無源超高頻標籤天線工程設計案例教程

第1章 緒論1
1.1RFID簡介1
1.1.1背景和定義1
1.1.2RFID的發展機遇和挑戰2
1.1.3RFID的組成和特點6
1.1.4RFID技術的資料傳輸原理7
1.1.5RFID的工作原理12
1.1.6UHF的選擇14
1.2超高頻標籤的技術基礎20
1.2.1反向散射技術簡介20
1.2.2超高頻頻段系統的工作原理22
1.2.3超高頻標籤功率和頻率的限制23
1.2.4超高頻標籤的測試問題26
1.3RFID的相關標準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46
2.1天線的理論發展概述46
2.2天線的理論基礎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數和方向圖64
2.3.3偶極子天線結構64
2.3.4偶極子天線的電流分佈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結構71
2.4標籤天線的主要特性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 偶極子標籤天線的工程設計實例101
3.1超高頻標籤工程設計中的基本參數101
3.1.1天線的方向性和增益101
3.1.2影響超高頻系統的因素104
3.1.3阻抗共軛匹配105
3.1.4偶極子天線設計的理論107
3.1.5標籤天線的阻抗匹配方法109
3.2超高頻頻段RFID標籤天線的工程化設計112
3.2.1天線與RFID晶片的阻抗匹配理論112
3.2.2標籤天線的RCS分析（雷達反射截面）116
3.2.3簡單實例120
3.2.4標籤天線設計的前期分析127
3.2.5新型超高頻頻段RFID標籤天線的小型化設計與分析128
3.2.6標籤天線的製作與測試136
3.3偶極子超高頻標籤天線的工程設計實例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寄生單元載入的超高頻RFID標籤天線的工程設計160
3.4.1寄生單元載入天線的實現方式160
3.4.2基於T型饋電的變形偶極子天線162
3.4.3基於串聯短截線的折疊偶極子天線168
3.4.4基於耦合饋電的變形偶極子天線172
3.4.5超高頻RFID標籤天線的工程實現與驗證177
3.5偶極子標籤天線的載入179
3.5.1彎折線載入的偶極子標籤天線179
3.5.2寄生單元載入的偶極子標籤天線185
3.6偶極子標籤天線的工程設計實例188
3.7印刷偶極子天線模擬設計案例197
3.7.1印刷偶極子天線的結構設計197
3.7.2HFSS建模198
3.7.3天線的物理參數模擬優化199
3.7.4最終優化結果202
3.8基於印刷偶極子天線的改進206
3.8.1改進思路206
3.8.2模擬分析206
3.8.3優化參數及結果209
3.9微波頻段天線設計212
3.9.12.45G天線設計213
3.9.25.8GHz天線設計217
3.10實驗模擬221
3.10.1偶極子原型221
3.10.2加入Tmatch結構的偶極子天線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基於Tmatch結構的PCB板RFID電子標籤天線設計225
3.11.1天線結構225
3.11.2天線性能分析226
3.12RFID標籤天線的研究與設計228
3.12.1電子標籤天線的匹配理論228
3.12.2超高頻頻段標籤天線設計229
3.12.3頻段標籤天線設計實例233
3.12.4標籤天線的加工與測量235
3.13液體環境對UHF標籤天線的影響236
3.13.1理論分析236
3.13.2模擬驗證試驗236
3.13.3圓柱物體表面超高頻標籤天線238
3.13.4標籤在圓柱（液體）位置的性能影響244
3.14偶極子和縫隙耦合結構實例251
3.14.1天線設計251
3.14.2結果與分析254

第4章 RFID微帶標籤天線256
4.1微帶天線256
4.1.1微帶天線的基本結構和輻射機理257
4.1.2微帶縫隙天線的基本結構分類258
4.1.3矩形微帶天線的分析和設計方法260
4.2微帶天線的小型化技術261
4.2.1採用高介電常數基片262
4.2.2貼片曲面技術262
4.2.3微帶天線載入技術263
4.2.4附加有源網路263
4.2.5微帶天線的頻寬技術264
4.3矩形微帶貼片天線的工程設計265
4.3.1結構和設計要求265
4.3.2確定設計天線的參量270
4.3.3矩形微帶貼片天線的模擬與分析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方法286
4.4矩形標籤天線289
4.4.1矩形標籤的阻抗289
4.4.2標籤晶片的匹配289
4.4.3標籤天線頻寬拓展292
4.5微帶縫隙天線的結構和工程設計296
4.6圓極化環形微帶天線的抗金屬標籤天線實例299
4.6.1天線結構299
4.6.2天線等效電路分析300
4.6.3模擬分析301
4.6.4測試結果303
4.7魯棒性結構抗金屬標籤天線設計實例304
4.7.1天線結構304
4.7.2天線等效電路分析305
4.7.3模擬分析305
4.7.4測試結果308

第5章 分形結構標籤工程設計實例309
5.1分形結構天線的基本理論309
5.1.1分形簡介309
5.1.2分形維數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324
5.2.3圓極化天線技術326
5.3RFID天線的分形結構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構設計340
5.3.4三等分樹狀分形超材料結構設計342
5.3.5Minkowski分形構造344
5.4Hilbert分形反覆運算原理的實例347
5.4.1天線基板的介電常數和厚度對天線性能影響的研究348
5.4.2實際應用352
5.5載入AMC地板的抗金屬標籤天線設計354
5.5.1引言354
5.5.2彎折偶極子標籤天線設計354
5.5.3人工磁導體地板設計359
5.5.4載入AMC地板的抗金屬標籤天線363

