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超高频射频识别抗金属标签研究

莫凌飞  
【摘要】: 超高频(UHF)射频识别(RFID)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,RFID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RFID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RFID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RFID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RFID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(FEM)与矩量法(MoM)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RFID标签,当其垫高于金属表面0.05λ~0.1λ(16mm~32mm)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RFID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RFID抗金属标签设计的方案。 (3)为了覆盖全球超高频RFID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RFID抗金属标签,一款覆盖北美与欧洲超高频RFID频段,另一款覆盖中国的两个分立的超高频RFID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带内都具有稳定的性能。 (4)为了验证设计的超高频RFID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RFID标签应用于车辆监控与管理具有广阔的前景。


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