无源超高频标签天线工程设计案例教程PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 RFID简介 1

1.1.1 背景和定义 1

1.1.2 RFID的发展机遇和挑战 2

1.1.3 RFID的组成和特点 6

1.1.4 RFID技术的数据传输原理 7

1.1.5 RFID的工作原理 12

1.1.6 UHF的选择 14

1.2 超高频标签的技术基础 20

1.2.1 反向散射技术简介 20

1.2.2 超高频频段系统的工作原理 22

1.2.3 超高频标签功率和频率的限制 23

1.2.4 超高频标签的测试问题 26

1.3 RFID的相关标准 28

1.3.1 RFID标准简介 28

1.3.2 ISO/IEC标准 29

1.3.3 EPC Global标准 36

1.4 RFID工程实施说明 37

1.4.1 理论说明 37

1.4.2 方法研究 38

1.4.3 前期准备 41

第2章 天线的理论基础 46

2.1 天线的理论发展概述 46

2.2 天线的理论基础 47

2.2.1 电磁场基本方程 47

2.2.2 边界条件 49

2.2.3 坡印廷定理 50

2.2.4 麦克斯韦方程的解 51

2.2.5 电流源辐射 52

2.2.6 场区域划分 54

2.2.7 理想磁偶极子 57

2.2.8 对称振子的辐射场 59

2.2.9 巴俾涅原理（Babinet Principle） 60

2.3 偶极子的基本理论 62

2.3.1 电偶极子的电磁场 62

2.3.2 电偶极子的方向性因子和方向图 64

2.3.3 偶极子天线结构 64

2.3.4 偶极子天线的电流分布 65

2.3.5 偶极子天线辐射性能 66

2.3.6 偶极子天线的辐射功率和辐射电阻 67

2.3.7 折叠型偶极子 69

2.3.8 T-match结构 71

2.4 标签天线的主要特性 72

2.4.1 天线的辐射场 72

2.4.2 辐射功率和辐射强度 73

2.4.3 阻抗和辐射效率 75

2.4.4 辐射方向图和增益 81

2.4.5 天线宽度 88

2.4.6 天线的极化 91

2.4.7 天线的有效长度、有效面积和口径效率 96

第3章 偶极子标签天线的工程设计实例 101

3.1 超高频标签工程设计中的基本参数 101

3.1.1 天线的方向性和增益 101

3.1.2 影响超高频系统的因素 104

3.1.3 阻抗共轭匹配 105

3.1.4 偶极子天线设计的理论 107

3.1.5 标签天线的阻抗匹配方法 109

3.2 超高频频段RFID标签天线的工程化设计 112

3.2.1 天线与RFID芯片的阻抗匹配理论 112

3.2.2 标签天线的RCS分析（雷达反射截面） 116

3.2.3 简单实例 120

3.2.4 标签天线设计的前期分析 127

3.2.5 新型超高频频段RFID标签天线的小型化设计与分析 128

3.2.6 标签天线的制作与测试 136

3.3 偶极子超高频标签天线的工程设计实例 139

3.3.1 半波偶极子的工程问题 139

3.3.2 变形偶极子天线 141

3.3.3 折叠偶极子天线 144

3.3.4 折合偶极子天线 148

3.3.5 弯曲偶极子天线 151

3.3.6 弯折偶极子天线 154

3.4 寄生单元加载的超高频RFID标签天线的工程设计 160

3.4.1 寄生单元加载天线的实现方式 160

3.4.2 基于T型馈电的变形偶极子天线 162

3.4.3 基于串联短截线的折叠偶极子天线 168

3.4.4 基于耦合馈电的变形偶极子天线 172

3.4.5 超高频RFID标签天线的工程实现与验证 177

3.5 偶极子标签天线的加载 179

3.5.1 弯折线加载的偶极子标签天线 179

3.5.2 寄生单元加载的偶极子标签天线 185

3.6 偶极子标签天线的工程设计实例 188

3.7 印刷偶极子天线仿真设计案例 197

3.7.1 印刷偶极子天线的结构设计 197

3.7.2 HFSS建模 198

3.7.3 天线的物理参数仿真优化 199

3.7.4 最终优化结果 202

3.8 基于印刷偶极子天线的改进 206

3.8.1 改进思路 206

3.8.2 仿真分析 206

3.8.3 优化参数及结果 209

3.9 微波频段天线设计 212

3.9.1 2.45G天线设计 213

3.9.2 5.8GHz天线设计 217

3.10 实验仿真 221

3.10.1 偶极子原型 221

3.10.2 加入T-match结构的偶极子天线 222

