UHFRFID系統(tǒng)天線國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1、UHF RFID系統(tǒng)天線國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀XXX 2011-7-311 .研究意義射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種自動識別技術(shù)， 它是利用無線射頻信號，通過讀寫器(Reader)、天線和安裝在載體上的標(biāo)簽(Tag),形成RFID系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對載體的非接觸的識別和數(shù)據(jù)信息交換1。RFID 技術(shù)具有很多優(yōu)勢1：可以定向或不定向的遠(yuǎn)距離讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)；無需對識別 目標(biāo)可見；可識別高速物體；可工作于惡劣環(huán)境等2-5。RFID技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于工業(yè)制造、商業(yè)和交通管理、身份識別以及防偽 和軍事安全等眾多領(lǐng)域。例如，在國外，世界零售商巨頭沃爾瑪百貨公

2、司宣布， 到2005年底截止，所有供應(yīng)沃爾瑪百貨的商品包裝箱上，都要有應(yīng)用RFID技術(shù)的電子商品條形碼，沃爾瑪百貨預(yù)期能用新技術(shù)進(jìn)一步降低成本，尤其是減少與庫存流程相關(guān)的物流失控并降低人力成本；今年03月，一套RFID郵政系統(tǒng)在韓國成功的完成了測試，使郵件投遞整個過程完全自動化，從接受郵件到分類 到配送，IDTechEx公司估計(jì)，RFID系統(tǒng)包括標(biāo)簽的全球市場到 2018年將達(dá)到 25億美元。在國內(nèi)，北京首都機(jī)場新航站樓已經(jīng)建設(shè)了世界上最先進(jìn)的基于RFID技術(shù)的行李傳輸系統(tǒng)，旅客的信息和行李的目的地信息會在毫秒間預(yù)寫入標(biāo)簽 中；京津城際列車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)公交化運(yùn)營，旅客使用基于RFID的射頻卡(快卡

3、通)實(shí)現(xiàn)直接刷卡上車隨到隨走；在已經(jīng)成功舉行的北京奧運(yùn)會和上海世博會中也大 規(guī)模應(yīng)用了 RFID技術(shù)；重慶不停車收費(fèi)系統(tǒng)已于 2010年05月試行，車輛的通 行量增加近四倍6。RFID技術(shù)最終將在全球形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)，值得各個領(lǐng) 域加以關(guān)注，RFID技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)改變?nèi)祟惿畹氖笞钪匾募夹g(shù)之一 1。天線是構(gòu)成無線通信系統(tǒng)的空中接口，是影響無線通信系統(tǒng)可靠性等性能的 關(guān)鍵因素之一，設(shè)計(jì)合適的天線使其滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求是非常重要的。RFID系統(tǒng)中的天線主要由讀寫器天線( Reader Antenna)和標(biāo)簽天線(Tag Antenna)組成。電子標(biāo)簽和讀寫器通過各自的天線構(gòu)建起二者之

4、間非接觸信息 傳輸通道。無論是射頻標(biāo)簽還是讀寫器的正常工作，都離不開天線。一方面，無 源的射頻標(biāo)簽芯片(Tag Chip)要啟動電路工作需要通過標(biāo)簽天線在讀寫器天線 產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了射頻標(biāo)簽與讀寫器之間 的通訊信道和通訊方式。天線在射頻標(biāo)簽與讀寫器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起到了關(guān) 鍵的作用。RFID系統(tǒng)的最大識別距離、識別靈敏度、通信質(zhì)量等重要性能參數(shù) 與其天線性能的好壞有著直接的關(guān)系。因此，天線也是RFID系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，展開對RFID系統(tǒng)天線的研究對推動RFID系統(tǒng)性能的提高及其產(chǎn)業(yè)的快速 發(fā)展具有重要意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。作為平板天線的代表，微帶天線自問世以

