的仿真性能和阻抗的计算值；阻抗具有较高Ｑ值的小尺寸标签天线，需要在结构上进行改进，以实现芯片阻抗的宽频带匹配：读写器使用多个天线的ＲＦＩＤ系统仍有许多问题需要解决；金属体上的标签天线也有进一步小型化、降低成本的必要，并有多用于ＲＦＩＤ系统的天线设计种问题需要继续进行研究。射频识别系统与其它识别系统相比，具有很多优点，而且射频识别系统开始占领了巨大的市场份额，射频识别技术在多个场合得到很广泛的应用，并且具有很大发展潜力。ＲＦＩＤ技术是一门跨学科的专业技术。综合了诸多专业领域的技术，天线技术只是其中之一。ＲＦＩＤ系统的天线设计需要结合实际系统的具体应用，不断发展的射频识别应用也为天线设计提出了更高的要求，并产生了许多新的研究课题，而天线技术也在不断应用中得到了发展。致谢致谢我的硕士论文最终能够颓利完成，要非常感谢我的导师、师兄、同学以及亲友的关心、支持和帮助。首先，衷心感谢我的导师焦永昌教授在我硕士研究生就学期闯对我的栽培和指导。本文中的研究工作以及论文的写作自始至终都是在焦老师的循循善诱和悉心指导下迸行的。他学识渊博，治学态度严谨，有着精益求精的敬业稽神和缜密敏捷的思维方式以及超凡敏锐的洞察力，这些一直都在影响着我，激励着我。在教学和科研工作中，他严格要求、认真负责，这使我的专业基础更加扎实，对本领域有了更深的理解和更好的掌握，并且具有了一定的实践技能。在他的培养和教育下，我成长很快，进步很大，具有了较强的专业知识技能和独立科研的能力，而且在为人处世方面他也给了我不少的影响，使我受益非浅。向恩师焦永昌教授再次表达我深深的敬意和感激ｌ感谢张福顺教授一直以来对我的关心、帮助和支持。他学识广博，经验丰富、平易近人、待人诚恳。在他的教导和帮助下，我学到了很多书本上很难觅得而实际中很有用的东西，长了不少见识，也提高了我的实践能力。还有他解决问题时的乐观态度和迎难而上的精神，一直鼓舞着我，非常值得我学习。他不仅在学习和工作上指导和帮助我，还在生活方面中给予了我很多的关怀和支持。再次向张老师表示诚挚的感谢！感谢我的师兄刘少东博士、陈轶博博士、陈腾博博士、刘旭峰博士以及王乃彪博士给我的真诚关心和热情而耐心的帮助。他们谦虚严谨、刻苦钻研、勇攀高峰的精神永远值得我学习，是我效仿的榜样。感谢翁子彬博士，在多项科研工作中我们相互合作、相互帮助，并以能有这么一个人在研究闯题、从事科研任务之时，能够与之进行讨论和争论为难得。总之，和诸位贤君能人一起共处，使我能够不断进步而且生活得非常愉快！感谢我的同学张欣、景小东等给我的热心帮助。通过和他们沟通、交流，使我能够及时地得到各种有用的新信息以顺利完成论文，且可以充分感受一起学习、工作的开心和快乐！万分感谢我的父母、外公外婆和诸位亲戚，感谢他们对我的关怀和爱护，感谢他们在各方面给我的呵护和帮助，特别要感谢我的大姑和大姑夫，我研究生入学费用和本科阶段的部分学费来自他们热心的支持。正是在他们的热心帮助和鼎力支持下，我才能够顺利地完成论文和全都学业！用于ＲＦＩＤ系统的天线设计最后，感谢所有认识我、关心我的朋友们！参考文献参考文献【１】Ｋｌａｕｓ珊蚓蛾德）著，吴晓峰、陈大才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作者：
学位授予单位：
张明涛
西安电子科技大学
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2.游战清.刘克胜.张义强.吴谷 无线射频识别技术(RFID)规划与实施 20053.游战清.李苏剑 无线射频识别技术(RFID)理论与应用 20044.谢拥军 Ansoft高级培训班教材--Ansoft HFSS的有限元理论基础5.Zeland Software Inc IE3D用户手册 20026.查看详情7.查看详情8.查看详情9.查看详情10.查看详情
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24.Mohammad A Saed Efficient method for analysis and design of aperture-coupled rectangularmicrostrip antennas 1993(07)
25.Himdi M.Daniel J p.Terret C Analysis of aperture-coupled micrestrip antenna using cavity method1989
26.M Kossel.H Benedickter.W Baechtold Circular Polarized Aperture Coupled Patch Antennas for anRFID System in the 2.4 GHz ISM Band 1999
27.X Qing.N Yang 2.45GHz Circularly Polarized RFID reader Antenna 2004
28.A K Sharma.R Singh.A Mittal Wide Band Dual Circularly Polarized Aperture Coupled MicrostripPatch Antenna With Bow Tie Shaped Apertures 2004
29.M A Kossel.R Kung.H Benedickter.W.Bachtold An Active Tagging System Using Circular-PolarizationModulation 1999
30.Eli Aloni.Raphael kastener Analysis of a dual circularly polarized microstrip antenna fed bycrossed slots 1994
31.B F Wang Two-port circularly polarized microstrip antennas 1989
32.Daniel M Dobkin.Steven M Weigand Environmental effects on RFID tag antennas 200533.Y Tikhov.J H Won Impedance-matching arrangement for microwave transponder operating overplurality of bent installations of antenna 2004(10)
