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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 一種新型超高頻(UHF)射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)中讀寫器天線的分形設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 該作品完成了一種新型分形天線的設(shè)計(jì)制作。 該作品將 Minkowski分形結(jié)構(gòu)運(yùn)用于讀寫器天線，通過電磁理論分析、HFSS仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)縮減天線尺寸以及提高天線增益的目的，從而可以提高讀寫器的識(shí)別距離，減小讀寫器的體積大小。 該作品作為UHF RFID系統(tǒng)的重要組成部分，其使用范圍廣泛?？蓱?yīng)用于倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存管理；物流管理；智能交通管理，路橋不停車收費(fèi)；海關(guān)通關(guān)自動(dòng)核放；企業(yè)資產(chǎn)管理等。
- 詳細(xì)介紹：
- 該作品完成了一種新型分形天線的設(shè)計(jì)制作。 RFID系統(tǒng)的工作原理決定了天線對(duì)RFID系統(tǒng)的性能起到關(guān)鍵作用，該作品將 Minkowski分形結(jié)構(gòu)運(yùn)用于讀寫器天線，通過電磁理論分析、HFSS仿真計(jì)算，證明能夠達(dá)到縮減天線尺寸以及提高天線增益的目的，從而可以提高讀寫器的識(shí)別距離，減小讀寫器的體積大小。制作的Minkowski分形微帶天線經(jīng)過測(cè)試，表明在讀寫器的讀取距離保持不變（最遠(yuǎn)讀取距離為7m）的情形下，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，體積減小到小于原有體積的1/8。此外，分形結(jié)構(gòu)拓寬了天線帶寬。 該作品作為UHF RFID系統(tǒng)的重要組成部分，其使用范圍廣泛。由于其讀取距離最高可達(dá)7m，因而可在倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存管理；物流管理；智能交通管理，路橋不停車收費(fèi)；海關(guān)通關(guān)自動(dòng)核放；智能停車場(chǎng)遠(yuǎn)距離進(jìn)出；人員門禁管理；企業(yè)資產(chǎn)管理；特殊器械管理等等方面有所應(yīng)用。該作品應(yīng)該具有較大的市場(chǎng)需求，能夠帶來(lái)相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的 射頻識(shí)別（RFID）是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。市場(chǎng)占有率高的低頻系統(tǒng)只能局限于短距離識(shí)別，而超高頻RFID系統(tǒng)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，讀寫距離遠(yuǎn)，速度快。 RFID系統(tǒng)的工作原理決定了天線部分對(duì)RFID系統(tǒng)的性能起到關(guān)鍵作用。而目前UHF RFID系統(tǒng)天線一般為方形微帶天線，雖然提高了讀寫距離，但是體積大，不利于系統(tǒng)小型化的要求，而且體積確定時(shí)增益較小。因此，本作品利用分形的相似性，設(shè)計(jì)制作超高頻讀寫器天線，提高UHF RFID系統(tǒng)的性能。 基本思路 首先，依據(jù)天線制作的難易程度，選出Sierpinski地毯分形和Minkowski分形作為制作分形微帶天線的初選結(jié)構(gòu)。通過理論分析計(jì)算，最終確定以Minkowski分形作為此次UHF RFID中讀寫器天線的結(jié)構(gòu)；其次，依托HFSS軟件采用暴力搜索牛頓優(yōu)化算法，在滿足條件的階數(shù)和尺寸中搜索使性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，最終確定研制二階Minkowski分形天線以及相應(yīng)的制作尺寸；第三，制作樣品天線，并進(jìn)行相應(yīng)的天線性能測(cè)試。第四，將樣品天線連接至RFID系統(tǒng)中的讀寫器上，并進(jìn)行相應(yīng)的讀寫器性能測(cè)試，獲取關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)。 創(chuàng)新點(diǎn) 采用Minkowski分形天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線，與其他傳統(tǒng)天線相比，具有小型化、多頻性、高增益的優(yōu)點(diǎn)。 主要技術(shù)指標(biāo) 1)讀寫器天線的尺寸；2)讀寫器天線的增益；3)讀寫器的最遠(yuǎn)讀取距離；4)讀寫器的水平識(shí)別范圍。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品的科學(xué)性與先進(jìn)性 分形是指適當(dāng)?shù)胤糯蠛涂s小幾何尺寸，在形態(tài)、結(jié)構(gòu)等方面具有自相似性的研究對(duì)象。因而分形最基本的特征就是自相似性，這一特性可以使單個(gè)分形天線工作和數(shù)個(gè)天線組合工作時(shí)的性能一致，與其他傳統(tǒng)天線相比，具有小型化、多頻性、高增益的優(yōu)點(diǎn)。 芬蘭坦佩雷理工大學(xué)Rauma研究所發(fā)布的一份天線性能研究報(bào)告稱手持RFID讀寫器的分形天線比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的天線有著更好的工作性能。 報(bào)告還稱分形模式工藝可以制造小而強(qiáng)大的RFID天線。 所研制的讀寫器天線，由于采用Minkowski分形結(jié)構(gòu)，因此與同類產(chǎn)品相比，具有以下優(yōu)點(diǎn) 1）實(shí)現(xiàn)天線小型化； 傳統(tǒng)915MHzRFID讀寫器天線是方形微帶天線，而將Minkowski分形天線應(yīng)用其中，使天線尺寸得到優(yōu)化。 2）利用分形天線的多頻性，拓寬天線的帶寬。 微帶天線有頻帶窄的局限性，這是微帶天線的共性。而將分形應(yīng)用其中，可以利用分形的自相似性讓天線具有多頻性，使天線具有兩個(gè)相鄰的諧振點(diǎn)，從而拓寬天線的帶寬。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 普通許可
