（控制科学与工程专业论文）超高频射频识别抗金属标签研究.pdf

摘要 摘要 超高频( u h f ) 射频识别( r f i d ) 技术由于具有较远的读取距离而获得现 代供应链管理及交通管理的极大关注。在很多应用中，r f i d 标签需要贴附于金 属物体表面。但是，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，其阻抗匹配、辐射效率和辐射方向图都会发生改变，从而导致标签 的性能变差，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，本文首先分析了标签应用于金属表面性能恶化的原因。然后针对实 际应用的需求设计了两种超高频r f i d 抗金属标签天线。最后，将抗金属标签 应用于车辆出入管理。全文研究内容及创新总结如下： ( 1 ) 本文从天线参数的角度分析了具有类偶极子天线的超高频r f i d 标签 被放置于金属表面时的性能变化。为了有效获得天线参数在金属表面的变化， 采用有限元法( f e m ) 与矩量法( m o m ) 相结合的方法进行天线仿真。最后， 通过实验测试进行验证。分析结果表明，对于类偶极子超高频r f i d 标签，当 其垫高于金属表面0 0 5 l , - o 1 z , ( 1 6 m m 3 2 m m ) 时，其性能可以恢复至自由空间中 的性能。 ( 2 ) 为了满足低轮廓的需求，分别设计了基于短路短截线馈电微带天线与 开路短截线馈电微带天线的两款超高频r f i d 抗金属标签天线。其中，基于开 路短截线馈电的微带标签天线具有完全平面结构，适合采用印刷工艺进行大规 模生产，能有效降低抗金属标签的制作成本。此外，开路短截线馈电的微带标 签天线具有更大的阻抗调节范围，有利于阻抗共轭匹配。最后，将短路短截线 馈电微带标签天线设计方法与开路短截线馈电微带标签天线设计方法相结合， 提出了一种较完备的超高频r f i d 抗金属标签设计的方案。 ( 3 ) 为了覆盖全球超高频r f i d 的所有频段，提出在深度嵌入馈电的微带 天线上嵌入u 形隙缝对以获得宽频带特性的方法。通过在深度嵌入馈电的微带 天线上嵌入一对u 形隙缝，可以在原模式附近激励一个新的辐射模式，从而获 得宽频带特性。根据该方法，制作了两款宽频带的超高频r f i d 抗金属标签， 一款覆盖北美与欧洲超高频r f i d 频段，另一款覆盖中国的两个分立的超高频 r f i d 频段。测试结果表明当附在不同大小的金属平板上时该标签在两个模式频 i i i 浙江大学博士学位论文 带内都具有稳定的性能。 ( 4 ) 为了验证设计的超高频r f i d 抗金属标签的实际性能，将其应用于车 辆出入管理。通过理论分析与实验测试合理安装阅读器天线与抗金属标签。当 车辆以不同速度通过检测门时，标签都能有效被读取并识别。测试结果与理论 分析具有较好的一致性。分析与测试表明，将超高频r f i d 标签应用于车辆监 控与管理具有广阔的前景。 关键词：射频识别，超高频，标签，天线，金属表面，抗金属标签，微带天线， 宽频带。 i v 摘要 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 n ( r f i d ) i nt h eu l t r a h i 曲一f r e q u e n c y ( u h f ) b a n d h a sg a i n e dg r e a ti n t e r e s ti ns u p p l yc h a i nm a n a g e m e n ta n dt r a f f i cm a n a g e m e n tb e c a u s e o fi t sl o n gr e a dr a n g e i nm a n ya p p l i c a t i o n s r f i dt a g sn e e dt ob ea t t a c h e do nt h e s u r f a c eo fm e t a l l i co b j e c t s h o w e v e r ，i ti sac h a l l e n g ef o rl a b e l - t y p ep a s s i v eu h f r f i dt a g sw i t hd i p o l e - l i k ea n t e n n a st ob em o u n t e do nt h es u r f a c eo fm e t a l t h e m e t a l l i cs u r f a c ei nt h ev i c i n i t yo fa nu h fr f i dt a ga n t e n n ac h a n g e si t si m p e d a n c e m a t c h i n g ，r a d i a t i o ne f f i c i e n c ya n