34.H -W Son.C -S Pyo Design of RFID tag antenna using an inductively coupled feed 2005(18)
35.Keskilammi M.Sydanheimo L.Kivikoski M Radio frequency technology for automated manufacturing andlogistics control.Patti:Passive RFID system and the effects of antenna parameters on operationaldistance 2003
36.Katariina Penttila.Mikko Keskilammi.Lauri Sydanheimo.Markku Kivikoski Radio frequency technologyfor automated manufacturing and logistics control.Part2:RFID antenna utilization in industrialapplications 2005
37.Chen S Y.Hsu E CPW-fed folded-slot antenna for 5.8 GHz RFID tags 2004(24)
38.Liu W C.Hu Z K Broadband CPW-fed folded-slot monopole antenna for 5.8 GHz RFID application2005(17)
39.Qing X.Yang N A folded dipole antenna for RFID 2004
40.M F Abedin.M AIi A Low Profile Dipole Antenna Backed by a Planar EBG Structure 200641.F Yang.Y Rahrnat-Samii Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for lowprofile wire antenna applications 2003(10)
42.M F Abedin.M Ali Effects of a smaller unit cell planar EBG structure on themutual coupling of aprinted dipole array 2005
43.M F Abedin.M All Effects of EBG reflection phase profiles on the input impedance and bandwidthof ultra-thin directional dipoles 2005
44.Sung-Joo Kim.Byongkil Yu.Ho-Jun Lee.Myun-Joo Park,Frances J.Harackiewicz,arid Byungje Lee RFIDTag Antenna Moutable on Metallic Plates[会议论文]
45.H -W Son.G -Y Choi.C -S Pyo Design of wideband RFID tag antenna for metallic surfaces 2006(05)46.Leena Ukkonen.Laud Sydanheimo.Markku Kivikoski A Novel Tag Design Using Inverted-F Antenna forRadio Frequency Identification of Metallic Objects 2004
47.M Hirvonen.P Pursula.K Jaakkola.K.Laukkanen Planar inverted-F antenna for radio frequencyidentification 2004(14)
48.Lena Ukkonen.Daniel Engels.Laud Sydnheimo.markku Kivikoski Planar wire-type inverted-F RFID tagantenna mountable on metallic objects 2004
49.Penttila K.Keskilammi M.Sydanheimo L.Kivikoski M Radar cross-section analysis for passive RFIDsystems 2006(01)
50.Kwon H.Lee B Evaluation of RFID Tag Antenna Performance Using Radar Cross Sections 2005
51.Hongil Kwon.Bomson Lee Meander Line RFID Tag at UHF Band Evaluated with Radar Cross Sections[会议论文] 2005
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54.廖承恩.陈达章 微波技术基础 199455.王兴亮.达新宇 数字通信原理与技术 2000
1.期刊论文 姚平.黄健.刘殿金.孙罡.YAO Ping.HUANG Jian.LIU Dianjin.SUN Gang RFID系统天线设计 -现代电子技术2009(21)
RFID读写系统多采用无源近场耦合天线.天线设计是RFID系统设计的关键部分,设计出合适的天线,是确保系统正常通信的前提.从近场耦合天线的理论分析着手,通过实际RFID项目中的总结,给出实际RFID系统天线设计所需主要考虑的物理参量,并根据这些参量确定设计步骤.最后结合一个用于轨道交通的RFID天线设计例子,给出一种方便可行的RFID天线设计参考方法.
