（电磁场与微波技术专业论文）智能交通系统中的标签天线.pdf

摘要 本文以智能交通系统为研究背景，研究了微波射频识别系统中的电子标签天 线。论文首先介绍了射频识别技术的发展和工作原理。然后研究了几种常见介质 谐振器的结构和电磁场分布，给出了相应的解析解。其次，分析了几种介质谐振 天线( d r a ) 的工作原理，应用a n s o f lh f s s 仿真软件对圆柱、矩形两种常见的 d r a 进行了分析和设计，研究了微带直接耦合和缝隙耦合两种馈电方法，并将软 件理论分析结果和f d t d 数值计算方法的结果进行比较，并进行了试验研究，给 出了相关实测数据，与理论结果吻合较好。最后，结合r f i d 系统的实际需求，研 究了一种实用的微波r f i d 标签天线，并进行了理论分析，该天线增益适中，体积 小、成本低。 7 关键词：射频识别电子标签介质谐振天线 a b s t r a c t t h e t a ga n t e n n a f o rm i c r o w a v er 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 ma r es t u d i e di n t h i s p a p e rw i t h i t s a p p l i c a t i o n i ns m a r tt r a f f i c s y s t e m a s b a c k g r o u n d f i r s t l y ，t h e d e v e l o p m e n ta n dt h e o r yo f r f i d t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h es t r u c t u r ea n d e l e c t r o m a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o no f s o m ek i n d so f d i e l e c t r i cr e s o n a t o r sa r ei n v e s t i g a t e d t h e n c y l i n d r i c a l a n d r e c t a n g u l a r d i e l e c t r i cr e s o n a t o ra n t e n n a sa r e a n a l y z e d a n d d e s i g n e dw i t h t h eh e l po fs o f t w a r ea n s o f th f s s t h ef e e dm e t h o do fm i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o nl i n ed i r e c te x c i t a t i o na n da p e r t u r ec o u p l e de x c i t a t i o na r ed i s c u s s e d t h e a c a d e m i cr e s u l t sa r e c o m p a r e d w i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t so ff d t dm e t h o d ，a n d c o r r e l a t i v em e a s u r e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e d a tl a s t c o m b i n i n gt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t o fr f i d ，an e wt a ga n t e n n ai st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dw h i c hh a ss u i t a b l eg a i n ，s m a l l v o l u m ea n dl o w e rc o s t k e y w o r d ：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 ，t a g ，d i e l e c t r i cr e s o n a t o r a n t e n n a s 创新性声明 确8 3 6 0 2 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 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己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：老如峰日期二。口* f 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、或其他复制手段保存论文。( 保密的沦 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。 