无源反向散射RFID系统中的天线及传播特性研究（可编辑）.pdf

湖南大学

博士学位论文

无源反向散射RFID系统中的天线及传播特性研究

姓名:唐志军

申请学位级别:博士

专业:电气工程

指导教师:何怡刚

无源反向散射系统中的天线及传播特性研究

摘要

射频识别是利用射频信号实现的一种非接触式自动识别技术,它利用射频方

式进行非接触式双向通信,从而达到对目标对象的自动识别和相关数据采集,

它

是目前自动识别技术领域里发展最为迅猛的技术之一。特别地,近几年来随

着应

用需求的不断增长,射频识别技术尤其是超高频和微波段射频识别技术发展

非常

快。同时,随着射频识别系统工作频率的上升,对于工作在超高频和微波段并

以

反向散射调制原理来工作的无源射频识别系统来说,天线的设计和标签性能

的优

化就变得尤其重要。基于此,根据国内外相关技术和标准,结合无源反向散

射天线研究现状和工程实际应用需要,应用电磁场、微波和天线等相关理论,

本文研究了无源反向散射系统中的天线技术,传播特性,雷达截面和天线各

主要参数对系统识别距离的影响,主要内容及工作包括:

首先,阐述了天线设计基本理论和无源反向散射系统的工作原理。研究

结果表明,天线的性能受许多因素制约,所以在设计天线时,要综合考虑这些

因

素。

其次,从阅读器天线的一般考虑着手,根据实际应用研究了阅读器的配置类

型及其天线选择;详细阐述了阅读器天线的研究现状,基于此设计了一种新

的用

于反向散射阅读器中的微带贴片天线结构,重点分析了其各个几何参数对天

线主要性能的影响,并得出了天线的优化参数;对所设计的天线进行了仿真

和测

量,实验和仿真结果保持一致。研究结果表明,阅读器天线是基于具体应用要

求

来选择和设计的,不同应用类别和应用环境所要求的阅读器配置不同,相应

的阅

读器天线也就不同;阅读器天线设计正朝低剖面、小型化、多频段覆盖以及

低成

本等方向发展,要设计完全满足应用要求的阅读器天线是一项极具挑战性的

任务。

本文将单端口馈电,方形微带贴片切角,贴片中心挖孔,嵌入切口等方法有机

整

合起来实现了紧凑、低成本、宽带宽、高增益、圆极化的阅读器天线设计。

以此

方法设计的超高频阅读器天线尺寸大小为×左右,微波段阅读器天线尺

寸大小约为×,相比现有文献,天线尺寸减小了近%,并且,所设计的

阅读器天线具有更好的阻抗带宽特性。

第三,系统地研究了无源反向散射标签天线设计技术,并针对其研究和

实际应用现状设计了两种新的微带天线结构,这两种天线结构可以很好地满

足反

向散射超高频和微波频段标签天线的应用要求。研究结果表明,考虑到系统

识别距离和标签性能的优化,在无源反向散射标签天线设计中,天线和芯片

之间的阻抗匹配是非常重要的。目前超高频标签天线与芯片匹配主要有电感

耦合

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和电容耦合两种实现方式,而匹配实现方式的选择可以根据标签芯片的品质

因数

来决定。对于超高频标签天线设计,采用倒和折线型结构都可以缩减天线尺

寸,

其中后者已经成为主流设计结构。本文采用变形折线型结构所设计的超高频

标签

标准,尺寸大小为×左右,并且

天线其阻抗特性符合

具有紧凑、宽带宽、高增益和准全向性等优点。对于微波段标签天线设计,

通常

在各种微带贴片中嵌入缝隙来缩减尺寸和展宽带宽。本文采用在方形贴片中

嵌入

和形缝隙的方法来实现尺寸缩减和带宽展宽,以此方法设计的微波段标签天

线尺寸大小约为×,与现有文献比较,所提出的天线结构具有结构紧凑、

低成本、宽带宽、高增益和较好辐射特性等优点。

第四,研究了无源反向散射系统的传播特性。研究结果表明,反向散射

系统的路径损耗模型和传统无线通信系统的路径损耗模型有所区别。从理论

上指出,现有经典的双线模型和系统的室内传播模型可以用来帮助预测实际

应用中无源反向散射系统的传播特性。重点强调了现有的系统的室内

传播模型,不管是双线模型、短距离模型或多线模型等,尚不能很好地描述实

际

的系统,并认为建立一种能准确描述