（通信与信息系统专业论文）抗金属uhf+rfid标签天线的研究与设计.pdf

摘要 随着物联网技术的快速发展，作为其关键技术之一的r f i d 技术受到越来越 广泛地应用，对r f i d 系统性能的要求也越来越高，尤其是对基于电磁波反向散 射原理的u h fr f i d 系统更是如此。但是，在很多应用中，r f i d 标签需要贴附 于金属物体表面，具有类偶极子天线的普通无源超高频r f i d 标签应用于金属表 面时，性能会急剧下降，甚至不能被有效读取。 为了解决超高频r f i d 标签应用于金属表面的问题，本文首先分析了普通标 签天线应用于金属表面性能恶化的原因，并以偶极子天线为例在h f s s 软件中进 行仿真、分析，实验结果表明：当类偶极子天线靠近金属表面时，其参数特性( 阻 抗值、回波损耗、辐射特性等) 均受到了严重的影响，从而导致天线无法实现正 常工作。 本文通过对抗金属标签天线的理论性研究，设计了两种抗金属u h fr f i d 标 签天线。 首先，完成了无源抗金属u h fr f i d 标签天线的设计。该天线采用微带贴片 天线结构，具有结构简单、低剖面等优点，并且引入了电感耦合的馈电方式，通 过调节馈电环的尺寸以及馈电环与天线辐射体间的距离改变天线的阻抗特性，另 外，将天线辐射体设计为内、外两个相互独立的部分，分别与馈电环进行耦合， 使其在中心工作频率附近形成两个相邻的谐振峰，从而有效地增加了天线的带 宽。该天线采用廉价的f r - - 4 基质，避免了使用短路针与短截片的设计，实现了 低成本的设计目标。经过加工制作，并对样品进行测试得到：此标签天线工作在 自由空间中和金属环境物体表面的最大阅读距离分别为4 2 米和3 8 米 ( e i r p ：4 w ) ，达到了预期设计目标。 其次，完成了太阳能电池供电的抗金属u h fr f i d 标签天线的设计。该设计 中将太阳能电池作为一个寄生单元引入到抗金属标签天线设计，天线结构采用了 垫高泡沫的方法，增大天线与金属物体表面间的距离来降低金属对标签天线的影 响，通过h f s s 软件仿真，该天线可以很好地适用于金属物体表面。经过加工制 作，并对样品进行测试得到：当r f i d 标签处于无源工作状态时，其应用在金属 表面的最大阅读距离为3 3 米( e i r p = 4 w ) ；而当太阳能电池供电时，其最大阅 读距离可以达到1 0 米左右( e i r p = 4 w ) ，达到了预期设计目标。 关键字：射频识别；超高频；标签；天线；抗金属 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e r a c to ft h i n g st e c h n o l o g ys o a r i n gd e v e l o p m e n t ，r f i dt e c h n o l o g y h a sb e e nm o r ew i d e l yu s e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yf o ru h fr f i d s y s t e mw h i c hi sb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cb a c k s c a t t e rp r i n c i p l e h o w e v e r ，r f i dt a g n e e d st ob ea t t a c h e do nm e t a l l i cs u r f a c e si nm a n ya p p l i c a t i o n s t h em e t a l l i cs u r f a c ei n t h ev i c i n i t yo fa n 呷r f i dt a ga n t e n n am a k e st h ep e r f o r m a n c eo ft h et a gw o r s eo r e v e nn o tr e a d a b l e t os o l v et h i s p r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s ta n a l y z e dt h ec a u s ef o rt h e p e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t i o no ft h et a gp l a c e dn e a rm e t a l l i co b j e c t sa n ds i m u l a t e dt h e d i p o l ea n t e n n au s i n gh f s ss o f t w a r e b yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i th a sb e e n s e r i o u s l ya f f e c t e do ft h ea n t e n n ap a r a m e t e r ( i m p e d a n c e ，r e t u r nl