日期 兰! ! 叁： 日期夕旧鬈，5 - 第章绪论 第一鼙绪论 1 1 本选题的意义 微波射频识别技术( 即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 ，以下简称r f l d ) 是现 代信息技术高速发展的产物，它利用无线射频方式进行非接触双向通信以实现自 动识别和远程实时监控及管理。r f i d 技术是目前国际上发展很快的一项新技术， 其通信距离可以从几厘米到几十米远，而且依据读写方式的不同，可以输入数千 字节的数字信息并具有极高的保密性。其最为主要的优点是环境适应性强，受 雨雪、冰雹、灰尘等影响小，可全天候工作，无线地、非接触地完成自动识别、 跟踪与管理，且可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。因此射频识别被 认为是自动识别技术中最优秀和应用领域最广泛的技术之， r f i d 技术是个多学科综合的新兴科学。它将大量来自完全不同学科的技 术综合到一起：如微波技术、电磁兼容技术、半导体集成电路技术、数据保护和 密码学、电信、制造技术等，并且已经逐步发展成为一个崭新的技术应用领域。 以美国、日本和欧洲为首的发达国家r f i d 技术的应用研究已达到相当高的水平， 而我国则处于起步阶段，大多采用引进的技术成果，研究该技术已成为我国当今 社会发展的必需。同时，随着2 1 世纪数字化时代的到来，基于远程信息化网络管 理技术和移动商务的社会需求，该技术将在智能交通管理系统和数字化移动齑务 等诸多领域发挥巨大的作用。可以预测，这技术的应用正在成为一个新的经济 增长点，研究和开发r f i d 技术有着巨大的经济效益和社会意义。 为适应数字化信息社会发展的需求，r f i d 技术的研究与开发也正突飞猛进地 发展a 基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求，r f i d 技术在智能 交通管理系统中将发挥巨大的作用。( 1 ) 车场智能化管理：无需停车，系统自 动识别车辆的合法性，完成放行( 禁i t ) 、纪录等管理功能。一柑约进“ 场的州叫、 提赢t 律效率。( 2 ) 城f 扫车辆动态管理 计：乖辆i 矧2j ：船。记慕报臀：被盗( r 盯疑) 刈道路交通流邃实时监控、润度、统 车辆报警、跟踪；肇事逃逸车辆排a 。 ( 3 ) 乍辆路桥实现4 i 停车收赞( 禽高速公路不停车收费诣，理系统) 加快通关速 度避免交通堵塞，提高效率。通过训算机联恻实现伞市路桥收赞站统收费， 实现全i 伊k 通。( 4 ) 物流管理：物资入、n j 库管理；霍婴物资的防盗。，僻理： 铁路货运编组调度系统。智能化的交通管理系统可以大大提高管理效率和经济效 益，改善城市的基础设施和投资环境，为城市的建设和飞速发展增添动力。 基于此，本文以智能交通系统为研究背景，结合微波r f i d 技术时系统中 的标签天线进行了研究，从而推动智能交通系统的应用和发展，并进一步带动西 智能交通系统中的标签天线 部城市基础设施的建设。 1 2 国内外发展现状 r f i d 技术是当前国际上发展的热点技术之一。它的出现应该归结为雷达技 术的发展和应用。电子物品防盗系统( e l e c t r o n i c a r t i c l es u r v e i l l a n c e ，简称e a s ) 被认为是最早的r f i d 系统【”，在2 0 世纪6 0 年代末，已广泛应用于商业领域。 2 0 世纪7 0 年代以来，r f i d 技术成为人们研究的热门课题，各种机构都开始 致力于r f i d 技术的研发，并取得了一系列研究成果，将r f i d 技术成功应用于 电子计费系统、动物跟踪以及工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众 多领域。例如澳大利亚将它的r f i d 产品用于澳机场旅客行李管理中并发挥了出 色的作用；德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机 票购销方式，简化了机场入关的手续；m o t o r o l a 公司在超净车间里利用r f i d 系 统来控制流水线的零件流向：欧共体宣布1 9 9 7 年开始生产的新车型必须具有基于 r f i d 技术的防盗系统等等。 2 0 世纪9 0 年代是r f i d 技术繁荣发展的十年，其主要表现在美国大量配置了 电子收费系统。1 9 9 1 年的俄克拉荷马州( o k l a h o m a ) 建成了世界上第一个开放的 高速公路不停车收费系统，汽车可以高速通过计费站。 2 0 世纪末到2 l 世纪初，r f i d 技术中的一个重大突破就是将微波肖特基 ( s c h o t t k y ) 二极管成功地集成在c m o s 集成电路上。这一技术使得只含有一个 集成芯片的微波电子标签成为可能。目前，h i t a c h i 、m a x w e l l 和t a g m a s t e r 等公 司已有单一芯片的不同频段的电子标签供应市场。其中增加了许多新的功能，如 电子钱包需要的低功耗读写功能、数据加密功能等，为r f i d 技术开辟了更为广阔 的应用前景。 