微波RFID天線

1、微波微波RFID天線天線 11019P08 陶麗娟 目錄目錄 1.物聯(lián)網(wǎng)常用天線簡物聯(lián)網(wǎng)常用天線簡 介介 1.1物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)基本概念 1.2 天線在物聯(lián)網(wǎng)中的作 用 1.3 常用的物聯(lián)網(wǎng)射頻識 別（RFID）天線 1.4 天線的常見參數(shù)及其 含義 2 物聯(lián)網(wǎng)常用天線具物聯(lián)網(wǎng)常用天線具 體舉例體舉例 2.1 微波RFID天線技術(shù) 2.1.1 微波RFID天線的結(jié) 構(gòu) 、圖片 2.1.2 微波天線的特點 2.1.3 微波RFID天線的應(yīng) 用 2.1.4 微波天線的主要參 數(shù) 1物聯(lián)網(wǎng)常用天線簡介物聯(lián)網(wǎng)常用天線簡介 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things)的定義是：通過射的定義是：

2、通過射 頻識別頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描 器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián) 網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、 定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。 物聯(lián)網(wǎng)的概念是在物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。物聯(lián)網(wǎng)就是年提出的。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物 物相連的互聯(lián)網(wǎng)物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核 心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的

3、延伸和擴心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴 展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與 物品之間，進行信息交換和通訊。物品之間，進行信息交換和通訊。 1.2 天線在物聯(lián)網(wǎng)中的作用天線在物聯(lián)網(wǎng)中的作用 (1)提高系統(tǒng)容量提高系統(tǒng)容量 在蜂窩系統(tǒng)中在蜂窩系統(tǒng)中,用戶的干擾主要來自其他用戶用戶的干擾主要來自其他用戶,而智能天而智能天 線將波束零點對準(zhǔn)其他用戶線將波束零點對準(zhǔn)其他用戶,從而減少了干擾的影響。由從而減少了干擾的影響。由 于系統(tǒng)提高了接收信噪比于系統(tǒng)提高了接收信噪比,因此減少了頻譜資源的復(fù)用距因此減少了頻譜資源的復(fù)用距 離

4、離,從而獲得了更大的系統(tǒng)容量。從而獲得了更大的系統(tǒng)容量。 (2)擴大小區(qū)覆蓋距離和范圍擴大小區(qū)覆蓋距離和范圍 使用智能天線可以提高用戶和基站的功率接收效率使用智能天線可以提高用戶和基站的功率接收效率,進一進一 步擴大基站的通信距離步擴大基站的通信距離,減少功率損失減少功率損失,從而延長電池的壽從而延長電池的壽 命命,減小用戶的終端。減小用戶的終端。 (3)減少多徑干擾影響減少多徑干擾影響 智能天線使用陣列天線智能天線使用陣列天線,通過利用多個天線單元的接收信通過利用多個天線單元的接收信 息和分集技術(shù)息和分集技術(shù),可以將多徑衰落和其他多徑效應(yīng)最小化可以將多徑衰落和其他多徑效應(yīng)最小化 (4)降低蜂

5、窩系統(tǒng)的成本降低蜂窩系統(tǒng)的成本 智能天線利用多種技術(shù)優(yōu)化了信號的接收智能天線利用多種技術(shù)優(yōu)化了信號的接收,從而能夠顯著從而能夠顯著 降低放大器成本和功率損耗降低放大器成本和功率損耗,提高系統(tǒng)的可靠性提高系統(tǒng)的可靠性,實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng) 的低成本。的低成本。 (5)提供新服務(wù)提供新服務(wù) 智能天線在使用過程中必須對用戶進行測向智能天線在使用過程中必須對用戶進行測向,以確定用戶以確定用戶 的位置的位置,從而為用戶提供基于位置信息的服務(wù)從而為用戶提供基于位置信息的服務(wù),如緊急呼叫如緊急呼叫 等。目前等。目前,美國聯(lián)邦通信委員會已準(zhǔn)備實施用戶定位服務(wù)。美國聯(lián)邦通信委員會已準(zhǔn)備實施用戶定位服務(wù)。 (6)更好

