醉染图书无源超高频标签天线工程设计案例教程9787302524113

章绪论1
1.1RF简介1
1.1.1背景和定义1
1.1.2RF的发展机遇和挑战2
1.1.3RF的组成和特点6
1.1.4RF技术的数据传输原理7
1.1.5RF的工作原理12
1.1.6UHF的选择14
1.2超高频标签的技术基础20
1.2.1反向散技术简介20
1.2.2超高频频段系统的工作原理22
1..超高频标签功率和频率的限制
1.2.4超高频标签的测试问题26
1.3RF的相关标准28
1.3.1RF标准简介28
1.3.2ISO/IEC标准29
1.3.3EPC Global标准36
1.4RF工程实施说明37
1.4.1理论说明37
1.4.2方法研究38
1.4.3前期准备41
第2章天线的理论基础46
2.1天线的理论发展概述46
2.2天线的理论基础47
2.2.1电磁场基本方程47
2.2.2边界条件49
2..坡印廷定理50
2.2.4麦克斯韦方程的解51
2.2.5电流源辐52
2.2.6场区域划分54
2.2.7理想磁偶极子57
2.2.8对称振子的辐场59
2.2.9巴俾涅原理（Babinet Principle）60
.偶极子的基本理论62
..1偶极的电磁场62
..2偶极的方向因子和方向图64
..偶极子天线结构64
..4偶极子天线的电流分布65
..5偶极子天线辐能66
..偶极子天线的辐功率和辐电阻67
..折叠型偶极子69
..Tmatch结构71
2.4标签天线的主要特72
2.4.1天线的辐场72
2.4.2辐功率和辐强度73
2.4.3阻抗和辐效率75
2.4.4辐方向图和增益81
2.4.5天线宽度88
2.4.6天线的极化91
2.4.7天线的有效长度、有效面积和口径效率96
第3章偶极子标签天线的工程设计实例101
3.1超高频标签工程设计中的基本参数101
3.1.1天线的方向和增益101
3.1.2影响超高频系统的因素104
3.1.3阻抗共轭匹配105
3.1.4偶极子天线设计的理论107
3.1.5标签天线的阻抗匹配方法109
3.2超高频频段RF标签天线的工程化设计11
.2.1天线与RF芯片的阻抗匹配理论11
.2.2标签天线的RCS分析（雷达反截面）116
3..简单实例120
3.2.4标签天线设计的前期分析127
3.2.5新型超高频频段RF标签天线的小型化设计与分析128
3.2.6标签天线的制作与测试136
3.3偶极子超高频标签天线的工程设计实例139
3.3.1半波偶极子的工程问题139
3.3.2变形偶极子天线141
3.3.3折叠偶极子天线144
3.3.4折合偶极子天线148
3.3.5弯曲偶极子天线151
3.3.6弯折偶极子天线154
3.4寄生单元加载的超高频RF标签天线的工程设计160
3.4.1寄生单元加载天线的实现方式160
3.4.2基于T型馈电的变形偶极子天线16
.4.3基于串联短截线的折叠偶极子天线168
3.4.4基于耦合馈电的变形偶极子天线17
.4.5超高频RF标签天线的工程实现与验177
3.5偶极子标签天线的加载179
3.5.1弯折线加载的偶极子标签天线179
3.5.2寄生单元加载的偶极子标签天线185
3.6偶极子标签天线的工程设计实例188
3.7印刷偶极子天线设计案例197
3.7.1印刷偶极子天线的结构设计197
3.7.2HFSS建模198
3.7.3天线的物理参数优化199
3.7.4优化结果20
.基于印刷偶极子天线的改进206
3.8.1改进思路206
3.8.2分析206
3.8.3优化参数及结果209
3.9微波频段天线设计21
..12.45G天线设计213
3.9.25.8GHz天线设计217
3.10实验221
3.10.1偶极子原型221
3.10.2加入Tmatch结构的偶极子天线22
.10.3Tmatch偶极子间距对阻抗能的影响2
.10.4短偶极子长度对阻抗能的影响2
.10.5短偶极子半径对阻抗能的影响224
3.10.6连接馈线宽度对阻抗能的影响224
3.11基于Tmatch结构的PCB板RF标签天线设计225
3.11.1天线结构225
3.11.2天线能分析226
3.12RF标签天线的研究与设计228
3.12.1标签天线的匹配理论228
3.12.2超高频频段标签天线设计229
3.1.频段标签天线设计实例
3.12.4标签天线的加工与测量5
3.13液体环境对UHF标签天线的影响
.13.1理论分析
.13.2验试验
.13.3圆柱物体表面超高频标签天线
3.13.4标签在圆柱（液体）位置的能影响244
3.14偶极子和缝隙耦合结构实例251
3.14.1天线设计251
3.14.2结果与分析254
第4章RF微带标签天线256
4.1微带天线256
4.1.1微带天线的基本结构和辐机理257
4.1.2微带缝隙天线的基本结构分类258
4.1.3矩形微带天线的分析和设计方法260
4.2微带天线的小型化技术261
4.2.1采用高介电常数基片262
4.2.2贴片曲面技术262
4..微带天线加载技术263
4.2.4附加有源网络263
4.2.5微带天线的带宽技术264
4.3矩形微带贴片天线的工程设计265
4.3.1结构和设计要求265
4.3.2确定设计天线的参量270
4.3.3矩形微带贴片天线的与分析274
4.3.4矩形微带贴片天线的阻抗匹配275
4.3.5微带天线的圆极化和实现方法286
4.4矩形标签天线289
4.4.1矩形标签的阻抗289
4.4.2标签芯片的匹配289
4.4.3标签天线带宽拓展292
4.5微带缝隙天线的结构和工程设计296
4.6圆极化环形微带天线的抗金属标签天线实例299
4.6.1天线结构299
4.6.2天线等效电路分析300
4.6.3分析301
4.6.4测试结果303
4.7鲁棒结构抗金属标签天线设计实例304
