無源超高頻標簽天線工程設(shè)計案例教程

目錄
第1章緒論1
1.1RFID簡介1
1.1.1背景和定義1
1.1.2RFID的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)2
1.1.3RFID的組成和特點6
1.1.4RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸原理7
1.1.5RFID的工作原理12
1.1.6UHF的選擇14
1.2超高頻標簽的技術(shù)基礎(chǔ)20
1.2.1反向散射技術(shù)簡介20
1.2.2超高頻頻段系統(tǒng)的工作原理22
1.2.3超高頻標簽功率和頻率的限制23
1.2.4超高頻標簽的測試問題26
1.3RFID的相關(guān)標準28
1.3.1RFID標準簡介28
1.3.2ISO/IEC標準29
1.3.3EPC Global標準36
1.4RFID工程實施說明37
1.4.1理論說明37
1.4.2方法研究38
1.4.3前期準備41
第2章天線的理論基礎(chǔ)46
2.1天線的理論發(fā)展概述46
2.2天線的理論基礎(chǔ)47
2.2.1電磁場基本方程47
2.2.2邊界條件49
2.2.3坡印廷定理50
2.2.4麥克斯韋方程的解51
2.2.5電流源輻射52
2.2.6場區(qū)域劃分54
2.2.7理想磁偶極子57
2.2.8對稱振子的輻射場59
2.2.9巴俾涅原理（Babinet Principle）60
2.3偶極子的基本理論62
2.3.1電偶極子的電磁場62
2.3.2電偶極子的方向性因子和方向圖64
2.3.3偶極子天線結(jié)構(gòu)64
2.3.4偶極子天線的電流分布65
2.3.5偶極子天線輻射性能66
2.3.6偶極子天線的輻射功率和輻射電阻67
2.3.7折疊型偶極子69
2.3.8Tmatch結(jié)構(gòu)71
2.4標簽天線的主要特性72
2.4.1天線的輻射場72
2.4.2輻射功率和輻射強度73
2.4.3阻抗和輻射效率75
2.4.4輻射方向圖和增益81
2.4.5天線寬度88
2.4.6天線的極化91
2.4.7天線的有效長度、有效面積和口徑效率96
第3章偶極子標簽天線的工程設(shè)計實例101
3.1超高頻標簽工程設(shè)計中的基本參數(shù)101
3.1.1天線的方向性和增益101
3.1.2影響超高頻系統(tǒng)的因素104
3.1.3阻抗共軛匹配105
3.1.4偶極子天線設(shè)計的理論107
3.1.5標簽天線的阻抗匹配方法109
3.2超高頻頻段RFID標簽天線的工程化設(shè)計112
3.2.1天線與RFID芯片的阻抗匹配理論112
3.2.2標簽天線的RCS分析（雷達反射截面）116
3.2.3簡單實例120
3.2.4標簽天線設(shè)計的前期分析127
3.2.5新型超高頻頻段RFID標簽天線的小型化設(shè)計與分析128
3.2.6標簽天線的制作與測試136
3.3偶極子超高頻標簽天線的工程設(shè)計實例139
3.3.1半波偶極子的工程問題139
3.3.2變形偶極子天線141
3.3.3折疊偶極子天線144
3.3.4折合偶極子天線148
3.3.5彎曲偶極子天線151
3.3.6彎折偶極子天線154
3.4寄生單元加載的超高頻RFID標簽天線的工程設(shè)計160
3.4.1寄生單元加載天線的實現(xiàn)方式160
3.4.2基于T型饋電的變形偶極子天線162
3.4.3基于串聯(lián)短截線的折疊偶極子天線168
3.4.4基于耦合饋電的變形偶極子天線172
3.4.5超高頻RFID標簽天線的工程實現(xiàn)與驗證177
3.5偶極子標簽天線的加載179
3.5.1彎折線加載的偶極子標簽天線179
3.5.2寄生單元加載的偶極子標簽天線185
3.6偶極子標簽天線的工程設(shè)計實例188
3.7印刷偶極子天線仿真設(shè)計案例197
3.7.1印刷偶極子天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計197
3.7.2HFSS建模198
3.7.3天線的物理參數(shù)仿真優(yōu)化199
3.7.4最終優(yōu)化結(jié)果202
3.8基于印刷偶極子天線的改進206
3.8.1改進思路206
3.8.2仿真分析206
3.8.3優(yōu)化參數(shù)及結(jié)果209
3.9微波頻段天線設(shè)計212
3.9.12.45G天線設(shè)計213
3.9.25.8GHz天線設(shè)計217
3.10實驗仿真221
3.10.1偶極子原型221
3.10.2加入Tmatch結(jié)構(gòu)的偶極子天線222
3.10.3Tmatch偶極子間距對阻抗性能的影響223
3.10.4短偶極子長度對阻抗性能的影響223
3.10.5短偶極子半徑對阻抗性能的影響224
