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曹磊信号完整性分析
微波频段射频识别系统与天线研究
绪论
近年来，射频识别（RFID）技术，特别是微波频段的反射调制式RFID技术的研究与应用发展较快。
本论文全面研究了微波频段反射调制式RFID系统及天线领域的关键技术，其主要内容为:
第一，本文系统分析了反射调制式RFID阅读器和标签的工作原理和特点。
剖析了阅读器前端发射和接收模块的组成，并提出了一种结构简单，低成本的多通道直接检波电路，以替代常见的IQ混频式阅读器射频接收电路。
第二，分形理论是天线多频段和小型化设计的有力工具。
本文将分形理论应用到RFID标签天线设计中，达到天线结构尺寸缩减的目的。
提出了一种用于矿井人员定位系统的三层Minkowski分形阅读器天线。
通过HFSS软件仿真，给出了三层Minkowski天线的回波损耗、方向图及天线增益。
仿真结果表明，在2.425GHz的中心工作频率下，回波损耗为-30.22dB，带宽为100MHz。
该Minkowski天线相比普通贴片天线具有更小的尺寸，并具有较宽的工作带宽和二维对称性，更符合矿用RFID标签天线小尺寸、低功耗的要求。
关键词:
射频识别;反射调制;阅读器;标签;天线;分形
目录
微波频段射频识别系统与天线研究1
绪论1
第一章射频识别2
1.1研究背景与意义2
1.2射频识别系统3
1.2.1典型的射频识别系统3
第二章微波频段RFID系统分析4
2.1引言4
2.2RFID阅读器4
2.3RFID标签5
2.3.1RFID标签工作原理5
第三章RFID阅读器天线的实现6
3.1引言6
3.2分形天线基础6
3.2.1分形理论简介6
3.2.1分形迭代函数系统算法（IFS）7
3.2.3分形天线的结构与特点9
第一章射频识别
1.1研究背景与意义
射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）是一种非接触的自动
识别技术。
RFID技术兴起于20世纪80年代，由于超大集成电路技术的发展，90年代才进入实用化阶段。
RFID系统采用了无线电与雷达技术，数据交换不是
通过电流的触点接通而是通过电场与磁场，即通过无线的方式通信。
与其他的识别方式相比，RFID技术能对移动的多个项目进行识别，因而应用更广泛。
RFID技术的实现主要由以下三个部分组成：
存储信息的应答器（电子标签）、标签读写器、后台数据库处理系统。
RFID的关键技术着眼点在于采用什么技术来实现标签信息的可靠读出。
读写器的硬件设计是RFID系统设计中的关键部分。
工作频率为915MHz的RFID读写器天线为本论文研究的重点。
使用嵌入式系统进行标签读写器设计是其中的一个关键部分，优点在于可以提高标签的读取速度和工作效率。
由于嵌入式处理器在多事件处理能力方面有51系列不可比拟的优越性，可以大大提高标签读取的能力和可靠性。
据国外有关设计公司实际测试，使用嵌入式处理器，可以将标签的有效读出次数从30次/秒左右提高到300-400次/秒，大大提高了工作效率。
提高系统的集成度，利于产品小型化。
一般来讲，一颗嵌入式处理器都具有丰富的外部接口，像网络接口、RS232接口、USB接口、I2C、SPI等，这样可以大大减少设计时使用的外围芯片数量，提高系统集成度，利于产品小型化,提高产品的可扩展性，缩短后续产品的设计周期。
嵌入式处理器和操作系统的另一个优点是可裁剪性。
设计时，可以根据实际需要增加或删除某种功能，最大限度地满足用户的需求，对产品的设计的连续性、多样性以及缩短后续产品的研发周期都有很大的好处。
但是，使用嵌入式系统进行标签读写器设计也有其缺点，第一是前期投入成本增加。
