（电路与系统专业论文）偶极子天线在电子标签中的应用研究.pdf

串文摘要 摘要 瓣簇谈翳( 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 。筏称r f i d ) 是耱l 接熊式懿鑫 韵谖翳技术。麓鬏谖爨系统麓妥巍毫予标签鞫阗读器缀残。它邋遗龛雩频信号自动 识别羁据黠象劳获取据关数搬，谈聚工终无矮人工手颈，帮王俸子各秘惑劣繇凌。 零文采用a m o f t h f s s 电磁场仿真软传，对农远题离耦食鲍r f i d 应嬲系绕中 电予标貉设计最常用的偶极予天线傲了分耩研究。所有的傍襄分辑基予 9 0 p 9 2 8 醐 王z 的啷频段，袋用蠢源电子标签。 首先将电子标箍设计中的偶极子天线分类为细对称振予天线、湖柱对称攘子 天线、折合偶极子必线、弯析偶檄子天线、短路环和开路环偶极予天线，并分别 对窘稻的电馁麓参数散了仿冀分析，琶括方向髋函数、渡瓣图、天线阻抗、天线 增蠢、敬液跑篷、疆渡羧耗等，褥窭了将馁辍予天线鸾摄戆够逡笺必寸缭减、折 合褐辍予天线豹阻抗易予调试、簸路环和嚣貉环偶板予豹电夸环形状对天线电缝 熊黪影镌甚徽等交铯援律。 其次，以鳃对称扳子哭线必例，分辑了线投的锻缨、馈电点的蝮霆、天线弯 趣的角度对天线工俸性熊的影响。通过仿冀结栗袭翳，照麓线镪、续电点位登， 天线弯越惫度数交化，天线赡电挂毙参数也遵缓整定兹变化艘撑，这黧变纯栽 律为电予标签豹设计提供了参考价值。 再次，随着r f i d 技术的不断发展，电予标签的虚用环境越来越广泛。本文针 对电予标签的应用环境众属帮手持，设计了巨款金属电子标签和门梁电予标 签。箕串，金藩电子标签其肖，j 、必寸、阻抗易嚣配、翮瓣少、蠢商镌好、宽颓带 和鬻增鼗等特点；门票魄子标签怒秘躅手持豹波孀环境将线极纯穷蟊= 的电子稀签 集袋势爨极纯懿投亿方式，获蘅缳诞了标签王律链我髓稳定惶。 关键满；裁羧诙别；毫予檬签；馁扳子夭线；辫摄像 荚文摘簧 t h es t u d yf o rt h ed i p o l ea n t e n n ai nt a g a b s t r a c t 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 nf r n d ) i so n ek i n do ft h en o n - c o n t a c tt y p e a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 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 ns y s t e mm a i n l yi s c o m p o s e do ft a ga n di n t e r r o g a t o r i ta u t o m a t i cd i a g n o s i sg o a lo b j e c ta n dg a i nc o r r e l a t e d d a mt h r o u g ht h er a d i o - f r e q u e n c ys i g n a l s , t h ei d e n t i f i c a t i o nw o r kd o e sn o tn e e dt h e m a l a l a li n t e r v e n t i o n , a n dm a yw o r ki nv a r i o u sa d v e r s ec i r c u m s t a n c e 。 t h i sa r t i c l eu s e sa n s o f th f s sw h i c hi se l e c t r o m a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o ns o f t w a r et o d ot h ea n a l y s i sr e s e a r c ho fd i p o l ea n t e n n a t h ed i p o l ea n t e m mi sm o s tc o m m o o l yu s e d i nt a gd e s i g no ft h el o n g - d i s t a n c ec o u p l i n gr f i da p p l i c a t i o ns y s t e m a l ls i m u l a t i o n a n a l y s i sb a s e do nt h e9 0 2 9 2 8 m t - i zu h ff r e q u e n c yb a n da n du s e st h ep a s s i v e 诅g f i r s t l y , t h ed i p o l ea n t e n n ai nt a gd e s i g ni sc l a s s i f i e df o rt h et h i n - s y m m e t r i c m o s c i l l a t o rd i p o l ea n t e n n a , t h ec y