dr a d i a t i o np a a e m ，w h i c hm a k e st h ep e r f o r m a n c eo f t h et a gw o r s eo re v e nn o tr e a d a b l e t os o l v et h i sp r o b l e m , t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t a n a l y z e dt h ec a u s eo ft h ep 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 c o b j e c t s b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t w ok i n d so fa n t i - m e t a lu h fr f i dt a gw e r ed e s i g n e d f o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i n a l l y , t h e a n t i m e t a l t a g s w e r et e s t e df o rc a l e n t e r i n g l e a v i n gm a n a g e m e n t t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n so ft h er e s e a r c ha r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i p o l e l i k ea n t e n n a so fu h f r f i dt a g sp l a c e dc l o s et om e t a l l i cs u r f a c e st h r o u g ha n a l y z i n ga n t e n n ap a r a m e t e r s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n dm e t h o do fm o m e n t ( m o m ) w e r eu s e dt os i m u l a t e t h ec h a n g e so ft h ea n t e n n ap a r a m e t e r sn e a rt h em e t a l l i cs u r f a c e a n d ，e x p e r i m e n m w e r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h es i m u l a t i o n i ts u g g e s t e dt h a tad i s t a n c eo f0 0 5 l - - o 1x ( 16 m m 3 2 m m ) f r o mt h em e t a l l i cs u r f a c ec o u l dr e s t o r et h ed i p o l e l i k eu h fr f i dt a g p e r f o r m a n c et ot h a ti nf r e es p a c e ( 2 ) i no r d e rt om e e tt h el o wp r o f i l er e q u i r e m e n t ，t w ok i n d so fa n t i - m e t a lu h f r f i dt a ga n t e n n a sb a s e do nt h es h o r t - s t u b f e e da n do p e n - s t u b f e e dm i c r o s t r i p a n t e n n a sr e s p e c t i v e l yw e r ed e s i g n e d t h eo p e n s t u b f e e dm i e r o s t r i pa n t e n n ah a da c o m p l e t e l yp l a n a rs t r u c t u r ew h i c hw a ss u i t a b l ef o rt h em a s sp r o d u c t i o nu s i n gt h e p r i n t i n gt e c h n i q u e sa n d c o u l dd e c r e a s et h em a n u f a c t u r i n gc o s to ft h ea n t i - m e t a lt a