第三章 天線基礎(chǔ)

第三章天線基礎(chǔ)在RFID系統(tǒng)中，讀寫器和電子標簽之間的通信是以無線方式完成的，因此讀寫器和電子標簽都必須具有自己的天線，用來接收和發(fā)送電磁波，從而完成數(shù)據(jù)的傳輸。本章首先介紹天線的一些基本概念及部分重要的電參數(shù)。然后介紹天線在RFID系統(tǒng)中的應用與設(shè)計現(xiàn)狀，并對不同頻段的RFID天線進行重點闡述。主要內(nèi)容3.1天線概述3.2基本振子的輻射3.3天線的電參數(shù)3.4RFID系統(tǒng)常用天線3.5本章小結(jié)3.1天線概述天線的定義天線是一種用金屬導線、金屬面或者其他材料構(gòu)成一定形狀，架設(shè)在一定空間，以電磁波形式發(fā)射或接收射頻信號的裝置。在RFID系統(tǒng)中，以讀寫器向標簽傳送數(shù)據(jù)為例，由讀寫器（發(fā)射機）產(chǎn)生高頻震蕩能量，經(jīng)過傳輸線傳送到發(fā)射天線，然后以電磁波形式向預定方向輻射。接收天線則將接收到的電磁波能量通過饋線送到標簽（接收機），完成無線電波傳輸?shù)倪^程。3.1天線概述天線的種類（1）按照工作性質(zhì)分類：發(fā)射天線、接收天線和收發(fā)共用天線。（2）按照波段分類：長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。（3）按照結(jié)構(gòu)分類：線狀天線、面狀天線、縫隙天線和微帶天線等。（4）按照用途分類：廣播天線、通信天線、雷達天線、導航天線和RFID天線等。3.2基本振子的輻射各種天線都可以分割為無限多個基本元，即基本振子，這些基本元上載有交變電流或交變磁流，每一個基本元上的電磁流的振幅、相位和方向均假設(shè)是相同的。天線可以看成是由這些基本元按一定的結(jié)構(gòu)形式連接而成的?；驹且环N基本的輻射單元，根據(jù)基本元的輻射特性，按電磁場的疊加原理即可得出各類天線的輻射特性?；驹念愋涂梢苑譃槿悾旱谝活愂请娏髟?，載有交變電流，又稱為電基本振子；第二類為磁流元，載有交變磁流，又稱為磁基本振子，磁基本振子的輻射場可從電基本振子的輻射場對偶得出；第三類為面基本元，面基本元是構(gòu)成面天線的基本單元，依據(jù)等效原理可將面元上的磁場與電場分別用等效電流元和等效磁流元來代替，從而利用電基本振子和磁基本振子的結(jié)果得出面基本元的特性。

RFID天線主要由電基本振子和磁基本振子構(gòu)成。3.2基本振子的輻射電基本振子的輻射電基本振子也稱為電偶極子，是為分析天線而抽象出來的天線最小構(gòu)成單元。如圖所示為一個電基本振子。該電基本振子在球坐標原點沿z軸放置，是一段長度l遠小于波長λ的細短導線。導線上所有點的電流振幅和相位均被認為是恒定的，即電流是等幅同相分布。

3.2基本振子的輻射電磁場在各向同性、理想均勻的自由空間中的表達式

r、θ、φ是球坐標的3個自變量：r為坐標原點至觀察點M的距離;θ為線段OM與振子軸（z軸）之間的夾角;φ為OM在xOy平面上投影與x軸間的夾角I是電流振幅l是振子長度;K=2π/λ稱為空間中的波數(shù)，（μ為磁導率，ε為介電常數(shù)）稱為波阻抗。3.2基本振子的輻射從表達式分析可知：電場和磁場是相互垂直的，電場僅有Er和Eθ分量，磁場僅有Hφ分量。

以Kr的大小為標準，將電基本振子周圍的空間分為3個區(qū)域，分別是近區(qū)、遠區(qū)和中間區(qū).1.近區(qū)場近區(qū)場指Kr<<1（即r<<λ/2π）的區(qū)域，并可認為則表達式中只保留1/r的高次項，化簡如下：3.2基本振子的輻射在近距離的RFID系統(tǒng)中，應答器處于讀寫器線圈天線的近區(qū)場內(nèi)，其特點如下：

