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在物联网大潮的崛起下，超高频射频识别技术UHF RFID（Ultra High Frequency Radio Frequency Identification）不断的发展，它可以远距离快速的识别多个标签，环境适应性强，同时还具备信息存储量大，安全性好等多个优点。因此近几年UHF RFID技术开始出现在纺织行业，对纺织品的物流管理及零售起到了很大的帮助。然而，就目前应用在纺织行业领域的RFID标签而言，大多数为大面积二维平面标签贴附或缝制在织物表面，对纺织品形态会产生一定的影响，并且在商品的防伪防盗，隐形于商品方面存在严重的不足。显然，纺织品最理想的RFID标签形式为一维线型，该形式的标签能够完美的融入纺织品，解决二维平面标签所存在的一系列问题。
已有研究基于纱线和直线偶极子UHF RFID天线提出了一维直线型标签纱，但未对影响电子纱性能的内在因素进行深入的研究，并且没有围绕标签小型化展开相关研究。鉴于此，本文以设计一种满足小型化要求的UHF RFID标签纱及相应制备方法为目标，采用实验测试结合仿真模拟优化的研究方法，深入研究标签纱天线结构的变化对天线性能的影响规律。
具体研究内容和结论如下：
（1）以小尺寸一维电子标签为目标，设计一种基于螺旋偶极子天线的UHF RFID标签纱结构及其制备工艺。基于螺旋偶极子RFID标签天线原理，所设计的标签纱螺旋偶极子天线结构相比于直线偶极子天线至少缩短80mm，符合天线小型化发展趋势要求，标签纱天线回波损耗参数S11＜-10dB，标签纱读取性能符合一般超高频标签要求。
通过对变形半波偶极子天线和单鞭法向模螺旋天线结构研究，提出一种更符合纱线形态的标签纱天线结构，即螺旋偶极子天线。然后，针对这种天线结构，并结合现有纱线加工方法，设计天线的制备方式为绕线法，也就是将导电线按天线结构螺旋缠绕在所选芯纱上。为了初步验证所设计的结构及制备方法，天线采用直径0.1mm铜丝，天线长度为120mm，螺距范围为1~9mm，螺旋直径范围为0.6~1.0mm。经试验验证提出标签纱的制备工艺为：使用导电胶连接天线与芯片，然后在包缠纺纱机上把天线以螺旋方式缠绕到芯纱表面，再在标签纱外包一层包覆纱。并且，从包缠原理及设计的天线结构，提出可能影响标签天线性能的标签纱成型工艺参数，为进一步制备标签纱样品探究结构与性能的关系奠定基础。
（2）以螺旋偶极子天线结构及标签成型工艺，初探标签纱天线的构成单元材料及结构对其射频性能及标签纱读取距离的影响。通过比较不同芯纱材质及天线螺旋结构参数的标签纱性能，结果表明标签纱材质为棉的天线的射频性能较好，天线结构对S11参数曲线的谐振频率及最小值有一定的影响，且螺距的影响大于螺旋直径的影响，螺距对标签纱读取性能影响最大。
首先根据标签天线的结构及常规基底纱线及天线材料，制备不同参数的天线及标签纱样本。使用矢量网络分析仪对不同芯纱材质、不同结构的天线进行射频性能和读取距离测试。结果发现，芯纱为棉的标签纱天线S11最小值小于芯纱为涤纶的标签纱天线，约3dB左右，且谐振频率更靠近超高频范围。不同螺旋直径的标签纱天线，在谐振频率上表现出一定的规律性，谐振频率随螺旋直径的增大而降低，但S11最小值无明确的变化规律且波动幅度较小。并且，螺距的大小对标签纱性能有很大的影响，从射频性能测试图来看，在1~9mm螺距之间，S11最小值有较大的差别，变化范围在-25~-18dB，但无明确变化规律，而谐振频率变化范围为700~950MHz，谐振频率随螺距的增大而增大。同时，采用UHF RFID标签读写器对不同参数的标签纱进行读取距离测试，发现芯材为棉细纱的标签纱的读取距离优于涤纶芯标签纱，标签纱的读取距离随螺旋直径的增大而增大，而在小螺距下读取距离随螺距增大而减小，当螺距大于3mm后，读取距离随螺距的增大而增大，不同螺距的标签纱读取距离变化范围较大，在1到9米之间变化。
