毕业设计（论文）RFID偶极子天线设计与仿真

1、 泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题目 RFID偶极子天线设计与仿真物理信息工程 学院 电子信息科学与技术 专业 07 级1班学生姓名 学号 指导教师 职称 副 教 授 完成日期 2011年4月 教务处 制 RFID偶极天线的设计和分析物理信息工程学院 电子信息科学与技术专业 指导教师： 副教授 【摘要】：RFID偶极天线因其具有结构简单且效率高的优点，且可以设计成适用于全方向通讯的RFID应用系统，已成为RFID标签天线应用最广泛的天线结构。本文基于Ansoft HFSS平台上，主要对RFID中常用的不同结构的偶极天线进行分析与设计，并且分析影响天线性能的因素，具有很强的实用性。 【关键词】：射频识别；偶极天线；RFID标签目录摘要10.引言31.RFID的发展状况31.1发展历史31.2国内外研究现状42.RFID的理论基础42.1 RFID的工作原理42.2 RFID系统中的天线的作用53.RFID系统中的天线类型53.1线圈天线53.2缝隙（微带贴片）天线73.3偶极子天线74.本文任务要求85.偶极子天线仿真设计与分析85.1半波偶极子天线85.2弯折偶极子天线11 5

2、.3折合偶极子天线155.4变形偶极子天线176.影响偶极子天线工作性能的因素197.总结207.1设计中出现的问题及处理207.2设计感想20参考文献21致谢220. 引言 射频识别技术（Radio Frequency Identification ，简称RFID）是从二十世纪九十年代兴起的一项自动识别技术。它利用无线射频方式进行非接触式的双向通信，可达到识别并交换数据的目的1。与传统的接触式识别技术不同，RFID系统具有传输速率快、大批量读取、防冲撞等特点，随着射频识别技术的成熟，RFID技术广泛的应用于物流、交通、零售、医疗等领域1。根据工作频段的不同，在RFID系统中选用不同类型的的天线，RFID标签天线结构对于系统性能有至关重要的影响。但在实际应用中，由于技术的局限性，在一些领域又略显不足，因此分析与设计偶极子天线在RFID系统中的应用具有很强的重要性。1.RFID发展概况1.1 发展历史从信息传递的原理上来说，射频识别技术的发展是基于在低频段的变压器耦合模型，和在高频段的雷达探测目标的空间耦合模型2。1948年，美国科学家哈里斯托克曼的“利用反射功率的通信”一文的发表奠定了

3、射频识别技术的理论基础。按照时间的发展，把射频识别技术的发展划分如下： 19401950年：雷达的发展与应用催生了射频识别技术，1948年射频识别技术的理论基础得以奠定。 19501960年：处于早期探索阶段，主要是在实验室实验研究。 19601970年：射频识别技术理论得到发展，开始了一些初步应用尝试。 19701980年：射频识别技术与产品处于得到大力发展时期，测试各种射频识别技术的实验得到加速，并出现了最早的射频识别应用。 19801990年：射频识别技术及产品进入商业化应用阶段，各种规模的应用逐步出现。 19902000年：射频识别产品的广泛采用使得射频识别技术标准化问题得到重视，射频识别产品已经成为人们生活中的一部分。 2000年后：标准化问题日趋为人们所重视，已形成初步标准化体系，射频识别产品种类也更加繁多，有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签均得到大步发展，电子标签的成本不断降低，应用规模和应用行业逐步扩大2。 至今，射频识别技术的理论已经较为完善。射频识别产品种类也更加丰富，单芯片电子标签识读、多芯片电子标签识读、无线电子标签读写、无源电子标签的远距离识别、适用高

4、速移动物体的各种射频识别技术与产品正在逐步实现并走向规模应用2。1.2国内外研究发展现状从RFID技术发展来看，RFID产业在国外发展得较早，从整个世界范围来看，美国、英国、德国、瑞典、日本以及韩国等国家目前均有较先进RFID系统，且应用的技术也较为成熟。其中，在系统应用中，低频段近距离RFID系统主要集中在125kHz、13.56MHz频率；高频段远距离RFID系统主要基于在UHF频段的（902MHz-928MHz)915MHz、2.45GHz、5.8GHz频点2。UHF频段的远距离RFID系统在北美地区得到了很好的发展，其技术标准也较为领先，特别是在美国政府的大力推动下，美国建立了RFID标准体系，其相关软硬件的技术的开发和应用领域也均走在世界前列；欧洲地区的应用主要集中在有源2.45GHz系统1，在封闭系统应用方面上，基本能有美国走在同一层次，其RFID标准紧随着由美国主导的EPCglobal标准；5.8GHz系统则在日本和韩国有较为成熟的有源RFID系统，但是成为国际标准还有一段很长的路要走。 RFID技术在我国的发展还较为落后，相较与欧美等发达国家或地区，我国在超高频RFID