6、的安全性更好的安全性 使用智能天線后使用智能天線后,竊聽用戶的通話將會更加困難竊聽用戶的通話將會更加困難,因為此因為此 時盜聽者必須和用戶處于相同的通信方向上。時盜聽者必須和用戶處于相同的通信方向上。 (7)增強網(wǎng)絡(luò)管理能力增強網(wǎng)絡(luò)管理能力 利用智能天線可以實時檢測電磁環(huán)境和用戶情利用智能天線可以實時檢測電磁環(huán)境和用戶情 況況,從而為實施更有效的網(wǎng)絡(luò)管理提供條件。從而為實施更有效的網(wǎng)絡(luò)管理提供條件。 (8)解決遠近效應(yīng)問題和越區(qū)切換問題解決遠近效應(yīng)問題和越區(qū)切換問題 智能天線可自適應(yīng)地調(diào)節(jié)天線增益智能天線可自適應(yīng)地調(diào)節(jié)天線增益,較好地解決較好地解決 了遠近效應(yīng)問題了遠近效應(yīng)問題,為移動臺的進一

7、步簡化提供了條為移動臺的進一步簡化提供了條 件。在蜂窩系統(tǒng)中件。在蜂窩系統(tǒng)中,越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移 動臺的功率電平來判斷的。由于陰影效應(yīng)和多徑動臺的功率電平來判斷的。由于陰影效應(yīng)和多徑 衰落的影響常常導(dǎo)致越區(qū)轉(zhuǎn)接衰落的影響常常導(dǎo)致越區(qū)轉(zhuǎn)接,增加了網(wǎng)絡(luò)管理的增加了網(wǎng)絡(luò)管理的 負荷和用戶呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用的智能天線負荷和用戶呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用的智能天線 技術(shù)技術(shù),可以實時地測量和記錄移動臺的位置和速度可以實時地測量和記錄移動臺的位置和速度, 為越區(qū)切換提供更可靠的依據(jù)為越區(qū)切換提供更可靠的依據(jù)。 1.3 常用的物聯(lián)網(wǎng)射頻識別常用的物聯(lián)網(wǎng)射頻識別 （RFID）

8、天線）天線 按照現(xiàn)在按照現(xiàn)在RFID系統(tǒng)的系統(tǒng)的工作頻段工作頻段，天線可以分為低頻，天線可以分為低頻LF、高頻、高頻 HF、超高頻、超高頻UHF及微波天線，不同頻段天線的工作原理不同，及微波天線，不同頻段天線的工作原理不同， 使得不同天線的設(shè)計方法也有本質(zhì)的不同。在使得不同天線的設(shè)計方法也有本質(zhì)的不同。在RFID系統(tǒng)系統(tǒng)中，中， 天線分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線，這兩種天線按天線分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線，這兩種天線按方向性方向性 可分為全向天線和定向天線等；按可分為全向天線和定向天線等；按外形外形可分為線狀天線和面可分為線狀天線和面 狀天線等；按狀天線等；按結(jié)構(gòu)和形式結(jié)構(gòu)和形式可分為環(huán)形天

9、線、偶極天線、雙偶可分為環(huán)形天線、偶極天線、雙偶 極天線、陣列天線、八木天線、微帶天線和螺旋天線等。在極天線、陣列天線、八木天線、微帶天線和螺旋天線等。在 低頻和高頻頻段，低頻和高頻頻段，RFID系統(tǒng)主要采用環(huán)形天線，用以完成能系統(tǒng)主要采用環(huán)形天線，用以完成能 量和數(shù)據(jù)的電感耦合；在量和數(shù)據(jù)的電感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz 和和5.8GHz的微波頻段，的微波頻段，RFID系統(tǒng)可以采用的天線形式多樣，系統(tǒng)可以采用的天線形式多樣， 用以完成不同任務(wù)。用以完成不同任務(wù)。 RFID天線天線制作工藝制作工藝主要有線圈繞制法、蝕刻法和印刷法，這主要有線圈繞制法、蝕刻法和印刷

10、法，這 些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來發(fā)展起來的新技術(shù)， 天線制作的新工藝可使天線制作的新工藝可使RFID天線制作成本大大降低，走出應(yīng)天線制作成本大大降低，走出應(yīng) 用成本瓶頸，并促進用成本瓶頸，并促進RFID技術(shù)進一步發(fā)展。技術(shù)進一步發(fā)展。 圓極化對數(shù)周期天線圓極化對數(shù)周期天線 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線 八木天線八木天線 內(nèi)部空內(nèi)部空 心的圓心的圓 錐等角錐等角 螺旋天螺旋天 線線 對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線 1.4 天線的常見參數(shù)及其含義天線的常見參數(shù)及其含義 1.4.1 天線的輸入阻抗天線的輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電

