人人文库网 > 图纸下载 > 课程设计 > 无芯片RFID电子标签的设计【电子类】【无图】

评阅教师评分表.doc

无芯片RFID电子标签的设计【电子类】【无图】

资源目录

无芯片RFID电子标签的设计【电子类】【无图】.rar

评阅教师评分表.doc---(点击预览)

答辩暨综合评分表.doc---(点击预览)

无芯片RFID电子标签的设计论文.doc---(点击预览)

无芯片RFID电子标签的设计开题报告.doc---(点击预览)

压缩包内文档预览：

编号：272455 类型：共享资源大小：1.50MB 格式：RAR 上传时间：2014-04-17 上传人：上*** IP属地：江苏

30
积分

版权申诉 word格式文档无特别注明外均可编辑修改；预览文档经过压缩，下载后原文更清晰！ 立即下载

关键词：: 芯片 rfid 电子标签设计子类

资源描述：

无芯片RFID电子标签的设计

37页-14000字数+说明书+开题报告+中期报告

中期报告.doc

工作中期检查表.doc

开题报告检查表.doc

指导教师评分表.doc

无芯片RFID电子标签的设计开题报告.doc

无芯片RFID电子标签的设计论文.doc

答辩暨综合评分表.doc

评阅教师评分表.doc

摘要

　　　射频识别（RFID）是一种自动识别技术，具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，该技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。标签成本是RFID技术应用和发展的一大瓶颈。基于这一背景，无芯片射频识别以其远距离、高速度和低成本等特点成为当前的热点研究领域。随着技术的发展，射频识别技术应用领域日益扩大，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。本文针对射频识别标签的应用需求，对无芯片射频识别标签进行了研究。

　　　首先，论述了RFID系统的技术原理，并对无芯片RFID标签的工作原理进行了分析。

　　　其次，本文对无芯片RFID标签的整体结构做了介绍。同时阐述了螺旋谐振器的基本原理。

　　　最后，利用Ansoft HFSS对所建模型进行了仿真，并分析了仿真结果。

关键词：射频识别；电子标签；螺旋谐振器；微带线

1 绪论1

　1.1题目背景1

　1.2研究意义1

　1.3国内外相关研究情况2

　1.4课题研究的主要内容3

　1.5课题拟采用的研究方案4

　1.6课题研究的重点与难点4

　1.7论文的组织结构4

2 RFID技术的基本原理5

　2.1 RFID系统的组成5

　　2.1.1 标签5

　　2.1.2阅读器7

　　2.1.3计算机处理系统7

　2.2无芯片RFID标签的工作原理7

　　2.2.1电磁场基本原理和天线辐射理论7

　　2.2.2 RFID的数据传输原理与信道研究10

　　2.2.3无芯片RFID标签的工作原理与识别距离12

3 螺旋谐振器的设计13

　3.1螺旋谐振器的工作原理15

　3.2谐振器的设计思路16

4 仿真结果与结论分析18

　4.1单一螺旋谐振器的仿真18

　4.2 3个螺旋谐振器级联的仿真22

　　4.2.1编码值为“000”的谐振器结构与仿真结果21

　　4.2.2编码值为“010”的谐振器结构与仿真结果22

　　4.2.3编码值为“101”的谐振器结构与仿真结果23

5 结论25

　5.1设计结论25

　5.2收获与体会25

　5.3不足之处25

参考文献27

致谢27

附录1 硬件实物图31

附录2 硬件实测环境及结果32

　　　首先需要了解一些基本的知识，例如：射频识别的概念以及工作原理、无

芯片电子标签的基本组成、微带线的结构与应用背景、电路设计核心——谐振器的相关参数等。其中微带线是无芯片电子标签中最具特点的一种结构。微带线是指适合制作微波集成电路的平面结构传输线，它具有两方面的作用：1.高频信号进行有效地传输；2.它能与其他固体器件如电感、电容等构成一个匹配网络，使信号输出端与负载很好的匹配。其次就是利用Ansoft HFSS软件进行设计与仿真。其仿真的核心就是微波谐振器。微波谐振器是在微波领域具有储能和选频特性的元件，它相当于低频电路中的振荡回路。

1.5课题拟采用的研究方案

　　　根据题目要求，首先应确定的是微波谐振器的种类。微波谐振器一般有传输线性谐振器和非传输线性谐振器。在本题目中，应选择的谐振器是传输线性谐振器。当确定了谐振器的种类后，再要考虑的就是谐振器的耦合器件—线圈的绕制方法。只有自己认真的了解各种线圈绕制的优缺点，才能找到最适合题目要求的绕制方法。最后，就是将设计好的谐振器级联起来。此时需要考虑的问题就是消除互耦干扰，以便使整个系统能正常的工作。

1.6课题研究的重点与难点

　　　重点在于谐振器的设计。如何设计出满足于要求的谐振单元并能使其稳定的工作是这次设计的重中之重。难点在于消除谐振器之间的互耦干扰。由于设计初步的要求是具有3个谐振器，单元之间的干扰在所难免。怎样才能将互耦干扰降到最低是必须要认真思考才能解决好的。

