毕业设计（论文）-RFID偶极子天线设计与仿真.doc

泉泉 州州 师师 范范 学学 院院 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题目题目 rfidrfid 偶极子天线设计与仿真偶极子天线设计与仿真 物理信息工程 学院 电子信息科学与技术 专业 07 级 1 班 学生姓名 学号 指导教师 职称 副 教 授 完成日期 2011 年 4 月 教务处教务处 制制 1 rfidrfid 偶极天线的设计和分析偶极天线的设计和分析 物理信息工程学院物理信息工程学院 电电子信息科学与技子信息科学与技术专业术专业 指指导导教教师师： ： 副教授副教授 【摘要摘要】：rfidrfid 偶极天偶极天线线因其具有因其具有结结构构简单简单且效率高的且效率高的优优点，且可以点，且可以设计设计成适用于全方向通成适用于全方向通讯讯的的 rfidrfid 应应用系用系统统，已成，已成为为 rfidrfid 标签标签天天线应线应用最广泛的天用最广泛的天线结线结构。本文基于构。本文基于 ansoft hfss 平台上，主要平台上，主要对对 rfidrfid 中常用的不同中常用的不同结结构的偶极天构的偶极天线进线进行分析与行分析与设计设计，并且分析影响天，并且分析影响天线线性能的因素，具有很性能的因素，具有很强强的的实实用性。用性。 【关键词关键词】：射射频识别频识别；偶极天；偶极天线线； ；rfidrfid 标签标签 2 目录目录 摘要摘要 1 1 0.0.引言引言 3 3 1.1.rfidrfid 的发展状况的发展状况 3 3 1.1 发展历史 3 1.2 国内外研究现状 4 2.2.rfidrfid 的理论基础的理论基础 4 4 2.1 rfid 的工作原理 4 2.2 rfid 系统中的天线的作用 5 3.3.rfidrfid 系统中的天线类型系统中的天线类型 5 5 3.1 线圈天线 5 3.2 缝隙（微带贴片）天线 7 3.3 偶极子天线 7 4.4.本文任务要求本文任务要求 8 8 5.5.偶极子天线仿真设计与分析偶极子天线仿真设计与分析 8 8 5.1 半波偶极子天线 8 5.2 弯折偶极子天线 .11 5.3 折合偶极子天线 .15 5.4 变形偶极子天线 .17 6.6.影响偶极子天线工作性能的因素影响偶极子天线工作性能的因素 1 19 9 7.7.总结总结 2 20 0 7.1 设计中出现的问题及处理 .20 7.2 设计感想 .20 参考文献参考文献 2 21 1 致谢致谢 2 22 2 3 0.0. 引言引言 射频识别技术（radio frequency identification ，简称 rfid）是从二十世纪九十 年代兴起的一项自动识别技术。它利用无线射频方式进行非接触式的双向通信，可达到识 别并交换数据的目的1。与传统的接触式识别技术不同，rfid 系统具有传输速率快、大批 量读取、防冲撞等特点，随着射频识别技术的成熟，rfid 技术广泛的应用于物流、交通、 零售、医疗等领域1。 根据工作频段的不同，在 rfid 系统中选用不同类型的的天线，rfid 标签天线结构对 于系统性能有至关重要的影响。但在实际应用中，由于技术的局限性，在一些领域又略显 不足，因此分析与设计偶极子天线在 rfid 系统中的应用具有很强的重要性。 1.rfid1.rfid 发展概况发展概况 1.11.1 发展历史发展历史 从信息传递的原理上来说，射频识别技术的发展是基于在低频段的变压器耦合模型， 和在高频段的雷达探测目标的空间耦合模型2。1948 年，美国科学家哈里斯托克曼的“利 用反射功率的通信”一文的发表奠定了射频识别技术的理论基础。 按照时间的发展，把射频识别技术的发展划分如下： 19401950 年：雷达的发展与应用催生了射频识别技术，1948 年射频识别技术的理论 基础得以奠定。 