摘 要

射频识别（RFID）技术是一种基于无线射频信号的短距离非接触式自动识别技术，RFID技术实现非接触式双向通信、达到传递信息以及目标物体识别的原理为射频信号的空间电磁波耦合原理。RFID系统主要由读写器（Reader）、标签（Tag）和应用系统（Application System）组成。其中，标签包含标签芯片和标签天线。RFID系统性能的好坏主要受标签的性能的影响，而标签天线的性能是影响标签性能的关键因素。

目前，与其它频段RFID技术相较而言，超高频（UHF）RFID技术具有可传输信息容量更大、读取距离更远、响应时间更短以及价格相对低廉的优势。阻抗匹配度和增益是影响无源UHF RFID标签天线读取距离的主要因素。另外，现在的标签芯片基本都已实现了很好的集成，使得标签的大小主要由标签天线的尺寸决定，因此标签天线的小型化对整个标签的小型化具有非常重大的作用和意义。

本文对UHF RFID标签天线的相关理论基础和RFID标签天线的几种阻抗匹配技术进行了简要介绍，并设计了一种采用平面偶极子结构和T型阻抗匹配的UHF RFID标签天线，利用软件HFSS进行建模仿真以及优化，并制作实物进行相关参数测量。

关键词：射频识别；超高频；无源标签；标签天线；共轭阻抗匹配

Abstract

Radio frequency identification (RFID) technology is a short distance non-contact automatic identification technology based on radio frequency signals，it’s principle of realizing non-contact bidirectional communication，achieving the transmission information and recognizing the target object is the spatial electromagnetic wave coupling of radio frequency signals. RFID system is mainly composed of Readers、 Tags、 and application systems. The label is composed of a label chip and a tag antenna.The performance of the RFID system is mainly determined by the performance of the label，and the performance of the tag antenna is one of the key factor affects the performance of the tag.

At present，compared with other RFID technology，UHF RFID technology has the advantages of larger transmission capacity，farther reading distance，shorter response time and relatively low price. The main factors influencing the reading distance of the passive UHF RFID tag antenna are impedance matching and gain.Nowadays，since the label chip has achieved a very good integration，making the size of the label is mainly determined by the size of the tag antenna.Thus the miniaturization of the label antenna for the entire label miniaturization is very significant.

In this paper，the theory of UHF tag antenna and RFID tag antenna impedance matching technology are introduced briefly，and a UHF RFID tag antenna with planar dipole structure and T-type impedance matching circuit are designed. The software HFSS is used to simulate and optimize the model，and the object is fabricated and measured.