g s m o r e o v e r , t h eo p e n - s t u b f e e dt e c h n i q u em a d et h ei m p e d a n c eo ft h ep a t c ha n t e n n ab e t u n e di nal a r g es c a l ef o rc o n j u g a t ei m p e d a n c em a t c h i n g f i n a l l y , ap r o p o s i t i o n a l r e s o l u t i o nb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fb o t hs h o r t s t u b f e e da n do p e n s t u b f e e d v 浙江大学博士学位论文 m i c r o s t r i pa n t e n n aw a ss u g g e s t e df o ra n t i m e t a lu h fr f i dt a ga n t e n n ad e s i g n ( 3 ) i no r d e rt oc o v e rt h ew h o l eb a n d w i d t ho fg l o b a lu h fr f i db a n d s ，a w i d e b a n da n t i - m e t a lu h fr f i da n t e n n aw a sd e s i g n e db a s e do nd e e p l yi n s e r t e df e e d m i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aw i t hap a i ro fus l o t s b ye m b e d d i n gap a i ro fu s l o t so n t h em i c r o s t r i pp a t c h ，an e wr e s o n a n tm o d ea d j a c e n tt ot h eo r i g i n a lm o d ew a se x c i t e d a n daw i d e b a n dc h a r a c t e r i s t i cw a sa c h i e v e d w i t ht h i sm e t h o d ，t w os a m p l e a n t i m e t a lw i d e b a n du h fr f i dt a ga n t e n n a s ，o n ec o v e r sn o r t ha m e r i c aa n de u r o p e u h fr f i db a n d s ，a n o t h e rc o v e r st h et w os e p a r a t e du h fr f i db a n d so fc h i n a , w e r ed e s i g n e d m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e da n t e n n a sh a ds t a b l e p e r f o r m a n c eo nm e t a lp l a t e so fd i f f e r e n ts i z e si nt h eb a n d so ft h et w om o d e s ( 4 ) i no r d e rt om a k es u r et h e s eu h fa n t i m e t a lr f i dt a g sc o u l db eu s e df o r t h e r e a l i s t i c a p p l i c a t i o n ，t h e a n t i - m e t a lu h fr f i d t a g w a st e s t e df o rc a r e n t e r i n g l e a v i n gm a n a g e m e n t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tt e s t s ，t h e r e a d e ra n t e n n a sa n dt h ea n t i - m e t a lr f i dt a gw e r ei n s t a l l e dp r o p e r l y t h et a gc o u l d b ew e l li d e n t i f i e db yt h er e a d e rw h e nt h ec a rp a s s e dt h r o u