19501960 年：处于早期探索阶段，主要是在实验室实验研究。 19601970 年：射频识别技术理论得到发展，开始了一些初步应用尝试。 19701980 年：射频识别技术与产品处于得到大力发展时期，测试各种射频识别技术 的实验得到加速，并出现了最早的射频识别应用。 19801990 年：射频识别技术及产品进入商业化应用阶段，各种规模的应用逐步出现。 19902000 年：射频识别产品的广泛采用使得射频识别技术标准化问题得到重视，射 频识别产品已经成为人们生活中的一部分。 2000 年后：标准化问题日趋为人们所重视，已形成初步标准化体系，射频识别产品种 类也更加繁多，有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签均得到大步发展，电子标 4 签的成本不断降低，应用规模和应用行业逐步扩大2。 至今，射频识别技术的理论已经较为完善。射频识别产品种类也更加丰富，单芯片电 子标签识读、多芯片电子标签识读、无线电子标签读写、无源电子标签的远距离识别、适 用高速移动物体的各种射频识别技术与产品正在逐步实现并走向规模应用2。 1.21.2 国内外研究发展现状国内外研究发展现状 从 rfid 技术发展来看，rfid 产业在国外发展得较早，从整个世界范围来看，美国、 英国、德国、瑞典、日本以及韩国等国家目前均有较先进 rfid 系统，且应用的技术也较为 成熟。其中，在系统应用中，低频段近距离 rfid 系统主要集中在 125khz、13.56mhz 频率； 高频段远距离 rfid 系统主要基于在 uhf 频段的（902mhz-928mhz) 915mhz、2.45ghz、5.8ghz 频点2。uhf 频段的远距离 rfid 系统在北美地区得到了很好的 发展，其技术标准也较为领先，特别是在美国政府的大力推动下，美国建立了 rfid 标准体 系，其相关软硬件的技术的开发和应用领域也均走在世界前列；欧洲地区的应用主要集中 在有源 2.45ghz 系统1，在封闭系统应用方面上，基本能有美国走在同一层次，其 rfid 标 准紧随着由美国主导的 epcglobal 标准；5.8ghz 系统则在日本和韩国有较为成熟的有源 rfid 系统，但是成为国际标准还有一段很长的路要走。 rfid 技术在我国的发展还较为落后，相较与欧美等发达国家或地区，我国在超高频 rfid 方面还缺乏关键的核心技术，技术相对欠缺。但是我们同时应认识到，虽然我国在 rfid 产业起步较晚，但是发展较快，近来来，已逐步具有了自主开发、生产低频、高频与 微波电子标签与读写器的技术以及系统集成的能力2。目前，我国的北京、上海、广东这 三个地区已成为我国 rfid 产业发展的领头羊和主导力量，已出现一批具有自主知识产权的 创新型企业。rfid 作为一项迅速发展的新兴技术，将广泛的应用于社会生活中的各个领域， 在我国具有良好广阔的发展和应用前景。 2.2.rfidrfid 的理论基础的理论基础 2.12.1 rfidrfid 的工作原理的工作原理 射频识别系统主要包括以下两个部分，一是读写器（target)，二是电子标签(或称射 频卡、应答器等)，另外还应包括天线，后台计算机等3。在具体的实际应用过程中，我们 可以根据不同的应用目的和应用环境，组成有所不同的 rfid 系统，但从 rfid 系统的基本 5 工作原理上来看，系统主要由信号发射机、信号接收机、天线这几部分组成，其原理也是 一样的4。 图 1 rfid 系统原理框图 rfid 系统的工作原理是：首先，由标签进入读写器发射频场后，接收到由阅读器发出 的特殊射频信号，之后天线将凭借获得的感应电流升压电路，作为能量，此时发送出存储 于芯片中的信息，或者主动发送某一频率的信号，而阅读器经过逻辑电路，读取并解码信 息后，送至中央信息系统进行相关数据处理，完成了这样一个过程。 