4.7.1天线结构304
4.7.2天线等效电路分析305
4.7.3分析305
4.7.4测试结果308
第5章分形结构标签工程设计实例309
5.1分形结构天线的基本理论309
5.1.1分形简介309
5.1.2分形维数311
5.1.3常用分形天线314
5.2小型化圆极化分形天线324
5.2.1引言324
5.2.2小型化天线技术324
5..圆极化天线技术326
5.3RF天线的分形结构332
5.3.1引言332
5.3.2分形天线336
5.3.3Y型树状分形超材料结构设计340
5.3.4三等分树状分形超材料结构设计342
5.3.5Minkowski分形构造344
5.4Hilbert分形迭代原理的实例347
5.4.1天线基板的介电常数和厚度对天线能影响的研究348
5.4.2实际应用352
5.5加载AMC地板的抗金属标签天线设计354
5.5.1引言354
5.5.2弯折偶极子标签天线设计354
5.5.3人工磁导体地板设计359
5.5.4加载AMC地板的抗金属标签天线363
第6章金属环境标签的工程设计368
6.1环境场对标签的影响368
6.1.1金属表面对标签能的影响368
6.1.2超高频抗金属标签天线理论基础371
6.1.3各种材料背景下的读写距离测试 373
6.2不同金属环境对标签天线能的影响374
6.2.1天线周围有金属物体374
6.2.2天线贴在不同大小的金属表面上的分析377
6..天线在金属表面弯曲的分析380
6.3介质对标签天线的影响385
6.3.1不同介质的影响385
6.3.2不同距离的影响391
6.4采用相关天线技术降低环境要求393
6.4.1面F天线393
6.4.2尺寸的减小395
6.4.3标签天线对环境的影响396
6.5柔 PIFA 抗金属标签天线设计398
6.5.1天线结构及模型398
6.5.2分析399
6.6柔微带抗金属标签天线设计401
6.6.1天线结构及模型402
6.6.2分析402
6.6.3测试结果406
6.7超薄柔微带抗金属标签天线设计408
6.7.1厚度对微带型标签天线的影响408
6.7.2超薄抗金属标签天线的设计410
6.7.3超薄抗金属标签测试结果412
6.7.4几种柔抗金属标签天线能的对比414
6.8波导馈电微带环缝标签天线的分析与设计414
6.8.1金属表面天线结构与增益的关系415
6.8.2天线的设计与工程418
6.8.3天线的制作与测试422
6.9同轴线馈电切口微带贴片标签天线的设计和分析424
6.9.1金属表面薄型天线的与分析424
6.9.2天线的设计与42
6.9.3天线的制作与测试433
第7章超高频标签天线测试和43
7.1标签天线的工作原理436
7.1.1雷达散截面原理436
7.1.2标签天线的雷达散截面437
7.1.3标签的调制工作方式439
7.1.4标签芯片的可读灵敏度和读写距离439
7.1.5标签的运动速度与读取率447
7.1.6介质对读取能的影响452
7.1.7天线的极化方向对标签能的影响458
7.2标签天线的分析462
7.2.1标签(一)的分析462
7.2.2标签(二)的分析463
7..分析的结论464
7.3标签能测试的原理和方法465
7.3.1标签的相关国际标准465
7.3.2标签能测试基本原理466
7.3.3标签能测试的实现方法466
7.3.4标签互操作能测试的实现方法466
7.3.5标签芯片一致测试的实现方法467
7.4测试系统的环境468
7.4.1整体测试方案468
7.4.2环行器隔离信号法470
7.4.3测试系统所用天线的与制作471
7.4.4测试系统的整体搭建478
7.5标签能测试系统的实际测试及结果分析480
7.5.1测量读和写标签的电场强度值480
7.5.2测量标签灵敏度481
7.5.3优选操作电场强度值和存活电场强度值482
7.5.4抗干扰能力482
7.5.5标签移动优选衰落率483
7.6超高频RF标签的测试理论483
7.6.1标签芯片阻抗的测量483
7.6.2S参数分析485
7.6.3标签天线的阻抗测量方法探讨485
7.7标签基材复介电常数的测量488
7.7.1引言488
7.7.2波导传输法原理及结果488
7.7.3矩形谐振腔法原理及结果491
7.7.4微带线谐振法原理及结果493
7.7.5微带线谐振法测试系统498
第8章外部场对标签天线的影响503
8.1标签天线受封装的影响503
8.1.1标签天线的基本类型503
8.1.2RF标签天线的主要技术参数504
8.1.3天线参数505
8.1.4标签的封装507
8.1.5天线封装对天线能的影响509
8.2基本环境对RF标签辐的影响513
8.2.1温度对标签的影响513
8.2.2温度对标签操作的影响514
8.3湿空气介电常数的推导514
8.3.1不含水蒸气的空气的介电常数514
8.3.2饱和干蒸汽的介电常数515
8.3.3湿空气介电常数的计算516
8.3.4建模16
8.3.5空气粉尘和水雾颗粒对电磁波的影响519
8.4雨、雪、冰对RF标签的影响5
.4.1随机雨介质的等效介电常数5
.4.2水膜对标签的影响的软件26
8.4.3冰雪对标签表面的影响530
8.5人体和金属对RF标签天线的影响532
8.5.1金属对标签天线的影响532
8.5.2人体对RF标签天线的影响533
8.5.3可用于人体环境的标签设计537
8.6纸基RF包装箱的标签天线设计538
8.6.1包装箱环境对RF标签天线的影响539
8.6.2RF包装箱的设计540
8.6.3实物测试与结果541
8.7人体对标签天线的影响543
8.7.1天线结构543
8.7.2与测量结果544
附录1标签天线芯片的相关参数——以M4为例546
附录2天线外形参考资料547
参考文献558