g ht h em e a s u r e m e n td o o r w i t ha td i f f e r e n ts p e e d s t e s t e dr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s i t s h o w st h a tt h eu h fr f i di sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rv e h i c l e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：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 ) ，u l t r ah i g hf r e q u e n c y ( u h f ) ， t a g ，a n t e n n a , m e t a l l i cs u r f a c e ，a n t i - m e t a lt a g ，m i c r o s t r i pa n t e n n a ，w i d e b a n d v i 插图清单 插图清单 图1 1 射频识别系统基本结构4 图1 2 有源、无源及半有源标签的工作原理7 图1 3 射频识别系统不同频率的分类8 图1 4 磁感应耦合r f i d 系统与电磁波传播r f i d 系统的工作原理9 图2 1 超高频r f i d 系统的基本工作原理1 8 图2 2 超高频r f i d 系统的应答过程( 单标签应答，e p cc 1 g 2 协议) 1 9 图2 3 超高频r f i d 标签的等效电路。2 0 图2 4 复功率波反射系数在s m i t h e 图上的投射( 以进行归一化) 2 2 图2 5 偶极子标签天线的辐射方向图2 4 图2 6 电磁场仿真方法的分类2 7 图2 7 对称偶极子标签天线的镜像法测量3 1 图2 8r f i d 标签微波暗室中的读取距离的测试3 2 图2 9r f i d 标签横电磁场屏蔽箱中的读取距离的测试3 3 图2 1 0 标签各频点最大读取距离示意图3 4 图2 1 1 标签3 d b 功率带宽示意图3 5 图2 1 2 标签3 d b 阻抗带宽示意图3 5 图2 1 4r f i d 标签天线雷达截面测量示意图3 7 图3 1 金属表面附近的电场驻波分布模式4 1 图3 2 普通偶极子天线与金属平面反射器的距离与天线增益的关系4 2 图3 3 普通偶极子天线增益模式与金属平面反射器的距离的关系4 3 图3 4 仿真中采用的两种标签天线的形状及物理尺寸4 5 图3 5 标签天线在金属平板上的仿真示意图4 5 图3 6 类偶极子标签天线的功率传输系数随标签与金属平板的距离的关系曲线 图4 6 图3 7 类偶极子标签天线的辐射效率随标签与金属平板的距离的关系曲线图4 6 x l 浙江大学博士学位论文 图3 8 类偶极子标签天线的方向性随标签与金属平板的距离的关系曲线图4 7 图3 9 类偶极子标签天线的最大读取距离与金属平板的距离的关系曲线图4 8 图3 1 0 类偶极子标签天线在金属平板上的性能测试示意图4 9 图3 1 1 类偶极子标签置于金属平板附近性能变化的测试曲线5 0 图4 1 微带天线基本结构5 5 图4 2 微带标签天线阻抗匹配方式( 匹配在天线自谐振频率之前) o 5 6 图4 3 短路短截线馈电微带标签天线结构图5 7 图4 4 短路短截线馈电微带标签天线的传输线模型5 8 图4 5 短路短截线阻抗随长度的变化5 9 图4 6 三咖与厶对短路短截线馈电微带标签天线阻抗的影响6 1 图4 7 短路短截线馈电微带标签天线参数最优阻抗曲线6 2 图4 8 短路短截线馈电微带标签天线参数最优n s l l 曲线6 3 图4 9 短路短截线馈电微带标签天线的辐射方向图6 4 图4 1 0 短路短截线馈电微带标签实物图6 4 图4 1 l 短路短截线馈电微带标签读取距离的理论计算与实验结果6 5 图4 1 2 短路短截线馈电微带标签功率带宽的测量结果6 5 图4 1 3 开路短截线馈电微带标签天线结构6 7 图4 1 4 开路短截线馈电微带标签天线的传输线模型6 8 图4 1 5 开路短截线阻抗随长度的变化6 8 图4 1 6 厶珊鲥与厶对开路短截线馈电微带标签天线阻抗的影响6 9 图4 1 7 开路短截线馈电微带标签天线参数最优阻抗曲线7 0 图4 1 8 开路短截线馈电微带标签天线参数最优的s l l 曲线7 1 图4 1 9 开路短截线馈电微带标签天线的辐射方向图7 l 图4 2 0 开路短截线馈电微带标签实物图7 2 n 4 2 1 开路短截线馈电微带标签读取距离的理论计算与试验结果7 3 i n 4 2 2 开路短截线馈电微带标签功率带宽的测量结果7 3 图4 2 3 开路短截线馈电与短路短截线馈电微带标签天线的电抗调节范围7 4 图5 1 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签天线基本结构8 0 x i i 插图清单 图5 2 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签天线的t m l o 模式在 8 6 6 m h z 一8 6 9 m h z 频带的阻抗调节。