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新型UHF近场天线研究

魏晓东  
【摘要】:随着单品级射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)的提出,超高频(Ultra-High Frequency,UHF)近场RFID技术因其在单品级RFID应用中的优越性能得到了广泛的关注。UHF近场阅读器天线作为单品级RFID系统的关键组成部分,决定了UHF近场RFID系统的性能。本文针对单品级UHF近场RFID阅读器天线在设计中如何产生较强磁场这一技术难题开展了系统的研究工作,主要创新成果如下:1.提出了一种基于双面带状线的UHF近场RFID阅读器天线。该天线由双面带状线、相移器、四个偶极子以及微带线到双面带状线的转换电路组成。其中相移器是由偏移双面带状线和金属针组成,用来调节天线的阻抗匹配。四个偶极子组成了一个方形的偶极子环,双面带状线放置在偶极子环外部来对偶极子进行馈电。这种结构使得偶极子环上形成同相的电流环,从而在偶极子环的内部产生较强、较均匀的垂直天线表面磁场。测试结果表明,天线10-d B工作带宽为51 MHz(887-938 MHz)。在30 d Bm的输入功率下,天线最大标签读取距离达到200 mm,而且在距离天线表面30 mm的高度范围内标签100%可读。2.提出了一种中心馈电的宽带UHF近场RFID阅读器天线。该天线由四个渐变双面带状线馈电的偶极子构成。四个偶极子组成了一个偶极子圆环,渐变双面带状线在偶极子环的中心处相连接,天线在偶极子环中心进行馈电。偶极子圆环上会产生同相的电流,从而产生较强、较均匀的磁场。渐变双面带状线用来扩展天线的阻抗带宽,但不会影响天线的磁场分布。测试的天线10-d B带宽为236 MHz(814-1050 MHz)。在30 d Bm的输入功率下,天线最大标签读取距离为200 mm,100%标签读取率高度达到135 mm。3.提出了一种基于折合振子阵列的UHF近场RFID阅读器天线。该天线由四个相同结构的不等宽折合振子组成,四个折合振子通过共面带状线依次连接形成了一个环形结构。该天线采用一个微带线到共面带状线的转换结构对天线进行馈电。这种天线结构使得四个折合振子上产生了同相的电流,从而在折合振子环内部产生较强、较均匀的磁场。因为使用折合振子,天线具有较宽的阻抗带宽。测试结果表明,天线的10-d B阻抗带宽为237 MHz(828-1065 MHz)。在30 d Bm的输入功率下,天线能达到的最大标签读取距离为212 mm,在距离天线表面145 mm的范围内可以达到100%的标签读取率。4.提出了一种基于耦合结构的UHF近场RFID阅读器天线。该天线由印制在介质基板上表面的折弯单极子结构和开口谐振环结构以及印制在介质基板下表面的覆盖了部分介质基板的金属地板组成。折弯单极子通过耦合对开口谐振环进行馈电。折弯单极子、开口谐振环和金属地板上的电流组成了一个同相的电流环,该电流环产生了较强的磁场分布。因为天线为强谐振结构,阻抗带宽较窄,在此天线的基础上增加了匹配网络。测试结果表明,不加载匹配网络时,天线10-d B阻抗带宽只有27 MHz(899-926 MHz)。在30 d Bm的输入功率下,最大标签读取距离可以达到188 mm,而且在距离天线表面130 mm的高度范围内具有100%的标签读取率。天线加载匹配网络后,阻抗带宽增大到64 MHz(900-964 MHz),扩展了约2.4倍。在30 d Bm的输入功率下所能达到的100%标签读取距离仍然可以达到115 mm。当天线输入功率为10 d Bm时,天线的最大标签读取距离为38 mm,而且在距离天线表面10 mm的范围内可以达到100%的标签读取率,即该天线在小功率的情况下仍然具有较好的性能。而且该天线大小为93.11×76.82×1 mm3,具有较紧凑的结构,适合在低功耗手持UHF近场RFID设备中使用。


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