基于分离环谐振器的RFID 标签天线设计

天津工业大学毕业设计（论文）基于分离环谐振器的RFID 标签天线设计姓名：郭东芳院(系)别：电子与信息工程学院专业：通信工程班级：通信072指导教师：李健雄职称：副教授2010年 6 月6 日摘要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。

本论文首先介绍了射频识别系统的基本原理、协议以及分类；其次对射频识别系统中的基于分离环谐振器的天线进行了研究，介绍了天线的电参数以及RFID标签天线的设计相关知识；再次，介绍了天线仿真软件HFSS的功能和仿真方法。

最后重点分析了仿真所得到的天线各个电参数。

关键词：射频识别；标签天线；分离环谐振器；HFSS软件；ABSTRACTRadio Frequency Identification (RFID) is a contactless automatic identification technique. RFID technique is widely applied in many fields such as industry automation, commerce automation and transport control, especially in transportation control, freeway automatic toll collection, parking lots control system, goods control,automatic pipeline production，safety control, storage control, animal management and vehicle’s th eftproof system and so on.In this thesis，the basic principles of RFID technique is firstly introduced in addition to the corresponding protocol and system classifications. Secondly, the UHF RFID tag antenna with a Split Ring Resonator is studied, then basic antenna parameters and the related theory of RFID tag antenna design are illustrated. Furthermore, the functions and simulation ways of HFSS software is introduced. Finally,the basic antenna parameters by this simulation are analyzed in detail.Key words：Radio Frequency Identification(RFID); Tag Antenna; a split ring resonator; HFSS software;目录第一章绪论 (1)1.1选题背景及意义 (2)1.2 RFID的发展概况 (2)1.2.1 RFID技术概况 (2)1.2.2射频识别技术的发展历史和现状 (6)1.2.3 RFID发展面临的问题 (8)第二章 RFID天线理论知识 (10)2.1分离环谐振器RFID天线的介绍 (10)2.2天线的分类 (10)2.3 RFID天线的电参数 (11)2.3.1方向函数和方向图 (11)2.3.2方向图参数 (12)2.3.3方向系数 (13)2.3.4天线效率 (14)2.3.5天线的输入阻抗与驻波比 (14)2.3.6 增益系数 (15)2.3.7 天线的极化 (16)2.3.8频带的宽度 (16)2.3.9 S参数 (17)2.3.10 品质因数Q (18)2.4 RFID天线的特点和要求 (18)2.5常见的天线简介 (18)2.5.1 单级天线和对称阵子天线 (19)2.5.2喇叭天线 (21)2.5.3抛物面天线 (21)2.5.4微带天线 (21)第三章基于分离环谐振器的天线原理 (23)3.1标签天线的提出 (23)3.1.1操作的结构及工作原理 (23)3.1.2等效电路模型 (23)3.2分析与设计 (24)3.2.1电感馈电环 (24)3.2.2共振电感 (25)3.2.3辐射阻力(rpR)和品质因数阿(rpQ) (26)3.2.4超高频标签设计 (26)第四章天线的设计与仿真 (28)4.1 HFSS软件介绍 (28)4.1.1 HFSS简介 (28)4.1.2 HFSS的应用 (29)4.2用HFSS软件进行模拟 (32)4.3天线仿真步骤 (34)4.4仿真结果与分析 (39)4.4.1 标准S参数图 (40)4.4.2 Smith圆图 (42)4.4.3阻抗图 (43)4.4.4阻抗表 (45)4.4.5远场辐射方向图的方向性 (45)4.4.6远场辐射方向图的增益 (46)4.4.7辐射效率图 (47)4.4.8辐射效率、方向性和增益表 (49)4.4.9驻波比 (50)4.4.10三维远场波瓣图 (51)4.4.11电流图 (52)结论 (53)参考文献 (54)谢辞 (55)第一章绪论自动识别技术主要是要提供关于人、货物、商品等的信息，过去的几十年中条形码识别技术得到了广泛的应用，条形码识别技术的最大优点是便宜、简单，它的不足之处在于它的信息存储量小，通信距离短，并且信息无法改写，因此它在一些信息需求大以及通信距离稍大(大于0.5m)应用场合已不再胜任。