3.10.6連接饋線寬度對阻抗性能的影響224
3.11基于Tmatch結(jié)構(gòu)的PCB板RFID電子標簽天線設(shè)計225
3.11.1天線結(jié)構(gòu)225
3.11.2天線性能分析226
3.12RFID標簽天線的研究與設(shè)計228
3.12.1電子標簽天線的匹配理論228
3.12.2超高頻頻段標簽天線設(shè)計229
3.12.3頻段標簽天線設(shè)計實例233
3.12.4標簽天線的加工與測量235
3.13液體環(huán)境對UHF標簽天線的影響236
3.13.1理論分析236
3.13.2仿真驗證試驗236
3.13.3圓柱物體表面超高頻標簽天線238
3.13.4標簽在圓柱（液體）位置的性能影響244
3.14偶極子和縫隙耦合結(jié)構(gòu)實例251
3.14.1天線設(shè)計251
3.14.2結(jié)果與分析254
第4章RFID微帶標簽天線256
4.1微帶天線256
4.1.1微帶天線的基本結(jié)構(gòu)和輻射機理257
4.1.2微帶縫隙天線的基本結(jié)構(gòu)分類258
4.1.3矩形微帶天線的分析和設(shè)計方法260
4.2微帶天線的小型化技術(shù)261
4.2.1采用高介電常數(shù)基片262
4.2.2貼片曲面技術(shù)262
4.2.3微帶天線加載技術(shù)263
4.2.4附加有源網(wǎng)絡(luò)263
4.2.5微帶天線的帶寬技術(shù)264
4.3矩形微帶貼片天線的工程設(shè)計265
4.3.1結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求265
4.3.2確定設(shè)計天線的參量270
4.3.3矩形微帶貼片天線的仿真與分析274
4.3.4矩形微帶貼片天線的阻抗匹配275
4.3.5微帶天線的圓極化和實現(xiàn)方法286
4.4矩形標簽天線289
4.4.1矩形標簽的阻抗289
4.4.2標簽芯片的匹配289
4.4.3標簽天線帶寬拓展292
4.5微帶縫隙天線的結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計296
4.6圓極化環(huán)形微帶天線的抗金屬標簽天線實例299
4.6.1天線結(jié)構(gòu)299
4.6.2天線等效電路分析300
4.6.3仿真分析301
4.6.4測試結(jié)果303
4.7魯棒性結(jié)構(gòu)抗金屬標簽天線設(shè)計實例304
4.7.1天線結(jié)構(gòu)304
4.7.2天線等效電路分析305
4.7.3仿真分析305
4.7.4測試結(jié)果308
第5章分形結(jié)構(gòu)標簽工程設(shè)計實例309
5.1分形結(jié)構(gòu)天線的基本理論309
5.1.1分形簡介309
5.1.2分形維數(shù)311
5.1.3常用分形天線314
5.2小型化圓極化分形天線324
5.2.1引言324
5.2.2小型化天線技術(shù)324
5.2.3圓極化天線技術(shù)326
5.3RFID天線的分形結(jié)構(gòu)332
5.3.1引言332
5.3.2分形天線336
5.3.3Y型樹狀分形超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計340
5.3.4三等分樹狀分形超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計342
5.3.5Minkowski分形構(gòu)造344
5.4Hilbert分形迭代原理的實例347
5.4.1天線基板的介電常數(shù)和厚度對天線性能影響的研究348
5.4.2實際應(yīng)用352
5.5加載AMC地板的抗金屬標簽天線設(shè)計354
5.5.1引言354
5.5.2彎折偶極子標簽天線設(shè)計354
5.5.3人工磁導(dǎo)體地板設(shè)計359
5.5.4加載AMC地板的抗金屬標簽天線363
第6章金屬環(huán)境標簽的工程設(shè)計368
6.1環(huán)境場對標簽的影響368
6.1.1金屬表面對標簽性能的影響368
6.1.2超高頻抗金屬標簽天線理論基礎(chǔ)371
6.1.3各種材料背景下的讀寫距離測試 373
6.2不同金屬環(huán)境對標簽天線性能的影響374
6.2.1天線周圍有金屬物體374
6.2.2天線貼在不同大小的金屬表面上的分析377
6.2.3天線在金屬表面彎曲的分析380
6.3其他介質(zhì)對標簽天線的影響385
6.3.1不同介質(zhì)的影響385
6.3.2不同距離的影響391
6.4采用相關(guān)天線技術(shù)降低環(huán)境要求393
6.4.1平面反F天線393
6.4.2尺寸的減小395
6.4.3標簽天線對環(huán)境的影響396