2 0 0 1 年6 月，日本东芝公司宣布已经制造出世界上最小的r f i d 芯片，使得 电子标签可以嵌入纸内。同年1 2 月，电子工程时代( e e t i m e s ) 宣布到2 0 0 5 年 欧洲银行将在银行票据上安装r f i d 芯片。 2 0 0 2 年3 月m i c r o m e m 技术公司和国际纸业( i n t e r n a t i o n a lp a p e r ( n y s e ：i p ) ) 公司共同开发“纸质”芯片的封装技术。 r f i d 技术己在许多国家的公路不停车收费或和火车车辆跟踪与管理中得到 应用，如澳大利亚、中国、香港、菲律宾、巴西、墨西哥、加拿大、日本、马来 西亚、新加坡、新西兰、南非、南朝鲜、美国和欧洲等。借助于电子收费系统， 出现了一些具有新功能的r f i d 技术。现在一个电子标签可以具有多个帐号用于电 子收费系统、停车场管理、费用征收、保安系统以及社区管理。 同时，在r f i d 系统中的天线方面也有很好的发展。值得一提的是2 0 0 1 年9 第一章绪论 月f r a c t a l a n t e n n as y s t e m 公司开发出可应用于r f i d 系统的分形天线。“纸质”的 电子标签天线也已在开发中。同时电子标签的低功耗技术成为关注的焦点，微功 率的单片电子标签芯片已经被研制出来”1 。 在国内，r f i d 技术仍是一个崭新的应用技术领域，其开发研究尚处于起步 阶段。自1 9 9 3 年我国政府颁布实施“金卡工程”计划以来，加速了我国国民经济 信息化进程。各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。2 0 0 1 年7 月上海虹桥国 际机场组合式电子收费系统( e t c ) 试验开通，被国家经贸委和交通部定为“高 等级公路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目的示范工程；香港已有8 0 多辆过往关口的车辆使用了速通卡( 也叫驾易通) ，大大加快了通关速度。深圳海 关也正在建设相应的不停车通关系统。现在，上海的公共汽车使用了电子月票、 北京的机场高速公路、深圳的皇岗口岸也使用了射频识别系统。国内已有几家公 司引进国外的先进技术，开发了自己的射频识别系统。由兰州远望公司与哈尔滨 铁路科学研究所共同研制的自动车号识别系统已于2 0 0 0 年开始正式投入使用。 射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段，但是它的发展潜力是巨大 的，它的前景非常诱人。射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，将在中国 很快地普及和发展。 1 3 本文的内容安排 本论文的目的是将微波射频识别技术应用于智能交通系统，从而改善国内落 后的交通系统，主要研究了微波电子标签天线的设计技术。全文共分五章，具体 内容如下： 第一章绪论。首先阐述了本选题的研究背景及意义，介绍了国内外r f i d 技 术的发展、应用及其现状，最后介绍了本文的主要研究工作。 第二章微波r f i d 电子标签。简要介绍了微波r f i d 系统的工作原理，包括 微波r f i d 系统的基本组成、工作流程、常用工作频段。然后阐述了微波电子标 签的工作原理、基本组成以及各个组成部分的实现功能，重点介绍了标签天线。 第三章介质谐振天线。从介质材料的优点( 低损耗) 出发，详细介绍了各种 常见介质谐振器的类型及其场结构，得出了其解析解；并进一步分析了几种介质 谐振天线的结构、馈电方式和工作原理，通过a n s o f th f s s8 0 仿真研制出了几种 工作于2 4 5 g h z 的介质谐振天线。同时通过f d t d 数值计算方法进行验证，最后 用矢网分析仪进行了实测结果与仿真结果吻合较好。 第四章首先分析了标签天线的工作方式，介绍了常用标签天线的相关参数。 然后在对称振子天线的基础上，根据实际系统规定和相应参数的要求，研制了一 种实用的标签天线，该标签天线工作频率为9 1 5 m h z ，体积小、灵敏度高、成本 4 智能交通系统中的标签天线 低，非常适于智能交通系统中。 第五章结束语，对全文的工作加以总结，综述研究结果和相关结论，并提出 有待于进一步研究和解决的几个问题。 墨三兰塑堕坚! 旦皇王堡篁三 第二章微波r f id 电子标签 2 1 微波r f i d 系统 射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。英文为r a d i o f r e a u e n c vi d e n t i f i c a t i o n ，简称r f i d 。最近几年来，射频识别技术在货物销售、后 勤分配、动物识别、出入控制、材料流通、工业自动化等许多领域得到了快速的 普及和推广。r f i d 系统的环境适应性强，可在全天候下工作，无接触，抗干扰能 力强，可以穿透非金属物体进行识别处理。这些性能特点更为其实现高度可靠的 应用开辟了全新的领域。 2 1 1r h d 系统的基本组成 r h d 系统的组成一般至少包括两个部分【l 】= ( 1 ) 电子标签，英文名称为t a g ； ( 2 ) 阅读器，英文名称为r e a d e r ，如图2 1 所示。