o s s ，r a d i a t i o na n d s oo n ) w h e nt h ed i p o l ea n t e n n am o u n t e do nt h em e t a l l i cs u r f a c e s ，a n di t su n a b l et o w o r k t h r o u g hr e s e a c h e da n da n a l i z e dt a ga n t e n n am o u n t a b l eo nm e t a l l i cs u r f a c e s ，t w o k i n d so fr f i dt a gn a t e n n aa r ed e s i g n e d f i r s to fa l l ，p s s i v eu h fr f i dt a ga n t e n n am o u n t a b l eo nm e t a l l i cs u r f a c ew a s d e s i g n e di nt h i ss t u d y i ta d o p t e dt h et y p eo fm i c r o s t r i pa n t e n n a , w h i c hh a v eas i m p l e a n dl o wp r o f i l es t r u c t u r e t h ei n d u c t i v e l yf e e dw a yw a su s e di n t h i sa n t e n n a ，w h i c h c o u l dc h a n g et h ea n t e n n a si m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i cc o n v e n i t e t l yt h r o u g ha d j u s tt h e d i m e n s i o no ft h ef e e dl i n eo rt h ed i s t a n c eb e t w e e nf e e dl i n ea n dr a d i a t i n gb o d i e s i n o r d e rt oo b t a i nt h eb r o a d b a n d ，t h er a d i a t i n gb o d i e sw e r ed e s i g n e da si n s i d ep a r ta n d o u t s i d ep a r tw h i c hc o u p l e dw i t ht h ef e e dl i n er e s p e c t i v e l y i no r d e rt or e d u c et h ec o s t ， t h el o w - c o s ts u b s t r a t ef r - 4w a su s e da n dw i t h o u ts h o r t - p i n so rs h o r t - p l a t e si nt h i s a n t e n n a t h r o u g ht h em e a s u r e m e n t ，t h em a x i m u mr e a d i n gr a n g eo ft h et a ga n t e n n a w o r ki nf r e ea i ra n dm o u n t e do nm e t a l l i cs u r f a c ei s4 2 ma n d3 8 m ( e i r p = 4 w ) ， r e s p e c i t i v e l y ，w h i c ha c h i e v e dt h ee x p e c t e dr e s u l t s t h e n au h fr fi dt a ga n t e n n ap o w e rs u p p l l i e db ys o l a rc e l lm o u n t a b l eo n m e t a l l i cs u r f a c ew a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i st a ga n t e n n ai n c l u d e dac e l lb a t t e r y ， a sap a r a s i t i ce l e m e n t ，t op r o v i d ep o w e rf o rr f i dt a g ，w h i c hi n c r e a s e dt h ed i f f i c u l t i e s f o ra n t e n n ad e s i g n i ta d o p t e di n c r e a s i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e na n t e n n aa n dm e t a l l i c s u r f a c eb yb l o c k - u pt h