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附表索引
表 3.1 常见标签版图 ............................................................................................... 16 表 3.2 不同应用的标签天线版图 ............................................................................ 17 表 3.3 ALN-9662主要结构参数 .............................................................................. 18 表 3.4 常用标签天线基材 ....................................................................................... 19 表 3.5 ALN-9662天线主要结构参数 ....................................................................... 21 表 4.1 高频与超高频标签性能对比 ........................................................................ 35 表 4.2 图书馆应用环境对标签的影响测试主要内容 ............................................. 37 表 4.3 测试标签数量及编号 .................................................................................... 37 表 4.4 不同环境下标签群读特性测试结果 ............................................................. 41 表 4.5 图书标签天线结构参数初始尺寸 ................................................................ 44 表 4.6 优化后图书标签天线的尺寸 ........................................................................ 50
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第1章 绪 论
1.1研究背景及意义
课题来源于上海交通大学RFID图书馆应用项目，项目主要研究RFID技术在高校图书馆管理中的应用。主要负责完成了标签的仿真评估、优化改进、测试分析以及天线设计。本文部分研究成果已在此项目得到了应用。
作为物联网发展的核心技术，RFID技术被认为是21世纪最具发展前景的信息技术之一。RFID电子标签以其独特的优势，在智能交通、生产线自动化、商品防伪、商品及货物追踪、资产管理、仓储管理、动物管理等领域得到广泛应用。特别是RFID技术在防伪方面的应用，如酒类防伪、药品防伪、烟草防伪等。以GS1、EPCglobal为代表的行业组织一直致力于在全世界推进采用RFID技术解决这类问题的应用，并于2010年发布了消费电子产品供应链1、托盘标签2、运输资产标签3的RFID应用指南，促进各领域的监管溯源管理水平。
典型的RFID系统由标签、读写器、中间件和上层应用软件构成，其中RFID中间件及应用软件合称为应用系统，系统性能的关键在于标签的性能，而标签由芯片和天线组成，所以（而）标签的性能关键是天线的性能，天线的作用是在标签与读写器之间进行数据通信。RFID标签附着在被标识对象上，每个标签有一个唯一电子编码，其被用来存储被标识对象的信息。读写器利用射频技术读写RFID标签的数据信息。
对国内外近30家RFID标签的厂商进行调查，发现在图书馆应用中的UHF RFID图书标签很少，只有Alien、远望谷、科晶等厂商近4款图书标签。在物流供应链生产、仓储、运输、配送和销售几个环节中，最重要的是仓储环节，仓储中存在托盘管理松散、流失量大等问题。近30家厂商中只有Alien、Impinj、Intermec、Avery Dennison、晶彩、铁勋、远望谷和韩硕等涉及托盘标签，Alien、Impinj的RFID标签主要用于塑胶托盘和木质托盘，少数如Intermec、铁勋和远望谷等几家厂商及到金属托盘标签。
面对目前市面上众多的RFID标签，客户主要考虑标签的选型，以获得合适的标签。对于RFID技术的研究和社会需求，设计出在具体行业应用的RFID标签是急需解决的问题。
本文主要研究了UHF RFID标签天线设计的理论，总结在具体应用中标签天线设计通用的设计方法，即在复杂环境下的UHF RFID天线设计流程，然后根据在具体应用需求自主设计UHF RFID标签天线，最后分析图书馆应用环境对标签的性能影响，提出图书馆管理对UHF RFID标签天线设计的应用要求，根据图书
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UHF RFID标签天线设计理论研究与应用
馆的需求设计了一款UHF RFID图书标签天线。
1.2国内外研究现状及存在的问题
1.2.1UHF RFID标签天线设计研究现状
RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能，在标签与读写器数据通信过程中起关键作用的是天线。适用于RFID标签的天线有三种，分别是线圈天线、微带天线和偶极子天线。HF RFID标签天线采用的是线圈天线，UHF RFID主要采用微带天线和偶极子天线。RFID阅读器对射频标签的识读距离是RFID系统的主要性能指标。在UHF频段，目前的商用标签识读距离通常可以达到8~10米，识读距离受诸多因素制约，其中标签天线的性能影响最大。综合国内外的研究现状来讲，当前的UHF RFID标签天线技术研究主要集中在以下几个方面。
1．小型化
标签因识别对象不同，对标签的形状和大小也有不同的要求，而天线的大小和形状决定了标签的大小和形状。UHF RFID其大小和形状的可调节性也是相比HF RFID标签的优点。2006年Kim Namhoon4等采用印刷金属环对印刷偶极子天线馈电，设计了一款尺寸为44 mm?40 mm的911 MHz小型天线，天线性能虽有所提高，尺寸也较小，不过由于馈电环的存在，天线很难进一步缩小尺寸。2006年华南理工赖晓铮5等对Hilbert分形结构进行了研究，通过矩量法仿真，给出了Hilbert标签天线的谐振频率、方向图以及天线效率，并制作了一维Hilbert标签天线实物进行测试。仿真和实测结果表明，Hilbert分形结构天线的空间填充特性可有效转化为标签天线的尺寸缩减特性，而且一维Hilbert标签天线具有更高的天线效率。2008年厦门大学汤伟，林斌6等提出工作于915 MHz的小型化天线，具有较好的S11特性和方向性。当驻波比小于2时，天线的工作带宽达到88 MHz，其相对带宽为9.6%，设计的天线尺寸约为30mm?44 mm。2009年电子科技大学栢科文7在其硕士论文中详细分析了弯折线天线各参数（弯折次数、弯折高度、弯折点间的距离、天线的水平长度、弯折线宽度、弯折线之间的距离等）对天线性能的影响分析。2012年Hanieh Aliakbari8等设计了一款覆盖RFID三个频率的天线，分别是0.953MHz、2.45GHz和5.8GHz，天线大小为33mm?28mm，在各频率上的增益分别为1.45dBi、3.1dBi和2.4dBi。Ezzeldin A. Soliman, Senior Membe9等设计了一款工作频率在915MHZ，标签大小为??30?2，即大小为10.67mm?10.67mm，
具有体积小、良好的阻抗带宽等优点。
2．抗介质
抗介质的标签天线设计主要分为抗金属和液体两大类。UHF 频段电磁波传输易受外部环境因素的影响，因此标签所贴附的不同电导率的材质（如金属或者液
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体）会使标签天线出现不同程度的频率偏移以及阻抗和方向性的变化，因此，抗不同介质特别是抗金属标签是目前的研究热点。2009年Antonio Lazaro10等通过仿真研究空气、木头、金属以及水的对UHF RFID标签性能的影响。2011年湖南大学柳权11在其硕士论文中研究了超高频RFID标签受环境影响，文中详细说明了不同介质（空气、塑胶、玻璃、水、金属）对标签性能的影响关系，并采用电磁仿真与实际测试的方法说明了水和金属对标签性能的影响。
目前国内外的抗金属标签主要通过：在对标签厚度要求不严格的应用环境中，通过调整标签天线和金属表面的距离来减小金属边界的影响；采用吸波材料；利用电磁带隙EBG（Ellectomagnetic Band Gap）结构的基板作为天线的介质板；将天线结构设计成微带天线的结构四种方式实现。调整标签天线与金属表面距离使得天线的体积不断增大，不方便固定在物体体积上，同时各种标签形状、性能各异，没有统一的调整规范，基本上是对具体型号的天线经过试验进行调整，需要大量的比对实验；大部分超高频段吸波材料造价比较高，因此吸波材料不能在超高频段普遍使用；EBG板作为基板可有效地解决金属表面的问题且不需要设计新的标签结构，但该板结构复杂，成本相对较高。微带天线因其成本低，加工方便的特点多数抗金属标签采用微带天线的方法设计。赖铭银，靳贵平12等在2011年采用增加2个耦合的寄生贴片来激发新的谐振波模，改善了RFID标签天线的带宽，测量结果得到的标签天线半功率带宽为148MHz，覆盖了所有的超高频RFID系统的频段。
3．特殊应用天线设计
随着RFID技术的应用越来越广泛，其在一些特殊应用中的标签设计越来越受到关注。特殊应用的标签天线设计目前研究分为两类：一是应用环境基本不变时根据应用需求进行天线设计；二是应用环境改变，需要根据环境因素设计的传感标签。
对于第一种天线设计研究，2008年华南理工大学赖晓铮、刘焕彬13等研究了影响包装箱RFID标签天线的因素，通过仿真研究发现包装箱内的内容积和物品的等效介电常数是影响包装箱射频识别的两大因素，其中物品的介电常数对RFID标签天线阻抗的影响最大。同时设计了一种对包装箱内物品不敏感的的纸基RFID标签天线，其天线采用悬置微带多层介质结构，天线地板面积是辐射单元的两倍。2011年王平14详细分析了天线与金属板的不同距离和金属板的不同尺寸对天线参数的影响，设计了一款用于集装箱上的超高频RFID标签天线。Mikko Keskilammi15等人提出了字体形状标签天线设计的方案，天线版图可以作为天线，也可以作为一个标识，达到隐蔽性的要求。美国Intermec公司Pavel V. Nikitin16等人使用回形针作为标签天线对档的追踪管理，材料便于选取，除了作为RFID标签天线以外，还可以有回形针的功能。2013年北京邮电大学邹琴17在其硕士论文中研究了金属
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