矿用RFID分形天线的设计与研究

论文摘要

随着无线通信的不断发展,射频识别技术(Radio Frequency Identification,简称RFID)得到了广泛的应用,实现方式各异的射频识别系统进入各种具体的应用场合。目前,各种矿难事故的频繁发生,给人民的生命和财产安全构成巨大的威胁。因此,研究用于矿井下的新型RFID系统,对于正确记录井下矿工人数,保障矿工生命安全和指导各项营救措施的进行具有极其重要的意义。这使得作为RFID系统关键部件的天线设计和研究变得非常重要和迫切。实际上,RFID天线技术的发展对RFID技术的成熟和广泛应用具有理论意义和实用价值。本文首先简要地介绍了RFID技术的相关知识,说明了RFID系统的工作原理和研究热点,并对RFID系统天线的技术指标以及研究状况进行了分析和讨论。然后以矿井人员定位系统为应用背景,根据井下环境以及系统的工作特点,选择合适的分形结构对标签天线和阅读器天线进行了仿真、优化、设计制作以及性能测试等工作。作者的主要工作包括以下几个方面:(1)根据电磁波在矿井巷道传播的衰减特性以及设备具有防爆性等要求的分析与研究,确定了2.4GHz作为系统的频率。(2)设计了一款结构紧凑、体积小、性能稳定的分形标签天线。首先,给出了射频模块以及其匹配网络电路的设计,提出了标签天线的设计要求。然后,通过对印刷倒F单极天线以及印刷Hilbert分形单极天线的仿真研究,确定了标签天线的结构。最后对Hilbert分形倒F单极天线进行仿真与优化设计。(3)在阅读器天线设计方面,首先提出了设计要求,然后给出了一种改进的分形结构,分别采用同轴馈电和缝隙电磁耦合馈电对分形天线进行仿真与优化设计,发现后者更适合矿井人员定位系统对RFID天线带宽的要求。(4)针对前面所设计的标签天线和阅读器天线制作出了实验样品,并利用实验室现有的实验条件,对天线谐振特性和增益进行了测试工作,找出误差原因。最后,利用走廊模型来模拟矿井巷道内的传播环境,对所制作的天线进行了简单的实地测量。本文分析并设计的RFID分形标签天线的应用背景虽然是在矿井下,但由于其具有结构紧凑、体积小、性能稳定等特性,而且成本低,同样适合用于需要大批量标签的应用场合,如集装箱、无停留收费系统等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 无线射频识别技术简介
• 1.2.1 RFID技术的发展历程及现状
• 1.2.2 RFID系统的组成及工作原理
• 1.2.3 RFID技术的研究热点
• 1.3 RFID系统天线及其研究状况
• 1.3.1 RFID天线的性能指标
• 1.3.2 RFID天线国内外研究动态
• 1.4 论文研究内容及结构
• 第二章 分形理论与分形天线
• 2.1 分形理论简介
• 2.1.1 分形的定义
• 2.1.2 分形维数
• 2.1.3 分形结构的描述语言
• 2.2 分形天线的研究方向
• 2.2.1 分形天线的小型化研究
• 2.2.2 分形天线的多频段研究
• 2.2.3 分形天线的最新研究进展
• 2.3 分形天线的分析方法
• 2.3.1 有限元法
• 2.3.2 Ansoft HFSS软件简介
• 2.3.3 分形天线仿真实例
• 2.4 本章小结
• 第三章 分形标签天线的仿真与优化设计
• 3.1 标签天线的设计要求
• 3.1.1 系统频率的选择
• 3.1.2 匹配网络电路设计
• 3.1.3 标签天线设计要求
• 3.2 天线结构的选择与分析
• 3.2.1 印刷倒F单极天线
• 3.2.2 印刷Hilbert分形单极天线
• 3.3 Hilbert分形倒F标签天线的设计
• 3.3.1 天线结构设计与分析
• 3.3.2 几何参数对天线性能的影响
• 3.3.3 Hilbert分形倒F天线仿真与优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 分形读写器天线的仿真与优化设计
• 4.1 读写器天线的设计要求
• 4.2 分形结构的选择
• 4.2.1 经典分形结构的迭代生成
• 4.2.2 分形结构的生成
• 4.3 同轴馈电的分形微带贴片天线
• 4.3.1 介质板材料的选择
• 4.3.2 贴片尺寸的确定
• 4.3.3 天线的仿真与优化设计
• 4.4 缝隙耦合分形微带贴片天线
• 4.4.1 缝隙电磁耦合馈电技术
• 4.4.2 天线结构及其等效电路分析
• 4.4.3 天线的仿真与优化设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 天线性能测试
• 5.1 RFID天线的制作
• 5.2 RFID天线的性能测试
• 5.2.1 天线谐振特性的测量
• 5.2.2 天线增益的测量
• 5.3 模拟矿井巷道的测试
• 5.3.1 巷道中电磁场衰减特性的定量分析
• 5.3.2 模拟矿井巷道的天线性能测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文和科研情况