抗金属UHF RFID标签天线的研究与设计

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随着物联网技术的快速发展,作为其关键技术之一的RFID技术受到越来越广泛地应用,对RFID系统性能的要求也越来越高,尤其是对基于电磁波反向散射原理的UHF RFID系统更是如此。但是,在很多应用中,RFID标签需要贴附于金属物体表面,具有类偶极子天线的普通无源超高频RFID标签应用于金属表面时,性能会急剧下降,甚至不能被有效读取。为了解决超高频RFID标签应用于金属表面的问题,本文首先分析了普通标签天线应用于金属表面性能恶化的原因,并以偶极子天线为例在HFSS软件中进行仿真、分析,实验结果表明:当类偶极子天线靠近金属表面时,其参数特性(阻抗值、回波损耗、辐射特性等)均受到了严重的影响,从而导致天线无法实现正常工作。   本研究通过对抗金属标签天线的理论性研究,设计了两种抗金属UHF RFID标签天线。首先,完成了无源抗金属UHF RFID标签天线的设计。该天线采用微带贴片天线结构,具有结构简单、低剖面等优点,并且引入了电感耦合的馈电方式,通过调节馈电环的尺寸以及馈电环与天线辐射体间的距离改变天线的阻抗特性,另外,将天线辐射体设计为内、外两个相互独立的部分,分别与馈电环进行耦合,使其在中心工作频率附近形成两个相邻的谐振峰,从而有效地增加了天线的带宽。该天线采用廉价的FR-4基质,避免了使用短路针与短截片的设计,实现了低成本的设计目标。经过加工制作,并对样品进行测试得到:此标签天线工作在自由空间中和金属环境物体表面的最大阅读距离分别为4.2米和3.8米(EIRP=4w),达到了预期设计目标。其次,完成了太阳能电池供电的抗金属UHF RFID标签天线的设计。该设计中将太阳能电池作为一个寄生单元引入到抗金属标签天线设计,天线结构采用了垫高泡沫的方法,增大天线与金属物体表面间的距离来降低金属对标签天线的影响,通过HFSS软件仿真,该天线可以很好地适用于金属物体表面。经过加工制作,并对样品进行测试得到:当RFID标签处于无源工作状态时,其应用在金属表面的最大阅读距离为3.3米(EIRP=4w);而当太阳能电池供电时,其最大阅读距离可以达到10米左右(EIRP=4w),达到了预期设计目标。
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