（3）基于上述标签纱结构及性能初探，应用仿真模拟数值分析方法，系统研究标签纱天线的性能参数及天线结构变化对天线基本性能的影响规律。对比数值分析与前述实验结果表明，螺旋偶极子天线标签纱符合设计要求，且天线结构变化对带宽、谐振频率及S11最小值均有显著规律。
根据实验制备所得标签纱，构建天线3D有限元模型，通过仿真模拟计算确定性能最优的天线结构。数值分析结果标明，当螺旋偶极子天线的螺距为2mm、天线长度为120mm、螺旋直径为1.0mm时，天线谐振频率为860MHz，S11最小值约为-29dB，带宽为44MHz，天线增益大小为1.635dBi，方向图近似为一个“苹果”，有较好的辐射全向性，辐射能量分布比较均匀。仿真模拟结果的各项参数均表明了该天线能够满足超高频标签天线的要求。进一步通过控制单因素变量的方法，探究天线结构对参数的影响规律。结果表明，天线长度在100~125mm间增加，谐振频率下降，每增加5mm ，谐振频率下降50MHz左右，S11最小值先减小后增大；螺旋直径在0.6~1.0mm之间增大，谐振频率降低，每增加0.1mm，谐振频率下降30~40MHz，S11最小值变化不明显；螺距在1-3mm间增大，谐振频率有效增大，S11值有效减小；螺距在3~9mm间增大时，S11与谐振频率缓慢增大，带宽随天线结构变化趋势与谐振频率变化趋势相同。
综上所述，本课题设计了一种满足UHF RFID标签天线小尺寸化要求的一维对称螺旋偶极子天线，提出并验证了UHF RFID标签纱的结构和成型方法，并结合仿真分析和实验验证的分析方法，初步探索了标签纱天线的螺旋结构参数对天线性能及标签纱线读取距离的影响规律。这些研究结论，不仅为优化开发设计UHF RFID标签纱的天线结构及制备工艺提供指导，也为进一步探索批量化制备这种标签纱的纺纱工艺设计奠定了基础。
已有研究基于纱线和直线偶极子UHF RFID天线提出了一维直线型标签纱，但未对影响电子纱性能的内在因素进行深入的研究，并且没有围绕标签小型化展开相关研究。鉴于此，本文以设计一种满足小型化要求的UHF RFID标签纱及相应制备方法为目标，采用实验测试结合仿真模拟优化的研究方法，深入研究标签纱天线结构的变化对天线性能的影响规律。
具体研究内容和结论如下：
（1）以小尺寸一维电子标签为目标，设计一种基于螺旋偶极子天线的UHF RFID标签纱结构及其制备工艺。基于螺旋偶极子RFID标签天线原理，所设计的标签纱螺旋偶极子天线结构相比于直线偶极子天线至少缩短80mm，符合天线小型化发展趋势要求，标签纱天线回波损耗参数S11＜-10dB，标签纱读取性能符合一般超高频标签要求。
通过对变形半波偶极子天线和单鞭法向模螺旋天线结构研究，提出一种更符合纱线形态的标签纱天线结构，即螺旋偶极子天线。然后，针对这种天线结构，并结合现有纱线加工方法，设计天线的制备方式为绕线法，也就是将导电线按天线结构螺旋缠绕在所选芯纱上。为了初步验证所设计的结构及制备方法，天线采用直径0.1mm铜丝，天线长度为120mm，螺距范围为1~9mm，螺旋直径范围为0.6~1.0mm。经试验验证提出标签纱的制备工艺为：使用导电胶连接天线与芯片，然后在包缠纺纱机上把天线以螺旋方式缠绕到芯纱表面，再在标签纱外包一层包覆纱。并且，从包缠原理及设计的天线结构，提出可能影响标签天线性能的标签纱成型工艺参数，为进一步制备标签纱样品探究结构与性能的关系奠定基础。
