1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p>　　題目：無芯片RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)</p><p>　　系 別： 電子信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p><p>　　班 級： <

2、;/p><p>　　學(xué) 生： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　2013年 6月</b></p><p>　　無芯片

3、RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　射頻識別（RFID）是一種自動(dòng)識別技術(shù)，具有體積小、容量大、壽命長、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，該技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息共享。標(biāo)簽成本是RFID技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的一大瓶頸?；谶@一背景，無芯片射頻識別以其遠(yuǎn)距離、高速度和低成本等特點(diǎn)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究

4、領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，射頻識別技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，并將成為未來信息社會(huì)建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。本文針對射頻識別標(biāo)簽的應(yīng)用需求，對無芯片射頻識別標(biāo)簽進(jìn)行了研究。</p><p>　　首先，論述了RFID系統(tǒng)的技術(shù)原理，并對無芯片RFID標(biāo)簽的工作原理進(jìn)行了分析。</p><p>　　其次，本文對無芯片RFID標(biāo)簽的整體結(jié)構(gòu)做了介紹。同時(shí)闡述了螺旋諧振器的基本原理。</p><

5、;p>　　最后，利用Ansoft HFSS對所建模型進(jìn)行了仿真，并分析了仿真結(jié)果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：射頻識別；電子標(biāo)簽；螺旋諧振器；微帶線</p><p>　　The Circuit Design of Chipless RFID Tag</p><p><b>　　Abstract</b></p><p

6、>　　Radio Frequency Identification (RFID) is all automatic identification technology, which has the character of small volume,high capacity,long life, reusability and so on. When combining with internet and communicati

7、on technology,RFID can realize object tracing and information sharing on a global scale.However,the cost of transponder is a major boaleneck in the application and development of RFID technology.For its chipless long—dis

8、tance,high-speed and low—cost,chipless RFID technology has become </p><p>　　At first,discusses the RFID technology and principle,and chipless RFID tag of principle is analyzed.</p><p>　　Secondly

9、,the article chipless RFID tag the overall structure are introduced，Also expounds the basic principle of spiral resonator.</p><p>　　Finally,using Ansoft HFSS to the model simulation,and analysis of the simu

10、lation results.</p><p>　　Key Words：RFID;tag;spiral resonator;microstrip line</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1題

11、目背景1</b></p><p><b>　　1.2研究意義1</b></p><p>　　1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況2</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　1.5課題擬采用的研究方案4</p><p>　　1.6課題研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)4<

12、/p><p>　　1.7論文的組織結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2 RFID技術(shù)的基本原理5</p><p>　　2.1 RFID系統(tǒng)的組成5</p><p>　　2.1.1 標(biāo)簽5</p><p>　　2.1.2閱讀器7</p><p>　　2.1.3計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)7</p>

13、;<p>　　2.2無芯片RFID標(biāo)簽的工作原理7</p><p>　　2.2.1電磁場基本原理和天線輻射理論7</p><p>　　2.2.2 RFID的數(shù)據(jù)傳輸原理與信道研究10</p><p>　　2.2.3無芯片RFID標(biāo)簽的工作原理與識別距離12</p><p>　　3 螺旋諧振器的設(shè)計(jì)13</p&g

14、t;<p>　　3.1螺旋諧振器的工作原理15</p><p>　　3.2諧振器的設(shè)計(jì)思路16</p><p>　　4 仿真結(jié)果與結(jié)論分析18</p><p>　　4.1單一螺旋諧振器的仿真18</p><p>　　4.2 3個(gè)螺旋諧振器級聯(lián)的仿真22</p><p>　　4.2.1編碼值為“

15、000”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果21</p><p>　　4.2.2編碼值為“010”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果22</p><p>　　4.2.3編碼值為“101”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果23</p><p><b>　　5 結(jié)論25</b></p><p>　　5.1設(shè)計(jì)結(jié)論25</p><p

16、>　　5.2收獲與體會(huì)25</p><p>　　5.3不足之處25</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p>　　附錄1 硬件實(shí)物圖31</p><p>　　附錄2 硬件實(shí)測環(huán)境

17、及結(jié)果32</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1題目背景</b></p><p>　　隨著社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，信息技術(shù)正迅速改變我們的生活。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，自動(dòng)識別技術(shù)已經(jīng)在貨物銷售、物流分配、商品流通和生產(chǎn)制造等諸多領(lǐng)域得到了快速的普及和應(yīng)用，初步形成了一個(gè)包括條形碼技

18、術(shù)、磁卡技術(shù)、系統(tǒng)集成化、聲音視覺識別等計(jì)算機(jī)、電子、通信技術(shù)為一體的高新科技學(xué)科?，F(xiàn)在，射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification 簡稱 RFID）已經(jīng)走進(jìn)人們的生活，它不僅是條形碼的簡單替代品，更能綜合無線通訊、微電子、互聯(lián)網(wǎng)等最新信息技術(shù)，對所有社會(huì)產(chǎn)品進(jìn)行從生產(chǎn)、銷售、使用甚至回收處理進(jìn)行全過程監(jiān)控管理，極大地提高整個(gè)社會(huì)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率[1]。</p><p>　　在過去的半個(gè)

19、多世紀(jì)里，RFID技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：20世紀(jì)50年代是RFID技術(shù)和應(yīng)用的探索階段；60到80年代期間，RFID變成現(xiàn)實(shí)，反向散射理論以及其他電子技術(shù)的發(fā)展為RFID技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)第一個(gè)RFID商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)——商業(yè)電子防盜系統(tǒng)出現(xiàn)；九十年代末，隨著RFID應(yīng)用的擴(kuò)大，為了保證RFID設(shè)備和系統(tǒng)之間的相互兼容，RFID技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化不斷得到發(fā)展，同時(shí)人們也意識到統(tǒng)一的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的必然性，EPC Globa

20、l(全球電子產(chǎn)品代碼協(xié)會(huì))就應(yīng)運(yùn)而生了；進(jìn)入2l世紀(jì)初，RFID標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)初步形成。有源電子標(biāo)簽、無源電子標(biāo)簽及半無源電子標(biāo)簽均得到發(fā)展。電子標(biāo)簽成本不斷降低，應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)不斷擴(kuò)大。無源電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離、高速移動(dòng)物體的識別成為需要并不斷成為現(xiàn)實(shí)。2003年11月4日，世界零售業(yè)巨頭沃爾瑪公司宣布，它將采用RFID技術(shù)追蹤其供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的商品，并要求其前100大供應(yīng)商從2005年月起將所有發(fā)運(yùn)到沃爾瑪?shù)呢洷P和外包裝箱貼上射頻標(biāo)簽。沃爾瑪這

