毕业设计（论文）-基于分离环谐振器的RFID_标签天线设计.doc

天津工业大学毕业设计（论文）基于分离环谐振器的RFID 标签天线设计姓 名： 郭东芳 院(系)别： 电子与信息工程学院 专 业： 通信工程 班 级： 通信072 指导教师： 李健雄 职 称： 副教授 2010年 6 月 6 日摘 要射频识别是非接触的自动识别技术。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理；车辆防盗等等。本论文首先介绍了射频识别系统的基本原理、协议以及分类；其次对射频识别系统中的基于分离环谐振器的天线进行了研究，介绍了天线的电参数以及RFID标签天线的设计相关知识；再次，介绍了天线仿真软件HFSS的功能和仿真方法。最后重点分析了仿真所得到的天线各个电参数。关键词：射频识别；标签天线；分离环谐振器；HFSS软件；ABSTRACTRadio Frequency Identification (RFID) is a contactless automatic identification technique. RFID technique is widely applied in many fields such as industry automation, commerce automation and transport control, especially in transportation control, freeway automatic toll collection, parking lots control system, goods control,automatic pipeline production，safety control, storage control, animal management and vehicles theftproof system and so on. In this thesis，the basic principles of RFID technique is firstly introduced in addition to the corresponding protocol and system classifications. Secondly, the UHF RFID tag antenna with a Split Ring Resonator is studied, then basic antenna parameters and the related theory of RFID tag antenna design are illustrated. Furthermore, the functions and simulation ways of HFSS software is introduced. Finally,the basic antenna parameters by this simulation are analyzed in detail. Key words：Radio Frequency Identification(RFID); Tag Antenna; a split ring resonator; HFSS software; 天津工业大学本科毕业论文目录目 录第一章 绪 论11.1 选题背景及意义21.2 RFID的发展概况21.2.1 RFID技术概况21.2.2 射频识别技术的发展历史和现状61.2.3 RFID发展面临的问题8第二章 RFID天线理论知识102.1 分离环谐振器RFID天线的介绍102.2 天线的分类102.3 RFID天线的电参数112.3.1 方向函数和方向图112.3.2 方向图参数122.3.3 方向系数132.3.4 天线效率142.3.5 天线的输入阻抗与驻波比142.3.6 增益系数152.3.7 天线的极化162.3.8 频带的宽度162.3.9 S参数172.3.10 品质因数Q182.4 RFID天线的特点和要求182.5 常见的天线简介182.5.1 单级天线和对称阵子天线192.5.2 喇叭天线212.5.3 抛物面天线212.5.4 微带天线21第三章 基于分离环谐振器的天线原理233.1 标签天线的提出233.1.1 操作的结构及工作原理233.1.2 等效电路模型233.2 分析与设计243.2.1 电感馈电环243.2.2 共振电感253.2.3 辐射阻力()和品质因数阿()263.2.4 超高频标签设计26第四章 天线的设计与仿真284.1 HFSS软件介绍284.1.1 HFSS简介284.1.2 HFSS的应用294.2 用HFSS软件进行模拟324.3 天线仿真步骤344.4 仿真结果与分析394.4.1 标准S参数图404.4.2 Smith圆图424.4.3 阻抗图434.4.4 阻抗表454.4.5 远场辐射方向图的方向性454.4.6 远场辐射方向图的增益464.4.7 辐射效率图474.4.8 辐射效率、方向性和增益表494.4.9 驻波比504.4.10 三维远场波瓣图514.4.11 电流图52结 论53参考文献54谢 辞5561天津工业大学本科毕业论文第一章 续论第一章 绪 论 自动识别技术主要是要提供关于人、货物、商品等的信息，过去的几十年中条形码识别技术得到了广泛的应用，条形码识别技术的最大优点是便宜、简单，它的不足之处在于它的信息存储量小，通信距离短，并且信息无法改写，因此它在一些信息需求大以及通信距离稍大(大于0.5m)应用场合已不再胜任。