UHF频段近场RFID阅读器天线研究

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近年来, UHF (ultra-high frequency)频段近场RFID (radio-frequencyidentification)系统由于其自身的优势吸引了广泛的注意力。它的提出,解决了传统的UHF RFID标签周围存在高介电常数介质,如水或金属的情况下,系统不能正常工作的难题。传统的UHF RFID系统基于电磁波传播的工作方式,对标签周围的介质环境很敏感。UHF NF (near-field) RFID系统的能量传输模式既可以是电场耦合,也可以是磁场耦合。磁场耦合的系统中,能量主要保存在磁场中,只会被高磁导率的物体所影响,这样的物体在日常生活中并不常见。正是因为此原因,LF/HF RFID系统可以在靠近金属或液体的介质环境下可靠工作。UHF NF RFID系统的提出,可以将射频识别系统应用到物品级,例如医药产品、药物管理、生物应用等。UHF频段近场RFID阅读器天线设计中必须要解决的技术关键问题之一就是要产生一个足够强且相对均匀的磁场分布区域,用作阅读器的应答区域。传统的LF/HF RFID系统中大都采用电小环天线作为阅读器天线,天线上的电流分布具有几乎相同的相位,所以天线的中心区域轴向的磁场能量强度集中。但是用在UHF频段,为了保证阅读区域和清点距离,减小天线尺寸的方法不再适用。对于一个电大尺寸的环天线,天线的周长和波长相当,天线上的电流分布经历相位变化和反向,中心区域的磁场较弱。因此,设计处适合UNF频段使用的近场阅读器天线是一个很大的挑战。首先,基于上述实际需要,本文在分析磁场强度产生机理的基础上,提出了一种新型的适用于UHF NF RFID阅读器印刷折叠振子天线。该天线通过磁场耦合的方式来工作。清点区域的强且均匀的磁场通过一对反向电流对激励产生。折叠振子天线印刷在32×20cm2的FR-4基板上。天线的带宽为826-853MHz。当天线发射功率只有17dBm时,对Impinj F43标签的阅读区域为35.3×24cm2,清点距离可以达到5mm。对于标准陶瓷ISO1800-6-C标签,阅读范围可以达到58×42cm2,天线中间的清点距离可以到达77mm。所设计的天线具有结构简单、阅读区域广的特点,特别是在不断降低发射功率仍能保证有足够的清点区域。其次,为了实现具有同向电流分布的电大尺寸环天线,本文优化设计出一种多层板结构的印刷偶极子阵列,天线采用多层FR-4板结构进行加工实现,天线谐振于842MHz,符合和覆盖中国UHF使用标准要求。仿真结果显示天线上的电流分布在电大尺寸结构上可以保持同向。和其他结构相比,天线口面的磁场分布强且均匀,适合用作NF RFID的阅读区域。最后,对于上文所提到的电大尺寸环形结构天线,经加工测试,分析影响天线清点能力的因素,对天线结构做了相应的改进。天线的磁场更强,且更加均匀。天线上方磁场的强度的增加可以达到11dB。
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