21、巨大的舉動(dòng)揭開了RFID在開放系統(tǒng)中運(yùn)用的序幕[2]。</p><p>　　作為21世紀(jì)十大重要技術(shù)之一，RFID在國外的應(yīng)用已經(jīng)越來越普及，新加坡、韓國等國家都明確指出要重點(diǎn)發(fā)展射頻識別技術(shù)及其應(yīng)用。中國是世界生產(chǎn)中心之一和最具潛力的消費(fèi)市場，對RFID的應(yīng)用需求也將越來越強(qiáng)烈。</p><p><b>　　1.2研究意義</b></p><p

22、>　　射頻識別標(biāo)簽具有遠(yuǎn)距離、高速傳輸、信息收集處理迅速、較好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)，在近幾年來獲得極為迅速的發(fā)展。RFID技術(shù)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè)，可大幅提高管理與運(yùn)作效率。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善和成熟，RFID技術(shù)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間。無芯片RFID電子標(biāo)簽由于沒有芯片，所以成本大大低于傳統(tǒng)電子標(biāo)簽，這樣就使無芯片RFID電子標(biāo)簽可以大量生產(chǎn)，最終大規(guī)模應(yīng)用于射頻識別市場。</p><

23、;p>　　現(xiàn)今唯一RFID標(biāo)簽沒能取代條形碼的原因就是RFID標(biāo)簽的成本相對條形碼來說仍然很高。無芯片RFID標(biāo)簽由于沒有IC芯片，成本通常大大低于芯片RFID。利用印刷技術(shù)，無芯片RFID可以批量生產(chǎn)，更加降低了成本，大規(guī)模應(yīng)用于射頻識別市場已經(jīng)指日可待。射頻識別技術(shù)于條形碼技術(shù)在物品識別的功能上有些類似，兩種技術(shù)之間的差異在于以下幾個(gè)方面[3]：第一，成本。條形碼技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，條形碼能夠印刷在物品表面，制作非常方便，

24、成本極低。條形碼掃描儀的成本也很低；而基于EPC的射頻識別技術(shù)是近年來的新技術(shù)，應(yīng)用才剛剛開始，電子標(biāo)簽包括芯片和印刷天線兩個(gè)部分，制作比較復(fù)雜，目前成本較高，而射頻識別閱讀器的成本很高，因此，單從成本方面來講，目前條形碼占有優(yōu)勢。第二，包含的信息。條形碼能夠包含的信息十分有限，而目前電子標(biāo)簽的存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為64位，96位，或者更多位，而且這些數(shù)據(jù)能夠多次重復(fù)讀寫，因此在包含的信息方面，射頻識別技術(shù)占有優(yōu)勢。第三，自動(dòng)化。條形碼掃描儀必須

25、正對條形碼才能閱讀中間不能有不透光的阻擋，而電子標(biāo)簽和閱讀器之間只要中間的阻擋物能夠被電磁波穿透就可以讀?。毫硗?，條形碼閱讀器在某段時(shí)間</p><p>　　1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況</p><p>　　在RFID技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)方面，國外要比國內(nèi)領(lǐng)先很多，像美國、德國、英國、瑞典等日前均有較為成熟且先進(jìn)的RFID系統(tǒng)。讀卡器方面的供應(yīng)商有Symbol、Intermec、Alien、SA

26、VI等，芯片的供應(yīng)商有Philips、TI和ST等。在閱讀器的芯片設(shè)計(jì)方面，目前已有少數(shù)廠家開始計(jì)劃設(shè)計(jì)閱讀器的專門芯片，目前還未見到有單芯片的射頻識別閱讀器產(chǎn)品。WJ Communications是一家射頻器件供應(yīng)商，目前提供固定式閱讀器和手持閱讀器的產(chǎn)品，并且已經(jīng)開始設(shè)計(jì)單芯片的閱讀器射頻前端。</p><p>　　與發(fā)達(dá)國家相比，中國在RFID技術(shù)和應(yīng)用上還只是處于發(fā)展初期。在硬件方面，國內(nèi)已具有了自主開發(fā)

27、低頻(LF)、高頻(HF)電子標(biāo)簽芯片與讀寫器的技術(shù)能力，其中在HF頻段方面的設(shè)計(jì)技術(shù)接近洲際先進(jìn)水平，已經(jīng)自主開發(fā)出符合應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)的芯片，并成功地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如我國居民第二代身份證的使用，一些城市公交射頻卡付費(fèi)系統(tǒng)，校園一卡通以及北京2008年奧運(yùn)會(huì)門票等。</p><p>　　根據(jù)應(yīng)用場合的限制RFID標(biāo)簽通常需要貼在不同類型、不同形狀的物體表面，甚至需要直接嵌入到物體內(nèi)部。由于標(biāo)簽無線與閱讀器天線分別承擔(dān)

28、著接收能量和發(fā)射能量的作用，這些因素對天線的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。當(dāng)前對RFID天線的研究主要集中在天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能影響以及減小天線尺寸上，出現(xiàn)了分型天線、片上天線等研究方向。</p><p>　　降低標(biāo)簽成本和標(biāo)簽芯片功耗是RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)所解決的兩個(gè)問題。</p><p>　　a. 標(biāo)簽成本 標(biāo)簽成本是RFID技術(shù)商業(yè)應(yīng)用能否取得成功的關(guān)鍵。RFID標(biāo)簽的成本主要由IC芯

29、片、天線和封裝等幾部分構(gòu)成，芯片是其中的主要部分，大約占50％。由于現(xiàn)有的很多RFID標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)都是基于特殊工藝(鍺硅、BiCMOS等)，因此成本很高。這樣高的成本顯然無法應(yīng)用于價(jià)值較低的單件商品，應(yīng)用范圍受到了很大限制，根據(jù)Auto-ID中心的預(yù)測，只有當(dāng)RFID標(biāo)簽生產(chǎn)成本降低到5美分時(shí)， RFID才可能得到大規(guī)模的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，CMOS工藝己能制造應(yīng)用于微波波段的芯片，射頻電路能集成到大規(guī)模數(shù)字電路的芯片上，而

30、以CMOS工藝制造的無線系統(tǒng)將會(huì)有更低的制造成本，因此如何設(shè)計(jì)出與低成本CMOS工藝兼容的RFID標(biāo)簽是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。</p><p>　　b. 低功耗設(shè)計(jì) 標(biāo)簽芯片所能獲得能量的大小和其自身功耗大小直接影響到標(biāo)簽的識別距離。RFID作為被動(dòng)式、遠(yuǎn)距離的非接觸識別技術(shù)，其標(biāo)簽芯片的工作能量全部來自于內(nèi)部電路對輸入射頻信號的整流和放大，因此標(biāo)簽的內(nèi)部電路必須具有較高的轉(zhuǎn)換效率，可以把微弱的輸入信號轉(zhuǎn)換成芯片工作的