2.22.2 rfidrfid 系统中的天线的作用系统中的天线的作用 从 rfid 技术原理上来看，整个 rfid 系统的性能就是关键于 rfid 标签天线的性能。 rfid 系统运作的一个重要的环节就是数据和能量传输的环节，而射频信号的通信其基本工 作原理就是通过阅读器天线和标签天线的空间耦合进行传递4。一方面，rfid 标签芯片启 动电路开始工作时需要天线在读写器发射频场中获得足够的能量；另一方面来说，天线的 选择决定了标签与读写器之间的通信信道和通信方式3。因此，天线在整个 rfid 系统中 扮演着重要的角色，rfid 标签天线的性能也就成为整个 rfid 系统的性能的关键。 3.3. rfidrfid 系统中的天线类型系统中的天线类型 6 在 rfid 天线常见类型中，主要有线圈型天线、缝隙（包括微带贴片）型天线、偶极子 型天线三种基本形式。在这其中，线圈型天线的定义就是将金属线盘绕成平面或将金属线 缠绕在磁心上而做成的天线5，在实际应用中，线圈型天线一般是用于近距离应用系统的 rfid 天线众，应用的距离一般小于 1m；缝隙型天线是由金属表面切出来的凹槽构成一种天 线，其中，微带贴片天线是由一块末端带有矩形的电路板，再由金属表面切出来的凹槽构 成的，矩形电路板的的长度决定其频率的范围；偶极子天线就是由两端粗细和等长的直导 线排成一条直线构成的，也是最基本的天线，天线的信号由中间的两个端点馈入，频率范 围由偶极子天线的长度决定4。采用缝隙（包括微带贴片）型天线或偶极子型的 rfid 天线 一般是应用距离达到 1m 以上的远距离的系统，它们工作频段集中在高频或微波频段。 3.13.1 线圈型天线线圈型天线 当线圈型天线进入读写器产生的发射频场，由于受到交变磁场的影响，读写器与 rfid 天线之间就相当于变压器的相互作用，此时，二者的线圈就类似于变压器的初级线圈和次 级线圈4。如图 2 所示为应答器的等效线路图，在 rfid 的线圈天线形产生的谐振回路中， 包括有 rfid 天线的线圈电感、寄生电容（cp）以及并联电容(c2) ,谐振频率： l （式中 c 为cp和 c2 的并联等效电容） 。 lc f 2 1 图 2 等效电路图 读写器和标签的双向通信使用的频率就是。当要求标签天线线圈外形尺寸很小,又f 7 需求具有一定的工作距离,读写器与标签之间的天线线圈互感量(m)就无法满足实际需求,所 以我们可以在标签天线线圈内部插入具有高导磁率()的材料,通常为铁氧体材料，用以增 大互感量,从而解决了补偿线圈横截面小的问题5。 3.23.2 缝隙（微带贴片）天线缝隙（微带贴片）天线 缝隙天线具有轮廓低、重量轻、易于加工、易与物体共形、电性能多样化、使宽带与 有源器件和电路集成为一体的组件等特点,能简化整机的制作与调试,特别适用于高速飞行 体，也教容易组成阵列天线。 图 3 微带天线 微带贴片天线是由导体薄片粘贴在带有金属底板介质基片上所形成的天线,如图 3 所示， 我们可以根据天线的实际应用和辐射特性,将贴片导体设计为各种形状。通常贴片天线的导 体薄片与金属导体接地板的距离为几十分之一波长,天线的散射截面小，天线的辐射基本是 由贴片导体开路边沿的边缘场所引起的,因此辐射方向基本确定,能得到单方向的宽瓣方向 图，一般用于包括卫星通信、雷达、制导武器等 rfid 应用系统中5. 3.33.3 偶极子天线偶极子天线 在远距离耦合的 rfid 应用系统中（应用距离 1m 以上）,用的最广泛的是偶极子天线。 如图 4 所示，偶极子天线由两段等长等粗细的直导线排成一条直线所构成的,当天线的信号 从中间的两个端点馈入时,偶极子的两臂上就会产生一定的电流分布,天线周围空间就被分 布的电流激发，形成了电磁场。 8 图 4 偶极子天线 当偶极子的单个振子长度 l=/4 时(半波振子),输入阻抗的电抗分量为零,这时候，偶 极子天线的输入阻抗就可以视为一个纯电阻.忽略天线的横向影响,偶极子天线就可以设计 为取振子的长度 l 为 /4 的整数倍5。