偶极子RFID标签天线研究

第6卷第14期2006年7月1671—1815(200614—2129—03科学技术与工程Science Technology and EngineeringV01.6No.14Jul.2006⑥2006Sci.Tech.Engng.偶极子RFID标签天线研究赖晓铮赖声礼张瑞娜(华南理工大学电子与信息学院,广州510640摘要偶极子天线是RFID标签天线中应用最广泛的一类天线结构.对半波偶极子及弯折偶极子RFID标签天线进行了分析和仿真,并比较了弯折偶极子天线的形状参数对其性能的影响。

仿真结果表明,在保持天线效率的前提下,与半波偶极子相比,弯折偶极子天线具有更好的尺寸缩减特性。

关键词半波弯折偶极子天线RFID中图法分类号TN821+.4:文献标识码B射频识别(RFID技术是利用电磁感应或微波能量进行非接触的双向通信的自动识别技术。

RFID 标签依靠反射调制无线电波与阅读器通信.标签天线结构对其性能有至关重要的影响[--。

以往.人们提出了分形天线E2]、环天线[3]等天线结构来实现RFID 标签天线的尺寸缩减。

但上述天线的效率较低.且构造相对复杂。

偶极子天线具有结构简单、效率高的优点。

被广泛应用于RFID标签天线的设计。

本文在半波偶极子天线基础上。

提出了具有尺寸缩减特性的弯折偶极子标签天线结构,并分析了其弯折次数对标签天线谐振频率和输入阻抗的影响。

图2中,半波偶极子天线在915MHz处天线的|s。

为一16dB,最大增益为2.07dB。

S。

,dB‘N1'。

\●_-●,、、7’≮7‘{≯{≯专j t、,‘1半波偶极子标签天线特性的研究图2半波偶极子天线的反射系数s。

图915MHz半波偶极子微带天线如图1所示:天线两臂长度2L=133mm.馈线长度矗=10mm。

图1半波偶极子标签天线用矩量法对半波偶极子天线进行仿真.得到如图2所示的天线反射系数图和图3所示的方向图。

在2006年1月25日收到广东省科技攻关项目(2003C40406及珠海市科技攻关项目(PC200320010资助第一作者简介:赖晓铮,男,华南理工大学电路与系统专业博士生,研究方向:RFID天线和射频电路。

摘要RFID（Radio Frequency Identification）无线射频识别技术在近几年发展迅速并逐渐广泛应用，它是由电子标签(Tag/Transponder)，读写器(Reader/Interrogator)及中间件(Middle-Ware)三部分组成的一种短距离无线通信系统。

在RFID系统中，天线位于系统的最前端，是RFID系统的重要组成部分，天线结构大小，阻抗，带宽，极化方式，增益等都直接影响着系统的正常运行，天线的参数质量好坏，对整个射频识别系统的性能有着重要的影响。

近年来，我国的北斗卫星定位系统（CNSS）不断成熟，已经发展成为全球四大卫星定位系统之一。

目前开放的北斗系统上行L频段为1610-1626.5 MHz，下行S频段为2483.5-2500 MHz。

与当前占领市场主导地位的GPS系统而言，北斗系统有自己独特的优点。

它同时具备定位与通信双重功能，无需其它通信系统支持，而GPS系统只能定位。

随着我国卫星导航定位需求的增加，研究工作于北斗系统的全双工圆极化天线有着十分重要的意义。

其中，四臂螺旋天线可以获得性能优良的圆极化半球波束以及紧凑的结构和优良的环境适应性, 使它在卫星定位系统中有着广泛的应用。

本文首先概述了无线射频识别技术以及北斗卫星定位系统的相关知识，接着讨论了RFID标签天线以及圆极化四臂螺旋天线的研究现状。

第二章介绍了天线的基本参数，RFID射频识别技术中的标签天线以及圆极化天线的基本理论，作为后续研究工作的理论基础。

在第三章RFID标签天线的设计中，首先通过引入电感耦合馈电，设计了一种可以在两个RFID系统频段915MHz和2.45GHz上都能够实现与芯片复阻抗进行匹配的RFID标签天线；然后依据对天线雷达散射截面RCS的分析，提出了一种标签天线的最大RCS差值设计方法，提高了系统的稳定性。