(1)電場和磁場的大小隨距離r的增大而迅速減小。

(2)磁場Hφ與電流元產(chǎn)生的磁場一致。

(3)近區(qū)場電流元相當于電偶極子，近區(qū)場稱為準靜態(tài)場。

(4)電場滯后于磁場，能量沒有向外輻射，因此近區(qū)場是束縛場

討論近區(qū)場時，忽略了1/r的低次項，而這恰恰是在近區(qū)輻射的能量項，這說明近區(qū)有輻射，只不過輻射場遠小于束縛場。3.2基本振子的輻射2.遠區(qū)場遠區(qū)場指Kr>>1（即r>>λ/2π）的區(qū)域，在此區(qū)域(Kr)?2項相對于(Kr)?1項可忽略，故遠區(qū)場可表示為式中，是自由空間波阻抗，λ是工作波長。

遠區(qū)場具有如下特點：

(1)僅有Eθ和Hφ兩個分量，兩者相互垂直并與方向垂直，Eθ和Hφ兩者在時間上同相，遠區(qū)場能量向外輻射。3.2基本振子的輻射

(2)電場和磁場都有因子，說明等相位面為球面，輻射為球面波。

(3)電基本振子在遠區(qū)場是一沿著徑向向外傳播的橫電磁波。電磁能量離開場源向空間輻射不再返回，這種場稱為輻射場。然而，在不同θ方向上，輻射強度不同，其強度系數(shù)為sinθ，即為方向性函數(shù)。

(4)對于電基本振子，與振子軸垂直的平面和磁場矢量平行，該平面稱為H面；包含振子軸的平面（φ=常數(shù)）和電場矢量平行，該平面稱為E平面。3．中間區(qū)介于天線遠區(qū)和近區(qū)之間的區(qū)域稱為中間區(qū)。由于中間區(qū)的情況在RFID系統(tǒng)中不常見，此處不再討論。3.2基本振子的輻射磁基本振子的輻射

在穩(wěn)態(tài)電磁場中，靜止的電荷產(chǎn)生電場，恒定的電流產(chǎn)生磁場。引入假想的磁荷和磁流的概念，可簡化計算。小電流環(huán)的磁基本振子如圖所示。磁基本振子輻射場的特點如下：

(1)小電流環(huán)和電基本振子的輻射場都是TEM波，是球面波，存在方向性函數(shù)sinθ。

(2)小電流環(huán)和電基本振子的輻射場是對偶的，小電流環(huán)有Eθ和Hφ分量，電基本振子也有Eθ和Hφ分量，但兩者極化方向不同

(3)小環(huán)天線的輻射電阻要小得多，故小環(huán)天線經(jīng)常被用作接收天線。若增加小環(huán)天線的匝數(shù)可以提高小環(huán)天線的輻射電阻。3.3天線的電參數(shù)天線的電參數(shù)是用來衡量天線性能的指標的，是選擇和設(shè)計天線的依據(jù)。天線的電參數(shù)主要包括天線的效率、有效長度、頻帶寬度、輸入阻抗、增益系數(shù)、極化方向和方向圖等。大多數(shù)天線的電參數(shù)是針對發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量將高頻電流能量轉(zhuǎn)換成空間電磁波能量的能力，以及衡量天線定向輻射的能力。接收天線是將無線電波能量轉(zhuǎn)化成高頻電流能量，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓，在接收回路中產(chǎn)生電流?？梢姡炀€的發(fā)射與接收是互逆過程，同一天線收發(fā)的電參數(shù)性質(zhì)相同。3.3天線的電參數(shù)天線的效率

天線的輻射功率與輸入功率的比值，記為

即其中，為損耗功率，包括天線導體的損耗和天線介質(zhì)的損耗。常用天線的輻射電阻來度量天線輻射功率的能力設(shè)有一電阻，當通過它的電流等于天線上的最大電流時，其損耗的功率就等于其輻射功率。