5、來，以其重量輕、低剖面、易于實(shí) 現(xiàn)圓極化、易于共形、易于與有源器件和電路集成等一系列優(yōu)點(diǎn)7被廣泛運(yùn)用于RFID讀寫器天線和標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)。但是微帶天線本身是一種諧振結(jié)構(gòu)，故當(dāng)其應(yīng)用于RFID系統(tǒng)時，其結(jié)構(gòu)尺寸通常都比較大，不能滿足小型化的要求。但 是一些特殊形式的微帶天線雖然具有較小的物理尺寸，但是其一些主要的電性能指標(biāo)（如增益、帶寬、方向圖等）卻不能達(dá)到要求。對于 RFID系統(tǒng)，要求其讀 寫器天線為圓極化以降低極化損耗，這給讀寫器天線的設(shè)計(jì)帶來了更大的挑戰(zhàn)。對于標(biāo)簽天線，需要與標(biāo)簽芯片共腕匹配以實(shí)現(xiàn)最大的能量傳輸，但由于標(biāo)簽芯片的低阻抗和高容性電抗產(chǎn)生高 Q值而使得其難于與標(biāo)簽天線實(shí)現(xiàn)寬帶匹

6、配網(wǎng)。 另外，由于標(biāo)簽附著在被標(biāo)識物體上，標(biāo)簽天線會受到所標(biāo)識物體的形狀及物理 特性的影響，如標(biāo)簽到貼標(biāo)簽物體的距離、貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)、金屬表面的 反射、局部結(jié)構(gòu)對輻射模式的影響等9。尤其是當(dāng)標(biāo)簽靠近或者粘貼在金屬物體 時，標(biāo)簽天線的性能會急劇惡化，所以對標(biāo)簽天線的抗金屬性研究具有重要意義。 這些因素給標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。不同國家的RFID系統(tǒng)頻率標(biāo)準(zhǔn)都不相同，覆蓋了 840MHz960MHz的頻率范圍，目 前基本還沒有覆蓋以上頻率范圍的小型化、 高性能的讀寫器天線和標(biāo)簽天線。 所 以要實(shí)現(xiàn)兼容全世界頻率標(biāo)準(zhǔn)的小型化、高性能RFID系統(tǒng)天線存在很大的技術(shù)

7、 挑戰(zhàn)，具有重要的研究意義。在本項(xiàng)目中，我們將以“小型化”和“高性能”為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)研究兼容全 世界頻率標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用于 RFID系統(tǒng)的閱讀器天線和標(biāo)簽天線。 在注重縮小天線尺 寸的同時，保持天線在增益、帶寬、圓極化帶寬等方面的優(yōu)良性能，探尋既突破 傳統(tǒng)微帶天線物理制約,又保持優(yōu)良輻射特性的閱讀器天線和標(biāo)簽天線構(gòu)造機(jī)理 和實(shí)現(xiàn)方法。該項(xiàng)目一方面為 RFID系統(tǒng)提供實(shí)用的小型化、高性能的閱讀器天 線和標(biāo)簽天線，另一方面也推動當(dāng)前寬帶小型化天線設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，因而兼?zhèn)渲匾睦碚撗芯績r(jià)值和工程應(yīng)用前景。2 .國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析當(dāng)前的RFID系統(tǒng)主要集中在低頻、高頻（13.56MHz）、超高頻和微波頻

8、段， 其中低頻和高頻RFID由于其技術(shù)門檻低，發(fā)展較早，技術(shù)成熟，產(chǎn)品成本低， 使得這兩個頻段的產(chǎn)業(yè)得到充分發(fā)展， 例如第二代居民身份證、教育部學(xué)生購票 優(yōu)惠卡、公交卡等。然而，對于超高頻和微波頻段，由于頻率升高使得射頻前端 和天線的研發(fā)產(chǎn)生困難，所以目前超高頻段和微波頻段的RFID技術(shù)還不成熟。所以，本項(xiàng)目主要針對超高頻 UHF頻段展開對“小型化”、“高性能”的兼容全 世界頻率標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)閱讀器天線和標(biāo)簽天線的研究， 具有重要的理論研究 價(jià)值和工程應(yīng)用背景。2.1 閱讀器天線研究現(xiàn)狀分析目前，對RFID天線的研究主要集中在標(biāo)簽天線上，而對讀寫器天線的研究 相對較少，對小型化、高性能的讀