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目标的自动识别技术。RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identlflcatlon)的缩写。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目标的自动识别技术。图1-1典型的射频识别系统的组成典型的射频识别系统由RFID reader(射频识别读写器)、用户终端处理设别、应答器transponder(电子标签)等组成。读写器(RFID Reader)一般工作在收发两个状念，其中还应包括射频识别读写器天线，应答器把IC电路和天线集成在一起，作为一个非接触的数掘载体，读写器可以从它读取数掘，也可以向它写入数掘1.1 选题背景及意义射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是自动识别技术的一种，是通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标进行识别并获取相关数据的一种技术。 RFID技术的普及应用可以给人们的生活等带来很多的方便。也许在不久的将来，在超市里我们不再看到收银台前长长的队伍等候结账的情形；高速公路收费站前也不会再有长长的车龙排队；乘飞机时我们也可以不用再担心拿错行李，因为每个行李都被贴上了可以识别的标签；乘公交时我们只需要刷一下公交卡就可以了等等。上面都是我们经常看到的RFID给人们带来方便的实例。除此之外，在物流、仓储管理、防伪等等方面，RFID技术的应用节省了很多的成本。例如在我国铁路运输行业中，在上世纪九十年代及其以前，RFID技术还没有被应用，常常有百分之三十的列车车皮不知道在哪个铁路局使用，造成了资源的极大浪费。从一九九九年起，铁道部丌始投资建设自动车号识别系统，用于铁道部门的电子清算和货运管理，将电子标签作为列车车辆的标识，无论车辆停于哪个铁路局，通过管理系统一查便知，这在充分利用了资源的基础上也给铁路运输节省了人量的成本。1.2 RFID的发展概况1.2.1 RFID技术概况 如图1-2所示RFID管理系统组成，从左至右或者从底层硬件到上层应用程序依次为：标签、阅读器、应用程序接口或者中间件、计算机后台应用程序。图1-2 RFID管理系统组成标签，又称应答器，对应英文名称为Tag、Responder或者Transponder，一般作为被识别物体位于用户手中或者贴附于需要被识别的物品上。图1-3为常见的RFID标签样式。图1-3常见标签样式随着芯片集成技术的发展，如今常见的无源标签内部一般山标签芯片和标签天线两部分组成，有源电了标签内部还带有电池；标签芯片可以存储大量的信息，通过天线被读写器识别。读写器，义称阅渎器，对应英义名称为Reader，用来识别标签的信息，二E要由天线、射频模块、基带模块等组成。图1-4为常见的RFID读写器样式。图1-4 常见的RFID读写器样式标签和阅读了共同组成了RFID识别系统，读写器将收集到的数据交于应用程序接接口(Application Programming Interface，API)或者中间件(Middleware)处理，后者将处理后结果交于后台应用程序处理。应用程序接口或者中间件与计算机后台应用程序共同组成管理系统。在后台计算机管理程序来看，中间件相当于屏蔽了读写器的多样性和复杂性。系统在工作时，读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当贴有标签的目标对象进入发射天线工作作区域时，标签天线便会产生感应电流，感应电流对应的功率足以激活标签芯片时，标签芯片便将自身的编码等信息通过标签犬线发送出去，读写器天线接收到载波信号再有读写器经过调制、解码然后送到数据管理系统进行处理，再由数据管理系统根据数据判断标签的合法性以及针对不同的设置发出下一步操作的指令。按照不同的分类方法，RFID有不同的分类，如图1-5所示。图1-5 RFID的分类首先RFID大致可以分为标签中含有芯片的RFID、标签内不含芯片的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)RFID、以及其他形式如RFID+UWB形式的RFID，这里主要阐述常见的标签内含有芯片的RFID。就按照工作频率划分、按照供电方式划分、按照数据调试方式划分这样的一个顺序依次对RFID做一个分类介绍。1) 按照工作频率划分根据系统工作的频率不同，RFID系统可以分为低频(LowFrequency,LF；30-300KHz)、高频(High Frequency,HF；3-30MHz)、超高频(Ultra High Frequency,UHF；300-1000MHz)以及微波(Micro Wave，MW；245GHz，58GHz)系统。低频系统常见的工作频率有125KHz和1342KHz。低频RFID常用于近距离的门禁管理。由于它的信噪比较低，识别距离收到很大的限制，一般小于60era。标签一般为无源型的，尺寸较大，受环境变化的影响很小，但价格较高。