UHF RFID标签天线设计理论研究与应用
3.2.1 天线结构参数对天线性能的影响.................................................................... 21 3.2.2 天线基材对天线性能的影响 ........................................................................... 26 3.2.3 应用环境对天线性能的影响 ........................................................................... 28 3.3 具体应用中UHF RFID天线设计方法 ....................................................................... 30
3.3.1 复杂环境UHF RFID标签设计 ....................................................................... 30 3.3.2 具体应用中UHF RFID标签天线设计要求 .................................................... 30 3.3.3 具体应用中UHF RFID标签天线设计方法 .................................................... 31 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 33
第4章 UHF RFID图书标签天线设计 .................................................................... 34
4.1 UHF RFID图书标签技术研究与应用 ........................................................................ 34
4.1.1 图书馆应用流程 .............................................................................................. 34 4.1.2 图书馆管理对标签的应用要求 ....................................................................... 35 4.2 图书馆应用环境对标签的影响分析 ........................................................................... 36
4.2.1 应用环境及影响因素 ...................................................................................... 36 4.2.2 测试与分析...................................................................................................... 37 4.3 UHF RFID图书标签天线设计 .................................................................................... 42
4.3.1 设计要求与方法 .............................................................................................. 42 4.3.2 天线版图设计 .................................................................................................. 44 4.3.3 仿真分析与优化 .............................................................................................. 44 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 51
总结与展望 ............................................................................................................... 52
本文总结 ............................................................................................................................ 52 未来工作展望 ..................................................................................................................... 52
致 谢 ....................................................................................................................... 54 参考文献 ................................................................................................................... 55
工程硕士学位论文
摘 要
无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是基于射频信号的非接触自动识别技术。RFID系统由标签、读写器、中间件和上层应用软件构成，标签的性能是RFID系统性能的关键。随着RFID技术的广泛应用，标签天线设计已成为研究的热点，特别是在具体应用中标签受到贴附物体形状以及外界环境的影响，其标签的性能减弱甚至出现标签不能读取的情况。
基于上述问题，本文提出具体应用中UHF RFID天线设计方法，归纳了复杂环境下UHF RFID标签天线的设计流程，从而解决了UHF RFID技术在特殊应用中标签设计问题。根据此设计方法设计的标签在特殊应用中RFID标签的性能可以达到最好。
本文首先从天线结构、天线基材、封装、应用使用环境四个方面，通过理论分析与仿真分析两种方法，分析了以上四个方面对标签天线性能的影响，然后在此分析的基础上提出具体应用中的UHF RFID标签天线设计方法，最后根据此设计流程，解决UHF RFID技术在图书馆中的应用，通过分析图书馆应用环境对标签性能的影响，提出图书标签天线的设计要求，最后设计了一款图书标签天线，利用电磁仿真软件HFSS对其进行仿真分析与优化，得到适用于图书馆应用环境下性能最佳的UHF RFID标签。
关键词：RFID，标签，天线，图书
I
UHF RFID标签天线设计理论研究与应用
Abstract
II
工程硕士学位论文
插图索引
图 2.1 RFID系统结构 ................................................................................................ 7 图 2.2 发射天线及其戴维南等效电路 ...................................................................... 9 图 2.3 天线的极化方式 ........................................................................................... 11 图 3.1 ALN-9662 标签 ............................................................................................. 15 图 3.2 ALN-9662标签Inlay横截面结构 ................................................................. 15 图 3.3 RFID标签性能影响因素 ............................................................................... 16 图 3.4 ALN-9662天线版图 ...................................................................................... 18 图 3.5 标签封装后的横截面图 ................................................................................ 20 图 3.6 常见封装后的UHF RFID标签 .................................................................... 20 图 3.7 Alien Higgs-3芯片参数 ................................................................................. 21 图 3.8 ALN-9662天线回波损耗 .............................................................................. 22 图 3.9 ALN-9662天线阻抗 ...................................................................................... 22 图 3.10 ALN-9662三维增益方向图 ......................................................................... 23 图 3.11 ALN-9662二维增益方向图 ......................................................................... 23 图 3.12 ALN-9662天线电流分布 ............................................................................. 24 图 3.13 ALN-9662辐射面长度b4对天线回波损耗的影响 .................................... 24 图 3.14 ALN-9662辐射面长度b4对天线阻抗的影响 ............................................ 24 图 3.15 ALN-9662辐射面长度b4对H面方向图影响 ........................................... 25 图 3.16 ALN-9662辐射面长度b4对E面方向图影响 ............................................ 25 图 3.17 ALN-9662中心环路宽度a1对回波损耗的影响 ........................................ 25 图 3.18 ALN-9662中心环路宽度a1对天线阻抗的影响 ........................................ 26 图 3.19 ALN-9662中心环路宽度a1对H面方向图的影响 .................................... 26 图 3.20 ALN-9662中心环路宽度a1对E面方向图的影响 .................................... 26 图 3.21 ALN-9662无基材时天线的回波损耗 ......................................................... 27 图 3.22 ALN-9662基材为PET时天线的回波损耗 ................................................. 27 图 3.23 ALN-9662基材为FR4时天线的回波损耗 ................................................. 27 图 3.24 金属环境下ALN-9662天线建模 ............................................................... 28 图 3.25 标签直接贴于金属（铁）表面的回波损耗 ............................................... 28 图 3.26 标签直接贴于金属（铁）表面的三维增益方向图 .................................... 29 图 3.27 标签直接贴于金属表面的三维增益方向图 ............................................... 29 图 3.28 标签直接贴于金属表面的磁场矢量图 ....................................................... 29 图 3.29 UHF RFID标签天线设计流程 .................................................................... 32 图 4.1 图书馆UHF RFID标签应用环境 ................................................................ 36
III
UHF RFID标签天线设计理论研究与应用
图 4.2 标签性能测试仪 ........................................................................................... 38 图 4.3 读写器天线 ................................................................................................... 38 图 4.4 测试环境 ....................................................................................................... 39 图 4.5 标签性能测试 ............................................................................................... 39 图 4.6 标签群读测试 ............................................................................................... 40 图 4.7 标签发射功率 ............................................................................................... 40 图 4.8 读取距离 ....................................................................................................... 41 图 4.9 群读测试时一个标签的发射功率 ................................................................ 41 图 4.10 群读测试时一个标签的读取距离............................................................... 42 图 4.11 图书标签天线版图 ...................................................................................... 44 图 4.12 图书标签天线仿真建模 .............................................................................. 45 图 4.13 图书标签天线回波损耗 .............................................................................. 45 图 4.14 图书标签天线阻抗 ..................................................................................... 46 图 4.15 图书标签天线三维增益方向图 .................................................................. 46 图 4.16 图书标签天线二维增益方向图 .................................................................. 47 图 4.17 UHF RFID图书标签应用环境仿真建模 ..................................................... 47 图 4.18 应用环境下图书标签天线回波损耗 ........................................................... 47 图 4.19 应用环境下图书标签天线阻抗 .................................................................. 48 图 4.20 天线总长度L对回波损耗的影响 .............................................................. 48 图 4.21 天线总长度L对阻抗虚部的影响 .............................................................. 49 图 4.22 天线总长度L对阻抗实部的影响 .............................................................. 49 图 4.23 天线中心环路a1对回波损耗的影响 ......................................................... 49 图 4.24 天线中心环路a1对阻抗的影响 ................................................................. 50 图 4.25 优化后图书标签天线的回波损耗............................................................... 50 图 4.26 优化后图书标签天线的阻抗 ...................................................................... 51 图 4.27 优化后图书标签天线的二维增益方向图 ................................................... 51
IV