在很多文献中也常把电子标签 称为应答器( t r a n s p o n d e r ) ，把阅读器称为读写装置。 臀 稿元件 ( 微波天线) 图2 1r h d 系统框j 璺 阅读器用以产生、发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射 频信号，经处理后获取标签数据信息，从而达到自动识别物体的目的。一台典型 的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元( 数据处理模块、电脑控 制器等) 以及与电子标签连接的耦合元件( 线圈或微波天线) 。此外，许多阅读器 还有附加的接口，以便将获得的数据进一步通过计算机及计算机网络实现对物体 识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。 电子标签是射频识别系统真正的数据载体，其中一般保存有约定格式的电子 数据。在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。典型的电子标签由耦 合元件( 线圈或微波天线) 、模拟电路( 包括检波电路和调制电路) 、数字电路及 存储器组成。在微波r f i d 系统中电子标签采用天线作为耦合元件。另外系统还 6 智能交通系统中的标签天线 包括数据交换和管理系统等。进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识 别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。 2 1 2 微波r f i d 系统的工作原理 r f i d 系统的应用基础是雷达散射原理，电磁波从天线向周围发射时，到达目 标的一部分离频能量被吸收，面另外一部分以不同的强度再次散射到各个方向， 其中有一部分就回到了发射天线，称为回波，如下式所示： = 篙争 ( 2 ，1 ) 式中：p 是阅读器的发射功率，g 是发射天线的增益，盯是标签的散射截面，r 是 阅读器与应答器之间的距离。可见，如果按照某一规律控制目标发射信号的幅度、 相位或频率( 即：调制) ，那么阅读嚣在接收到反射信号后通过解调就可获得调制 信号的相关规律，如果这一规律是一串有序的数字信号，就可以利用其进行通信。 在微波r f i d 系统中采用相关技术可以使标签天线等效为一个可变负载，当数据 流从阅读器发出时，接收天线利用其可变的负载特性，将控制接收天线的反射信 号，把相关应答器信息调制到反射的电磁波上。当阅读器接收到反射信号时进 行解调获得被识别目标的信息并发出相应的电磁载波，从而实现双方的通信。 2 1 3 微波r f i d 系统的分类 射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大类；根据 电子标签内是否装有电池为其供电，又可将其分为有源系统和无源系统两大类； 从电子标签内保存的信息注入的方式可将其为分为集成电路固化式、现场有线改 写式和现场无线改写式三大类；根据数据传输方式分为电感耦合式、微波传输式 和时序方式；根据读取电子标签数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、 倍频式和反射调制式三大类。就其基本工作方式可分为全双工、半双工和时序系 统。 2 1 4 微波r f i d 系统的工作流程【6 】 阅读器加电工作时将预先设定数据的相关指令信息调制到一定频率后经 发射天线向外发送； 当射频识别目标进入阅读器发射天线工作区域时，电子标签内的接收系统 接收到发出的数据载波信号后激活其控制系统。内部的存取控制模块将存 储器中的信息代码调制到载波上经电子标签天线反射出去； 第二章微波r f i d 电子标签 阅读器的接收天线接收到电子标签发出来的携带有标签信息的反射信号， 经由天线连接器传送给数据处理模块。数据处理模块对接收到的信号进行 解调、解码，送至电脑控制器； 电脑控制器根据逻辑运算判断该电子标签的合法性，针对不同的设定作出 相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作； 执行机构按电脑控制器的指令信号动作： 通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控中心信息平台。根 据特定的使用项目可以设计不同的软件来完成所要达到的各种功能。 图2 2r f l d 系统l 作流程图 2 1 5r f i d 系统的常用频段【6 】 目前，国际上常用的r f i d 系统大多工作在i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n d m e d i c a l ) 频段，只供工业、科研及医疗机构使用。详细的频段划分见下表2 1 。 表2 1r f i d 系统的常用频段 频段系列典型频段应用领域 1 3 5 k h z 系列低频：1 0 0 5 0 0 k h z广泛用于动物识别、进出控制、物品 追踪等管理。本频段的使用在大多数 国家一般不受控制。 1 9 5 8 2m h z 系列 电子物品监视，多用于零售业或物品 防盗领域。 1 3 m h z 系列中频：l o 15m h z可用于小区物业管理、大厦门禁系统、 电子物品监视及1 s m ( 工业、科学和 医疗行业) 等。 