RFID天線性能與部署

湖南現(xiàn)代物流職業(yè)技術(shù)學(xué)院RFID天線性能與部署目錄1RFID天線與RFID讀寫性能的關(guān)系3常見RFID天線的參數(shù)設(shè)置2RFID天線性能的主要參數(shù)4RFID天線的作用與地位5RFID天線的影響因素RFID天線與RFID讀寫性能的關(guān)系探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線01天線是一種能將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，或者將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波的裝置。在RFID系統(tǒng)中，射頻標(biāo)簽和讀寫器中都包含天線，天線既可以集成到射頻標(biāo)簽和讀寫器中，也可以與射頻標(biāo)簽和讀寫器分開放置。為保證射頻識(shí)別系統(tǒng)的正常工作，標(biāo)簽和讀寫器的天線性能必須滿足一定的要求。RFID天線與RFID讀寫性能的關(guān)系探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線011）射頻標(biāo)簽的天線在射頻裝置中，當(dāng)工作頻率增加到微波區(qū)域時(shí)，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。天線的目標(biāo)是保證最大的傳輸能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要綜合考慮天線設(shè)計(jì)、自由空間以及相連的標(biāo)簽芯片。（1）標(biāo)簽天線的必要條件：①足夠小以至于能夠貼到需要的物品上；②有全向或半球覆蓋的方向性；③提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；④無(wú)論物品處于什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問(wèn)信號(hào)相匹配；⑤具有魯棒性；⑥非常便宜。（2）在選擇標(biāo)簽天線時(shí)主要應(yīng)考慮：①天線的類型；②天線的阻抗；③應(yīng)用到物品上的射頻的性能。RFID天線與RFID讀寫性能的關(guān)系探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線012）讀寫器天線射頻系統(tǒng)的讀寫器必須通過(guò)天線來(lái)發(fā)射能量，形成電磁場(chǎng)，再通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)對(duì)射頻標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。可以說(shuō)，天線所形成的電磁場(chǎng)范圍就是RFID系統(tǒng)的可讀區(qū)域，任意RFID系統(tǒng)至少應(yīng)該包含一根天線（不管是內(nèi)置還是外置）以發(fā)射和接收射頻信號(hào)。有些RFID系統(tǒng)是由一根天線來(lái)同時(shí)完成發(fā)射和接收任務(wù)的，但也有些RFID系統(tǒng)由一根天線來(lái)完成發(fā)射任務(wù)，而由另一根天線來(lái)完成接收任務(wù)，所采用天線的形式及數(shù)量應(yīng)視具體應(yīng)用而定。在電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)中，讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向射頻標(biāo)簽提供電源，并在讀寫器和射頻標(biāo)簽之間傳送信息。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線021）電磁波的輻射當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如圖（a）所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，則電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因此輻射很微弱；若將兩導(dǎo)線張開，如圖（b）所示，電場(chǎng)就散播在周圍空間，因此輻射增強(qiáng)。圖

電磁波的輻射示意圖必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)

時(shí)，輻射很微弱；當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，從而會(huì)形成較強(qiáng)的輻射。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02RFID天線性能的主要參數(shù)1）電磁波的輻射2）RFID天線的對(duì)稱振子3）RFID天線的方向性4）天線的輸入阻抗Zin5）駐波比6）回波損耗7）天線的極化方式8）天線增益9）天線的波瓣寬度10）前后比（Front-BackRatio）11）上旁瓣抑制12）天線的下傾13）天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）14）反射損耗RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線022）RFID天線的對(duì)稱振子對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)單、獨(dú)立使用或用做拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為1/2波長(zhǎng)的振子，稱為半波對(duì)稱振子，如圖（a）所示。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊制成，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是1/2波長(zhǎng)，因此稱其為半波折合振子，如圖（b）所示。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線023）RFID天線的方向性RFID天線分為發(fā)射天線與接收天線。其中，發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對(duì)稱振子具有平放的“面包圈”形的立體方向圖，如圖（a）所示。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難，圖（b）與圖（c）給出了它的兩個(gè)主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖（b）可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖（c）可以看出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。（a）立體方向圖

（b）垂直面方向圖

（c）水平面方向圖RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線023）RFID天線的方向性天線方向性增強(qiáng)，若干個(gè)對(duì)稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。(a)立體方向圖(b)垂直面方向圖圖

