UHF RFID读写器天线设计与相控阵研究

摘要

RFID作为一种非接触式的自动识别技术,近年来广泛应用在商品零售,交通物流,仓储管理,门禁控制等领域。UHF RFID特指800/900MHz频段的无源射频设别技术,由于其读写速率快、可识别高速运动的物体、识别目标数量多、工作距离较远、标签成本低等优点受到各国重视,正在高速发展。读写器天线作为RFID系统关键部件,将直接影响RFID系统的性能,读写器天线通常要求是圆极化的,同时根据一些应用需要,还要求做到宽频带,小型化等性能。相控阵天线具有增益高,波束扫描灵活快速的特点,因此本文将相控阵天线应用到无源UHF RFID系统中,以提高读写器对标签的识别范围和设别率等性能。
　　本文首先阐述了相控阵天线的基本理论和UHF RFID技术的原理,提出一种可以应用于RFID的小型相控阵系统,该系统包括天线阵列,移相功分馈电网络,移相器控制电路。而本文的主要研究内容是设计圆极化的天线单元和阵列。为了满足不同应用场合需要,本文设计了两种不同类型的圆极化天线,可单独用于读写器上,并且还将这两种天线单元组合成阵列形式,用于小型的相控阵系统。
　　第三章设计了一款宽频带高增益的圆极化天线,主要用于固定式RFID系统,该天线选择圆形微带贴片天线的类型。在对微带天线圆极化技术和宽频带技术研究的基础上,通过对圆形贴片正交双馈实现圆极化,通过增加耦合贴片和使用空气介质来拓宽频带,该天线工作频带到达860MHz-960MHz,覆盖了全球各标准划分的UHF RFID操作频带。
　　第四章设计了一款小型化的圆极化天线,主要用于便携式读写器场合,该天线采用谐振式四臂螺旋天线结构,将天线的谐振臂改进为印制于PCB上的弯折倒F天线,以缩小尺寸和改善阻抗匹配,并通过一分四的移相功分网络馈电。该天线尺寸小,重量轻,圆极化性能强且稳定,波束宽,工作频率覆盖目前国内外应用最广泛的902MHz-928MHz频带标准。
　　第五章分别将前面设计的两款天线单元组合成阵列天线,分为1×4线阵和2×2面阵,分析了天线阵列的性能,比如增益,波束扫描特性,并对阵列的低副瓣性能进行优化。仿真结果表明,设计的天线阵增益高,副瓣低,可实现波束扫描,为相控阵技术在RFID领域的应用奠定了良好的基础。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2相控阵天线应用于UHF RFID技术的现状和趋势

1.3 本论文的主要内容与结构安排

第二章 相关基础理论

2.1 天线的主要基本参数

2.2 UHF RFID读写器天线的性能要求

2.3 线性相控阵原理

2.4 小型相控阵天线系统

2.5 本章小结

第三章 固定式UHF RFID读写器微带天线设计

3.1 设计指标与方案

3.2 微带天线的圆极化设计

3.3 微带天线的展宽频带设计

3.4 宽频带圆极化天线的实现

3.5 本章小结

第四章 便携式UHF RFID读写器四臂螺旋天线设计

4.1 谐振式四臂螺旋天线理论

4.2 天线阵列设计

4.3 馈电网络设计

4.4 四臂螺旋天线整体设计

4.5 本章小结

第五章 相控阵天线阵列研究

5.1 微带天线阵分析

5.2 四臂螺旋天线阵列分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果