金属环境下UHF RFID标签性能恶化分析与设计研究

摘要

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)经过80多年的发展变化,日益焕发生机活力,特别是最近几年来信息化和工业化技术融合的需要, RFID技术被放在更高的层次上,然而金属环境的敏感性使其在应用中大受限制。因此,对金属环境下UHF RFID标签的研究具有很重要的意义。
　　本文对金属环境下UHF RFID标签性能变化这种现象进行分析,发现RFID标签工作性能的下降是由反射电磁波的多径干扰和金属对标签天线参数影响两方面共同作用的结果。为解决这一问题,对RFID标签理论进行深入学习,并从系统的角度分析了RFID系统中能量和信号传输情况,大量参阅最新解决方案并制定符合金属环境的RFID标签天线设计流程,最终设计并制造出一款可工作于我国RFID频段的8.0cm×1.5cm×0.16cm的平面抗金属RFID标签,并从不同的实用角度测试其工作性能,结果表明此款抗金属RFID标签具有1.20m-1.30m的稳定读取距离。
　　全文研究内容如下:
　　(1)从超高频RFID标签天线的实际应用出发,进行系统的研究,得到金属环境的存在为整个RFID系统引入了多径传输问题;同时RFID标签天线靠近金属之后,辐射方向图、增益、辐射效率、输入阻抗、方向性系数等参量发生严重改变,进而影响到实际工作性能。通过仿真分析可知,RFID标签与金属板之间的距离、金属板的面积都是影响RFID标签性能恢复的因素。实测采用在金属板和标签之间增加垫层的方法,可使RFID标签性能恢复,在距离为2cm的地方,基本重获读取能力;同时实测还表明金属板尺寸越大对RFID标签性能恢复越不利。
　　(2)参考最新设计,从电路学的角度对多种RFID标签天线引入的阻抗匹配技术进行分析。同时,分析比较优秀的解决方案,结合实践,归纳出抗金属RFID标签设计要点和流程。
　　(3)采用微带贴片技术和T型匹配技术组合的设计方案,理论推导标签天线阻抗表达式,得到抽象函数模型in p prZ=FLw e l￠wHs,即标签天线总的输入阻抗Zin是由辐射体长度Lp和宽度wp、T型匹配的长度l￠和线宽w'、双列结构之间的距离H、绝缘介质er决定的;运用业内专业软件 HFSS仿真优化和控制变量法形象化的分析此种结构的特性,得到标签最佳工作频点f=F(L,w,L1,s,w1)和回波损耗S11=F(w,L,L1,s,w1)的函数变化关系表,式中L,w,L1,s,w1均为天线的结构参数;优化出的RFID标签天线工作在9l5MHz时具有最低回波损耗值为31.85dB、驻波比约为1.025、反射系数为0.012、匹配效率达99.98％、S11小于-10dB的频带为860-939MHz;最后对优化出来的天线进行适应性分析、制作、网络分析仪测试,并对完整的RFID标签进行实际应用测试。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 RFID技术简介

1.3国内外研究现状

1.4 本文主要思路及内容

第2章 RFID标签的基本理论

2.1 电磁场基础

2.2 衡量天线性能的基本参数

2.3 超高频RFID系统的工作原理

2.4 RFID标签的测试

2.5 小结

第3章 金属环境对普通超高频RFID标签影响分析

3.1引言

3.2金属环境对RFID标签影响的理论分析

3.3 仿真分析

3.4 实验测试

3.5 小结

第4章 UHF RFID抗金属标签的设计分析

4.1 普通标签天线的设计分析

4.2 应用于金属表面的标签天线设计分析

4.3 UHF RFID抗金属标签天线设计流程

4.4 小结

第5章 超高频平面抗金属标签天线设计与测试

5.1 微带天线技术

5.2 平面抗金属标签天线结构及理论分析

5.3 平面抗金属标签天线仿真与优化

5.4 标签的制备

5.5 标签的测试

5.6 小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

致谢

参考文献

附录