矿用RFID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。由于煤矿作业环境的特殊性,以及矿难的不断发生,井下安全生产以及人员的管理和营救一直是困绕人们的重大难题。因此,研究用于矿井下的新型RFID系统,对于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朋极其重要的意义。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。本文首先简要地回顾了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,对阅读器天线和标签天线进行了仿真、优化、设计制作以及性能测试等工作。论文的主要工作包括以下几个方面：1、根椐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、为天线的小型化提出了一种改进的Minkowski分形结构,采用同轴馈电方式。在仿真和优化设计中,运用双层结构改善了带宽,满足了矿井人员定位系统对RFID天线带宽的要求；3、通过对常用标签天线的分析仿真,确定了井下标签天线的结构。完成了射频模块及匹配网络电路的设计。通过弯折偶极子和镜像补偿结构,使标签印刷偶极子天线实现了小型化与双频特性。4、制作了标签和阅读器天线的实验样品,对天线谐振特性和增益的测试结果表明,天线的各项指标可以满足井下特殊环境的要求。5、对仿真结果和测试结果之间的误差进行了分析。木文的小型化矿用RFID分形标签天线结构紧凑、体积小,性能稳定,不仅可在矿井下应用,而且于成本低,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天线分类
• 1.3.2 RFID天线研究现状与进展
• 1.3.3 RFID天线的性能指标
• 1.3.4 RFID天线研究中的一些难题
• 1.4 本文主要工作及论文内容安排
• 第二章 微带天线
• 2.1 微带天线
• 2.1.1 微带天线的定义和结构
• 2.1.2 微带天线的优缺点与应用
• 2.2 微带天线工作原理
• 2.2.1 微带天线辐射机理
• 2.2.2 微带天线馈电方法
• 2.3 微带天线的数值分析方法
• 2.3.1 矩量法
• 2.3.2 有限元法
• 2.4 微带天线的宽频带技术
• 2.5 小结
• 第三章 分形读写器天线的仿真与优化设计
• 3.1 读写器天线的设计要求
• 3.1.1 系统频率的选择
• 3.1.2 读写器天线的设计指标
• 3.2 天线尺寸的计算
• 3.3 分形天线的设计
• 3.3.1 经典分形结构的迭代生成
• 3.4 本章小结
• 第四章 标签天线的仿真与优化设计
• 4.1 标签天线的设计要求
• 4.1.1 标签天线与RFID芯片的匹配理论
• 4.1.2 匹配网络电路设计
• 4.2 标签天线的选择
• 4.2.1 片状对称阵子天线
• 4.2.2 印刷倒F单极天线
• 4.2.3 印刷折合偶极子天线
• 4.3 双频偶极子天线的设计
• 4.4 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 远场天线测量系统与增益测量
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文和科研情况