天線方向性增強(qiáng)示意圖RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線023）RFID天線的方向性也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向，平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說(shuō)明了反射面的作用——反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。圖

反射面的作用示意圖RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（1）天線的輸入阻抗Zin定義：天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長(zhǎng)有關(guān)，半波對(duì)稱振子是最重要的基本天線，其輸入阻抗為

Zin=73.1＋ｊ42.5(歐)。當(dāng)把其長(zhǎng)度縮短（３～５）％時(shí)，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時(shí)的輸入阻抗為Zin=73.1(歐),（標(biāo)稱75歐）。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（2）駐波比在不匹配的情況下,饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖmin，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為R：

反射波幅度（ＺL－Ｚ0）R＝─────＝───────（2.2）

入射波幅度（ＺL＋Ｚ0）波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR

波腹電壓幅度

Ｖmax（1+R）VSWR＝───────＝────（2.3）

波節(jié)電壓輻度

Ｖmin（1-R）終端負(fù)載阻抗ＺL和特性阻抗Ｚ0越接近，反射系數(shù)R越小，駐波比VSWR越接近于１，匹配也就越好。（3）駐波比RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（4）回波損耗它是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無(wú)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。0表示全反射，無(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（4）天線的極化方式天線的極化，天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向，就是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。(a)垂直極化(b)水平極化圖

天線的極化RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（4）天線的極化方式雙極化天線，下圖示出了另兩種單極化的情況：+45°極化與-45°極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。這樣，共有四種單極化了，見下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者，把+45°極化和-45°極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線——雙極化天線。圖

兩種單極化RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（4）天線的極化方式下圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭。雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極化在空間相互正交（垂直）的波。圖

雙極化天線RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（4）天線的極化方式極化損失，垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。極化隔離，理想的極化完全隔離是沒(méi)有的。饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。在雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測(cè)得的輸出功率為10mW。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（5）天線的增益天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來(lái)理解增益的物理含義——-為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)，如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為G=13dB=20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需100/20=5W，換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（5）天線的增益天線增益的若干近似計(jì)算式：1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益：G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）}式中，2θ3dB,E與2θ3dB,H分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；32000是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益：G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2}式中，D為拋物面直徑，λ0為中心工作波長(zhǎng)；式中是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3）對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式G（dBi）=10Lg{2L/λ0}式中，L為天線長(zhǎng)度，λ0為中心工作波長(zhǎng)；RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（6）天線的波瓣寬度波瓣寬度是定向天線常用的一個(gè)很重要的參數(shù)，它是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個(gè)方向收發(fā)信號(hào)能力的一個(gè)指標(biāo)，通常以圖形方式表示為功率強(qiáng)度與夾角的關(guān)系）。天線波瓣寬度，方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖a，在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。(a)3dB波瓣寬度RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02還有一種波瓣寬度，即10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低10dB（功率密度降至十分之一）的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角，見圖b。（6）天線的波瓣寬度

(b)10d波瓣寬度RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（7）前后比(Front-BackRatio)表明了天線對(duì)后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線，天線的后瓣有可能產(chǎn)生越區(qū)覆蓋，導(dǎo)致切換關(guān)系混亂，產(chǎn)生掉話。一般在25－30dB之間，應(yīng)優(yōu)先選用前后比為30的天線。前后比，方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為F/B。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F/B的計(jì)算十分簡(jiǎn)單---F/B=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}。對(duì)天線的前后比F/B有要求時(shí)，其典型值為（18～30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35～40）dB。前向功率后向功率圖

前后比方向圖RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（9）天線的下傾為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾。（10）天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義：一種是指：在駐波比SWR≤1.5條件下，天線的工作頻帶寬度；一種是指：天線增益下降3分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說(shuō)，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR不超過(guò)1.5時(shí)，天線的工作頻率范圍。RFID天線性能的主要參數(shù)探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線02（11）反射損耗前面已指出，當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，饋線上沒(méi)有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時(shí)，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個(gè)為75ohms，一個(gè)為50ohms，阻抗不匹配，其結(jié)果是。圖

反射損耗示意圖常見RFID天線參數(shù)設(shè)置探秘RFID技術(shù)——認(rèn)知RFID天線03技術(shù)參數(shù)性能指標(biāo)增益Gain16dBi頻率范圍FrequencyRange