射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目标的自动识别技术。

RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identlflcatlon)的缩写。

射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目标的自动识别技术。

图1-1典型的射频识别系统的组成典型的射频识别系统由RFID reader(射频识别读写器)、用户终端处理设别、应答器transponder(电子标签)等组成。

读写器(RFID Reader)一般工作在收发两个状念，其中还应包括射频识别读写器天线，应答器把IC电路和天线集成在一起，作为一个非接触的数掘载体，读写器可以从它读取数掘，也可以向它写入数掘．1.1选题背景及意义射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是自动识别技术的一种，是通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标进行识别并获取相关数据的一种技术。

RFID技术的普及应用可以给人们的生活等带来很多的方便。

也许在不久的将来，在超市里我们不再看到收银台前长长的队伍等候结账的情形；高速公路收费站前也不会再有长长的车龙排队；乘飞机时我们也可以不用再担心拿错行李，因为每个行李都被贴上了可以识别的标签；乘公交时我们只需要刷一下公交卡就可以了等等。

上面都是我们经常看到的RFID给人们带来方便的实例。

除此之外，在物流、仓储管理、防伪等等方面，RFID技术的应用节省了很多的成本。

例如在我国铁路运输行业中，在上世纪九十年代及其以前，RFID技术还没有被应用，常常有百分之三十的列车车皮不知道在哪个铁路局使用，造成了资源的极大浪费。

从一九九九年起，铁道部丌始投资建设自动车号识别系统，用于铁道部门的电子清算和货运管理，将电子标签作为列车车辆的标识，无论车辆停于哪个铁路局，通过管理系统一查便知，这在充分利用了资源的基础上也给铁路运输节省了人量的成本。

1.2RFID的发展概况1.2.1RFID技术概况如图1-2所示RFID管理系统组成，从左至右或者从底层硬件到上层应用程序依次为：标签、阅读器、应用程序接口或者中间件、计算机后台应用程序。

图1-2 RFID管理系统组成标签，又称应答器，对应英文名称为Tag、Responder或者Transponder，一般作为被识别物体位于用户手中或者贴附于需要被识别的物品上。

图1-3为常见的RFID标签样式。

图1-3常见标签样式随着芯片集成技术的发展，如今常见的无源标签内部一般山标签芯片和标签天线两部分组成，有源电了标签内部还带有电池；标签芯片可以存储大量的信息，通过天线被读写器识别。

读写器，义称阅渎器，对应英义名称为Reader，用来识别标签的信息，二E 要由天线、射频模块、基带模块等组成。

图1-4为常见的RFID读写器样式。

图1-4 常见的RFID读写器样式标签和阅读了共同组成了RFID识别系统，读写器将收集到的数据交于应用程序接接口．(Application Programming Interface，API)或者中间件(Middleware)处理，后者将处理后结果交于后台应用程序处理。

应用程序接口或者中间件与计算机后台应用程序共同组成管理系统。

在后台计算机管理程序来看，中间件相当于屏蔽了读写器的多样性和复杂性。

系统在工作时，读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当贴有标签的目标对象进入发射天线工作作区域时，标签天线便会产生感应电流，感应电流对应的功率足以激活标签芯片时，标签芯片便将自身的编码等信息通过标签犬线发送出去，读写器天线接收到载波信号再有读写器经过调制、解码然后送到数据管理系统进行处理，再由数据管理系统根据数据判断标签的合法性以及针对不同的设置发出下一步操作的指令。

按照不同的分类方法，RFID有不同的分类，如图1-5所示。

图1-5 RFID的分类首先RFID大致可以分为标签中含有芯片的RFID、标签内不含芯片的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)RFID、以及其他形式如RFID+UWB形式的RFID，这里主要阐述常见的标签内含有芯片的RFID。

就按照工作频率划分、按照供电方式划分、按照数据调试方式划分这样的一个顺序依次对RFID做一个分类介绍。

1)按照工作频率划分根据系统工作的频率不同，RFID系统可以分为低频(LowFrequency,LF；30--300KHz)、高频(High Frequency,HF；3-30MHz)、超高频(Ultra High Frequency,UHF；300-1000MHz)以及微波(Micro Wave，MW；2．45GHz，5．8GHz)系统。