8 2 图5 3 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签天线的新模式在 9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 频带的阻抗调节8 3 图5 4 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签天线参数最优的阻抗曲线8 4 图5 5 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签天线参数最优的返回损耗曲线8 5 图5 6 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签天线辐射方向图8 5 图5 7 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签实物图8 6 图5 8 覆盖中国频率范围的双频带抗金属标签天线的t m l o 模式在 8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 频带的阻抗调节8 9 图5 9 覆盖中国频率范围的双频带抗金属标签天线的新模式在 9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 频带的阻抗调节9 0 图5 1 0 覆盖中国频率范围的双频带抗金属标签天线参数最优阻抗曲线9 1 图5 1 1 覆盖中国频率范围的双频带抗金属标签天线参数最优的返回损耗曲线9 2 图5 1 2 覆盖中国频率范围的双频带抗金属标签天线的辐射方向图9 2 图6 1 考虑方向性的标签读取示意图9 7 图6 2 阅读器天线旁置在道路一侧的读取示意图9 8 图6 3 阅读器天线悬置在道路上方的读取示意图9 9 图6 4 阅读器读取周期图1 0 0 图6 5 车辆管理门禁系统安装示意图1 0 2 图6 6 车辆管理门禁系统标签安装图1 0 3 图6 7 车辆管理门禁系统阅读器天线安装图1 0 4 图6 8 阅读器系统参数设置1 0 5 图6 9 车辆管理门禁系统结构图1 0 6 图6 1 0 车辆管理门禁系统工作流程图1 0 7 图6 11 车辆管理门禁系统实验测试架1 0 8 图6 1 2 车辆管理门禁系统现场测试图1 1 1 浙江大学博士学位论文 附表清单 表1 1r f i d 有源、无源及半有源标签的区别6 表1 2r f i d 低频、高频及超高频标签的区别8 表2 1 不同芯片负载阻抗下的再辐射匹配系数2 6 表4 1 标签芯片的输入阻抗值6 0 表4 2 标签天线输入阻抗的推荐设计值6 0 表5 1 覆盖欧美频率范围的宽频带抗金属标签最大读取距离测量8 6 表5 2 覆盖中国频率范围的双频带抗金属标签最大读取距离测量9 3 表6 1 车辆管理门禁系统阅读器天线参数1 0 3 表6 2 车辆管理门禁系统阅读器参数1 0 4 表6 3 阅读器天线不同角度下的标签的有效范围测试( 天线旁置) 1 0 9 表6 4 阅读器天线不同角度下的标签的有效范围测试( 天线悬置) 1 0 9 表6 5 不同车速下标签读取次数的测试1 1 l x 主要符号清单 英文符号 主要符号清单 天线的有效口径 距离或宽度 u 形隙缝与辐射边的距离 u 形隙缝与非辐射边的距离 标签天线的方向性 标签天线的辐射效率 标签天线增益 阅读器天线增益 高度 再辐射匹配系数 u 形隙缝臂长 长度 微带馈电结构嵌入深度 短截线长度 读取一次标签的数据量 标签被读取次数 接收的功率 天线获取功率 阅读器的最小读取功率 标签天线再辐射功率 阅读器输出功率 阅读器读取速率 径向距离 标签的最大读取距离 天线阻抗实部 芯片阻抗实部 回波损耗 功率波的反射系数 天线辐射的功率密度 单端口反射系数 询问周期 读取时间 车辆速度 宽度 微带馈电结构嵌入宽度 短截线宽度 天线阻抗虚部 芯片阻抗虚部 输入阻抗 特征阻抗 天线阻抗 标签天线阻抗 标签芯片阻抗 厂 如心慰 s s勋y形 瞰疋乙历乙乙乙 耐 吲 妇 以d 盔巩研 纬g g厅kl k 厶 挖q辜rb r 浙江大学博士学位论文 希腊字母 a角度 波数 昂相对介电常数 五 自由空间波长 上、下标 共轭值，v 口 标签天线 c 标签芯片 聊锻 最大值 x 功率传输系数 天线的雷达截面 天线球形坐标参数 天线球形坐标参数 m i n 最小值 ， 接收天线 t 发射天线 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：黄；荛侈签字日期：z 舢7 年多月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 蓑衰官 签字日期：2 叼年6 月6 日 ， 年6 月勿日 致谢 致谢 本论文是在导师张宏建教授悉心指导和亲切关怀下完成的。