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基于左手材料的RFID天线研究

王鑫  
【摘要】: 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一项利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递而达到识别要求的自动识别技术。它具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、多标签识别、工作环境适应性强等多种优势,经过半个多世纪的发展,RFID技术理论与应用水平日趋完善,在物流、公交、零售、工业控制、医疗等诸多领域得到广泛应用。 左手材料(Left-Handed Metamaterials)是介电常数和磁导率同时为负的人工材料。左手材料中传播的电磁波的相速和群速相反,因而它有许多奇特现象,如负折射率,逆多普勒效应,逆Cherenkov辐射,完美透镜效应等。左手材料的发现被《科学》杂志评为2003年度十大科技进展之一。 本文以RFID系统为应用背景,设计制作了UHF频段近场耦合RFID读写器天线,将具有左手材料特性的谐振环结构用于UHF频段RFID读写器天线设计,最后研究和探讨了谐振环结构和左手材料对微带天线的影响。本文的主要内容为: 1、对左手材料基本原理和组成左手材料的金属开口谐振环进行了理论分析。对典型RFID系统组成、工作原理和分类做了简要介绍。然后介绍了天线基本参数,叙述了微带天线基本分析方法,接着详细介绍了近场耦合原理,最后简要介绍了电磁场数值计算方法以及常用的仿真软件。 2、传统的UHF频段射频识别系统基于远场反向散射原理工作,在近场工作时受环境影响很大,将近场耦合技术使用在UHF频段射频识别系统是当前的一个挑战和崭新课题。本文设计了一款结构尺寸小、成本低的基于环形结构的近场耦合UHF频段RFID读写器天线,并且进行了实际制作,实测结果与仿真结果很好地吻合。 3、对比了几种常用的环形谐振结构,分析得出开口谐振环的尺寸最小,接着研究了开口谐振环的电磁谐振行为,然后将开口谐振环结构作为天线辐射体设计并仿真了一款UHF频段RFID读写器天线,该天线尺寸较小,并有较好的阻抗和辐射特性,在H面具有全向性,增益较大,最后制作了实物,并给出了实验结果。 4、总结和探讨了左手材料对天线性能的影响,仿真分析了开口谐振环对RFID读写器天线的影响,并用读写器天线进行了验证。得出:在RFID读写器天线辐射面上方放置开口谐振环介质板,天线谐振频率会得到降低因而减小了天线尺寸,天线的阻抗特性也同时得到了改善,天线的全向特性较好。


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