超高频系统常见的工作频率为433MHz、840-960MHz。常用于供应链管理上，识别距离长，无源标签的识别距离可以达到3m，有源标签的识别距离可以达到100m，读取速度非常快，可以对多标签同时识别，先进的IC技术使得标签尺寸更小，而且无源标签的价格更为低廉。但由于超高频电磁波对导电媒质的穿透能力很差，所以超高频RFID系统对高湿物品、金属物品等此类物体的跟踪与识别效果非常不好。微波RFID系统常见的工作频率为2.45GHz、5.8GHz。对应的无源标签识别距离可以达到lm左右，有源标签的识别距离可以达到50m左右，读取速度更快，受环境影响更大。2) 按照标签的供电类型划分按标签的供电类型划分，RFID系统可以分为有源标签系统、无源标签系统和半有源标签系统。有源系统的标签内部含有电池，标签通过电池供电主动发射信号，识别距离较长，前面提到的可以达到几十米甚至上百米的距离，但标签的成本较高，体积比较大，不容易做成卡片形式，同时它的寿命有限，理论上寿命可以达到5年，但由于使用中的很多因素如电池质量、日晒等等环境的影响使得它的使用寿命大为减少。另一方面，有些有源标签的电池可以更换。无源标签内部不含电池，标签通过耦合读写器发射的电磁波的能量来工作。它的重量轻，体积小，可以做成卡片甚至印刷成纸张形式，成本低廉，使用寿命很长。但它的识别距离较小，一般只有几十厘米到几米，而且需要比较大的发射功率的读写器。半有源系统的标签内部含有电池，但电池只是起到对内部芯片供电的作用，标签本身并不发射信号。3) 按照频率和作用距离进行分类 按照频率和作用距离分，可以将射频识别系统划分为密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。密耦合系统被称为紧耦合系统，典型的作用范围是0到lcm。密耦合系统工作时，必须把电子标签插到读写器中，或者将电子标签放置到读写器的表面上。密耦合系统利用标签天线和读写器天线无功近场区的电感耦合来工作，它可以在直流到30MHz频率范围内工作。遥耦合系统作用距离可以达到lm，在遥耦合系统中，读写器和电子标签之间是电感(磁)耦合的。遥耦合系统利用的也是无功近场区进行工作的，使用频率可以是135kHz以下或者13.56MHz。远距离耦合系统利用天线的辐射远场区进行工作，典型工作范围是lm到l0m甚至更远。常见的工作频率是900MHz超高频段以及2.45GHz、5.8GHz微波波段。1.2.2 射频识别技术的发展历史和现状射频识别(Radio Ffequency Identification，RFlD)技术是一种非接触的自动识别技术，其原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别。一个典型的RFID系统一般由阅读器、标签，以及计算机系统等部分组成如图1-6所示。其中RFID标签中一般保存有约定格式的编码数据，用以唯一标识标签所附着的物体。阅读器通过天线发出一定频率的射频信号，当RFID标签进入阅读器的工作区域时，其天线产生感应电流，从而RFID标签获得能量被激活并向阅读器发送出自身编码等信息。阅读器接收到来自标签的已调信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主枫进行处理。计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号。RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作。图1-6 RFID系统的组成RFID技术应该归结为雷达技术的发展及应用，因此其历史可追溯到20世纪初期。在1922年，雷达诞生了。雷达发射无线电波并通过接收到的目标反射信号来定位目标的位置和测定其速度。作为一种识别敌方空间飞行器的有效工具，雷达在第二次世界大战中发挥了重要的作用，同时雷达技术也得到了极大的发展。随后，哈里-斯托克曼在1948年发表的名为“Communication by means of Rcflected Power”的论文，奠定了RFID技术的理论基础.后来，随着电子技术的发展，如晶体管集成电路、微处理芯片、通信网络等新技术，拉开了RFID技术的研究序幕。在过去的半个多世纪里，RFID的发展经历了以下阶段：194l1950年雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。19511960年早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。19611970年RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。197l1980年RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。198l1990年RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现。19912000年RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用。2001今 标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低。RFID技术在国外发展得很快。