基于人工电磁结构的RFID微带天线小型化设计与研究

摘要

标签天线作为RFID(Radio Frequency Identification)系统的重要组成部分，在数据交换的过程中作用重大，直接决定整个RFID系统的品质。随着物联网技术的发展，人们对小尺寸天线的需求越来越大。人工电磁结构，也被称为超材料（Metamaterial），其独特的电磁特性突破了传统的电磁理论的基本概念，为微带天线小型化指出了一种崭新的研究方法。
　　本文主要研究微波频段(2.45GHz频段和5.8GHz频段)的RFID天线，通过在传统矩形微带天线的辐射贴片上蚀刻不同类型的人工电磁结构实现微带天线小型化。研究设计出一款可用于RFID系统的2.45GHz传统矩形微带天线，其辐射贴片尺寸为37.03mm×27.816mm，回波损耗实测结果为-31.68dB。此后，在矩形微带天线基础上进行改进，通过分别蚀刻工字型和开口谐振环(Split Resonant Ring，SRR)，构造出两款新型小型化天线。在保持方向性、最大增益等参数基本不变的条件下，基于人工电磁结构的天线辐射贴片尺寸相比传统矩形天线分别缩减33.38％和53.88％，整体尺寸分别缩减29.57％和44.38％。其回波损耗实测结果分别为-30.61dB和-19.18dB。对工字型谐振环进行了改进，设计出一款新型人工电磁结构，在同样蚀刻10个谐振环的情况下，谐振频率降低幅度比工字型谐振环高67.85％。基于其的小型化微带天线回波损耗实测结果为-24.735dB，辐射贴片的尺寸比传统矩形天线缩小61.39％，整体尺寸缩减44.7％。小型化程度高于蚀刻15个工字型谐振坏的微带天线。
　　采用同样的方法分别在5.8GHz矩形微带天线上蚀刻工字型和开口谐振环，构造出两款新型小型化微带天线。基于人工电磁结构的天线辐射贴片尺寸比传统矩形微带天线缩减35.2％和41.82％，整体尺寸缩减26.65％和29.40％。其回波损耗实测结果分别为-21.83dB和-15.40dB，方向性、最大增益等参数基本不变。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 RFID系统简介

1．2 课题研究背景及意义

1．3 微带天线小型化研究现状

1．4 本文主要内容及章节安排

第2章 微带天线理论基础

2．1 微带天线概述

2．1．1 微带天线基本结构

2．1．2 微带天线的辐射机理

2．1．3 馈电方式

2．2 天线的基本参数

2．2．1 方向图

2．2．2 方向性系数、效率和增益

2．2．4 频带宽度

2．2．3 阻抗特性

2．2．4 极化特性

2．3 天线小型化技术分析

2．3．1 选取特殊的介质基板

2．3．2 短路加载

2．3．3 曲流技术

2．3．4 有源加载

2．3．5 分形技术

2．3．6 人工电磁结构

2．3．7 采用特殊形状

2．4 本章小结

第3章 2.456Hz天线设计

3．1 矩形微带天线

3．2 人工电磁结构介绍

3．2．1 负折射现象

3．2．2 逆多普勒效应

3．2．3 逆切伦柯夫辐射

3．2．4 完美透镜

3．3 结构设计及理论分析

3．4 蚀刻开口谐振环

3．5 蚀刻工字型谐振环

3．5．1 谐振环边长影响分析

3．5．2 纵向微带线宽度影响分析

3．5．3 横向微带线宽度影响分析

3．5．4 谐振环数量影响分析

3．5．5 增益与方向性

3．5．6 实测结果分析

3．6 蚀刻改进的工字型谐振环

3．6．1 工字型谐振环改进探索

3．6．2 小型化效果分析

3．6．3 增益和方向性

3．6．4 实试结果

3．7 本章小结

第4章 5.8GHz天线设计

4．1 矩形微带天线

4．2 蚀刻工字型谐振环

4．3 蚀刻开口谐振环

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 后续工作展望

致谢

参考文献

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果