多用途超高頻標簽天線的設計與研究
發(fā)布時間：2021-03-10 07:02
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,超高頻（Ultra-High-Frequency,UHF）射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID）技術也成為當下最有前景的研究熱點之一。RFID系統(tǒng)的通信能力取決于標簽工作特性和信道傳輸能力,由此標簽天線是RFID系統(tǒng)的關鍵。隨著射頻識別技術的應用范圍的擴展,電子標簽常被貼敷于肌肉、血袋、裝滿水的塑料瓶和其他水分含量高的物體表面,這些特殊的電磁環(huán)境均會惡化標簽天線的工作性能。本文重點研究三款多用途標簽天線,有效解決了標簽天線在肌肉、裝滿水的塑料瓶和金屬表面的應用問題。本文的主要研究內(nèi)容如下:首先,設計了一款橢圓環(huán)形標簽天線,其輻射單元由四個主要的圓環(huán),兩個半圓環(huán)和四段圓弧由外沿的橢圓環(huán)圍繞而成,該標簽天線整體采用橢圓結構,其長軸和短軸分別為76mm、32mm。介紹了橢圓環(huán)形標簽天線的演化過程,并進一步解釋了其工作機理。標簽貼敷于肌肉和裝滿水的塑料瓶表面,工作諧振頻率保持穩(wěn)定,標簽天線和芯片阻抗共軛匹配,測試最大閱讀距離達到7.8m和8.8m。接下來,設計了一款并聯(lián)匹配橢圓環(huán)形標簽天線,結構更加簡單緊湊,該天線采用橢圓結構,...
【文章來源】：成都信息工程大學四川省
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
PRC 對標簽閱讀距離的影響
成都信息工程大學碩士學位論文第14頁共64頁~0ddZ=ZZ(2-41)0112212211221112221122(1-SS+SS-S-S)(1-S)(1-S)-SSdZZ=(2-42)其中Z0是天線連接的同軸線的特性阻抗，大多的測量系統(tǒng)為50Ω或者75Ω。對于對稱饋電的平衡天線，有11221221S=S且S=S(2-43)那么公式（2-43）則應當表示為：2201112122211122(1S+S-2S)(1-S)-SdZZ=(2-44)雙端差分阻抗測試方法具體操作如圖2-6所示，這個測試系統(tǒng)主要由VNA和自制的雙端差分測試夾具組成，首先連接測試夾具和VNA的SMA接頭并延展VNA的校準平面到測試夾具的末端面，然后焊接測試夾具和待測天線，接著通過VNA實測得到天線端口的S參數(shù)，最后將測試的PRC和S12代入公式（2-43）或者公式（2-45），從而計算得到標簽天線測試阻抗值。圖2-6UHFRFID標簽天線在暗室中阻抗測試示意圖2.4.2功率反射系數(shù)測試對于平衡和不平衡結構差分激勵的UHFRFID標簽天線，其功率反射系數(shù)測試也不能直接通過VNA進行測量，同樣需采用雙端差分測試夾具進行測試。利用測試夾具可以直接測得端口校準平面的反射系數(shù)，但此時測得的反射并非標簽天線的功率反射系數(shù)。由于測試夾具和矢量網(wǎng)絡分析儀的同軸接口均為標準的50Ω，而標簽天線的阻抗為具有較高電抗值的復數(shù)阻抗，需將測得的標簽天線阻抗帶入天線的功率反射系數(shù)修正公式計算間接獲取PRC的測試值：*PRC20lgacacZZZZ=+(2-45)從而得到標簽天線的功率反射系數(shù)。
成都信息工程大學碩士學位論文第17頁共64頁3.1.2標簽天線的結構設計本節(jié)研究設計的橢圓環(huán)形標簽天線能穩(wěn)定地工作于肌肉和裝滿水的塑料瓶的表面，其結構如圖3-2所示。該標簽天線的介質基板采用厚度為0.8mm的F4B-2，其介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.002。圖3-2橢圓環(huán)形標簽天線結構示意圖該標簽天線主要由環(huán)形微帶饋線和輻射單元組成，主要由四個主環(huán)、兩個半圓環(huán)和四段圓弧被外沿橢圓環(huán)圍繞而成，其具體的結構參數(shù)如表3-2所示。采用中心對稱結構實現(xiàn)了標簽較好的全向性，采用橢圓環(huán)形結構和彎曲的環(huán)形微帶饋線直接連接可以達到減小標簽尺寸目的，其長軸為76mm，短軸為32mm。表3-2橢圓環(huán)形標簽天線的參數(shù)及尺寸參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)a76.0R28.0b32.0R310.0H0.8R411.0R17.0L13.0標簽芯片選用Alien公司的H3，在915MHz時該芯片的等效特性阻抗為27-j201Ω[48]。為獲取最大的傳輸功率，達到阻抗共軛匹配，在915MHz處標簽天線的輸入阻抗應為27+j201Ω[49]。圖3-3為橢圓環(huán)形標簽天線貼敷于肌肉和裝滿水的塑料瓶表面時的阻抗仿真結果，可以發(fā)現(xiàn)應用于可以發(fā)現(xiàn)應用于肌肉表面時，在915MHz處天線輸入阻抗為27+j201Ω；當標簽應用于裝滿水的塑料瓶表面時，在915MHz處天線輸入阻抗為25+j201Ω，表明該標簽天線阻抗和芯片阻抗共軛匹配良好。