31、直流電壓，同時(shí)芯片本身要以極低的功耗正常運(yùn)作[4]。</p><p>　　國外的RFID標(biāo)簽芯片研究中采用了一些電路設(shè)計(jì)技術(shù)來降低標(biāo)簽芯片各模塊電路功耗，如亞閾值電路、異步電路、絕熱電路、高效率整流電路、低功耗非易失存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)等，取得了較好的效果。如何設(shè)計(jì)出功耗低，適用于RFID標(biāo)簽芯片應(yīng)用的單元電路是決定標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</

32、p><p>　　首先需要了解一些基本的知識，例如：射頻識別的概念以及工作原理、無</p><p>　　芯片電子標(biāo)簽的基本組成、微帶線的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用背景、電路設(shè)計(jì)核心——諧振器的相關(guān)參數(shù)等。其中微帶線是無芯片電子標(biāo)簽中最具特點(diǎn)的一種結(jié)構(gòu)。微帶線是指適合制作微波集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線，它具有兩方面的作用：1.高頻信號進(jìn)行有效地傳輸；2.它能與其他固體器件如電感、電容等構(gòu)成一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使信號輸出端

33、與負(fù)載很好的匹配。其次就是利用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。其仿真的核心就是微波諧振器。微波諧振器是在微波領(lǐng)域具有儲(chǔ)能和選頻特性的元件，它相當(dāng)于低頻電路中的振蕩回路。 </p><p>　　1.5課題擬采用的研究方案</p><p>　　根據(jù)題目要求，首先應(yīng)確定的是微波諧振器的種類。微波諧振器一般有傳輸線性諧振器和非傳輸線性諧振器。在本題目中，應(yīng)選擇的諧振器是傳輸線性諧振器。當(dāng)

34、確定了諧振器的種類后，再要考慮的就是諧振器的耦合器件—線圈的繞制方法。只有自己認(rèn)真的了解各種線圈繞制的優(yōu)缺點(diǎn)，才能找到最適合題目要求的繞制方法。最后，就是將設(shè)計(jì)好的諧振器級聯(lián)起來。此時(shí)需要考慮的問題就是消除互耦干擾，以便使整個(gè)系統(tǒng)能正常的工作。</p><p>　　1.6課題研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)</p><p>　　重點(diǎn)在于諧振器的設(shè)計(jì)。如何設(shè)計(jì)出滿足于要求的諧振單元并能使其穩(wěn)定的工作是這次設(shè)

35、計(jì)的重中之重。難點(diǎn)在于消除諧振器之間的互耦干擾。由于設(shè)計(jì)初步的要求是具有3個(gè)諧振器，單元之間的干擾在所難免。怎樣才能將互耦干擾降到最低是必須要認(rèn)真思考才能解決好的。</p><p>　　1.7論文的組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　論文共有5個(gè)章節(jié)構(gòu)成，主要內(nèi)容及機(jī)構(gòu)安排如下：</p><p>　　第一章是緒論。簡要的論述課題的背景，說明課題的研究意義，并分析了課題研究

36、技術(shù)的相關(guān)情況。</p><p>　　第二章是RFID技術(shù)的組成原理的敘述。主要對RFID系統(tǒng)的組成以及其工作的基本原理做了介紹，另外，重點(diǎn)介紹了無芯片RFID的工作原理。</p><p>　　第三章是螺旋諧振器的設(shè)計(jì)理論。說明了螺旋諧振器的工作原理以及設(shè)計(jì)思路。</p><p>　　第四章是仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析。 包括了所有的仿真結(jié)果，并通過改變不同的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)結(jié)果

37、的不同，以便得到最后的結(jié)論。</p><p>　　第五章是結(jié)論。主要包括最終結(jié)論，設(shè)計(jì)收獲與體會(huì)，設(shè)計(jì)不足以和需要改進(jìn)的地方。</p><p>　　2 RFID技術(shù)的基本原理</p><p>　　2.1 RFID系統(tǒng)的組成</p><p>　　圖2.1為RFID系統(tǒng)組成原理圖，其中包括了標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

38、對整個(gè)RFID系統(tǒng)而言，閱讀器與標(biāo)簽通過電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其數(shù)據(jù)鏈路包含了數(shù)據(jù)的調(diào)制／解調(diào)、編碼／解碼、仿碰撞算法以及相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等[5]。RFID技術(shù)的基本原理就是將RFID標(biāo)簽安裝在被識別的物體上，當(dāng)被標(biāo)識的物體進(jìn)入RFID系統(tǒng)的閱讀范圍時(shí)，利用空間電感耦合或者電磁耦合進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽和閱讀器之間的非接觸式信息通訊，標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送攜帶信息，閱讀器接收這些信息并進(jìn)行解碼，通過串口RS232或RS485，將閱讀器采集到的數(shù)掘?qū)崟r(shí)

39、送入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器，從而完成信息的全部采集與處理過程，以達(dá)到自動(dòng)識別被標(biāo)識物體的目的。</p><p>　　圖2.1 射頻識別系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.1.1 標(biāo)簽</b></p><p>　　標(biāo)簽(tag)是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，其主要作用是存儲(chǔ)唯一的數(shù)據(jù)信息（ID)，把自己與周圍其它標(biāo)簽

40、區(qū)別開來，并與閱讀器之問實(shí)現(xiàn)通信[6]。它的最主要特征即是其工作頻率，它不僅決定了RFID系統(tǒng)的工作原理，還決定了閱讀器實(shí)現(xiàn)的難易程度和成本。一般意義上的標(biāo)簽由天線和用于存儲(chǔ)有關(guān)標(biāo)識信息電子芯片組成。其基本組成如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　這里將RFID標(biāo)簽分為有源、半有源、無源、無芯片四類[7]。</p><p&

41、gt;　　a. 有源標(biāo)簽 內(nèi)部裝有電池，一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離最遠(yuǎn)甚至可以達(dá)到24m，不足之處是電池的壽命有限，大多為3—10年，在實(shí)際應(yīng)用中需要不斷進(jìn)行維護(hù)并且有一定的失效率，其成本也就相對較高，一旦電池失效，標(biāo)簽即喪失功能，一般應(yīng)用在對性能要求較高、讀寫距離要求較遠(yuǎn)的場合。</p><p>　　b. 半有源標(biāo)簽 與有源標(biāo)簽類似，內(nèi)部設(shè)有電池，通常情況下可以作為有源標(biāo)簽使用10年以上，在電池耗盡后可以繼續(xù)作為無

42、源電子標(biāo)簽使用，從而進(jìn)一步降低成本，延長了標(biāo)簽的使用壽命，并節(jié)省了資源。有源工作條件下，其工作距離大于10m，在無源條件下，其距離為3-5m，可以有效替代有源標(biāo)簽。</p><p>　　c. 無源標(biāo)簽 內(nèi)部沒有電池，所需的工作能量需要從閱讀器發(fā)出的射頻波束中獲取，經(jīng)過整流、存儲(chǔ)后提供電子標(biāo)簽所需的工作電壓，而標(biāo)簽通過負(fù)載調(diào)制或反向散射的方式與閱讀器實(shí)現(xiàn)通信。盡管在閱讀距離等方面會(huì)受到一定的限制，但與有源標(biāo)簽相比，