9、寫器天線就研究得更少。RFID讀寫器天線多采用具有尺寸小、成本低、易實(shí)現(xiàn)圓極化、小型化等優(yōu)點(diǎn)的微帶天線形式。讀寫 器天線主要功能是發(fā)射帶有信息的能量給不同位置的標(biāo)簽，并且接收由標(biāo)簽回傳的信息。由于電子標(biāo)簽天線的極化方式是線極化，且電子標(biāo)簽的放置方向具有任意性，所以要求讀寫器天線可以接收任意方向的線極化波，同時讀寫器天線輻射的電磁波能夠被任意方向、任何極化方式的標(biāo)簽天線接收，這就要求閱讀器天線 必須產(chǎn)生圓極化輻射。由于全球 RFID系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍覆蓋了 840MHz960 MHz,帶寬較寬，這給需要輻射圓極化波的讀寫器天線帶來更大的困難。另外， 為了適應(yīng)RFID系統(tǒng)的小型化要求，必須縮小閱讀

10、器天線的尺寸，這又帶來了天 線小型化與高性能(寬頻帶、高增益等)的矛盾。目前國內(nèi)對UHF頻段的讀寫器天線進(jìn)行了一定的研究，但是多數(shù)都采用的 線極化天線，未考慮讀寫器天線圓極化這一重要特點(diǎn)，而且天線尺寸較大，沒有完全覆蓋840MHz960MHz頻率范圍。例如，李秀萍等人設(shè)計(jì)了用于超高頻和 微波頻段的雙頻天線，沒有考慮圓極化，尺寸為230mmx 155mmX29.2mm10;李書芳等人提供了一種采用雙饋電的、工作在840MHz845MHz和 920MHz925MHz 頻率范圍的雙頻圓極化天線,尺寸為 173mmXl73mmx 12.9mm11;胡汝剛在文獻(xiàn)12中考慮了天線的圓極化，設(shè)計(jì)了一種低成本

11、小型化 讀寫器天線，增益為-1dBi時天線尺寸為90mmx 90mmx 3mm,可應(yīng)用于讀取距 離要求不高的手持讀寫器中；房少軍等人通過水平蜿蜒板饋電技術(shù)以及疊層切角 平板配置，使得天線圓極化頻帶覆蓋了 840MHz960MHz、輸入電壓駐波比小， 適合全球任何一個國家或地區(qū)的超高頻 RFID系統(tǒng)的應(yīng)用13。國外對UHF RFID閱讀器天線的研究相對較多，基本都考慮了圓極化特性， 大多數(shù)都是針對特定國家或地區(qū)的RFID頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)和研究。如ShinChul Kim等人針對日本設(shè)計(jì)了一種新型垂直地面的 UHF頻段RFID讀寫器 天線，引入垂直地面后天線的諧振頻率降低了25%,小型化后的天線

12、尺寸為100mmx 100mmx 13mm14; Nasimuddin等人針對韓國設(shè)計(jì)了一種對角開槽的 UHF頻段讀寫器天線，天線尺寸為 90mmx 90mmX4.8mm15。對于寬帶 RFID 閱讀器天線，國外有一定的研究，但是其尺寸都相對較大。如文獻(xiàn) 16中，陳志 寧(Zhi Ning Chen)等研究了一種由兩個堆疊切角貼片和有連接開路終端的懸浮 微帶線組成的閱讀器天線，該天線圓極化帶寬覆蓋了全球RFID通用頻段，增益高于8dBi,性能較好，其尺寸為 250mmx 250mmx 35mm； Dongmin Shin等人 采用 Wilkinson功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了工作于840MHz9