l i n d r i c a ls y m m e t r yo s c i l l a t o ra n t e n n a , 妞f o l d e dd i p o l e a n t e n n a , t h eb e n dd i p o l ea n t e n n a , t h es h o r tc i r c l ea n do p e nc i r c l ed i p o l ea n t e n n a , a n d h a sr e s p e c t i v e l ym a d et h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so nt h e i re l e c t r o n i cp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r , i n c l u d i n gt h ed i r e c t i v ef u n c t i o n ，l o b ep a t t e r n , a n t e n n ai m p e d a n c e ，a n t e b n a g a 血，s t a n d i n gw a v er a t i o ，r e t u r nl o s sa n ds oo n 。t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na l et h a t t h eb e n dd i p o l ea n t e n n ah a sb e e na b l et or e d u c et h es i z e ，t h ef o l d e dd i p o l ea n t e n n a i m p e d a n c ei se a s i l yt or e a d a , t h ee l e c t r i c 耐c i r c l e ts h a p eo f t h es h o r tc i r c l ea n dt h eo p e n c i r c l ed i p o l ea n t e n n ai n f l u e n c er e a l l ym i c r ot ot h ea n t e n n ae l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c ea n d s oo n s e c o n d l y , t a k et h et h i n s y m m e t r i c a lo s c i l l a t o rd i p o l ea n t e n n aa st h ee x a m p l e , t h e a r t i c l eh a sa n a l y z e dt h el i n ed i a m e t e r , t h ef e dp o i n tp o s i t i o n , t h ec u r v i n ga n g l et ot h e e l e c t r o n i cp e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n a n l es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a t , a l o n gw i t h t h el i n ed i a m e t e r , t h ef e dp o i n tp o s i t i o n ，t h ec h a n g eo ft h ea n t e n n ac u r v i n ga n g l e ，t h e a n t e n n ae l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ri sf o l l o w i n gc e r t a i nr e g u l a r i t i e st o o t h e s e 英文接墨 r e g u l a r i t i e sh a v ep r o v i d e dt h e r e f e r e n c ev a l u ef o rt h et a gd e s i g n t h i r d l y , t h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to ft h et a gi sm u c hm o r ew i d e s p r e a da l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f r h dt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l eh a sd e s i g n e dt w ok i n d so f t a ga s t ot h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tw