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远距离射频识别系统关键技术的研究

作　者: 魏峰
导　师: 史小卫
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 射频识别 阅读器 隔离 定向耦合器 缺陷地结构 超宽带滤波器 专用短程通信技术 基片集成波导 防碰撞
分类号: TP391.44
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


射频识别(RFID)是一种非接触自动识别技术,具有数据量大、保密性高、抗干扰能力强等特点,目前已广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输管理等众多领域。其中超高频、微波远距离射频识别系统具有读写速度快、识别率高、识别距离远等优点,得到了世界各国的重视,成为RFID技术领域的重点。目前国内的低频近距离RFID技术已经比较成熟,但超高频、微波远距离RFID技术还处于实验阶段,仅仅在政府行业部门如铁路、海关等得到了试点。针对以上问题及实际科研项目,本文主要研究了远距离射频识别系统中的关键技术,内容可分为五个部分,具体来说：针对无源UHF RFID系统技术复杂,设备昂贵,目前在国内处于发展初级阶段的状况,本文研发了低中频结构和零中频结构的无源UHF RFID系统,所设计的系统符合ISO18000-6B协议,性能稳定,成本低廉,已通过国家相关部门的检测,具有一定的推广性。无源UHF RFID系统射频收发电路同时同频工作,收发隔离至今仍是很难攻克的难题。针对传统收发隔离方法会导致硬件成本增加问题,本文提出了两种克服收发干扰的措施。首先在传统定向耦合器的基础上提出并设计了双枝节耦合线定向耦合器。该耦合器能够大大提高收发支路隔离度,降低阅读器成本。同时将耦合线定向耦合器与缺陷地结构(DGS)结合进一步减小尺寸,从而有效解决了双枝节耦合线定向耦合器尺寸较大的问题。另外,从理论上详细分析和推导了多载波无源UHF RFID系统的工作原理,为无源UHF RFID系统收发隔离的改善提供了新的思路,具有十分重要的意义。远距离RFID系统的另一个主要工作频段是5.8GHz,其典型应用是专用短程通信系统。针对微波RFID系统设备主要依赖进口的背景,本论文首先研发了一套价格低廉的微波RFID系统,适用于专用短程通信,符合国内最新的ETC标准一GB/T20851-2007。接着设计了两款适用于微波RFID系统的平面天线。提出双十字型缝隙并将其应用在微带YAGI天线,从而解决传统微带YAGI天线尺寸较大的问题。结合新结构——基片集成波导设计了SIW缝隙天线,该天线一方面继承了传统矩形波导缝隙天线增益高的优点,同时也拥有微带天线尺寸小的特点。超宽带(UWB) RFID技术是近年来国内外学者提出的一种新的远距离RFID技术,目前还处于理论研究阶段。本论文结合当前研究热点——缺陷地结构(DGS),研究和设计了UWB RFID系统中的关键器件：超宽带带通滤波器的设计。首先分析和仿真了传统DGS单元、半圆型DGS单元和半圆型阶梯阻抗并联枝节的等效电路模型和传输特性。在此基础上,结合三线微带线结构设计了具有宽阻带特性的超宽带带通滤波器。最后结合开路负载和螺旋缝隙设计了带有陷波特性和宽阻带特性的超宽带带通滤波器。所设计的超宽带带通滤波器结构紧凑,成本低廉,可以有效抑制窄带干扰和高次谐波。随着RFID技术的不断推广,一个区域内同时出现多个电子标签或阅读器的可能性越来越大,多个电子标签和阅读器之间的干扰会影响远距离RFID系统的性能。本论文首先分析和仿真了各种常见的编码方式,明确RFID系统选用编码方式的条件。接着将二进制树搜索算法应用在无源UHF RFID系统中成功实现多标签防碰撞。最后针对阅读器防碰撞问题至今还没有得到很好解决的状况,提出一种新的阅读器防碰撞算法,可减少阅读器冲突,提高系统工作效率。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 研究背景及选题意义  11-13
  1.2 RFID技术的国内外发展现状和应用  13-16
    1.2.1 国内外发展现状  13-15
    1.2.2 RFID技术的应用  15-16
  1.3 论文的内容安排及主要工作  16-21
第二章 射频识别技术概述  21-37
  2.1 RFID系统组成  21-23
    2.1.1 阅读器  21-22
    2.1.2 电子标签  22-23
    2.1.3 应用系统  23
  2.2 RFID物理学基础  23-26
    2.2.1 天线  23-24
    2.2.2 传输方程  24-25
    2.2.3 雷达散射截面  25-26
  2.3 RFID系统的分类  26-28
    2.3.1 按照工作方式分类  26
    2.3.2 按照技术实现手段进行分类  26-27
    2.3.3 按照工作频率进行分类  27
    2.3.4 按照作用距离进行分类  27-28
    2.3.5 按照标签能量供应方式进行分类  28
  2.4 远距离RFID系统工作原理、流程和特点  28-30
    2.4.1 工作原理  28-29
    2.4.2 工作流程  29-30
    2.4.3 技术特点  30
  2.5 远距离RFID系统的信道研究  30-32
    2.5.1 电磁波的传播机制  31
    2.5.2 大尺度传播模型  31