13、60MHz和 2.35GHz2.55GHz的雙頻讀寫器天線,其尺寸為 200mmX 200mm X 20mm"。由此可見，國內(nèi)對于兼容全世界 UHF頻段的RFID讀寫器天線研究較少， 幾乎沒有考慮讀寫器圓極化的要求， 而且尺寸較大；國外對于讀寫器天線的研究 較多，也有能夠覆蓋 840MHz960MHz的寬帶圓極化讀寫器天線，但是它們的 尺寸依然較大。也就是說，目前同時滿足小型化且具有寬帶圓極化特性的“高性能”讀寫器天線的研究還很少，所以本項(xiàng)目展開對小型化、高性能的讀寫器天線 研究具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。2.2 標(biāo)簽天線研究現(xiàn)狀分析標(biāo)簽天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要仔

14、細(xì)地設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片的阻抗匹配。由于標(biāo)簽芯片的低阻抗和高容性電抗產(chǎn)生高Q值而 使得其難于與標(biāo)簽天線實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，當(dāng)工作頻率增加到超高頻或微波頻段時， 天線與標(biāo)簽芯片之間的寬帶匹配問題變得更加嚴(yán)峻。一直以來，天線的開發(fā)基本 都是基于50歐姆或75歐姆輸入阻抗。而在RFID系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗可以 是任意值，而且是實(shí)部很小虛部很大的復(fù)阻抗， 標(biāo)簽天線必須與該復(fù)阻抗共腕匹 配，所以導(dǎo)致標(biāo)簽天線的測試也存在很大的困難。另外，不同于其它天線，標(biāo)簽 天線需要粘貼或者靠近被標(biāo)識的物體上，使得物體對天線的性能有較大的影響。 尤其是當(dāng)天線粘貼于金屬表面時，如集裝箱識別、列車識別等，金屬會反射讀寫 器發(fā)射

15、的電磁波，可能導(dǎo)致對標(biāo)簽內(nèi)的信息讀取失敗，所以對標(biāo)簽天線的抗金屬 性研究非常重要。所以，小尺寸、寬頻帶、抗金屬等要求對標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)帶來 極大的挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)已經(jīng)對超高頻RFID標(biāo)簽天線進(jìn)行了大量的研究，但多數(shù)都以偶極 子天線為原型，通過彎折處理來縮小天線尺寸。王琪等研究了對于天線高度和和 寬度有尺寸限定的情況通過改變彎折角、彎折次數(shù)以及彎折深度是降低天線諧振 頻率從而實(shí)現(xiàn)天線小型化行之有效的途徑， 彎折偶極子天線與半波偶極子相比具 有更好的尺寸縮減性18,19。但是采用偶極子天線為原型的標(biāo)簽天線，由于沒有接地板，幾乎不具有抗金屬能力。所以對于抗金屬的標(biāo)簽天線必須具有接地板，以減小地板對標(biāo)簽天

16、線性能的影響。目前國內(nèi)對抗金屬的標(biāo)簽天線已經(jīng)有了一定的 研究，如文獻(xiàn)20中，莫凌飛等人采用嵌入開路枝節(jié)的微帶天線實(shí)現(xiàn)了工作頻率 為900MHz940MHz的抗金屬標(biāo)簽天線，其尺寸為 105mrK 21mrK 3mm；胡斌 杰等人采用鐵氧體磁性材料為介質(zhì)基板，利用鐵氧體材料吸收電磁波的能力強(qiáng)， 反射、折射、透射都很小的特點(diǎn)，減少金屬板對入射波的反射，使其具有抗金屬 特性，能夠工作于860MHz960MHz頻率范圍21。雖然這些天線都具有抗金屬 特性，但是其尺寸都比較大，剖面較高，同時覆蓋840MHz960MHz的寬帶小型化標(biāo)簽天線仍然很少見。國外對UHF RFID標(biāo)簽天線也進(jìn)行了大量的研究，尤其