与51系列不同，嵌入式处理器需要在特定的开发平台下进行设计，而该开发平台一般需要购买。
目前，市场上比较流行的开发系统有Linux、VxWorks、WinCE等。
价格一般在几万到几十万人民币不等。
第二是对设计人员的技术要求提高。
对于设计人员来讲，如果以前从事51系列的研发，现在需要使用嵌入式设计平台进行新产品的设计，则需要有一个熟悉和适应的过程。
这样就对设计人员提出了更高的要求。
读写器主要由天线、射频模块和主控模块三部分组成。
射频模块发送部分产生射频信号及射频能量产给无源应答器提供能量；接收部分对由天线接收的反射调制信号进行解调、放大及滤波；主控模块控制与应答器的通信过程；与主机应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令。
工作频率为915MHz的RFID系统采用无源反射调制技术，应答器以一定的调制方式将自身的数据调制到射频信号上，并反射回去。
天线是RFID中非常关键的技术。
常见的射频天线有近场耦合线圈天线、半波对称振子天线、矩形微带天线等。
重量轻，体积小，成本低，便于和集成电路相兼容，封装简单，这些突出的优点使得微带天线的应用越来越广泛。
对微带天线的主要封装方式就是平面介质加盖。
因此封装特性考察的主要内容就是不同形状、不同厚度、不同介电常数的介质平面对于微带天线性能的影响，或者进一步地考虑两层以上介质的平面封装模型。
为了保持接收信号的稳定，终端功率控制方案也是一项关键技术。
1.2射频识别系统
1.2.1典型的射频识别系统
典型的射频识别系统由应答器（Transponder）1、读写器（Read/WriteDevice）以及数据交换、管理系统等组成。
电子标签也称射频识别卡，它具有智能读写及加密通信的能力。
读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。
电子标签内不含电池，电子标签工作的能量是由读写器发出的射频脉冲提供的。
电子标签接收射频脉冲，从中解调出数据并送到控制逻辑。
控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其它操作。
EEPROM用来存储电子标签的ID号及其它用户数据。
有源射频识别系统是由电池供电，可以在较高频段工作，识别距离较长，和读写器之间的通信速率也较高[6]。
图1-1为射频识别系统的典型例子。
图1-1射频识别系统
第二章微波频段RFID系统分析
2.1引言
阅读器和标签是RFID系统最关键的组成部分。
本章重点分析了微波频段反射调制式RFID系统阅读器和标签的工作原理和关键技术。
在此基础上，本文提出了一种改进的阅读器零中频接收电路结构，论证了其有效性。
2.2RFID阅读器
传统的RFID阅读器射频前端一般采用零中频混频结构，如图3-3所示，由发射电路、接收电路和环形器（Circulator）三大部分组成
图3-3RFID阅读器系统架构
发射电路包括锁相环路（PLL）、压控振荡器（VCO）,混频器（Mixer）、低噪声放大器（LNA）,RF滤波器（Filter）、功分器（PowerSplitter）、衰减器CAttenuator）和RF功放（PA）组成。
发射电路的工作过程如下:
1）阅读器通过锁相环控制压控振荡器，产生载波频率（860-960MHz），送至发射混频器。
2）混频器将载波信号和阅读器的基带信号（signal）混合成调制信号，经过两级低噪声放大器和RF滤波器后，送至功分器。
3）功分器将发射信号分为两路，一路经衰减器送到RF功率放大器，另一路送往接收电路做接收信号混频时的本振源。
4）阅读器根据需要通过衰减器调节发射信号的增益，发射信号经过RF功率放大器放大后经环形器送至阅读器天线发射出去。