ef o a m sm e t h o dt od i m i n i s ht h ee f f e c t so fm e t a lo b j e c t s t h i s a n t e n n ac o u l db ew e l lm o u n t a b l eo nm e t a l l i cs u r f a c e st h r o u g hi n s p e c tt h es i m u l a t i o n r e s u l t si nh f s ss o r w a r e w h e nt h et a ga n t e n n aw o r ka s p a s s i v es i t u a t i o n ，i t s m a x i m u mr e a d i n gr a n g eo ft h ea n t e n n ai s3 3 m ( e i r p = 4 w ) ，a n di t sm a x i m u m r e a d i n gr a n g ei s10 m ( e i r p - - 4 w ) w h e nt h es u n l i g h ti sa d e q u a t e d ，w h i c ha c h i e v e dt h e e x p e c t e dr e s u l t s k e y w o r d s ：r f i d ，u l t r a h i g hf r e q u e n c y ，t a g ，a n t e n n a ，m o u n t a b l eo nm e t a l l i cs u r f a c e s 学位论文的主要创新点 一、在无源抗金属u h fr f i d 标签天线设计中引入电感耦合馈电 技术，通过调节馈电环的尺寸以及馈电环与天线辐射体间的距离改变 天线的阻抗特性。另外，将天线辐射体设计为内、外两个相互独立的 部分，分别与馈电环进行耦合，使其在中心工作频率附近形成两个相 邻的谐振峰，从而有效地增加了天线的带宽。 二、将太阳能电池引入到抗金属u h fr f i d 标签天线中，天线在 太阳能电池附近进行设计，并且两者之间形成电容效应，通过降低天 线的谐振频率达到减小天线尺寸的目的，使得天线在小型化、低剖面 的基础上增大了阅读距离。 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术即无线射频识别，俗 称为电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它是通过射频信号自动识别目 标并获取相关的数据信息，以达到数据交换的目的【1 1 。r f i d 技术作为一项先进 的自动识别和数据采集技术，被公认为2 l 世纪十大重要技术之一。 r f i d 系统主要工作频段包括：低频、高频、超高频以及微波等频段【2 】。工作 在低频和高频频段范围内的r f i d 系统主要根据电感耦合的原理完成自动识别功 能，读取距离通常来讲比较近；超高频与微波频段范围内的r f i d 系统通过电磁 波传播来读取数据，具有较远的读取距离。r f i d 技术可以广泛应用于开放式门 禁、开放式考勤、会议签到、无障碍通道、贵重物品管理、数字化景区门票管理、 数字化图书馆图书管理、医药管理、产品防伪、物流及供应链等多种领域【l 划。 鉴于超高频r f i d 应用的巨大潜力，各国相继发布了超高频r f i d 的相关政策和 规范。r f i d 标签技术相对于传统的自动识别技术，比如条形码，r f i d 技术具 有众多的优势【2 - - 4 1 ：可以定向或者非定向的进行远距离的读取或者数据写入的工 作，不需要保持识别的目标物体可见，可以透过目标物体的外部材料读取信息数 据，具有穿透性；可以应用在比较恶劣的环境：可以同时读取并处理多个电子标 签；可以进行重复使用：可以存储大量的数据信息；可以通过r f i d 阅读器及标 签对物体进行物理定位等等。 实施电子标签系统方案可以实现以下目标，从而获得预期的经济效益1 3 刊：1 、 缩短作业流程；2 、改善盘点作业质量；3 、增大配送中心的吞吐量：4 、降低运 转费用：5 、供应链上的物流追踪；6 、增加供应链管理的透明化程度；7 、在流 程上捕获数据；8 、信息的传送更加迅速、准确、安全。 射频识别技术在我国拥有着巨大的市场潜力和广阔的发展前景，i d t e c h e x 公 司的一项研究报告表明：按照产值计算，中国将成为世界上i 心i d 技术的最大市 场【3 】。v d c 发布的中国r f i d 市场自皮书中，科学的分析和计算了中国r f i d 产业 及市场发展，并认为中国r f i d 产业和市场的发展将会愈加具有活力，并且逐步 迈向繁荣。“就全球r f i d 技术产业来说，中国将成为一注值得大家期待的催化 剂”，美国v d c 高级r f i d 分析f ) 亓j l o u i sb i a n c h i n 先生说，“中国对全球r f i d 产业的 影响将会由推动规模经济效益开始，包括制造成本的降低及生产量的增长，但是， 天津工业大学硕士学位论文 其中最重要的作用将是其对r f i d 技术价值主张的进一步增强，随着r f i d 技术的 有益度和实用性被广泛认可，普通消费者和终端用户对r f i d 技术的意识和接受 度将会得到越来越快的提升”。