1.7论文的组织结构

　　　论文共有5个章节构成，主要内容及机构安排如下：

　　　第一章是绪论。简要的论述课题的背景，说明课题的研究意义，并分析了课题研究技术的相关情况。

　　　第二章是RFID技术的组成原理的叙述。主要对RFID系统的组成以及其工作的基本原理做了介绍，另外，重点介绍了无芯片RFID的工作原理。

　　　第三章是螺旋谐振器的设计理论。说明了螺旋谐振器的工作原理以及设计思路。

　　　第四章是仿真结果与实验分析。包括了所有的仿真结果，并通过改变不同的参数来实现结果的不同，以便得到最后的结论。

　　　第五章是结论。主要包括最终结论，设计收获与体会，设计不足以和需要改进的地方。

内容简介：: 毕业设计（论文）中期报告题目：无芯片RFID电子标签的设计系别电子信息系专业通信工程班级姓名学号导师 2013年 3 月25日1 设计（论文）进展状况在开题报告之后，我主要的精力放在了建模与仿真上。由于我的毕业设计题目不需要做出实物，所以仿真就成了我最为关键的一项工作。对于无芯片RFID电子标签的设计，最为核心的就是微波谐振器的设计。我的设计思路是2个螺旋谐振器的级联，螺旋谐振器是同轴线型谐振器的变形。当时变电磁场穿过螺旋结构时，会有感应电流沿着螺旋谐振器的微带线产生。从而螺旋微带线产生了分布电容，其大小与螺旋线的长度成正比，并且螺旋微带线相邻的两条边还会产生互感。之所以选择的是螺旋谐振器，是因为微带线具有Q值较低的缺点，所以可以将微带线枝节进行折叠，同时采用耦合微带线结构代替单根微带线结构，以减小辐射损耗。目前，我的进展状况是已经将模型建好，并进行了仿真。图1中所表示的是一个微带螺旋谐振器耦合的结构。W为螺旋谐振器的宽，L为螺旋谐振器的长度，gap为微带线之间的间隙。当分别改变谐振器的间隙与长度时，可以改变谐振器的中心频率与插入损耗。具体影响见以下的仿真。图1 微带螺旋谐振器耦合结构首先对于初期的单一螺旋谐振器结构，如图2。图2 单一螺旋谐振器结构初始数据与仿真结果，如图3。图3 初始数据与仿真结果当 Gap改变后，数据与仿真结果如图4。图4 Gap改变后的数据与仿真结果可见当gap由0.2mm增大到0.5mm后，螺旋谐振器中心频率f变小，谐振点的插入损耗增大。再研究螺旋谐振器的长度对于中心频率的影响时，数据与仿真结果如图5。图5 长度改变后的数据与仿真结果可见将微波谐振器的长度由6mm增加到12mm，螺旋谐振器的中心频率增大，谐振点的插入损耗减小。经过这两次的仿真，可以得到的结论是：螺旋谐振器的中心频率和谐振点的插入损耗与微带线之间的间隙和谐振器的长度有关。下面是对多个螺旋谐振器级联的研究，这次我研究的是两个谐振器的级联。由于在RFID通信系统中，阅读器发射机发射这2个谐振频率的多频访问信号，当某个频点的螺旋谐振器存在时，就将访问信号中此频率的信号能量削弱后反射回阅读器接收机，此频率就编码为“0”。当某个频点的螺旋谐振器不存在时，反射回阅读器接收机的信号没有削弱，即编码为“1”。而对于螺旋谐振器结构的修改，就是在螺旋谐振器中加入短路节点，这样就可以改变编码的数值，以便确定不同物体的信息。下面分别是3种不同编码信息的仿真结果。(1) 编码值为“01”的谐振器结构与仿真结果，如图6。图6 编码值为“01”的谐振器结构与仿真结果(2)编码为“10”的谐振器结构与仿真结果，如图7。图7 编码为“10”的谐振器结构与仿真结果(3) 编码为“11”的谐振器结构与仿真结果，如图8。图8 编码为“11”的谐振器结构与仿真结果2 存在问题及解决措施主要存在的问题还是对于HFSS仿真软件的操作，对于软件的很多功能还不是很熟悉。所以在终期答辩之前还是应该多的去了解与学习这款软件的用法，以使自己在仿真的过程中能更加的熟练。另外我虽然已经理解了毕设所研究的内容，但是还有一些深入的问题理解的不够深刻，总是处于似懂非懂的状态。所以在以后的一段时间我还是应该多看看相关方面的资料，了解一些理论知识，能够将自己所设计的内容学习透彻。并且还要熟练掌握HFSS软件的仿真过程。3 后期工作安排1115周：进一步掌握HFSS软件的用法以及将完全理解毕业设计中所涉及的内容，完成仿真。1618周：完成毕业论文，准备终期答辩。指导教师签字：年月日6 毕业设计（论文）工作中期检查表姓名专业班级设计（论文）题目无芯片RFID电子标签的设计资料情况选题是否有变化有没有中期报告有没有英文翻译优良中差工作进度提前完成按计划完成没有完成工作态度认真一般不认真工作质量优良中差检查结论通过延期答辩终止毕业设计（论文）存在的问题与建议：指导教师（或检查成员）（签名）：年月日注：1.指导教师在相应项目方框内划“”。2.中期检查结果应与是否有资格参加答辩相挂钩。3.若集中组织检查，则由检查组成员签字；若由指导教师检查，则由指导教师签字。4.本表由各系集中归档保存，不装订入册。毕业设计（论文）开题报告检查表专业：班级：学生姓名：设计（论文）题目无芯片RFID电子标签的设计检查方式开题答辩审阅开题报告检查标准序号项目要求满分1文献综述能认真阅读教师指定的参考资料、文献，并能阅读与课题有关的自选资料，能独立搜集资料和分析、研究、综合，论述全面。202内容理解开题符合设计任务要求，对选题内容理解准确，重点明确，预期目标得当。303设计方案所选研究方案先进、适当，技术路线严密，措施得当，掌握技术资料准确，可能遇到的问题分析合乎逻辑，可行性好，工作安排合理、紧凑。304开题报告与表达开题报告内容表述清楚、准确，能正确回答问题。105学习态度表现积极主动，学习态度端正。10总分检查结论同意开题不同意开题检查人（小组成员）签字：年月日建议与要求注：1 “检查方式”“检查结论”栏内可在相应方框内划“”。2 本表由各系集中归档保存，不装订入册。3 开题工作必须由各系组织学生集中进行检查。毕业设计（论文）指导教师评分表学生姓名学号班级系（部）电子信息系专业通信工程设计（论文）题目无芯片RFID电子标签的设计序号评审项目标准满分1业务能力与水平有收集、综合和正确利用各种信息并获取新知识的能力。能应用所学的基础理论与专业知识，独立分析和解决实际问题，完成了任务书规定的任务，软件、硬件设计满足要求，所得结论具有应用或参考价值，工作中有创新意识。302论文质量条理清晰，结构严谨；文笔流畅，语言通顺；方法正确，分析、论证充分；设计、计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范；专业名词术语准确。303规范化技术材料齐全，论文撰写符合本科毕业设计（论文）撰写规范的要求。204外语水平英文摘要写作水平高，外文翻译符合任务要求。105工作态度严肃认真，刻苦勤奋，善于与他人合作。10总分评语：结论：同意按期答辩延期答辩不同意答辩指导教师：年月日注：1 指导教师在相应项目方框内划“”。2 本表由各系集中归档保存，不装订入册。毕业设计(论文)开题报告题目：无芯片RFID电子标签的设计系别电子信息系专业通信工程班级姓名学号导师 2012年12月17日1 题目背景、研究意义及国内外相关研究情况1.1 题目背景自动识别技术在人们生活中已经无处不在。条形码凭借其简单、便宜的优点在商场被广泛使用；人们日常生活中常用的信用卡、电话卡等运用了智能卡技术。但是条形码存在信息容量小，需要人工操作，安全性不高等不足；而智能卡要依靠电接触与读写设备传递信息，存在卡片磨损、接触点污染等问题。传统的自动识别技术逐渐无法满足新兴的应用要求。射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）是一项利用射频信号通过空间耦合进行双向信息传输的自动识别技术。