基本信息
- 项目名称：
- 用于射频识别系统的新型小型化分形微带天线
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 射频识别（RFID）技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术，将此技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现高效管理与运作，降低成本。可以预计RFID 技术将成为继移动通讯技术、互联网技术之后又一项影响全球经济与人类生活的新一代技术。天线设计及制造技术是RFID的核心关键技术之一。 随着RFID技术的发展，人们对RFID天线宽带化、小型化提出了更高的要求，分形天线技术是满足这一要求的有效方法。本项目将微波射频领域最先进的分形微带天线设计技术与新型高性能陶瓷材料相结合，设计制作了一系列用于射频识别系统的新型小型化分形微带天线。我们拥有多项自主知识产权，我们设计的分型天线可以通过形成工业化的产品来推广，也可以通过转让自主知识产权来进行推广，并获得效益。
- 详细介绍：
- 新型小型化分形微带天线开发小组成员在研究过程中不断进行自主创新，采用分形贴片技术、镜像补偿技术、光子带隙结构、陶瓷基底材料等多种先进的材料和技术相结合的方法，设计出一系列尺寸小、能够多频段工作、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的用于射频识别系统的新型小型化分形微带天线。 在课题研究过程中，我们及时地对科研成果进行了总结和归纳，目前为止共发表了5篇相关论文（其中EI检索3篇，EI待检索2篇），申请了国家发明专利9项，均已公开。 我们设计的RFID分形微带天线集中了分形天线和高性能微波陶瓷材料的优点，与普通微带天线相比具有特殊的优势 1.利用高介电常数的微波陶瓷材料有效的减小天线尺寸，将其控制在40mm×40mm以下，为普通微带天线的20%～30%，能够很好的满足RFID标签对天线尺寸的要求； 2.天线带宽大，回波损耗值低于-10dB的频带范围达到0.25GHz以上，实现了双频工作，扩大了单款天线的应用范围； 3.天线能够在整个方位平面上提供均匀覆盖； 4.天线抗干扰能力强，分形天线结构整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，这使得部分天线结构被破坏时，天线整体仍然能够保持辐射特性基本不变。 根据相关预测，RFID 标签技术将在未来2～5 年逐渐开始大规模应用，2008年，RFID 标签仅在全球供应链领域的市场需求达到40 亿美元，其他所有需要统计、跟踪的产品都离不开RFID。因此，利用领先技术设计的天线将起到决定性的作用，我们的项目拥有着广阔的应用前景。 我们的分形天线成本低廉。目前在实验室阶段，一款分型天线样品的加工制作成本不到10元。如果能实现工业化大规模生产，成本还将降低，具有很高的推广和应用价值。
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
- 作品设计、发明的目的和基本思路： 本作品将微波射频领域最先进的分形微带天线设计技术与新型高性能陶瓷材料相结合，设计制作了用于射频识别系统的新型小型化分形微带天线。 本作品以分形天线结构设计为主，采用时域有限差分法结合快速多极子遗传算法和神经网络进行优化设计，以915MHz 、2.45GHz天线为例，结合陶瓷基底材料对分形天线结构进行改进，提出创新设计方案并实现小型化，归纳改进方案对天线特性参数的影响规律。 技术创新点： 1.我们设计了新型分形RFID 天线的结构参数，总结了天线各参数对天线辐射特性的影响 2.我们创造性地设计了多种分形PBG结构，将传统的分形贴片天线发展为复合分形天线 3.我们研究了天线与介质环境的相互关系，分析对应的电磁特性 4.我们研制出了适用于分形天线的高介电常数、低介质损耗的微波陶瓷基板的制备技术 技术关键： 1.小尺寸、低成本天线的初步设计，分形结构的几何特征参数与电磁辐射特性之间的关系模型 2. 确定电介特性、分形结构参数等因素对天线性能的具体影响 3. 天线中试数据的反馈及改进，适用于不同背景的天线设计 主要技术指标： 1.天线尺寸控制在40mm×40mm以下; 2.天线回波损耗值低于-10dB的频带范围达到0.25GHz以上 3.天线具有全向辐射特性，增益0dB以上的角度范围超过240度
科学性、先进性
- 射频识别（RFID）技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术，将此技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现高效管理与运作，降低成本。可以预计RFID 技术将成为继移动通讯技术、互联网技术之后又一项影响全球经济与人类生活的新一代技术。 天线设计及制造技术是RFID的核心关键技术之一。2006年6月国家发布的《中国射频识别（RFID）技 术政策白皮书》特别强调了具有自主知识产权的RFID 系列研究计划，RFID 系列天线的开发在计划中属于核心技术之一。 随着RFID技术的发展，人们对RFID天线宽带化、小型化提出了更高的要求，分形天线技术是满足这一要求的有效方法。分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。研究发现，与传统天线相比，分形微带天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等优点，能够很好的满足RFID系统对天线的要求。