17、是對小型化的偶極子 天線研究相對較成熟2224。文獻(xiàn)22中采用彎折偶極子天線的形式設(shè)計(jì)了尺寸僅 有30m由30m由1.6mm的UHF RFID標(biāo)簽天線。但這些天線都存在帶寬小、增 益低、不具有抗金屬特性的缺點(diǎn)。對于抗金屬的標(biāo)簽天線國外也進(jìn)行了大量的研 究,如文獻(xiàn)25中，Byunggil Yu等人采用電感耦合饋電的微帶天線形式實(shí)現(xiàn)了 工作于北美(902MHz928MHz)頻段的抗金屬標(biāo)簽天線；Hae-Won Son等人采用 耦合饋電的微帶天線形式實(shí)現(xiàn)了帶寬為49MHz的抗金屬標(biāo)簽天線26; Horng-Dean Chen等人在文獻(xiàn)27中采用彎折的微帶線形式實(shí)現(xiàn)了覆蓋 840MHz960MHz 的

18、寬帶抗金屬 UHF RFID 標(biāo)簽天線，天線尺寸為 100mm< 50mm< 0.8mm。由此可見，國外對 UHF RFID標(biāo)簽天線的研究較多，已 經(jīng)有一些實(shí)用的抗金屬標(biāo)簽天線，但是其尺寸比較大，能夠覆蓋全球RFID頻率標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽天線還相對較少，對于克服小型化、寬頻帶、抗金屬等特性的關(guān)鍵技 術(shù)仍有待研究和解決。由此可見，目前國內(nèi)外對UHF RFID標(biāo)簽天線都進(jìn)行了大量研究，但是能夠 同時兼容全球RFID頻率標(biāo)準(zhǔn)的具有小型化、寬頻帶、抗金屬等特性的“高性能” 標(biāo)簽天線仍然相對較少，其中還有很多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。 本項(xiàng)目主要結(jié)合標(biāo) 簽天線的研究現(xiàn)狀，以“小型化”和“高性能”為目標(biāo)，試

19、圖解決標(biāo)簽天線的小 型化、寬頻帶、抗金屬等關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的研究意義和科學(xué)價(jià)值。3 .專利詳細(xì)分析3.1 國內(nèi)專利情況分析通過查閱中國知網(wǎng)中的中國專利數(shù)據(jù)庫可知，以“RFID/射頻識別+讀寫器天線”為關(guān)鍵詞檢索到讀寫器天線的相關(guān)專利共12項(xiàng)。根據(jù)專利數(shù)量可知，研究RFID閱讀器天線的機(jī)構(gòu)主要是高校，如西北工業(yè)大學(xué)、大連海事大學(xué)、北京 郵電大學(xué)。他們對閱讀器天線的研究考慮其圓極化特性較少，大都考慮的線極化情況。文獻(xiàn)13中房少軍等人通過水平蜿蜒板饋電技術(shù)以及疊層切角平板配置， 使得天線圓極化頻帶覆蓋了 840MHz960MHz、輸入電壓駐波比小，適合全球任 何一個國家或地區(qū)的超高頻 RFID系統(tǒng)

20、的應(yīng)用，但是其尺寸相對較大，不利于小 型化應(yīng)用。以“RFID/射頻識別+標(biāo)簽天線”為關(guān)鍵詞檢索到標(biāo)簽天線的相關(guān)專利共69項(xiàng)。根據(jù)專利數(shù)量可知，研究 RFID標(biāo)簽天線的機(jī)構(gòu)主要是高校和企業(yè)，如華南 理工大學(xué)、北京郵電大學(xué)、嘉興佳利電子股份有限公司等。他們對標(biāo)簽天線的研 究主要在于小型化和寬帶特性，對標(biāo)簽天線的抗金屬特性研究較少。文獻(xiàn) 21中 設(shè)計(jì)一款抗金屬的寬帶標(biāo)簽天線，但是其尺寸較大。國內(nèi)對于UHF RFID閱讀器天線的研究相對較少，多數(shù)只考慮了線極化而沒 有考慮圓極化特性，而且天線尺寸較大，能夠同時兼容全球 RFID頻率標(biāo)準(zhǔn)的閱 讀器天線較少。對于UHF RFID標(biāo)簽天線國內(nèi)有了一定的研究，