它是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号能够自动识别目标对象来获取相关数据，识别工作不需要人工干预，具有防磁、防水、耐高温、存储数据容量大等优点，能够广泛应用于例如不停车收费系统、火车运输监控系统、商品物流管理、流水线制造自动化、门禁安全管理、畜牧管理等要收集和处理数据的应用领域。1.2 研究意义相对于条形码等技术，RFID标签和阅读设备的价格过高。而价格与规模是矛盾的，生产商希望通过扩大规模以降低成本，而更多的用户则在等价格降低后再使用。虽然业界普遍对RFID技术的前景看好，但真正实际投入运行的系统却不多。其中标签的成本是限制RFID技术商业应用能否取得成功的关键。虽然大量的研究工作使芯片RFID标签的成本有所降低，但是普通的芯片RFID标签主要由IC芯片、天线和封装等几部分构成，由于芯片的存在，它的成本还是无法跟自动识别领域的老大哥条形码相竞争。无芯片RFID标签的出现，使标签的批量生产和进一步降低价格成为可能。UHFRFID技术无疑是RFID技术所有频段应用最为广泛、用量最大的领域。本文对UHF频段无芯片RFID标签的研究和设计即是基于这一研究背景。1.3 国内外相关研究情况任何新技术的产生和发展都源于实际的应用，RFID技术也不例外。RFID技术是无线电广播技术和雷达技术的结合。无线电广播技术是一种使用无线电波发射、传播和接收语音、图像、数字、符号的技术，而雷达技术是一种采用无线电波的反射理论的技术。Harry Stockman发表了题为“利用反射功率进行通信一文，奠定了RFID系统的理论基础。在过去的半个多世纪里，RFID技术的发展经历了以下几个阶段：20世纪50年代是RFID技术和应用的探索阶段；60到80年代期间，RFID变成现实，反向散射理论以及其他电子技术的发展为RFID技术的商业应用奠定了基础。同时第一个RFID商业应用系统商业电子防盗系统出现；九十年代末，随着RFID应用的扩大，为了保证RFID设备和系统之间的相互兼容，RFID技术的标准化不断得到发展，同时人们也意识到统一的RFID技术标准化的必然性，EPC Global（全球电子产品代码协会）就应运而生了；进入21世纪初，RFID标准己经初步形成。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，应用规模和行业不断扩大。2003年11月4日，世界零售业巨头沃尔玛公司宣布，它将采用RFID技术追踪其供应链系统中的商品，并要求其前100大供应商从2005年月起将所有发运到沃尔玛的货盘和外包装箱贴上射频标签。沃尔玛这巨大的举动揭开了RFID在开放系统中运用的序幕。作为21世纪十大重要技术之一，RFID在国外的应用已经越来越普及，新加坡、韩国等国家都明确指出要重点发展射频识别技术及其应用。中国是世界生产中心之一和最具潜力的消费市场，对RFID的应用需求也将越来越强烈。目前中国已经开始尝试在一些领域进行应用。比如佛山市政府安装了RFID系统用于自动收取路桥费，明显地提高了车辆通过率，缓解了公路瓶颈的拥堵。邮政行业正在进行物品传输方面的安全及整体数据模型的应用测试。2012年12月北京琛达射频识别技术有限公司又顺利完成一项远距离RFID身份识别的系统应用。该“自动人员考勤管理系统”是北京琛达射频识别技术有限公司自主设计、研发，旨在为中建钢构某公司提供自动高效、便捷准确的员工出入考勤管理功能，以配合该公司的经营理念，减轻行政部门的劳动强度并提高员工管理效率。当然，RFID技术的发展也面临一些障碍，比如，未形成国内的统一标准，相对于条形码等技术，RFID标签和识读设备的价格过高等。其中最主要的障碍是电子标签的价格。实现射频识别技术在我国成熟、全面的应用将是一个长期的过程，需要我们共同努力。2 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施。2.1 主要内容1、设计一种基于相位编码的无芯片RFID标签。它由三个正方形的微带贴片天线构成，每个天线都加载了开路微带传输线。三个天线有邻近的谐振频率，当受各自的谐振频率激励时，反射回带有不同相位特性的反向散射信号，即完成了对反向散射信号的相位调制。根据反向散射信号不同的相位特性，每一个标签可设计成一个唯一不可变的ID。2、设计一种基于多阻带螺旋滤波器的无芯片RFID标签。它包括一个接收天线，多阻带滤波器和一个发送天线。阅读器发射机发出一个多频信号至标签，无芯片标签中的多阻带滤波器把特定频率的信号变弱，从而创建了频谱，每一个标签拥有唯一的频谱特性也就意味着拥有唯一的ID。3、设计一种基于多谐振偶极子天线的无芯片RFID标签。该标签简化到只有两个天线的结构，一个垂直极化的圆盘单极子天线连接到一个水平极化的多谐振偶极子天线。多谐振偶极子天线取代了3结构中多阻带滤波器和发射天线的作用，使得标签结构更紧凑。2.2 课题拟采用的研究方案根据题目要求，首先应确定的是微波谐振器的种类。微波谐振器一般有传输线性谐振器和非传输线性谐振器。在本题目中，应选择的谐振器是传输线性谐振器。当确定了谐振器的种类后，再要考虑的就是谐振器的耦合器件线圈的绕制方法。只有自己认真的了解各种线圈绕制的优缺点，才能找到最适合题目要求的绕制方法。最后，就是将设计好的谐振器级联起来。此时需要考虑的问题就是消除互耦干扰，以便使整个系统能正常的工作。3 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作。3.1 重点及难点重点在于谐振器的设计。如何设计出满足于要求的谐振单元并能使其稳定的工作是这次设计的重中之重。难点在于消除谐振器之间的互耦干扰。由于设计初步的要求是具有2个谐振器，单元之间的干扰在所难免。怎样才能将互耦干扰降到最低是必须要认真思考才能解决好的。3.2 前期已展开工作(1) 学习了RFID系统的基础理论。如什么是射频识别，其关键技术有哪些；(2) 了解了无芯片RFID的特点，和有芯片RFID系统的区别；(3) 了解了ANSOFT HFSS软件的应用背景；(4) 下载安装ANSOFT HFSS软件并学习使用。4 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）第一阶段（1-3周）：毕业设计的前期。应对毕业设计题目的内容有一定认识并完成开题报告；第二阶段（4-10周）：毕业设计的中期。应理解毕业设计的内容并对自己的题目有一些自己的方案和解决办法，同时应熟练掌握软件Ansoft HFSS以便将自己的方案加以仿真；第三阶段（11-18周）：毕业设计的后期。应完全掌握并理解自己所设计的内容并完成最终的毕业设计报告和毕业答辩。5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）。指导教师：年月日6 所在系审查意见：系主管领导：年月日参考文献1 RFID的现状和发展趋势，人民邮电出版社，2007.2 周晓光著，射频识别(RFID)系统设计.仿真与应用，人民邮电出版社，2008.01.3 杨素素.无芯片RFID标签的研究与设计D.硕士学位论文.南京：南京理工大学,20104 王元哲.毛陆红.刘辉等基于参考标签的射频识别定位算法研究与应用J. 通信学报.20105 王晓华.周晓光.射频识别技术及其应用 M .现代电子技术.2005.11. 6 张殿东.无线射频识别（RFID）技术M.电信技术.2005.2.7 单承赣，单玉峰，姚磊著.射频识别（RFID）原理与应用M.电子工业出版社，2008.07.8 董丽华著，RFID技术与应用M.电子工业出版社，2008.05.9 宁焕生，张彦著.RFID与物联网射频，中间件，解析与服务M.