RFID产品种类很多，像德州仪器、Motorola、Philips、Microchip等世界著名厂家都生产RFID产品。他们的产品各有特点，自成系列。尤其是EPC概念的推出及低成本RFID标签的出现，使得射频标签进入千家万户的日常生活已不是遥远的未来。目前RFID技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理：车辆防盗等等。我国政府在1993年制定的金卡工程实施计划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程，由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。RFID技术作为一种新兴的自动识别技术，也已经开始在国内应用。目前，在物流跟踪，高速公路收费，产品防伪，电子门票、车票等领域已经得到应用。 目前，RFID还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着全球物流行业RFID大规模应用的开始，RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。目前已经发布或者是正在制定中的标准主要是与数据采集相关的，其中包括电子标签与阅读器之间的空中接口、阅读器与计算机之间的数据交换协议、RFID标签与阅读器的性能和一致性测试规范、以及RFID标签的数据内容编码标准等。后台数据库网络应用系统目前并没有形成正式的国际标准，只有少数产业联盟制定了一些规范，现阶段还在不断演变中。随着技术的不断进步，RFID产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。1.2.3 RFID发展面临的问题 RFID技术在迅速发展的同时，在标准、制造成本、隐私安全等方面还存在需要解决的问题。目前，RFID还没有形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面。当前比较有影响力的RFID标准组织主要有EPC Global(全球电子产品编码)，UID(Ubiquitous ID，泛在识别)和ISO(国际标准化组织)等。EPC Global是由美国统一代码协会(UCC)和国际物品编码协会(EAN)在2003年9月共同成立的非营利性组织，它的前身是美国麻省理工学院的Auto-ID(自动识别)中心。UID成立于2002年12月，成员大多数是只本的厂商。UID的核心是赋予现实世界中任何物体对象唯一的泛在识别号，而且它的优势是能包容现有编码体系的元编码设计，可以兼容多种编码。ISO是公认的全球非盈利工业标准组织，而且ISO在各个频段的RFID都颁布了标准。这里特别提出的是，在UHF频段，各国规定的使用频率还有一定的差异，欧盟规定的是868MHz，北美规定的是902-928MHz，日本的则是950一956MHz，中国在2007年4月颁布的UHF频段RFID应用试行规定中规定使用频率是840845MHz和920-925MHz。各国规定频率的不同也导致产品的不兼容以及标签的双频设计导致的高成本。成本是制约RFID应用的最大瓶颈，要大规模的商用RFID，就必须降低RFID系统尤其是标签的成本。目前一个条形码的价格还不到l美分，而一个电子标签的价格最低在5到20美分，只有标签成本降到3美分以下，才可能大规模应用于单件包装消费品。除了上述标准和成本方面的问题以外，RFID技术还有可能导致对个人隐私的侵犯；RFID总体技术还不够成熟，对贴于液体及金属物品表面的标签的误读率比较高；射频识别的数据还容易收到攻击；同时RFID数据处理能力还有待提天津工业大学本科毕业论文第一章 结论高。以上是RFID整体面临的问题，在具体到RFID天线研究时，除了需要考虑到上述方面问题以外，还有更具体更细化的问题需要考虑。天津工业大学本科毕业论文第二章 RFID天线理论知识第二章 RFID天线理论知识2.1 分离环谐振器RFID天线的介绍无线射频识别技术(RFID)系统的可以运用到无处不在的社会中。RFID系统有足够的优势,如长时间可读的范围、数倍存取、高数据率、易读/写功能等等。鉴于这些原因，目前广泛应用于整个世界的条码系统就会被替换成RFID系统。RFID系统可以组合的固定大小的物体(如托盘水平、案例水平,以及项目层)和各等级的识认率达分别在85%,95%,66%。所以它对提高项目层识别速度很重要,但是强烈地受到标签天线的影响。因为小物体辨识的要求是大幅度增加,紧凑的标签天线设计与分析成为强制性的。在超高频范围,dipole-like标签目前主要使用在许多应用中附属于一个小物件的标签太大了。所以有很多关于小标签天线与蜿蜒型线的研究。然而大部分的标签受到狭小带宽、低增益,低辐射效率和努力控制标签天线的阻抗的困扰。为了改善这些问题时,分离环谐振器(SRR)作为一种辐射部分,其半径 SRR(周长约 )和电感耦合方法在获得宽带宽、简单标签天线匹配技术的使用有很大帮助。对该结构进行分析,并对其等效电路模型提出了一种对标签天线。最后,我们可以通过对比仿真和计算结果检查验证模型的等效电路。2.2 天线的分类1. 按工作性质可分为发射天线和接收天线。2. 按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。3. 