本文編號：3074263
【文章來源】：成都信息工程大學四川省
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
PRC 對標簽閱讀距離的影響
成都信息工程大學碩士學位論文第14頁共64頁~0ddZ=ZZ(2-41)0112212211221112221122(1-SS+SS-S-S)(1-S)(1-S)-SSdZZ=(2-42)其中Z0是天線連接的同軸線的特性阻抗，大多的測量系統(tǒng)為50Ω或者75Ω。對于對稱饋電的平衡天線，有11221221S=S且S=S(2-43)那么公式（2-43）則應當表示為：2201112122211122(1S+S-2S)(1-S)-SdZZ=(2-44)雙端差分阻抗測試方法具體操作如圖2-6所示，這個測試系統(tǒng)主要由VNA和自制的雙端差分測試夾具組成，首先連接測試夾具和VNA的SMA接頭并延展VNA的校準平面到測試夾具的末端面，然后焊接測試夾具和待測天線，接著通過VNA實測得到天線端口的S參數(shù)，最后將測試的PRC和S12代入公式（2-43）或者公式（2-45），從而計算得到標簽天線測試阻抗值。圖2-6UHFRFID標簽天線在暗室中阻抗測試示意圖2.4.2功率反射系數(shù)測試對于平衡和不平衡結構差分激勵的UHFRFID標簽天線，其功率反射系數(shù)測試也不能直接通過VNA進行測量，同樣需采用雙端差分測試夾具進行測試。利用測試夾具可以直接測得端口校準平面的反射系數(shù)，但此時測得的反射并非標簽天線的功率反射系數(shù)。由于測試夾具和矢量網(wǎng)絡分析儀的同軸接口均為標準的50Ω，而標簽天線的阻抗為具有較高電抗值的復數(shù)阻抗，需將測得的標簽天線阻抗帶入天線的功率反射系數(shù)修正公式計算間接獲取PRC的測試值：*PRC20lgacacZZZZ=+(2-45)從而得到標簽天線的功率反射系數(shù)。
成都信息工程大學碩士學位論文第17頁共64頁3.1.2標簽天線的結構設計本節(jié)研究設計的橢圓環(huán)形標簽天線能穩(wěn)定地工作于肌肉和裝滿水的塑料瓶的表面，其結構如圖3-2所示。該標簽天線的介質基板采用厚度為0.8mm的F4B-2，其介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.002。圖3-2橢圓環(huán)形標簽天線結構示意圖該標簽天線主要由環(huán)形微帶饋線和輻射單元組成，主要由四個主環(huán)、兩個半圓環(huán)和四段圓弧被外沿橢圓環(huán)圍繞而成，其具體的結構參數(shù)如表3-2所示。采用中心對稱結構實現(xiàn)了標簽較好的全向性，采用橢圓環(huán)形結構和彎曲的環(huán)形微帶饋線直接連接可以達到減小標簽尺寸目的，其長軸為76mm，短軸為32mm。表3-2橢圓環(huán)形標簽天線的參數(shù)及尺寸參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)a76.0R28.0b32.0R310.0H0.8R411.0R17.0L13.0標簽芯片選用Alien公司的H3，在915MHz時該芯片的等效特性阻抗為27-j201Ω[48]。為獲取最大的傳輸功率，達到阻抗共軛匹配，在915MHz處標簽天線的輸入阻抗應為27+j201Ω[49]。圖3-3為橢圓環(huán)形標簽天線貼敷于肌肉和裝滿水的塑料瓶表面時的阻抗仿真結果，可以發(fā)現(xiàn)應用于可以發(fā)現(xiàn)應用于肌肉表面時，在915MHz處天線輸入阻抗為27+j201Ω；當標簽應用于裝滿水的塑料瓶表面時，在915MHz處天線輸入阻抗為25+j201Ω，表明該標簽天線阻抗和芯片阻抗共軛匹配良好。
本文編號：3074263
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