电子工业出版社，2008.04.10 游战清,李苏剑著.线射频识别技术(RFID)理论与应用M电子工业出版社，2004.11 李元钟著.射频识别技术及其在交通领域的应用M.电讯技术，2002.12 王宏.PLC及PC与RFID射频识别读写器串行通讯实现M.微计算机信息,2003.13 Klause Finkenzeller.射频识别(RFID) 技术M. 电子工业出版社,2001.14 K. Finkenzeller. RFID Handbook - 2nd Edition M. 2003.15 U. Kaiser, W. Steinhagen. The development and design of a novel chipless RFID system for low-cost item tracking M. March 1995.16 I. Balbin, N. Karmakar, Phase-encoded chipless RFID transponder for Large-scale low-cost applications M. August 2009.6本科毕业设计(论文)题目：无芯片RFID电子标签的设计系别：电子信息系专业：通信工程班级：学生：学号：指导教师： 2013年 6月无芯片RFID电子标签的设计摘要射频识别（RFID）是一种自动识别技术，具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，该技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。标签成本是RFID技术应用和发展的一大瓶颈。基于这一背景，无芯片射频识别以其远距离、高速度和低成本等特点成为当前的热点研究领域。随着技术的发展，射频识别技术应用领域日益扩大，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。本文针对射频识别标签的应用需求，对无芯片射频识别标签进行了研究。首先，论述了RFID系统的技术原理，并对无芯片RFID标签的工作原理进行了分析。其次，本文对无芯片RFID标签的整体结构做了介绍。同时阐述了螺旋谐振器的基本原理。最后，利用Ansoft HFSS对所建模型进行了仿真，并分析了仿真结果。关键词：射频识别；电子标签；螺旋谐振器；微带线The Circuit Design of Chipless RFID TagAbstractRadio Frequency Identification (RFID) is all automatic identification technology, which has the character of small volume,high capacity,long life, reusability and so on. When combining with internet and communication technology,RFID can realize object tracing and information sharing on a global scale.However,the cost of transponder is a major boaleneck in the application and development of RFID technology.For its chipless longdistance,high-speed and lowcost,chipless RFID technology has become a hot topic in the RFID technology,and will be a basic technology in the future information society construction.Currently,chipless RFID tag have launched a large number of studies for the applications of RFID chips.At first,discusses the RFID technology and principle,and chipless RFID tag of principle is analyzed.Secondly,the article chipless RFID tag the overall structure are introduced，Also expounds the basic principle of spiral resonator.Finally,using Ansoft HFSS to the model simulation,and analysis of the simulation results.Key Words：RFID;tag;spiral resonator;microstrip line目录1 绪论11.1题目背景11.2研究意义11.3国内外相关研究情况21.4课题研究的主要内容31.5课题拟采用的研究方案41.6课题研究的重点与难点41.7论文的组织结构42 RFID技术的基本原理52.1 RFID系统的组成52.1.1 标签52.1.2阅读器72.1.3计算机处理系统72.2无芯片RFID标签的工作原理72.2.1电磁场基本原理和天线辐射理论72.2.2 RFID的数据传输原理与信道研究102.2.3无芯片RFID标签的工作原理与识别距离123 螺旋谐振器的设计133.1螺旋谐振器的工作原理153.2谐振器的设计思路164 仿真结果与结论分析184.1单一螺旋谐振器的仿真184.2 3个螺旋谐振器级联的仿真224.2.1编码值为“000”的谐振器结构与仿真结果214.2.2编码值为“010”的谐振器结构与仿真结果224.2.3编码值为“101”的谐振器结构与仿真结果235 结论255.1设计结论255.2收获与体会255.3不足之处25参考文献27致谢27附录1 硬件实物图31附录2 硬件实测环境及结果32III毕业设计（论文）1 绪论1.1题目背景随着社会现代化进程的加快，信息技术正迅速改变我们的生活。经过几十年的发展，自动识别技术已经在货物销售、物流分配、商品流通和生产制造等诸多领域得到了快速的普及和应用，初步形成了一个包括条形码技术、磁卡技术、系统集成化、声音视觉识别等计算机、电子、通信技术为一体的高新科技学科。现在，射频识别技术（Radio Frequency Identification 简称 RFID）已经走进人们的生活，它不仅是条形码的简单替代品，更能综合无线通讯、微电子、互联网等最新信息技术，对所有社会产品进行从生产、销售、使用甚至回收处理进行全过程监控管理，极大地提高整个社会的运转效率1。在过去的半个多世纪里，RFID技术的发展经历了以下几个阶段：20世纪50年代是RFID技术和应用的探索阶段；60到80年代期间，RFID变成现实，反向散射理论以及其他电子技术的发展为RFID技术的商业应用奠定了基础。同时第一个RFID商业应用系统商业电子防盗系统出现；九十年代末，随着RFID应用的扩大，为了保证RFID设备和系统之间的相互兼容，RFID技术的标准化不断得到发展，同时人们也意识到统一的RFID技术标准化的必然性，EPC Global(全球电子产品代码协会)就应运而生了；进入2l世纪初，RFID标准己经初步形成。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，应用规模和行业不断扩大。