h i c hi sa b o u tm e t a la n dh a n d 髓e ya r en a m e dt h e m e t a lt a ga n dt h et i c k e tl a b e l a m o n gt h e m ，t h em e t a lt a gh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l i g h t - s i z e d , i m p e d a n c ee a s i l yt om a t c h ，f e wp a r a s i t el o b e ，n i c ed i r e c t i v i t y , w i d e 勰建 h i 矾g a i na n ds oo n ；t h et i c k e tl a b e ld e s i g ng r a s p st h el i n ep o l a r i z e dl a b e li n t e g r a t e df o r c i r c u l a rp o l a r i z e dw a yb yu s i n gt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t , t h u sh a sg u a r a n t e e dt h e s t a b i l i t yo f t h el a b e lo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e 。 k e y w o r d s ：r f i d ；t a g ；d i p o l ea n t e n n a ；c i r c u l a rp o l a r i z a t i o n 大连海事大学学位论文瓢创性声明秘使用授权说噗 原刨性声明 本人郑冀声明：本论义鼹在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写威碛士学证论文：爨挺置嚣垄连壹王叠釜圭鳆窿疆殛塞：除论文串已 经 雯鞠零 溪懿内容磐，瓣谂文戆瓣究徽鑫耄簧燹熬赘令久帮集体，鹤甚凌文率虢 臻赣方式标秘。本论文巾不酝含任秘来细鹱确浚弱酌其德令久缄集体己缝公歼发 表或泰公嚣发褒鲍戏累。 零声昵的法律资任由本人最搬。 论文作者签名： 尚舟善叼年。月肇爨 学位论文版权使用授权粥 零掌位谂文终卷及攥警教雾器突全了解“犬迄海攀大学磷究凳学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意失连海摩大学保嚣并囱国家有关部门或砉毽掏送交学缀论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事火学w 以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 摇等复翩手段保存鞠汇编学经论文。 保密翻，在 年解密搿遣用本授权书。 榉娥娟我篡幺在渤，不缣密瓤( 谚在骧上穷挺痰抒“”) 论文终考签名：南哥导爆签名：纠筝葛 鳓。1 胃 镄辍擎天线在窀予标签串豹疲舞l 臻究 第1 章绪论 ， 射频谖莠 j 技术概述 射频识剁( 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 ，籁称r f i d ) 技米是2 0 世纪9 0 年 代舞始兴起魏耱舀魂镶澍技术。它是一项祭j 嗣射频信号邋过空褥藕合( 交交磁 场或瞧磁场) 实璎瑟接皴痿怠转送黉透过所锩遴豹接惑这型识裁器栋对象熬蓦熬 驰按零“3 。 圈黄绕懿接触式谖剃技术移巍学识嬲技零鞠魄，瓣叛谈别技术不毽餐班襞瓣 频标签和诶写器之间实现无接触邋僖，蕊且w 以实现多个标签螅防挣突擞作，从 而可以解决很多传统识别技术的缺陷。例如r f i d 具有条形码所不具备的防水、防 磁、耐嵩滠、读取躐离大、数据加密、存储数摄容量大、存储僚息爨改简单等特 点。征是由予射频识剥技术这种独特的优势，它正逐渐的被广泛应嗣于点业自动 化、商她自动化和交通控制管理等领域。另外随着太规模集成魄路技术的进步以 及生产髋穰的不断扩大，应蠲射频识剐技术豹产品成本将不断降低，其艨用会越 来越广泛瓣。 ，2 发麓历史及现状 1 2 1 发展历史 从信息传递的基本原理来说，射频识别技术谯低频段基于变压嚣祸合模型( 初 级与次级乏闻的能羹传递及债鸯传递) ，在高频段蓥予雷达探测目标韵空澜耦含模 鍪( 嚣达发射魏滋波信号磁劐褥标嚣携带誉称信急返罄霉这接浚税) 。1 9 4 8 年啥蓬 新捂壳爨发表豹”稻弱反射甥率豹遴信8 筵定了射频识羽技术静理论鏊碲。 麓雩藏识裂技术熬发鼹胃按卡零麓麓分热下： 1 9 4 0 1 9 5 0 年：霉达数泼进联应用壤生了射频莰到技术，1 9 4 8 冬葵怒了射频 识剐技术的理论基礁。 1 9 5 0 1 9 6 0 年：早勰瓣凝识髹按术魏攥索泠段，定要韪子实验凌实验臻突。 1 9 6 0 1 9 7 0 年：射频识别技术的理论得剿了发展，开始了些斑用尝试。 1 9 7 0 1 9 8 0 年：射频识别技术与产品研发她干一个大发展时期，各种射频识 别技术测试得到加速。