（2）以螺旋偶极子天线结构及标签成型工艺，初探标签纱天线的构成单元材料及结构对其射频性能及标签纱读取距离的影响。通过比较不同芯纱材质及天线螺旋结构参数的标签纱性能，结果表明标签纱材质为棉的天线的射频性能较好，天线结构对S11参数曲线的谐振频率及最小值有一定的影响，且螺距的影响大于螺旋直径的影响，螺距对标签纱读取性能影响最大。
首先根据标签天线的结构及常规基底纱线及天线材料，制备不同参数的天线及标签纱样本。使用矢量网络分析仪对不同芯纱材质、不同结构的天线进行射频性能和读取距离测试。结果发现，芯纱为棉的标签纱天线S11最小值小于芯纱为涤纶的标签纱天线，约3dB左右，且谐振频率更靠近超高频范围。不同螺旋直径的标签纱天线，在谐振频率上表现出一定的规律性，谐振频率随螺旋直径的增大而降低，但S11最小值无明确的变化规律且波动幅度较小。并且，螺距的大小对标签纱性能有很大的影响，从射频性能测试图来看，在1~9mm螺距之间，S11最小值有较大的差别，变化范围在-25~-18dB，但无明确变化规律，而谐振频率变化范围为700~950MHz，谐振频率随螺距的增大而增大。同时，采用UHF RFID标签读写器对不同参数的标签纱进行读取距离测试，发现芯材为棉细纱的标签纱的读取距离优于涤纶芯标签纱，标签纱的读取距离随螺旋直径的增大而增大，而在小螺距下读取距离随螺距增大而减小，当螺距大于3mm后，读取距离随螺距的增大而增大，不同螺距的标签纱读取距离变化范围较大，在1到9米之间变化。
（3）基于上述标签纱结构及性能初探，应用仿真模拟数值分析方法，系统研究标签纱天线的性能参数及天线结构变化对天线基本性能的影响规律。对比数值分析与前述实验结果表明，螺旋偶极子天线标签纱符合设计要求，且天线结构变化对带宽、谐振频率及S11最小值均有显著规律。
根据实验制备所得标签纱，构建天线3D有限元模型，通过仿真模拟计算确定性能最优的天线结构。数值分析结果标明，当螺旋偶极子天线的螺距为2mm、天线长度为120mm、螺旋直径为1.0mm时，天线谐振频率为860MHz，S11最小值约为-29dB，带宽为44MHz，天线增益大小为1.635dBi，方向图近似为一个“苹果”，有较好的辐射全向性，辐射能量分布比较均匀。仿真模拟结果的各项参数均表明了该天线能够满足超高频标签天线的要求。进一步通过控制单因素变量的方法，探究天线结构对参数的影响规律。结果表明，天线长度在100~125mm间增加，谐振频率下降，每增加5mm ，谐振频率下降50MHz左右，S11最小值先减小后增大；螺旋直径在0.6~1.0mm之间增大，谐振频率降低，每增加0.1mm，谐振频率下降30~40MHz，S11最小值变化不明显；螺距在1-3mm间增大，谐振频率有效增大，S11值有效减小；螺距在3~9mm间增大时，S11与谐振频率缓慢增大，带宽随天线结构变化趋势与谐振频率变化趋势相同。
综上所述，本课题设计了一种满足UHF RFID标签天线小尺寸化要求的一维对称螺旋偶极子天线，提出并验证了UHF RFID标签纱的结构和成型方法，并结合仿真分析和实验验证的分析方法，初步探索了标签纱天线的螺旋结构参数对天线性能及标签纱线读取距离的影响规律。这些研究结论，不仅为优化开发设计UHF RFID标签纱的天线结构及制备工艺提供指导，也为进一步探索批量化制备这种标签纱的纺纱工艺设计奠定了基础。