无源电子标签的远距离、高速移动物体的识别成为需要并不断成为现实。2003年11月4日，世界零售业巨头沃尔玛公司宣布，它将采用RFID技术追踪其供应链系统中的商品，并要求其前100大供应商从2005年月起将所有发运到沃尔玛的货盘和外包装箱贴上射频标签。沃尔玛这巨大的举动揭开了RFID在开放系统中运用的序幕2。作为21世纪十大重要技术之一，RFID在国外的应用已经越来越普及，新加坡、韩国等国家都明确指出要重点发展射频识别技术及其应用。中国是世界生产中心之一和最具潜力的消费市场，对RFID的应用需求也将越来越强烈。1.2研究意义射频识别标签具有远距离、高速传输、信息收集处理迅速、较好的应用环境适应性等特点，在近几年来获得极为迅速的发展。RFID技术用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率。随着相关技术的不断完善和成熟，RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间。无芯片RFID电子标签由于没有芯片，所以成本大大低于传统电子标签，这样就使无芯片RFID电子标签可以大量生产，最终大规模应用于射频识别市场。现今唯一RFID标签没能取代条形码的原因就是RFID标签的成本相对条形码来说仍然很高。无芯片RFID标签由于没有IC芯片，成本通常大大低于芯片RFID。利用印刷技术，无芯片RFID可以批量生产，更加降低了成本，大规模应用于射频识别市场已经指日可待。射频识别技术于条形码技术在物品识别的功能上有些类似，两种技术之间的差异在于以下几个方面3：第一，成本。条形码技术的应用已经十分广泛，条形码能够印刷在物品表面，制作非常方便，成本极低。条形码扫描仪的成本也很低；而基于EPC的射频识别技术是近年来的新技术，应用才刚刚开始，电子标签包括芯片和印刷天线两个部分，制作比较复杂，目前成本较高，而射频识别阅读器的成本很高，因此，单从成本方面来讲，目前条形码占有优势。第二，包含的信息。条形码能够包含的信息十分有限，而目前电子标签的存储的数据为64位，96位，或者更多位，而且这些数据能够多次重复读写，因此在包含的信息方面，射频识别技术占有优势。第三，自动化。条形码扫描仪必须正对条形码才能阅读中间不能有不透光的阻挡，而电子标签和阅读器之间只要中间的阻挡物能够被电磁波穿透就可以读取：另外，条形码阅读器在某段时间内只能读一个标签，而阅读器在某段时间内能够同时读取多个标签的信息。第四，鲁棒性。当条形码变脏，弯曲以后，很有可能不能阅读，而在这些方面，射频识别技术的工作更稳定。从以上的分析可以看出，射频识别技术解决成本问题以后，能够在很大程度上取代条形码。1.3国内外相关研究情况在RFID技术研究及产品开发方面，国外要比国内领先很多，像美国、德国、英国、瑞典等日前均有较为成熟且先进的RFID系统。读卡器方面的供应商有Symbol、Intermec、Alien、SAVI等，芯片的供应商有Philips、TI和ST等。在阅读器的芯片设计方面，目前已有少数厂家开始计划设计阅读器的专门芯片，目前还未见到有单芯片的射频识别阅读器产品。WJ Communications是一家射频器件供应商，目前提供固定式阅读器和手持阅读器的产品，并且已经开始设计单芯片的阅读器射频前端。与发达国家相比，中国在RFID技术和应用上还只是处于发展初期。在硬件方面，国内已具有了自主开发低频(LF)、高频(HF)电子标签芯片与读写器的技术能力，其中在HF频段方面的设计技术接近洲际先进水平，已经自主开发出符合应国际标准的芯片，并成功地实现了产业化，如我国居民第二代身份证的使用，一些城市公交射频卡付费系统，校园一卡通以及北京2008年奥运会门票等。根据应用场合的限制RFID标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面，甚至需要直接嵌入到物体内部。由于标签无线与阅读器天线分别承担着接收能量和发射能量的作用，这些因素对天线的设计提出了严格要求。当前对RFID天线的研究主要集中在天线结构和环境因素对天线性能影响以及减小天线尺寸上，出现了分型天线、片上天线等研究方向。降低标签成本和标签芯片功耗是RFID电子标签设计所解决的两个问题。a. 标签成本标签成本是RFID技术商业应用能否取得成功的关键。RFID标签的成本主要由IC芯片、天线和封装等几部分构成，芯片是其中的主要部分，大约占50。由于现有的很多RFID标签芯片设计都是基于特殊工艺(锗硅、BiCMOS等)，因此成本很高。这样高的成本显然无法应用于价值较低的单件商品，应用范围受到了很大限制，根据Auto-ID中心的预测，只有当RFID标签生产成本降低到5美分时， RFID才可能得到大规模的应用。随着微电子技术的飞速发展，CMOS工艺己能制造应用于微波波段的芯片，射频电路能集成到大规模数字电路的芯片上，而以CMOS工艺制造的无线系统将会有更低的制造成本，因此如何设计出与低成本CMOS工艺兼容的RFID标签是现在研究的热点。b. 低功耗设计标签芯片所能获得能量的大小和其自身功耗大小直接影响到标签的识别距离。RFID作为被动式、远距离的非接触识别技术，其标签芯片的工作能量全部来自于内部电路对输入射频信号的整流和放大，因此标签的内部电路必须具有较高的转换效率，可以把微弱的输入信号转换成芯片工作的直流电压，同时芯片本身要以极低的功耗正常运作4。国外的RFID标签芯片研究中采用了一些电路设计技术来降低标签芯片各模块电路功耗，如亚阈值电路、异步电路、绝热电路、高效率整流电路、低功耗非易失存储器设计等，取得了较好的效果。如何设计出功耗低，适用于RFID标签芯片应用的单元电路是决定标签芯片设计成功与否的关键。1.4课题研究的主要内容首先需要了解一些基本的知识，例如：射频识别的概念以及工作原理、无芯片电子标签的基本组成、微带线的结构与应用背景、电路设计核心谐振器的相关参数等。其中微带线是无芯片电子标签中最具特点的一种结构。微带线是指适合制作微波集成电路的平面结构传输线，它具有两方面的作用：1.高频信号进行有效地传输；2.它能与其他固体器件如电感、电容等构成一个匹配网络，使信号输出端与负载很好的匹配。其次就是利用Ansoft HFSS软件进行设计与仿真。其仿真的核心就是微波谐振器。微波谐振器是在微波领域具有储能和选频特性的元件，它相当于低频电路中的振荡回路。 1.5课题拟采用的研究方案根据题目要求，首先应确定的是微波谐振器的种类。微波谐振器一般有传输线性谐振器和非传输线性谐振器。在本题目中，应选择的谐振器是传输线性谐振器。当确定了谐振器的种类后，再要考虑的就是谐振器的耦合器件线圈的绕制方法。只有自己认真的了解各种线圈绕制的优缺点，才能找到最适合题目要求的绕制方法。最后，就是将设计好的谐振器级联起来。此时需要考虑的问题就是消除互耦干扰，以便使整个系统能正常的工作。1.6课题研究的重点与难点重点在于谐振器的设计。如何设计出满足于要求的谐振单元并能使其稳定的工作是这次设计的重中之重。难点在于消除谐振器之间的互耦干扰。由于设计初步的要求是具有3个谐振器，单元之间的干扰在所难免。怎样才能将互耦干扰降到最低是必须要认真思考才能解决好的。1.7论文的组织结构论文共有5个章节构成，主要内容及机构安排如下：第一章是绪论。简要的论述课题的背景，说明课题的研究意义，并分析了课题研究技术的相关情况。第二章是RFID技术的组成原理的叙述。主要对RFID系统的组成以及其工作的基本原理做了介绍，另外，重点介绍了无芯片RFID的工作原理。第三章是螺旋谐振器的设计理论。说明了螺旋谐振器的工作原理以及设计思路。第四章是仿真结果与实验分析。包括了所有的仿真结果，并通过改变不同的参数来实现结果的不同，以便得到最后的结论。