获奖情况及鉴定结果
- 获奖情况： 2009年3月获2008-2009年度某大学学生课外学术科技作品竞赛二等奖。 发表论文： 1.“A Novel Printed Folded Dipole Antenna Used for Modern RFID System ”, CHINACOM 2008, 25 Aug-27Aug 2008, Hangzhou, China, p 773-777, (EI检索号：090111839590) 2.“A Ceramic Spiral Antenna used for Modern RFID System”, WICOM 2008, 12Oct-14Oct, 2008, Dalian, China, p 4678440, (EI检索号：090111833419) 3.“A Novel Ceramic Fractal Antenna for Modern RFID System”, WICOM 2008, 12Oct-14Oct, 2008, Dalian, China, p 4678438, (EI检索号：090111833417) 4.“A Dual-frequency Ceramic Spiral Antenna with Rectangle PBG Structure Array used for Modern RFID System”, ICWMMN 2008, 12Oct-15Oct, 2008, Beijing, China, on pages: 94-97 (EI待检索, Inspec: 10323154)
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 工业化的产品生产、转让自主知识产权
作品可展示的形式
- 实物、产品、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
- 我们设计的RFID分形天线适用于物流监控、集装箱管理、飞行器控制等系统，能够同时覆盖两个常用的RFID频段，只需在天线和RFID标签芯片间加入阻抗匹配电路即可实现信号的发射与接收 技术特点： 1.利用高介电常数的微波陶瓷材料有效的减小天线尺寸 2.天线带宽大，工作频带达到0.25GHz以上，实现了双频工作 3.天线能够在整个方位平面上提供均匀覆盖 4.天线抗干扰能力强 前景分析： 2008年，RFID 标签在全球供应链领域的市场需求达到40 亿美元，所有需要统计、跟踪的产品都离不开RFID。利用领先技术设计的天线将起到决定性的作用，我们的项目拥有着广阔的应用前景。 我们的分形天线成本低廉。目前在实验室阶段，一款分型天线样品的加工制作成本不到10元。在工业化大规模生产中，成本还将降低，具有很高的推广和应用价值。我们的分型天线可以通过形成工业化的产品来推广，也可以通过转让自主知识产权来进行推广，并获得效益。
同类课题研究水平概述
- 在国内近百家的天线公司或工厂中，真正从事RFID 天线设计的单位很少，基础非常薄弱，且多数是属于没有知识产权的OEM 产品。国外已经研制出在RFID芯片上嵌入天线——片上天线，国内在这方面基本处于空白状态。近来国外一直致力于覆盖各种频率的复合天线、低成本标签天线和标签产品，用以满足产品商品标志等方面的要求，而针对UHF 和微波频段，国内的标签天线的形式、体积、成本方面差距明显。 2006年6月国家发布的《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》特别强调了具有自主知识产权的RFID 系列研究计划，2006年12 月的863 研究项目指南也对核心技术进行了跟进。其中，RFID 系列天线的开发在计划中都属于核心技术之一，国内有实力的研究单位都开始了跟进研究。在RFID 多频段新型天线和低功耗天线的研制、标签天线受环境影响、测试技术等方面国内目前还基本处于初级阶段，国外相关研究目前也刚刚起步，这些方面的研究直接关系到RFID 系列产品的可靠性、小型化、集成化等关键性能参数，，也与进一步的阵列智能化密切相关。 1975年，Mandelbrot首次引入了分形 (fractal)这一概念，1990年D.L.Jaggard提出了分形电动力学(Fractal Electrodynamics)的概念，将分形几何与电磁理论相结合, 用来解决一系列电磁辐射、传播、散射等问题，分形天线正是分形电动力学的众多应用之一。对分形天线的发展曾经起过积极推动作用的有宾夕法尼亚大学的Dwight Jaggard和宾夕法尼亚州立大学的DouglasWerner，他们很早就分析了分形天线及阵列的特性。国外研究分形天线的主要代表人物有美国的Nathan Cohen和西班牙的Carles PuenteBaliarda，他们分别创办了Fractal Antenna Systems公司和Fractus S. A.公司，除了做研究之外他们主要是申请有关分形天线的专利和拓展分形天线的市场。美国的UCLA大学、西班牙的UPS大学、英国的Birmingham大学、New Mexico大学和Georgia技术学院等对分形天线也展开了大量的研究并取得了一定的成果。目前国内的部分院校开展了分形天线单元的多频特性、分形阵列天线综合的研究工作，但是不论在分形天线的理论研究还是应用方面都落后于国外。