最后在第四章中，为了满足北斗系统手持终端设备的需要，设计了一种北斗组合四臂螺旋天线，该天线收发一体，结构紧凑，能够满足北斗系统的参数要求。

UHF频段RFID天线的小型化设计与分析一、综述随着无线通信技术的飞速发展，RFID（无线射频识别）技术已广泛应用于各个行业，从物流追踪、库存管理到门禁系统等。

特别是在UHF（超高频）频段，RFID系统的读写距离和读取速度得到了显著的提升，使其成为物联网领域备受关注的通信技术之一。

RFID系统主要由RFID阅读器（读写器）和RFID标签（电子标签）组成。

在UHF 频段，RFID阅读器和标签之间的能量传输主要依赖于天线。

传统RFID 天线由于尺寸大、损耗大等问题，在实际应用中逐渐暴露出性能不足的问题。

对UHF频段RFID天线进行小型化设计与分析显得至关重要。

天线的工作原理与性能参数：首先介绍RFID天线的基本工作原理，以及影响其性能的主要参数，如增益、驻波比、效率等。

小型化设计方案：探讨在UHF频段实现RFID天线小型化的各种途径，包括采用截断正方形贴片天线的SRR负载的超材料、开槽环谐振天线、截断正六边形贴片天线等。

同时将几种方案应用于实际中评估性能。

性能分析: 讨论在上述小型化方案中，如何优化设计以提高天线的性能，如提高方向性、减少互扰、降低损耗等，并分析这些方法在实际应用中的优势和局限性。

仿真实验与实际测试：通过使用电磁场仿真软件对小型化RFID天线进行初步设计估计，然后通过实际制作和测试对比实验数据，来验证改进方案的有效性和可行性。

_______技术简介RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术是一种基于无线射频通信的非接触式识别技术。

它通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需建立机械或光学接触。

RFID系统通常由标签（Tag）、读取器（Reader）和后端管理系统组成。

在RFID应用中，当标签进入阅读器的射频场范围内时，标签会自动激活并与读取器进行通信。

标签内包含了可编程的存储器和天线，用于存储信息、识别码以及接受命令。

读取器发送的无线电波能量会激发标签内的电路，使其能够传输存储在其中的唯一识别信息。

偶极子天线研究方法
偶极子天线是一种广泛应用于无线通信中的天线类型，其结构简单、性能稳定、易于制造，因此被广泛应用于各种通信系统中。

为了研究偶极子天线的性能和优化设计，需要采用一定的研究方法。

偶极子天线的研究方法主要包括以下几个方面：
1.理论分析：通过建立偶极子天线的电磁场模型，推导出其辐射特性、阻抗匹配等性能参数的计算公式，以及优化设计的基本原理。

2.仿真模拟：通过电磁仿真软件，如Ansys、HFSS等，对偶极子天线的电磁场进行数值模拟计算，得到其辐射特性和性能参数。

3.实验测试：通过实验测试，测量偶极子天线的辐射特性、阻抗匹配、功率传输等性能参数，验证理论分析和仿真模拟的结果，并对偶极子天线的优化设计提供实验依据。

4.优化设计：结合理论分析、仿真模拟和实验测试的结果，对偶极子天线的结构参数、材料特性等进行优化设计，以达到更好的性能指标。

在偶极子天线的研究中，理论分析、仿真模拟、实验测试和优化设计是相互补充的，需要综合运用来实现对偶极子天线的全面研究和优化设计。

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泉州师范学院毕业论文（设计）题目 RFID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班学生姓名连劲松学号 070303044指导教师余燕忠职称副教授完成日期 2011年4月教务处制RFID偶极天线的设计和分析物理信息工程学院电子信息科学与技术专业 070303044 连劲松指导教师：余燕忠副教授【摘要】：RFID偶极天线因其具有结构简单且效率高的优点，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。