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示；圖片；樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該作品的使用簡(jiǎn)單，只要連到UHF RFID系統(tǒng)中讀寫器上即可，由于測(cè)試條件有限，無(wú)法測(cè)得此作品的使用環(huán)境的極限是多少，故而沒有特別的使用說明。 該作品是依據(jù)Minkowski分形結(jié)構(gòu)而制作成的樣品天線，通過實(shí)際天線性能的測(cè)試以及接入讀寫器測(cè)量，證明相對(duì)于傳統(tǒng)天線，它能降低天線的尺寸，利用多頻性可以拓寬天線的帶寬，提高讀寫器的讀取距離，從而可以提高UHF RFID系統(tǒng)的總體性能。 該作品作為UHF RFID系統(tǒng)的重要組成部分，因而其使用范圍廣泛。它的讀取距離達(dá)7m，因而可以在倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存管理；物流管理；智能交通管理，路橋不停車收費(fèi)；海關(guān)通關(guān)自動(dòng)核放；企業(yè)資產(chǎn)管理等等方面有所應(yīng)用。 目前我國(guó)在900MHz頻段的RFID標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立，因而超高頻系統(tǒng)將成為RFID研究的重點(diǎn)方向之一，在不久的將來(lái)可成為RFID領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，尤其是在軍事物流管理系統(tǒng)和倉(cāng)庫(kù)智能管理系統(tǒng)等系統(tǒng)的迅猛發(fā)展時(shí)期，該作品應(yīng)該具有較大的市場(chǎng)需求，能夠帶來(lái)相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 射頻識(shí)別RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)采用了無(wú)線電與雷達(dá)技術(shù)，通過電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，能對(duì)移動(dòng)的多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行識(shí)別。UHF RFID系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的讀寫距離和高讀寫速度的場(chǎng)合，其天線波束方向較窄且價(jià)格較高，在火車監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)中應(yīng)用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于RFID的研究都集中在頻率為125kHz、134kHz的低頻和13.56MHz的高頻系統(tǒng)。對(duì)于UHF頻段，則研究還不充分。然而，目前我國(guó)在800/900MHz頻段的RFID標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立, UHF RFID系統(tǒng)將成為RFID研究的重點(diǎn)方向之一,在不久的將來(lái)可成為RFID領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。因此，UHF RFID系統(tǒng)在我國(guó)具有巨大的發(fā)掘潛力。 作為UHF RFID系統(tǒng)的重要組成部分，UHF頻段的天線自然也會(huì)成為研究的熱點(diǎn)。UHF RFID系統(tǒng)中天線包括讀寫器天線和電子標(biāo)簽天線。目前，國(guó) 內(nèi)已有研究基于Hilbert分形結(jié)構(gòu)的、基于Manderlbort分形樹結(jié)構(gòu)的、基于領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線，還有基于Koch Island分形陣列結(jié)構(gòu)的、基于Minkowski分形的RFID讀寫器天線，而基于Minkowski分形的RFID讀寫器天線的中心頻率是2.425GHz。在國(guó)外，研究人員對(duì)Koch分形和Sierpinski分形天線進(jìn)行了相對(duì)廣泛的研究，還對(duì)基于Koch分形的RFID標(biāo)簽天線進(jìn)行了深入研究，包括Koch分形偶極子天線，也包括Koch分形環(huán)及其變形（實(shí)際為Minkowski分形環(huán)）。目前市場(chǎng)上已有天線應(yīng)用于UHF RFID系統(tǒng)中，但技術(shù)還不成熟。例如在讀寫器天線方面，國(guó)內(nèi)有深圳市南北達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的一種手持式UHFGEN2讀寫器，器型號(hào)為CS101，頻率范圍為865-868 MHz或902-928 MHz，讀取距離為穩(wěn)定距離5-7米，尺寸大小為197×122×223 mm；常州高特公司生產(chǎn)一種手持式UHFGEN2讀寫器，器型號(hào)為246001，其工作頻率為902～928MHz，讀取距離為0-3米等。在電子標(biāo)簽天線方面，有基于Hilbert分形結(jié)構(gòu)的射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽天線的尺寸縮減設(shè)計(jì)。用一維Hilbert標(biāo)簽天線，可以實(shí)現(xiàn)諧振在915MHz的小型化高效率的RFID標(biāo)簽天線。