21、 但能同時兼顧小 型化、寬頻帶、抗金屬特性的高性能標(biāo)簽天線較少。3.2 國外專利情況分析通過查詢中國知網(wǎng)的國外專利數(shù)據(jù)庫可知，以“RFID+Reader antenna為關(guān)鍵詞檢索到讀寫器的相關(guān)專利共 76項(xiàng)。國外對UHF RFID讀寫器天線的研究基 本都考慮了圓極化特性1417,并以微帶天線的形式為主，文獻(xiàn)28中采用微帶天 線的形式設(shè)計(jì)了一種UHF讀寫器天線，但是其尺寸較大，而且沒有覆蓋840MHz960MHz的頻率范圍。國外對于UHF讀寫器天線已經(jīng)進(jìn)行了大量研究， 但是能夠覆蓋全球UHF RFID頻率標(biāo)準(zhǔn)的小型化天線仍然較少， 對于小型化、寬 圓極化帶寬、高增益的“高性能”讀寫器天線仍然有

22、許多關(guān)鍵技術(shù)有待研究。以“RFID+tag antenna”為關(guān)鍵詞檢索到標(biāo)簽天線的相關(guān)專利共 234項(xiàng)，其 中大部分是針對某一頻率范圍設(shè)計(jì)的，沒有覆蓋 840MHz960MHz的頻率范圍， 而且尺寸較大。如文獻(xiàn)30采用三角形偶極子天線形式設(shè)計(jì)了一種小型化標(biāo)簽天 線，但是不具有抗金屬性。國外對于抗金屬的標(biāo)簽天線專利還比較少，如文獻(xiàn)31設(shè)計(jì)了一種至少具有兩個調(diào)諧枝節(jié)的抗金屬標(biāo)簽天線，通過改變調(diào)諧枝節(jié)的數(shù)量 進(jìn)行調(diào)諧。雖然國外具有抗金屬特性的標(biāo)簽天線數(shù)量相對較少， 但是相關(guān)的學(xué)術(shù) 論文卻較多2527,3234。但是能夠完全覆蓋 840MHz960MHz的頻率范圍的小型 化、寬頻帶、抗金屬的標(biāo)簽天線

23、仍然較少。綜上所述，目前國內(nèi)外都對UHF RFID讀寫器天線和標(biāo)簽天線進(jìn)行一定的研 究，但總的來說國內(nèi)的水平較國外還有一定的差距。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可知， 能夠同時兼容840MHz960MHz頻率范圍的具有小型化、高性能的閱讀器天線 和具有小型化、寬頻帶、抗金屬特性的標(biāo)簽天線仍然較少， 其中仍有很多關(guān)鍵技 術(shù)有待研究，如寬帶圓極化讀寫器天線、小型化高增益讀寫器天線、小型化標(biāo)簽 天線、標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片寬帶匹配技術(shù)、抗金屬標(biāo)簽天線等。所以，本項(xiàng)目針對目前國內(nèi)外對 UHF RFID閱讀器天線和標(biāo)簽天線的研究現(xiàn) 狀，以“小型化”、“高性能”為目標(biāo)，研究能夠同時兼容全球 UHF RFID頻段的 閱讀器

