RFID超高频天线环境适应性研究及应用

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1、分类号学号D201077136学校代码10487密级博士学位论文RFID超高频天线环境适应性研究及应用学位申请人：孙虎学科专业：机械电子工程指导教师：陶波教授尹周平教授答辩日期：2018年1月28日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchandApplicationofEnvironmentalToleranceofUHFRFIDAntennaPh.D.Candidate:H

2、uSunMajor:MechatronicEngineeringSupervisor:Prof.BoTaoProf.ZhoupingYinHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJan.28th,2018华中科技大学博士学位论文摘要超高频天线容易受到周围环境，特别是金属环境的影响，造成天线输入阻抗、增益或者方向性的改变，甚至出现无法正常工作的情况。由于超高频天线的性能瓶颈，超高频射频识别（UHFRFID，UltraHighFreqeuncyRadioFrequen

3、cyIdentification）技术的应用，特别是单品级或者零部件级别的应用受到极大限制。针对超高频天线容易受使用环境影响的问题，本文从金属环境对超高频天线的影响机理，提高超高频天线的环境适应性的设计方法，对高性能超高频天线的环境适应性进行了系统深入的研究，针对UHFRFID中最常用的几种天线类型提出了一整套解决方案，取得了一些理论与应用成果，主要研究工作和创新点包括：研究了使用环境对超高频天线的影响机理。针对金属环境使得偶极子天线无法正常工作的现象，建立了偶极子天线在金属环境下的辐射模型，推导了偶极子天线各项参数在金属环境下的解析表达式，得出偶极子天线

4、在金属环境下无法正常工作的原因是输入阻抗变化带来的严重阻抗失配。针对微带天线受金属边缘效应影响的现象，基于辐射微带的传输线模型，通过仿真建模的方法分析了金属边缘效应的影响规律，得出微带天线性能发生变化的主要原因是辐射电导及谐振频率变化带来的阻抗失配，而且沿微带天线非辐射边的金属边缘效应的影响占主导地位。针对偶极子天线在金属环境下出现严重阻抗失配的问题，研究了基于传输模式电流的偶极子天线设计方法。为了在偶极子中引入传输模式电流，提出了端部开路偏置馈电折叠偶极子，建立了偏置馈电折叠偶极子在自由空间和金属环境中的传输线模型，推导了输入阻抗的解析表达式，结合仿真结

5、果证明了提高传输模式电流的比例带来的阻抗稳定特性；提高传输模式电流的设计方法使偶极子天线在金属环境下仍然能够保持良好的天线性能。针对微带天线受金属边缘效应的影响出现阻抗失配的问题，研究了基于电容耦合馈电的微带天线设计方法。对比直接馈电和电容耦合馈电的传输线模型，得出电容耦合馈电可以降低微带天线的输入阻抗受到使用环境的影响；结合辐射微带中部的虚拟地对电容耦合馈电微带天线进行优化，消除了微带天线的接地通孔，使得微带天线既I华中科技大学博士学位论文具有介质无关的特性，又能够兼容低成本的制造工艺。研究了基于实数编码遗传算法的天线阻抗优化设计方法。小型化超高频天线的

6、Q值高，需要扩展天线的带宽来提高小型化超高频天线的环境适应能力和可靠性。针对现有宽带阻抗优化方法的缺点，在实数编码遗传算法中引入新的网络拓扑结构及染色体表达方法，实现了对网络拓扑结构和器件参数的同时优化；在高Q值电小环形天线上应用实数编码遗传算法进行宽带阻抗优化，验证了算法的可行性，并且提高了超高频小型化天线的带宽和环境适应能力。根据高铁接触网巡检以及航空座椅对UHFRFID标签的需求，将本文的研究成果应用到高性能UHFRFID标签设计中，开发了远距离介质无关UHFRFID标签以及带宽超过100MHz的宽带小型化抗金属标签，给出了标签的设计及工艺路线；现场

7、测试表明远距离介质无关UHFRFID标签的性能满足要求，而且在所有的被测环境中标签读写性能的差异不超过15%；宽带小型化抗金属标签的性能达到AS5678C级抗金属标签，即使嵌入在金属墙体内，标签的性能指标都能够满足航空应用的需求。关键词：UHFRFID；超高频天线；阻抗匹配；偶极子天线；微带天线；遗传算法；环境适应II华中科技大学博士学位论文AbstractUltraHighFrequency(UHF)antennaissusceptibletosurroundingenvironment,especiallymetalenvironment,whichr

8、esultsinchangingofantennainputimp