按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。4. 按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频天线按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是两种最基本的一维天线。二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片）、喇叭状、碟状。天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线。手持台天线就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。车载天线是指原设计安装在车辆上通讯天线，最常见应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。基地台天线在整个通讯系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线）、定向天线。2.3 RFID天线的电参数2.3.1 方向函数和方向图天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。天线的辐射场的特性在不同的距离r处表现出不同的特性。天线辐射场区的划分主要跟天线的尺寸和工作频率有关。假设一发射天线置于球坐标系原点处，它向周围辐射电磁波，它周围的电磁波功率密度(或场强)分布一般都是距离r及角坐标(, )的函数，因此离开天线的距离不同，将天线周围的区域划分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。感应场区是指很靠近天线的区域。在这个场区里电磁波的感应场分量远大于辐射场，而占优势的感应场的电场和磁场时间相位差90，坡印亭矢量为纯虚数，因此不辐射功率，电场能量和磁场能量相互交替地存在于天线附近空间内。对于电尺寸小的偶极天线，其感应场区的外边界是/2。感应场区随离开天线的距离增加而极快衰减，超过感应场区后，就是辐射场占优势的辐射场区了。辐射近场区里电磁场的角分布与离开天线的距离有关，即在不同距离处天线方向图是不同的。这是因为：(1)由天线各辐射单元所建立的场的相对相位关系是随距离而变的(2)这些场的相对振幅也是随距离而改变的在辐射近场区的内边界(即感应场区的外边界处)，天线方向图是一个主瓣和副瓣难分的起伏包络。随着离开天线距离增加，直到靠近远场辐射区，天线的方向图的主瓣和副瓣才明显形成，但零点电平和副瓣电平较高。辐射近场区的外边就是辐射远场区。这个区域的特点是：(1)场的大小与离开天线的距离成反比(2)场的角分布(即天线的方向图)与离开天线的距离无关(3)方向图的主瓣、副瓣和零值点已全部形成。辐射远场区的起始边界通常规定为： （2-1）式中，R是从观察点到天线的距离，D是天线孔径的最大线尺寸。在这个距离上，孔径中心与孔径边缘到观察点的行程差为/16，相应的相差为22.5。如果在这个距离上对孔径天线的辐射特性进行测量，其结果与在无穷远距离上测得结果相差甚微，在工程上是完全可以接受的。将天线置于图3.1所示球坐标系中，于天线的定向辐射(或接收作用)，它在距离为r(满足远场距离条件)的球面上各点的辐射(或接收)强度是不相同的，即是角坐标(, )的函数，可写作： （2-2）式中A为比例常数，(, )称为天线的方向性函数。为了便于各种天线方向图进行比较以及绘图方便，一般取方向性函数的最大值为1，即归一化方向性函数，记为： (2-3)式中是max方向性函数，(, )的最大值。根据天线的方向函数在各种坐标系中绘出的表征天线方向特性的图称为天线的方向图。表征场强振幅方向特性的图称为场强振幅方向图，表征功率方向特性的图称为功率方向图，表征相位方向特性的图称为相位方向图，表征极化方向特性的称为极化方向图。通常使用的是功率方向图或场强振幅方向图。在天线方向图中的最强辐射区域称为天线方向图的主瓣，其它辐射区域称为副瓣或旁瓣，主瓣和副瓣统称为方向图的波瓣，波瓣之间存在辐射强度为零的区域称为方向图的零点。2.3.2 方向图参数天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，一个发信天线向空间各方向辐射能量的强弱是不相同的。同样，对于同样强度的辐射波，收信天线接受功率的大小也与电磁波的方向有关。天线辐射和接收是否有指向，即天线在是否对某个角度过来的信号特别灵敏和辐射能量是否集中在某个角度上，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，天线方向图就是用来表示天线的辐射接收强度随空间方向的对应关系，其定义是:在指定平面上以天线振子中心为原点，绘出许多射径方向的向量，取其长度正比于各射径方向上等距离各点处的强，将所有向量的末端连结成一条曲线，该曲线就是天线在指定平面上的方向图。通常取场强最大值定为1，其它各方向按最大值的百分数来标注。为了实用和方便，人们一般取其场强在两个互相垂直的主要平面E面和H面)上的投影来反映整个天线的方向图。E面是通过天线最大辐射方向并平行于电场向量的平面，H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的平面。