偶极子天线具有辐射能力好、结构简单、效率高的 优点,可以设计成适用于全方位通信的 rfid 系统,因此是目前被应用最为广泛的 rfid 标签 天线。 4.4. 本文任务设计要求本文任务设计要求 本文任务是基于在 ansoft hfss 软件上设计和分析 rfid 偶极子天线，偶极子天线具有 结构简单以及效率高等优点，且可以设计成适用于全方向通讯的 rfid 应用系统，已成为 rfid 标签天线应用最广泛的天线结构，研究 rfid 偶极子具有较高的现实意义。天线的中 心频率是 2.45ghz（国际工业医疗研究自由频度）,利用 ansoft hfss 软件，对不同结构的 偶极子进行仿真设计，通过得到的仿真结果进行性能比较，得出偶极子天线的最佳结构以 及分析天线的影响因素。 5.5. 偶极子天线的仿真设计与分析偶极子天线的仿真设计与分析 5.15.1 半波偶极子半波偶极子 半波偶极子天线就是指天线的的长度为半个波长，由于半波偶极子是基本的天线结构, 所以很多天线都是在半波振子的基础上设计的。 半波偶极子天线的模型及参数图如图所示，图 5-1-1 为为天线模型的仿真图，偶极子 天线位于充满空气的立方体中心，采用铜材料(电导率:5.8e7 s/m,磁导率:1)的半波振子. 在立方体外表面设定辐射边界.输入信号由天线臂的中心处馈入.对应于 2.45 ghz 的工作频 率，天线的波长约为 122mm,设偶极子天线臂宽 w 为 0.5 mm,由于天线臂宽的横向影响,实 际仿真的半波偶极子天线臂长度为 2l=57mm，各振子的长度 l=28.5mm。 9 图 5-1-1 半波偶极子天线模型图 在 ansoft hfss 软件平台上,对该天线进行仿真,获得的反射系数曲线图如图 5-1-2 所 示,远场增益方向图如图 5-1-3 所示，三维立体方向图如图 5-1-4 所示.天线输入阻抗约为 50,天线在电压驻波比小于 2.0 时的阻抗带宽为 14.3%，半波偶极子天线在 2.45mhz 处天 线的 s11为-16.3db，天线最大增益为 1.3db。 图 5-1-2 半波偶极子反射系数曲线图 10 图 5-1-3 半波偶极子远场增益方向图 图 5-1-4 半波偶极子三维立体方向图 11 5.25.2 弯折偶极子天线弯折偶极子天线 对于直线对称振子，当0.625 时，由于在臂上出现了反向电流，导致方向瓣分/l 裂，垂直振子方向上的辐射减弱，天线增益下降。如果将振子臂的形式改成折线或曲线， 利用多线元之间射线的波程差引起的相位差来补偿电流的相位差，则=0.75 的曲线振/l 子可降低副瓣，增强在振子对称轴方向的辐射，从而得到较高的增益2。 因此在半波偶极子天线的基础上，我们提出了一种尺寸缩减特性的偶极子天线-弯折 偶极子天线，如图 5-2-1 为弯折偶极子的示意图,弯折次数 n 分别为 0,1,2,3,4。当 n=0 即 是典型的半波偶极子天线，天线各振子的长度 l=28.5mm，且天线臂上的各个线元长度及间 隔均相等，为 4.5mm。天线的设计就是要通过选择合适的曲线弯折次数、高度、角度等参 数来获得相匹配的输入阻抗，调节谐振频率，并达到尺寸缩减的作用。 图 5-2-1 弯折偶极子天线示意图 12 图 5-2-2 n=4 弯折偶极子天线模型图 图 5-2-3 n=1 弯折偶极子反射系数曲线图 图 5-2-4 n=2 弯折偶极子反射系数曲线图 13 图 5-2-5 n=3 弯折偶极子反射系数曲线图 图 5-2-6 n=4 弯折偶极子反射系数曲线图 表 1 弯折偶极子天线参数列表 弯折数 n谐振频率 /ghz 谐振点 s11 参数/db 谐振点增益 /dbi 0 2.45 -16.3 1.3 1 2.25 -22.6 1.15 2 2.11 -30.2 1.08 3 1.974 -38.3 1.02 4 1.85 - 30.2 1.07 14 图 5-2-7 n=4 弯折偶极子曲线图 由图 5-2-3、5-2-4、5-2-5、5-2-6 和表 1 显示的结果可以看出，在不改变弯折偶极子 天线两个振子的长度下，当 n=1 时，天线的谐振频率比 n=0 时下降了 200mhz；n=2 时，天 线的谐振频率比 n=1 时下降了 140mhz；n=3 时，天线的谐振频率比 n=2 时下降了 126mhz；n=4 时，天线的谐振频率比 n=3 时下降了 124mhz。