3.10.3 T-match偶极子间距对阻抗性能的影响 223

3.10.4 短偶极子长度对阻抗性能的影响 223

3.10.5 短偶极子半径对阻抗性能的影响 224

3.10.6 连接馈线宽度对阻抗性能的影响 224

3.11 基于T-match结构的PCB板RFID电子标签天线设计 225

3.11.1 天线结构 225

3.11.2 天线性能分析 226

3.12 RFID标签天线的研究与设计 228

3.12.1 电子标签天线的匹配理论 228

3.12.2 超高频频段标签天线设计 229

3.12.3 频段标签天线设计实例 233

3.12.4 标签天线的加工与测量 235

3.13 液体环境对UHF标签天线的影响 236

3.13.1 理论分析 236

3.13.2 仿真验证试验 236

3.13.3 圆柱物体表面超高频标签天线 238

3.13.4 标签在圆柱（液体）位置的性能影响 244

3.14 偶极子和缝隙耦合结构实例 251

3.14.1 天线设计 251

3.14.2 结果与分析 254

第4章 RFID微带标签天线 256

4.1 微带天线 256

4.1.1 微带天线的基本结构和辐射机理 257

4.1.2 微带缝隙天线的基本结构分类 258

4.1.3 矩形微带天线的分析和设计方法 260

4.2 微带天线的小型化技术 261

4.2.1 采用高介电常数基片 262

4.2.2 贴片曲面技术 262

4.2.3 微带天线加载技术 263

4.2.4 附加有源网络 263

4.2.5 微带天线的带宽技术 264

4.3 矩形微带贴片天线的工程设计 265

4.3.1 结构和设计要求 265

4.3.2 确定设计天线的参量 270

4.3.3 矩形微带贴片天线的仿真与分析 274

4.3.4 矩形微带贴片天线的阻抗匹配 275

4.3.5 微带天线的圆极化和实现方法 286

4.4 矩形标签天线 289

4.4.1 矩形标签的阻抗 289

4.4.2 标签芯片的匹配 289

4.4.3 标签天线带宽拓展 292

4.5 微带缝隙天线的结构和工程设计 296

4.6 圆极化环形微带天线的抗金属标签天线实例 299

4.6.1 天线结构 299

4.6.2 天线等效电路分析 300

4.6.3 仿真分析 301

4.6.4 测试结果 303

4.7 鲁棒性结构抗金属标签天线设计实例 304

4.7.1 天线结构 304

4.7.2 天线等效电路分析 305

4.7.3 仿真分析 305

4.7.4 测试结果 308

第5章 分形结构标签工程设计实例 309

5.1 分形结构天线的基本理论 309

5.1.1 分形简介 309

5.1.2 分形维数 311

5.1.3 常用分形天线 314

5.2 小型化圆极化分形天线 324

5.2.1 引言 324

5.2.2 小型化天线技术 324

5.2.3 圆极化天线技术 326

5.3 RFID天线的分形结构 332

5.3.1 引言 332

5.3.2 分形天线 336

5.3.3 Y型树状分形超材料结构设计 340

5.3.4 三等分树状分形超材料结构设计 342

5.3.5 Minkowski分形构造 344

5.4 Hilbert分形迭代原理的实例 347

5.4.1 天线基板的介电常数和厚度对天线性能影响的研究 348

5.4.2 实际应用 352

5.5 加载AMC地板的抗金属标签天线设计 354

5.5.1 引言 354

5.5.2 弯折偶极子标签天线设计 354

5.5.3 人工磁导体地板设计 359

5.5.4 加载AMC地板的抗金属标签天线 363

第6章 金属环境标签的工程设计 368

6.1 环境场对标签的影响 368

6.1.1 金属表面对标签性能的影响 368

6.1.2 超高频抗金属标签天线理论基础 371

6.1.3 各种材料背景下的读写距离测试 373

6.2 不同金属环境对标签天线性能的影响 374

6.2.1 天线周围有金属物体 374

6.2.2 天线贴在不同大小的金属表面上的分析 377

6.2.3 天线在金属表面弯曲的分析 380

6.3 其他介质对标签天线的影响 385

6.3.1 不同介质的影响 385

6.3.2 不同距离的影响 391

6.4 采用相关天线技术降低环境要求 393

6.4.1 平面反F天线 393

6.4.2 尺寸的减小 395

6.4.3 标签天线对环境的影响 396

6.5 柔性PIFA抗金属标签天线设计 398

6.5.1 天线结构及模型 398