"田川：博士就读于清华大学，不错，获全军科技进步奖8项，二等奖2项；发表30余篇，EI级以上10篇；获得RF相关30余项。

尹祖伟：博士就读于清华大学，软件工程专业（物联网方向），长期从事物联网产品研发工作，技术管理经验丰富，曾获省部级科技进步奖多项，并担任靠前有名学术期刊审稿人，担任多个大型物联网项目负责人。"

序一

物联网应用有三项关键技术，即传感器技术、RF标签技术和嵌入式系统技术。根据实质用途可以归结为两种基本应用模式： 一是对象智能标签，即通过RF、二维码、NFC等技术标识特定对象，用于区分个体识别信息；二是对象智能控制，即通过云计算、大数据对获取的数据进行分析决策，改变对象的行为并进行控制和反馈。物联网系统具有规模、广泛。由于物联网是一项综合的技术，所以物联网的规划设计和研发的关键在于传感器技术、嵌入式软件及传输数据、算法等领域的研究。而RF标签天线的设计应用研究则是物联网应用中的关键环节，用户既需要低成本、高效率的标签天线，又要求小型化设计，使得RF标签天线和芯片的匹配工程只能通过连域构造实现。因此，RF标签天线工程化设计成为一项既有研究开发又有创新改造的新技术。这项技术正在物联网迅展的趋势下被重视起来，这本书的重点也在此。清华大的两博士——田川和尹祖伟，以天线理论为基础、以工程实践为重点所写的这本教程是一本在RF标签设计和工程化方面不可或缺的新书，特给广大的工程技术人员和产品研究设计人员阅读。


