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作为一种非接触式的自动识别技术,射频识别(RFID)技术利用射频信号通过空间耦合(突变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。同其他识别技术相比,射频识别技术具有许多优点,尤其是随着电子技术的迅猛发展和制造技术水平的不断提高,采用无线电和雷达技术实现的射频识别技术的发展非常迅速,在诸如货物采购与分配、商业贸易、生产制造、防盗技术、识别技术和医学应用等领域中,具有巨大的发展和应用潜力。
无线射频识别技术系统分为低频、高频、超高频、微波等四个工作频段。根据电子标签工作供能的不同,无线射频识别技术系统又可分为有源系统和无源系统。
以目前技术水平来说,无源微波射频标签比较成功产品相对集中在902~928MHz工作频段上。2.45 GHz和5.8 GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世,而半无源标签一般采用钮扣电池供电,无法通过无源的方式提供稳定的电压实现数据管理器的读写,这是该频段射频识别系统中的技术困境与研究重点。本文主要关注的是5.8 GHz无源RFID电子标签技术的研究。
从技术角度来说,满足以下特点的微波射频识别系统是理想的射频识别系统: (1)射频标签无源;
(2)射频标签可无线读写;
(3)射频标签与读写器支持多标签读写;
(4)适合应用于高速移动物体的识别(物体移动速度大于80km/h);
(5)远距离(读写距离1m~10m);
(6)低成本(可满足一次性使用要求)。
在微波频段的无源RFID电子标签的设计当中,通信天线和相关射频电路作为电子标签的重要组成部分,决定着整个RFID系统的性能指标和实际可用性。选择合适的通信天线,设计与之相匹配的射频倍压整流电路是整个系统成败的关键要点和攻坚难点。本文将优化整流电路,提升整流效率和改善整流效果,从而实现上述理想射频识别系统的六点要求。
本文首先简要地介绍了RFID技术的相关知识,说明了RFID系统的工作原理和分类,并对系统中采用的天线进行了分析和讨论。接着详细介绍了二极管在微波频段中的相关特性,并根据法拉第定律和安培定律,基于波动原理的分布理论分析了射频波段倍压整流电路的特性。在分析出导致整流效率降低的原因之后,根据RFID电子标签工艺制造的要求,得出须采用微带线构造滤波器对电路进行优化的结论并对相关理论进行详细阐述。最后在实践中成功设计出一种效果良好的5.8 GHz频段RFID无源标签芯片的倍压整流电路。
本文的工作重点有三点:
(1)基于基尔霍夫定律电流和电压定律的分析方法转变成适应高频设计当中的电磁波的传输特性分析,根据射频电路设计中的波动原理对常规的倍压整流电路进行了全新的分析和优化。
(2)消除谐波对射频电路的影响,将谐波的能量转换为终端的有效能量,提高整流效率,并优化整流波形,使波形电压相对度处于1%以下。
(3)由于六项要求中射频标签可无线读写和射频标签与读写器支持多标签读写可轻易实现,于是我们的设计要点集中于实现射频识别标签无源化,实现标签识别高速移动物体(物体移动速度大于80km/h),实现标签远距离读写(读写距离1m~10m),实现标签低成本(可满足一次性使用要求)等四项要求上。本论文的研究工作得到国家自然科学基金(60571036)的资助。