本文基于Ansoft HFSS平台上，主要对RFID中常用的不同结构的偶极天线进行分析与设计，并且分析影响天线性能的因素，具有很强的实用性。

【关键词】：射频识别；偶极天线；RFID标签目录摘要 (1)0.引言 (3)1.RFID的发展状况 (3)1.1发展历史 (3)1.2国内外研究现状 (4)2.RFID的理论基础 (4)2.1RFID的工作原理 (4)2.2RFID系统中的天线的作用 (5)3.RFID系统中的天线类型 (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.本文任务要求 (8)5.偶极子天线仿真设计与分析 (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.影响偶极子天线工作性能的因素 (19)7.总结 (20)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 (21)致谢 (22)0.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]。

9种RFID标签天线的设计方案RFID电子标签又称射频标签；阅读器又称为扫描器。

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据交换。

RFID标签天线是RFID电子标签的应答器天线，是一种通信感应天线。

一般与芯片组成完成的RFID电子标签应答器。

这一技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化等领域中。

本文为大家介绍的是电子标签的标签天线的设计方案汇总。

偶极子RFID标签天线的优化设计与研究本文对无源RFID标签半波偶极子天线总体的设计方法进行了讨论，提出了一种应用于868～915MHz的RFID标签天线的优化设计方案，并通过图形分析了天线的阻抗特性及RFID标签功率接收效率。

用这种方案制作的半波偶极子天线简单、方便且费用低廉，可以使天线达到较高的输入阻抗来实现与一些 RFID标签的匹配，从而有效提高RFID标签的功率接收效率。

基于Hilbert分形结构的标签天线设计本文设计的分形天线只影响谐振频点的下降，但不会影响各个谐振频点的相对位置，具有多谐振点特征，多个谐振频率之间的关系是由分形的结构确定的，而不是由材料的介电常数和介质厚度确定的。

相对介电常数和材料的厚度对天线的辐射方向图和天线增益不产生影响，这种性质也可用于天线小型化的设计中。

金属表面UHFRFID标签天线设计针对目前金属表面用超高频RFID电子标签的应用需求，结合PIFA天线的基本理论以及现有的标签技术，设计了一款UHF抗金属标签天线，天线采用的印刷结构使得生产工艺简化，生产成本低廉。

通过对天线大量的仿真和实测，论证了该天线具有高增益、远距离等特点，是一款能够真正应用于金属表面的标签天线。

一种UHF频段RFID标签天线设计方案本文设计了一种UHF频段RFID标签天线。

在微带矩形天线理论基础上，改进了E型开槽天线的结构，用微带线侧馈代替了背馈方式，使天线与芯片能良好地匹配，并通过获得双谐振频率扩大了带宽。

RFID标签天线的研究现状及热点问题探讨摘要：本⽂从介绍RFID系统的基本原理开始, 分析了RFID标签天线对于整个RFID系统的重要性,总结了RFID标签天线的设计要求以及近期国内外对各类别标签天线的研究状况, 根据其设计原理提出改进思想, 最后探讨并分析了近期标签天线的设计热点。

1 引⾔ 射频识别是⼀种使⽤射频技术的⾮接触⾃动识别技术，具有传输速率快、防冲撞、⼤批量读取、运动过程读取等优势，因此，RFID技术在物流与供应链管理、⽣产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域具有重⼤的应⽤潜⼒。