2 0 0 8 年，全球r f i d 市场总价值达到了惊人的5 2 5 亿美元。在国内，近年来r f i d 低频产业规模增长幅度很大，市场规模越来越大。 继2 0 0 6 年6 月科技部联合1 4 家部委发布了中国射频识别( 盯i d ) 技术政策白皮 书之后，同年1 0 月，科技部“8 6 3 ”计划先进制造技术领域办公室正式发布国 家高技术研究发展计划先进制造技术领域“射频识别技术与应用”重大项目2 0 0 6 年度课题申请指南，投入了1 2 8 亿元扶持r f i d 射频识别技术的研究和应用，极 大地推动了我国r f i d 产业的发展。据报道，中国r f i d 产业全球市场规模于2 0 0 9 年达到了1 1 5 亿元。2 0 0 5 年- 2 0 1 0 年的市场规模复合年平均增长率高达8 2 4 ，由 此可见，r f i d 技术已经是i t 产业的一个新的增长点【3 1 。 无线射频识别( r f i d ) 技术已经成为了一个日趋热门的话题。据业内人士 评估、预测，未来几年内，r f i d 技术市场将在新产品的应用与服务上获得3 0 1 0 0 亿美元的商机 4 1 ，随之而来的还有资料存储系统、资料库程序、服务器、顾问服 务、商业管理软件以及其它电脑基础建设的庞大需求。目前，已经有众多科技公 司正在研发r f i d 技术专用的软、硬件，例如英特尔、甲骨文、微软和s u n 等。 全球航空运输协会也列出了全球机场r f i d 技术的应用计划【3 q 1 ，并且已经有很 多比较繁忙的机场计划采用r f i d 技术进行追踪和处理包裹工作，从而提高工作 效率。因此，无线射频识别技术可以说正在逐步成为全球最热门的新技术。 随着国外r f i d 技术的蓬勃发展，我国也意识到了r f i d 技术的重要性。中 国信息产业部于2 0 0 5 年1 2 月宣布成立负责起草、制定中国r f i d 技术国家标准 的电子标签国家标准工作纠。超高频( u h f ) 频段的试行标准已经定下来了。 但是，由于r f i d 技术在我国起步相对比较晚，与那些在此领域技术先进的国家 相比存在着一些差距。目前我国在此项技术上尚处于研发阶段，由于r f i d 技术 的应用越来越广泛，其带来的经济效益不可估量，所以，研究和发展r f i d 射频 识别技术已经刻不容缓，任务紧迫。 1 2r f i d 系统的组成 通常的r f i d 系统包括前端的射频部分和后台的计算机数据管理系统。射频 部分由r f i d 阅读器和电子标签( t a g ) 组成，如图l l 所示。在r f i d 电子标签 中，包含了标签天线和标签芯片两部分【1 卅。通常情况下，当r f i d 电子标签接 收到阅读器发射出来的信号的时候会被“唤醒”，然后按照接收到的阅读器的发 射指令来完成相应的动作，并且将响应信息通过标签天线发送回给r f i d 阅读器。 第一章绪论 图1 1r f i d 系统工作原理图 r f i d 阅读器是由阅读器天线和阅读器两部分组成，其在工作的时候通过由阅读 器天线发出的发射信号激活并传送信息指令给r f i d 电子标签，r f i d 标签被激 活后返回给r f i d 阅读器标签芯片内部存储的信息。r f i d 阅读器在经过初步的 过滤、信号处理之后，完成对电子标签内存储的信息的获取和处理，将有用的数 据通过网络和数据管理系统进行交互处理。计算机数据管理系统的主要任务是处 理并存储阅读器读取出来的标签内部存储的数据信息，相当于整个r f i d 系统的 “大脑”。 r f i d 标签和r f i d 读写器是通过电磁波进行传输和交换信息的。在整个系统 中，r f i d 标签用于存储所标识物品的信息，r f i d 阅读器作为信息采集终端，利 用射频信号对标签进行读取并与计算机信息管理系统通过网络进行通信。在 r f i d 技术的实际应用中，r f i d 电子标签被固定在被识别物体的表面( 或者物体 的内部) ，当携带有r f i d 标签的物体通过r f i d 阅读器的识读范围时，r f i d 阅 读器自动地以非接触的方式将电子标签中的存储的物品信息读取出来，依据需要 可以对标签中信息进行修改，从而可以实现非接触甚至远距离自动识别物品的功 能。 1 3r f i d 标签的分类 在r f i d 系统中，根据标签的工作频率、工作模式等特点，可以对r f i d 进 行以下分类。 1 按照标签的供电形式 按照标签的供电形式，r f i d 标签可以分为有源标签、无源标签和半有源标 签三种形式1 翊。 有源r f i d 标签中包含了标签和电池两部分，当有源r f i d 标签在工作的时 鸯i 天津工业大学硕士学位论文 候，使用标签内部的电源提供能量，与r f i d 阅读器进行识别、通信。有源r f i d 标签的优点是识别距离较远( 通常情况下可以达到几十米甚至上百米) ，但同时， 此类标签的缺点是由于电池电量容量有限，随着电池电量的消耗，标签的可读取 距离也会越来越短，会影响到系统的正常工作，而且当电池电量耗尽后，需要进 行更换电池，所以有源r f i d 标签成本价格相对较高且寿命相对有限。 