RFID系统中小型化双频微带天线的研究

论文摘要

RFID （Radio Frequency Identification,射频识别技术）作为物联网应用中的一项关键技术,目前已被广泛应用于许多行业中。标签天线是RFID系统的重要组成部分,小型化、宽频带、多频段是其发展方向。微带天线由于其自身结构简单、加工方便、成本低等特点,被广泛用作为RFID标签天线。本文的主要工作是对贴片天线进行小型化双频研究。天线的尺寸越小,可应用的场合就越多,也越有利于天线成本的控制。天线的小型化一直是研究的热点。RFID在全球没有统一的频段标准,这是RFID面临的最大问题。研究双频或者多频工作的天线,使得一个RFID标签可以应用于多个系统也显得尤为必要。本文首先阐述了微带天线的辐射机理与分析方法,并利用传输线等效法推导出矩形贴片天线以及偶极子贴片天线的尺寸计算方法。然后利用ADS仿真软件（Advanced Design System,先进设计系统）对矩形贴片天线以及偶极子贴片天线进行仿真研究。最后设计了两款小型化贴片天线。一款是工作在2.45GHz的小型贴片天线,仿真结果表明反射损耗小于-10dB时天线的工作带宽为2.345-2.636GHz。一款是同时工作在2.4GHz和5.7GHz的小型双频印刷天线,仿真可知反射损耗小于-l5dB时天线的工作带宽分别为2.348-2.625GHz和5.367～6.475GHz。分别对这两款天线进行了加工和实测。测试与仿真结果一致,证明本文的设计方法以及仿真软件都是准确可靠的。这两款天线都能满足射频识别的需要。本文的创新点可以概括如下：1.通过采用锯齿形边缘实现了天线的小型化。用锯齿形边缘代替天线原有的直线边缘,可以增加电流的流经路径,有效减小天线的尺寸。2.小型化后,仿真结果表明天线的性能有所降低。主要原因是沿锯齿边缘,电流的流经路径会出现拐角。拐角尖端容易产生EMI（Electromagnetic Interference,电磁干扰）。为了解决此问题,本文进一步并采用圆弧边缘代替锯齿边缘,使得电流流经路径不会出现拐角。仿真表明,利用圆弧代替锯齿之后,天线的性能得到很大的提高。3.通过添加金属线和缝隙加载实现了天线的小型化和双频工作。缝隙加载是实现天线双频工作的常用方法。添加金属线可以增加天线电流的流经路径,减小天线尺寸。本文将添加的金属线放置在缝隙中,使得天线的结构更加紧凑,金属线不会额外的增大天线尺寸。4.为了进一步提高天线的性能,在缝隙加载时,采取椭圆形缝隙加载。与矩形缝隙相比,椭圆形缝隙能减小电流路径的突变。与优化前的仿真结果相比,采用椭圆形缝隙的天线在带宽,回波损耗,阻抗匹配等方面都有所改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景和意义
• 1.3 小型化贴片天线的发展现状
• 1.4 双频技术的发展现状
• 1.5 本文的研究工作
• 第二章 贴片天线的基本知识
• 2.1 贴片天线的概念及辐射机理
• 2.2 贴片天线原理
• 2.2.1 矩形贴片天线尺寸的计算
• 2.2.2 偶极子贴片天线尺寸的等效计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 贴片天线的仿真及优化
• 3.1 仿真软件的介绍
• 3.2 矩形贴片天线的仿真
• 3.2.1 利用ADS计算馈线的尺寸
• 3.2.2 对天线的初步仿真
• 3.2.3 对天线尺寸的优化
• 3.3 偶极子贴片天线的仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 贴片天线的小型化
• 4.1 矩形贴片天线利用开锯齿形边缘实现小型化
• 4.2 偶极子天线利用折弯偶极子臂实现小型化
• 4.3 贴片天线的加工与制造
• 4.4 本章小结
• 第五章 小型双频贴片天线的设计、制作、分析
• 5.1 设计指标
• 5.2 天线结构
• 5.3 软件仿真结果及分析
• 5.3.1 天线的表面电流及分析
• 5.3.2 天线的反射损耗
• 5.3.3 天线的增益和方向图
• 5.3.4 天线的尺寸
• 5.4 实测结果和分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文