RFID系統(tǒng)中的讀寫(xiě)器天線及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中非常重要的一部分。應(yīng)用于RFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器的天線是其最重要的設(shè)備之一，目前已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)。一方面，遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)用的RFID天線通常采用高增益的圓極化天線或天線陣列，以增加其讀取距離。近場(chǎng)的RFID讀寫(xiě)器天線則需要強(qiáng)磁場(chǎng)，寬頻帶和低增益的特性，同時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)該均勻分布以避免產(chǎn)生漏讀現(xiàn)象。另一方面，RFID系統(tǒng)中的讀寫(xiě)器輸入輸出信號(hào)需要有較好的收發(fā)隔離，該隔離度成為影響系統(tǒng)靈敏度的重要因素之一。為了使得系統(tǒng)

2、獲得更好的讀取標(biāo)簽信號(hào)能力，需要盡可能降低接收機(jī)中發(fā)射機(jī)信號(hào)的功率。
　　本文的研究工作是在射頻識(shí)別系統(tǒng)的理論研究和實(shí)踐設(shè)計(jì)領(lǐng)域中進(jìn)行的，根據(jù)RFID的實(shí)際應(yīng)用要求，主要對(duì)RFID系統(tǒng)中的讀寫(xiě)器天線、圓極化天線陣列、圓極化天線罩、近場(chǎng)天線、讀寫(xiě)器收發(fā)隔離技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。所獲得的研究結(jié)論或成果對(duì)于推動(dòng)射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下。
　　1針對(duì)系統(tǒng)對(duì)高增益圓極化輻射器的要求，本文重點(diǎn)研究了圓

3、極化天線陣特性，理論分析了多種天線陣類型的耦合效應(yīng)并提出了一種具有引向器功能的圓極化天線罩。對(duì)偶極子、矩形貼片天線、圓形貼片天線三種圓極化天線陣列中各天線單元軸比的耦合效應(yīng)做了理論推導(dǎo)，得到了任意天線陣元受耦合影響后軸比變化的表達(dá)式。對(duì)矩形微帶天線陣列駐波，軸比，方向圖做了詳細(xì)的仿真分析，結(jié)論是最佳軸向軸比的頻點(diǎn)會(huì)因?yàn)轳詈细淖?，|S11|對(duì)耦合效應(yīng)較為敏感，方向圖則相對(duì)比較穩(wěn)定。提出的天線罩具有圓極化器和引向器的功能，可以使得線極化天線

4、及天線陣獲得圓極化并提高增益，等效天線陣的部分功能。該天線罩使得線極化微帶單天線的增益提高達(dá)3dB以上。
　　2基于磁場(chǎng)耦合原理的RFID讀寫(xiě)器近場(chǎng)天線近些年來(lái)發(fā)展很快。本文提出了雙S形導(dǎo)線環(huán)天線與雙層終端開(kāi)路天線，這兩種RFID近場(chǎng)天線同時(shí)具有寬頻帶和強(qiáng)磁場(chǎng)的特性，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工簡(jiǎn)單。兩種天線均由兩根導(dǎo)線組成，導(dǎo)線均使用彎折的方法，保證了天線上各處電流方向一致。雙S形天線通過(guò)彎折使得外環(huán)上的電流方向一致且強(qiáng)而內(nèi)部的導(dǎo)線上電流

5、較弱，最大限度的利用了天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量，并在饋電端使用巴倫將不平衡電流轉(zhuǎn)為平衡電流。雙層終端開(kāi)路天線的饋電位于下層，上層是輻射環(huán)。天線環(huán)終端有一段導(dǎo)線折向環(huán)內(nèi)部，可以保證外環(huán)遠(yuǎn)離波節(jié)點(diǎn)，環(huán)上電流更強(qiáng)。相比于雙S形天線，該天線尺寸更小，并且饋電部分和輻射部分相隔離，很好的避免了相互之間的干擾，也不用采用巴倫等器件，降低了加工成本。
　　3針對(duì)近場(chǎng)天線本身對(duì)磁場(chǎng)的負(fù)面影響，本文研究了金屬對(duì)磁場(chǎng)的影響并提出改進(jìn)方案，對(duì)近場(chǎng)天線進(jìn)行了環(huán)

6、境實(shí)驗(yàn)，并提出了一種新型的天線結(jié)構(gòu)以降低天線本身對(duì)近區(qū)磁場(chǎng)的負(fù)面影響。通過(guò)詳細(xì)的金屬、液體環(huán)境實(shí)驗(yàn)和三種RFID系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)天線受到金屬、液體影響較大，其他介質(zhì)也會(huì)影響天線的磁場(chǎng)分布,但比金屬，液體影響小很多。針對(duì)天線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和近場(chǎng)天線導(dǎo)線對(duì)磁場(chǎng)分布的負(fù)面影響，提出一種改進(jìn)型的終端結(jié)構(gòu)并將其應(yīng)用在雙層終端開(kāi)路天線上。用一種電感結(jié)構(gòu)代替普通的直導(dǎo)線，這種新結(jié)構(gòu)有較長(zhǎng)的電長(zhǎng)度和對(duì)磁場(chǎng)影響較小的優(yōu)點(diǎn)。從仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)可

7、以很大程度的減小天線上金屬導(dǎo)線對(duì)磁場(chǎng)的影響，非常適合開(kāi)路結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)天線。
　　4 RFID系統(tǒng)的讀取性能除了和天線有關(guān)，還和信號(hào)通道中輸入輸出信號(hào)的隔離性能有關(guān)，隔離度直接影響了系統(tǒng)對(duì)標(biāo)簽信號(hào)的讀取能力。為了提高收發(fā)信號(hào)隔離度，除了使得天線自身反射降低以外，本文提出了新型的載波相消技術(shù)和提高耦合器隔離度的方法。用一種RFID輸入輸出信號(hào)檢測(cè)設(shè)備監(jiān)控RFID系統(tǒng)的讀寫(xiě)器信號(hào)和標(biāo)簽信號(hào)，并用定向耦合器分離輸入輸出信號(hào)。在定向耦合器的耦

8、合端增加一段高阻抗線來(lái)產(chǎn)生不匹配，使其產(chǎn)生的反射信號(hào)與耦合器隔離端的泄露信號(hào)等幅反向，提高了耦合器的定向性，使得定向性可以達(dá)到30dB以上。載波相消技術(shù)則利用對(duì)數(shù)檢測(cè)器，單片機(jī)，矢量放大器，功分器，定向耦合器等，通過(guò)自適應(yīng)方法產(chǎn)生抵消信號(hào)。該抵消信號(hào)與接收的標(biāo)簽信號(hào)合路，使得標(biāo)簽信號(hào)通路中的讀寫(xiě)器信號(hào)功率水平大大降低。利用載波相消技術(shù)處理以后標(biāo)簽信號(hào)通路中的讀寫(xiě)器信號(hào)電壓僅為處理前的1/12。該技術(shù)對(duì)天線本身反射的信號(hào)也同樣有作用，彌補(bǔ)