43、無源標(biāo)簽具有較為低廉的成本以及廣泛的適應(yīng)性，使其在物流、車輛管理、倉儲(chǔ)管理、零售業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其工作距離一般不會(huì)超過10m。</p><p>　　d. 無芯片標(biāo)簽(chipless tag) 它是無源標(biāo)簽中的新成員，內(nèi)部沒有IC電路，每個(gè)無芯片標(biāo)簽都會(huì)以反向散射方式反射回帶有不同特征的反向散射信號，此特征可作為唯一的ID由閱讀器解碼識別。它的特點(diǎn)是超薄、低成本，存貯數(shù)據(jù)量少。作為RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)的一個(gè)新

44、領(lǐng)域，有很重要的研究價(jià)值。</p><p>　　根據(jù)標(biāo)簽的工作頻率分為低頻、高頻、超高頻和微波系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)一般指其工作頻率小于300kHz，典型的工作頻率有：125KHz，225KHz；高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率在3-30MHz，典型的工作頻率有：13.56 MHz；超高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率在300MHz以上，典型的工作頻段有：860-960MHz；微波系統(tǒng)一般指其工作頻率在2.45GHz以上的，典型的工作頻段

45、有：2.45GHz，5.8GHz等。射頻標(biāo)簽的工作頻率是其最重要的特點(diǎn)之一。標(biāo)簽的工作頻率不僅決定著射頻識別系統(tǒng)的工作原理和識別距離，而且還決定著射頻標(biāo)簽和讀寫器實(shí)現(xiàn)的難易程度。</p><p>　　2.1.2 閱讀器</p><p>　　閱讀器(Reader)是整個(gè)RFID系統(tǒng)中重要的組成部分之一，它是讀寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取或?qū)懭胄盘?，并接收?biāo)簽的

46、應(yīng)答，對標(biāo)簽的標(biāo)志信息進(jìn)行解碼，將標(biāo)志信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理系統(tǒng)以供處理。閱讀器包括天線、射頻模塊和控制單元[8]。此外，閱讀器還應(yīng)與有計(jì)算機(jī)連接的通信端口，一邊將讀取的信息送往計(jì)算機(jī)處理或者從計(jì)算機(jī)獲得要寫入電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。</p><p>　　閱讀器的控制單元的功能包括：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；控制與電子標(biāo)簽的通信過程；信號的編解碼；為精簡電子標(biāo)簽芯片控制電路設(shè)計(jì)還可以執(zhí)行防沖突算

47、法；對電子標(biāo)簽和閱讀器問要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，以及進(jìn)行電子標(biāo)簽和閱讀器間的身份驗(yàn)證等附加功能。射頻模塊主要通過無線射頻自動(dòng)捕獲電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，完成收發(fā)信號的調(diào)制與解調(diào)。根據(jù)所支持的標(biāo)簽類型不同以及所完成功能的不同，閱讀器的復(fù)雜程度是顯著不同的。</p><p>　　通常，在閱讀器的響應(yīng)范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)(無源標(biāo)簽)。應(yīng)答器工作所需的能量，如同時(shí)鐘脈沖和數(shù)據(jù)一樣，是通過耦合(非接觸的)獲得的。&l

48、t;/p><p>　　RFID閱讀器設(shè)計(jì)將向多功能、多借口、多制式，并向模塊化、小型化、便攜式、嵌入式等方向發(fā)展。同時(shí)，多閱讀器協(xié)調(diào)與組網(wǎng)技術(shù)也將成為未來發(fā)展方向之一。未來閱讀器的價(jià)格將大幅降低，并支持多個(gè)頻點(diǎn)，能自動(dòng)識別不同頻率的標(biāo)簽信息。</p><p>　　2.1.3 計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)</p><p>　　在RFID系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)與閱讀器之問的

49、通信功能，閱讀器可以通過RS232／485等標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行通信，進(jìn)而通過有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行連接，通過服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理，從而構(gòu)成一個(gè)完整的信息管理平臺(tái)[9]。</p><p>　　2.2 無芯片RFID標(biāo)簽的工作原理</p><p>　　2.2.1 電磁場基本原理和天線輻射理論</p><p>　　RFID技術(shù)是通

50、過無線信號來對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)識別的。閱讀器和標(biāo)簽通過各自的天線構(gòu)建起二者之間的空間信息傳輸通道。這種信息傳輸通道的性能完全由天線周圍電磁場特性決定的。RFID技術(shù)作為一種無線傳輸技術(shù)，其天線的電磁傳播特性是RFID技術(shù)的基本原理。</p><p>　　a. 電磁場基礎(chǔ) 無線通信中，信息通過電磁波進(jìn)行傳輸，交變的電場產(chǎn)生磁場，交變的磁場產(chǎn)生電場，Maxwell方程描述了空間每一點(diǎn)上每個(gè)時(shí)刻的電場和磁場情況[10]。交變的

51、電磁場用頻率為∞的正弦形式來表示時(shí)，可以得到以下的關(guān)系：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　其中E是電場強(qiáng)度(V／m)，H是磁場強(qiáng)度(A／m)，B是磁通量密度(T)，D是電位移矢量()，J是電流密度()，P是電荷密度()。電荷和電流的連續(xù)性方程為: </p><p><b>　　(2.2)</b

52、></p><p>　　單位平面上電場和磁場的發(fā)送的平均功率可以用Poynting矢量來表示。</p><p>　　真空中電磁波的波數(shù)定義為:</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　其中c是光速，3m／s，是真空的電導(dǎo)率，8.8542F／m，是真空的磁導(dǎo)率，4×H／m。電場強(qiáng)

53、度和電位移矢量的關(guān)系為，磁場強(qiáng)度和磁通量密度的關(guān)系為。真空的特征阻抗為:</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　b. 天線輻射理論 為了討論天線的輻射特性，首先假設(shè)其是理想偶極子天線，理想偶極子是指電尺寸的、輻射均勻的電流，其中、、和如圖2.3所示[11]。理想偶極子所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度分別為：</p><p&g

54、t;<b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　圖2.3 電偶極子輻射場</p><p>　　發(fā)射天線附近的電磁場可以分為兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域：電抗性近場(Reactive near field)和輻射場(Radiating field)，前者能量主要以存儲(chǔ)的形式存在，而

55、后者能量主要以電磁波的形式進(jìn)行傳播。兩者的邊界為</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　其中，到天線的距離，為電磁波的波長。 </p><p><b>　　當(dāng)滿足下列條件時(shí)：</b></p><p><b>　　(2.8)</b></p>

