UHF RFID标签天线设计、仿真及实践, 章伟

UHF RFID标签天线设计、仿真及实践
定        价：￥38.00
作        者：章伟，甘泉　编著
出  版  社：电子工业出版社
出版时间：2012-11-1
ＩＳＢＮ：9787121186714

内容简介

　　本书从工程实际出发，系统讲解了UHFRFID标签设计过程中所涉及的理论原理和设计要点。其中，第3章为本书的关键，系统介绍了UHFRFID标签天线的理论基础，主要包括阻抗匹配原理和标签读取距离的理论计算，这两部分内容不仅是标签设计理论的要点，同时也决定了对RFID技术的认知深度；第5～8章分别介绍了双频标签、抗金属标签、圆极化标签、近场天线四种在实际的UHFRFID运用方案中经常被用到的标签形式，对于其设计理论的认知和设计方法的掌握，可以大幅提高解决RFID项目实际问题的能力；第9章和第10章采用图片详尽地介绍了UHFRFID标签天线的仿真和制作过程，为读者尽快找到实践的方法提供一个切入点；第11章用较短的篇幅简要介绍了RFID标签天线的测试要求和测试方法。

本书目录

第1章 RFID技术的发展及现状
1.1 研究背景及意义
1.1.1 RFID技术的起源
1.1.2 RFID技术的发展
1.2 超高频RFID技术及标签介绍
1.2.1 RFID技术的系统组成
1.2.2 RFID标签分类
1.3 国内外标签技术的研究现状
后记
参考文献
第2章 电磁场基本理论的梳理—绕不开的麦克斯韦方程
2.1 麦克斯韦方程
2.1.1 法拉第定律
2.1.2 安培环路定律
2.1.3 电场的高斯定律
2.1.4 磁场的高斯定律
2.1.5 小结
2.2 材料媒质中的波动方程及其解
2.3 电磁场理论对于UHF RFID标签天线设计的指导意义
后记
第3章 UHF RFID标签天线的理论基础
3.1 最高功率传输的阻抗共轭匹配
3.1.1 共轭匹配理论的推导
3.1.2 实际应用中标签芯片的阻抗计算
3.2 无源超高频系统及标签的工作原理
3.3 Friis方程及雷达距离方程与标签识别距离的关系
3.3.1 Friis方程
3.3.2 雷达距离方程
3.4 影响UHF RFID系统识别距离的因素
3.4.1 标签天线增益对标签激活距离的影响
3.4.2 天线雷达截面对读写器检测距离的影响
3.4.3 天线工作频率对标签激活距离的影响
后记
参考文献
第4章 UHF RFID标签天线的设计基础
4.1 偶极子UHF RFID标签天线的种类
4.1.1 半波对称偶极子天线
4.1.2 折合偶极子天线
4.1.3 弯折偶极子天线
4.2 UHF RFID标签天线的设计原则与过程
4.2.1 原则1：阻抗匹配
4.2.2 原则2：天线增益
4.3 UHF标签天线设计中的关注点
4.4 UHF RFID标签的设计过程
4.5 UHF RFID标签设计示例
后记
参考文献
第5章 双频带UHF RFID标签天线的设计
5.1 天线双频带的基本方法
5.1.1 附加谐振枝技术
5.1.2 开槽技术
5.1.3 耦合技术
5.1.4 多模谐振技术
5.2 UHF RFID双频带标签的设计原则与过程
5.2.1 UHF RFID双频带标签的设计原则
5.2.2 UHF RFID双频带标签的设计过程
后记
参考文献
第6章 抗金属标签的设计
6.1 抗金属标签设计的基本方法
6.1.1 调整标签天线与金属表面的距离
6.1.2 采用吸波材料
6.1.3 利用EBG结构的介质板
6.1.4 利用微带天线结构
6.2 UHF RFID抗金属标签的设计原则与过程
6.2.1 UHF RFID抗金属标签的设计原则
6.2.2 UHF RFID抗金属标签的设计过程
后记
参考文献
第7章 UHF RFID圆极化标签天线的设计
7.1 圆极化的基本概念及其实现方法
7.1.1 圆极化的基本概念
7.1.2 圆极化天线的实现方法
7.2 基于变形偶极子的圆极化标签设计
后记
参考文献
第8章 近场天线
8.1 UHF近场工作天线的设计原则
8.2 近场标签天线结构
8.2.1 小环形天线
8.2.2 环形裂隙谐振天线
8.2.3 长形环天线
8.3 读写器近场天线设计
8.3.1 分段环天线
8.3.2 分段耦合的近场天线实例分析
8.3.3 分段耦合眼形近场天线实例分析
后记
参考文献
第9章 UHF RFID标签天线的仿真过程
9.1 HFSS创建工程及运行环境
9.2 UHF RFID标签天线模型设计详细过程
9.2.1 天线模型的创建
9.2.2 设置边界条件和端口激励
9.2.3 设置求解参数
9.2.4 设计验证与仿真
9.2.5 创建图表结果
9.2.6 参数变量优化
后记
第10章 UHF RFID标签的研发制作过程
10.1 RFID标签天线1:1图纸的打印
10.2 制作标签所需要的工具
10.3 标签的制作过程
后记
第11章 RFID标签天线的测试
11.1 标签芯片阻抗测量
11.1.1 方法一
11.1.2 方法二
11.2 标签天线阻抗测量
11.2.1 镜像法测量
11.2.2 巴伦测试方法
11.2.3 测量线法
11.2.4 扫频长线法
11.3 RFID标签性能测试的实现方法
11.3.1 基于“识别、读、写”的三种距离说明
11.3.2 读标签最小电场强度值（EMin_read）
11.3.3 写标签电场最小电场强度值EMin_write
11.3.4 标签灵敏度
11.3.5 最大操作电场强度值（Emax）和存活电场强度值（Esurvival）
11.3.6 抗干扰能力（Pnoise）
11.3.7 标签移动最大衰落率（Frate）
11.4 标签天线其他参数测量
11.4.1 最大读取距离测量
11.4.2 带宽测量
11.4.3 方向图测量
11.4.4 雷达截面测量
后记
参考文献