第五章是结论。主要包括最终结论，设计收获与体会，设计不足以和需要改进的地方。3毕业设计（论文）2 RFID技术的基本原理2.1 RFID系统的组成图2.1为RFID系统组成原理图，其中包括了标签(Tag)、阅读器(Reader)和数据处理系统。对整个RFID系统而言，阅读器与标签通过电磁波进行数据交换，其数据链路包含了数据的调制解调、编码解码、仿碰撞算法以及相关的协议标准等5。RFID技术的基本原理就是将RFID标签安装在被识别的物体上，当被标识的物体进入RFID系统的阅读范围时，利用空间电感耦合或者电磁耦合进行通讯，实现标签和阅读器之间的非接触式信息通讯，标签向阅读器发送携带信息，阅读器接收这些信息并进行解码，通过串口RS232或RS485，将阅读器采集到的数掘实时送入计算机数据处理系统，并通过网络传输给服务器，从而完成信息的全部采集与处理过程，以达到自动识别被标识物体的目的。图2.1 射频识别系统框图2.1.1 标签标签(tag)是RFID系统真正的数据载体，其主要作用是存储唯一的数据信息（ID)，把自己与周围其它标签区别开来，并与阅读器之问实现通信6。它的最主要特征即是其工作频率，它不仅决定了RFID系统的工作原理，还决定了阅读器实现的难易程度和成本。一般意义上的标签由天线和用于存储有关标识信息电子芯片组成。其基本组成如图2.2所示。图2.2 标签的基本结构这里将RFID标签分为有源、半有源、无源、无芯片四类7。a. 有源标签内部装有电池，一般具有较远的阅读距离最远甚至可以达到24m，不足之处是电池的寿命有限，大多为310年，在实际应用中需要不断进行维护并且有一定的失效率，其成本也就相对较高，一旦电池失效，标签即丧失功能，一般应用在对性能要求较高、读写距离要求较远的场合。b. 半有源标签与有源标签类似，内部设有电池，通常情况下可以作为有源标签使用10年以上，在电池耗尽后可以继续作为无源电子标签使用，从而进一步降低成本，延长了标签的使用寿命，并节省了资源。有源工作条件下，其工作距离大于10m，在无源条件下，其距离为3-5m，可以有效替代有源标签。c. 无源标签内部没有电池，所需的工作能量需要从阅读器发出的射频波束中获取，经过整流、存储后提供电子标签所需的工作电压，而标签通过负载调制或反向散射的方式与阅读器实现通信。尽管在阅读距离等方面会受到一定的限制，但与有源标签相比，无源标签具有较为低廉的成本以及广泛的适应性，使其在物流、车辆管理、仓储管理、零售业等领域有着广泛的应用，其工作距离一般不会超过10m。d. 无芯片标签(chipless tag) 它是无源标签中的新成员，内部没有IC电路，每个无芯片标签都会以反向散射方式反射回带有不同特征的反向散射信号，此特征可作为唯一的ID由阅读器解码识别。它的特点是超薄、低成本，存贮数据量少。作为RFID标签实现的一个新领域，有很重要的研究价值。根据标签的工作频率分为低频、高频、超高频和微波系统。低频系统一般指其工作频率小于300kHz，典型的工作频率有：125KHz，225KHz；高频系统一般指其工作频率在3-30MHz，典型的工作频率有：13.56 MHz；超高频系统一般指其工作频率在300MHz以上，典型的工作频段有：860-960MHz；微波系统一般指其工作频率在2.45GHz以上的，典型的工作频段有：2.45GHz，5.8GHz等。射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。标签的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理和识别距离，而且还决定着射频标签和读写器实现的难易程度。2.1.2 阅读器阅读器(Reader)是整个RFID系统中重要的组成部分之一，它是读写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取或写入信号，并接收标签的应答，对标签的标志信息进行解码，将标志信息传输到计算机处理系统以供处理。阅读器包括天线、射频模块和控制单元8。此外，阅读器还应与有计算机连接的通信端口，一边将读取的信息送往计算机处理或者从计算机获得要写入电子标签的数据。阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编解码；为精简电子标签芯片控制电路设计还可以执行防冲突算法；对电子标签和阅读器问要传送的数据进行加密和解密，以及进行电子标签和阅读器间的身份验证等附加功能。射频模块主要通过无线射频自动捕获电子标签中的数据，完成收发信号的调制与解调。根据所支持的标签类型不同以及所完成功能的不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。通常，在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态(无源标签)。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合(非接触的)获得的。RFID阅读器设计将向多功能、多借口、多制式，并向模块化、小型化、便携式、嵌入式等方向发展。同时，多阅读器协调与组网技术也将成为未来发展方向之一。未来阅读器的价格将大幅降低，并支持多个频点，能自动识别不同频率的标签信息。2.1.3 计算机处理系统在RFID系统中，计算机处理系统主要用于实现与阅读器之问的通信功能，阅读器可以通过RS232485等标准接口与计算机处理系统进行通信，进而通过有线或无线通信网络与服务器进行连接，通过服务器对数据进行记录并实现对数据库的管理，从而构成一个完整的信息管理平台9。2.2 无芯片RFID标签的工作原理2.2.1 电磁场基本原理和天线辐射理论RFID技术是通过无线信号来对目标实现识别的。阅读器和标签通过各自的天线构建起二者之间的空间信息传输通道。这种信息传输通道的性能完全由天线周围电磁场特性决定的。RFID技术作为一种无线传输技术，其天线的电磁传播特性是RFID技术的基本原理。a. 电磁场基础无线通信中，信息通过电磁波进行传输，交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场，Maxwell方程描述了空间每一点上每个时刻的电场和磁场情况10。交变的电磁场用频率为的正弦形式来表示时，可以得到以下的关系： (2.1) 其中E是电场强度(Vm)，H是磁场强度(Am)，B是磁通量密度(T)，D是电位移矢量()，J是电流密度()，P是电荷密度()。电荷和电流的连续性方程为: (2.2)单位平面上电场和磁场的发送的平均功率可以用Poynting矢量来表示。真空中电磁波的波数定义为: (2.3)其中c是光速，3ms，是真空的电导率，8.8542Fm，是真空的磁导率，4Hm。电场强度和电位移矢量的关系为，磁场强度和磁通量密度的关系为。真空的特征阻抗为: (2.4)b. 天线辐射理论为了讨论天线的辐射特性，首先假设其是理想偶极子天线，理想偶极子是指电尺寸的、辐射均匀的电流，其中、和如图2.3所示11。理想偶极子所产生的电场强度和磁场强度分别为： (2.5) (2.6)图2.3 电偶极子辐射场发射天线附近的电磁场可以分为两个独立的区域：电抗性近场(Reactive near field)和辐射场(Radiating field)，前者能量主要以存储的形式存在，而后者能量主要以电磁波的形式进行传播。两者的边界为 (2.7)其中，到天线的距离，为电磁波的波长。当满足下列条件时： (2.8)该处的电磁场区域常常简称为近场，区域中的电磁场近似于静态电流和电荷再分布产生的场强，因此也称为准静态场，场强随时间的变化与天线的电流和电荷的分布成正比12。