56、;<p>　　該處的電磁場區(qū)域常常簡稱為近場，區(qū)域中的電磁場近似于靜態(tài)電流和電荷再分布產(chǎn)生的場強(qiáng)，因此也稱為準(zhǔn)靜態(tài)場，場強(qiáng)隨時(shí)間的變化與天線的電流和電荷的分布成正比[12]。</p><p>　　當(dāng)時(shí)為遠(yuǎn)場，又稱輻射遠(yuǎn)場區(qū)或夫朗費(fèi)荷區(qū)。</p><p><b>　　近場與遠(yuǎn)場的邊界為</b></p><p><b>　　

57、(2.9)</b></p><p>　　其中D為天線的最大尺寸。</p><p>　　對于RFID系統(tǒng)和電子標(biāo)簽而言，一般情況下，由于電子標(biāo)簽尺寸的限制，以及讀寫器天線應(yīng)用時(shí)尺寸限制，絕大都數(shù)情況下，采用天線結(jié)構(gòu)模式。天線的無功近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)的距離可以根據(jù)波長進(jìn)行估算。</p><p>　　不同頻段的RFID系統(tǒng)采用不同的電磁場通信機(jī)制。目前RFID系統(tǒng)

58、采用的典型頻率有13.56MHz(HF頻段)和915MHz(UHF頻段)附近，分別工作于近場和遠(yuǎn)場模式，近場模式采用磁場耦合的方式進(jìn)行通信，分析比較復(fù)雜。由于超高頻射頻識別系統(tǒng)工作模式為遠(yuǎn)場，因此本文主要分析遠(yuǎn)場之間的電磁場傳播，在討論到近場耦合模式下的工作原理時(shí)，也會(huì)分析近場耦合的情況。</p><p>　　2.2.2 RFID的數(shù)據(jù)傳輸原理與信道研究</p><p>　　射頻識別系統(tǒng)

59、的通信過程有一定的特殊性，與一般的無線通信系統(tǒng)不同，如GSM。GSM工作于全雙工的模式，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)的GSM手機(jī)的發(fā)射頻率為890-915MHz，接收頻率為935-960MHz，兩者的間隔至少為20MHz，因此當(dāng)GSM手機(jī)的接收機(jī)工作時(shí)，可以通過高頻濾波器抑制發(fā)射電路的耦合到接收電路的功率，減小發(fā)射電路對接收電路的影響。而射頻識別閱讀器雖然不是全雙工工作，但是當(dāng)閱讀器的接收機(jī)工作時(shí)，發(fā)射電路同時(shí)也在發(fā)射一個(gè)大功率的無調(diào)制載波，而閱讀器接

60、收到的信號和發(fā)射的功率處于同一頻率，因此無法通過濾波器的方法來抑制[13]。</p><p>　　a. 數(shù)據(jù)傳輸原理 在RFID系統(tǒng)中，閱讀器與標(biāo)簽之間的通信是通過天線利用電磁波來實(shí)現(xiàn)的。有關(guān)天線場區(qū)的劃分，一方面表明了天線周圍場的分布特點(diǎn)，即在輻射場中能量以電磁波的形式向外傳播，而在無功近場中，能量以電場、磁場的形式相互轉(zhuǎn)換，不向外傳播；另一方面則表明天線周圍場強(qiáng)的分布情況，距離天線越近，場強(qiáng)越強(qiáng)。因此，閱讀器

61、與標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)交換方式也就相應(yīng)劃分為負(fù)載調(diào)制和反向散射調(diào)制兩種方式。</p><p>　　通常而言，近距離RFID系統(tǒng)大多是通過準(zhǔn)靜態(tài)場耦合來實(shí)現(xiàn)的。正如前面所提到的，此時(shí)閱讀器與標(biāo)簽之間的能量交換方式類似于變壓器模型，即負(fù)載調(diào)制方式。這一方式實(shí)際是通過改變標(biāo)簽天線上負(fù)載電阻的接通和斷開，使得閱讀器天線上的電壓發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)近距離標(biāo)簽對天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。這種調(diào)制方式廣泛應(yīng)用于125kHz與13.56MH

62、z的RFID系統(tǒng)中。</p><p>　　在915MHz、2.45GHz或者更高頻率的RFID系統(tǒng)而言，其工作在典型的遠(yuǎn)場中，閱讀器與標(biāo)簽之間的距離達(dá)幾米，甚至十幾米，而載波波長僅有幾厘米或十幾厘米，這使得閱讀器和標(biāo)簽之間的能量傳遞方式只能是反向散射調(diào)制。</p><p>　　反向散射調(diào)制是指無源RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀寫器時(shí)所采用的通信方式。標(biāo)簽一般包含天線和芯片，芯片中用一

63、個(gè)阻抗開關(guān)調(diào)整芯片自身的輸入阻抗[14]。 </p><p>　　假設(shè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號是具有兩種電平的信號，通過一個(gè)邏輯門與中頻信號完成調(diào)制，調(diào)制后的信號控制阻抗開關(guān)的打開、閉合，從而改變芯片的輸入阻抗，即改變芯片和天線的阻抗匹配情況。標(biāo)簽天線與相連的標(biāo)簽芯片共軛匹配時(shí)，天線接收的能量將大部分傳遞到芯片，反射回閱讀器的能量較小；反之，芯片與天線不匹配時(shí)反射回閱讀器的能量較大，從而對反射的回波進(jìn)行調(diào)制。這種調(diào)制方式

64、類似于ASK調(diào)制。</p><p>　　b. 信道研究 射頻識別系統(tǒng)的工作頻段一般選擇為ISM頻段(Industrial，Scientific，and Medical，工業(yè)，科學(xué)，醫(yī)學(xué))，其主要原因是ISM頻段無需申請執(zhí)照。對所有無線電系統(tǒng)都開發(fā)，比較容易在全球使用統(tǒng)一的頻段。典型的射頻識別系統(tǒng)的工作頻率為125kHz，13.56MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz等。</p><

65、;p>　　在低頻和高頻射頻識別系統(tǒng)(125kHz和13.56MHz系統(tǒng))中，主要是基于磁場耦合效應(yīng)，因?yàn)闅W洲允許的容性耦合場強(qiáng)非常小，所以采用磁場耦合的方式。在磁場耦合機(jī)制中，標(biāo)簽靠磁場上電。和線圈直徑相垂直的磁場強(qiáng)度為：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　其中，I為線圈中流過的電流，N為線圈的匝數(shù)，為閱讀器線圈的半徑，d為閱

66、讀器和電子標(biāo)簽的距離[15]。從式中可以得到，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，</p><p>　　，因此在磁場系統(tǒng)中通過磁場耦合建立通信，為了保持通信進(jìn)程，閱讀器和電子標(biāo)簽之間的磁場耦合系數(shù)k必須大于0，耦合系數(shù)的定義為</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　其中和是線網(wǎng)的電感值，M為互感系數(shù)，</p>&