2 7 m h z 系列应用于工业、科学和医疗行业。 4 3 0 4 6 0m h z 系列应用于工业、科学和医疗行业。 智能交通系统中的标签天线 9 0 2 9 2 6m h z 系列高频：8 5 0 m h z g s m 移动电话网、铁路车辆识别、集 5 8 g h z 装箱识别等。部分地区用于公路车辆 识别管理与自动收费系统。 2 3 5 0 2 4 5 0m h z 系列应用于工业、科研和医药行业。 5 8 0 0 6 8 0 0m h z 系列 非管制频段，其中5 8g h z 在部分国 家已定为智能交通系统用频段( 如公 路车辆管理与自动收费系统) 。 这些频段并非全球通用，在不同的国家仍有不同的限制。在u h f 或微波频段 的限制通常是指辐射功率的限制，并且对发射机的输出功率以及天线的增益也都 有所限制。 2 1 6 微波r f i d 系统的典型应用 r f i d 技术的应用相当广泛，可以毫不夸张的预测，任何一种应用如果成为 现实，都将会孕育一个庞大的市场。r f i d 将是未来一个新的经济增长点。 ( 1 ) 高速公路自动收费： 将r f i d 系统用于高速公路自动收费，能够在携带有电子标签的车辆高速通过 收费站的同时完成收费，提高了车辆在以往收费处的通过率。2 0 0 1 年7 月上海市 虹桥国际机场组合式电子不停车收费系统( e t c ) 试验开通。被国家经贸委和交通 部确定为“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目的示范工程： 香港已有8 0 多辆过往关口的车辆使用了速通卡一驾易通，大大加快了通关速度。 ( 2 ) 门禁控制： r f i d 系统可以方便、安全的用于门禁保安，同时用于出入口安全检查、考勤 及公司财产监控等方面。由于系统可同时识别多个电子标签。消灭了上班前排队 打卡的现象。 ( 3 ) 生产自动化： 用r f i d 技术在生产流水线上能实现自动控制、监视，提高生产效率，改进生 产方式，节约成本。例如：德国宝马汽车公司在装配流水线上应用电子标签实现 了生产用户定制的汽车。 ( 4 ) 仓储管理： 将r f i d 技术系统用于仓储货物管理能有效解决仓储货物信息管理问题。对于 大型仓储基地来说，管理中心可以随时了解货物位置、货物存贮情况，对于提高 仓储管理效率、反馈产品信息、指导生产都有重要意义。 ( 5 ) 铁路运输管理： 第二章微波r f i d 电子标签 在火车运营中使用r f i d 系统的最大优势在于火车是按规定路线运行的，所以 可在沿途安放读写器以便监控火车的运行。通过读到的数据，能够辨认火车的身 份、监控火车的运行安全及火车的完整性，同时在车站能将车辆进行重新编组。 铁道部于1 9 9 9 年开始投资建设自动车号识别系统，并于2 0 0 0 年开始正式投入使 用，作为电子清算的依据。 射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段，但是它的发展潜力是巨大的， 在不久的将来r f i d 技术就将同其它识别技术一样深入我们的生活、改善我们的生 活。 2 2 电子标签 电子标签( t a g ) 也经常被称为应答器( t r a n s p o n d e r ) ，是射频识别系统中真 正的数据载体，一般附着在待识别物体的表面。电子标签中包含有被识别物体的 相关信息。如被识别的物体为商品，则标签中包含有该商品的生产厂家、生产 ：= l 期以及编号等。在公路车辆不停车收费管理系统中，安装在车辆上的电子标签中 还应包括车牌号、发动机号、车型、车主信息等。这些信息是以数字字母编码的 形式存储在电子标签内。当受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母 编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。电子标签含有的被识别的专用 信息可以作为被识别物体的身份象征。 2 2 1电子标签的组成 图2 3 电子标签的组成结构 典型的电子标签电路如图2 3 所示，由以下几部分组成【ij ：天线、模拟电路、 数字电路及存储器( 数字芯片) 组成。电子标签中必须含有天线，标签中的天线 用于接收阅读器的射频能量和相关的指令信息，发射携带有标签信息的反射信号。 通常使用的标签天线有半波对称振子、折合振子和各种形状的微带天线。标签天 线作为电子标签的耦合元件在r f i d 应用中扮演着重要的角色。 电子标签中的模拟电路主要包括检波电路和调制电路。检波电路可将标签天 线接收到的高频电磁能量转换为可以供其它电路工作所需的直流电源。有时检波 电路之前要加匹配网络，以保证标签天线与检波电路之间的良好匹配。电子标签 o 智能交通系统中的标签天线 中的调制电路可以把存储在电子标签内部的被识别物体的相关数据信息调制到反 射的电磁波上，从而实现电子标签到阅读器的数据传输。 电子标签内的数字芯片由数字电路及存储器组成。这一部分被称作电子标签 的大脑中枢，用于存储被识别物体的信息内容，并可在外部供电的情况下，通过 对阅读器发出的相关指令信息的判断，做出必要的数据处理及输出相关的数据信 息。 2 2 2 电子标签的工作原理 微波r f i d 技术是利用反向散射( b a c ks c a t t e r i n g ) 来实现通信的。