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研究生开题文献综述.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.58M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    基于微带天线结构改进的标签天线研究与设计
    1 引言
    2 RFID系统组成及相关原理
    重 庆 邮 电 大 学 研 究 生 综 述 报 告 报告题目：基于微带结构改进的标签天线研究与设计 学生姓名： 入学年份：2013 年 9 月 专 业：集成电路工程 研究方向：VLSI 系统芯片与设计 导 师： 时 间：2015 年 3 月 导师审查意见 1.是否和开题内容一致： 2.从综述广度、写作水平、文献阅读量等方面给出简要评价： 总分(百分制，60 分以下为不合格)： 签字： 日期： 重庆邮电大学研究生部
    说 明 研究生论文选题是研究生进行学位论文工作的开端，也是对研究 生进行科研训练的重要一环。选题时要把握开拓性、先进性、成果的 必要性、成果的可能性等原则。选题要在导师指导下，由研究生独立 进行。课题还应尽可能符合研究生的素质特点和兴趣，尽可能结合已 有的科研任务，尽可能纳入我院的科研计划。 研究生开题是在第四学期末进行，无论是参加导师课题或自选课 题的研究生，一律要求从第三学期开始进行选题调研，充分学习了解 某领域的国内外研究现状，保证必要的前期研究积累。 开题前两周必须提交一篇 10－15 页（统一的技术报告格式）的 综述报告给导师审阅，由导师签字认可，作为必要材料附在开题申请 表后，否则不允许进行开题。 该综述报告必须保证 25 篇以上的文献阅读量（记录在参考文献 中），其中英文文章篇数不少于 8 篇。 导师要给学生充分的开题建议。
    基于微带天线结构改进的标签天线研究 与设计 杨渝川 重庆邮电学院光电工程学院 重庆 400065 摘要：本文讨论了 RFID 系统中的标签天线，针对标签天线的小型化，增益， 带宽以及金属对标签天线性能影响等问题，简单的阐述他们的特点。通过对其研 究状况的一系列阐述，说明了基于微带天线结构改进可以使标签天线的参数改 善。介绍了标签天线中仍然存在的一些问题，在此基础上对后续的课题进行了展 望。 关键字：标签天线，微带天线，增益，带宽，小型化 Abstract: this paper discussed a RFID tag antenna in the system, in view of the tag antenna miniaturization, gain, bandwidth and metal on the tag antenna performance influence, explained their characteristics.Through the research situation, a series of shows based on microstrip antenna structure improvement can make the tag antenna parameters to improve.Still exist some problems in the tag antenna are introduced, on this basis for the subsequent project was discussed. Keywords: Tag antenna, microstrip antenna, gain, bandwidth, miniaturization 1 引言 微波射频识别（UHF RFID）技术是国际上最先进的第四代自动识别技术，是 近几年刚刚开始兴起并得到迅速推广应用的一门新技术，它有识别距离远、识别 准确率高、识别速度快、抗干扰能力强、使用寿命长、可穿透非金属材料等特点, 运用范围广等特点。它是为实现数字化、信息化而对物体的属性、状态、编号等 特征数据进行自动采集所推出的一种全新管理手段，可广泛应用于人员、动物、 物品等方面的身份自动识别。 IIPA 分析，未来中国超高频 RFID 市场的发展，主要得益于资产管理、生产 线管理、物流集装箱管理、供应链管理、仓储、图书馆、各类物品防伪溯源(如 烟草、酒类、医药等)、零售、车辆管理、电子门票等行业或领域将逐步获得较 广泛的应用。值得关注的是，在快速增长的市场预期下，中国超高频 RFID 市场 还存在着一定的制约因素。 超高频系统的成本瓶颈，是制约中国超高频市场发展的重要因素，特别是在 更期望实现单品级应用的部分市场中。从技术角度来说，射频识别技术的核心在 于应答器，阅读器是根据应答器的性能而设计的。虽然在 RFID 系统中应答器的 价格远比阅读器低，但通常情况下，在应用中应答器的数量是很大的，尤其在物
    流应用中，应答器的用量大而且可能是一次性使用，阅读器的数量相对要少很多。 而应答器中的天线即标签天线则成为应答器技术的一个瓶颈。图一是几种常见的 标签天线。 2 RFID 系统组成及相关原理 图 1 典型的射频识别系统主要是由阅读器(Reader)、电子标签(Tag)和数据管理 系统三个部分组成，如图 2 所示是一个最简单的 RFID 系统框图。其工作原理是： 阅读器发射特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数 据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，然后送给应用程序做相应的处理。在 实际应用中，电子标签由芯片及天线组成，附着在待识别物体的表面，其中保存 有约定格式的唯一的电子编码。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当 标签进入该磁场时产生感应电流，同时利用此能量发送出自身编码等信息，读写 器读取信息并解码，后传送至主机进行相关处理，主系统根据逻辑运算判断该卡 的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构 动作，从而达到自动识别物体的目的。 图 2 下面对几个主要的部分做简单的介绍： 电子标签(Tag)：电子标签是射频识别系统的真正数据载体。通常电子标签 。