Key Words：RFID；UHF； passive tag；tag antenna；conjugate impedance matching

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 RFID技术的发展以及国内外研究现状 3

1.2.1 RFID技术的发展 3

1.2.2 RFID技术国内外研究现状 5

1.3 本文主要研究内容和结构 5

第2章 标签天线理论基础 7

2.1 UHF RFID系统简介 7

2.2 RFID技术的物理学原理 8

2.2.1 电磁场基本理论 8

2.2.2 能量耦合和数据传输 8

2.2.2.1 耦合类型 8

2.2.2.2 数据传输原理 9

2.3 天线的主要性能参数 9

2.3.1 方向图 9

2.3.2 方向系数 10

2.3.3 天线效率 10

2.3.4 天线增益 11

2.3.5 天线极化 11

2.3.6 天线阻抗 11

2.3.7 天线带宽 12

2.4 影响UHF RFID系统读取距离的因素 12

第3章 UHF RFID标签天线的设计基础 14

3.1 偶极子UHF RFID标签天线的种类 14

3.1.1 半波对称偶极子天线 14

3.1.2 折合偶极子天线 15

3.1.3 弯折偶极子天线 15

3.2 影响UHF RFID标签性能的因素 16

3.2.1阻抗匹配 16

3.2.1.1 横条加载 16

3.2.1.2 串联短截线馈电 17

3.2.1.3 T型匹配网络 17

3.2.2天线增益 19

3.3 小结 19

第4章 UHF RFID标签天线的设计仿真及实测 20

4.1 UHF RFID标签天线的设计过程 20

4.1.1 标签天线设计要求 20

4.1.2 标签天线设计材料的选择 20

4.1.3 标签芯片的选择及阻抗的确定 21

4.1.4 确定天线类型和参数指标 23

4.2 UHF RFID标签天线的仿真 24

4.2.1 在HFSS中创建标签天线模型 24

4.2.2 UHF RFID标签天线参数扫描及确定 27

4.3 UHF RFID标签天线的实测 32

第5章 结论 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是从二十世纪中期到现在迅猛发展起来的一项新兴自动识别技术，RFID技术是一种短距离的无线通信技术，其主要功能是对目标物体进行自动识别、定位、检测甚至追踪。由于电磁波具有较好的传播能力，是以RFID技术具有非接触式识别、不受视野限定、识别响应快、读取距离远、能同时识别数个目标物体以及能对目标物体进行动态识别的优点^[1]。在物联网快速发展的今天，作为其主要技术的射频识别技术也得到了人们的广泛关注，为促进其发展，国家投入了大量人力和资源进行研究。该技术现在主要普遍应用于零售、交通管理、医疗卫生、物流运输等行业。

RFID系统普遍由标签(Tag)、读写器(Reader)以及负责数据采集与处理的应用系统(Application System)构成^[2]。其中标签是放在目标物体上面的，因此生产生活中对标签的需求量特别大，所以，对标签的性能以及价格的普遍可接受性要求就更高。另外，出于便捷考虑，我们希望标签的体积能尽可能的小。而标签又是由标签天线和芯片组成，而现在芯片基本已经实现了很好的集成化、小型化。因此，标签的大小现在可以说是由标签天线决定。所以，标签天线的小型化也正是现阶段人们研究的重点也是热点问题。但是，在小型化的同时，也需要尽可能保证标签的性能优良（标签的性能主要由标签天线决定），并且能够稳定工作。

RFID系统的主要工作频段有四种——低频(Low Frequency，LF)、高频(High Frequency，HF)、超高频(Ultra High Frequency，UHF)、微波(Micro Wave , MW) ^[3]。低频的RFID系统通过磁感应耦合的方式进行数据传输及能量供应，根据读写器的天线的大小和功率，其读取距离一般范围为几厘米到几十厘米不等。高频的RFID系统和低频RFID系统一样，也是通过磁感应耦合的方式进行数据传输及能量供应，其读取距离一般为几米，安全性较高。超高频RFID系统的工作方式为电磁波传播耦合，其标签分为有源和无源，典型的有源标签工作频率为433MHz，典型的无源标签工作频段为860-960MHz。微波RFID系统的标签均为有源标签，其特点有发射功率低、传输数据量大、通信距离长（最远可达100m）、可靠性高等。RFID系统典型工作频段及相关介绍如表1.1所示^[4]。

在UHF RFID系统中，在标签与读写器之间的数据传输中起关键作用的是天线 ^[5]。其一，读写器向外发送的射频信号为激活标签提供能量，标签在被激活后，将标签芯片内所存储信息发送给读写器，然后读写器把收到的信息传送给应用系统分析处理。其二，天线决定了标签和读写器之间的所用的通信方式与信道。标签芯片的输出阻抗既有电阻分量又

有电抗分量，为了达到能量最大输出的目的，需要使设计的天线的输入阻抗与标签芯片阻抗实现共轭；然而，在RFID系统里，标签芯片的阻抗却并不是固定的，而是随着频率的不同而改变的。因此在正常工作时，很难完成相关参数的测试，具体参数值的缺失，导致天线设计难以实现预期。因此，标签内部天线就成为整个RFID系统的重点研究对象。

表1.1 RFID系统典型工作频段简介表

1.2 RFID技术的发展以及国内外研究现状

1.2.1 RFID技术的发展

RFID技术是在第二次世界大战期间萌芽的，RFID技术是一种将无线电广播技术与雷达技术（雷达通过无线电波的反射发射无线电波来探测和定位物体）相结合的新的无线自动识别技术^[6]。在此期间，英国研发了第一套敌我识别系统，它是RFID系统最先的形态。

1948年，Harry Stockman的作为RFID技术理论基础的文章《利用能量反射的方法进行通信》（《Communication by Means of Reflected Power 》）发表了。自从Harry Stockman的文章发表以来的五十多年里，随着新的信息技术（如微处理芯片、晶体管集成电路等）发展，RFID的研究拉开了序幕。

20世纪50年代是对RFID技术进行探索的时代，如飞机“识别：朋友或敌人（IFF）”的远距离信号转发器。在这期间，RFID技术的发展包括D.B.Harris的《使用可模式化的被动反应器的无线电波传送系统》（《Radio transmission systems with modulatable passive responder》），这篇文章中提出了被动标签的概念。