⽬前，射频识别技术的⼯作频段包括低频、⾼频、超⾼频及微波段，其中以⾼频和超⾼频的应⽤最为⼴泛。

2 RFID技术原理 RFID系统主要由读写器(target)、应答器(RFID标签)和后台计算机组成，其中，读写器实现对标签的数据读写和存储，由控制单元、⾼频通信模块和天线组成，标签主要由⼀块集成电路芯⽚及外接天线组成，其中电路芯⽚通常包含射频前端、逻辑控制、存储器等电路。

标签按照供电原理可分为有源(active)标签、半有源(semi-active)标签和⽆源(passive)标签，⽆源标签因为成本低、体积⼩⽽备受青睐。

RFID系统的基本⼯作原理是：标签进⼊读写器发射射频场后，将天线获得的感应电流经升压电路后作为芯⽚的电源．同时将带信息的感应电流通过射频前端电路变为数字信号送⼊逻辑控制电路进⾏处理，需要回复的信息则从标签存储器发出，经逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回读写器。

3 RFID系统中的天线 从RFID技术原理上看，RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能。

在标签与读写器数据通信过程中起关键作⽤是天线，⼀⽅⾯，标签的芯⽚启动电路开始⼯作，需要通过天线在读写器产⽣的电磁场中获得⾜够的能量；另⼀⽅⾯，天线决定了标签与读写器之间的通信信道和通信⽅式。

因此，天线尤其是标签内部天线的研究就成为了重点。

应用于UHF频段近场RFID的双偶极子读写器天线设计的开题报告一、研究背景近场无线射频识别技术（Near Field Communication，NFC）是一种非接触式的近距离通信技术，在消费电子、智能家居、无线支付等领域得到广泛应用。

其中，UHF（Ultra-High Frequency）频段的NFC技术因其较远的通信距离和传输率高等特点，逐渐成为近年来研究的热点。

在UHF频段的NFC系统中，读写器天线是实现通信的重要组成部分之一。

传统的UHF天线设计方法多采用圆极化天线或线极化天线，但这种天线的设计存在以下缺点：1、量产过程中不易控制天线的频率响应、增益和散射特性，可能导致通信性能下降；2、易受环境干扰、天线方向调整不准确等因素影响，导致通信效率降低；3、在NFC系统中需要读写器天线能够同时实现读和写的功能，传统天线在设计上较为困难。

因此，需要研究一种适配于UHF频段的NFC系统的读写器天线设计方案，使其能够在具有稳定的频率响应和较大的增益的同时，实现读和写功能，并减少环境因素的影响，提高通信效率。

二、研究目的本文旨在研究应用于UHF频段近场RFID的双偶极子读写器天线设计方案，针对传统天线实现读写功能比较困难的问题，提出基于双偶极子的读写器天线设计方案，试图在稳定的频率响应和较大的增益的基础上实现读和写功能，并减少环境因素的影响，提高通信效率。

三、研究内容1. UHF频段近场RFID的基本工作原理和应用场景的研究。

2. 双偶极子天线的基本原理和类型的研究，以及如何应用于读写器天线的研究。

3. 针对UHF频段近场RFID中读写器天线的需求和特点，提出一种基于双偶极子的读写器天线设计方案。

4. 对读写器天线的设计方案进行仿真，并分析其频率响应、增益以及读写功能等性能指标。

5. 对实现读写器天线功能所需的电路进行设计。

6. 制作天线的实验，并对其性能进行测试与验证。

四、研究意义1. 提出了一种适用于UHF频段近场RFID系统的读写器天线设计方案，使其能够在具有稳定的频率响应和较大的增益的同时实现读和写功能，并减少环境因素的影响，提高通信效率。

标签天线，进行阻抗参数调试，对电感耦合馈电的偶极子标签天线的阻抗调节方法进行说明，并结合应用案例，完成宽频带标签天线设计调试，测试结果表明最终性能完全满足标签应用需求。