6.5柔性 PIFA 抗金屬標簽天線設(shè)計398
6.5.1天線結(jié)構(gòu)及模型398
6.5.2仿真分析399
6.6柔性微帶抗金屬標簽天線設(shè)計401
6.6.1天線結(jié)構(gòu)及模型402
6.6.2仿真分析402
6.6.3測試結(jié)果406
6.7超薄柔性微帶抗金屬標簽天線設(shè)計408
6.7.1厚度對微帶型標簽天線的影響408
6.7.2超薄抗金屬標簽天線的設(shè)計410
6.7.3超薄抗金屬標簽測試結(jié)果412
6.7.4幾種柔性抗金屬標簽天線性能的對比414
6.8波導(dǎo)饋電微帶環(huán)縫標簽天線的分析與設(shè)計414
6.8.1金屬表面天線結(jié)構(gòu)與增益的關(guān)系415
6.8.2天線的設(shè)計與工程仿真418
6.8.3天線的制作與測試422
6.9同軸線饋電切口微帶貼片標簽天線的設(shè)計和分析424
6.9.1金屬表面薄型天線的仿真與分析424
6.9.2天線的設(shè)計與仿真427
6.9.3天線的制作與測試433
第7章超高頻標簽天線測試和仿真436
7.1標簽天線的工作原理436
7.1.1雷達散射截面原理436
7.1.2標簽天線的雷達散射截面437
7.1.3標簽的調(diào)制工作方式439
7.1.4標簽芯片的可讀靈敏度和讀寫距離439
7.1.5標簽的運動速度與讀取率447
7.1.6介質(zhì)對讀取性能的影響452
7.1.7天線的極化方向?qū)撕炐阅艿挠绊?58
7.2標簽天線的仿真分析462
7.2.1標簽(一)的仿真分析462
7.2.2標簽(二)的仿真分析463
7.2.3仿真分析的結(jié)論464
7.3標簽性能測試的原理和方法465
7.3.1標簽的相關(guān)國際標準465
7.3.2標簽性能測試基本原理466
7.3.3標簽性能測試的實現(xiàn)方法466
7.3.4標簽互操作性能測試的實現(xiàn)方法466
7.3.5標簽芯片一致性測試的實現(xiàn)方法467
7.4測試系統(tǒng)的環(huán)境468
7.4.1整體測試方案468
7.4.2環(huán)行器隔離信號法470
7.4.3測試系統(tǒng)所用天線的仿真與制作471
7.4.4測試系統(tǒng)的整體搭建478
7.5標簽性能測試系統(tǒng)的實際測試及結(jié)果分析480
7.5.1測量讀和寫標簽的最小電場強度值480
7.5.2測量標簽靈敏度481
7.5.3最大操作電場強度值和存活電場強度值482
7.5.4抗干擾能力482
7.5.5標簽移動最大衰落率483
7.6超高頻RFID標簽的測試理論483
7.6.1標簽芯片阻抗的測量483
7.6.2S參數(shù)分析485
7.6.3標簽天線的阻抗測量方法探討485
7.7標簽基材復(fù)介電常數(shù)的測量488
7.7.1引言488
7.7.2波導(dǎo)傳輸法原理及仿真結(jié)果488
7.7.3矩形諧振腔法原理及仿真結(jié)果491
7.7.4微帶線諧振法原理及仿真結(jié)果493
7.7.5微帶線諧振法測試系統(tǒng)498
第8章外部場對標簽天線的影響503
8.1標簽天線受封裝的影響503
8.1.1標簽天線的基本類型503
8.1.2RFID標簽天線的主要技術(shù)參數(shù)504
8.1.3仿真天線參數(shù)505
8.1.4標簽的封裝507
8.1.5天線封裝對天線性能的影響509
8.2基本環(huán)境對RFID標簽輻射的影響513
8.2.1溫度對標簽的影響513
8.2.2溫度對標簽操作的影響514
8.3濕空氣介電常數(shù)的推導(dǎo)514
8.3.1不含水蒸氣的空氣的介電常數(shù)514
8.3.2飽和干蒸汽的介電常數(shù)515
8.3.3濕空氣介電常數(shù)的計算516
8.3.4建模仿真516
8.3.5空氣粉塵和水霧顆粒對電磁波的影響519
8.4雨、雪、冰對RFID標簽的影響523
8.4.1隨機雨介質(zhì)的等效介電常數(shù)523
8.4.2水膜對標簽的影響的軟件仿真526
8.4.3冰雪對標簽表面的影響530
8.5人體和金屬對RFID標簽天線的影響532
8.5.1金屬對標簽天線的影響532
8.5.2人體對RFID標簽天線的影響533
8.5.3可用于人體環(huán)境的標簽設(shè)計537
8.6紙基RFID包裝箱的標簽天線設(shè)計538
8.6.1包裝箱環(huán)境對RFID標簽天線的影響539
8.6.2RFID包裝箱的設(shè)計540
8.6.3實物測試與結(jié)果541
8.7人體對標簽天線的影響543
8.7.1天線結(jié)構(gòu)543
8.7.2仿真與測量結(jié)果544
附錄1標簽天線芯片的相關(guān)參數(shù)——以M4為例546
附錄2天線外形參考資料547
參考文獻558