    2.5.3 小尺度衰落模型  31-32
  2.6 RFID系统的标准  32-36
    2.6.1 RFID标准简介  32-34
    2.6.2 ISO/IEC18000-6标准简介  34-35
    2.6.3 ISO/IEC18000-6类型B  35-36
  2.7 本章小结  36-37
第三章 无源UHF RFID系统设计  37-67
  3.1 UHF RFID阅读器简介  37-40
    3.1.1 阅读器功能  37
    3.1.2 阅读器分类  37-38
    3.1.3 阅读器组成  38
    3.1.4 阅读器发展趋势  38-39
    3.1.5 阅读器射频电路设计  39-40
  3.2 低中频结构UHF RFID阅读器设计  40-48
    3.2.1 控制模块  40-43
    3.2.2 射频模块  43-46
    3.2.3 接口模块  46
    3.2.4 天线  46-47
    3.2.5 低中频结构阅读器  47-48
  3.3 多通道零中频结构UHF RFID阅读器设计  48-56
    3.3.1 射频电路  48-54
    3.3.2 多通道零中频结构阅读器  54-56
  3.4 无源UHF RFID系统软件设计  56-65
    3.4.1 底层驱动软件  57-61
    3.4.2 协议层软件  61-64
    3.4.3 客户应用软件  64-65
  3.5 系统测试结果  65-66
  3.6 本章小结  66-67
第四章 无源UHF RFID系统射频收发隔离  67-81
  4.1 传统收发隔离方法  67-70
    4.1.1 无源UHF RFID系统的收发干扰  67-68
    4.1.2 传统收发隔离方法  68-70
  4.2 耦合线定向耦合器设计  70-77
    4.2.1 传统微带线定向耦合器  70-72
    4.2.2 双枝节耦合线定向耦合器分析  72-76
    4.2.3 DGS耦合线定向耦合器  76-77
  4.3 多载波无源UHF RFID系统  77-80
  4.4 小结  80-81
第五章 微波RFID系统设计  81-107
  5.1 专用短程通信简介  81-86
    5.1.1 专用短程通信系统  81-84
    5.1.2 专用短程通信系统发展现状  84-86
  5.2 DSRC系统硬件电路设计  86-93
    5.2.1 射频模块  86-90
    5.2.2 控制模块和接口模块  90-91
    5.2.3 路侧单元实物  91-93
  5.3 DSRC系统软件设计  93-96
    5.3.1 物理层  93-94
    5.3.2 数据链路层  94-95
    5.3.3 应用层  95-96
    5.3.4 系统软件  96
  5.4 微波RFID系统天线的设计  96-105
    5.4.1 微带缝隙八木天线  96-101
    5.4.2 基片集成波导缝隙天线  101-105
  5.5 本章小结  105-107
第六章 超宽带射频识别系统  107-131
  6.1 超宽带系统  107-109
    6.1.1 超宽带系统简介  107-108
    6.1.2 超宽带技术的特点  108-109
  6.2 UWB带通滤波器设计理论  109-114
    6.2.1 滤波器基本理论  109-110
    6.2.2 UWB带通滤波器设计  110-114
  6.3 缺陷地结构理论  114-120
    6.3.1 缺陷地结构简介  114-118
    6.3.2 S-DGS单元的设计及仿真  118-119
    6.3.3 S-SISS单元的设计及仿真  119-120
  6.4 UWB带通滤波器设计  120-130
    6.4.1 宽阻带UWB带通滤波器设计  120-123
    6.4.2 具有陷波特性的宽阻带UWB带通滤波器设计  123-130
  6.5 小结  130-131
第七章 数据完整性分析  131-147
  7.1 编码  131-134
    7.1.1 编码方式  131-132
    7.1.2 编码方式仿真  132-133
    7.1.3 RFID系统选择编码方式的考虑因素  133-134
  7.2 调制  134-138
    7.2.1 振幅键控(ASK)  135-137
    7.2.2 频移键控(FSK)  137-138
  7.3 电子标签防碰撞  138-143
    7.3.1 基本的防碰撞算法  138-140
    7.3.2 防碰撞算法的实现  140-142
    7.3.3 多标签防碰撞的测试  142-143
  7.4 阅读器防碰撞  143-145
    7.4.1 阅读器碰撞  143-145
    7.4.2 阅读器防碰撞  145
  7.5 本章小结  145-147
第八章 结束语  147-149
致谢  149-151
参考文献  151-165
研究成果  165-169
附录A  169-171
附录B  171-172

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 光模式识别及其装置
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