24、天線和標(biāo)簽天線，試圖解決讀寫器天線小型化、圓極化、高增益以及標(biāo)簽 天線小型化、寬頻帶、抗金屬等關(guān)鍵技術(shù)。本項(xiàng)目的開展對于UHF RFID技術(shù)從 理論到實(shí)用化的發(fā)展有重要的推動作用，同時能夠?yàn)樘炀€的小型化、寬頻帶、圓 極化、高增益等技術(shù)提供新思路，因而兼?zhèn)渲匾睦碚撗芯績r(jià)值和工程應(yīng)用前景。4 .研究內(nèi)容及擬解決的技術(shù)難點(diǎn)本項(xiàng)目緊密圍繞UHF RFID系統(tǒng)天線這一中心任務(wù)，以“小型化”和“高性 能”為目標(biāo)，研究能夠同時兼容全世界UHF RFID頻率標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器天線和標(biāo)簽 天線，通過三維電磁仿真軟件HFSS或CST與優(yōu)化算法進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，完成UHF RFID讀寫器天線和標(biāo)簽天線的仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，

25、并最終利用該閱讀器天線 和標(biāo)簽天線構(gòu)建一套完善的、可靠的 UHF RFID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。4.1 小型化高性能UHF RFID讀寫器天線隨著電路集成化程度的不斷提高，以及全世界不同地區(qū)的頻率標(biāo)準(zhǔn)各不相 同，使得UHF RFID系統(tǒng)，尤其是對應(yīng)用于其終端的天線提出了小型化、寬頻帶或多頻段的要求。由于電子標(biāo)簽的擺放位置任意，所以需要讀寫器天線具有圓極 化特性，同時為了增加對標(biāo)簽的識別距離，必須盡可能增大閱讀器和標(biāo)簽天線的 增益。因此，本項(xiàng)目的首要任務(wù)是研究小型化、圓極化帶寬較寬、增益高的高性 能讀寫器天線。擬解決的技術(shù)難點(diǎn)：小型化與寬帶阻抗匹配的矛盾當(dāng)天線尺寸縮小時，必然導(dǎo)致其帶寬較小，也就是說，天線的

26、小型化和寬頻 帶本來就是兩個相互矛盾的指標(biāo)。而全球通用的UHF RFID頻率標(biāo)準(zhǔn)要求覆蓋840MHz960MHz,頻帶較寬，而且頻率較低，要實(shí)現(xiàn)寬帶小型化較難，這是本 研究的技術(shù)難點(diǎn)之一。小型化、寬頻帶特性與輻射特性的兼顧天線作為一種輻射器件，除了考慮其傳輸特性外，更要考慮其輻射指標(biāo)。一 般情況下，天線在尺寸減小的同時會伴隨著帶寬變窄、效率降低、方向圖畸變等 性能的惡化，為了保證天線在尺寸減小、帶寬拓展的同時保持良好的輻射特性， 我們將充分的考慮天線的輻射特性， 分析天線的等效輻射源，保證天線在實(shí)現(xiàn)小 型化和寬頻帶后具有有效輻射源，以提高UHF RFID系統(tǒng)的識別距離和識別靈敏 度，這也是本研

27、究的技術(shù)難點(diǎn)之一。寬帶圓極化特性寬帶圓極化與寬帶阻抗匹配不同。寬帶阻抗匹配是指天線輸入端口的傳輸特 性，阻抗匹配越好，則帶寬越大；寬帶圓極化是指天線的輻射特性，天線輻射出 電場矢量末端的軌跡在垂直于傳播方向的平面上投影是一個圓，圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生兩個方向正交、幅度相等、相位相差 90°的線極化波。然而，采用單饋 電點(diǎn)的天線的圓極化帶寬非常窄，必須采用特殊的饋電結(jié)構(gòu)，如雙饋點(diǎn)饋電、多 饋點(diǎn)饋電和口徑耦合饋電等方法，這也是本研究的技術(shù)難點(diǎn)之一。4.2 小型化高性能UHF RFID標(biāo)簽天線與讀寫器天線相似，UHF RFID標(biāo)簽天線也需要實(shí)現(xiàn)小型化和寬頻帶，以滿 足通信系統(tǒng)的小型化和不同地

