天线与电波传播论文.doc

1、天线与电波传播论文射频识别系统微带天线院系：信息工程学院专业：通信工程班级：四班姓名：鲁泽华学号：20082420422射频识别射频识别，英文为Radio Frequency Identification， 简称为RFID，是非接触的自动识别技术。射频识别系统在国外发展的很快，譬如美国德州仪器公司、法国INSIDE 公司、Phillips 公司、Motoro1a 公司等等世界著名厂家都生产RFID产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，也将在中国很快地普及。我国射频识别产品的市场是十分巨大的，举一个例子来说明，利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统

2、是将来的发展方向，人工收费包括IC 卡的停车收费方式也终将被淘汰。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理；车辆防盗等等。射频识别系统主要包括电子标签（应答器）、读写器。其中，读写器的天线在RFID系统中起着关键作用。当前国内关于RFID的研究都集中在频率为125kHz、134kHz 的低频和13.56MHz 的高频系统。在更高频段的微波波段，则少有人研究。由于RFID 卡的廉价、尺寸限制使得一般的天线如：螺旋天线、喇叭天线、反射面天线等都

3、不适合，廉价、剖面低、重量轻、体积小、易共形、易制作的微带天线成为更好的选择。T. Razban 等研制了一种应用于无源车载电子标签的双频贴片微带线。Nichi Konno 等研制了一种应用于2.45GHz 门控系统电子射频识别卡的圆极化贴片天线阵，Cryil Luxey 等研制了一种应用于DSRC 的后向反射式缝隙耦合贴片天线阵。上述天线由于采用双频工作占用较多频带，而工作距离较短，只有34 米，或使用微波本振源使得RFID 卡价格较贵。微带振子天线，又称为印刷振子或印刷偶极子，是微带天线中除了微带贴片外的又一类微带辐射元。文献是基于微带阵子的原理研制应用于RFID 卡的菱形环路圆极化有源微

4、带天线，用于5.8GHz 的频段。应用于识别、管理、收费等领域的微波RFID 系统大多工作在915MHz、2.45GHz和5.8GHz 频段。本文结合具体的实际应用，对读写器的天线进行了研究，采用矩形贴片天线模型和三角形贴片天线模型进行设计，根据Ansoft HFSS 仿真软件进行了仿真，研究线极化和圆极化标签天线，实现了工作频率为915MHz 的天线，给出软件理论分析结果。射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动识别技术。RFID 技术兴起于20 世纪80 年代，由于超大集成电路技术的发展，90 年代才进入实用化阶段。RFID 系统

5、采用了无线电与雷达技术，数据交换不是通过电流的触点接通而是通过电场与磁场，即通过无线的方式通信。与其他的识别方式相比，RFID 技术能对移动的多个项目进行识别，因而应用更广泛。RFID 技术的实现主要由以下三个部分组成：存储信息的应答器(电子标签)、标签读写器、后台数据库处理系统。RFID 的关键技术着眼点在于采用什么技术来实现标签信息的可靠读出。读写器的硬件设计是RFID 系统设计中的关键部分。工作频率为915MHz 的RFID 读写器天线为本论文研究的重点。使用嵌入式系统进行标签读写器设计是其中的一个关键部分，优点在于可以提高标签的读取速度和工作效率。由于嵌入式处理器在多事件处理能力方面有

6、51 系列不可比拟的优越性，可以大大提高标签读取的能力和可靠性。据国外有关设计公司实际测试，使用嵌入式处理器，可以将标签的有效读出次数从30 次/秒左右提高到300-400 次/秒，大大提高了工作效率。提高系统的集成度，利于产品小型化。一般来讲，一颗嵌入式处理器都具有丰富的外部接口，像网络接口、RS232 接口、USB 接口、I2C、SPI 等，这样可以大大减少设计时使用的外围芯片数量，提高系统集成度，利于产品小型化,提高产品的可扩展性，缩短后续产品的设计周期。嵌入式处理器和操作系统的另一个优点是可裁剪性。设计时，可以根据实际需要增加或删除某种功能，最大限度地满足用户的需求，对产品的设计的连续

7、性、多样性以及缩短后续产品的研发周期都有很大的好处。但是，使用嵌入式系统进行标签读写器设计也有其缺点，第一是前期投入成本增加。与51 系列不同，嵌入式处理器需要在特定的开发平台下进行设计，而该开发平台一般需要购买。目前，市场上比较流行的开发系统有Linux、VxWorks、Win CE 等。价格一般在几万到几十万人民币不等。第二是对设计人员的技术要求提高。对于设计人员来讲，如果以前从事51 系列的研发，现在需要使用嵌入式设计平台进行新产品的设计，则需要有一个熟悉和适应的过程。这样就对设计人员提出了更高的要求。读写器主要由天线、射频模块和主控模块三部分组成。射频模块发送部分产生射频信号及射频能量

8、产给无源应答器提供能量；接收部分对由天线接收的反射调制信号进行解调、放大及滤波；主控模块控制与应答器的通信过程；与主机应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令。工作频率为915MHz 的RFID 系统采用无源反射调制技术，应答器以一定的调制方式将自身的数据调制到射频信号上，并反射回去。天线是RFID 中非常关键的技术。常见的射频天线有近场耦合线圈天线、半波对称振子天线、矩形微带天线等。重量轻，体积小，成本低，便于和集成电路相兼容，封装简单，这些突出的优点使得微带天线的应用越来越广泛。对微带天线的主要封装方式就是平面介质加盖。因此封装特性考察的主要内容就是不同形状、不同厚度、不同介电常数的介质