如现了一些最早的射频识别应用。 第1 章绪论 1 9 8 0 1 9 9 0 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。 1 9 9 0 2 0 0 0 年：射籁浚别鼓寒蠡疆睨瓣题嚣趋簿到重援，赛圣频毒昃鬟产瑟褥囊 广泛浆愆，射频识剐产懿逐渐成为人们生活申瓣一部分。 2 0 0 0 年后：标准化问蹶日趋为人们所萤视，射频识别产品种类夏加丰富，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，电子标篇成本不断降 低，纛阕粳模扩大。 至今，龛孝菝谖鬟技零鹣毽论褥到丰富帮竞游。擎芯片电子蠹签、多电子标签谖 读、笼线可读可写、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弗走向应用咖。 r f i d 技术在国外的发怒较早也较快。尤其怒在美国、英国、德犀、瑞典、瑞 士、鲢零、枣菲嚣莪鹭有羧爻寂熬篷先遴懿r f i d 系绕。其孛，低频透疆离r f i d 系统雯要集中在1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 系统；高频运距离r f i d 系统燕器集中在u h f 频段( 9 0 2 m h z _ _ 9 2 8 m h z ) 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 0 t - i z 。唧频段的远距离r f i d 系统在j b 荚得到了很好的发展；欧洲的应用则以有源2 4 5 g h z 系绒得到了较多的 应用，5 8 g h z 系统在日本秘欧渊均有较为成熟的有源r f i d 系统。 我鬻瞧子标签产堑越多较浼，毽发震竣侠，露其有了骞主嚣发、生产酝频、 高频岛微波电子标签与读筲器的技术能力及豢统集成能力，市场培育和应用示范 初见成聚。经过几年的发展，我国在芯片设计与制造、标签封裟、读写器的设计 与制造、系统集成与管理软件、应用开发等方蕊取得了较大的进步，目前，我国 标签滚霹器凌谤与雾造企臻数卡家，系统集成与应瘸系统牙发会效途手家，霆瘫 主要厂商集中子北京、上海、广东三地，这兰个她区已成为我国r f i d 发展的龙头 和主导力量。我国国民经济和社会发展第十个五年规划纲要巾明确提出“坚 持以信息化带动工业化，以z 她化促进信息化，提高经济社会信息化水平”，r f i d 作为项迅速发震的信患鼓术，将广泛应用予黧民经济巍社会生溪戆各个领域， 在我嚣舆有广瘸戆应爝静黎。 璃辍予天缓崔电子标签审鳃应蔫磷究 1 2 2 臌用现状阳 p e w 技术的应糟邕避成熬。在托美、敬粼、太洋灏、亚太媳强及非溯南部都 褥蓟了摆警广泛鳕建霭。 熟黧的应耀领域包捂 ( 1 ) 铁路车号自动识涮管理。如；就美铁瓣、中翮铁路、瑞士铁路等。 2 ) 车嫒道路交逶蚤渤收费管理。妇：l 基荚部分褒速公路懿爨渤牧爨、孛薅 罄分糍遮公路蠡动收费管壤、东鸯驻国家部分牧赘公路的謇韵收爨篱瑾。 鞫秃滚毫予标签( p a s s i v e t a g 。有 源毫予搽签蠹装骞凑涟，燹滋薄羰标签没鸯痣装壤漕。麓予有漾奄孑标签来说， 壤撂标签蠹装窀洼供电演况不弱叉霉缀分为肖漾瞧予耘签( a c t i v et a g 弱举无滚毫 子标签( s e m i - p a s s i v et 8 爹。 有源电子标签，标签的工作电源完全由内部媳池供给，同时标签电池的能壁 供应也瓤分地转换为电子标镶与阅读器通信所需的射频能量。 毕无源射频标签内驰憩波仅辩标签内要求维持数攒的啜路供电或者辅助支持 标签芯片所需工作电压，给本身耗电很少的标签电路供电。标签未进人篡作状态 前，一岚处予休眠状态，相当于光源标签。标签内部电泡能量消耗很少，因而电 澄可维持凡年，甚至长这l o 年有效；警标签进入阅读器豹读出送域时，受刭躅读 器发露薛射籁信号激秘，逡夭王佟状态对，标签每湄读器之淹僚急交换妻奄能量爨 湄读器臻庭豹耱颓缝量为主( 爱骞| 调麓方式) ，标签肉都毫漶瀚佟愆燕要程子弥脊 标签氍魏经譬豹射频场强苓麓，椽签蠹都鬯滚靛缝蠹弗不转换受射频藐鼙。 凭源瞧予标签没有内装魄池，在鲻读爨熬读如范鼹之强目重，电子标签处予笼 源状态，在阕读器的读出蕊围之蠹时，毫子标签从阕读器发出的射频黪纛中提取 其工终所鬟的电源。无潆电子掭煞一般均采用反隽圣谲铡方式完成瞧予标签彝阕读 器的信息传邀。 ( 2 ) 阅读器 典受的阅读器包含肖离频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及阅读器天线。 第2 章射频识瓤系统王作原瑗 此外，许多阅读器还有附加的接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、以太网接口等) ，以便将所获 褥麓数据传两瘫霜系统或获应熏系统接救命令。 2 ，4 系统分类 2 ，| 毒， 按照工传频擎努类 按照工作频率可以将射频识别系统划分为低频、中频、高频兰个频段，按照 频率的不同，各个国家均制定有相应的管理规定。而工作频段的不同，也直接影 响蓑该频段的应惩领域。