67、lt;p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　其中A是線圈的匝積，B是磁通量密度，磁場耦合只在近場耦合時(shí)有效。在近場通信中，為了使得通信距離較大，閱讀器的天線也會(huì)較大，另一方面，如果標(biāo)簽不在閱讀器天線的中軸線上，通信的性能也會(huì)降低很多。</p><p>　　后向散射的RFID系統(tǒng)則基于電場耦合方式，后向散射系統(tǒng)基于改變標(biāo)簽天線和芯片之間的阻抗和

68、閱讀器建立通信，其工作距離也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于近場耦合的RFID系統(tǒng)。現(xiàn)有的超高頻射頻識別系統(tǒng)典型的工作距離約為幾十厘米以上，二十米以下，屬于無線短距通信，主要應(yīng)用在室內(nèi)，因此超高頻射頻識別系統(tǒng)的通信機(jī)制又與室外的無線通信系統(tǒng)如GSM，CDMA等不相同[16]。</p><p>　　在無線通信中，影響電磁波傳播的三種最基本的機(jī)制是反射，繞射和散射。這三種機(jī)制不光描述了大尺度傳播模型預(yù)測，也描述了小尺度衰落和多徑傳播。<

69、;/p><p>　　當(dāng)電磁波遇到比波長大得多的物體時(shí)發(fā)生反射，反射主要發(fā)生在地表，建筑物和墻壁表面。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射。當(dāng)波穿行的介質(zhì)中存在小于波長的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。</p><p>　　對于射頻識別系統(tǒng)來說，主要工作于室內(nèi)。電磁波的反射面非常多，會(huì)產(chǎn)生某些接收點(diǎn)上能量的增強(qiáng)與削弱，對接收功率產(chǎn)生重要的影響。電磁波的繞射

70、主要由電磁波在尖利邊緣上產(chǎn)生的二次源產(chǎn)生，當(dāng)閱讀器和電子標(biāo)簽之間存在阻擋時(shí)，二次源的能量較低，使得繞射的影響較低，類似地，電磁波的散射對射頻識別系統(tǒng)影響也較低。</p><p>　　當(dāng)閱讀器和標(biāo)簽進(jìn)行通信時(shí)，標(biāo)簽會(huì)反射閱讀器的電磁波，同時(shí)周圍環(huán)境的物體也會(huì)反射電磁波。此時(shí)，閱讀器到和電子標(biāo)簽，接收到的電磁波是經(jīng)過不同路徑損耗后的電磁波總和。在某個(gè)位置上，電磁波的幅度可以看作是所有路徑電磁波的疊加(直接傳播的，標(biāo)簽

71、后向散射的，地板或者墻壁反射的和人體反射的電磁波)。在一般的環(huán)境中，電磁波的到達(dá)時(shí)間依賴于路徑的長度，疊加后產(chǎn)生有益的或是負(fù)面的效應(yīng)，其中負(fù)面的效應(yīng)就是衰落效應(yīng)或者是場區(qū)零點(diǎn)，有可能使得閱讀器和電子標(biāo)簽之間無法建立正常的通信[17]。</p><p>　　當(dāng)兩個(gè)天線之間的極化，方向等完全匹配時(shí)，天線之間的能量傳輸達(dá)到最大值。</p><p>　　路徑損耗可以用Friis公式來估算，F(xiàn)rii

72、s傳輸公式為</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p>　　其中是電子標(biāo)簽接收到的功率，是閱讀器功率放大器發(fā)送出去的功率，是閱讀器發(fā)射天線增益，是電子標(biāo)簽天線的增益，d是閱讀器和電子標(biāo)簽天線之間的距離，是電磁波的波長，是閱讀器發(fā)送的EIRP功率值。無線信道的路徑損耗為</p><p><b>　　(2.14)&

73、lt;/b></p><p>　　從計(jì)算結(jié)果來看，路徑損耗在100MHz的帶寬內(nèi)，路徑損耗的值偏差約為ldB，理想情況下，受頻率的影響較小，并且頻率越低，路徑損耗越小，在相同的功率條件下。頻率越低，工作距離越遠(yuǎn)。因此，當(dāng)都采用遠(yuǎn)場通信機(jī)制時(shí)，工作頻率為915MHz附近的射頻識別系統(tǒng)。其工作距離比工作頻率為2.45GHz附近的射頻識別系統(tǒng)要遠(yuǎn)[18]。</p><p>　　2.2.3

74、 無芯片RFID標(biāo)簽的工作原理與識別距離</p><p>　　a. 無芯片RFID的工作原理 當(dāng)電磁波照射目標(biāo)時(shí)，電磁波會(huì)被反射，散射和吸收，目標(biāo)特性信息會(huì)被調(diào)制到散射波上，這就是雷達(dá)的工作原理。當(dāng)電磁波照射到天線時(shí)，電磁波會(huì)被接收，吸收和散射，當(dāng)天線能夠?qū)?chǔ)存信息反向散射調(diào)制到散射波中，使得能夠被讀寫器讀取，這就是RFID的工作原理了。</p><p>　　普通的芯片RFID標(biāo)簽，是通過

75、芯片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)流控制標(biāo)簽天線的負(fù)載阻抗來對反射散射信號進(jìn)行調(diào)制。無芯片RFID標(biāo)簽沒有芯片，但也要完成數(shù)據(jù)保存功能以及將保存的標(biāo)簽信息反射回閱讀器。這就需要對標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)特的設(shè)計(jì)，每個(gè)標(biāo)簽在結(jié)構(gòu)上有微小的差別，使得標(biāo)簽的反向散射信號有自己的唯一性，并能夠被閱讀器獲取、識別并數(shù)字化成唯一的ID。這類似于雷達(dá)工作原理。不同的是，我們希望標(biāo)簽的反向散射信號有一定的規(guī)律，便于閱讀器解調(diào)后數(shù)字化。</p><p>　　目

76、前出現(xiàn)的無芯片RFID標(biāo)簽大致是基于兩種設(shè)計(jì)方法。(1) 標(biāo)簽由微帶天線構(gòu)成，設(shè)置每個(gè)天線端口的特性不同，或者在端口加載微帶結(jié)構(gòu)的負(fù)載，使得天線反向散射信號的幅值或相位根據(jù)端口特性的不同而改變。(2) 標(biāo)簽設(shè)計(jì)成一個(gè)簡化的射頻收發(fā)電路，由一個(gè)接收天線，諧振電路和一個(gè)發(fā)射天線組成。標(biāo)簽的接收天線接收閱讀器發(fā)射的訪問信號，經(jīng)諧振電路后創(chuàng)建了頻譜，再經(jīng)發(fā)射天線將頻譜信號反射回閱讀器。則為該標(biāo)簽唯一的ID[19]。</p><