5）接收电路包括RF滤波器（Filter）、功分器（PowerSplitter）,混频器（Mixer）、运放（OA）和基带滤波器（Filter）组成。
接收电路的工作过程如下:
1）标签返回的微弱信号经过阅读器天线进入环形器后，与阅读器发射的连续载波信号相分离，经过RF滤波器滤波后，进入接收功分器，分成两路接收信号。
2）发射通道上的无调制连续载波信号由发射功分器分为两路后，作为接收电路本振的连续载波信号产生两路参考信号，其中一路参考信号与另一路参考信号有900相移。
3）两路本振参考信号与两路接收信号经混频器后，形成I/Q两路基带信号，再分别经过两路运放和低通滤波器后，两路I/Q基带信号返回到阅读器做处理。
2.3RFID标签
2.3.1RFID标签工作原理
RFID系统的通信过程是阅读器给RFID标签信息和获得标签上信息的过程。
由于RFID标签本身无电源，所以必须依靠从阅读器发送的射频信号中获得的能量，即所谓的波束供电技术。
而标签获得能量仅够供给标签本身使用，没有多余的能量可供射频信号源工作，必须利用无源反射调制技术来实现RFID阅读器与标签之间的通信。
无源反射调制技术的原理就是在RFID系统的整个通信过程中，只存在一个发射机，即阅读器。
而RFID标签在应答过程中对阅读器发射的连续波射频信号进行调制，再将已调制的射频信号反射回去，被阅读器接收解码，完成信息传递功能。
波束供电技术和无源反射调制技术是反射调制式RFID系统的两大关键技术。
典型的RFID标签电路如图3-10所示，由标签天线和标签IC两部分组成。
标签天线作为电子标签的藕合元件在RFID应用中扮演着重要的角色。
反射调制式RFID系统工作原理图
RFID标签中的模拟电路主要包括检波电路和调制电路。
检波电路可将标签天线接收到的高频电磁能量转换为可以供其它电路工作所需的直流电源。
电子标签中的调制电路可以把存储在电子标签内部的相关数据信息调制到反射的电磁波上，从而实现电子标签到阅读器的数据传输。
RFID标签内的数字电路可在射频波束供电的情况下，通过对阅读器发出的相关指令信息的判断，做出必要的数据处理及输出相关的数据信息。
因此，标签反射电磁波功率的变化与标签天线负载阻抗Z:
有关，RFID系统正是利用这一特性，通过标签的数字电路控制标签天线负载的变化，从而将RFID标签存储的内容调制到反射的电磁波中，实现从RFID标签到阅读器的数据传输。
第三章RFID阅读器天线的实现
3.1引言
近年来，随着无线通信技术的发展，业界对天线的小型化提出了越来越高的要求，推动了将分形理论引入天线拓扑设计的研究工作，做了很多相关方面的研究。
本章根据RFID阅读器天线的特点，将Manderlbrot,Koch,Hilbert、分形树等经典的分形结构引入到RFID标签天线设计中。
通过仿真和实测，验证了上述分形结构的RFID阅读器天线具有较好的尺寸缩减特性。
3.2分形天线基础
3.2.1分形理论简介
分形理论是近年来非线性学科中非常活跃的一个数学分支，其研究对象是非线性系统和自然界中存在的一些不光滑和不可微的几何形体，自然界中的几种分形结构如图1.1所示。
分形理论的本质是一种新的世界观和方法论:
即承认世界的局部可能在一定条件下，在某一方面（形态、结构、信息、功能、时间、能量等）表现出与整体的相似性。
3.1自然界的分形结构
20世纪70年代法国数学家B.B.Mandelbrot于1975年第一次描述了名为分形的几何图形。
但最早的工作可追溯到1875年，德国数学家维尔斯特拉斯（K.Weierestrass）构造了处处连续但处处不可微的函数，集合论创始人康托（G.Cantor，德国数学家）构造了有许多奇异性质的三分康托集。
1890年，意大利数学家皮亚诺（G.Peano）构造了具有填充空间性的曲线。