当时为远场，又称辐射远场区或夫朗费荷区。近场与远场的边界为 (2.9)其中D为天线的最大尺寸。对于RFID系统和电子标签而言，一般情况下，由于电子标签尺寸的限制，以及读写器天线应用时尺寸限制，绝大都数情况下，采用天线结构模式。天线的无功近场区和远场区的距离可以根据波长进行估算。不同频段的RFID系统采用不同的电磁场通信机制。目前RFID系统采用的典型频率有13.56MHz(HF频段)和915MHz(UHF频段)附近，分别工作于近场和远场模式，近场模式采用磁场耦合的方式进行通信，分析比较复杂。由于超高频射频识别系统工作模式为远场，因此本文主要分析远场之间的电磁场传播，在讨论到近场耦合模式下的工作原理时，也会分析近场耦合的情况。2.2.2 RFID的数据传输原理与信道研究射频识别系统的通信过程有一定的特殊性，与一般的无线通信系统不同，如GSM。GSM工作于全双工的模式，符合欧洲标准的GSM手机的发射频率为890-915MHz，接收频率为935-960MHz，两者的间隔至少为20MHz，因此当GSM手机的接收机工作时，可以通过高频滤波器抑制发射电路的耦合到接收电路的功率，减小发射电路对接收电路的影响。而射频识别阅读器虽然不是全双工工作，但是当阅读器的接收机工作时，发射电路同时也在发射一个大功率的无调制载波，而阅读器接收到的信号和发射的功率处于同一频率，因此无法通过滤波器的方法来抑制13。a. 数据传输原理在RFID系统中，阅读器与标签之间的通信是通过天线利用电磁波来实现的。有关天线场区的划分，一方面表明了天线周围场的分布特点，即在辐射场中能量以电磁波的形式向外传播，而在无功近场中，能量以电场、磁场的形式相互转换，不向外传播；另一方面则表明天线周围场强的分布情况，距离天线越近，场强越强。因此，阅读器与标签之间的数据交换方式也就相应划分为负载调制和反向散射调制两种方式。通常而言，近距离RFID系统大多是通过准静态场耦合来实现的。正如前面所提到的，此时阅读器与标签之间的能量交换方式类似于变压器模型，即负载调制方式。这一方式实际是通过改变标签天线上负载电阻的接通和断开，使得阅读器天线上的电压发生改变，从而实现近距离标签对天线电压进行振幅调制。这种调制方式广泛应用于125kHz与13.56MHz的RFID系统中。在915MHz、2.45GHz或者更高频率的RFID系统而言，其工作在典型的远场中，阅读器与标签之间的距离达几米，甚至十几米，而载波波长仅有几厘米或十几厘米，这使得阅读器和标签之间的能量传递方式只能是反向散射调制。反向散射调制是指无源RFID系统中电子标签将数据发送到读写器时所采用的通信方式。标签一般包含天线和芯片，芯片中用一个阻抗开关调整芯片自身的输入阻抗14。假设要发送的数据信号是具有两种电平的信号，通过一个逻辑门与中频信号完成调制，调制后的信号控制阻抗开关的打开、闭合，从而改变芯片的输入阻抗，即改变芯片和天线的阻抗匹配情况。标签天线与相连的标签芯片共轭匹配时，天线接收的能量将大部分传递到芯片，反射回阅读器的能量较小；反之，芯片与天线不匹配时反射回阅读器的能量较大，从而对反射的回波进行调制。这种调制方式类似于ASK调制。b. 信道研究射频识别系统的工作频段一般选择为ISM频段(Industrial，Scientific，and Medical，工业，科学，医学)，其主要原因是ISM频段无需申请执照。对所有无线电系统都开发，比较容易在全球使用统一的频段。典型的射频识别系统的工作频率为125kHz，13.56MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz等。在低频和高频射频识别系统(125kHz和13.56MHz系统)中，主要是基于磁场耦合效应，因为欧洲允许的容性耦合场强非常小，所以采用磁场耦合的方式。在磁场耦合机制中，标签靠磁场上电。和线圈直径相垂直的磁场强度为： (2.10)其中，I为线圈中流过的电流，N为线圈的匝数，为阅读器线圈的半径，d为阅读器和电子标签的距离15。从式中可以得到，当磁场强度达到最大时，因此在磁场系统中通过磁场耦合建立通信，为了保持通信进程，阅读器和电子标签之间的磁场耦合系数k必须大于0，耦合系数的定义为 (2.11)其中和是线网的电感值，M为互感系数， (2.12)其中A是线圈的匝积，B是磁通量密度，磁场耦合只在近场耦合时有效。在近场通信中，为了使得通信距离较大，阅读器的天线也会较大，另一方面，如果标签不在阅读器天线的中轴线上，通信的性能也会降低很多。后向散射的RFID系统则基于电场耦合方式，后向散射系统基于改变标签天线和芯片之间的阻抗和阅读器建立通信，其工作距离也远远大于近场耦合的RFID系统。现有的超高频射频识别系统典型的工作距离约为几十厘米以上，二十米以下，属于无线短距通信，主要应用在室内，因此超高频射频识别系统的通信机制又与室外的无线通信系统如GSM，CDMA等不相同16。在无线通信中，影响电磁波传播的三种最基本的机制是反射，绕射和散射。这三种机制不光描述了大尺度传播模型预测，也描述了小尺度衰落和多径传播。当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射主要发生在地表，建筑物和墙壁表面。当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。对于射频识别系统来说，主要工作于室内。电磁波的反射面非常多，会产生某些接收点上能量的增强与削弱，对接收功率产生重要的影响。电磁波的绕射主要由电磁波在尖利边缘上产生的二次源产生，当阅读器和电子标签之间存在阻挡时，二次源的能量较低，使得绕射的影响较低，类似地，电磁波的散射对射频识别系统影响也较低。当阅读器和标签进行通信时，标签会反射阅读器的电磁波，同时周围环境的物体也会反射电磁波。此时，阅读器到和电子标签，接收到的电磁波是经过不同路径损耗后的电磁波总和。在某个位置上，电磁波的幅度可以看作是所有路径电磁波的叠加(直接传播的，标签后向散射的，地板或者墙壁反射的和人体反射的电磁波)。在一般的环境中，电磁波的到达时间依赖于路径的长度，叠加后产生有益的或是负面的效应，其中负面的效应就是衰落效应或者是场区零点，有可能使得阅读器和电子标签之间无法建立正常的通信17。当两个天线之间的极化，方向等完全匹配时，天线之间的能量传输达到最大值。路径损耗可以用Friis公式来估算，Friis传输公式为 (2.13)其中是电子标签接收到的功率，是阅读器功率放大器发送出去的功率，是阅读器发射天线增益，是电子标签天线的增益，d是阅读器和电子标签天线之间的距离，是电磁波的波长，是阅读器发送的EIRP功率值。无线信道的路径损耗为 (2.14)从计算结果来看，路径损耗在100MHz的带宽内，路径损耗的值偏差约为ldB，理想情况下，受频率的影响较小，并且频率越低，路径损耗越小，在相同的功率条件下。频率越低，工作距离越远。因此，当都采用远场通信机制时，工作频率为915MHz附近的射频识别系统。其工作距离比工作频率为2.45GHz附近的射频识别系统要远18。2.2.3 无芯片RFID标签的工作原理与识别距离a. 无芯片RFID的工作原理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。普通的芯片RFID标签，是通过芯片存储的数据流控制标签天线的负载阻抗来对反射散射信号进行调制。无芯片RFID标签没有芯片，但也要完成数据保存功能以及将保存的标签信息反射回阅读器。这就需要对标签结构进行独特的设计，每个标签在结构上有微小的差别，使得标签的反向散射信号有自己的唯一性，并能够被阅读器获取、识别并数字化成唯一的ID。