无源标签是指内部不含电源，工作时从读写器的电磁场中获取能量进行通 信，无源标签接收电能的典型装置是线圈与天线。当电子标签进入r f i d 系统的 工作区域时，天线接收到来自阅读器发来的特定的电磁波，线圈就会在电磁场的 影响下产生感应电流，经过整流电路的时候，激活电路上的微型标签以给标签供 电。而无源标签的最主要缺点在于其可读取的距离相对较短，通信距离受到限制 ( 通常情况下阅读距离在l o 米以内) ，信号的强度受到限制，所以需要读写器的 功率比较大。无源标签的优点是重量轻、体积小，寿命很长、成本相对较低，并 且可以制作成各种薄片的形式，方便应用。 半有源标签是指内部包含有电池，但是只起到对标签内部数字电路供电的作 用，标签并不利用电池提供的能量主动发送数据信息，只有当标签被读写器发射 的电磁信号激活时，才能传送自身的数据。 2 按照工作频率 按照工作频率划分，r f i d 系统可分为低频( l f ) 、中高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波( m w ) 系统。 低频( l f ) 系统的工作频率范围一般是指3 0 3 0 0k h z 。在低频系统中，最典 型、最常用的工作频率分别是1 2 5 l 洫和1 3 3 1 【h z ，并且都有相应的国际标准。低 频r f i d 系统的优点是标签的成本相对较低，缺点是标签内保存的数据量较少， 可读取的距离比较短( 一般情况下，读写距离通常是1 0 c m 左右) 。工作在低频 的电子标签外形多样，天线的方向性不强，所以，这类标签在动物管理和畜牧业 方面的应用较多。 中高频( h f ) 系统的工作频率范围一般是指3 3 0 m h z 。中高频系统中， 1 3 5 6 m h z 是最典型、最常用的r f i d 的工作频率，目前为止，在这个频段上已 经有大量的国际标准予以支持，技术相对比较成熟。中高频频段内工作的电子标 签及盯i d 读写器成本相对来说比较低，而且标签内可以保存的数据量也比较大， 读写距离方面也有了一些提升，最远可达到l m 以上，并且适应性比较强，各方 面的性能能够满足大多数场合的需求。此类标签的外形一般为卡状，r f i d 标签 天线和读写器都有一定的方向性。在我国，频率为1 3 5 6 m h z 的r f i d 产品应用 在目前来讲相当广泛，例如，北京公交“一卡通”、我国的第二代居民身份证系 统、广州“羊城通”以及国内大多数学校的校园一卡通等等都是应用在该频段内 第一章绪论 的r f i d 系统i 7 1 。 超高频( u h f ) 和微波( m w ) 频段中，多数的r f i d 系统的工作频率范围 一般为3 0 0 m h z 3 g h z 或者3 g h z 以上，其中4 3 3 9 2 m h z 、8 6 2 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 和5 s g h z 是最典型的工作频率，应用领域比较多。根据各个频段电磁波传播的 特点，r f i d 系统可以适用于不同的应用需求，例如，有源r f i d 标签( 4 3 3 m h z ) 常用于工业控制领域及近距离通信；无源r f i d 标签系统( 9 1 5 m h z ) 在物流领 域的应用非常广泛；2 4 5 g h z 的r f i d 标签除了大量应用于近距离通信之外，在 我国的铁道运输识别管理中也得到了广泛应用；5 8 g h z 的r f i d 系统更是作为 我国电子收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，简称e t c ) 的工作频率，例如高 速公路不停车收费系统，并且率先制定了国家e t c 标准。 3 按照耦合类型 按照耦合类型划分，r f i d 系统可以分为电感耦合( 磁耦合) 和电磁波反向 散射耦合( 电磁场耦合) 两种方式【l 吲。 电感耦合方式一般适用于中、低频工作的r f i d 射频识别系统，适用于近距 离的读写工作，其中典型的工作频率有1 2 5 l 此、1 3 4 k h z 以及1 3 5 6 m h z ，识别 距离一般在l 米以内，而此系统的大多数的作用距离范围在1 0 - 2 0 c m 。在电感耦 合系统中，采用的天线形式一般为线圈，r f i d 标签与读写器之间的电磁波信号 传输方式与变压器模型有些相似，其工作原理是通过电磁感应的方式实现空间交 变磁场的耦合，从而进行数据交换，如图1 2 ( a ) 所示。 在电磁波反向散射耦合系统中，r f i d 读写器和r f i d 电子标签之间的通信实 现依照雷达系统模型，即读写器发射出去的电磁波，碰到标签目标后，由反射信 号带回标签信息，依据的是电磁波的空间传输定律，如图1 2 ( b ) 所示。 电磁波反向散射耦合系统一般适用于高频及微波频段工作的远距离r f i d 系 统，典型频率为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。反射横截面衡量了一 个选定目标的反射电磁波的效率，反射横截面的大小与物体的众多参数有关，比 如目标物体的大小、材料和形状，电磁波的极化方向和波长等。 