适用于UHF RFID阅读器的相控阵天线设计

摘要

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术作为物联网发展的关键技术，其应用市场随着物联网的发展不断扩大，如应用于物流、车辆控制、自动收费和工业生产等领域。然而阅读器的识别距离有限，识别区域小，天线尺寸大等技术的不完善性限制了其大规模应用。天线作为阅读器重要组成部分，是实现无线数据通信的关键因素，直接影响阅读器的识别距离、识别区域，天线的尺寸也决定了阅读器的体积。
　　为使阅读器在有限功率输出的情况下识别距离远、覆盖区域广，以达到阅读器性能最优，本文设计了一种新的天线，即使用相控阵天线实现阅读器对空间区域的波束扫描。阵列天线的引入使天线主波束狭窄，增益增加。改变天线阵元的激励相位，不仅使天线形成多方向波束以扩大阅读器的识别区域，而且在同等功率输出的情况下增加阅读器的识别距离。对阵元的小型化处理也减小了天线阵列的总尺寸。
　　微带天线具有低轮廓与重量轻的优势，因此文中采用1×4微带相控阵天线达到上述要求，所设计的天线阵列由4个工作在915MHz的微带贴片天线组成。在辐射贴片上开双“L”形槽和在接地面上开平行槽减小了天线的面积，与未开槽天线相比，尺寸减小了51％。切比雪夫阵列能够满足阅读器所希望的主副瓣电平特性，其方向图在指定的副瓣电平下主瓣宽度最窄，在指定的主瓣宽度下副瓣电平最低，阵列天线阵元间距为λ/2，激励电流幅度为切比雪夫函数分布，比值为1∶√2∶√2∶1。阵列天线波束切换角度选择在半功率点处，并在HFSS中建模，仿真分析相控阵天线各参数。仿真结果表明，相控阵天线最大增益为13.73dBi，主波束扫描范围为±55°，主波束半功率宽度为28°。
　　为了验证该阵列天线对阅读器性能的提升，文中设计了阵列天线的馈电网络，并且搭建测试平台。实验结果表明，与传统的单天线相比，所设计的阵列天线方向性强，能够扩大阅读器的识别区域，提高RFID系统的覆盖范围。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 射频识别系统概述

1．2．1 射频识别系统工作原理及组成

1．2．2 射频识别技术优点

1．2．3 射频识别系统的分类

1．2．4 射频识别技术的历史发展

1．3 国内外研究现状与发展趋势

1．4 本文的主要研究内容及论文结构

第二章 天线基本理论

2．1 天线的基本概念

2．1．1 天线种类

2．1．2 天线的基本参数

2．2 相控阵天线

2．3 阵列天线的方向图综合

2．4 微带天线基本理论

2．4．1 微带天线的辐射原理

2．4．2 微带天线的传输线模型

2．4．3 微带天线的馈电方式

2．4．4 微带天线的小型化

2．5 本章小结

第三章 微带阵列天线的仿真分析

3．1 相控阵天线应用于RFID系统

3．2 相控阵天线设计步骤

3．3 天线单元设计与仿真

3．3．1 微带天线单元设计

3．3．2 天线单元仿真结果分析

3．3．3 天线单元结构对性能的影响

3．4 阵列天线仿真与分析

3．4．1 阵列天线设计

3．4．2 阵列天线仿真分析

3．5 阵列天线的扫描特性

3．5．1 阵元相位差的确定

3．5．2 相控阵天线辐射方向图仿真分析

3．5．3 设计结论

3．6 本章小结

第四章 馈电网络的分析与设计

4．1 Wilkinson不等分功分器的设计

4．1．1 Wilkinson功分器原理

4．1．2 功分器的性能参数

4．1．3 功分器的设计

4．1．4 功分器的仿真分析

4．2 数字移相器的设计

4．2．1 开关线性移相器原理

4．2．2 移相器的性能参数

4．2．3 移相器的仿真分析

4．3 馈电网络的设计

4．4 本章小结

第五章 阵列天线性能测试分析

5．1 天线单元测试

5．2 阵列天线测试

5．3 阵列天线的RFID系统测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