2 天线结构及设计原理电感耦合馈电的UHF频段RFID偶极子天线采用电磁耦合馈电结构，该天线一般的形式包括一个独立的辐射主体和一个馈电环，其结构如图1所示：图1 电感耦合馈电天线的一般形式结构图天线的辐射体一般形式通常为一段具有一定宽度的独立的辐射贴片，其具体形式多种多样，芯片贴在馈电环之间，馈电环和辐射贴片之间的耦合强度主要受两个方面因素的影响：其一，天线辐射体和矩形馈电环之间的间隙d 影响耦合强度值，间隙越小，耦合强度越强，相反间隙越宽，耦合强度越弱；其二，馈电环的尺寸大小亦影响两者之间的耦合强度。

耦合强度的大小对天线性能的影响可以由天线的输入阻抗来反映和分析。

2.1 电感耦合馈电偶极子标签天线模型分析电感耦合馈电的偶极子天线一般形式可以通过一个简化的耦合模型来分析，如图2所示：图2 电感耦合馈电的偶极子天线一般形式等效电路模型电感耦合馈电环长度分析从图1可以看出，单独的馈电环可以看做是一个终端短路的传输线，馈电环的半周长类似传输线的长度，馈电环的馈点处为传输线的馈点，根据文献[4]可知，终端短路的传输线特性阻抗为：βz(8)为距离传输线短路终端的距离，由于需要了解芯片馈电点处的天线阻抗值，因此z可以理解为馈电环的半周长近似值。

Z为馈电环所在传输线的特性阻抗值，由馈电环的馈线宽度及天线材料确定，特性Zin(z)是长度为z的传输线的特性阻抗，近似为馈电环馈电点所在处的阻抗值，即天线的终端短路传输线的输入阻抗特性随位置而改变，/4时，输入阻抗为电感，馈电环半周长从0增/4时，其电感逐渐增加；当z=λ/4时，输入阻抗z<λ/2时，输入阻抗为电容，馈电环/4逐渐增加到λ/2时，其电容的绝对值从无穷大逐渐减小到0；终端短路传输线的阻抗特性每过λ/4变换一次，终端短路传输线的特性阻抗每过λ/2重复一次；由于芯片的阻抗为容性，因此天线设计的阻抗必须为感性，类比可知馈电环半周长长度不能超过λ/4的电感耦合馈电的偶极子标签天线通用形式图3为电感耦合RFID标签天线通用形式示意图[6]，从图3可以看出耦合系数M的大小不再依赖辐射体和馈电环的距离控制，而是直接将辐射体的两极连接在电感馈电环上，通过辐射体两极连接到馈电环上的不同位置，从而改变耦合系数M，进而影响天线的阻抗实的大小也影响天线的带宽，当耦合强较大时，即采用过耦合型标签，标签天线的带宽M较小时，即采用欠耦合型标签设的带宽较窄，但是天线的方向性更强；折中的方法即平衡耦合方式，该方法可以获得较宽的带宽，也可以获得较强的方向性。

小型RFID偶极子天线设计与优化张亚平;陶波;陈显才;吴光华【期刊名称】《电子技术应用》【年(卷),期】2012(38)3【摘要】The read range of passive RFID tags is decided by the properties of the antenna and the IC used by the tag. In UHF RFID systems, the dipole antenna is one of the most used. Based on theoretically analysis, electromagnetic simulation and experiment, this paper presents the design and optimization methods of a small dipole antenna in details. Four prototypes were fabricated. The test results show that the performance of the four tags is in good agreement with the simulation. The design and optimization method is effective.%无源RFID标签的读写性能主要取决于其天线和芯片的性能,其中超高频RFID标签通常采用偶极子天线.从理论-仿真-实验的角度详细介绍了偶极子天线的设计和优化方法,并制作了4款小型超高频RFID标签样品.测试结果表明,4款样品标签的性能与仿真的优化结果高度一致,该设计和优化方法可行.【总页数】4页(P117-119,123)【作者】张亚平;陶波;陈显才;吴光华【作者单位】华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验,湖北武汉430074;华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验,湖北武汉430074;华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验,湖北武汉430074;华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TN911【相关文献】1.一种新的RFID弯折偶极子天线优化策略 [J], 张宏亮;王超梁;周鹏2.多应用环境下新型微带偶极子天线设计与优化 [J], 卢文峰;钟业奎3.基于RFID的半导体企业仓储偶极子天线 [J], 赵超男; 王猛; 倪晓东4.RFID半波对称偶极子天线和弯折偶极子天线小型化设计 [J], 孙耀东[1,2];俞晓磊[2];汪东华[2];于银山[1,2]5.基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计 [J], 李秀萍;刘禹;曹海鹰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