1904年，瑞典数学家柯克（H.vonKoch）设计出类似雪花和岛屿边缘的一类曲线。
1915年，波兰数学家施尔平斯基（W.Sierpinski）设计了像地毯和海绵一样的几何图形。
这些都是为解决与分析拓朴学中的问题而提出的反例，但它们正是分形几何思想的源泉。
目前分形的概念及理论受到自然科学各个领域的关注和吸收，各学科工作者纷纷将分形理论引入到自己的研究领域，分析相关的问题。
20世纪80年代，关于波与分形结构相互作用的研究促进了分形电动力学的发展，而分形天线是分形电动力学的众多应用领域之一。
3.2.1分形迭代函数系统算法（IFS）
分形结构的本质是迭代。
用相似的结构，通过n次重复替换生成的每一部分就可以得到第n层的分形结构。
Koch曲线是HelgeVonKoch在1904年构造出的一种曲线，是分形曲线的一个代表作。
图（1-2）就是用直观的替换法生成Koch曲线的过程（}a}:
将一直线段分成三等分，截去中间的1/3部分，而代之以两个1/3长的相交600度的线段，这样就得到了1阶Koch曲线，重复上述过程，经过无数次迭代就得到了n阶Koch分形曲线。
Koch曲线常用于制作单极子天线或偶极子天线。
1-2Koch曲线的迭代生成过程
从Koch曲线的分形结构可以看出，分形是由无数个与整体具有相似性的部分组成的，因此分形天线可以用迭代函数系统（Iteratedfunctionsystems，简称IFS）来表示。
IFS的思想认定几何对象的全局与局部，在仿射变换的意义下，具有自相似结构。
Hilbert偶极子天线的迭代过程如图1-3所示。
与Koch分形不同的是，1阶以上Hilbert分形的轮廓面积保持不变。
而Hilbert分形具有一种松散的自相似性:
1阶Hilbert分形是一个正方形轮廓的“半环”结构，假设其边长为b。
则2阶Hilbert分形的轮廓不变，其两臂的弯折形成了4个缩小的“半环”结构（即1阶Hilbert），以某种特定的阵列方向排布在2阶Hilbert轮廓内。
设其边长设为a。
同样的，3阶Hilbert的轮廓不变，其两臂的弯折形成了4个缩小的2阶Hilbert结构，其缩小比例依旧保持a/b，并以同样的阵列方向排布在3阶Hilbert轮廓内。
以此类推，n阶Hilbert的轮廓面积与1阶Hilbert轮廓面积完全一致，其内部以相同的阵列方向排布了4个缩小了a/b倍的（n-1）阶Hilbert结构。
通过改变Hilbert的轮廓形状、Hilbert结构内部阵列的形式、比例系数a/b可以构造出各种各样迭代模式的Hilbert分形结构。
Hilbert分形的最大特点就是没有严格、固定的迭代模式，但是在相同迭代模式下，n阶（n>1）Hilbert分形的轮廓面积永远不变。
因此，随着分形阶数增多，Hilbert曲线在有限的空间内无限延长，分形的空间填充率可以无穷逼近于100%.
3.3Hilbert天线示意图
3.2.3分形天线的结构与特点
分形结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性这两大特点。
如果把分形的这两大特点应用到天线设计上，则可以转换为天线的多频段特性和尺寸缩减特性.
分形结构由迭代产生的复杂形状使一些天线的尺寸缩减成为可能。
实验证明，Koch曲线和Mandelbrot树状分形单极子天线，Koch雪花、Minkowski分形环天线的谐振频率都随着迭代次数的增加而降低.
根据天线类型的划分，分形天线可以分为单极子分形、偶极子分形和微带分形天线三大类。
常见的单极子分形天线有Koch曲线单极子天线、Mandelbrot树状单极子天线和Sierpinski垫单极子天线[}s}0
偶极子分形天线主要有Koch曲线偶极子天线、二维树分形偶极子天线、Hilbert分形偶极子天线和H形分形偶极子天线.