2.学位论文 陈莹 射频识别（RFID）系统天线设计及阻抗测量方法 2006
尽管天线理论主要是基于对远场的研究，但是在网络及通信技术的飞速发展的今天，近距无线技术正在成为关注的焦点，应用场合也在不断扩大。例如，许多电子安检设备，如EAS(商品防窃检测)、RFID(射频识别)读写设备等，都要应用高效的近场通信天线。近年来兴起的NFC技术
(NearFieldCommunication)，更开辟了近场天线研究的新天地。 本论文研究了射频识别(RFID)系统天线设计原理及阻抗测量方法。详细介绍了RFID(15693标准)天线的材料、几何尺寸、Q值等参数对天线性能的影响，并对匹配电路进行了设计和仿真。在测试过程中，本文提出了一种天线阻抗的传输线多点测量法，并由此实现了一种自动测试系统。测量结果表明，该测量方法不仅省去了昂贵的专用测量仪器，而且简单实用，易于实现。本文最后对测量结果进行了分析，指出了误差的原因和改进方法。
3.期刊论文 刘舒祺.牟志刚.Liu Shuqi.Mou Zhigang RFID系统中的PCB环型天线设计 -单片机与嵌入式系统应用2007(1)
本文实现了RFID系统中的一种PCB环型天线设计.在对天线的工作原理进行分析的基础上,提出基于13.56 MHz、200 mW的低功率阅读器的天线设计方法,并给出天线的设计和调试过程.
4.学位论文 刘胤廷 RFID系统标签天线设计与研究 2008
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。它利用射频信号的空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象的目的。 随着科技的不断进步，无线射频识别技术得到了极快的发展，产品种类日益丰富，应用也越来越广泛，已涉及到人们日常生活的各个方面。被誉为条形码未来替代品的无线射频识别技术，必将成为未来信息社会建设的一项基础科技。 随着RFID技术的发展，标签天线设计将会成为新的研究热点。由于标签天线工作性能受背景环境的限制，其天线设计具有其本身特殊性。本文正是把电磁场理论和RFID技术结合，为RFID标签天线的研究和应用做了一些探索性的工作。 本文通过理论分析、建模仿真等研究方法，做了下面的工作： 1.全面而系统地阅读了关于天线和电磁场理论的书籍文献，并与射频识别(RFID)技术结合，初步汇集了分析天线和辐射场所需的理论基础。 2.本文以微带天线的已经成熟的理论为依据，以软件仿真为手段，对工作频率为5.8GHz的微带贴片天线设计进行了理论与实验的探讨。主要工作体现在：在进行小型圆极化的优化设计中，以理论为依据，文中给出了两种不同方法设计的微带圆极化天线，并探讨了宽带优化设计的主要途径。 3.本文详细介绍了UHF频段标签天线的设计特殊性，介绍了UHF标签天线设计流程和设计要点。文中细致研究了天线小型化的主要途径，详细研究了如和利用蛇形线结构实现天线小型化。而后设计了两款UHF频段的标签天线，其输出阻抗分别都可调节，与标签芯片的阻抗共轭匹配。
5.学位论文 谭娟娟 宽频带RFID标签天线设计 2009