    由标签天线和嵌入在里面的芯片组成。每个电子标签具有唯一的电子编码附着在 物体目标对象上，用来存储需要识别和传输的信息。相当于条形码技术中的条形 码符号。依据不同划分方式电子标签可以分为很多类，按供电方式划分为有源电 子标签（Active Tag）和无源电子标签（Passive Tag），无源标签中没有电源， 它是从电磁波中吸收能力激活，然后进行通信。无源标签使用寿命比较长，不需 要进行特别维护，但是可读写距离比较短。 电子标签是 RFID 的核心部件，它又被称为远距离射频卡、远距离 IC 卡、射 频标签、应答器、数据载体。通过几厘米到几米甚至十几米的距离内读写器发出 的无线电波，读取电子标签内的储存信息，通过耦合元件实现射频信号的空间(无 接触)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。 阅读器(Reader)：阅读器一般由天线和读写器芯片组成，是读取(或写入) 电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。天线是发射和接收射频载波信 号的设备，工作在确定的频率和带宽条件下。应用于 RFID 系统的读写器天线的 极化方式一般是圆极化，这样降低了我们对标签摆放方式的要求（不管标签是水 平摆放还是垂直摆放，都能与我们的读写器进行通信）。读写器芯片可以放大、 解调射频载波信号，解码后获得标签内信息，或者将数据管理系统要写入标签的 信息编码，调制后通过读写器天线发射出去。 RFID 系统的工作原理： RFID 电子标签进入 RFID 读写器发射的磁场后，接受解读器发出的射频信号， 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag,无源 标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag,有源标 签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处 理。射频识别过程示意图如图 3 所示： 图 3 3 标签天线的性能参数 天线参数是天线设计的依据和目标。天线设计是紧紧围绕设计者所关注的天 线参数展幵的。天线设计过程就是不断调整天线结构,使所关注的天线参数逐渐 接近甚至最后达到目标的过程。因此,清楚了解天线的各项参数的具体含义对天 线设计具有重要的指导性意义。天线的一般参数包括带宽、阻抗、增益、辖射特 性、前后比、轴比、回波损耗、效率等。在特定的应用场合下,天线的某些参数 要比其它参数更有实际意义。所以,在设计 UHF 频段的 RFID 标签天线时,重点关 注其中若干项参数,而不是全部。 3.1 带宽
    天线,作为一个实现高频电流和空间电磁场之间相互转换的器件,其任何参 数都是和频率有关的。带宽,从字面意思上理解就是频带宽度、频带范围。对于 天线不同的特性指标,有不同的频带宽度,所以带宽应该和其它参数或指标结合 起来考察,指该参数满足一定条件的频带宽度,这个时候,对带宽的考察才有意 义。在后续小节屮会看到轴比是表征天线圆极化特性的参数,一般把轴比小于 3dB 的频带范围成为天线的圆极化带宽,即在该频带内认为天线具有圆极化特 性。当带宽和增益结合起来形成增益带宽时,是指增益满足一定条件的频率范围。 天线带宽也常表示相对带宽的形式。令 Hf 和 Lf 分别为所关注频段的最高和最低 频率,中心频率为 cf 。对于窄带天线,一般用百分比形式的相对带宽来表示,相对 帯宽： B P  f f L ×100%；对于宽帯天线,则用比例形式的相对带宽来表示。  H f c 3.2 方向特性 天线的辐射是具有方向性的。辐射场振幅与方向的关系曲线称为方向图，实 际上就是远区场任意方向上某点的场强同方向的关系曲线。方向图一般指归一化 的方向图，即远区场任意方向上某点的场强与同一距离的最大场之比同方向的关 系曲线。定义方向图函数为： F ( , )   E ( , )  E M 式中， ME 是 ( , E  的最大值。 ) 3.3 方向性系数 方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度的一个参数。 任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定向天 线的总辐射功率对该定向天线的总辐射功率之比。按照此定义，由于定向天线在 各个方向上的辐射强度不等，故天线的方向性系数也随着观察点的位置而不同， 在辐射电场最大的方向，方向性系数也最大。一般情况下，定向天线的方向性系 数就是最大辐射方向的方向性系数，即在离天线某一距离处，天线在最大辐射方 向上的辐射功率流密度 Smax 与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处 的辐射功率流密度 S0 之比，记为 D，即 SD  max S  2 E max 2 E 0 0 3.4 天线效率 天线效率是用以度量天线转换能量的有效性的指标。天线效率均小于 １，表示天线输入功率一部分转化为辐射功率，一部分为损耗功率。天线 效率定义为天线辐射功率与输入功率之比，记为 A 即： 式中：Pi 为辐射功率；Pj 为损耗功率。 P   P i  A  P   P  P j