77、;p>　　b. 無芯片RFID標(biāo)簽的識別距離 普通的RFID系統(tǒng)識別距離受標(biāo)簽方向性、標(biāo)簽數(shù)目、標(biāo)簽天線、發(fā)射功率及通信環(huán)境等影響。排除以上提到的不確定因素，無芯片標(biāo)簽RFID系統(tǒng)的閱讀器讀寫距離主要由兩方面決定：</p><p>　　(1) 標(biāo)簽激活功率—標(biāo)簽?zāi)軓娜肷潆姶挪ㄖ刑崛∽銐虻哪芰恳怨?yīng)其微芯片正常工作；</p><p>　　(2) 閱讀器的靈敏度—來自標(biāo)簽的已調(diào)制后向散射

78、信號足夠強(qiáng)使得閱讀器解調(diào)出的信號能滿足用戶指定的信噪比的要求。</p><p>　　由于所設(shè)計(jì)的為無芯片RFID電子標(biāo)簽，不需要從入射電磁波中提取能量供應(yīng)芯片工作，所以無芯片RFID系統(tǒng)的識別距離取決閱讀器接收機(jī)的靈敏度。</p><p>　　與普通的RFID系統(tǒng)一樣，閱讀器發(fā)射天線的增益為，發(fā)射功率為時(shí)，在距離閱讀器R處的標(biāo)簽接收到功率為：</p><p><

79、;b>　　(2.15)</b></p><p>　　其中GTag為標(biāo)簽天線的增益，為自由空間信號的波長[20]。</p><p>　　根據(jù)雷達(dá)技術(shù)可知，體積超過電磁波長的一半的物體可對其進(jìn)行反射，標(biāo)簽反射回的能量與物體的反射截面積成正比，的計(jì)算公式為：</p><p><b>　　(2.16)</b></p>&

80、lt;p>　　若為閱讀器接收天線的增益，則返回到閱讀器接收天線的功率為： (2.17)</p><p>　　3 螺旋諧振器的設(shè)計(jì)</p><p>　　在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，諧振器已成為必不可少的器件。諧振器就是指產(chǎn)生諧振頻率的電子元件，具有簡單易制作、穩(wěn)定、方便集成、抗干擾性能良好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，隨著各種新型微帶

81、諧振器出現(xiàn)，性能不斷改善，微帶線諧振器已經(jīng)體現(xiàn)了它強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值[21]。耦合諧振器的提出引起研究者注意和興趣，它設(shè)計(jì)簡單，易集成，高選擇性，而且損耗小，所以耦合諧振濾波器受到人們的青睞。研究者已提出了各種各樣的耦合諧振器，像馬蹄形耦合諧振器、矩形環(huán)繞耦合諧振器等。一些耦臺(tái)微帶諧振器已用在帶阻濾波器中，仿真與實(shí)際測量具有很好的一致性，說明了這種設(shè)計(jì)的可靠性、有效性。</p><p>　　3.1 螺旋諧振器的工作

82、原理</p><p>　　微帶螺旋的濾波特性可以通過分析微帶螺旋結(jié)構(gòu)的LC等效電路模型來獲知。當(dāng)時(shí)變電磁場穿過螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)有感應(yīng)電流沿著螺旋諧振器的微帶線產(chǎn)生。從而螺旋微帶線產(chǎn)生了分布電容，其大小與螺旋線的長度成正比，并且螺旋微帶線相鄰的兩條邊還會(huì)產(chǎn)生互感。</p><p>　　當(dāng)時(shí)變電場穿過螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，微帶線內(nèi)部與外部產(chǎn)生了分布電容，微帶線邊緣產(chǎn)生了色散電容，這些色散電容可以等效成串聯(lián)

83、形式。螺旋微帶線相鄰的兩條邊還會(huì)產(chǎn)生互感。因此，螺旋諧振器的等效電路模型如圖3.1。</p><p>　　圖3.1中等效電路中是分布電容，表示了色散電容，代表了螺旋線電阻，為分布電感[22]。</p><p>　　圖3.1 螺旋諧振器的等效電路</p><p>　　從圖中看出，該微帶螺旋諧振器的等效電路模型相當(dāng)于一個(gè)阻帶濾波器的LC等效電路。它的諧振頻率可由以下公

84、式估算 </p><p><b>　　(3.1) </b></p><p>　　其中，表示分布電容和

85、色散電容的總和，是分布電感和耦合電感的總和。從以上的分析中，可以得出微帶螺旋諧振器相當(dāng)于一個(gè)阻帶濾波器。而在此無芯片RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中，需要多個(gè)工作于不同頻率阻帶濾波器對閱讀器發(fā)射機(jī)發(fā)射的多頻信號進(jìn)行處理。下面分析一個(gè)螺旋諧振器的結(jié)構(gòu)[23]。</p><p>　　圖3.2 微帶螺旋諧振器耦合微帶線</p><p>　　圖3.2顯示了一個(gè)微帶螺旋諧振器耦合到微帶線的結(jié)構(gòu)。W為螺旋諧振器的

86、寬，L為螺旋諧振器的長度，gap為微帶線之間的間隙。這一結(jié)構(gòu)的等效電路如圖3.3所示。</p><p>　　如圖3.3所示，螺旋諧振器等效電路中電感的總和和電容的總和決定了螺旋諧振器的諧振頻率。所有這些值都有微帶螺旋諧振器的結(jié)構(gòu)決定，比如螺旋線的總長度L，微帶線的寬度W，螺旋微帶線之間的間隙gap。 代表了螺旋諧振器和微帶線之間的耦合電感，耦合系數(shù)主要取決于螺旋結(jié)構(gòu)的長度L和螺旋諧振器與微帶線之間的耦合縫隙d，由

87、傳輸線理論可知，d越小耦合越大。簡化后的圖如圖3.3右圖所示[24]。</p><p>　　圖3.3 微帶螺旋諧振器耦合到微帶線的等效電路</p><p>　　3.2 諧振器的設(shè)計(jì)思路</p><p>　　我首先確定的諧振器類型為螺旋諧振器。螺旋諧振器是同軸線型諧振器的變形。當(dāng)時(shí)變電磁場穿過螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)有感應(yīng)電流沿著螺旋諧振器的微帶線產(chǎn)生。從而螺旋微帶線產(chǎn)生了

88、分布電容，其大小與螺旋線的長度成正比，并且螺旋微帶線相鄰的兩條邊還會(huì)產(chǎn)生互感。之所以選擇的是螺旋諧振器，是因?yàn)槲Ь€具有Q值較低的缺點(diǎn)，所以可以將微帶線枝節(jié)進(jìn)行折疊，同時(shí)采用耦合微帶線結(jié)構(gòu)代替單根微帶線結(jié)構(gòu)，以減小輻射損耗。</p><p>　　由于在RFID系統(tǒng)中，閱讀器發(fā)射這3個(gè)諧振頻率，當(dāng)某個(gè)頻點(diǎn)的螺旋諧振器存在時(shí)，就將訪問信號中此頻率的信號能量削弱后反射回閱讀器接收機(jī)，此頻率就編碼為“0”，反之為“1”。

