应用于UHF无源标签的能量收集系统的设计与实现

发布时间：2017-08-12 19:11

  本文关键词：应用于UHF无源标签的能量收集系统的设计与实现

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【摘要】：近年来,射频识别技术(RFID)在全球范围内飞速发展,其优点在于快速、准确,且无需与目标物体接触。传统RFID标签与微控制器,传感器相结合之后,除了具备物品识别功能之外,还可以组建无线传感网络实现温度检测、生物体征监控和运动状态监控等各种各样的功能。但传感器与微控制器大大提升了标签功耗,有限的电池能量严重的制约了RFID系统的工作寿命并增加了很高的维护成本。因此在智能传感标签中设计无线能量收集系统提供标签能量显得尤为重要。本文重点设计和实现了无线能量收集系统中标签天线和前端能量收集电路。本文根据UHF频段智能标签的实际需求与工作特性设计了标签无线能量收集系统。在该系统中设计高效率、低回波损耗的标签天线以及低功耗的能量收集电路是论文设计的难点。本文根据电磁场理论分析了UHF频段标签天线的特性和介质板介电常数对天线效率的影响,在普通印刷天线的基础上设计了一款适用于超高频标签的偶极子微带天线,确保天线增益的同时通过增加介质板介电常数提升天线效率：能量收集电路方面本文采用Dickson电荷泵结构设计前端倍压整流电路,依据实际能耗确定倍压级数并计算元件参数,该电路结构使用肖特基二极管与电容搭建,可将阅读器发射的微弱射频能量高效的转换为直流能量提供标签工作。本文将收集到的能量存储至电容中供标签持续使用,并利用电压监控器判断电容输出电压切换标签工作状态。完成电路设计后分别使用Ansoft HFSS 13与ADS电磁仿真软件对天线和能量收集电路进行优化和改进,并对结果进行仿真验证。标签测试结果表明,标签前端能量收集电路经过倍压整流后可以提供标签超过1.8V的工作电压；标签天线中心频率为900MHz,且有效带宽为50MHz,谐振点处S1.1为-40.8dB,天线效率为82.67%。天线和倍压电路在性能上很好的满足了UHF频段RFID标签的需求,标签可外接各种传感器,具有很强的可扩展性,在冷链物流、危险品运输、血浆运输、仓储管理等领域具有一定的工程应用价值。
【关键词】：RFID 智能标签 天线 能量收集
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN820;TP391.44
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 研究内容与设计指标12-13
• 1.3.1 研究内容12-13
• 1.3.2 设计指标13
• 1.4 论文章节安排13-16
• 第二章 射频识别技术基本理论16-28
• 2.1 射频识别系统组成16-20
• 2.1.1 RFID系统概述16-17
• 2.1.2 RFID标签17-19
• 2.1.3 RFID阅读器19-20
• 2.1.4 RFID协议20
• 2.2 标签天线基础20-24
• 2.2.1 输入阻抗20-21
• 2.2.2 带宽21-22
• 2.2.3 方向性函数和波瓣图22-23
• 2.2.4 效率23-24
• 2.3 无线能量传输理论概述24-27
• 2.3.1 无线能量收集技术24-25
• 2.3.2 电磁场能量收集原理25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 无线能量收集系统设计28-50
• 3.1 无线能量收集系统结构分析28-29
• 3.2 标签天线设计29-36
• 3.2.1 介质板介电常数对天线效率的影响30-31
• 3.2.2 偶极子天线设计31-32
• 3.2.3 天线建模仿真和优化32-36
• 3.3 倍压整流电路设计36-42
• 3.3.1 倍压整流电路原理36-38
• 3.3.2 倍压整流电路参数计算38-39
• 3.3.3 倍压整流电路仿真和实现39-42
• 3.4 能量管理设计42-48
• 3.4.1 能量存储设计42-45
• 3.4.2 标签状态转换45-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 智能标签整体设计与实现50-60
• 4.1 智能标签硬件设计50-54
• 4.1.1 智能标签整体架构51-52
• 4.1.2 微控制器芯片选择与原理图设计52-53
• 4.1.3 调制解调电路设计53-54
• 4.2 智能标签软件开发54-58
• 4.2.1 标签程序架构55-56
• 4.2.2 数据包解码与编码56-58
• 4.3 本章小结58-60
• 第五章 系统测试与结果分析60-72
• 5.1 标签天线测试61-64
• 5.1.1 天线测试环境介绍61-62
• 5.1.2 天线测试结果62-64
• 5.2 标签程序测试64-67
• 5.3 能量收集测试67-68
• 5.4 传输距离测试68-70
• 5.5 测试结果总结70-72
• 第六章 总结和展望72-74
• 6.1 结论72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 赵争鸣;王旭东;;电磁能量收集技术现状及发展趋势[J];电工技术学报;2015年13期

2 王洁;高庆华;王洪玉;;适用于RFID标签及无线传感器的射频唤醒电路[J];微波学报;2009年04期

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本文编号：663163