20世纪60年代是RFID技术爆炸式发展（20世纪70年代）的前奏。1964年，R.F.Harrington在他的论文《加载散射理论》（《Theory of Loaded Scatterers》）中研究了与RFID相关的电磁理论。也有许多RFID相关的发明诞生了，例如Robert Richardson的遥控无线电频率供电设备等。

并且，在20世纪60年代，当时的一些机构一起开发了电子商品监控系统（EAS），EAS是RFID的第一个和使用最广泛的商业应用。这个类型的系统通常使用的是1比特的标签，只能检测到标记存在或是不存在，但标签的制作廉价并且提供有效的防盗措施。

在20世纪70年代，开发商、公司、科研机构和政府实验室都在积极从事RFID的研究工作。一个早期重要的发展是由Los Alamos科学实验室的Alfred Koelle、Steven Depp和Robert Freyman发表的文章《利用调制后向散射进行电子识别的近距无线电遥测技术》（《Short-Range Radio Telemetry for Electronic Identification Using Modulated Backscatter》）。这一发展标志着工作范围为十米左右的实用的、完全被动的标签开始被发现了。

20世纪70年代主要特征是发展，主要致力于发展RFID在交通运输上的机构包括Los Alamos、国际桥梁公路和隧道协会（IBTTA）和美国联邦公路管路局。国际桥梁公路和隧道协会和美国联邦公路管路局在1973年举办了一次会议，得出结论认为制定一项电子车辆识别标准并没有国家利益。因为RFID技术当时处于起步阶段，这个决定有利于RFID技术的发展。1978年，R.J.King写了一本关于微波零差技术的书，这本书是在后向散射RFID系统中使用的理论和实践的早期纲要。

尽管世界各国在RFID技术的研究上的侧重点有所不同，但不可否认的是20世纪80年代是RFID技术得到充分使用与实践的十年。美国侧重于交通运输、人员进出以及较小程度的关注于动物方面。尽管意大利、法国等国家的收费公路都装有RFID系统，但欧洲是侧重于动物、工业以及商业应用的短程系统的。

RFID用于电子收费的系统在进行了多年的测试之后，于1987年首次在挪威正式启用，在1989年美国达拉斯北部收费公路也开始使用RFID电子收费系统。

RFID 发展的另一个重要十年是20世纪90年代，因为这十年是RFID技术标准化的十年。同时，各个芯片生产商也积极研发多种无源芯片，并推动其在各个方面的应用。

此时，RFID技术在多个领域得到广泛的应用，尤其是电子收费（ETC）、车辆防盗等领域。1991年，世界上第一个开放公路电子收费系统（ETC）在俄克拉何马州得到实施，在俄克拉何马州车辆在通过高速公路通行收费点时被收费，不受收费广场或路障的影响，并有摄像机用于执法。

进入21世纪以来，RFID技术的标准化逐渐建立，其发展也愈发成熟。Auto ID于1999年提出的EPC（Electronic Product Code）和物联网的概念得到各国政府和世界范围内的各大企业的认可与支持，RFID在物流行业的应用开始了。

随着RFID技术的发展以及RFID技术成本的逐渐降低，未来几年里，RFID技术的主体赢利对象应该为供应链，互联网的高速发展和RFID技术的趋于成熟，信息数字化和商业全球化，更加促进了RFID技术和相关应用的发展，市场的全球化的将为RFID技术提供巨大的商机，它正朝着广泛的应用前景快速发展着。

以10年为一阶段，RFID技术的发展过程如表1.2所示^[6]。

表1.2 RFID发展过程简要介绍表

1.2.2 RFID技术国内外研究现状

RFID技术最早是在国外出现的，其理论基础及最早的应用均创立和实践于国外，对它的研究至今已有六七十年之久的历史，而在我国的起步较晚。RFID技术在国外发展迅速，有较多的产品种类，在各个领域的应用也十分广泛。如德州仪器公司（TI）、Motorola、Philips、Alien、EM等著名的生产厂商都生产RFID产品，并且自成系列，各有各的特点。

其中，最著名的应用实例当属美国零售业巨头——沃尔玛百货，截止到2005年底，所有供应到沃尔玛的商品包装箱上都有应用了RFID技术的电子商品条形码。沃尔玛运用RFID技术进一步降低人力成本以及减少库存流程中可能发生的物流失误而导致的损失，据相关分析师的估计，沃尔玛将RFID运用在商品货物的管理上，每年可大大节省成本，高达84亿美元。

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