前言

序作为一种新兴的短距离无线通信系统，射频识别（RFID）系统主要由读写器、标签和数据处理系统三部分组成。读写器发出的指令通过射频无线电波射入标签，触发标签反射（无源标签）或主动发射（有源标签）载有标签信息的射频无线电波反馈给读写器，读写器接收后通过数据处理系统实现目标识别。RFID的最大魅力在于无线，读写器与标签之间无须有线连接。因此，标签没有空间位置和运动状态的限制，可以任意地摆放和移动，只要求标签处于读写器电波覆盖的范围内即可。正是由于RFID所具有的独有魅力，RFID技术一经出世，就引起了学术界、工业界和政府部门的广泛关注。目前已广泛应用于工业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如自动收费系统、物流商品监控与管理、门禁系统、仓储管理、产品流水线等。近几年兴起的物联网概念最早也是基于RFID衍生而来的。从RFID系统的组成可以看出，RFID技术涉及多门学科，包括通信、数据处理、芯片和射频技术等。而作为无线系统的“耳目”，天线对于系统的特性、质量、体积和成本起着至关重要的作用。对于读写器而言，通常需要天线具有较高的增益，尺寸较大，设计相对复杂，但由于读写器数量不大，所处环境相对简单，因此读写器天线相对容易实现，而且性能相对稳定。对于标签天线而言，要求尺寸小，成本低，虽然标签很小，就个体而言，似乎“分量”很轻，但由于标签的数量巨大，其性能与成本对系统的应用实际上有着举足轻重的作用。RFID系统发展到今天，尽管已经有了不少的成功应用，但大规模的广泛应用还存在一些问题，其中一个主要的问题就是标签的成本和性能稳定性。标签的成本主要来自芯片，而性能主要源于天线。从表面看，标签天线的结构简单，但实际上，标签天线的设计却不是一件容易的事情，尤其是超高频（UHF）标签天线。有三个方面的问题困扰着UHF标签天线的设计者，一是小型化、多频段，这是标签应用所决定的；二是天线直接与输入阻抗并非50实阻抗的芯片相连接，这与传统天线的设计是不一样的；三是标签往往贴在一些金属体上或损耗较大的媒质中（如水中），如何在不同材料环境下，保持稳定的性能给标签天线设计带来巨大挑战。值得欣慰的是，章伟与甘泉所编著的《UHFRFID标签天线设计、仿真及实践》一书，恰好为UHF标签天线的设计提供了指导和参考。本书几乎涵盖了UHF标签天线的所有环节，包括设计、仿真、制作和测试，浅显易懂，具体明了，非常适合从事标签天线研究的工程师、高校的高年级本科生、研究生和年轻教师学习和参考。本书的作者章伟毕业于在天线领域享有盛誉的西安电子科技大学，硕士研究生期间专门从事天线的研究。甘泉毕业于香港科技大学，硕士研究生期间专门从事RFID芯片的研究。现在两位作者又一同工作于物联网领域，专门从事RFID方案、标签及相关产品的研发和销售。因此，两位作者既具备良好的理论与设计功底，又具有不错的实践经验。本书的内容来源于作者长期的学习、研究的积累，许多案例都是作者自己的研究成果。因此，相信本书的出版势必在提高从业人员RFID天线设计水平，普及RFID标签的应用方面起到积极的作用，更期待本书受到读者的广泛欢迎和好评。华南理工大学教授 天线与射频技术研究所所长褚庆昕 2012年8月21日 前言物联网、射频识别（RFID）几乎是时下最为热门的话题。