作为一种非接触式的自动识别技术，射频识别(RFID)技术利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。同其它识别技术相比，射频识别技术具有很多优点，尤其是随着电子技术的迅猛发展和制造技术水平的不断提高，射频识别技术的发展非常迅速，在诸如货物采购与分配、商业贸易、生产制造、防盗技术、识别技术和医学应用等领域中，具有巨大的发展和应用潜力，这使得作为RFID系统关键部件的天线的设计和研究变得十分紧要和迫切。实际上，RFID天线技术的发展对RFID技术的成熟和广泛应用具有理论意义和实用价值。@@ 本文首先简要地介绍了RFID技术的相关知识，说明了RFID系统的工作原理和分类，并对系统中所采用的天线进行了分析和讨论。本文的主要工作包括以下几个方面：首先根据阻抗匹配理论，绘出了天线与芯片连接的等功率传输阻抗匹配圆图；在具体应用中，对一款双T网络标签天线的性能做了分析；根据分析结果，提出了一种新型的UHF电感耦合标签天线，采用双U网络可以有效的展宽阻抗带宽约28％，同时保持天线增益不变。建立天线集中参数等效电路模型，说明天线宽频带工作原理。这两款天线通过调节T型匹配网络，即可适用于阻抗实部值在(35～87)Ω之间，虚部值在
(158～247)Ω之间的芯片，从而加速标签天线设计周期；本文中还对RFID系统应用中出现的一些问题进行了分析和天线设计。 @@ 论文来自科技部863重大项目“RFID标签天线设计技术的研究”的支持。 @@关键词：RFID系统，天线设计，标签，阻抗匹配
6.会议论文 龙飞 面向RFID标签芯片的天线设计 2008
本文从介绍RFID系统的基本原理开始，分析了RFID标签天线对于整个RFID系统的重要性，介绍了当前射频识别(RFD)标签芯片天线的发展现状并对标签天线以后发展趋势进行了展望:介绍了HF频段和UHF频段的RFID天线设计的关键技术.
7.学位论文 李军 基于RFID技术的三相预付费电能表的设计与开发 2009
目前，我国供电部门普遍存在“抄表难”和“收费难”的问题，电费不能及时回收，直接影响和制约着电力企业的发展。采用485通信方式或者红外掌机抄表，以IC卡为信息载体进行“先购电，后用电”的预付费模式，已经成为用管理部门广泛认可的一项技术手段，但是现今使用最多的接触式预付费IC卡存在着机械触点易变形、生锈等问题。本课题研究的是基于RFID技术预付费电能表的设计，该表既可以做“一表一卡”的家庭用表，亦可做“一表多卡”、“一卡多表”的公共用表。 （1）通过分析电能表的行业现状和发展趋势，指出了传统机械表和现在广泛使用的逻辑加密卡及CPU卡预付费电能表存在的劣势；分析了RFID技术的发展与应用情况，阐述了基于RFID技术预付费电能表的优点。 （2）阐述了RFID系统的组成原理，按照不同的方式对RFID射频卡进行了分类，对现今使用最多的射频技术标准ISO14443中Type A型卡和Type B型卡做了一下比较。论述了RFID系统中基带的编码，详细阐述了本设计所采用的MifareMF1 S50射频卡的结构原理和防碰撞方法。 （3）提出了本课题的具体设计要求，阐述了硬件总体设计方案。重点论述了基于RFID预付费电能表的硬件设计中FM2306A控制模块、ATT7030A三相电能计量模块、FM1702SL射频卡读写模块、红外和485通信模块、继电器控制模块、电源电路部分的设计，详细阐述了系统各模块电路的组成原理和实现方法，设计了整个电路系统的原理图，并制作了PCB线路板，对硬件设计中需要注意的事项和抗干扰方法做了总结。 （4）阐述了软件的总体设计思想，结合硬件电路，设计实现了基于RFID预付费电能表系统中的下位机程序。详细论述了程序数据结构模块、程序初始化模块、通信处理模块和射频卡处理模块等部分，明确了各模块实现的功能，给出了相应的软件流程图。 （5）按照国际和国内标准对电能表进行了计量误差的调校，对电能表计量、通信功能和EMC性能进行了测试，指出了设计中需要注意的细节问题；分析了误差产生原因以及解决办法。 实际运行结果表明，基于RFID技术的三相预付费电能表，可以稳定实现电能计量、射频卡预付费、红外和485通信等功能，系统具有很强的抗干扰能力，各项技术指标均达到预期的设计要求。