分形结构的微带天线主要有Sierpinski毯式分形微带天线、Minkowski和Koch雪花分形贴片天线。
本章主要讨论分形微带天线在RFID阅读器天线设计中的应用。
与RFID标签天线相比，RFID阅读器的天线属于传统的微带天线类型，可以使用经典的微带天线理论设计。
由于RFID阅读器的发展越来越倾向小型化、便携化，阅读器天线在阅读器的尺寸中占据越来越大的比例。
天线尺寸的小型化，成为目前RFID阅读器天线研究的趋势。
在保持天线性能的前提下，阅读器天线的尺寸缩减难度远远大于阅读器电路。
常规的方法需要使用高介电常数的特殊天线材料等手段来缩减阅读器天线的尺寸，导致阅读器天线的成本上升，且仿真设计的难度较大。
本章从分形理论入手，提出通过Minkowski分形结构的应用，来达到RFID阅读器天线尺寸缩减的目标。
仿真和实践证
明，此种方法可行。
3.3Minkowski贴片天线的尺寸缩减特性
之前介绍的Koch和其他偶极子分形都是用IFS方法生成的。
以下介绍的Minkowski分形也可以用IFS方法来产生，但本文采用了另外一种被称为两点式的方法来生成Minkowski分形结构，使其更加容易定义与Minkowski分形相关的几何参数。
为此，我们需定义一个初始元（Initiator）和一个生成元（Generator）o初始元给定了分形图形的框架，生成元规定了分形图形的产生方法。
Minkowski贴片的初始元和生成元如图3.4所示。
3.4Minkowski贴片的初始元与生成元
设复平面上给定两点
和
，为了统一符号，记
，
令
将复平面上两点距离用模和幅角表示，则有
其中
比例系数k定义为Minkowski的迭代系数，k的取值范围:
将初始元用生成元代替，就可得到一阶Minkowski贴片。
如果将一阶
Minkowski贴片边界的每一段直线都用生成元代替，就可得到二阶Minkowski贴片，迭代N次则可以得到N阶Minkowski分形贴片。
改变系数k可以得到不同的Minkowski贴片。
为统一起见，将方形贴片称为Mo，一阶Minkowski贴片称为
N阶Minkowski贴片称为
，图3.5是迭代系数为0.5，迭代阶数分别为0阶、1阶、2阶及3阶的Minkowski
图形，图3.6则是迭代系数分别为。
、0.1,0.2和0.25的1阶Minkowski分形。
3.5Minkowski分形贴片迭代图
3.6不同迭代系数的Minkowski分形贴片图形
IlkWonKim等人经过实验，揭示了Minkowski分形贴片微带天线具有良好的尺寸缩减特性。
与普通的正方形贴片天线相比，Minkowski雪花分形贴片天线相比能谐振于更低的频率.Minkowski分形贴片天线随着迭代次数的增加，谐振频率逐渐降低。
但是，当迭代次数超过2，谐振频率降低趋于缓慢.
为深入了解Minkowski分形贴片微带天线的特点，本文对不同迭代次数和迭代系数的Minkowski分形微带天线进行仿真和对比。
选用边长为50左右的正方形贴片为0阶Minkowksi微带天线，分形系数k为1/4，相对介电常数为10.2，厚度为3.2mm。
分别仿真了0-2阶的Minkowski分形微带天线，如图3.7所示:
3.70-2阶Minkowski分形微带天线
本文所设计的矿用RFID标签天线的具体技术指标如下：
天线的中心频率为2.42GHz，工作带宽不少于120MHz、输入阻抗50ohm、增益大于1.5dB。
经过多次的仿真优化，可得天线各个部分的详细尺寸如下：
天线的基板大小均为50×50mm。
中心贴片大小为28mm×28mm，结构采用2阶Minkowski分形结构，分形系数为0.25。
基板材料采用聚四氟乙烯，厚度4mm，介电常数为2.65，损耗角正切0.0009。
仿真的频率为2.4GHz,采用SMA同轴连接器，内导体直径为0.5mm，外导体内径1.3mm。
仿真和优化设计采用Ansoft公司的HFSS和Ensemble电磁仿真软件包。
该天线的反射系数仿真变化曲线如图3.8所示。
图3.8：
天线|S11|仿真曲线
仿真数值显示Minkowski分形阅读器天线在2.4GHz谐振点处的Sll=-24.1dB，-l0dB带宽为50MHz（2.39GHz-2.44GHz），匹配情况较好。
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