由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以r f i d 反向散射耦合方 式采用超高频( u f ) 频段，应答器和阅读器之间的工作距离大于一米，例如， 9 1 5 m h z 无源标签系统，典型工作距离为3 1 5 米，广泛应用于物流跟踪及识别 领域。 天津工业大学硕士学位论文 ( a ) 电感耦合 1 4r f i d 技术的发展及应用 图1 2 耦合类型图 ( b ) 电磁耦合 r f i d 技术发展起源于雷达技术的发展与应用，可以追溯到上世纪初期：1 9 2 2 年，雷达( r a d i od e t e c t i n ga n dr a n g i n g ，r a d a r ) 技术被发明出来，它通过发射 无线电磁波及接收目标物体反射回来的信号来探测和定位目标物体的位置及速 度【4 】，r f i d 技术的工作基础即使用的此种物理机制。r f i d 技术首次应用要追溯 到第二次世界大战期间，当时用来完成空中作战行动敌我识别。1 9 4 8 年，哈里斯 托克曼发表“利用发射功率的通信”奠定了射频识别技术的理论基础。历史上看， r f i d 技术的发展可以大概划分为以下几个阶段【3 川，如表1 1 所示。 表1 1r f i d 技术发展史 1 9 4 1 1 9 5 0 笠 雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术理论基础 1 9 51 - 1 9 6 0 笠 早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室试验研究 1 9 6 1 1 9 7 0 焦r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试 r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试得到 1 9 7 1 1 9 8 0 釜 加速，出现了一些最早的r f i d 应用 1 9 8 1 1 9 9 0 焦 r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统开始出现 1 9 91 - 2 0 0 0 年r f i d 技术标准化问题目趋得到重视，r f i d 产品得到广泛采用 标准化问题日趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源电子标 2 0 0 1 年至今 鉴、无源电子标签即半有源电子标签得到了发展，电子标签成本不断降低 作为一种新兴技术，射频识别( r f i d ) 在国外发展很快，并被广泛地应用 第一章绪论 在交通运输控制管理、生物识别、商业自动化、工业自动化等众多领域。例如， 澳大利亚将r f i d 产品应用于机场旅客的行李管理，极大地提高了机场的工作效 率，发挥了出色的作用；全球几家排名靠前的大型零售商，如沃尔玛、m e t r o 、 乐购等为了提高供应链的效率和透明度，相继宣布了引进r f i d 技术的计划，并 且获得了供应商的大力支持；惠普公司于2 0 0 7 年推出并宣传了r f i d 智能墨盒 的展示柜，而采用r f i d 技术的智能墨盒使得管理人员能够时刻监测零售店内喷 墨打印墨盒的数量，并在即将断货时进行及时的补货，一定程度上避免了断货、 缺货情况的出现，以提高零售商的销售额【1 2 1 。 射频识别技术在在世界范围内已经得到了广泛的应用，主要有【2 5 】： 1 高速公路收费及监控 高速公路自动收费系统是r f i d 技术最成功、最广泛的应用之一，将r f i d 的 一套完整的系统安装在收费口处，车辆在通过收费口的时候无需进行减速，保持 原有速度通过即可完成缴费工作，解决了在收费路段因人工工作效率低而引发的 交通拥堵问题。 2 仓储、配送等物流环节 射频识别技术在仓储、配送等物流环节的应用，使得物品的管理、运输等工 作可以实现快速、准确地进行。以r f i d 技术为核心的集装箱自动识别技术，经 过多年的发展，已经逐渐成为了全球范围内最大的货物跟踪管理应用技术。 3 电子钱包、电子票证 射频识别卡是r f i d 技术的一个越来越广泛地应用，射频识别卡的功能相当于 电子钱包，消费者在购物结束后进行结算的时候，无需再进行排队等候，在安装 r f i d 收费系统特定区域通过即可实现电子结算。电子票证目前主要应用在一些 旅游景点门票、会议的签到方面。2 0 1 0 年在中国上海举办的世界博览会的门票即 采用了r f i d 电子票证技术。 4 动物跟踪和管理 射频识别技术在动物管理方面的应用已经得到了越来越广泛地应用。在一些 比较大型的动物养殖厂，每个动物都会有自己的r f i d 标牌，内部记录着动物的 一些饲养、健康状况等档案，当工作人员手持r f i d 阅读器经过动物身边的时候， 便可以了解到该动物的一些基本信息状况。这一技术的应用，极大地方便了人员 对于动物的管理工作。 1 5 国内外研究现状 由于对r f i d 技术的应用需求不断扩大，r f i d 系统中的天线设计也需要得 天津工业大学硕士学位论文 到不断发展，以设计出满足各种应用需求的高性能天线。r f i d 系统作为巨大应 用和发展潜力的一种识别系统，对天线的设计有着特定的要求，涉及天线的结构 形状、天线阻抗、尺寸大小、体积重量、生产成本、天线的鲁棒性、带宽特性、 方向图特性、极化特性等。