6.5.2 仿真分析 399

6.6 柔性微带抗金属标签天线设计 401

6.6.1 天线结构及模型 402

6.6.2 仿真分析 402

6.6.3 测试结果 406

6.7 超薄柔性微带抗金属标签天线设计 408

6.7.1 厚度对微带型标签天线的影响 408

6.7.2 超薄抗金属标签天线的设计 410

6.7.3 超薄抗金属标签测试结果 412

6.7.4 几种柔性抗金属标签天线性能的对比 414

6.8 波导馈电微带环缝标签天线的分析与设计 414

6.8.1 金属表面天线结构与增益的关系 415

6.8.2 天线的设计与工程仿真 418

6.8.3 天线的制作与测试 422

6.9 同轴线馈电切口微带贴片标签天线的设计和分析 424

6.9.1 金属表面薄型天线的仿真与分析 424

6.9.2 天线的设计与仿真 427

6.9.3 天线的制作与测试 433

第7章 超高频标签天线测试和仿真 436

7.1 标签天线的工作原理 436

7.1.1 雷达散射截面原理 436

7.1.2 标签天线的雷达散射截面 437

7.1.3 标签的调制工作方式 439

7.1.4 标签芯片的可读灵敏度和读写距离 439

7.1.5 标签的运动速度与读取率 447

7.1.6 介质对读取性能的影响 452

7.1.7 天线的极化方向对标签性能的影响 458

7.2 标签天线的仿真分析 462

7.2.1 标签（一）的仿真分析 462

7.2.2 标签（二）的仿真分析 463

7.2.3 仿真分析的结论 464

7.3 标签性能测试的原理和方法 465

7.3.1 标签的相关国际标准 465

7.3.2 标签性能测试基本原理 466

7.3.3 标签性能测试的实现方法 466

7.3.4 标签互操作性能测试的实现方法 466

7.3.5 标签芯片一致性测试的实现方法 467

7.4 测试系统的环境 468

7.4.1 整体测试方案 468

7.4.2 环行器隔离信号法 470

7.4.3 测试系统所用天线的仿真与制作 471

7.4.4 测试系统的整体搭建 478

7.5 标签性能测试系统的实际测试及结果分析 480

7.5.1 测量读和写标签的最小电场强度值 480

7.5.2 测量标签灵敏度 481

7.5.3 最大操作电场强度值和存活电场强度值 482

7.5.4 抗干扰能力 482

7.5.5 标签移动最大衰落率 483

7.6 超高频RFID标签的测试理论 483

7.6.1 标签芯片阻抗的测量 483

7.6.2 S参数分析 485

7.6.3 标签天线的阻抗测量方法探讨 485

7.7 标签基材复介电常数的测量 488

7.7.1 引言 488

7.7.2 波导传输法原理及仿真结果 488

7.7.3 矩形谐振腔法原理及仿真结果 491

7.7.4 微带线谐振法原理及仿真结果 493

7.7.5 微带线谐振法测试系统 498

第8章 外部场对标签天线的影响 503

8.1 标签天线受封装的影响 503

8.1.1 标签天线的基本类型 503

8.1.2 RFID标签天线的主要技术参数 504

8.1.3 仿真天线参数 505

8.1.4 标签的封装 507

8.1.5 天线封装对天线性能的影响 509

8.2 基本环境对RFID标签辐射的影响 513

8.2.1 温度对标签的影响 513

8.2.2 温度对标签操作的影响 514

8.3 湿空气介电常数的推导 514

8.3.1 不含水蒸气的空气的介电常数 514

8.3.2 饱和干蒸汽的介电常数 515

8.3.3 湿空气介电常数的计算 516

8.3.4 建模仿真 516

8.3.5 空气粉尘和水雾颗粒对电磁波的影响 519

8.4 雨、雪、冰对RFID标签的影响 523

8.4.1 随机雨介质的等效介电常数 523

8.4.2 水膜对标签的影响的软件仿真 526

8.4.3 冰雪对标签表面的影响 530

8.5 人体和金属对RFID标签天线的影响 532

8.5.1 金属对标签天线的影响 532

8.5.2 人体对RFID标签天线的影响 533

8.5.3 可用于人体环境的标签设计 537

8.6 纸基RFID包装箱的标签天线设计 538

8.6.1 包装箱环境对RFID标签天线的影响 539

8.6.2 RFID包装箱的设计 540

8.6.3 实物测试与结果 541

8.7 人体对标签天线的影响 543

8.7.1 天线结构 543

8.7.2 仿真与测量结果 544

附录1 标签天线芯片的相关参数——以M4为例 546

附录2 天线外形参考资料 547

参考文献 558