它基于电 子标签内微波天线的负载阻抗随储存的电子数据而变化的特点，来实现对电子标 签内电子数据的读取。 我们从雷达技术中得知：电磁波会被大小超过波长一半的物体所反射i l 】。一个 物体反射电磁波的效率可采用反射横截面来加以标志。当物体同到达它的波前产 生谐振时其反射横截面尤其大，r f i d 系统正是要工作在这种状态下。 阅读器 图2 4 反向散射电子标签的工作原理 在微波r f i d 系统中阅读器天线发射功率p ，由于自由空间中电磁波的衰 减，它的一小部分p ：到达电子标签的天线，p ：作为高频功率在天线接口处供使用， 如图2 4 所示。同时，功率p ：的一部分又被天线反射，返回功率为p ，。天线的反 射性能( 等同于反射截面) 会受连接到天线的负载变化的影响。为了实现电子标 签到阅读器的数据传输，与天线并联的附加电阻胄，的接通和断开必须和要传输的 数据流一致，以实现对电子标签反射功率p ，振幅的调制。由电子标签反射的功率 p ，经自由空间辐射。同样由于自由空间的衰减，其中的一小部分p ：被阅读器天线 接收到。反射回来的信号以“相反的方向”进入阅读器天线的连接处，被定向耦 合器解耦后，送到阅读器的接入口，再经数据处理后，得到电子标签内数字芯片 储存的识别代码信息。从而实现无需接触即可识别装有电子标签的物体的目的。 第二章微波r f i d 电子标签 2 2 3电子标签的能量供应 在微波系统中，电子标签通常分为无源和有源两种。 有源电子标签内装有电池，为标签中微型芯片的工作提供全部或部分( “辅 助电池”) 能量。为了防止电池消耗在不必要的负载上，当电子标签离开阅读器 的场区时，数字芯片将自动进入省电的“低功耗”模式。直到电子标签从阅读器 接收到一个足够强的信号，使芯片重新被激活，并玎始正常工作。有源电子标签 一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池的寿命有限( 3 1 0 年) 。因此，有源 电子标签的使用寿命通常要受电池寿命的限制。此外，由于有漏电子标签采用了 电池供电的有源工作模式，可大大减小阅读器发射射频查询信号的强度，增强系 统抗电磁干扰的能力，同时也提高了系统适应对高速移动物体的无接触识别能力。 无源电子标签内没有电池，需要能量来激励他们。因此，无源电子标签工作 用的所有能量必须从阅读器的电磁场中获得，即该能量来自阅读器发射机的发射 场强。无源电子标签在阅读器的响应范围以外是无法进入工作模式的。只有当它 在处于阅读器的响应范围之内时，接收到阅读器发出的微波信号，然后将部分微 波能量转化为直流电供自己工作。无源电子标签一般可做到免维护，也可集成在 集成电路卡中。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略 有限制。 2 3小结 本章首先简要介绍了微波r f i d 系统的基本组成、工作原理、流程、分类以及 常用的工作频段。其次阐述了电子标签的工作原理及典型组成，包括各个组成部 分的实现功能。电予标签是射频识别系统中必不可少的配件，而标签天线则是电 子标签的重要组成部分，其性能特点很大程度地决定了r f i d 技术的应用前景。因 此，对标签天线的技术研究有着重要的意义，它也是本论文的重点部分，在以后 章节将陆续介绍。 智能交通系统中的标签天线 第三章介质谐振天线 标签天线是微波r f i d 系统中最易变的部分，不同的环境和频率要求不同的 天线，而芯片却基本已模块化，并且标签天线的设计是面临着小型化、共形化和 低损耗、低成本的问题，所以设计标签天线在整个系统中占有重要地位。在微波 r f i d 系统中，通常使用的线极化标签天线有半波对称振子、折合振子以及各种 形状的微带天线，但都有各自的缺陷，本文将介质谐振器引入天线领域，利用介 质的低损耗、低成本特性，研究了几种工作于2 ，4 5 g h z 的介质谐振天线。 3 1 介质谐振器 介质谐振器( d r ) 一般由低损耗( t a n 8 = 1 0 4 以下) 、高介电常数占( 2 0 1 0 0 ) 的材料做成，经常用于屏蔽微波电路中，如：滤波器、振荡器等。在这些介 质谐振器中能得到很高的无载q 值。假如将介质谐振器放在自由空间中，则其最 低阶模( 主模) 的q 值大大减小，因为其功率主要在空间中辐射了，因此它可以 作为天线。由于d r a 的损耗低( 导体损耗) 、辐射效率高，适合作为标签天线。 3 1 1 介质谐振天线( d r a ) 的优点9 1 ( 1 ) 尺寸小：d r a 的尺寸与 ( s ，) 恐有关，选择高占，可获得尺寸较小的d r a ( ，的使用范围一般为6 1 0 0 ) ；选用较小的占，可得较宽的带宽。 ( 2 ) 由于介质损耗小，不存在表面波损耗，且天线工作于谐振状态，所以d r a 的辐射效率很高( 可达9 5 ) 。 ( 3 ) 耦合方法简单，可与所有传输线耦合( 微带线、同轴线等) ，通过改变耦合 位置可控制输入阻抗，易于匹配，适于平面集成电路。 ( 4 ) 通过选择合适的谐振参数，可得很宽的工作带宽，如：s ，的选择、d r 尺 寸的选择。 ( 5 ) 可以使用各种形状的d r a ，圆柱、球以及矩形等，它们各有各的应用场合 和特点。 ( 6 ) 每种d r a 模式都有特定的内部和相应的外部场分布，通过激励不同的模 式可得到不同的辐射特性。 