5、方面还缺乏关键的核心技术，技术相对欠缺。但是我们同时应认识到，虽然我国在RFID产业起步较晚，但是发展较快，近来来，已逐步具有了自主开发、生产低频、高频与微波电子标签与读写器的技术以及系统集成的能力2。目前，我国的北京、上海、广东这三个地区已成为我国RFID产业发展的领头羊和主导力量，已出现一批具有自主知识产权的创新型企业。RFID作为一项迅速发展的新兴技术，将广泛的应用于社会生活中的各个领域，在我国具有良好广阔的发展和应用前景。2. RFID的理论基础2.1 RFID的工作原理射频识别系统主要包括以下两个部分，一是读写器（Target)，二是电子标签(或称射频卡、应答器等)，另外还应包括天线，后台计算机等3。在具体的实际应用过程中，我们可以根据不同的应用目的和应用环境，组成有所不同的RFID系统，但从RFID系统的基本工作原理上来看，系统主要由信号发射机、信号接收机、天线这几部分组成，其原理也是一样的4。 图1 RFID系统原理框图RFID系统的工作原理是：首先，由标签进入读写器发射频场后，接收到由阅读器发出的特殊射频信号，之后天线将凭借获得的感应电流升压电路，作为能量，此时发送出存

6、储于芯片中的信息，或者主动发送某一频率的信号，而阅读器经过逻辑电路，读取并解码信息后，送至中央信息系统进行相关数据处理，完成了这样一个过程。 2.2 RFID系统中的天线的作用 从RFID技术原理上来看，整个RFID系统的性能就是关键于RFID标签天线的性能。RFID系统运作的一个重要的环节就是数据和能量传输的环节，而射频信号的通信其基本工作原理就是通过阅读器天线和标签天线的空间耦合进行传递4。一方面，RFID标签芯片启动电路开始工作时需要天线在读写器发射频场中获得足够的能量；另一方面来说，天线的选择决定了标签与读写器之间的通信信道和通信方式3。因此，天线在整个 RFID系统中扮演着重要的角色，RFID标签天线的性能也就成为整个RFID系统的性能的关键。3. RFID系统中的天线类型 在RFID天线常见类型中，主要有线圈型天线、缝隙（包括微带贴片）型天线、偶极子型天线三种基本形式。在这其中，线圈型天线的定义就是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁心上而做成的天线5，在实际应用中，线圈型天线一般是用于近距离应用系统的RFID天线众，应用的距离一般小于1m；缝隙型天线是由金属表面切出来的凹

7、槽构成一种天线，其中，微带贴片天线是由一块末端带有矩形的电路板，再由金属表面切出来的凹槽构成的，矩形电路板的的长度决定其频率的范围；偶极子天线就是由两端粗细和等长的直导线排成一条直线构成的，也是最基本的天线，天线的信号由中间的两个端点馈入，频率范围由偶极子天线的长度决定4。采用缝隙（包括微带贴片）型天线或偶极子型的RFID天线一般是应用距离达到1m以上的远距离的系统，它们工作频段集中在高频或微波频段。3.1 线圈型天线当线圈型天线进入读写器产生的发射频场，由于受到交变磁场的影响，读写器与RFID天线之间就相当于变压器的相互作用，此时，二者的线圈就类似于变压器的初级线圈和次级线圈4。如图2所示为应答器的等效线路图，在RFID的线圈天线形产生的谐振回路中，包括有RFID天线的线圈电感、寄生电容（Cp）以及并联电容(C2) ,谐振频率： （式中C为Cp和 C2 的并联等效电容）。 图2 等效电路图 读写器和标签的双向通信使用的频率就是。当要求标签天线线圈外形尺寸很小,又需求具有一定的工作距离,读写器与标签之间的天线线圈互感量(M)就无法满足实际需求,所以我们可以在标签天线线圈内部插入具有高导

8、磁率()的材料,通常为铁氧体材料，用以增大互感量,从而解决了补偿线圈横截面小的问题5。3.2 缝隙（微带贴片）天线缝隙天线具有轮廓低、重量轻、易于加工、易与物体共形、电性能多样化、使宽带与有源器件和电路集成为一体的组件等特点,能简化整机的制作与调试,特别适用于高速飞行体，也教容易组成阵列天线。 图3 微带天线微带贴片天线是由导体薄片粘贴在带有金属底板介质基片上所形成的天线,如图3所示，我们可以根据天线的实际应用和辐射特性,将贴片导体设计为各种形状。通常贴片天线的导体薄片与金属导体接地板的距离为几十分之一波长,天线的散射截面小，天线的辐射基本是由贴片导体开路边沿的边缘场所引起的,因此辐射方向基本确定,能得到单方向的宽瓣方向图，一般用于包括卫星通信、雷达、制导武器等RFID应用系统中5. 3.3 偶极子天线在远距离耦合的RFID应用系统中（应用距离1m以上）,用的最广泛的是偶极子天线。如图4所示，偶极子天线由两段等长等粗细的直导线排成一条直线所构成的,当天线的信号从中间的两个端点馈入时,偶极子的两臂上就会产生一定的电流分布,天线周围空间就被分布的电流激发，形成了电磁场。 图4 偶极子天线当偶极子的单个振子长度L=/4时(半波振子),输入阻抗的电抗分量为零,这时候，偶极子天线的输入阻抗就可以视为一个纯电阻.忽略天线的横向影响,偶极子天线就可以设计为取振子的长度L为/4的整数倍5。偶极子天线具有辐射能力好、结构简单、效率高的优点,可以设计成适用于全方位通信的RFID系统,因此是目前被应用最为广泛的RFID标签天线。4. 本文任务设计要求 本文任务是基于在Ansoft HFSS软件上设计和分析

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