輻射電阻與輻射功率的關(guān)系：

輻射電阻越大，天線的輻射能力越強。

3.3天線的電參數(shù)即輻射電阻為損耗電阻為

天線的效率為要提高天線效率，應盡可能提高，降低。

3.3天線的電參數(shù)輸入阻抗

要使天線效率高，就必須使天線與饋線阻抗匹配，也就是要使天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，這樣才能使天線獲得最大功率。

天線的輸入阻抗就是天線輸入端電壓與電流的比值，是一個重要的參數(shù)，它決定于天線本身的結(jié)構(gòu)和尺寸，并與激勵方式、工作頻率、周圍物體的影響等因素有關(guān)，直接決定了天線和饋線系統(tǒng)之間的匹配狀態(tài)，對功率的有效傳輸有很大的影響3.3天線的電參數(shù)頻帶寬度

天線的電參數(shù)都與頻率都有關(guān)系，即天線的電參數(shù)通常是針對某一工作頻率設(shè)計的。當工作頻率偏離設(shè)計頻率時，往往要引起天線參數(shù)的變化。實際上，天線也并非工作在點頻，而是有一定的頻率范圍。當工作頻率在一定范圍內(nèi)變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)也不應超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為天線的工作頻帶寬度，簡稱為天線的帶寬。根據(jù)天線的頻帶寬度的不同，天線可以分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。通常，窄帶天線的帶寬用百分比表示，寬帶天線的帶寬用比值表示。3.3天線的電參數(shù)天線方向圖

在離天線一定距離處，輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖。方向圖的特性參數(shù)有：主瓣寬度、旁瓣電平、前后比及方向系數(shù)等。主瓣寬度與副瓣3.3天線的電參數(shù)1．主瓣寬度天線的方向圖由一個或多個波瓣構(gòu)成，天線輻射最強方向所在的波瓣稱為主瓣。主瓣寬度是衡量天線最大輻射區(qū)域尖銳程度的物理量。在主瓣最大值兩側(cè)，主瓣上場強大小逐漸下降，其左右各有一點的場強大小為最大場強的，這兩點矢徑之間的夾角稱為半功率波瓣寬度，記為2θ0.5，即半功率波瓣寬度是主瓣半功率點之間的夾角，半功率波瓣寬度越窄，說明天線輻射的能量越集中，定向性越好。場強下降為零的兩點矢徑之間的夾角，稱為零功率波瓣寬度，記為2θ0。如前圖所示。波瓣寬度較窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力就越強，但天線的覆蓋范圍也就越小。實際中要根據(jù)不同的應用范圍進行選擇。3.3天線的電參數(shù)2．旁瓣電平除了主瓣以外其他的瓣，稱為旁瓣或副瓣．旁瓣電平是指旁瓣最大值與主瓣最大值之比，記為FSLL（１）天線方向圖的旁瓣區(qū)的電平應當盡可能低。（２）離主瓣愈遠的旁瓣的電平愈低。（３）第一旁瓣電平的高低某種程度上反映天線方向性的好壞。3．前后比天線最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比，通常以分貝為單位。|E2|為旁瓣電場最大值3.3天線的電參數(shù)天線的增益在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比，稱為天線增益。天線增益定量地描述了天線集中輻射輸入功率的程度。方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益就越高。當天線效率為1時，天線的增益就是該天線的方向性系數(shù)。

例如：

在一定距離的某點處產(chǎn)生一定大小的信號，如果用理想的無方向性電源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為G=13dBi（dBi是表示比較對象為各向均勻輻射的理想點源的單位）的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需要100/20W=5W。3.3天線的電參數(shù)天線的極化特性

天線的極化特性是指在天線最大輻射方向上，電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。天線的極化方式分為線極化（水平極化和垂直極化）、圓極化（左旋極化和右旋極化）。對于方位不可知的系統(tǒng)采用圓極化方式來降低系統(tǒng)對標簽方位的敏感性。