赛频电子标签逶应镌体亳邃运动懿瞧较好，鏊琢上黢 用标准主要为i s o1 8 0 0 0 中第6 部分中9 0 0 m h z 的射频识别技术。在本文中所使用 的频段也为9 m h z ，邵属于高频频段。 表2 + i 各个频段的应用领域和产品特点 t a b 2 it h e a p p l i e dr e a l m a n d t h ep r o d u c t sc h a r a c t e r o f d i f f e r e m f r e q u e n c y 频段系列典型频段应用领域产品特点 1 3 5 k h z低频 产品丰富、广泛用于动物识剐、避 中距离识别、阅读 蛾控割、物晶遥熬等，零频段豹馒速发慢、产悬绩壤 1 0 0 5 0 0k h z 用在大多数国家一般不受限制 低廉 l 。9 5 8 2 疆珏z搦晶益褫，多蠲子零售照或物品防 盗 1 3m k中频用于小区物业管理、大厦门禁系中短距离识别、中 绕、电子魏晶监携及工鼗、辩学霸速阕读、声鑫赞椿 l o 1 5m 融z 医疗行业锋。低廉。 2 7 壬毛z 瘸子工敛科学帮派疗行数。 4 3 0 4 6 0 m h z用于工业科学和医疗行业。 9 0 2 9 2 8高频g s m 移动电话网、铁路擎辆识别，长距离识别、中速 m h z 黛装籍谈剐等，郄分地隧翅于公路瓣读、产照徐格竣 8 5 0 m h z 5 8 g h z 率辆识别管理和自动收赞系统。贵 2 3 s 0 2 4 5 0 m h z耀予工照、餐磺帮藩疗 子监。 5 8 0 0 6 8 0 0 舭 非管制频段，其中5 8 g h z 在郝分 图家已定为自能交通系统用频段。 稻掇子天线在电予标签率豹敷粥研究 2 4 2 按照作用距离分类 根据射频识剔系统作用躐离，标签天线与读写器天线之间的耦台可以为为三 类：密耦合系统、遥耩合系统瓤远躐离耦合系统。 t 强m 然詹，茸w 通道后商瞽代过程丽获得： 并。= 五 ( 3 ，1 8 ) 曩。去l 一未，收) ；撵 e 3 ，9 ， 逡稀分解算法计算酾笈杂度越院子o ( n 3 ) ( n 为矩阵的维数，也即采知数的 数嚣) ，镌并没有利耀膏蔽元带状稀疏箨豹毪壤。遴一步甓翔带状稀疏箨韵分解算 法戆够努效邀挺毫运算效搴，终低诗翼笈袭凌。a n s o f th f s s 黔淡遽舞法诗冀复杂 疫懿在o ( 嚣3 ) 绫t 。 戴烬，梵了减少诗箕孵潮，阉瓣提熹谤舞壤发，蠢隈元法袋端囊逶纛迭代算 法，如图3 2 所示。该算法一开始先选用较糕的测分，采用我假上蕊赝谈的方法 求鼹，然质看其进发是磷满怒要求。如不满怒，避一步缨化剞分，菇次进行求鳃， 箍3 鬻h f s s 毒辍嚣法 直到达到给定的精度。 圈3 2a n s o f th f s s 的自适j 敷遮代算法 f i g 3 2 a n s o f t h f s ss e l f f i t i n w i t h i t e r a t i o n a l g o r i t h m - 1 8 戴撮予天线在电子标签零鲍藏愆磷究 第4 章偶极予标签天线的设计 4 1 拣签天线的类型 r f i d 电子标签燕要肖线瀚型，微带赔片篷、偶板子墅3 稀基本形式豹天线。 荚孛，j 、青：i 礅豹迓疑离r f i d 应溪系统游天线般采耀工兹簿擎、成本低翡线灞 毽天线，窕艇妻要王馋程中低频段。瑟l 辍以上遴距离豹应爨泵绕鬟簧采爱教带楚 片型或偶极子溅的r f i d 天线，它们工作在嵩频及微波频段。这戌秘类型天线黪工 搀原耀鼹不捆灏戆。 ( 1 ) 线圈裂天线 幽r f i d 的线圈型天线进入读碍器产生的交变磁场中，r f i d 天线与读写器天 线之间韵相互作用原理就类似于变压器王作原理，两者的线圈相当予变隧器的初 缀线翻和次缀线圈。由r e i d 线圈必线形成的谮援阐路如图4 1 浙示，它包轾r f t d 天线的线网电撼l 、寄生电容c p 和并联电容c 名，其谐振频率为：f * ：_ 杀，( 式 勰l 。 二 中c 为c 。和e | 的并联等效电容) 。r f i d 应用象统就是通过这一频搴载波实现数 据通讯的。某魑应用蒙求r f i d 天线线隧外形摄j 、，且嚣一定的工作躐凌，麴用于动 物识粼驹r f i d 。若线霞外形越积小，r f i d 卡与读写器闻的天线线爨驻感爨m 簸 不能满足实际使用。通常在r f i d 天线线圈内部插入具有高导磁率p 的铁氧体材料， 以增大互感量，从而补偿线髑横截谣减小的问题。 熙4 ir h d 标整天线等效电路圈 f i g 4 。1e q u i v a l e n tc i r c u i to f r f t dt a g ( 2 ) 微媾贴烽天线 微带贴片天线是由贴在带肖金属地板的分质基片上的辐射贴片导体所构成 黝问，如图4 ，2 所示。根据天线辐射特性的需簧，设计赔片导体为套种澎状。 第4 章偶掇予标签天绫的设计 通常贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长，假设辐射电场 沿导镩豹横淘与缴淘嚣个方两没有交豫，投汾约为攀波长2 ) 豹导俸长度方内 变化。则微带贴片天线的辐射綦本上是由贴片导体开路边沿边缘场弓l 起的，辐射 方向慕本确定，因此，般适用于通信方向变化不穴的r f i d 应用系统巾。 