目前，对于u h f 频段r f i d 标签天线的研究主要集 中在以下几个方面：首先是标签天线的小型化技术：其次就是可以用在金属表面 的u h fr f i d 标签天线的研究与设计。尤其后者，既是r f i d 标签天线的研究难 点，也是热点。 当u h fr f i d 标签在应用的时候被直接贴在物体表面，而当被贴物体是金属 等高电导率物体时，金属会使其周围的电磁场产生比较复杂的变化，由此导致 r f i d 标签天线的工作性能被衰减，最典型、最直观的情况就标签天线的可读写 距离的缩短，严重情况下甚至无法进行读取工作，而这一弊端极大的限制了r f i d 标签天线在很多场所的应用帕删。为了解决这个问题，已经有越来越多的学者投 入到抗金属标签天线的研究、设计中，目前，在众多的r f i d 标签天线的设计领 域中，可用在金属表面的r f i d 标签天线已经逐渐发展成为一个研究的热点。而 当前一些已经存在并投入使用的可用在金属表面的无源u h fr f i d 标签天线普 遍存在着工艺复杂、成本高、带宽窄、体积大等缺点【m 1 3 】，而可用在金属表面 的半有源u h fr f i d 标签天线则存在着体积较大和成本高等不足，这些都无法满 足一些实际应用的需要，极大地限制了其的应用范围，降低了其的使用价值。 为了更好地设计可用于金属表面的r f i d 标签天线，首先必须要对金属对 r f i d 标签天线的影响进行分析。l e e n au k k o n e n ，l a u ds y d a n h e i m o 和m a r k k u k i v i k o s k i 等人做了大量的实验，通过不断改变金属物体的大小来观测标签天线 的参数性能，分析了金属物体对于标签天线的影响【9 1 ；香港科技大学的赵犁等人 研究了金属介质对超高频r f i d 标签读取性能的影响，并提出了一种可用于金属 表面的r f i d 标签的解决方案，该方案虽然有消除金属干扰的负面影响，但在天 线轮廓上还是只满足部分实际应用的需求4 | 。在超高频r f i d 抗金属标签的设计 上，h k w o n 和b l e e 设计了一种可以用在金属表面的u h fr f i d 标签天线，采 用了平面倒f ( p l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n a ，p i f a ) 的天线结构，满足s l l 小于3 d b 要求的天线带宽为2 5 m h z ，应用在金属表面情况下的最大阅读距离大约为 4 m 【1 5 】；b y u n g j el e e 和b y u n g g i ly u 设计了一种采用平面倒f 结构的抗金属呷 r f i d 标签天线，通过改变天线馈线的尺寸和短路针的位置，可以方便地调节天 线的阻抗特性，天线满足电压驻波比小于3 的阻抗带宽为2 6 5 m h z ，由9 0 2 m h z 到9 2 8 m h z ，此标签天线工作在非金属环境下的阅读距离为2 7 m ，工作在金属物 体表面阅读距离为4 2 m 1 2 j 。 目前国内r f i d 技术尚处于发展初期，对r f i d 标签的重视还是很不够，大 第一章绪论 多为模仿与借鉴，自主创新比较少。随着r f i d 产业的日益发展，相关的知识产 权也将逐渐被重视。因此，非常有必要加强r f i d 标签天线的自主创新设计，对 于可用在金属表面的r f i d 标签天线的自主研发设计更是重中之重。 1 6 课题研究的主要内容 本文研究并介绍了无源和太阳能电池供电的抗金属u h fr f i d 标签天线的 设计，在设计过程中利用h f s s 仿真软件进行仿真设计。本论文研究的主要内容 可以归纳如下： 1 介绍天线的一些理论基础，并分析r f i d 标签天线设计的一些关键因素， 为分析、设计可用于金属表面的r f i d 标签天线提供帮助： 2 研究金属物体对u h fr f i d 标签天线的性能影响的原因分析，并采用普 通偶极子天线作为范例进行分析，提出一套抗金属标签天线设计的可行性方案： 3 介绍已完成的一种可用于金属表面的无源u h fr f i d 标签天线设计，天 线具有结构简单、廉价宽带宽的优点，文中对天线的设计过程进行了分析、介绍； 4 介绍用于金属环境下的太阳能电池供电的u h fr f i d 标签天线的设计， 并分析设计过程中的一些难点：如电池的放置位置、天线类型的选择等。该天线 具有低成本、体积小、绿色环保等优点，文中进行了详细的分析、介绍。 天津工业大学硕士学位论文 第二章天线的基础知识 第二章天线设计的基础知识 为了更好地理解天线设计的一些设计原理及方法，首先了解一下天线的基础 知识是很有必要的。这一章的内容主要介绍一下r f i d 标签天线研究过程中所要 涉及到的一些天线设计的基本概念和基础知识。 2 1 天线的基础知识 2 1 1 天线的场 对于最简单的点电流源天线及其辐射场，假设在位于坐标原点的电流源沿着 z 轴放置，电流幅度为，长度为，( ， 五) ，如图2 1 所示，则电流源密度，可 以表示为： j = 1 1 6 盱、) 芝 其中，三为沿z 轴方向的单位矢量。 