臺灣博碩士論文加值系統

本論文針對無線射頻射頻辨識系統(RFID)之詢答機天線的特性進行分析與探討，應用HFSS電磁數值模擬套裝軟體進行分析與設計，探討天線結構變化與其等效阻抗間的關聯。本論文以摺疊偶極天線(Folded dipole)為原型，設計內含：類碎型負載結構產生高增益與寬頻帶的天線；螺旋式負載結構增加外旋臂裝置使天線電流路徑一致產生高增益與高輻射效率的天線；曲折蜿蜒式負載大幅縮小天線面積。論文中嘗試解決小型化天線輻射特性不佳的因素，設計小型化的詢答機天線以符合無線射頻辨識系統市場應用需求。

The characteristics of the transponder antennas for radio frequency identification system (RFID) have been investigated in this discussion. The electro-magnetic numerical software HFSS have been applied to analyze and design the antennas. Our work discuss the relation between the changes of the antenna structure and its equivalent impedance. We have adapted folded dipole antenna as the prototype. The content of the design is as follow: The fractal-like loaded geometry can be utilized to miniaturize antennas. In addition, the properties of fractals make them especially suitable to design high gain and wideband antennas. The spirally loaded geometry which increases convoluted arms makes the current path unidirectional, result in have high gain and high efficiency antenna. The meander loaded geometry also reduces antenna size to a great extent. In this work, we also deal with the problem of degrading radiation characteristic of the antenna in a result of size reduction by designing a miniature transponder antenna to meet the requirement of the commercial RFID application.

目　錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 v
圖目錄 ix
表目錄 xv
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 2
1.4 論文綱要 3
第二章 無線射頻辨識系統技術 5
2.1 何謂無線射頻辨識系統 5
2.2 RFID系統架構與工作原理 6
2.3 RFID系統介紹 7
2.4 電子標籤/智慧標籤(Tag/Transponder)分類 12
2.5 資料傳輸原理 14
2.6 RFID現有標準規範與組織 17
2.6.1 歐美的EPC 17
2.6.2 日本的UID (Ubiquitous ID Center) 18
2.6.3 ISO 18000系列標準 19
第三章 天線理論 20
3.1 天線原理 20
3.2 天線輻射理論 20
3.3 天線場的概念 21
3.4 天線輸入阻抗 24
3.5 有效接收面積 28
3.6 雷達散射面積 30
3.7 偶極天線 31
3.8 摺疊偶極天線 32
第四章 商用無線射頻辨識天線分析 35
4.1 前言 35
4.2 摺疊偶極天線型 36
4.2.1 Sample Antenna A天線設計原理與分析 36
4.2.2 Sample Antenna B天線設計原理與分析 40
4.2.3 Sample Antenna C天線設計原理與分析 43
4.2.4 Sample Antenna D天線設計原理與分析 44
4.2.5 Sample Antenna E天線設計原理與分析 45
4.2.6 Sample Antenna F天線設計原理與分析 46
4.2.7 Sample Antenna G天線設計原理與分析 47
4.2.8 Sample Antenna H天線設計原理與分析 48
4.2.9 Sample Antenna I天線設計原理與分析 49
4.3 偶極天線型 50
4.3.1 Sample Antenna J天線設計原理與分析 50
4.3.2 Sample Antenna K天線設計原理與分析 52
第五章 無線射頻辨識天線設計 53
5.1 RFID標籤中天線的考量 53
5.2 被動式標籤天線設計重點 54
5.3 射頻辨識晶片等效模型 56
5.4 RFID標籤天線設計 58
5.4.1 前言 58
5.4.2 RFID標籤天線I設計 59
5.4.2.1 RFID標籤天線I天線設計原理與分析 59
5.4.2.2 RFID標籤天線I實驗結果與分析 60
5.4.3 RFID標籤天線II設計 65
5.4.3.1 RFID標籤天線II設計原理與分析 65
5.4.3.2 RFID標籤天線II實驗結果與分析 67
5.4.4 RFID標籤天線III設計 72
5.4.4.1 RFID標籤天線III設計原理與分析 72
5.4.4.2 RFID標籤天線III實驗結果與分析 74
5.4.5 RFID標籤天線IV設計 78
5.4.5.1 RFID標籤天線IV設計原理與分析 78
5.4.5.2 RFID標籤天線IV實驗結果與分析 80
5.4.6 RFID標籤天線V設計 84
5.4.6.1 RFID標籤天線V設計原理與分析 84
5.4.6.2 RFID標籤天線V實驗結果與分析 85
5.4.7 RFID標籤天線VI設計 90
5.4.7.1 RFID標籤天線VI設計原理與分析 90
5.4.7.2 RFID標籤天線VI實驗結果與分析 91
第六章 讀取距離探討 96
6.1 計算功率反射係數方法 96
6.2 讀取範圍 98
6.3 天線讀取距離探討 101
6.3.1 讀取距離量測系統架構 101
6.3.2 讀取距離量測環境 102
6.3.2 實測標籤天線讀取距離與探討 104
第七章 結論 110
參考文獻 111