张老师严谨的 治学作风和求实的科学态度使我受益匪浅，对事物本质深刻的洞察力和广博的 知识引导着我前进，平易近人的指导风格和为人师表的风范使我印象深刻。攻 读博士学位五年来，张老师的悉心指导开拓了我的知识面，提高了我的科研能 力，我的每一点进步都与张老师的谆谆教诲和严格要求分不开，张老师的言传 身教让我终生受益。在此，我对张老师多年来给予的关心和指导表示衷心的感 谢! 感谢周洪亮副教授、杨祥龙教授等为我的研究工作提供的支持与指导，是 你们的帮助本论文才得以顺利完成。 感谢实验室同课题组的孙群英，王晓东覃春芳等在实验方面给予我的帮 助，同时，衷心感谢实验室的各位同学：花月芳、凌张伟、闫战科，迟天阳、 孙永剑、赵晓东、申屠南瑛、王晓东、阚睿、饶蕾、陈祺、张胜、周俊儒、杨 兴果、黄浙丰、姜光、孔令字等，以及已经毕业的黄咏梅、岳伟挺、孙斌、漆 随平、林韶峰、梁强、马龙博、管军、李修亮、黄健、徐辰、张毅、骆志坚、 汪伟、王俭、邹伟华、王雷、罗灿、阮建富、项银杰、韩鑫、贺庆、程路、孙 志强、王子麒等人，在我攻读博士期间，你们给了我太多的帮助和快乐，谢谢 你们，我会永远记得这一段美好的时光。 感谢浙江大学自动化仪表所的其他各位老师与同学，在课题研究过程中给 予的帮助与照顾。 感谢在浙江大学信电系的皇甫江涛副教授、谢银芳高工在课题完成中给予 的建议与讨论。 最后，特别的一份感谢献给我的父母和家人，深深地感谢你们长期以来给 予我的无私支持、鼓励和关爱，才使我能够鼓足勇气地去面对困难，满怀信心 地去迎接挑战，顺利完成博士学业。 莫凌飞 2 0 0 9 年4 月于浙大求是园 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 无线射频识别( 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 ，简称r f i d ) 是一种利用射频 实现的非接触式的自动识别技术【l 】。l u d 系统一般由阅读器和标签组成，阅读 器通过无线射频读取标签上的信息。与传统条形码相比，其具有读取距离远、 读取速度快、非可视识别、支持快速读写等优点。r f i d 技术与互联网、无线通 信网络等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享，在物流供应 链、生产自动化、公共信息服务、交通管理及军事应用等众多领域具有广阔的 应用空间。2 0 0 3 年沃尔玛宣布在其全球的超市中率先开始启用r f i d 技术来替 代现有的条形码，以提高其商品的供应链管理效率。紧接着，麦德龙在德国开 设的基于r f i d 技术的“未来商店”也正式营业。至此，r f i d 开始在全球迅速 走红。 r f i d 系统主要工作在低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 及微波( m w ) 等频段。低频与高频r f i d 系统主要利用电感耦合完成识别功能，读取距离较 近。超高频与微波频段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。其中，超高频由于其频率适中，特别适合用于远距离无源r f i d 系统 使用。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。 随着相关技术的不断完善和成熟，r f i d 产业将成为一个新兴的高技术产业 群，成为国民经济新的增长点。因此，研究r f i d 技术，发展r f i d 产业对提升 社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与 国防安全等方面产生深远影响，具有战略性的重大意义。国家中长期科学与技 术发展规划纲要中将射频标签作为信息产业及现代服务业的优先主题 2 1 。国家 “十一五力科技发展规划中明确提出“组织实施射频标签( r f i d ) 技术与应用 重大项目”i s 】。我国信息产业部也将r f i d 列为“十一五”期间重大专项。科技 部国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 也以重大项目对其进行资助。科技 部、国家发改委、信息产业部、交通部等十五部委于2 0 0 6 年发布了中国射频识 浙江大学博士学位论文 别技术政策白皮书【4 】。并于2 0 0 7 年4 月由信息产业部发布了超高频r f i d 应用 规定( 试行) s j ，相关行业政策也在酝酿之中。