图2 1 点源辐射场 其产生的电磁场可用下式来表示： 公式( 2 1 ) f ， 2 声+ 乞多：岛否 公式( 2 2 ) 【疗= 耳声+ q ；+ 饥否j u 。叫 天津工业大学硕士学位论文 其中，声、；和莎为单位矢量。 e = 器( + 爿c o s 矿 易= j t l 岍k i l ，+ 万1 一专) s i n 如一步 e 产hr = h 8 = 0 髟；j 忉k i l ( + 嘉) s i n 弦归 公式( 2 3 ) 公式( 2 4 ) 公式( 2 5 ) 公式( 2 6 ) 式中r = 表示为波阻抗，在自由空间中，r o = 脶占。= 1 2 0 a x ，占和分 别代表媒质的介电常数和磁导率，五表示工作波长，k = 2 z 力表示为空间中的 波数【1 6 】。 由式( 2 2 ) 至式( 2 5 ) 可以看出：天线的辐射场强度的分布与距点源的距 离，有关，根据不同距离处的电磁场的特点，我们常常把天线的场分为：无功近 场区、辐射近场区和辐射远场斟1 7 1 。 1 无功近场区 无功近场区是指天线辐射场靠近天线口径的一个近场区域，电抗性储能占主 要地位。该区域的范围为距离天线口径表面，五2 万处，从物理意义上讲，在 这个区域范围内无功近场区是一个储能场，其中的磁场和电场的转换类似于变压 器中的磁场与电场之间的转换。 当扫 1 时，电流源辐射的电磁场主要由1 ，决定，如公式所示： 卟j 去抵e p 岛筹s i n 弦归 公式( 2 1 0 ) 公式( 2 11 ) 式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 表明：在远离场源的区域，电流源辐射的电磁场只 有巩和e 分量。并且其电磁场矢量之比为一定值，因此在此区域中，辐射的主 要问题不再关心磁场，而是电场；远场区的电磁能量沿传播方向传播，相应的坡 印廷矢量为实数，这就是电磁辐射。 我们需要引入瑞利条件 1 8 1 来讨论电磁场。在该区域中，电磁场矢量位于同一 平面内，球面波可以近似地看作为平面波。事实上，理想的平面波是并不存在的， 但是当在距场源较远时，我们可以近似地认为该场源产生了平面波，这一条件被 称作瑞利条件，即： ，2 d 2 五 公式( 2 - 1 2 ) 式中，是指天线的场距离天线的距离，d 代表天线的最大尺度，z 为天线工作波 长。 由此可见，天线辐射产生的电磁场在远场区为辐射场，在近场区为似稳场。 天津工业大学硕士学位论文 这一结论对r f i d 系统的研究与应用是有意义的，因为在低频( l f ) 工作的l 玎i d 系统，电磁能量的传输是在感应场中完成的，因此又将工作在此频段内的r f i d 系统称之为感应耦合系统；在超高频段( 典型工作频率为9 1 5 m h z 、2 4 g h z ) 工 作的r f i d 系统，电磁能量的传输是在远场区完成的，被称为微波辐射系统。感 应耦合系统和微波辐射系统的工作方式、原理以及设备的要求不尽相同，因此对 于r f i d 系统的天线及前端设备的设计等需要具体问题具体分析，对其予以充分、 系统的分析。 2 1 2 天线的阻抗 1 特性阻抗 特性阻抗，又被称为“特征阻抗”，一般在长线传输中被提到。在高频频段 范围内，信号进行传输的时候，信号沿到达的地方，参考平面和信号线间会产生 一个电场，从而产生一个瞬间电流，若传输线是各项同性的，只要信号在传输， 就会存在一个电流，电压矿，传输线自身存在着一定的特性阻抗，用z 0 表示 大小等于y ，。影响传输线特性阻抗的因素主要有：铜箔厚度、线的宽度、基质 的介电常数和厚度。 2 输入阻抗 天线的输入阻抗即为天线的输入电压与输入电流之比，即当输入电压为。， 输入电流为t 。时，输入阻抗为： z 胁专哦+ 风 公式( 2 - 1 3 ) 其中，r 。为输入阻抗的实部，即电阻部分，以为输入阻抗的虚部，即输入电抗。 对于均匀无损耗传输线： 一v 2 c o s f l 孑z + j 1 2 z 鬲0 s i n flz=乙丽z,+jzotg9z 公式( 2 - 1 4 ) 其中z o 为传输线的特性阻抗。 影响天线的输入阻抗的因素比较复杂，它不仅和天线的几何形状、馈电方式 有关，而且与天线的材料以及和天线周围的环境等都有着一定的关系。 3 辐射阻抗 第二章天线的基础知识 天线的辐射阻抗可以看作是一个假想出来的阻抗特性，为了方便理解，天线 的辐射功率被认为是由天线的辐射阻抗传播到空间的。辐射电阻足和辐射功率 的关系为： 耳= 乒 公式( 2 - 1 5 ) 式中，是天线上某参考点处电流的有效值。 当天线辐射功率已知时，辐射电阻足的大小就与电流，参考点得取值有关， 辐射电阻的大小说明了天线辐射能力或接收能力的强弱。 4 损耗电阻 如果把天线中的损耗功率( 如导体热损耗、介质损耗) 异等效成电阻r 所吸 收的功率，则损耗电阻为： 冠：了e l 1 2 天线输入电阻r 、辐射电阻母及损耗电阻弓有如下关系： 2 1 3 定向性d 和增益g r = 马+ r 公式( 2 1 6 ) 公式( 2 1 7 ) 天线的定向性是指在其远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其此平面 上辐射的功率密度的平均值之比，取值范围为【1 ，o o ) ，可以用公式表示为： d ：! 塑：塑坚 p ( o ，矽) 。 其中，球面上的