由此我们得出，随着弯折次数 n 的增加，弯折偶极子天线的谐振频率逐渐下降，但是下降的趋势逐渐减缓。谐振点的阻 抗也会随着弯折次数 n 的增加而逐渐下降，下降趋势基本与谐振频率保持一致3。因此， 用增加弯折次数的方法可以有效地降低天线的谐振频率,控制天线的输入阻抗，同时由图 5-2-7 得出，与半波偶极子相比较而言,弯折偶极子天线的远场增益方向图基本保持不变4。 因此，与半波偶极子天线相比,弯折偶极子天线结构具有理想的尺寸缩减特性,通过改 变弯折次数,可以有效地调整天线谐振特性，弯折偶极子天线是实现 rfid 标签天线小型化 的有效途径。同理，通过改变弯折高度 h 和增加弯折角度同样可以改变天线的谐振参数， 也具有较好的尺寸缩减特性2。 15 5.35.3 折合偶极子天线折合偶极子天线 很多年来，天线设计一般都是与 50或 75相匹配，而在 rfid 的实际应用中，标签 天线的阻抗可能不再是 50或 75，天线具有自身的固有阻抗。所以，在小尺寸、低成 本等条件的限制下，要使标签天线能与电路达到良好的阻抗匹配是具有一定的挑战性5。 针对这样的问题，如采用图 5-3-1 的拆合偶极子天线，对于要求达到较高的输入阻抗电路， 就可以只要通过优化天线的几何尺寸就能达到较好的阻抗匹配，与电路相匹配6。 在折合偶极子天线中，两个折叠线实际取代了一般偶极子天线的直线，折合偶极子天 线本质上是相当用无感电阻相互连接且两端折叠的环型天线。这种结构的设计提供了阻抗 调整的空间，特别是输入阻抗，天线的几何参数的设计就确定了天线的变化阻抗，而与带 宽的关系不存在关系6。 折合偶极子天线的模型和仿真图如图所示，图 5-3-2 为天线的模型图，中心频率取 2.45ghz，振子的长度 l=/2,间隔 d。 图 5-3-1 折合偶极子天线示意图 16 图 5-3-2 折合偶极子天线模型图 折合偶极子阵子具有较高的输入电阻，这与它的特殊结构有关，等粗细折合振子的输 入电阻等于半波阵子输入电阻的 4 倍。因此折合振子具有高输入电阻的突出特点。实际工 作中不一定刚好要求折合振子的输入电阻式半波振子的 4 倍，这时候就可以采用不等粗细 折合振子结构5。 图 5-3-3 折合偶极子天线远场增益方向图 17 图 5-3-4 折合偶极子天线三维立体方向图 折合振子除了输入电阻大的优点之外，而且为它的横截面积较大，相当于直径较大的 振子，而振子越粗，等效特性阻抗越低，输入电阻就能随着频率的变化比较平缓的变化， 非常有利于在宽频带内保持良好的阻抗匹配，所以折合振子还具有工作带宽相较于普通的 半波振子宽的优点7。实验证明，如果 d 值选得大一些，不仅容易加工，而且工作频带较 宽，但是 d 值如果选择太大，这个时候两个窄带将产生辐射，反而会使天线增益下降，方 向性变坏，故通常取 d=（0.01-0.03）5。 折合偶极子天线的设计不仅达到了缩减了天线的尺寸目的，而且具有了所需要的输 入阻抗能通过选择合适的几何参数轻易获得的优点，这对特殊阻抗需求的 rfid 标签天线的 设计是非常有价值的。在实际应用中，常把折合振子用于引向天线，通过实验可以证明， 折合振子能把引向天线的输入电阻扩大了 k 倍。因此折合振子在引向天线中被广泛地用作 有源振子5。 5.45.4 变形偶极子天线变形偶极子天线 基于半波偶极子天线的基础上，为了获得天线的全方位辐射,可以将天线做适当的变 化。如图 5-4-1 所示，本文提出了在偶极子天线臂末端垂直方向上延长.