高茂生
数学与系统科学研究院
2019年5月

序二

20世纪末，MIT Auto Center在研究无线频识别技术(Radio Frequency Identification，RF)时提出了物联网（Internet of Things，IoT）的概念。可以说，物联网的研究是从RF开始的。随着技术的日益成熟和成本的不断下降，从吊牌到车标，从交通卡到身份，RF技术在越来越多的领域得到了广泛应用。
RF技术要想充分发挥作用，标签天线的设计是关键，不同的应用场景对频信号的传输效果不尽相同，只有进行针对的天线设计，才能将芯片的能发挥到位，从而保应用系统的稳定运行。尽管有关电磁理论的书籍和设计已经有很多，但真正与设计密切结合的仍然有限，很多都仅停留在理论的论述上，很少有将标签天线设计和基础理论结合起来的著作。这本书的作者田川博士和尹祖伟博士将帮广大读者更充分地了解超高频RF标签天线工程设计的前沿技术，提升专业水平，拓展产业视野，对于物联网的技术发展将会产生很的进作用，同时对于培养物联网科技人才也具有重要意义。


刘云浩
美国密西根州立大学计算机系主任
清华大学长江学者特聘教授
2019年5月

前言

物联网是继互联网之后全球信息产业的第三次重大技术变革。为了抓住物联网的发展契机，于2012年首次颁布了《中国物联网“十二五”发展规划》，将发展物联网提升到战略高度，本书就是在此背景下编著的。
物联网包括感知层、网络层和应用层，通过感知现实世界中的物体信息，完成的信息交互，从而实现对物理世界的感知、管理和控制。对于物联网的感知层，RF技术是其核心的信息获取技术之一。物联网的概念就是在研究RF的时候提出的。在RF系统中，标签携带的信息通过通信网络传送到后台管理系统，并进一步接入互联网。若把物联网比作人体的感知系统，把RF标签看作感知神经，那么标签天线就是神经的末梢。标签天线是RF系统的核心技术，已成为物联网领域的重要研究方向。
本书主要对超高频RF标签进行研究。RF标签因其具有识别距离远、成本低、数据传输速度快、数据保存时间长及多目标识别能力较强等特点而备受关注，在生产自动化、商品防伪、仓储、智能交通、食品、药品溯源、集装箱等领域中具有广阔的应用前景。
RF标签由芯片和天线组成，芯片比天线的研究成本更高，可供选择的空间有限，不同环境、不同场合、不同位置的需求可以由天线设计满足，因此标签天线的设计是决定系统能的关键，也是目前RF领域的研究热点。
本书主要研究无源超高频RF标签天线的设计问题。全书共有8章，逐层展开，辅以大量工程设计实例，以期读者能够通过本书快速进入标签天线设计领域。标签天线是一门复杂的学问，既要对电磁场天线理论有深入的了解，又要具备微领域的实践知识，二者同等重要，希望引起读者的注意。
本书可作为无源超高频RF标签天线的工程设计手册，对于RF系统读写器中使用的高增益天线、阵列天线、2.4G、5.8G以及北斗导航中的接收天线，限于篇幅，书中未有论述，但它们的基本理论是一致的，这些内容将在后续新版中增加进来。
此外，传感技术与RF标签识别技术的结合是RF标签芯片未来的发展方向。随着物联网的兴起，RF标签不仅具有识别、防伪功能，同时还需具备温度、湿度、化学气体、压力等环境的监测能力。受限于对成本、功耗的苛刻要求，与CMOS工艺兼容的温度传感技术会集成至RF芯片，关于这方面的内容，编者也在实践中积累了不少成功实例，将在新版中增加进来。
我们希望通过本书使国内的超高频RF标签设计者和使用者能够针对现实中的工程问题，不断设计出新的标签天线，为我国物联网的发展做出贡献。
本书能在这么短的时间内成书，首先感谢清华大学出版社的责任编辑，感谢北京宏诚创新科技有限公司的大力支持，感谢邢丽丽、刘晓晗、李鑫的辛勤工作。正是你们的努力，使得这本书得以顺利出版。
由于编者水平有限，加之时间仓促，书中的疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评、指正。


田川尹祖伟
2019年5月

《无源超高频标签天线工程设计案例教程》优选的特色是理论与工程设计相结合，不止停留在理论层面，本书的使用价值很高