在天线方向图中，两半功率点间的夹角定义为方向图的波束宽度。一般我们就用波束宽度的大小表示天线方向性的强弱。在水平面 上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在RFID系统的阅读器上面。定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强，适合于RFID系统的电子标签上面。实际天线的方向图通常有多个波瓣，它可细分为主瓣、副瓣和后瓣。1零功率点波瓣宽度(Beam Width between First Nulls, BWFN):指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。2半功率点波瓣宽度(Half Power Beam Width, HPBW):指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍(或等于最大功率密度的一半)的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其他副瓣均较弱， 则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽来判断。3副瓣电平(Side Lobe Lever， SLL):指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝来表示。 4前后比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比，通常也用分贝表示。2.3.3 方向系数上述方向图参数虽能从一定程度上描述方向图的状态，但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程度，未能反映辐射在全空间的分布状态，因而不能单独体现天线的定向辐射能力。方向系数能够定量地表示天线定向辐射能力的电参数。方向系数定义为：在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax (或Emax的平方)和无方向性天线(点源)的辐射功率密度 S0(或E0的平方)。 （2-4）式中 Pr、Pr0 分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。方向系数的另一个计算公式如下： （2-5）从式子可知方向系数与辐射功率在全空间的分布状态有关。要使天线的方向系数大，不仅要求主瓣窄，而且要求全空间的副瓣电平小。2.3.4 天线效率一般来说，载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会 产生损耗，因此输 入天线的实际功率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用天线效率来表示 种能量转换的有效程度。因此，天线效率也是衡量天线能量转化效率的标准之一，其定义为天线辐射功率Pout与天线输入功率 Pin (辐射功率Pout与天线内所消耗的功率Pd之和)之比: （2-6）2.3.5 天线的输入阻抗与驻波比天线的输入电压与输入电流的比值称为天线的输入阻抗，是决定天线与馈线匹配状态的重要参数。在理想情况下，天线的输入阻抗应该是一个恒定的电阻，其值等于该天线归于输入电流的辐射电阻。此时天线可以直接与特性阻抗等于该天线辐射电阻的传输线相连，传输线馈入天线的功率全部被辐射到空间。当天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗不匹配时，馈到天线的功率会被反射。天线与馈线匹配越好，驻波比或回波损耗越小。一般情况下，天线的输入阻抗既有实部也有虚部。天线输入阻抗与天线的辐射功率、损耗功率和近区场中的储存的无功能量之间的关系为： （2-7）式中Pr是天线的辐射功率，Pd是天线的损耗功率，Wm和We分别是储存在天线近区感应场中的平均磁能和平均电能，IO是天线的输入电流。当储存的电能和磁能相等时出现谐振状态，此时输入阻抗ZIN中的电抗部分为零。对于细偶极天线，这种状态出现在天线长度接近半波长的整数倍时。电压驻波比(VSWR)用来评价负载接至无损耗传输线的不匹配程度。其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。2.3.6 增益系数方向系数衡量天线方向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量上的转换效能；而增益系数(Gain)则表示了天线的定向增益程度。 增益系数等于在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向的辐射功率密度Smax和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0之比，记为G0。 （2-8）即 （2-9）增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。在实际中，天线的最大增益系数是比方向系数更为重要的电参量，即使它们密切相关。2.3.7 天线的极化天线的极化是指天线辐射时形成的电场强度方向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化。