基于超材料的RFID天线的设计与研究

【摘要】射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术是一种新兴的短距离无线通信技术，其利用射频通信实现非接触式的自动识别技术。此技术利用读写器上的天线和标签进行通信，也就是读写器通过射频信号给标签提供能量并激活标签，标签工作后将其储存的信息返还给读写器，读写器再将读取到的标签信息送给控制系统，控制系统根据具体应用场合进行一系列数据的处理、储存以及管理。正因为超高频（UltrahighFrequency,UHF,860MHz~960MHz）标签具有非接触、工作距离长、读取速度快、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点，射频识别技术己被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。标签与阅读器要实现数据的无接触通信，其主要利用读写器天线和标签天线之间的通信，因此在整个RFID系统中天线发挥着至关重要的作用。对于RFID系统来说，标签天线是最易变的部分，其受环境的影响较大，因此设计标签天线已经逐渐成为新的研究热点。目前现有的标签天线基本是偶极子结构及其变形结构，这种结构的标签天线只能满足通常应用场合的需求，但是在特殊场合(如宽频带、小型化、抗金属，高读取率等)的应用中，其阻抗匹配、增益、辐射效率、辐射方向图等特性都会受到环境的影响而改变，从而导致标签工作性能降低，甚至无法使用。为了针对解决在不同物体表面UHFRFID标签的性能能够不受环境的影响，从非金属环境到金属环境，标签特性始终保持稳定，本文在前人的基础上，设计并研究了基于超材料的标签天线，为RFID标签天线在金属环境的应用做了一些探索性的研究。超材料最近几年一直是物理学和材料学研究的热点之一，而微波光子晶体也作为一种新型的人工电磁材料具有独特的性能，目前已广泛的用于微波电路、天线的设计，且发挥了优越的性能。目前将微波光子晶体运用在标签天线的研究不是很多，而本文就是将微波光子晶体这一类型的超材料运用于标签天线以改善天线的指标和增加标签的抗金属特性。在绪论中，论文概述了RFID技术的研究背景，简述了RFID系统的发展历程和组成，探讨了标签的研究现状及发展趋势。第二章全面系统的阐述了电磁场理论和标签天线的基本理论，并说明了标签天线阻抗、带宽、辐射方向图和功率传输系数等重要参数，介绍了标签的仿真设计方法、制作工艺和阻抗测量方法以及制作了标签测试转换装置。第三章简要叙述了超材料概念和特性，就微波光子晶体做了详细的分析并设计了反射相位0在915MHz的电磁带隙结构（EBG,ElectromagneticBandgap）单元。第四章首先研究了AlienHiggs-3这款芯片，其阻抗的共轭值作为后续设计标签天线阻抗值。然后研究与设计仿真了四个标签天线，分别是变形偶极子标签天线、加载开口谐振环的标签天线、分形标签天线和圆极化标签天线。变形偶极子标签天线结构比较简单，但是相对于加载开口谐振环的标签天线和分形标签天线来说其尺寸大，设计此标签主要是便于天线之间的对比。圆极化标签天线的设计主要是为了增加读取率和减少极化损失。文中设计的一款圆极化标签天线，其圆极化性能很好，且轴比带宽70MHz，相对于以往的圆极化天线，此标签天线带宽比较宽。本文中制作了三款标签天线的实物，并在两种环境下，对标签天线进行了阻抗测试。最后，将上述设计的EBG结构运用于上述设计的标签天线中，并仿真调试，最终在HFSS软件中模拟实际金属环境，发现基于EBG的标签天线基本不受影响，同时也发现基于EBG周期结构的标签天线的增益比没有加载EBG的标签天线增加了将近3dB，验证了EBG周期结构的同向反射特性，也证实了超材料在标签天线抗金属和远距离的作用。
【作者】赵学田；
【导师】项铁铭；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】射频识别；标签天线；超材料；EBG；抗金属；

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