8.期刊论文 朱轶.来欣.王洪金.王刚 智能化战备药箱RFID阅读器多屉天线设计 -医疗卫生装备2008,29(12)
目的:研制一种用于多屉战备药箱的RFID阅读器天线,该天线可实现药箱内各屉药品RFID标签的有效识别.方法:采用多个覆盖较小区域线圈的串并组合来构成一个覆盖较大区域的天线线圈.由于缩小了单个线圈的面积,在组合线圈的工作区域不易出现阅读盲区.有助于提高RFID系统的识读性能.结果:药箱箱体大小58 cm×50 cm×62cm,内部分2～3层,设计成用4个小线圈组成的组合天线来覆盖整个抽屉底部,实验中测得该天线的阅读范围约为54
cm×48 cm×30 cm.可读出放置在药箱抽屉底层的全部标签和大部分放置在药箱抽屉上层的标签.结论:采用所设计的天线,可以准确识读药箱内各屉药品RFID标签,且有利于降低药箱RFID系统成本,具有广阔的应用前景.
9.学位论文 吴高磊 用于极化分集系统的双圆极化天线设计 2008
无线通信技术的迅猛发展，频谱资源的日益紧张，使通信系统面临越来越严峻的挑战，同时也对天线提出了越来越高的要求。为了提升系统容量
，提高频谱利用率，人们提出了极化分集技术，射频识别(RFID)系统作为极化分集技术的典型应用之一，也日益受到人们的广泛关注。圆极化天线相对于线极化天线在抗衰落、抗干扰以及抗多径效应上的优势，更适合用于极化分集技术，提升系统的容量，提高频谱利用率。因此，用于极化分集系统的双圆极化天线成为当前国内外天线领域的研究热点之一。论文着重研究应用于极化分集技术的双圆极化天线，设计了两种用于RFID系统的双圆极化天线。 论文首先分析了L型探针馈电的原理及其优势，介绍了L型探针馈电天线的研究现状。根据RFID系统对天线的要求，仿真设计了采用L型探针馈电的双圆极化天线，给出了几个参数对天线性能的影响。根据仿真分析的结论，加工制作了该天线，并进行了实验测量。测试结果表明，L型探针馈电的双圆极化天线的阻抗和轴比带宽达到了8％，带内隔离度优于15dB。 本文根据前人的研究成果，阐述了共面波导馈电的原理，其特性阻抗的计算，描述了应用共面波导馈电的圆极化天线的研究现状。仿真分析了采用共面波导馈电的双圆极化天线，根据仿真结果，制作了天线模型，并进行了实验测试。测试结果表明，该天线的阻抗带宽达到了16.3％，轴比带宽为9.7％，带内隔离度优于20dB。该天线具有低剖面，易于系统集成的优点。本文最后分析比较了两种馈电方式下，天线的双圆极化性能、隔离度等参数，讨论了两种方式的不足之处以及有待解决的问题。
10.会议论文 周江昇.王玉峰.周军.张光生 双频RFID标签天线设计 2009
文中设计了一种用于RFID系统的新型双频偶极子标签天线，采用HFSS对天线的性能作了仿真优化，并对实际加工的天线模型进行了测试。根据测试结果，优化后的天线性能有较大提高，可广泛应用于双频RFID系统。
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1035834.aspx
下载时间：2010年3月31日