结合物性的RFID射频标签设计研究

发布时间：2019-03-02 08:24

【摘要】：在物联网(Internet of Things,IoT)技术不断发展的进程中,射频识别(Radio frequency identification,RFID)系统的信息安全问题是其发展中出现的一个重要问题。其中,RFID标签作为RFID系统中被最为广泛使用的一环,其安全防伪问题应当受到重视。通常,研究者通过以下三种机制对RFID标签开展安全防伪研究:一,物理摧毁防伪安全机制;二,标签数据防伪安全机制;三,标签芯片电路防伪安全机制。然而,物品本身与标签芯片所储存信息间的匹配问题并不能通过这三类机制保障。标签所贴附的物品本身与标签芯片存储的信息一致这样一个基本概念是RFID信息安全建立的基石,实际中,标签与物体间的绑定问题主要通过化学手段及工艺手段解决,然而这两种解决手段前者易被物理破坏,后者制造流程较为复杂,本文通过将物品电磁参数与标签阅读性能绑定在一起针对此问题给出一个新的解决办法。本文从天线场分布的理论出发,结合电小天线等效电路中阻抗的表达及不同类型天线阻抗拥有的不同幅频响应形式,通过对功率传输系数及天线Q值随电磁参数变化的变化分析建立了绑定物性的RFID射频标签设计总体框架,然后结合设计框架给出了包括介电常数绑定标签设计,电导率标定标签设计,金属感应标签设计及物性传感器设计在内的四类,十一款标签设计,最后给出了精细的测试验证。主要研究内容包括以下五个部分:1.物性感知天线设计理论基础。研究了天线附着介质电磁参数变化对表面天线辐射场的影响,给出材质介电常数变化及电导率的变化都会对远区辐射场产生较大影响的结论。通过对不同类型天线阻抗特性与环境电磁参数间关系的阐述,指出天线结构的选择在设计结合物性的射频标签中的重要意义。2.物性感知射频标签设计研究。首先定义物性感知性能衡量指标--绑定度,然后通过绑定度与天线输入阻抗间关系地分析给出设计对环境变化敏感的标签应满足的阻抗变化要求,并结合此要求给出若干对材料电磁参数变化敏感的射频标签设计。具体包括,在绑定介电常数的标签设计中,首先通过对有效介电常数与天线尺寸间关系地分析给出对天线尺寸的设计要求,其次采用蜿蜒线结构给出了具体标签设计;在电导率标定标签设计中,通过对中心加载的有耗谐振腔模型地分析,给出设计电导率标定标签的设计思路,使用倒F天线结构分别设计了一款可以标定低电导率的标签及一款可以标定高电导率的标签;在感知临近金属的标签设计中,使用单极子结构给出了一款可以感知临近金属的标签设计。最后结合研究内容,通过电磁参数对物性感知标签进行了设计类型划分,并总结了对应的设计思路。3.具有高物性绑定特性的射频标签设计研究。基于碎片结构,结合多目标优化技术,给出进行高物性绑定特性标签的设计方法。使用该设计方法给出了三款具有高物性绑定性能的标签设计。其中,相比第二点内容给出的相应标签,使用纯离散变量设计的碎片型标签拥有对介电常数更高的绑定特性,通过对碎片结构与天线功能区进行分段映射,设计的一款碎片型倒F标签可以更有效地对标签所附溶液电导率进行标定,另一款倒F标签则对临近金属拥有更高感应灵敏度。4.介质物性传感器设计研究。提出介质物性传感器概念并给出相关设计方法及具体设计。其中,通过对标签绑定性能与天线Q值间关系的推导给出了设计物性传感器应满足的Q值条件,其次结合电磁参数给出使用Q值进行物性绑定标签设计的方法适用范围,然后结合碎片结构及多目标优化技术给出两款物性传感器设计及两款可以兼顾阅读性能及传感性能的传感器设计,最后给出关于传感器接入位置对绑定性能影响的讨论。集成了设计的物性传感器后标签变得对介电常数变化敏感。5.物性绑定标签测试研究。通过对双层介质板等效介电常数地分析,给出与物性绑定标签相配套的物品包装指导建议及对介电常数敏感标签的标签衬底选取指导建议。基于对双层板介电常数地分析,构建了介电常数可以连续变化的等效结构,并通过实物测量对结构进行验证,最后使用此结构及通过了介电常数测试的溶液对设计的标签进行了测试。综上所述,本文通过对天线阻抗性能,谐振性能及Q值与电磁参数间关系的深入研究,给出了一套结合物性的射频标签设计方法及相关标签设计,为保障RFID信息安全提供了一套新的思路。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.44

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