圖目錄

圖2.1 RFID系統架構圖 6
圖2.2 RFID系統中軟硬體相互運作圖 6
圖2.3 無線射頻辨識系統的運作簡圖 7
圖2.4 RFID的工作原理 11
圖2.5 電子標籤中的晶片傳送訊息之概念圖 14
圖 3.1 電磁輻射的形成方式 21
圖 3.2 天線之輸入阻抗 24
圖3.3 天線為發射狀態 25
圖3.4 發射天線之戴維寧等效電路 25
圖3.5 天線為接收狀態 27
圖3.6 接收天線之戴維寧等效電路 27
圖 3.7 距離為R之兩根天線 29
圖 3.8 散射與發射天線、接收天線之關係圖 30
圖 3.9 電壓與電流在偶極天線上的駐波情形 32
圖 3.9 電壓與電流在偶極天線上的駐波情形 32
圖 3.9 電壓與電流在偶極天線上的駐波情形 32
圖 3.12 摺疊偶極天線與其電流的模式 33
圖 3.13 將(a)、(b)疊加即為一完整的摺疊偶極天線 34
圖4.1 Sample Antenna A RFID標籤天線外觀構造 36
圖4.2 (a)HFSS模擬Sample Antenna A示意圖 37
(b)Sample Antenna A實作圖與Sample Antenna A實際照片圖 37
圖4.3 Sample Antenna A 50Ohm與Chip返回損失比較圖 37
圖4.4 HFSS模擬Sample Antenna A 3D輻射場型示意圖 38
圖4.5 Sample Antenna A之2D輻射場型模擬結果 38
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖4.6 Sample Antenna A於無反射實驗室所量測的場型 39
圖4.7 Sample Antenna B RFID標籤天線外觀構造 40
圖4.8 (a)HFSS模擬Sample Antenna B示意圖 40
(b)Sample Antenna B實作圖與Sample Antenna B實際照片圖 40圖4.9 HFSS模擬Sample Antenna B3D輻射場型示意圖 41
圖4.10 Sample Antenna BI之2D輻射場型模擬結果圖 41
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型(c)天線座標定義
圖4.11 Sample Antenna B於無反射實驗室所量測的場 42
圖4.12 Sample Antenna C RFID標籤天線外觀構造 43
圖4.13 Sample Antenna D RFID標籤天線外觀構造 44
圖4.14 Sample Antenna E RFID標籤天線外觀構造 45
圖4.15 Sample Antenna F RFID標籤天線外觀構造 46
圖4.16 Sample Antenna G RFID標籤天線外觀構造 47
圖4.17 Sample Antenna H RFID標籤天線外觀構造 48
圖4.18 Sample Antenna I RFID標籤天線外觀構造 49
圖4.19 Sample Antenna J RFID標籤天線外觀構造 50
圖4.20 HFSS模擬Sample Antenna J 3D輻射場型示意圖 51
圖4.21 Sample Antenna J之2D輻射場型模擬結果 51
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖4.22 Sample Antenna K RFID標籤天線外觀構造 52
圖 5.1 標籤天線與標籤晶片連接示意圖 54
圖 5.2 標籤天線與標籤晶片阻抗示意圖 55
圖 5.3 不同調變方法於史密斯圖上之匹配點 55
圖 5.4 ASK調變之邏輯位準“0”與“1” 56
圖 5.5 電容性負載縮小化偶極天線二分之一波長電流分佈圖 58
圖 5.6 傳輸線模型電容性負載終端 58
圖 5.7 RFID標籤天線I外觀構造圖 59
圖 5.8 RFID標籤天線I實作圖 60
圖 5.9 HFSS模擬RFID標籤天線I電流分佈圖 60
圖 5.10 RFID標籤天線I實際量測天線史密斯圖 62
圖 5.11 RFID標籤天線I輸入實部阻抗與HFSS模擬比較圖 60
圖 5.12 RFID標籤天線I輸入虛部阻抗與HFSS模擬比較圖 63
圖 5.13 RFID標籤天線I於50Ohm系統與修正後Chip系統返回損失比較圖63
圖 5.14 RFID標籤天線I之3D輻射場型模擬結果 64
圖5.15 RFID標籤天線I之2D輻射場型模擬結果 64
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖 5.16 RFID標籤天線II外觀構造圖 65
圖 5.17 RFID標籤天線中，天線阻抗與晶片阻抗關係圖 66
圖 5.18 RFID標籤天線II實作圖 66
圖5.19 HFSS模擬RFID標籤天線II電流分佈圖 67
圖5.20 RFID標籤天線II實際量測天線史密斯圖 69
圖5.21 RFID標籤天線II輸入實部阻抗與HFSS模擬比較圖 69
圖5.22 RFID標籤天線II輸入虛部阻抗與HFSS模擬比較圖 70
圖 5.23 RFID標籤天線II於50Ohm系統與修正後Chip系統返回損失比較圖70