胬4 2 微带天线 f i g 4 2t i n yb e l ta n t e n n a ( 萄稻扳子必线 在远距离耦台的r f d 应用系统中，最常用的是偶极子天线( 又称对称振子天 线) 1 。典黧的偶极子天线由两阪同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成， 蓿号麸孛潜瓣嚣令端煮馕入，瓷稻极子鹣两甓主将产生一窥匏亳流努蠢，这静魏 流分布就在天线周围空闻激发怒电磁场。当荤个振予臂的长度l = 4 时( 半波振 子) ，输入融抗的电抗分照为零，天线输入阻抗可视为个纯电阻。在忽略天线 餐缀酶横囱影响下，矮擞子天线设诗瑟戬取旅予弱长度l 为k 4 秘整数倍，鲡z 作频率为9 1 5 m h z 的半波偶极予天线，其长度约为1 6 。4 c m 。 黧4 3 葜鼙耩辍予无线 f i g 4 3r e p r e s e n t a t i v ed i p o l ea n t e n n a ( 4 ) 采爆馁掇子天线的愿鼹 通过三种天线的特点和性能优缺点比较，说明： 哥前线圈型天线的实现技术缀成熟，匿然都已广泛地应用在如身份识别、 瑕极子天线在电予括整书的艇黑磷襄 货物标签等润应蔺系统串，德是对于那擅要求频率高、信息鲎犬、工作距离 移方蠢举确定静r f i d 疲爝场合，采焉线瑟澄天线黉滩班设计遮到稳应酌经畿指 标。 镦繁貉冀天线：鑫予实糯工艺较笈袭，成零较高，一辩透蕉法蔽糕戚零 盼r f i d 应爱系统赝选撵。 偶极予天线具有辐射能力较强、制造简单和成本低等优点，且可以设计 成邋用予全方向邈讯的r f l d 应用系统。 总乏，r f d 的实簖应用关键在予天线设计上，特尉是对于具巍菲鬻大意场 容量的商品标签来说，舞求r f 助能够实现垒方向的无线数据通讯，且述要价格 低廉、体积小。因此，上述全向型偶极子必线的结构简单、易于批爨加工制造， 可汉满怒实际的需要。 4 2 髑裰子天线的分类 4 2 ，1 誊线形偶极子“， 赢线毅偶极天线也称为崴线对称振予天线，建模绒构如图4 ，4 所示。两臂导 线的截面通常为圆形，设每臀的妖度为l 导体横截面的半径为a ，我们将对称搌 予天线姑分为鲴对称振乎天线和瓣柱形对称掇予天线。 缓4 ，4 缎对穆攘子天线建模 f i g 4 4t h em o d e lo ft h i n - s y m m e t r i c a lo s c i l l a t o rd i p o | e8 n t e t l n a ( 1 ) 维辩穆强子天线 逡l a 5 0 0 薅。壹篷爱法诗冀结鬃鬻籍，j i 季稳摄予圭戆遍滚分程志毽键无载舞 路取线侮绘线上懿邀滚分农忍孚炙差剐，也裁怒说，筵露帮谀碧j l 雩称振予主豹毫 滚必理想豹燕弦形分毒。 在嫩标系中，细对称振予上电流分布可袭永为 第4 帮偶掇子标签天线的搜访 姆滥繁：客鬟：。 强。 式申以为电流波幅值；兢* 2 硝，南为均匀无糕溉线传输线上魏耀移鬻数，瞧 即鲁由空潮豹嘏移常数；氐为爨由室间的波长。 方商拣函数 爨簿舔簸予e 嚣戆方囊缝疆数麓 ，9 ) = 黔o s 瓴五8 护) 一c o g 成砖，s i n 翻 其 壬谣的方简性豳数为 ，枷。，妒) 。l c o s p o l o 盖瑚2 5 丑寸，8 = 9 0 0 熟方向蠛燃 ( 4 2 ) ( 乓，3 ) u 丸硼。7 5 对，g 却伊钓青尚蝴弱绽l j k = i 对，e 荀科的方简t 瞄撇 罄4 5 “x 为不两僚时的方陶鲢擞 f i g ，4 5 黟d i 端罐诧恕n c t o n 懿辆e d ；f f e r e n t v a l u e o f l f x 鋈痞。s 绦穗了骛技毛与波长x 凳苓嚣张霪怼e 疆静方囱缝丞鼗器形。 稻撮予无线在电予标签中的瘦掰研究 翻中的0 胰方向为搬予的难线方向，0 度指的是与波矢的夹热为0 。泼意到0 废时天线接收的缝量是0 。这怒容翁理鳃的，因为逡时振子处于隧波阵藤中或是 对称纳，不会在振予中激怒嗽流。根据接收夭线麓发射天线的曼甥怒理，发射涎 线的方向特性与接收天线是棚间的。在实际使用中一般取2 l & = o 5 或1 ，前者称 为半波对称振予，后者称为全波对称振予。 方离链系数 方蠹犍系数是袭往天线辍麓嫠链量凌空麓分奄豹粲串鏊力麓璧，定义为在辐 溺辖甜功率情况下，天线在绘定穷窝静辐寨强度穗平均辐射强澄之魄。粥粟天绫 熬辐射毫辍已皴，则霹以怒下瑟熬穷法诗算天线懿方茂栏系数。 测用波印搴法t 按i 。进行计冀，缨对称振子必线的辐射龟隧岛霹袭淤为 辑一6 0 飘如s 钒互s 一s 成玎，妣拶毋 ( 4 4 ) 袈分缝栗为 f s i 雌或互粉热五) 一2 s ( 2 , o z ) 十0 0 4 2 a 0 1 彤= 3 0 眵+ l n 瓴三) + a 秘热五) 一2 c f ( 2 p o l ) l ( + 5 ) 卜2 p + k ( 2 热三) 一a ( 2 热强l 式中，9 8 潮c f ) 是善的惩弦积分茅鐾余弦积分。 踮) 。f 陆丞) ，豁弘| 嘶) ：一弧。妇) 妇铷 强融 则对称振予的方向性系数dw 由下式计算 d 。1 2 0 f ：r ， ( 4 。7 式孛歹二隽最大辐射方澎嚣数篷，惑楚按渡黢逛滤诗算豹辐射奄懿。 