若接收天線與空間傳來電磁波的極化形式一致，則稱為極化匹配；否則稱為極化失配。天線不能接收與其正交的極化分量，例如，垂直線極化天線不能接收水平線極化波。接收天線要求保持與發(fā)射天線極化匹配，例如，圓極化天線不能接收與其旋向相反的圓極化波?？梢圆捎谩皹O化失配因子”衡量失配，值在0到1之間。實際使用中，當收發(fā)天線固定時，通常采用線極化天線。但當收發(fā)天線的一方劇烈擺動時，收發(fā)要采用圓極化天線，RFID常采用圓極化天線。另外，收發(fā)天線需要與主輻射方向?qū)?，并且保持極化方向一致。3.4RFID系統(tǒng)常用天線RFID系統(tǒng)常用的天線有對稱振子天線、微帶天線、天線陣等。對稱振子天線

對稱振子天線的結(jié)構(gòu)如圖所示，由兩段直導線構(gòu)成，長度為l，半徑為a。

對稱振子是一種應用廣泛的基本線形天線，既可以單獨使用，又可以作為天線陣的單元。對稱振子結(jié)構(gòu)

3.4RFID系統(tǒng)常用天線對稱振子天線的輻射場與方向?qū)ΨQ振子天線又稱為偶極子天線，輻射場只有Eθ分量，為線極化波。對稱振子方向圖的特點：（1）當l≤λ/2時，方向圖都是∞字，沒有副瓣；（2）當l=3λ/4時，出現(xiàn)副瓣，最大輻射方向不在垂直于振子軸的平面內(nèi)；（3）當l=λ時，在垂直于振子軸的平面內(nèi)完全沒有輻射。

l=λ/4：半波振子天線

l=λ/2：全波振子天線3.4RFID系統(tǒng)常用天線對稱振子天線的輸入阻抗

等效傳輸線法:這種方法將對稱振子看成終端開路的雙線傳輸線，再利用傳輸線的輸入阻抗公式來計算對稱振子的輸入阻抗。對稱振子天線的輸入阻抗Zin=Rin+Xin的特點：（1）Rin與Xin既與l/λ有關(guān)，也與特性阻抗Z0有關(guān)。（2）特性阻抗Z0隨天線的粗細而變，天線越粗，天線的特性阻抗Z0越小。（3）天線越粗，Z0越小，Rin與Xin的變化則越緩慢，越容易實現(xiàn)寬頻帶阻抗匹配。3.4RFID系統(tǒng)常用天線引向天線引向天線又稱八木天線，是一種廣泛應用于米波和分米波的天線,是一個緊耦合寄生的振子端射陣.組成結(jié)構(gòu)如圖：一個有源振子（通常是半波振子，如單元1）一個反射振子（稍長于有源振子，如單元0）若干個引向器（稍短于有源振子，如單元2～N）除有源振子通過饋線與信號源或接收機連接之外，其余振子均為無源振子。

引向天線的特點是增益為由低到中等，輸入阻抗為實數(shù)，頻帶較窄。3.4RFID系統(tǒng)常用天線微帶天線

微帶天線主要應用于微波波段，它具有體積小、重量輕、能與載體共形、制造成本低等特點，因此得到廣泛重視。目前，微帶天線在衛(wèi)星通信、雷達、武器制導、便攜式無線電設(shè)備和RFID等領(lǐng)域都有應用。微帶天線由一塊厚度遠小于波長的介質(zhì)板（稱為介質(zhì)基片）和覆蓋在它上、下兩個面的金屬片構(gòu)成。其中，下面完全覆蓋介質(zhì)板的金屬片稱為接地板；上面的金屬片如果尺寸可以和波長相比擬，則稱為輻射元；如果上面的金屬是長窄帶，就構(gòu)成了微帶傳輸線。3.4RFID系統(tǒng)常用天線微帶天線的形式靈活多樣，如圖（a）為微帶貼片天線，導體貼片通常是規(guī)則性面積單元，如矩形、圓環(huán)薄片等；圖（b）為微帶振子天線，它是一個窄長的條狀薄片振子（偶極子）；圖（c）為微帶線型天線，它利用微帶線的某種變形（如彎曲等）來形成輻射；圖（d）為微帶縫隙天線，它利用接地板上開的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或者其他饋線對其饋電。3.5不同頻段的RFID天線技術(shù)