经过这样的4/ 改变之后，天线总长度为 114 mm,天线臂宽仍然为 0.5mm. 图 5-4-1 变形偶极子天线示意图 当天线臂延长 /4 后,整个天线谐振于一个波长,而就不是原来的半个波长.这就使得 天线的输入阻抗大大地增加. 在 ansoft hfss 工具平台上,对该天线进行仿真，得到的结果 18 如图所示，图 5-4-2 为天线的模型图，图 5-4-3 为远场增益方向图。电压驻波比(vswr)小 于 2.0 时的阻抗带宽为 12.6%,增益为 1.42,该天线可以满足大部分 rfid 应用系统的要求。 图 5-4-2 变形偶极子天线模型图 19 图 5-4-3 变形偶极子天线远场增益方向图 图 5-4-3 变形偶极子天线三维立体方向图 6.6. 影响偶极子天线工作性能的因素影响偶极子天线工作性能的因素 标签天线设计是受很多条件制约的，从实际中来讲，电子标签可以设计成附着在各 种材料上，如金属、塑料甚至玻璃等等。这些本身具有各种特性的物质对电子标签天线的 性能有较大的影响，因此如何设计出能附着在不同物质上的高性能标签是目前 rfid 行业的 难题。而从结构上来考虑，标签天线本身的结构也是设计中需要重点考虑的问题，如天线 的形式、天线的尺寸、馈点的位置、弯曲程度等等2。 从微观上入手，一一分析天线的结构造成的影响。首先，天线尺寸是一个不可忽略的 重要因素。不同的尺寸对已同一结构同一应用环境的天线应用是不同的甚至是巨大的，因 此在设计过程中要根据设计需要，并且综合考虑多方面因素，达到最优尺寸的设计目的4。 另外在天线的设计中，要尽量使天线单元的输入阻抗与负载相近，以减小驻波，增大 天线的效率，这就要求对较好的馈电位置的选择。不同馈电位置偶极子天线输入电阻差别 20 比较大，发生谐振的频率和个数各不相同。而且，馈电点距离单元中心越远，输入阻抗的 峰值出现的频率越大8。 最后，在实际生活中，工作在超高频（uhf）频段的 rfid 标签大多采用对称振子线天 线且一般附于软衬底上。标签天线有可能会发生折叠、弯曲等随形变的现象2。结构的扭 曲变形达到某种程度就会改变标签天线的性能，所引起的天线性能的变化可能会对 rfid 系 统产生不利的影响，因此形变在天线结构设计的实际应用中是值得考虑的。 7.7. 总结总结 7.1 设计中出现的问题及处理 在整个设计过程中，一开始由于没有详细的阅读有关文献资料，以致在 ansoft hfss 软件的仿真中，出现了天线模型，尺寸选择方面上的难题，耗费了大量的时间。在第一次 完成建模之后，又发现所得出的方向图有偏差，经过老师的悉心指导以及查阅资料后，发 现了是由于激励端口的材质选择错误，导致仿真结果达不到原来的预期效果。在经过多次 重复的仿真过程后，对设计的不断熟悉，并且逐渐摸索出设计的方法，得到了较为良好的 效果，达到了预期目标。 7.2 设计感想 这是我的的毕业设计，也是我大学四年的最后一份作业。 在整个毕业设计过程中，设计给我带来的是，不但但是巩固了在大学 4 年内学过的知 识，尤其是天线的微波技术和电波传播方面的知识，同时通过这次毕业设计提高自己的思 维和逻辑能力，通过软件的运用增强了动手能力以及获得一些经验，从中了解并克服了自 己在知识领域的不足和缺陷。 另外，由于实践及理论方面都存在不足，设计仍存在一些问题，技能日后有待提高， 实践与理论知识还要继续巩固加强。 21 参考文献：参考文献： 1 丁建.射频识别技术在我国的应用现状与发展前景j.射频世界,2010,5:52-55. 2 尚丹.偶极子天线在电子标签中的应用研究j.大连海事大学学报.2007,3(14):4-58. 3 金颖妮,郑正奇,王秀贞等.rfid标签天线的研究现状及热点问题探讨j.电信科学, 2008,8(2):70-73. 4 陈华君,林凡,郭东辉等.rfid 技术原理及其射频天线设计j.厦门大学学报, 2005,