11、端輸入電壓與輸入電流天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流 的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗 是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功 率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變 化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中 的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。 匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)

12、，行波系匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系 數(shù)，駐波比和回波損耗數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān) 系，使用那一個純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護中，用的系，使用那一個純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護中，用的 較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入 阻抗為阻抗為50。 1.4.2 駐波比駐波比 駐波比是行波系數(shù)的倒數(shù)駐波比是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在，其值在1到無窮大之間。駐波比為到無窮大之間。駐波比為1， 表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全

13、反射，完全失配。在移動通 信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實際應(yīng)用中，但實際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于應(yīng)小于1.2。 過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站 的服務(wù)性能。的服務(wù)性能。 SWR=R/r=(1+K)/(1-K) 反射系數(shù)反射系數(shù)K=(R-r)/(R+r) (K為負值時表明相位相反為負值時表明相位相反) 1.4.3 回波損耗回波損耗 回波損耗是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗回波損耗是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗 的值在的值在0dB的到無窮大之間，回波

14、損耗越大表示匹配越差，回波損耗的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗 越大表示匹配越好。越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通 信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。 回波損耗回波損耗=-10 lg (反射功率反射功率)/(入射功率入射功率) 2物聯(lián)網(wǎng)常用天線具體舉物聯(lián)網(wǎng)常用天線具體舉 例例 2.1 微波微波RFID天線技術(shù)天線技術(shù) 微波微波RFID技術(shù)是目前技術(shù)是目前RFID技術(shù)最為活躍和技術(shù)最為活躍和 發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，微波發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，微波RFID天線與低頻、高天線與低頻、高

15、 頻頻RFID天線相比有本質(zhì)上的不同。微波天線相比有本質(zhì)上的不同。微波RFID天天 線采用電磁輻射的方式工作，讀寫器天線與電子線采用電磁輻射的方式工作，讀寫器天線與電子 標(biāo)簽天線之間的距離較遠，一般超過標(biāo)簽天線之間的距離較遠，一般超過1m，典型，典型 值為值為110m；微波；微波RFID的電子標(biāo)簽較小，使天的電子標(biāo)簽較小，使天 線的小型化成為設(shè)計的重點；微波線的小型化成為設(shè)計的重點；微波RFID天線形式天線形式 多樣，可以采用對稱振子天線、微帶天線、陣列多樣，可以采用對稱振子天線、微帶天線、陣列 天線和寬帶天線等；微波天線和寬帶天線等；微波RFID天線要求低造價，天線要求低造價， 因此出現(xiàn)了許

16、多天線制作的新技術(shù)。因此出現(xiàn)了許多天線制作的新技術(shù)。 各種微帶各種微帶 行波天線行波天線 的形狀的形狀 各種微帶縫隙天線的形狀各種微帶縫隙天線的形狀 微帶貼片微帶貼片 2.1.1 微波微波RFID天線的結(jié)構(gòu)天線的結(jié)構(gòu) 、 圖片圖片 圖6.5給出了幾種 實際RFID微波天線的 圖片，由這些圖片可 以看出各種微波RFID 天線的結(jié)構(gòu)以及與天 線相連的芯片。微波 RFID天線主要采用偶 極子天線、微帶天線、 非頻變天線和陣列天 線 2.1.2 微波天線的特點微波天線的特點 由圖由圖6.5可以看出，微波可以看出，微波RFID天線有如下天線有如下特點特點。 （1）微波）微波RFID天線的結(jié)構(gòu)多樣。天線的

17、結(jié)構(gòu)多樣。 （2）很多電子標(biāo)簽天線的基板是柔軟的，適合粘帖在各）很多電子標(biāo)簽天線的基板是柔軟的，適合粘帖在各 種物體的表面。種物體的表面。 （3）天線的尺寸比芯片的尺寸大很多，電子標(biāo)簽的尺寸）天線的尺寸比芯片的尺寸大很多，電子標(biāo)簽的尺寸 主要是由天線決定的。主要是由天線決定的。 （4）由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽，很多是在條帶上批）由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽，很多是在條帶上批 量生產(chǎn)。量生產(chǎn)。 （5）由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽尺寸很小。）由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽尺寸很小。 （6）有些天線提供可擴充裝置，來提供短距離和長距離）有些天線提供可擴充裝置，來提供短距離和長距離 的的RFID電子標(biāo)簽。電