    3.5 天线增益 天线系数仅反映了天线辐射能量的集中程度，天线增益不仅反映了天线的辐 射能力，还考虑了天线的损耗因数。在输入功率相同的条件下，定向天线在空间 某方向 ( , 度S0之比，称为天线的增益，记为 ( , ( ,   S  与无损耗的点源天线在该方向辐射功率密 ) 的辐射功率密度 ( , ) G  即： ( , ) S  S ) ) G 0 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向性系数与天 线效率的乘积，记为G，即： G D   A 对于频段为超高频、微波的RFID无线射频识别系统来说，由于RFID电子标签 天线面积较小，因此天线的增益也是有限的。增益的大小主要取决于天线辐射模 式的类型。 3.6 阻抗特性 天线的输入阻抗可以用天线馈电点处的电压与电流之比来表示，通常为频率 的函数。RFID 天线的阻抗应设计成 50Ω或 70Ω，以便和常规的馈线实现阻抗匹 配。RFID 天线相当于读写器与电子标签输出端的终端负载，输入阻抗 Zin 定义为 天线输入电压与输入电流 I0 之比，即： V o I R in jX Z  in o   in 式中：Rin，Xin 分别为输入阻抗的实部和虚部：RFID 天线的辐射功率 PΣ相当于在 一个等效阻抗上所产生的损耗。这个等效阻抗称为辐射阻抗 ZΣ，即： Z   2P  2 I  R   jX  3.7 驻波比 在考察天线和馈线连接的品质好坏时，驻波比和回波损耗是两个重要的参 数。在匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的 反射波。在这种情况下，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号 功率。在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波 相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅而形成波腹；而在入射波和反射 波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅而形成波节。其它各点的振幅值 则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。反射波电压和入射波电压幅度 之比叫做反射系数。波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波 比 VSWR。终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波比 VSWR 越接近 于 1，匹配也就越好。 阅读器天线和电子标签天线作为阅读器和电子标签芯片的数据通信接口，天 线性能的好坏直接影响着 RFID 系统的灵敏度和读写距离。如此我们对天线各性 能指标进行研究优化显得尤为重要。 4 RFID 标签天线分析 4.1 微带天线小型化分析 随着 RFID 射频识别技术研究迅速发展，系统各部件面临着小型化、共形化、 低损耗、低成本等亟待解决的问题，其中，射频识别天线的小型化日益成为射频
    识别技术和应用领域的研究热点之一，寻求具有尺寸缩减特性的高性能天线结构 成 RFID 设计的迫切需要。然而，天线性能对天线的尺寸特别敏感，天线尺寸的 缩小往往会导致天线的辐射电阻减小，效率降低和频带变窄。目前，微带天线小 型化的技术主要包括采用特殊介质基片（高介电常数）、表面开槽、附加有源网 络、采用特殊形状的贴片以及加载短路探针等。下面对这几种技术作简单的介绍。 4.1.1．短路探针加载技术 近年来，加载微带天线是一个热点，通过加载也可以有效的缩减天线的尺寸。 对于通常半波结构的矩形微带天线，天线中的电流在一个开路端和另一个开路端 之间形成驻波，因此两个开路端之间有一条零电位线。如果在零电位线对地短接， 就可以形成开路到短路的驻波结构，这样天线的尺寸就可以减少一半。短路的形 式可以是短路面，短路片，短路销钉等，通过改变短路销钉的数量以及其相对位 子还可以对微带天线的谐振频率进行调节，减少短路销钉的数量并将之放在适当 的位置可以降低微带天线的谐振频率。短路探针加载的小型化技术就是在上面这 种技术上产生的，就是将短路销钉的数量减小到了只有一个，把这个短路探针放 在相对馈电探针的某个位置，可以缩减微带天线的尺寸。图 4 给出了一个短路探 针加载微带天线的结构图。 图 4 短路探针加载微带天线结构图 4.1.2 分形技术 分型理论由 Manderblot 在 1975 年提出，具有分型结构的物体一般都有比例 自相似性以及空间填充性的特点。Hilbert 分形结构是一种有效增加天线等效电 尺寸的天线结构。其工作的谐振点频率随着分形阶数的增加而产生明显的下降。 Hilbert 分形结构天线由于其具有空间填充特性，有利于 RFID 标签的小型化设 计。随着分形阶数的不断增加，一维 Hilbert 标签天线在具备尺寸缩减特性的同 时，有效的保持了天线的效率不急剧下降。随着分形阶数增多，Hilbert 曲线在 有限的空间内无限延长，分形的空间填充率可以无穷逼近于 100%。Hilbert 分 形 0 阶到 2 阶的迭代过程如图 5 所示： 大量的实验结果证明,微带天线通过加载分形结构,在第一谐振频率点天线 图 5 0~2 阶分型结构示意图
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