第6章 金屬環境標籤的工程設計368
6.1環境場對標籤的影響368
6.1.1金屬表面對標籤性能的影響368
6.1.2超高頻抗金屬標籤天線理論基礎371
6.1.3各種材料背景下的讀寫距離測試  373
6.2不同金屬環境對標籤天線性能的影響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其他介質對標籤天線的影響385
6.3.1不同介質的影響385
6.3.2不同距離的影響391
6.4採用相關天線技術降低環境要求393
6.4.1平面反F天線393
6.4.2尺寸的減小395
6.4.3標籤天線對環境的影響396
6.5柔性 PIFA 抗金屬標籤天線設計398
6.5.1天線結構及模型398
6.5.2模擬分析399
6.6柔性微帶抗金屬標籤天線設計401
6.6.1天線結構及模型402
6.6.2模擬分析402
6.6.3測試結果406
6.7超薄柔性微帶抗金屬標籤天線設計408
6.7.1厚度對微帶型標籤天線的影響408
6.7.2超薄抗金屬標籤天線的設計410
6.7.3超薄抗金屬標籤測試結果412
6.7.4幾種柔性抗金屬標籤天線性能的對比414
6.8波導饋電微帶環縫標籤天線的分析與設計414
6.8.1金屬表面天線結構與增益的關係415
6.8.2天線的設計與工程模擬418
6.8.3天線的製作與測試422
6.9同軸線饋電切口微帶貼片標籤天線的設計和分析424
6.9.1金屬表面薄型天線的模擬與分析424
6.9.2天線的設計與模擬427
6.9.3天線的製作與測試433

第7章 超高頻標籤天線測試和模擬436
7.1標籤天線的工作原理436
7.1.1雷達散射截面原理436
7.1.2標籤天線的雷達散射截面437
7.1.3標籤的調製工作方式439
7.1.4標籤晶片的可讀靈敏度和讀寫距離439
7.1.5標籤的運動速度與讀取率447
7.1.6介質對讀取性能的影響452
7.1.7天線的極化方向對標籤性能的影響458
7.2標籤天線的模擬分析462
7.2.1標籤(一)的模擬分析462
7.2.2標籤(二)的模擬分析463
7.2.3模擬分析的結論464
7.3標籤性能測試的原理和方法465
7.3.1標籤的相關國際標準465
7.3.2標籤性能測試基本原理466
7.3.3標籤性能測試的實現方法466
7.3.4標籤互通性能測試的實現方法466
7.3.5標籤晶片一致性測試的實現方法467
7.4測試系統的環境468
7.4.1整體測試方案468
7.4.2環行器隔離信號法470
7.4.3測試系統所用天線的模擬與製作471
7.4.4測試系統的整體搭建478
7.5標籤性能測試系統的實際測試及結果分析480
7.5.1測量讀和寫標籤的最小電場強度值480
7.5.2測量標籤靈敏度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標籤移動最大衰落率483
7.6超高頻RFID標籤的測試理論483
7.6.1標籤晶片阻抗的測量483
7.6.2S參數分析485
7.6.3標籤天線的阻抗測量方法探討485
7.7標籤基材複介電常數的測量488
7.7.1引言488
7.7.2波導傳輸法原理及模擬結果488
7.7.3矩形諧振腔法原理及模擬結果491
7.7.4微帶線諧振法原理及模擬結果493
7.7.5微帶線諧振法測試系統498

第8章 外部場對標籤天線的影響503
8.1標籤天線受封裝的影響503
8.1.1標籤天線的基本類型503
8.1.2RFID標籤天線的主要技術參數504
8.1.3模擬天線參數505
8.1.4標籤的封裝507
8.1.5天線封裝對天線性能的影響509
8.2基本環境對RFID標籤輻射的影響513
8.2.1溫度對標籤的影響513
8.2.2溫度對標籤操作的影響514
8.3濕空氣介電常數的推導514
8.3.1不含水蒸氣的空氣的介電常數514
8.3.2飽和幹蒸汽的介電常數515
8.3.3濕空氣介電常數的計算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標籤的影響523
8.4.1隨機雨介質的等效介電常數523
8.4.2水膜對標籤的影響的軟體模擬526
8.4.3冰雪對標籤表面的影響530
8.5人體和金屬對RFID標籤天線的影響532
8.5.1金屬對標籤天線的影響532
8.5.2人體對RFID標籤天線的影響533
8.5.3可用於人體環境的標籤設計537
8.6紙基RFID包裝箱的標籤天線設計538
8.6.1包裝箱環境對RFID標籤天線的影響539
8.6.2RFID包裝箱的設計540
8.6.3實物測試與結果541
8.7人體對標籤天線的影響543
8.7.1天線結構543
8.7.2模擬與測量結果544

附錄1標籤天線晶片的相關參數——以M4為例546
附錄2天線外形參考資料547
參考文獻558