基本信息
- 项目名称：
- 一种新型超高频(UHF)射频识别(RFID)系统中读写器天线的分形设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 该作品完成了一种新型分形天线的设计制作。 该作品将 Minkowski分形结构运用于读写器天线，通过电磁理论分析、HFSS仿真计算，实现缩减天线尺寸以及提高天线增益的目的，从而可以提高读写器的识别距离，减小读写器的体积大小。 该作品作为UHF RFID系统的重要组成部分，其使用范围广泛。可应用于仓库库存管理；物流管理；智能交通管理，路桥不停车收费；海关通关自动核放；企业资产管理等。
- 详细介绍：
- 该作品完成了一种新型分形天线的设计制作。 RFID系统的工作原理决定了天线对RFID系统的性能起到关键作用，该作品将 Minkowski分形结构运用于读写器天线，通过电磁理论分析、HFSS仿真计算，证明能够达到缩减天线尺寸以及提高天线增益的目的，从而可以提高读写器的识别距离，减小读写器的体积大小。制作的Minkowski分形微带天线经过测试，表明在读写器的读取距离保持不变（最远读取距离为7m）的情形下，实现了天线的小型化，体积减小到小于原有体积的1/8。此外，分形结构拓宽了天线带宽。 该作品作为UHF RFID系统的重要组成部分，其使用范围广泛。由于其读取距离最高可达7m，因而可在仓库库存管理；物流管理；智能交通管理，路桥不停车收费；海关通关自动核放；智能停车场远距离进出；人员门禁管理；企业资产管理；特殊器械管理等等方面有所应用。该作品应该具有较大的市场需求，能够带来相当可观的经济效益。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的 射频识别（RFID）是一种非接触的自动识别技术。市场占有率高的低频系统只能局限于短距离识别，而超高频RFID系统具有无可比拟的优势，读写距离远，速度快。 RFID系统的工作原理决定了天线部分对RFID系统的性能起到关键作用。而目前UHF RFID系统天线一般为方形微带天线，虽然提高了读写距离，但是体积大，不利于系统小型化的要求，而且体积确定时增益较小。因此，本作品利用分形的相似性，设计制作超高频读写器天线，提高UHF RFID系统的性能。 基本思路 首先，依据天线制作的难易程度，选出Sierpinski地毯分形和Minkowski分形作为制作分形微带天线的初选结构。通过理论分析计算，最终确定以Minkowski分形作为此次UHF RFID中读写器天线的结构；其次，依托HFSS软件采用暴力搜索牛顿优化算法，在满足条件的阶数和尺寸中搜索使性能最优的设计方案，最终确定研制二阶Minkowski分形天线以及相应的制作尺寸；第三，制作样品天线，并进行相应的天线性能测试。第四，将样品天线连接至RFID系统中的读写器上，并进行相应的读写器性能测试，获取关键的参数指标。 创新点 采用Minkowski分形天线代替传统天线，与其他传统天线相比，具有小型化、多频性、高增益的优点。 主要技术指标 1)读写器天线的尺寸；2)读写器天线的增益；3)读写器的最远读取距离；4)读写器的水平识别范围。
科学性、先进性
- 作品的科学性与先进性 分形是指适当地放大和缩小几何尺寸，在形态、结构等方面具有自相似性的研究对象。因而分形最基本的特征就是自相似性，这一特性可以使单个分形天线工作和数个天线组合工作时的性能一致，与其他传统天线相比，具有小型化、多频性、高增益的优点。 芬兰坦佩雷理工大学Rauma研究所发布的一份天线性能研究报告称手持RFID读写器的分形天线比传统设计的天线有着更好的工作性能。 报告还称分形模式工艺可以制造小而强大的RFID天线。 所研制的读写器天线，由于采用Minkowski分形结构，因此与同类产品相比，具有以下优点 1）实现天线小型化； 传统915MHzRFID读写器天线是方形微带天线，而将Minkowski分形天线应用其中，使天线尺寸得到优化。 2）利用分形天线的多频性，拓宽天线的带宽。 微带天线有频带窄的局限性，这是微带天线的共性。而将分形应用其中，可以利用分形的自相似性让天线具有多频性，使天线具有两个相邻的谐振点，从而拓宽天线的带宽。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 普通许可
作品可展示的形式
- 现场演示；图片；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品的使用简单，只要连到UHF RFID系统中读写器上即可，由于测试条件有限，无法测得此作品的使用环境的极限是多少，故而没有特别的使用说明。 该作品是依据Minkowski分形结构而制作成的样品天线，通过实际天线性能的测试以及接入读写器测量，证明相对于传统天线，它能降低天线的尺寸，利用多频性可以拓宽天线的带宽，提高读写器的读取距离，从而可以提高UHF RFID系统的总体性能。 该作品作为UHF RFID系统的重要组成部分，因而其使用范围广泛。它的读取距离达7m，因而可以在仓库库存管理；物流管理；智能交通管理，路桥不停车收费；海关通关自动核放；企业资产管理等等方面有所应用。 目前我国在900MHz频段的RFID标准已经确立，因而超高频系统将成为RFID研究的重点方向之一，在不久的将来可成为RFID领域的主流产品，尤其是在军事物流管理系统和仓库智能管理系统等系统的迅猛发展时期，该作品应该具有较大的市场需求，能够带来相当可观的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 射频识别RFID是一种非接触的自动识别技术。RFID系统采用了无线电与雷达技术，通过电磁场进行数据交换，能对移动的多个项目进行识别。UHF RFID系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。当前国内关于RFID的研究都集中在频率为125kHz、134kHz的低频和13.56MHz的高频系统。对于UHF频段，则研究还不充分。然而，目前我国在800/900MHz频段的RFID标准已经确立, UHF RFID系统将成为RFID研究的重点方向之一,在不久的将来可成为RFID领域的主流产品。因此，UHF RFID系统在我国具有巨大的发掘潜力。 作为UHF RFID系统的重要组成部分，UHF频段的天线自然也会成为研究的热点。UHF RFID系统中天线包括读写器天线和电子标签天线。目前，国 内已有研究基于Hilbert分形结构的、基于Manderlbort分形树结构的、基于领带结Sierpinski分形结构的RFID标签天线，还有基于Koch Island分形阵列结构的、基于Minkowski分形的RFID读写器天线，而基于Minkowski分形的RFID读写器天线的中心频率是2.425GHz。在国外，研究人员对Koch分形和Sierpinski分形天线进行了相对广泛的研究，还对基于Koch分形的RFID标签天线进行了深入研究，包括Koch分形偶极子天线，也包括Koch分形环及其变形（实际为Minkowski分形环）。目前市场上已有天线应用于UHF RFID系统中，但技术还不成熟。例如在读写器天线方面，国内有深圳市南北达电子有限公司生产的一种手持式UHFGEN2读写器，器型号为CS101，频率范围为865-868 MHz或902-928 MHz，读取距离为稳定距离5-7米，尺寸大小为197×122×223 mm；常州高特公司生产一种手持式UHFGEN2读写器，器型号为246001，其工作频率为902～928MHz，读取距离为0-3米等。在电子标签天线方面，有基于Hilbert分形结构的射频识别(RFID)标签天线的尺寸缩减设计。用一维Hilbert标签天线，可以实现谐振在915MHz的小型化高效率的RFID标签天线。