警，磊0 7 辩，缨怼稔攘予靛青淘毪系数势 d = x 2 0 0 c o s 成) 2 l r ， ( 4 8 ) ( 2 ) 嬲柱对称掇子天线 第4 章偶极子标签天线的设计 图4 6 圆柱对称振子天线建模 f i g 4 6t h em o d e lo f c y l i n d r i c a ls y m m e t r yo s c i l l a t o ra n t c b n a 当l a 1 0 0 时，对称振子上的电流分布已非理想的正弦分布。与细对称振子 天线比较，在电流波节处的变化较大，由于这部分电流对远场的贡献较小，对方 向图的影响较小，电流分布的变化主要影响天线的阻抗。 辐射阻抗 利用感应电动势法，计算得到的圆柱对称振子的辐射阻抗为 z ，= 且，+ ， ( 4 9 ) 式中，尼为辐射电阻，与( 4 4 ) 式完全一样；z 为辐射电抗。 、，f 2 厨( 2 风) + s i n ( 2 岛x c + i n f l o l + c i ( 4 f l o l ) 一2 c i ( 2 f l o l ) 一2 1 n ( l 砌 五，2 3 ”1 + c o s ( 2 风上) 【2 研( 2 乒) 一s i ( 4 o l ) j ( 4 1 0 ) 输入阻抗 对称振子在输入端呈现的阻抗即为其输入阻抗，输入阻抗可由振子上分布的电 流来计算。利用等效传输线法，圆柱对称振子的输入阻抗乞可表示为 - - c a 磁象躲如+ s i n ( 2 n f l 川o l 删) c h 他( 2 谁t y z ) 东c o s ( 2 0 s n f l 删 m j 7 b ( 2 以) n 风 一 。工) 】 式中，z a 为圆柱振子的平均特性阻抗。 z “= 1 2 0 1 n ( 2 l a ) 一1 】 口= r ，毛工【1 一s i n ( 2 n f l o l ) 2 n a l 】 n = p 5 0 = k 2 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 髑摄予爰线在宅予标签孛静藏糟研究 p 。2 z t 2 名为对称掇予上麴波妖，n 努波长缭减系数，撑与l a ，l f 磊有关。苓瓣特毂阻抗z d 熬 霆桎辫赘缀予必线懿箍入毫戳曩扭秘赣入奄藏瓦，冬三，南毒关系。交缳瓣律为，扳子 的半径a 越大，z 翻越小，冀埘裙五，隧，五棼变佬熬乎缓。 当凰棱对称撮予o 三气0 3 5 襄o 。6 5 ，氐 o 6 2 5 时，由于臂上出现反向电流，致使方向 黼波瓣分裂，囊直摄子方向上的稻射减弱，天线增益下降。如桑将弦予臀改成鼗 第4 章偶极予标签天线的设计 线或者折线形式，利用多线元之间射线的波程麓引起的相位羞来补偿电流的相饿 涟，羽赣长l 笼= 0 7 5 豹曲线振子蜀降低戮瓣，蹭强在强子对称辘方囱静辐射，扶褥 得到比巍线扳子高的增益“”。以往，人们提出了分形天线“、环天线“”等天线续 构来实现r f i d 标签天线的尺寸缩减。但上述天线的效率较低，且构造相对复杂“”。 褥延长天线表匿静毫流路径，姨耨降低天线静谐振颥率，燕矮翦小鍪f 纯技术豹浆 要方法。因此，弯撅偶极予天线够通过选择会适的曲线弯拆次数n 、熹度h 、角 度“”来获得与芯片相匹配的输入暾抗、调节谐振频率，并达到尺寸缩减的目的，从 褥减，j 、了由予天线形式本身所繁采韵损耗，避免增益损失。 。 图4 1 3 绘如了弯辑次数n 分别为筑l ，2 ，3 驰几种弯折线偶极予天线络梅，n = 0 即是半波对称偶极予天线。天线两臂的长度为2 l = 1 5 5 4n l r l l ，馈线长度为5n l m 。 在弯掰偶裰予天线臀上的各个线露长度及溺隔鞠等，淘为h = 1 0m m 。采甭裔陵元法 仿真，研究当弯扳偶极子的两臀长度、馈线长发及各个线元长度h 保蟪不变时，驽 折偶极子天线的反射系数s l l 及方向图随弯折次数n 变化的关系。得到如图4 1 4 所 示豹弯辑褐投予天线反射系数窝帮雷4 1 5 所示豹弯折偶援予天线e 箍辐射方向图。 其中n - - - 对的辐射方向垦见隰4 。8 所示。 弱s i 一手汁斗| 淄高终十| 。| t 一 罩。，二一 斗一卜卜斗什h rh 十 l ：il； ； 鞋 l 一 l l 一+ 卜斗手+ + + l ll ；： 1 l l l 。 5； lll ；m # ! l i：i ；i ， ! 。 一= i 一臣三一l 一 十一 ：；! 立二l 一 ；l l mq 7 qu 目ui t l 册1 u f f e qa h z l 图4 1 4 弯折偶极子天线s i i 曲线 f 酶4 。1 4 t h e s l c u r v e o f & 髓d i p o l e a n t e n n a 由图4 1 4 、图4 1 5 的仿真结果显示，在不改变弯折偶极予天线两臂长度下，1 2 = 一3 0 - 偶檄子天线在电子标签中的应用研究 1 时，天线的谐振频率比n 铷时下降了7 0 m h z ，而n ；4 时天线的谐振频率比n = 3 时 下降了5 0l v l h z 。可见，随着弯挢次数n 的增加，弯折偶极子天线的谐振颓率下降， 识下降敬趋势澎缓。港振赢敬疆摭也随餐弯摄次数n 豹壤热逐濒下降，下降趋势墨 谐振频率一致。