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无源反向散射RFID系统中的天线及传播特性研究

唐志军  
【摘要】: 射频识别是利用射频信号实现的一种非接触式自动识别技术,它利用射频方式进行非接触式双向通信,从而达到对目标对象的自动识别和相关数据采集,它是目前自动识别技术领域里发展最为迅猛的技术之一。特别地,近几年来随着应用需求的不断增长,射频识别技术尤其是超高频和微波段射频识别技术发展非常快。同时,随着射频识别系统工作频率的上升,对于工作在超高频和微波段并以反向散射调制原理来工作的无源射频识别系统来说,天线的设计和标签性能的优化就变得尤其重要。基于此,根据国内外相关RFID技术和标准,结合无源反向散射RFID天线研究现状和工程实际应用需要,应用电磁场、微波和天线等相关理论,本文研究了无源反向散射RFID系统中的天线技术,传播特性,雷达截面和天线各主要参数对系统识别距离的影响,主要内容及工作包括: 首先,阐述了天线设计基本理论和无源反向散射RFID系统的工作原理。研究结果表明,天线的性能受许多因素制约,所以在设计天线时,要综合考虑这些因素。 其次,从阅读器天线的一般考虑着手,根据实际应用研究了阅读器的配置类型及其天线选择;详细阐述了阅读器天线的研究现状,基于此设计了一种新的用于反向散射RFID阅读器中的微带贴片天线结构,重点分析了其各个几何参数对天线主要性能的影响,并得出了天线的优化参数;对所设计的天线进行了仿真和测量,实验和仿真结果保持一致。研究结果表明,阅读器天线是基于具体应用要求来选择和设计的,不同应用类别和应用环境所要求的阅读器配置不同,相应的阅读器天线也就不同;阅读器天线设计正朝低剖面、小型化、多频段覆盖以及低成本等方向发展,要设计完全满足应用要求的阅读器天线是一项极具挑战性的任务。本文将单端口馈电,方形微带贴片切角,贴片中心挖孔,嵌入切口等方法有机整合起来实现了紧凑、低成本、宽带宽、高增益、圆极化的阅读器天线设计。以此方法设计的超高频阅读器天线尺寸大小为69×69mm2左右,微波段阅读器天线尺寸大小约为29×29mm2,相比现有文献,天线尺寸减小了近50%,并且,所设计的阅读器天线具有更好的阻抗带宽特性。 第三,系统地研究了无源反向散射RFID标签天线设计技术,并针对其研究和实际应用现状设计了两种新的微带天线结构,这两种天线结构可以很好地满足反向散射RFID超高频和微波频段标签天线的应用要求。研究结果表明,考虑到系统识别距离和标签性能的优化,在无源反向散射RFID标签天线设计中,天线和芯片之间的阻抗匹配是非常重要的。目前超高频标签天线与芯片匹配主要有电感耦合和电容耦合两种实现方式,而匹配实现方式的选择可以根据标签芯片的品质因数来决定。对于超高频标签天线设计,采用倒F和折线型结构都可以缩减天线尺寸,其中后者已经成为主流设计结构。本文采用变形折线型结构所设计的超高频标签天线其阻抗特性符合EPC Class 1 Gen2标准,尺寸大小为100×15mm2左右,并且具有紧凑、宽带宽、高增益和准全向性等优点。对于微波段标签天线设计,通常在各种微带贴片中嵌入缝隙来缩减尺寸和展宽带宽。本文采用在方形贴片中嵌入U和T形缝隙的方法来实现尺寸缩减和带宽展宽,以此方法设计的微波段标签天线尺寸大小约为35×35mm2,与现有文献比较,所提出的天线结构具有结构紧凑、低成本、宽带宽、高增益和较好辐射特性等优点。 第四,研究了无源反向散射RFID系统的传播特性。研究结果表明,反向散射RFID系统的路径损耗模型和传统无线通信系统的路径损耗模型有所区别。从理论上指出,现有经典的双线模型和RFID系统的室内传播模型可以用来帮助预测实际应用中无源反向散射RFID系统的传播特性。重点强调了现有的RFID系统的室内传播模型,不管是双线模型、短距离模型或多线模型等,尚不能很好地描述实际的RFID系统,并认为建立一种能准确描述无源反向散射RFID系统特性的传播模型是一项十分紧迫而又艰巨的任务。 最后,基于无源反向散射RFID技术原理和天线散射理论,提出了不同负载情况下的标签天线雷达截面计算方法,并结合雷达截面等主要参数和电磁传播环境分析了无源反向散射RFID系统的识别距离。通过测量标签天线在不同负载情况下的反向散射功率,再结合该计算方法,从而得出雷达截面。理论分析与实验测量结果保持一致。研究结果对优化无源射频识别系统的标签性能有益。此外,本文全面分析了天线各参数对无源反向散射RFID系统识别距离的影响,这在国内外并不多见。


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