江泽民同志在最近的一篇论述 我国信息技术产业发展的论文中也认为r f i d 技术的应用前景广阔，将是未来 信息产业的重要组成部分【6 】。山东、上海、香港等地相继成立了r f i d 行业联盟， 共同推动r f i d 产业的发展。 虽然当前r f i d 技术与应用发展迅速，但尚未成熟，主要有两方面的原因： 一方面是标签成本仍然无法降低到所有厂家可以接受的程度，从而无法实现所 有物品的单品标识；另一方面就是r f i d 标签的性能还不能满足所有行业的需 求，尤其是一些特殊的领域，阻碍了r f i d 技术的推广和普及。这些特殊的领 域，也成为了各高校和研究机构的研究热点。这些热点包括r f i d 抗金属标签、 微型化标签、嵌入式标签、全向性标签等等。其中，r f i d 抗金属标签最为重要 和紧迫。 在各种r f i d 标签的应用中，很多时候需要对金属物体进行标识，例如： 汽车、钢瓶、集装箱、武器装备等等。而普通的超高频标签放置在金属表面时， 标签的读取距离会迅速缩短，甚至不能被读取，这是超高频r f i d 技术的一个 不足。针对该情况，一些国外r f i d 厂家专门设计了一些能用于金属表面的抗 金属r f i d 标签。这些标签往往存在着体积大、带宽窄、性能差，加工复杂、 成本高的缺点，难以满足实际应用的需要。 因此，有必要对超高频抗金属标签的原理及设计方法进行探索与创新，推 动我国的高校和企业在超高频r f i d 标签天线设计方面的研究及相关产业的发 展，使中国在r f i d 领域的国际舞台上占有一席之地。 1 2 超高频r f i d 技术及标签介绍 超高频r f i d 技术是r f i d 技术中的一种，也是广为看好的一种技术。本节 将从整个r f i d 技术入手，就r f i d 技术的发展历史、系统组成、分类一一介绍。 最后，重点介绍超高频r f i d 抗金属标签的基本特征和设计目标。 1 2 1r f i d 技术的发展历史 射频识别( r f i d ) 技术并不是最近才出现的新技术，其最早可以追溯至2 0 第1 章绪论 世纪初期的雷达技术m 。i 珂i d 技术与雷达技术具有相同的物理基础，都是通过 测量物体的反射信号来获得物体的信息。并在第二次世界大战中由英国空军发 明用来作为飞机的敌我识别( i f f ：i d e n t i f i c a t i o nf r i e n do rf o e ) 【8 1 。1 9 4 8 年，h a r r y s t o c k m a n ( ( c o m m u n i c a t i o nb ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r ) ) 的发表，为r f i d 的发 展奠定了理论基础【9 1 。经过十几年的技术孕育，从6 0 年代开始，r f i d 技术步 入快速发展的轨道。1 9 6 0 年，d b h a r r i s 申请了一项关于“可调制无源应答器 的射频传输系统”的专利【1 0 1 。1 9 6 3 年，r o b e r tr i c h a r d s o n 发表的( ( r e m o t e l y a c t i v a t e dr a d i of r e q u e n c yp o w e r e dd e v i c e s 3 为无源r f i d 标签提供了实现的思路。 随后，1 9 6 4 年，r e h a r r i n g t o n 发表了关于负载散射理论的重要论文，系统阐述 了采用负载来调制散射能量的理论基础【1 1 】。1 9 6 7 年，v m d i n g 发表的 ( ( i n t e r r o g a t o r - r e s p o n d e ri d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) ) 正式提出了r f i d 的工作方式。 1 9 6 8 年，j h v o g e l m a n 获得了一项采用雷达回波传输数据的无源技术专, d t l 2 】。 这一系列的研究成果使得r f i d 技术的理论基础慢慢走向成熟。7 0 年代，r f i d 技术得以广泛的研究【1 3 。17 】。这阶段，r f i d 研究的成果比较多。最重要的研究成 果为a l f r e dk o e l l e 、s t e v e nd e p p 和r o b e r tf r e y m a n 发表的论文s h o r t r a n g e r a d i o - t e l e m e t r yf o re l e c t r o n i ci d e n t i f i c a t i o n u s i n gm o d u l a t e dr fb a c k s c a t t e r ) ) 【1 刀。 该论文提出了采用反向散射调制实现的短距离射频遥测与识别的工作方式，给 出了完整的无源电子标签的设计方案。至此，r f i d 技术的理论研究基本成熟。 