RFID系统设计中的天线优化方法研究在RFID系统中，天线是至关重要的组成部分，因为它直接影响到系统的性能和稳定性。

因此，优化天线设计是提高RFID系统性能的关键一环。

本文将探讨RFID系统设计中天线优化的方法和技术。

首先，为了实现更好的性能，天线的设计应该考虑频率适配、辐射效率和方向性。

频率适配是指天线的工作频率必须和RFID标签或读取器的工作频率匹配，以确保数据传输的稳定性和准确性。

辐射效率是指天线吸收和辐射电磁能量的能力，辐射效率越高，系统传输距离越远。

方向性则可以使天线更好地聚焦传输信号，提高系统的灵敏度和准确性。

其次，针对不同的应用场景和需求，天线的形状和结构也需要进行优化。

例如，对于需要大范围覆盖的场景，选择辐射范围广泛的天线结构，如线性偶极子天线或小型环形偶极天线，以实现全方位的传输；而对于需要高灵敏度的场景，可以选择一些相对复杂的天线结构，如双挂滤波器、微带天线等，来提高系统的灵敏度和稳定性。

此外，天线的安装位置和方向也是影响系统性能的关键因素。

天线的安装方式应考虑尽量减小多径干扰、阴影效应和其它干扰信号，以确保数据传输的准确性。

安装方向的选择应根据具体场景来确定，优化接收信号的强度和清晰度，提高系统的稳定性和准确性。

最后，对于RFID系统中的天线优化，还可以通过信号处理和算法优化来提升系统的性能。

利用数字信号处理技术对接收到的信号进行滤波、增强和解码，可以提高系统的抗干扰能力和读取速度。

同时，结合机器学习和人工智能算法，可以对信号进行智能优化，提高系统的自适应性和智能化水平。

综上所述，RFID系统设计中的天线优化是提高系统性能的关键一环。

通过选择合适的天线结构、优化天线设计和安装位置、以及结合信号处理和算法优化，可以实现系统性能的全面提升，提高数据传输的准确性和稳定性。

希望通过本文的探讨，读者对RFID系统中天线优化的重要性和方法有所了解，并能在实际应用中取得更好的效果。

图1 电子标签匹配原理等效
图2 天线模型位置，而使各谐振模较好地耦合，从而展宽天线带宽；与天线的尺寸如下所示：
图3（a）臂长对虚部输入阻抗的影响
图3（b）臂长对实部输入阻抗的影响
图3 天线参数Arm_Length与天线输入阻抗的关系图
天线阻抗的实部和虚部都随着臂长Arm_Length 的Arm_Length有效地调节天线输入阻抗，以获得与目标芯
图4（a）参数c对天线输入阻抗实部的影响
图4（b）参数c对天线输入阻抗
图5 天线的S11参数曲线图
Arm_Length=3.35cm，c=0.76cm，天线的输入阻
5所示。

由图5可知在f=915MHZ的时候，天线的输入阻抗为Z=13.53+j210.27，与芯片ATA5590阻抗12-j217
图6所示为天线的增益辐射方向图，由图可知，该天线具有良好的半球特性，符合设计的要求。

天线的最大增益为1.11dB，具有良好的辐射特性。

图6 天线增益辐射方向图。