应用于UHF频段的磁介材料及读写器天线研究

摘要

近年来物联网技术的应用已经深入到各个领域,射频识别(RFID)作为物联网的关键技术得到了快速发展,其系统内部的硬件尺寸变得越来越小,如何实现RFID读写器天线的小型化变得至关重要。除了结构上的调整,引入低损耗的磁介电材料替代传统的介质基板可以很好地实现天线的小型化,同时引入的磁损耗还能够拓宽天线阻抗带宽。实验证明,在获得相同小型化的情况下,采用磁介电材料所获得的阻抗带宽将优于高介电常数基板。为此,本论文较为系统地研究了一种应用于超高频(UHF)RFID频段(840~960MHz)的低损耗磁介电材料,并基于该材料设计并制作了两种不同结构的读写器天线,以验证试验方案的可行性。　　一方面,从材料入手,对Co2Z铁氧体进行研究,逐步分析了缺铁、铝替代铁和掺杂BBSZ玻璃等方案对材料性能的影响。实验发现,当缺少两个铁原子时,材料具有较好的电磁性能。然后,进行了铝替代铁实验方案,Al3+替代Fe3+有效地抑制了Fe2+的出现以降低材料的磁介电损耗;随着铝替代量的增加,材料的磁介电损耗均呈现先降低后增加的趋势,在铝替代量x为1.6,980℃烧结下材料的损耗达到最低。最后,基于铝替代铁方案进行了掺杂BBSZ玻璃的实验以提高材料的烧结致密化。研究发现,随着BBSZ含量的增加,材料的磁导率和介电常数均有明显的提高,过多的掺杂量会使磁导率略微下降;在BBSZ含量为3.0wt％,烧结温度为950℃时材料具有最优性能。　　另一方面,基于自制的材料设计并制作了两种不同类型的RFID读写器天线。第一种天线采用传统的微带天线结构-圆环形辐射贴片,在偏离馈电45°方向内环开槽实现圆极化辐射,该天线的中心频率约为914MHz,S11小于-10dB时天线的阻抗带宽达到48MHz,但其增益较低。针对第一种天线增益较低的问题,在天线正上方悬置了一个开窗的金属层设计了第二种天线,该天线采用开路微带线进行馈电。测试结果显示,在中心频率915MHz处天线的增益达到3.6dBi,阻抗带宽达到29MHz,该天线的辐射方向图良好。这两种设计方案很好地兼顾了RFID读写器天线在小型化和宽频带方面的技术要求,第二种方案还针对第一种方案天线增益较低的问题作出了结构上的改进设计。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容及章节安排

第二章 Co2Z合成的相关理论基础及性能表征方法

2.1 Co2Z的晶体结构类型

2.2 Co2Z的成相类型

2.3 Co2Z的制备工艺

2.4 Co2Z铁氧体的性能表征参数分析

2.5 铁氧体材料中的损耗

2.6 本章小结

第三章 Co2Z铁氧体的低损耗高频特性研究

3.1 引言

3.2 实验工艺参数

3.3 缺铁配方对材料电磁性能的影响

3.4 铝替代铁对材料性能的影响

3.5 BBSZ玻璃掺杂对材料性能的影响

3.6 本章小结

第四章 基于磁介材料的RFID读写器天线的研制

4.1 引言

4.2 微带天线的相关基理

4.3 圆环形微带贴片RFID读写器天线的研制

4.4 金属覆盖的RFID读写器天线的研制

4.5 本章小结

第五章 结 论

5.1 结论

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果