r f i d 技术的商业应用从很早就开始了。6 0 年代末期开始，以“l b i t 应答器” 为基础的电子商品监督系统( e a s ，e l e c t r o n i c sa r t i c l es u r v e i l a n c e ) 开始广泛应用于 各商场、超市，主要用于商场防盗，至今仍在使用。7 0 年代，随着r f i d 技术理 论的不断发展成熟，r f i d 产品也有一些，诸如美国r c a 公司的“摩托车电子 执照”与f a i r c h i l d 公司的无源微波编码应答器。但这阶段的产品实现主要还是 依靠分立元件搭建，成本及性能仍然无法满足需要。到了8 0 年代，随着集成电 路的发展，r f i d 标签电路可以集成在单个芯片之中，使得单芯片的无源r f i d 标签成为可能。这阶段，很多应用开始被尝试，其中以交通运输的应用最为成 功【1 8 】。9 0 年代，r f i d 技术得以快速发展，r f i d 技术在世界各国得以发展和应 用。各大芯片厂家也积极的开发各种无源r f i d 芯片，并推动其应用。r f i d 技 术在电子收费系统、不停车收费、汽车防盗等众多领域得以应用。进入2 1 世纪， 浙江大学博士学位论文 r f i d 技术逐渐发展成熟。标签芯片的性能得以进一步的提升，而价格也慢慢地 为用户所接受，r f i d 技术大规模应用的技术条件基本成熟【1 9 】。 随着r f i d 技术的快速发展，r f i d 的标准化工作也被提上了日程。1 9 9 9 年，麻省理工学院与剑桥大学成立了a u t o l dc e n t e r ，并提出了产品电子代码 ( e p c ，e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 及物联( i n t e m e to ft h i n g s ) 概念。e p c 的载体 是r f i d 电子标签，并借助互联网来实现信息的传递。e p c 旨在为每一件单品 建立全球的、开发的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯，从 而有效提高供应链管理水平，降低物流成本。2 0 0 3 年由e a n ( 欧洲物品编码协 会) 和u c c ( 美国统一代码委员会) 两大标准化组织联合成立e p c g l o b a l 。2 0 0 6 年， e p cg e n 2 ( c l a s s l ) 正式演变为i s o i e c1 8 0 0 0 6 c ，成为无源u h fr f i d 的国际标 准。我国也在超高频r f i d 标准化的工作上做了很多努力。2 0 0 5 年1 1 月和1 2 月，中国r f i d 产业联盟和电子标签标准工作组先后成立，为r f i d 电子标签国 家标准的制定提供技术支持。 1 2 2r f i d 技术的系统组成 一个典型的r f i d 系统如图1 1 所示。一般包括标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和应用系统( a p p l i c a t i o ns y s t e m ) - - 个部分。阅读器通过射频信号给标签提供能量 并“询问”标签，标签被激活后将其存储的标签信息发送给阅读器，阅读器再 将读取的标签信息发送给应用系统以结合具体的应用背景进行数据的控制、存 储及管理。 4 能量+ 询问指令 标签 c = = = = = = ： l r 标签信息 ， ， 、 标签天线标签芯片 图1 1 射频识别系统基本结构 第1 章绪论 标签一般由标签天线与标签芯片组成。标签天线接收阅读器发射过来的射 频信号并转化为能量，获取的能量给标签芯片供电。当获取的能量足够时，标 签芯片被激活，并根据阅读器的询问指令完成相应的动作，将芯片上存储的标 签信息通过反向散射调制的方法反射给阅读器。每个标签具有唯一的电子编码， 用于对附着物体的标识。标签能够贮存有关物体的数据信息，一般约l kb i t s 。 在r f i d 管理系统中，每一个标签中对应着一个物体的属性、状态、编号等信 息。标签通常安装在物体表面，具有一定的无金属遮挡的视角。标签除了能被 读l r ( r e a d ) 夕 ，也可以被- 写) k ( w r i t e ) 或杀死( k i l l ) 。 阅读器由阅读器主机及阅读器天线组成。阅读器主机主要实现读取信号的 控制及射频信号的产生。产生的射频信号通过阅读器天线发射给标签。标签的 反射信号也通过阅读器天线接收，并被阅读器主机解析与识别。阅读器一般有 固定式与手持式两种形式。固定式的体积较大，但性能一般比较好；手持式的 体积较小，便于手持读取，但性能要差些。至于是采用固定式还是手持式阅读 器，需要根据实际应用的需要进行选择。 应用系统主要负责对阅读器的控制、设置及对读取标签信息的管理，并结 合具体应用项目给出适当的判断与显