最常用的d r a 有圆柱形和矩形。d r a 的设计需要知道其辐射场、谐振频率、 带宽和内场的分布。本文将给出其中一些重要参数的计算公式2 3 1 ( 主要是孤立 d r 和放在金属面上的d r ) 。 第三章介质谐振天线 3 1 2 圆柱介质谐振器 ( 1 ) 孤立的圆柱介质谐振器 圆柱介质谐振器场的模式可分为3 种不同类型一】：t e 、t m 和混合型( h e 、 e h ) ，t e 和t m 模的场分量关于轴对称，水平方向分量( 即：西向) 不变；而混 合模的场的水平分量独立。对h e 模而占，其，分量相比e ，分量是很小的，h e 模的其它场分量可以仅仅从e ，分量获得。对e l i 模，上述情况也成立。这些模式 分别被表示为t e 。川，t m 。，+ ；，魍，。和e h ，+ 。其中第一个下标表示场在 水平方向( 即庐向) 变化的阶数，般为c o s n 或s i n n 的形式；第二个下标m ( n = 1 2 ) 表示场沿径向变化的阶数；第三个下标p + j ( p = 0 1 2 ) 表示场沿z 向变化的阶数，其中o 占 1 ，p 是谐振器沿z 向场分布的半波数。当p = 0 时， 介质谐振器的内场沿z 向分布小于半个波长，模式指标为占；当p 0 时，场沿z 向分布小于( p + 1 ) 个半波数而大于p 个半波数，模式指标为( p + 占) ，其结构如图 3 1 所示，频率最低阶模为其主模。 k 叫 图3 1 孤立圆柱d r 的结构 孤立圆柱d r 的一个很吸引人的特点是d r 中不同模式的辐射特性与电或磁 多极子的辐射相似1 9 】，如：偶极子、4 极子、8 极子等。规则形状( 圆柱、矩形) 的 d r 的辐射方向图不需大量计算就可准确预测。例如：孤立圆柱介质谐振器的t e 。 模的辐射特性与沿其轴向放置的磁偶极子的辐射相似。而其t e 。+ ；模的辐射特性 与沿其轴向放置的4 磁极子的辐射相似，如图3 2 所示，图中m 表示磁偶极子， p 表示电偶极子。同样，相同d r 的t m 。和t m 。+ ；模式的辐射特性则与沿其轴 向放置的电偶极子和4 电极子的辐射相似。上述t e 、t m 模的辐射场的特性与谐 振器材料的介电常数无关。而混合模h e i ，。模的辐射则与沿水平放置的磁偶极子 相似。从以上等效关系可以看出：表示内部场沿z 向变化的下标对预测俯仰面的 远场方向图很有用。 智能交通系统中的标签天线 、一一- 一 她o u1 1 t 4 0 v $ 串 r 厚o i 7 m o l 图3 2 孤立圆柱d r 不同模式的辐射特性 确定孤立d r 的谐振频率需使用严格数值解，过程比鞍复杂。通常是对给定 s ，和h a 的谐振器计算其归一化波数k o a ，其中：k o = 2 矾c 为自由空间对应 的谐振频率厶的波数，c 为光速。假如占，值很高( 1 0 0 ) ，归一化波数的值随着 占一变化如下【9 】： k 。aa ：i 0 ，y “( 3 ) 对于给定h a 的谐振器，当，很高时，只需确定谐振器一个占，的归一化波数值， 这个值是( h a ) 的函数。对其它的t 值，谐振频率可由方程( 3 】) 确定。但在 d r 天线中，材料的占，值可能不是很高，以至于方程( 3 1 ) 可能不会很准确。所 以严格说，当占，值不是很高时，每个不同的占，都要计算。此时以下公式可以很好 地描述其关系 9 】= 1 “州赢 2 其中x 是经验值，般很小，且仅与模式有关。可见当占x 时，( 3 2 ) 式可以 简化为( 3 1 ) 式。 谐振天线的阻抗带宽与谐振器的总无载q 值( 见) 关系如下： b w = ( s 一1 ) 绞4 s ( 3 ，3 ) s 为v s w r 小于它时带宽为b w 时所规定的值。对一个d r 天线，若它的电介质损 耗相比辐射功率可以忽略，则总的无载q 值( q ) 与辐射q 值( q 。) 关系如下： 见zg o( 3 4 ) 计算圆柱d r 的辐射o 因子需要严格数值解。对于一个给定的模式，辐射9 因子 的值与谐振器的尺寸比和介电常数有关。对于有很高介电常数的谐振器，q 。随e ， 变化如下1 2 3 】： q 。* 0 ，) ( 3 5 ) 第三章介质谐振天线 其中：p = 1 5 。当其主模的辐射像磁偶极子 p = 2 5 ，当其主模的辐射像电偶极子 p = 2 5 。当其主模的辐射像哩磁极子 方程( 3 5 ) 和p 的值是普遍使用的，与谐振器的形状无关。但是只有当s ，的值很 高( 1 0 0 ) ，上式才有效。p 值与谐振器的尺寸无关。 ( 2 ) 金属面上的圆柱谐振器： 这种结构更为实用，因为金属面可以作为天线和馈电的机械支撑。金属面上 高目的圆柱d r 的各种模式等效于高2 何的孤立圆柱d r 。图3 3 所示结构的最低 阶7 e 模( t e 。模) 等效于其2 倍高度的孤立谐振器的丁。模p 】。 ( a ) 孤立圆柱谐振器 7 奉v ( b ) 置于金属面上的圆柱谐振器 圈3 3 置于金属面上的圆柱谐振器钓等效甾 3 1 ，3 球形介质谐振器 球形d r 是唯一可得到解析解的d r ，它可以产生t e 。，和t m 模( w ts ”) 。 下标n ，m ，分别表示场在俯仰角、方位角和径向变化的阶数。 球形d r 谐振频率厂和辐射q 值的计算设及到解超越方程，非常复杂。谐振 器的外部场是辐射型的，所以其谐振频率厂为复值。