28、區(qū) UHF RFID多頻率標(biāo)準(zhǔn)的要求。另外，標(biāo)簽天線 與讀寫器天線不同，它需要粘貼在或者靠近被標(biāo)識的物體上， 物體對標(biāo)簽天線的 工作頻率、帶寬及增益等性能產(chǎn)生影響，尤其是當(dāng)標(biāo)簽標(biāo)識金屬物體時， 金屬物 體對天線的性能影響最大35,所以要求標(biāo)簽天線具有抗金屬特性。所以，本項(xiàng) 目的另一個重要任務(wù)是要實(shí)現(xiàn)具有小型化、寬頻帶、高增益、抗金屬等特性的高 性能UHF RFID標(biāo)簽天線。擬解決的技術(shù)難點(diǎn)：標(biāo)簽芯片與小型化標(biāo)簽天線寬帶匹配問題出于低成本、小型化和簡化標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的需要，標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線一般是直 接連接，其間沒有任何匹配電路。這就要求天線的阻抗設(shè)計(jì)要與芯片阻抗共腕匹 配，以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，增大U

29、HF RFID系統(tǒng)的識別距離和識別靈敏度。 而芯 片的阻抗與傳統(tǒng)的50。不同，典型值一般是實(shí)部較小(20。中4。)，而虛部較大(-409-100口)的高Q復(fù)阻抗。要在標(biāo)簽天線小型化的情況下，匹配這樣一個 高Q復(fù)阻抗，會使天線的帶寬變窄，因此寬帶RFID標(biāo)簽天線成為當(dāng)前研究的熱 點(diǎn)和難點(diǎn)。抗金屬特性超高頻波段的射頻對環(huán)境比較敏感，尤其是金屬，導(dǎo)致目前該工作頻率下的 被動標(biāo)簽無法在具有金屬表面的物體上工作，而射頻識別應(yīng)用最為廣泛的物流行 業(yè)多為金屬環(huán)境，所以標(biāo)簽天線必須具有抗金屬特性。 目前，國內(nèi)外對抗金屬的 標(biāo)簽天線已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但是具有小型化、寬頻帶特性的抗金屬標(biāo)簽天線 還很少，對于抗金

30、屬特性的研究存在很大的挑戰(zhàn)。標(biāo)簽天線輸入阻抗準(zhǔn)確測量標(biāo)簽天線一般都屬于平衡饋電形式，而且其輸入阻抗不是50口，所以采用常規(guī)的同軸電纜饋電和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀無法準(zhǔn)確測試標(biāo)簽天線的輸入阻抗，所以標(biāo)簽天線的輸入阻抗的準(zhǔn)確測量也是一個重要難題36。由于現(xiàn)有技術(shù)的待測標(biāo)簽天線端口阻抗非50。，測試過程中待測電子標(biāo)簽端口不能通過同軸電纜與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接連接。由于待測電子標(biāo)簽端口為平衡饋電方式，而同軸電纜為非平衡饋電方式，要精確測試待測標(biāo)簽天線輸入阻抗參數(shù)必須借助于平衡/不平衡轉(zhuǎn)換處理，即巴倫。另外，待測標(biāo)簽天線的端口一般工作頻率下設(shè)置為復(fù)阻抗，與 同軸電纜存在阻抗失配，嚴(yán)重影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以，設(shè)

31、計(jì)一套準(zhǔn)確測試 標(biāo)簽天線輸入阻抗的裝置也是本項(xiàng)目的一個研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：1 Klaus Finkenzeller,陳大才編譯.射頻識別(RFID)技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社， 20012 Zang Li, Chao-Hsien Chu, Wen Yao.SIP-RLTS. An RFID Location Tracking System Based on SIP.IEEE International Conference on RFID2008, pp.73-1823 Sungwoo Ahn, Bonghee Hong. Efficient Query Processing for T

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