RFID标签天线与背景材料表面匹配理论研究项目摘要

射频识别（RFID）技术作为物联网的关键技术之一，已经广泛应用于物联网的各领域，但是，关于RFID标签天线的基础研究仍然很薄弱。针对RFID标签天线的研究中，背景材料对标签天线性能的影响是一个实际应用中无法回避的问题，其重要性毋庸置疑。然而，背景材料对标签天线性能的影响至今没有一个普遍性规律的指导。因此，本课题旨在对RFID标签天线与背景材料电磁特性进行深入研究，重点探索分层介质的复镜像理论、基于等效磁流的天线设计方法以及基于变换电磁学的电磁超材料设计方法在RFID领域中的应用，寻找RFID电子标签天线的通用设计和分析方法，从而解决业界RFID标签天线在电气和物理特性等方面的共性技术难题。通过本课题的资助研究，实现提出天线与背景材料合理匹配的普遍规律和判别法这个技术创新目标，为RFID标签天线的设计和使用提供重要的理论支持。

射频识别（RFID）技术作为物联网的关键技术之一，已经广泛应用于物联网的各领域，但是，关于天线的基础研究仍然很薄弱。针对天线的研究中，背景材料对天线性能的影响是一个实际应用中无法回避的问题，其重要性毋庸置疑。然而，背景材料对天线性能的影响至今没有一个普遍性规律的指导。因此，本课题对各种类型天线进行分类，并将各类天线与背景材料搭配的电磁特性进行深入研究，重点探索分层介质的复镜像理论、基于等效磁流的天线设计方法以及电磁超材料设计方法在RFID领域中的应用，探索结合背景材料的天线的通用设计和分析方法，从而解决业界RFID标签天线在电气和物理特性等方面的共性技术难题。通过本课题的资助研究，实现了提出天线与背景材料合理匹配的普遍规律和判别法这个技术创新目标，为RFID标签天线的设计和使用提供重要的理论支持。本项目共发表学术论文23篇，其中SCI 文章21篇，其中第一标注7篇SCI论文。其中发表在 IEEE ACCESS 、SCIENTIFIC REPORTS、MATERIALS、Optical Materials Express等影响因子大于2 的期刊上13 篇。此外，申请国家发明专利2项。

阻抗变换与匹配，在集总元件低频电路中，负载阻抗与信源内阻抗的特定配合关系称为阻抗匹配。存在两种匹配条件：①负载阻抗等于信源内阻抗，这时信源输出电压可无失真地传输到负载。②负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而幅角之和为零，此时在负载上可获得最大功率，称为共轭匹配。若信源阻抗和负载阻抗均为纯电阻（实阻抗），则这两种匹配条件相同。

原则上以上的阻抗匹配条件也适用于微波电路，但在微波电路中信号源与负载之间通常以传输线或波导连接，信号通过传输线或波导的传输用波描述更为确切，电压只具有等效的意义。这时需解决负载与传输线的匹配，使传输线上的信号无反射地传输到负载；也需解决信号源与连有负载的传输线的阻抗匹配问题，使信号源传送最大功率给负载。在传输线两端的连接处，阻抗匹配的解决要依靠阻抗匹配网络，也称为阻抗变换器。 　　阻抗匹配网络为二端网络，为由集总元件构成的低频网络，或由传输线或波导构成的微波网络，用以连接它两端具有不同阻抗的传输线段或电路元件，以实现从一端到另一端的最佳信号传输。这是在无源或有源电路中使用得最多的一种电路元件。 　　以阻抗为ZL的负载与特性阻抗（实）为Z0的传输线之间的匹配连接为例，为实现传输线上的功率无反射地传送到负载，要使用阻抗变换器将传输线负载端的阻抗从ZL变换为Z0。最简单的变换方法是使用与传输线并联或串联的终端短路或开路的传输线短截线，在无耗情况下它们的阻抗为电抗性，借助于阻抗圆图找到接入位置和截线长度，可在设定的频率点实现负载与传输线的匹配。使用多个短截线并利用计算机辅助设计可实现一定频带宽度内的阻抗匹配。 　　当负载阻抗为电阻性，可使用1/4波长阻抗变换技术实现负载与传输线的实特性阻抗的匹配。由于变换段的电长度随频率变化，1/4波长阻抗变换技术仅能在中心频率附近很小的频率范围内实现阻抗匹配。当要求在宽频率范围内的阻抗匹配，必须使用多级1/4波长阻抗变换，相继的变换段的特性阻抗只有小的改变。反射系数按二项式展开规律变化的，可获得最平缓的通带特性，称为二项式阻抗变换器。反射系数按切比雪夫多项式规律变化的则得到等波纹的通带特性和大得多的带宽，称为切比雪夫阻抗变换器。以阻抗缓慢变化的连续渐变段也可实现宽频带的阻抗变换。最常用的为阻抗按指数律变化的渐变式变换器。当切比雪夫阻抗变换器的段数无限增加而变换器的总长固定，这种变换器对于固定的变换器长度得到幅度最小的等波纹通带特性，为渐变式阻抗变换器的最佳设计。