9、平面对于微带天线性能的影响，或者进一步地考虑两层以上介质的平面封装模型。为了保持接收信号的稳定，终端功率控制方案也是一项关键技术。典型的射频识别系统典型的射频识别系统由应答器（Transponder）1、读写器（Read/Write Device）以及数据交换、管理系统等组成。电子标签也称射频识别卡，它具有智能读写及加密通信的能力。读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。电子标签内不含电池，电子标签工作的能量是由读写器发出的射频脉冲提供的。电子标签接收射频脉冲， 从中解调出数据并送到控制逻辑。控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其它操作。EEPROM 用来存储电子标签的ID 号及

10、其它用户数据。有源射频识别系统是由电池供电，可以在较高频段工作，识别距离较长，和读写器之间的通信速率也较高。射频识别系统的分类按作用距离的远近来分类密耦合具有很小作用距离的射频识别系统，典型的范围从0 到1cm，这种系统称为密耦合系统，即紧密耦合系统。必须把应答器插入读写器中，或者放置在读写器为此设定的表面上。遥耦合把写和读的作用距离 1cm 至1m 的系统称作遥耦合系统。所有遥耦合系统在读写器和应答器之间都是电感（磁）耦合。遥耦合中又分为近耦合（典型距离为 15cm）和远耦合（大约距离为 1m）。远距离系统远距离系统典型的作用距离是从 1m 到10m，个别的系统也有更远的作用距离。所有远距离

11、系统都是在微波范围内用电磁波工作的，发送频率通常为2.45GHz。按系统的性能分类按数据载体的存储能力、处理速度、作用距离和密码功能等分类，射频识别系统可从低档到高档构成整个谱系。射频识别系统协议和频率对射频识别系统来说， 最主要的频率在0 135kHz ， 以及ISM(Industrial-Scientific-Medical) 频率6.78MHz 、 13.56MHz 、27.125MHz 、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz 、915.0MHz、2.45GHz、5.8GHz 和24.125GHz。频率 13.553MHz13.567MHz 处于短波范围，在这个频率范围

12、内的传播条件允许昼夜横贯大陆联系。该频率范围的使用者是不同类别的无线电服务机构，例如新闻机构和电信机构。在这个频率范围内，除了电感射频识别系统，其他的ISM应用有遥控系统、远距离控制模型系统、演示无线电设备和传呼机。由电感耦合射频识别系统不同的频率范围，得出下面的优先选择条件：(1) 0135kHz 的频率范围优先适用于远距离作用和低成本应答器。 高功率，可供应答器使用； 较低的时钟频率使应答器的功率消耗较低； 由于可在应答器中使用铁氧体线圈，从而应答器的结构小型化（动物识别用）； 对非金属材料和水有较低的吸收率或较高的穿透深度（对动物识别时需较深的穿透深度，以便把封装成大药丸的应答器置入胃中

13、）。(2)频率6.78MHz 可用于低成本和中等速度的应答器： 根据国际电信联盟的频率计划，是世界范围的 ISM 频率，然而，在一些国家没有使用； 该频率同 13.56MHz 相比，可供使用大些的功率； 该频率同 13.56MHz 相比，时钟频率仅为其一半。(3)频率13.56MHz 适于高速/高档和中速/低档的应用： 可在世界范围内作 ISM 频率用； 数据传输快（典型是 106Kb/s）； 高时钟频率，这样可实现密码功能或使微处理器工作； 可以实现应答器线圈的片上并联电容器（谐振微调）。(4)频率27.125MHz 只适合于特殊的应用（例如欧洲点状数据传输系统）： 不是世界范围的 ISM

14、频率； 带宽宽，从而使数据传输很快（典型是 424Kb/s）； 高时钟频率，从而可以实现密码功能或使微处理器工作； 可以实现应答器线圈的片上并联电容器（谐振微调）； 同 13.56MHz 相比，可供使用的功率较小； 只适用于短距离。射频识别卡典型的射频识别卡电路由以下几部分组成：天线、模拟电路、数字电路以及存储器等组成。天线用于发射和接收电磁波；模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于将高频电磁能量转换为直流电源并将相关信息通过调制发送出去；数字电路是射频识别卡的核心部分，用于控制相关协议、指令及处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能,存储被识别对象的信息内容；调制电路把存储

15、在射频识别卡内部的被识别对象的相关数字信息调制到反射的电磁波上。天线射频识别卡天线主要用于接收射频识别卡的射频能量及信息，并发射射频识别卡的相关信息。发射时，把高频电流转换成电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流，射频识别卡和读写器是通过天线进行数据交换的。天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，在选择天线时必须首先注重其性能，第一是选择天线类型，第二是选择天线的电气性能。选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益等电气指标是否符合系统设计要求。按照RFID 系统的工作方式或工作频段不同，射频识别卡的天线一般可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。总结射频识别是非接触的自动识别技术。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理；车辆防盗等等。