圖5.24 RFID標籤天線II之3D輻射場型模擬結果 71
圖5.25 RFID標籤天線II之2D輻射場型模擬結果 71
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖 5.26 RFID標籤天線III外觀構造圖 72
圖 5.27 RFID標籤天線III實作圖 72
圖 5.28 HFSS模擬RFID標籤天線III電流分佈圖 73
圖 5.29 RFID標籤天線III電流分佈解析圖 74
圖 5.30 RFID標籤天線III實際量測天線史密斯圖 75
圖 5.31 RFID標籤天線III輸入實部阻抗與HFSS模擬比較圖 75
圖 5.32 RFID標籤天線III輸入虛部阻抗與HFSS模擬比較圖 76
圖 5.33 RFID標籤天線III於50Ohms系統與修正後Chip系統返回損失比
較圖 76
圖5.34 RFID標籤天線III之3D輻射場型模擬結果 77
圖5.35 RFID標籤天線III之2D輻射場型模擬結果 77
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖 5.36 RFID標籤天線IV外觀構造圖 78
圖 5.37 RFID標籤天線IV實作圖 78
圖 5.38 HFSS模擬RFID標籤天線IV電流分佈圖 79
圖 5.39 RFID標籤天線IV電流分佈解析圖 79
圖 5.40 RFID標籤天線IV實際量測天線史密斯圖 81
圖 5.41 RFID標籤天線IV輸入實部阻抗與HFSS模擬比較圖 81
圖 5.42 RFID標籤天線IV輸入虛部阻抗與HFSS模擬比較圖 82
圖 5.43 RFID標籤天線IV於50Ohms系統與修正後Chip系統返回損失比
較圖 82
圖5.44 RFID標籤天線IV之3D輻射場型模擬結果 83
圖5.15 RFID標籤天線IV之2D輻射場型模擬結果 83
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖 5.46 RFID標籤天線V外觀構造圖 84
圖 5.47 RFID標籤天線V實作圖 84
圖 5.48 HFSS模擬RFID標籤天線V電流分佈圖 85
圖 5.49 RFID標籤天線V實際量測天線史密斯圖 87
圖 5.50 RFID標籤天線V輸入實部阻抗與HFSS模擬比較 87
圖 5.51 RFID標籤天線V輸入虛部阻抗與HFSS模擬比較 88
圖 5.52 RFID標籤天線V於50Ohms系統與修正後Chip系統返回損失比
較圖 88
圖5.53 RFID標籤天線V之3D輻射場型模擬結果 89
圖5.15 RFID標籤天線V之2D輻射場型模擬結果 89
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖 5.55 RFID標籤天線VI外觀構造 90
圖 5.56 RFID標籤天線VI實作圖 90
圖 5.57 HFSS模擬RFID標籤天線VI電流分佈圖 91
圖 5.58 RFID標籤天線VI實際量測天線史密斯圖 93
圖 5.59 RFID標籤天線VI輸入實部阻抗與HFSS模擬比較 93
圖 5.60 RFID標籤天線VI輸入虛部阻抗與HFSS模擬比較 94
圖 5.61 RFID標籤天線VI於50Ohms系統與修正後Chip系統返回損失比
較圖 94
圖5.62 RFID標籤天線VI之3D輻射場型模擬結果 95
圖5.15 RFID標籤天線VI之2D輻射場型模擬結果 95
(a)E-plane場型圖(b) H-plane場型圖(c)天線座標定義
圖 6.1 兩個複數阻抗的電源-負載電路 96
圖 6.2 複數功率波反射係數 應設置史密斯圖正規化至 97
圖 6.3 讀取距離量測之系統配置示意圖 98
圖 6.4 RFID標籤天線中，天線阻抗、晶片阻抗與讀取距離的關係圖 100
圖 6.5 MPR-2012BN讀取機細部規格圖 101
圖 6.6 本章節所量測讀取距離的商用RFID標籤天線 102
圖 6.7 本論文所設計量測讀取距離的RFID標籤天線 102
圖 6.8 本論文所設計RFID標籤天線量測讀取距離環境架構 103
圖 6.9 待量測天線讀取距離座標圖 107

表目錄

表2.1 依各產業的需求RFID的主要分類 5
表2.2 無線電波頻譜分類 9
表2.3 RFID頻譜比較分析表 10
表2.4 根據RFID標籤的電源來源性分類 12
表2.5 根據標籤的可讀寫性分類 13
表2.6 歐美EPC分類 17
表2.7 日本UID分類 18
表2.8 ISO 18000分類 19
表3.1 不同頻率的波長、無功近場區與輻射遠場區距離估算值 23
表5.1 RFID標籤天線可以選擇的種類 53
表5.2 RFID標籤晶片輸入阻抗之等效模型 57
表6.1 商用Sample Antenna HFSS模擬參數 104
表6.2 設計RFID標籤天線HFSS模擬參數 105
表6.3 物流應用面上，商用Sample Antenna與設計RFID標籤天線讀取距離量測結果 107
表6.4 物品應用面上，商用Sample Antenna與設計RFID標籤天線讀取距離量測結果 108

參考文獻

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