不同的RFID系統(tǒng)使用的工作頻率并不相同，因此天線的選擇也有所不同常用的RFID系統(tǒng)有低頻（LF）RFID系統(tǒng)、高頻（HF）RFID系統(tǒng)和微波系統(tǒng)。不同頻段的RFID系統(tǒng)對應著不同的RFID天線。低頻和高頻RFID天線技術(shù)

低頻系統(tǒng)的工作頻率范圍為30～300kHz，RFID常見的低頻工作頻率有125kHz和134.2kHz。低頻系統(tǒng)的特點是電子標簽外形多樣，但電子標簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少，閱讀距離較短，讀寫器天線方向性不強。高頻系統(tǒng)的工作頻率范圍為3～30MHz，RFID常用的高頻工作頻率有6.75MHz、13.56MHz和27.125MHz。高頻系統(tǒng)的特點是可以傳送較大的數(shù)據(jù)，是目前應用比較成熟、使用范圍較廣的系統(tǒng)。3.5不同頻段的RFID天線技術(shù)低頻和高頻RFID天線技術(shù)

在低頻和高頻頻段，讀寫器與電子標簽基本都采用線圈天線，線圈之間存在互感，使一個線圈的能量可以耦合到另一個線圈，因此讀寫器天線與電子標簽天線之間采用電感耦合的方式工作。讀寫器天線與電子標簽天線是近場耦合，電子標簽處于讀寫器的近區(qū)。當超出上述范圍時，近場耦合便失去作用，開始過渡到遠距離的電磁場；當電子標簽逐漸遠離讀寫器，處于讀寫器的遠區(qū)時，電磁場將擺脫天線，并作為電磁波進入空間。本節(jié)所討論的低頻和高頻RFID天線，是基于近場耦合的概念進行設(shè)計。3.4RFID系統(tǒng)常用天線1.低頻和高頻RFID天線結(jié)構(gòu)

低頻和高頻RFID天線的構(gòu)成方式各種各樣，圓形、矩形等各種樣式都有，并且可以采用不同的材料。如下圖所示為幾種實際RFID低頻和高頻天線，從中可以看到各種RFID天線的結(jié)構(gòu)。矩形環(huán)天線

圓形環(huán)天線柔軟基板的天線批量生產(chǎn)的標簽

3.4RFID系統(tǒng)常用天線2.低頻和高頻RFID天線特點

低頻和高頻RFID天線有以下特點：（1）天線都采用線圈的形式。（2）線圈的形式多樣，可以是圓形環(huán)，也可以是矩形環(huán)。（3）天線的尺寸比芯片的尺寸大很多，電子標簽的尺寸主要是由天線決定的。（4）有些天線的基板是柔軟的，適合粘貼在各種物體的表面。（5）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽，可以比拇指還小，可以實現(xiàn)在條帶上批量生產(chǎn)。3.4RFID系統(tǒng)常用天線微波RFID天線技術(shù)

微波系統(tǒng)的工作頻率大于300MHz，射頻識別中常用的微波工作頻率是433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz等，其中433MHz、860/960MHz也常稱為超高頻（UHF）頻段。微波RFID技術(shù)是目前RFID技術(shù)最為活躍和發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，微波RFID天線與低頻、高頻RFID天線相比有著本質(zhì)上的不同：（1）微波RFID天線采用電磁輻射的方式工作，讀寫器天線與電子標簽天線之間的距離較遠，一般會超過1m，典型值為1～10m；（2）微波RFID電子標簽較小，天線小型化成為標簽設(shè)計重點；（3）微波RFID天線形式多樣，可以采用對稱振子天線、微帶天線、陣列天線和寬帶天線等。3.4RFID系統(tǒng)常用天線1.微波RFID天線的結(jié)構(gòu)

微波RFID天線結(jié)構(gòu)多樣，是物聯(lián)網(wǎng)天線的主要形式，可應用在制造、物流、防偽和交通等多種領(lǐng)域。如圖是