89、而對于螺旋諧振器結(jié)構(gòu)的修改，就是在螺旋諧振器中加入短路節(jié)點(diǎn)，這樣就可以改變編碼的數(shù)值，以便確定不同物體的信息。</p><p>　　4 仿真結(jié)果與結(jié)論分析</p><p>　　我的仿真結(jié)果分為2部分，第一部分為單一螺旋諧振器的仿真，其中包括當(dāng)改變諧振器不同參數(shù)時(shí)，對仿真結(jié)果所造成的影響，并分析了其所產(chǎn)生的原因。第二部分為3個(gè)諧振器級聯(lián)的仿真，這一部分主要就介紹了不同仿真結(jié)構(gòu)對仿真結(jié)果的

90、影響。仿真軟件為Ansoft HFSS。</p><p>　　4.1 單一螺旋諧振器的仿真</p><p>　　螺旋諧振器結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 螺旋諧振器結(jié)構(gòu)</p><p>　　初始數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，如圖4.2所示。</p><p>　　其中螺旋諧振器的寬W=2.26mm，螺旋諧振器

91、的長L=6mm，微帶線之間的間隙gap=0.2mm。</p><p>　　圖4.2 初始數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)gap增大之后，數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果如圖4.3所示。</p><p>　　其中微帶線之間的間隙gap=0.5mm。</p><p>　　圖4.3 gap增大之后的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果</p><p>　

92、　可見當(dāng)gap由0.2mm增大到0.5mm后，螺旋諧振器中心頻率f變小，諧振點(diǎn)的插入損耗增大。其原因?yàn)?，在傳輸線理論中g(shù)ap越小耦合越大。</p><p>　　當(dāng)gap減小之后，數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果如圖4.4所示。</p><p>　　其中g(shù)ap=0.05mm。</p><p>　　圖4.4 gap減小之后的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)

93、gap由0.2mm減小到0.05mm后，螺旋諧振器中心頻率f變大，諧振點(diǎn)的插入損耗減小。</p><p>　　再研究螺旋諧振器的寬度對于中心頻率的影響。當(dāng)寬度增大時(shí)，仿真結(jié)果如圖4.5所示。</p><p>　　其中螺旋諧振器的長度L=12mm。</p><p>　　圖4.5 寬度增大時(shí)的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果</p><p>　　可見將微波諧振器

94、的長度由6mm增加到12mm，螺旋諧振器的中心頻率增大，諧振點(diǎn)的插入損耗減小。</p><p>　　當(dāng)寬度減小時(shí)，數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果如圖4.6所示。</p><p><b>　　其中L=2mm。</b></p><p>　　圖4.6 寬度減小時(shí)的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果</p><p>　　經(jīng)過這兩次的仿真，就可以得到的結(jié)論是：螺旋

95、諧振器的中心頻率與諧振點(diǎn)的插入損耗與諧振器的寬度與高度有關(guān)。</p><p>　　4.2 3個(gè)螺旋諧振器級聯(lián)的仿真</p><p>　　4.2.1 編碼值為“000”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果</p><p>　　編碼值為“000”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果如圖4.7所示。</p><p>　　圖4.7 編碼值為“000”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果

96、</p><p>　　從圖中可以看出有3個(gè)諧振點(diǎn)，每個(gè)諧振點(diǎn)的插入損耗都在-5dB以下。</p><p>　　4.2.2 編碼值為“010”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果</p><p>　　編碼值為“010”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.8 編碼值為“010”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果</p>&l

97、t;p>　　4.2.3 編碼值為“101”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果</p><p>　　編碼值為“101”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果如圖4.9所示。</p><p>　　圖4.9 編碼值為“101”的諧振器結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1

98、 設(shè)計(jì)結(jié)論</b></p><p>　　本次通過對無芯片射頻識別電子標(biāo)簽電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Ansoft HFSS進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真，已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)，可以得到以下結(jié)論</p><p>　　(1) 對于微波諧振器，當(dāng)gap增大后，螺旋諧振器中心頻率f變小，諧振點(diǎn)的插入損耗增大。</p><p>　　

99、(2) 對于微波諧振器，當(dāng)長度增加后，螺旋諧振器的中心頻率f增大，諧振點(diǎn)的插入損耗減小。</p><p>　　(3) 對于微波器的級聯(lián)，不同的微波諧振器之間存在互耦干擾。</p><p>　　5.2 收獲與體會(huì)</p><p>　　對于自己第一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，自己還是有很多的體會(huì)與收獲，我覺得不僅是在知識上的一種提高，更是對自己實(shí)踐能力有了很大的提升。</p&

100、gt;<p>　　在最開始選課題的時(shí)候，可以說對自己所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容并不是十分不了解，有很多的擔(dān)心。但隨著時(shí)間的推移，自己學(xué)習(xí)知識的增加以及老師的幫助，自己對所要研究的內(nèi)容逐漸熟悉起來，并有了一些自己的想法。但是掌握了一些知識并不能說就可以做出自己想要的結(jié)果，這之中還有很多的工作要去完成。因?yàn)樽约旱慕Y(jié)果是使用軟件進(jìn)行建模與仿真，所以對于仿真軟件Ansoft HFSS的使用就顯得十分重要。學(xué)習(xí)這個(gè)軟件的使用確實(shí)下了一番功夫，但

101、是當(dāng)自己做出了仿真圖之后，心里還是十分高興的。</p><p>　　至于收獲，最重要的應(yīng)該還是能夠?qū)⒆约涸谡n本上所學(xué)的知識靈活運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中。雖然說自己剛開始的并不了解自己所設(shè)計(jì)的目標(biāo)，可是，關(guān)于電磁場、微波與天線的基礎(chǔ)知識，自己還是有所掌握的。但即使這樣，自己在熟悉了關(guān)于自己論文題目的相關(guān)知識后，依然不能很快的將微波等這些基礎(chǔ)知識應(yīng)用于自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，還是自己的實(shí)踐能力不足所造成的。另外，自己對于一些軟件的熟

102、練程度也有所提高。這些都將在我未來的人生道路上帶來很大的幫助。</p><p><b>　　5.3不足之處</b></p><p>　　自己認(rèn)為這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的不足之處在于，因?yàn)槔秒娔X進(jìn)行諧振器模型仿真的時(shí)候，比較慢，導(dǎo)致自己不能對參數(shù)進(jìn)行更好的優(yōu)化，只是停留在了滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，自己還是有一些遺憾的。另外就是諧振器基本參考了原有的模型，少了一些自己的改動(dòng)，原創(chuàng)性

103、不夠。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 徐林玉.無源UHF RFID標(biāo)簽芯片射頻前端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].碩士學(xué)位論文.西安:西安電子科技大學(xué),2010.13-15.</p><p>　　[2] 木霄易.超高頻射頻識別電子標(biāo)簽芯片模擬前端分析與設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位論文.上海:復(fù)旦大學(xué),2007.23-25.&

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