这类似于雷达工作原理。不同的是，我们希望标签的反向散射信号有一定的规律，便于阅读器解调后数字化。目前出现的无芯片RFID标签大致是基于两种设计方法。(1) 标签由微带天线构成，设置每个天线端口的特性不同，或者在端口加载微带结构的负载，使得天线反向散射信号的幅值或相位根据端口特性的不同而改变。(2) 标签设计成一个简化的射频收发电路，由一个接收天线，谐振电路和一个发射天线组成。标签的接收天线接收阅读器发射的访问信号，经谐振电路后创建了频谱，再经发射天线将频谱信号反射回阅读器。则为该标签唯一的ID19。b. 无芯片RFID标签的识别距离普通的RFID系统识别距离受标签方向性、标签数目、标签天线、发射功率及通信环境等影响。排除以上提到的不确定因素，无芯片标签RFID系统的阅读器读写距离主要由两方面决定：(1) 标签激活功率标签能从入射电磁波中提取足够的能量以供应其微芯片正常工作；(2) 阅读器的灵敏度来自标签的已调制后向散射信号足够强使得阅读器解调出的信号能满足用户指定的信噪比的要求。由于所设计的为无芯片RFID电子标签，不需要从入射电磁波中提取能量供应芯片工作，所以无芯片RFID系统的识别距离取决阅读器接收机的灵敏度。与普通的RFID系统一样，阅读器发射天线的增益为，发射功率为时，在距离阅读器R处的标签接收到功率为： (2.15)其中GTag为标签天线的增益，为自由空间信号的波长20。根据雷达技术可知，体积超过电磁波长的一半的物体可对其进行反射，标签反射回的能量与物体的反射截面积成正比，的计算公式为： (2.16)若为阅读器接收天线的增益，则返回到阅读器接收天线的功率为： (2.17)13毕业设计（论文）3 螺旋谐振器的设计在现代通信系统中，谐振器已成为必不可少的器件。谐振器就是指产生谐振频率的电子元件，具有简单易制作、稳定、方便集成、抗干扰性能良好的特点，广泛应用于各种电子产品中，随着各种新型微带谐振器出现，性能不断改善，微带线谐振器已经体现了它强大的应用价值21。耦合谐振器的提出引起研究者注意和兴趣，它设计简单，易集成，高选择性，而且损耗小，所以耦合谐振滤波器受到人们的青睐。研究者已提出了各种各样的耦合谐振器，像马蹄形耦合谐振器、矩形环绕耦合谐振器等。一些耦台微带谐振器已用在带阻滤波器中，仿真与实际测量具有很好的一致性，说明了这种设计的可靠性、有效性。3.1 螺旋谐振器的工作原理微带螺旋的滤波特性可以通过分析微带螺旋结构的LC等效电路模型来获知。当时变电磁场穿过螺旋结构时，会有感应电流沿着螺旋谐振器的微带线产生。从而螺旋微带线产生了分布电容，其大小与螺旋线的长度成正比，并且螺旋微带线相邻的两条边还会产生互感。当时变电场穿过螺旋结构时，微带线内部与外部产生了分布电容，微带线边缘产生了色散电容，这些色散电容可以等效成串联形式。螺旋微带线相邻的两条边还会产生互感。因此，螺旋谐振器的等效电路模型如图3.1。图3.1中等效电路中是分布电容，表示了色散电容，代表了螺旋线电阻，为分布电感22。图3.1 螺旋谐振器的等效电路从图中看出，该微带螺旋谐振器的等效电路模型相当于一个阻带滤波器的LC等效电路。它的谐振频率可由以下公式估算 (3.1) 其中，表示分布电容和色散电容的总和，是分布电感和耦合电感的总和。从以上的分析中，可以得出微带螺旋谐振器相当于一个阻带滤波器。而在此无芯片RFID标签结构中，需要多个工作于不同频率阻带滤波器对阅读器发射机发射的多频信号进行处理。下面分析一个螺旋谐振器的结构23。图3.2 微带螺旋谐振器耦合微带线图3.2显示了一个微带螺旋谐振器耦合到微带线的结构。W为螺旋谐振器的宽，L为螺旋谐振器的长度，gap为微带线之间的间隙。这一结构的等效电路如图3.3所示。如图3.3所示，螺旋谐振器等效电路中电感的总和和电容的总和决定了螺旋谐振器的谐振频率。所有这些值都有微带螺旋谐振器的结构决定，比如螺旋线的总长度L，微带线的宽度W，螺旋微带线之间的间隙gap。代表了螺旋谐振器和微带线之间的耦合电感，耦合系数主要取决于螺旋结构的长度L和螺旋谐振器与微带线之间的耦合缝隙d，由传输线理论可知，d越小耦合越大。简化后的图如图3.3右图所示24。图3.3 微带螺旋谐振器耦合到微带线的等效电路3.2 谐振器的设计思路我首先确定的谐振器类型为螺旋谐振器。螺旋谐振器是同轴线型谐振器的变形。当时变电磁场穿过螺旋结构时，会有感应电流沿着螺旋谐振器的微带线产生。从而螺旋微带线产生了分布电容，其大小与螺旋线的长度成正比，并且螺旋微带线相邻的两条边还会产生互感。之所以选择的是螺旋谐振器，是因为微带线具有Q值较低的缺点，所以可以将微带线枝节进行折叠，同时采用耦合微带线结构代替单根微带线结构，以减小辐射损耗。由于在RFID系统中，阅读器发射这3个谐振频率，当某个频点的螺旋谐振器存在时，就将访问信号中此频率的信号能量削弱后反射回阅读器接收机，此频率就编码为“0”，反之为“1”。而对于螺旋谐振器结构的修改，就是在螺旋谐振器中加入短路节点，这样就可以改变编码的数值，以便确定不同物体的信息。16毕业设计（论文）4 仿真结果与结论分析我的仿真结果分为2部分，第一部分为单一螺旋谐振器的仿真，其中包括当改变谐振器不同参数时，对仿真结果所造成的影响，并分析了其所产生的原因。第二部分为3个谐振器级联的仿真，这一部分主要就介绍了不同仿真结构对仿真结果的影响。仿真软件为Ansoft HFSS。4.1 单一螺旋谐振器的仿真螺旋谐振器结构如图4.1所示。图4.1 螺旋谐振器结构初始数据与仿真结果，如图4.2所示。其中螺旋谐振器的宽W=2.26mm，螺旋谐振器的长L=6mm，微带线之间的间隙gap=0.2mm。图4.2 初始数据与仿真结果当gap增大之后，数据与仿真结果如图4.3所示。其中微带线之间的间隙gap=0.5mm。图4.3 gap增大之后的数据与仿真结果可见当gap由0.2mm增大到0.5mm后，螺旋谐振器中心频率f变小，谐振点的插入损耗增大。其原因为，在传输线理论中gap越小耦合越大。当gap减小之后，数据与仿真结果如图4.4所示。其中gap=0.05mm。图4.4 gap减小之后的数据与仿真结果当gap由0.2mm减小到0.05mm后，螺旋谐振器中心频率f变大，谐振点的插入损耗减小。再研究螺旋谐振器的宽度对于中心频率的影响。当宽度增大时，仿真结果如图4.5所示。其中螺旋谐振器的长度L=12mm。图4.5 宽度增大时的数据与仿真结果可见将微波谐振器的长度由6mm增加到12mm，螺旋谐振器的中心频率增大，谐振点的插入损耗减小。当宽度减小时，数据与仿真结果如图4.6所示。其中L=2mm。图4.6 宽度减小时的数据与仿真结果经过这两次的仿真，就可以得到的结论是：螺旋谐振器的中心频率与谐振点的插入损耗与谐振器的宽度与高度有关。4.2 3个螺旋谐振器级联的仿真4.2.1 编码值为“000”的谐振器结构与仿真结果编码值为“000”的谐振器结构与仿真结果如图4.7所示。图4.7 编码值为“000”的谐振器结构与仿真结果从图中可以看出有3个谐振点，每个谐振点的插入损耗都在-5dB以下。4.2.2 编码值为“010”的谐振器结构与仿真结果编码值为“010”的谐振器结构与仿真结果如图4.8所示。图4.8 编码值为“010”的谐振器结构与仿真结果4.2.3 编码值为“101”的谐振器结构与仿真结果编码值为“101”的谐振器结构与仿真结果如图4.9所示。图4.9 编码值为“101”的谐振器结构与仿真结果24毕业设计（论文）5 结论5.1 设计结论本次通过对无芯片射频识别电子标签电路进行设计，利用Ansoft HFSS进行建模并进行仿真，已达到设计要求。通过这次设计

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。