18、子標(biāo)簽。 2.1.3 微波RFID天線的應(yīng)用 微波微波RFID天線結(jié)構(gòu)多樣，是物聯(lián)網(wǎng)天線的主要形式，微波天線結(jié)構(gòu)多樣，是物聯(lián)網(wǎng)天線的主要形式，微波RFID天線的應(yīng)用方式很多，天線的應(yīng)用方式很多， 可以應(yīng)用在制造、物流、防偽和交通等多種領(lǐng)域，是現(xiàn)在可以應(yīng)用在制造、物流、防偽和交通等多種領(lǐng)域，是現(xiàn)在RFID天線的主要形式。微天線的主要形式。微 波波RFID天線的應(yīng)用方式很多，下面以倉庫流水線上紙箱跟蹤為例，給出微波天線的應(yīng)用方式很多，下面以倉庫流水線上紙箱跟蹤為例，給出微波RFID天天 線在跟蹤紙箱過程中的使用方法。線在跟蹤紙箱過程中的使用方法。 （1）紙箱放在流水線上，通過傳動皮帶送入倉庫。）紙

19、箱放在流水線上，通過傳動皮帶送入倉庫。 （2）紙箱上貼有標(biāo)簽，標(biāo)簽有兩種形式，一種是電子標(biāo)簽，一種是條碼標(biāo)簽。為防）紙箱上貼有標(biāo)簽，標(biāo)簽有兩種形式，一種是電子標(biāo)簽，一種是條碼標(biāo)簽。為防 止電子標(biāo)簽損毀，紙箱上還貼有條碼標(biāo)簽，以作備用。止電子標(biāo)簽損毀，紙箱上還貼有條碼標(biāo)簽，以作備用。 （3）在倉庫門口，放置）在倉庫門口，放置3個讀寫器天線，讀寫器天線用來識別紙箱上的電子標(biāo)簽，從個讀寫器天線，讀寫器天線用來識別紙箱上的電子標(biāo)簽，從 而完成物品識別與跟蹤的任務(wù)。而完成物品識別與跟蹤的任務(wù)。 2.1.4 微波天線的主要參數(shù) 1、方向性圖方向性圖：天線的基本功能是將饋線傳輸?shù)碾姶挪ㄗ優(yōu)樽杂煽臻g傳：天線的

20、基本功能是將饋線傳輸?shù)碾姶挪ㄗ優(yōu)樽杂煽臻g傳 播的電磁波，天線的方向圖是表征天線輻射時電磁波能量（或場強）播的電磁波，天線的方向圖是表征天線輻射時電磁波能量（或場強） 在空間各點分布的情況，它是描述天線的主要傳輸之一。天線的方向在空間各點分布的情況，它是描述天線的主要傳輸之一。天線的方向 性圖是一個立體圖形。它的特性可以用兩個互相垂直的平面（性圖是一個立體圖形。它的特性可以用兩個互相垂直的平面（E平面平面 和和H平面）內(nèi)方向性圖來描述。平面）內(nèi)方向性圖來描述。 2、方向性系數(shù)方向性系數(shù)：上述方向性圖雖然一定程度上反映了天線輻射狀態(tài)，：上述方向性圖雖然一定程度上反映了天線輻射狀態(tài)， 但它是一個相對

21、值，為了定量描述天線集中輻射程度，引進了方向性但它是一個相對值，為了定量描述天線集中輻射程度，引進了方向性 系數(shù)這一概念。方向性系數(shù)定義是：在同一距離及相同輻射條件下，系數(shù)這一概念。方向性系數(shù)定義是：在同一距離及相同輻射條件下， 某一天線最大輻射方向性上輻射功率密度某一天線最大輻射方向性上輻射功率密度Smax（或場強平方（或場強平方E2max） 與無方向天線（點源）輻射功率密度與無方向天線（點源）輻射功率密度S0（或場強平方（或場強平方E20）之比，用）之比，用 D來表示。來表示。 3、天線效率天線效率：一般來說構(gòu)成天線的導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)都有一定的能量：一般來說構(gòu)成天線的導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)都有一定的能量 損耗，輸入天線的功率不可能全部轉(zhuǎn)化為自由空間電磁波的輻射功率，損耗，輸入天線的功率不可能全部轉(zhuǎn)化為自由空間電磁波的輻射功率， 我們把天線輻射功率我們把天線輻射功率Pr與天線輸入功率之比稱作天線效率與天線輸入功率之比稱作天線效率 4、增益系數(shù)：增益系數(shù)：簡稱增益，它的定義是：在同一距離及相簡稱增益，它的定