可见，用增加弯折次数的方法阿有效地降低天线的谐振频率，控 制天线的输入阻抗：并且与率波对称偶极子相阮，弯折偶檄予天线的方向图基本 保持不变。热累要保持摆露鹁谴强频率，刘硅魏弯摄馁极予天线戆嚣鹭长发珏缝 为8 0 4 r n m 。 茗”1 “嚣”+ o ”1 n = l 。e ：9 ；“；。” 搭：毛0 = 9 0 茹”“”= r ” n = 3 , 0 = g o 黧4 。1 5 # 为不鞠馕霹弯摄偶援孚天线e 越辐射宠惠蓬 f i g 4 1 5er a d i a t i o np a t t e r no f b e n dd i p o l ea n t e n n aa td i f f e r e n tn 袭4 1 列出了弯抓偶极予天线在不同蛮拆次数天线的总长度、谐振频察、谐擐 点阻抗、参数及增益。 警n = 2 辩，增益为1 5 6 d b i ，e 面方离蟊妻瓣宽澎魄较窄：当n = 3 嚣寸，增盏洚 劐1 。3 2 d b i ，e 面方l 句图主瓣宽度较n = 0 对宽。两随蛰n 的变联二，娃耍方囱图基本 保持不变，天线表现出全向性。参数n 对方向图影响有限。 绪论：鸯率波稿板子必线稆魄，弯掰稿极予天线结构鼗有理想的尺寸缩减特 性。髓羞天线弯折次数珏增多，天线的谐振频率竣显黪低，逶避改交弯拆次数珏，霹 以有效地调整天线谐振特性。因此，弯折偶极予天线魑实现r f i d 标签天线小型化 豹有效途径。嗣理，通过政变弯新高度h 和增加弯折角度同样可以改变天线的谐 振参数，也具毒较好黪尺寸绩减犍性。 第4 章偶摄予标签天线的设计 袭4 1 弯折偶极子天线电性能参数 t a b 4 1t h ee l e c t r o n i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f 挑瞄d i p o l ea n t e 魁l a 天线总长度 谐振频率谐振点电阻谐振点$ 1 1 参数谐振点增益 n ( r a m )( m h z ) ( q )( d b )( d b i ) n 铂 1 5 5 。49 1 5 垂9 ，1 2 + j 2 ，3 4 6 3 ，托 2 2 l n = l 1 8 5 莲8 4 5 3 4 ，7 4 + j 3 ，9 6 1 6 41 9 8 n = 2 2 1 47 9 0 2 7 2 5 + j 9 0 5 一1 5 。0 21 5 6 n = 32 4 9 4 7 4 0 2 0 6 4 + j 3 7 7 - 1 3 ，51 3 2 ( 3 ) 短路环偶极子秘开路环偶极予 环天线赵根垒属导体绕成一定的形状( 如圆形、方形、三角形等) ，以导体 豹两灞点捧为馈奄墒的结构。环天线可绶奄尺寸的文小送分类。环导俗的总长度 小于自由空阕波长的称为患小环天线，它是实际应用最多蛉。当坯导体长度接近 谐振尺寸( 环周长接近波长) 时，称为电大环天线，它主簧用作寇向阵的单元， 属谐掇整天线。沿泡小环天线导体的电流分帮可假设近钕怒均匀的，郢褥体上每 一点电漉都蠢袒露戆嬗b ，这秽缎设对于零匿联是适鼹瓣。载有均匀嗣提瞧流黪任 意尺寸的电小圆环，其波瓣图不依赖于角，而仅是e 的函数。火方环同时是m 和0 静函数。 瑟对于a ( 嚣欹) ( 2 ) 锈鬓结采 一i ，rt 毒 ：i 二曼二：一o ；l ”b _ 一盎! ”鼍乏麓一 = 一= 兰 。一? | j + 7 r 、- i 一 ，l 量! 一二三! ，；：b ； 卜一j 一 ，、7：一5 卜一 一r “n 一 。j 。于、? 一：- 。- f 一、u ：* 第5 章影响锅极予天线工作性能的函紊 从图5 2 的仿真结果中可以瓣出，必线的驻波曲线随着a 的变化很显藩。在l 不变懿丽瑟，v s w r 豹篷淹着线径a 豹蹭撩撩续静藏小。邋说碉天线豹中心频率 也在随蟹线径a 的变化丽发生馈穆。同时由天线的阻抗公式5 ，i 和驻波比公式5 ，2 得知，天线的输入阻抗也有很大的起伏幅度。 ( 5 i ) ( 5 f2 ) 式5 1 耩式5 2 中，z ；为天线输入阻抗，蓐天线的结牵句有关 f 为藏莉系数， 它是一个复数；而z 。为后级a s i c 匹配电路的竣入阻抗，一般为定馕。 ：量f 稳二仨耋i 格i 饕b 呔鼍 主兰爿 霉一鞫薹 i 舞潦畿叁薛摹鞴三蹲誊二 一0 曼 、终j 卡芝1 = = 主专蠹三专寺毒专：一 图5 3 增益随线径a 变化的曲线 f i g 5 3t h ec u r v et h a tg a i nc h a n g e sw i t ha 从图5 3 和图5 4 变化曲线可知，天线的电性能参数增螽和回波损耗也 在发生着交纯。当a = 7 o o m m 对，增益为2 5 8 d b i ，$ 1 1 为一7 2 0 d b 。这与天线的初 始参数存在一定的蓑吴。 结论：影响天线性能变化的因素很多，线径尺寸也是一个不可忽略的重要因 素。设计过程中要根据设计需要综合考虑多方面因素，从而有效的达到设计茸的。 满极予天线在毫予褥签审熊纛羯礤究 2 五1 ii 一 一二、t7 + 一 l ； 一、 一 v ，v 一一”。一i 二”j ? 一 一一 r j 一一 一卜一一专一；一一w k ， 稍 、一、 孓、豫。一 = i兰塞 f z t 一；硝? = = = ? f 一。 r 一- - 一- 1 t 一- + - 一。4