其技术意义特别是对当下快速城市化、工业化的中国来说尤为重要。由于城市化、工业化的快速进程，中国人正逐渐脱离已绵延数千年的“熟人社会”，传统的道德约束力在这种进程中正在被逐渐削弱。在这历史的当口，对于工业化浪潮下的物品进行追溯，便显得尤为重要，而物联网、RFID等技术为这样一种追溯和管理提供了技术上的可能。当然，物联网技术的终极意义存在争议，特别是对个人隐私的侵害等。但是仍有很多专家相信，这种侵害可以通过其他手段规避，丝毫不会影响其蓬勃的发展及对社会不断显现的贡献。本书的意义在于，避开RFID系统原理、标准等诸多已经被国外机构所垄断和固化的内容（这些内容绝大部分可以在已公布的技术标准及IC资料中找到），尽力总结中国工程师在RFID项目实践中可以真正运用和创新的知识。由于历史的亏欠，留给中国工程师可以肆意挥洒的技术空间已很少了。庆幸的是，UHFRFID标签天线设计正是这样少有的难以被垄断和固化的技术范畴。本书的意义也在于，无论是研究机构、公司还是一个工作室，由于知识结构的不同极易造成成员之间的“信息不对称”—时常会出现工程师夸大技术难度、过分放大工作量的情况。相应地，因为相同的原因，管理层也容易提出违反基本原理的技术要求。这些不理性的情况，对于项目的有效推进和展开都是极为不利的。希望本书对于打破这种“不对称”，回归理性沟通，起到一定的作用。由于编著者资历的浅薄和客观条件的制约，书中并非所有的内容均是被论证实践过的（其中很多内容得益于高校教师和学生的汇总及探索），但是仍旧尽力试图在已有的条件下，给读者介绍UHFRFID标签设计的实践方法，解决在设计过程中容易遇到的问题和困难。书中基本涵盖了目前市场中所有的标签类型，尽力用最精简的语言来论述其理论原理和设计方法。在此基础上，特别列出两章内容，着重讲解标签天线的仿真及研发制作过程。由于担心初学者会因为细节的困难而产生退缩的念头，这两章内容几乎事无巨细地采用图片列出了仿真及制作的全过程，希望可以为初入门的读者提供一些信心上的支撑。本书的编著非常感谢身边朋友、同事的支持和帮助，也非常感谢母校的培养和熏陶。至今记得母校教研室中，有一个不起眼的老者，由于年龄关系，老者会因为寂寞而抓住每一位去请教他问题的学生，从理论公式到有没有找女朋友等无所不谈。时间久了，大家也犹豫，总是纠结于如何请教了问题，又可以礼貌地找理由离开。由于理论认知上的极大差距，老者对于实验中两个矛盾现象的相同解释，时常在同学间被当作“笑话”流传。至今回想这些，总觉羞愧难当。有幸听他讲过他的一段经历。他年轻时曾背负一个设备到四川中北部的一家科研机构做一个联调，那时交通不便，途中艰辛可想。可是抵达那里的时候，却无故受到训斥和批判，但他很骄傲自己忍受、忍耐并最终完成了任务。这位有意思的老者，他的教材几乎培养了中国几代天线工作者。回想他们那代人所承受的、所付出的，不得不让我们汗颜。当下的无论是科研人员或普通工程师，已很难看到这种对信念的坚持和对国家的热爱了。除了薪资，似乎无人再去关心和追问工作背后的意义。当国外企业提出“Thebest ornothing”、“不当第一就去死”等种种看起来极端的目标和信念时，有些人却还沉迷于永远没有核心价值的山寨方式；在一片繁忙之下，中国工程师的这种“热爱”和“坚持”的精神便显得尤为稀缺和重要。如果可以，谨以此书向那位老者和他们那一代工作者致敬。章伟 2012年9月4日 深圳 南山