RFID天线多频化及阵列天线的研究

摘要

随着物联网科技的飞速发展，射频识别(RFID)技术作为其中的关键技术之一越来越受到业界的关注。其中天线作为RFID系统构成的关键部件，在决定系统性能上面发挥着关键作用，而标签天线的研究是目前RFID天线技术的研究重点之一。相比于低频段和高频段具有较为成熟的研究成果，并且由于从设计原理上存在根本的区别，RFID标签天线在超高频(UHF)和微波频段的研究还有待进一步的探索。目前，天线性能受环境因素的影响以及天线的结构尺寸是国内外对RFID标签的主要研究内容。其中天线的结构尺寸则影响了天线多频段以及宽频带的工作特性。
　　本文的主要研究工作是针对微波频段RFID标签天线多频化、提升天线性能指标以及包括阻抗匹配在内的相关热点问题进行了研究与设计。由于微带天线具有重量轻巧、剖面薄、体积小等诸多优点，本文主要采用微带天线对上问题进行研究。本文设计了两款工作于微波频段的RFID双频微带标签天线，两款天线分别采用了同轴馈电和共面波导馈电的馈电方式，实现了1.9GHz与2.45GHz以及2.45GHz与5.32GHz的中心工作频率，最大增益达到3.9dBi，并且满足了IEEE802.11b/g和IEEE802.11a标准，并比采用印刷天线设计的同频段天线在增益上提高了14.7％-26％，并且给出了在不同介质干扰下天线特性参数的测试结果。另外，为了提高天线的增益和读写距离，引入了天线阵的设计思路，本文设计了一款1×4阵元均匀直线阵，最大增益高达8.55dBi。在阻抗匹配方面，本文得出了单个天线的阻抗匹配等功率圆图模型以及天线阵的匹配网络模型，并针对天线阵的互耦问题展开讨论，得出了修正后的互耦补偿模型。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 RFID系统概述

1．2．1 RFID系统工作方式

1．2．2 RFID系统频段特征

1．2．3 标签

1．2．4 读写器

1．3 RFID系统天线的研究情况

1．4 天线设计中仿真软件介绍

1．4．1 I-IFSS简介

1．4．2 HFSS仿真方法

1．5 主要工作及安排

2 天线基本理论

2．1 天线概述

2．1．1 天线的种类

2．1．2 天线的辐射场

2．2 主要特性参数

2．2．1 天线方向性与增益

2．2．2 天线效率与辐射电阻

2．2．3 天线输入阻抗及电压驻波比

2．2．4 天线带宽和极化特性

2．3 天线辐射原理

2．4 天线的分析方法

2．4．1 传输线模型法(TLM)

2．4．2 谐振腔理论法(CM)

2．4．3 全波分析法(IEM)

2．5 小结

3 RFID双频标签天线的研究

3．1 RFID标签天线设计概述

3．2 标签天线的阻抗匹配

3．3 同轴馈电微带双频天线的设计

3．3．1 设计要求

3．3．2 天线设计思路

3．3．3 微带辐射贴片尺寸估算

3．3．4 仿真优化及结果分析

3．4 共面波导馈电双频天线的设计

3．4．1 初步设计

3．4．2 天线仿真与改进

3．4．3 仿真结果

3．5 异物对标签天线的影响测试

3．5．1 金属物对标签天线的干扰

3．5．2 玻璃物对标签天线的干扰

3．5．3 水滴对标签天线的干扰

3．6 小结

4 RFID天线阵的研究

4．1 天线阵的基本理论

4．1．1 天线阵

4．1．2 天线阵分类

4．2 天线阵的阻抗匹配

4．2．1 S参数

4．2．2 Z参数

4．2．3 Y参数

4．3 微带天线阵系统设计

4．3．1 阵元的设计

4．3．2 天线阵即馈电网络设计

4．3．3 阵列天线的仿真结果

4．4 天线阵元间的互耦分析

4．4．1 天线阵互耦的概念

4．4．2 互耦效应对阵列天线的影响

4．4．3 修正的互耦矩阵与互耦补偿

4．4．4 波束的互耦补偿

4．5 小结

5 结论与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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