球形谐振器只有一维参数 一半径。参考文献【1 3 】已给出5 ，在1 1 0 0 ，各种模式的球d r 的归一化波数和q 。 可见，球形d r 模可产生内部和外部t e 、t m 模。实际应用中使用的是内部模， 因为对外部模来说，辐射q 因子的值总小于l 。对给定聆，r 的值，不同的m 值 ( ms h ) 的弛有相同的谐振频率，肼一样 9 1 ，所以球d r 存在川个简并 6智能交通系统中的标签天线 模。每个t e 和t m 模的方位角变化为s i n m e 或c o s m 形式。实际应用时需 考虑球形d r 的简并模。 实际应用中经常用到放在金属面上的半球d r 。这种结构d r 的模式可以从 孤立球形d r 的模式中获得。例如：放在接地面上的半球d r 的，e ，。模等效于孤 立球形d r 的t e ，模，这些模的辐射与水平磁偶极子辐射相似。 3 1 4 矩形介质谐振器 圆柱和球形d r 总是产生不需要的简并模，这对天线的辐射产生相应的干扰， 而矩形d r 在这一点具有一定优势，通过适当选择谐振器的三维尺寸，不同模式 的谐振频率厂可以不同，其结构见图3 4 。矩形d r 辐射像一个水平放置的短磁偶 极子，低介电常数的简单矩形d r 的阻抗带宽可达1 0 。但到目前为止，矩形 d r 应用的很少，其中一个重要原因是因为矩形d r 产生的高次模不容易解释， 至今还没有严格的技术来评估其模式。其中一种近似分析方法为【9 j ：将其模式分 为t e ，t m 两族，但是t m 的低阶模现在还无法用实验方法确定。对陋模而言， 不同的三维尺寸可以分别产生t e 7 、t e y 和您：模，一般哪个方向的尺寸小，哪 个方向就可产生主模：陋。模，其辐射特性与放置于其中心轴向为最小尺寸方向 的磁偶极子的辐射特性相似。 图3 4 孤立的矩形d r 结构图 由于矩形结构有两个对称面，所以同前面的分析，也可以在这两个面之间放 一个会属面取其结构一半而不影响d r 的场分布和其它谐振特性。 3 2 圆柱介质谐振天线 由于介质谐振器的许多优点，近年来它被广泛用作天线( d r a ) ，一般由低 损耗、高介电常数的介质材料构成，天线的谐振频率是谐振器形状、大, j , f n 材料 介电常数的函数。介质谐振天线可用各种结构简单的馈电方式激励，如：探针， 微带线，共面波导等，常见的馈电方法如图3 5 所示1 1 0 1 。 第三章介质谐振天线 矗菰乎触靳 ( b ) 微带线馈电 图3 5d r a 的馈电方法 3 2 1 圆柱介质谐振天线的求解0 2 3 l ( 1 ) 边界条件和谐振频率 假设d r 高为d ，半径为a ，内部材料均匀，接地板为无限大，忽略微带馈线 的影响，则由3 1 2 节所得出的理论，图3 6 中的d p , a 可等效为2 倍高度的孤立 的d r 。将孤立圆柱d r 四周界面上下延伸到无限远，把它看成磁壁，电波在其 中传播，则d r 成为一个无限长的波导。其中介电常数为占。的介质谐振器为传输 波导，上下两段为占一= 1 的截止波导，即电介质波导方法( d w m ) 2 3 】。在该两 种不同介质波导交界面上应满足切向场连续的边界条件，磁壁面内所限制的圆柱 介质波导的电磁场可分为t e 和t m 模，解纵向场的亥姆霍茨方程，然后用磁壁边 图3 6 微带直接耦合d r a 界条件即可求出各种谐振模的频率和场强。 由波导理论可得d r 纵向场的波函数为： 妒吐降准瓣 峭 ( 3 6 ) 智能交通系统中的标签天线 = 以( 等p 糨甜c 。s 学 = 1 , 2 ，3 ，p = 1 , 2 ，3 ， m = 0 , 1 ，2 ， 其中j 。是一阶贝赛尔函数，当p = d 时由边界条件， j ，( 。) = 0 ，j ：( x ：。) = 0 ， 又因为k ：+ k ! = k 2 = 国2 占 所以谐振频率的表达式为： 2 丽1 l h ( 3 9 ) 式可以看出当 = 1 。p 模，即t m l lo 模： 蕊再蕊 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 。9 ) 1 ，m = 0 ，x i = 1 8 4 1 时可得圆柱d r a 的主 刀了= 丽1 阿 ( 2 ) 主模远区电磁场计算 ( 3 1 0 ) 由十主模的特性较好，适于天线便用，所以这里我们只研究圆柱d r a 的主 模t m 。，由前面的分析我们可以得出其波函数为： “等p p c o s 嚣 所以 b = 熹豢 ( 3 1 2 ) j 哦pa z 弘去( 薯埘) ( 3 1 3 ) j 啦出。 1a2 l ” e p2 了= j 圭( 3 1 4 ) a z 、j 又因为在d r 的边界处厨= 重卉，h 为垂直于d r 表面指向外面的单位矢量，故 可得d r 的等效表面磁流，带撇的量表示源，从而求出沅场： 侧面( p = 口) 屿= 南州舢i 州n 吾 ( 3 1 5 ) 第三章介质谐振天线9 顶面和底面 以= 去2 删1 ) c 吲c o s ：= - - d 吩= 鑫删，铷s 矽 ( 2 埘日z d ) m r 2 恭易 ，- ( x t 争n 下面采用球坐标系计算远场： m o2 m p t c o s o c o s ( # 一庐) + m c o s o s i n ( 庐一7 ) 一m ：，s i n o m = 一m p s i n (