媒质中某点的电场作为时间的函数沿直线振荡时称之为线极化波。电场端点沿圆运动，称圆极化波。电场沿椭圆路径，则称椭圆极化波。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波称为水平极化波。水平极化波因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。一般移动通信系统中采用垂直极化的传播方式。随着新技术的发展，出现了一种双极化天线。一般分为垂直与水平极化和45极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用45极化方式。双极化天线组合了+45和45两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式，大大节省了小区的天线数量。任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆。极化椭圆的长轴 2A 和短轴2B之比，称为轴比AR(Axial Ratio)，或简记为|r|:|r| = A/ B,1 |r|。它的分贝形式为 （2-10）圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比 r ，一般是指其最大增益方向上的轴比。对于纯圆极化波，|r| 1，即0dB。轴比r 不大于3dB 的带宽，定义为天线的圆极化带宽。2.3.8 频带的宽度当天线工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度(bandwidth)。根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为fmax，最低工作频率为fmin，对于窄频带天线，采用相对带宽，即(fmax-fmin)/f0100% 来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，即 fmax / fmin 来表示其频带宽度。通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线，例如引向天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如螺旋天线；绝对带宽可达到几个倍频的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。2.3.9 S参数散射矩阵S参数可以完全反映高频器件的反射与传输特性。只需测得S参数，便可得到以上所需测量的参数。以二端口为例：图2-1 二端口网络 （2-11） (2-12) (2-13) (2-14) 各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：端口2匹配时，端口1的反射系数；：端口1匹配时，端口2的反射系数；：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；对于互易网络，有：；我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如果以Port1作为信号的输入端口， Port2作为信号的输出端口，那么表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），这个值越小越好，一般建议 0.1，即20dB，表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，越大传输的效率越高，一般建议0.7，即3dB。2.3.10 品质因数Q天线的性能与它的品质因数有关。一般来说，Q值越高，天线的输出能量越高，不过，Q值太高，容易干扰阅读器的带通特性，而且无法遵从协议标准。一般来说，Q值取20比较适当。当品质因数Q=20时，系统带通特性较好，带宽也比较大。一般情况下，大多数系统的最佳品质因数为1030，最大不能超过60。2.4 RFID天线的特点和要求1.作为RFID标签，首要的一个要求是体积要小，能折叠，便于粘贴在货物表面，或者要能与产品包装共形，设计在产品包装中。 2.有全向或半球覆盖的方向图，标签粘贴在货物任意位置均要能与读卡器通信，这也要求标签天线的极化也必须与读卡器天线相匹配。 3.射频标签天线必须提供最大射频能量给标签芯片，以达到较大的作用距离。这对射频标签天线与标签芯片的射频阻抗匹配提出了较高的要求。 4.最为关键的一点，射频标签天线必须非常便宜，这对射频标签天线的设计提出了较大的挑战,要求设计不能太复杂，生产加工工艺必须非常简单，设计中必须考虑低成本。 射频标签天线的设计完全是一个工程性的课题，它不需要新的理论支持，我们的研究主要侧重于标签天线工程设计、测试的方法，对新材料和新工艺不作研究。2.5 常见的天线简介在射频/微波应用上，天线的类型与结构有许多种类。就波长特性分，有八分之一波长、四分之一波长、半波天线；就结构分，有单极子型、对称振子型、喇叭型、抛物面型、角型、螺旋型、介质平板型及阵列型天线等。就使用频宽分，有窄频带型（10%以下）和宽频带型（10%以上）。图2-2给出了三种天线的增益比较。表2-1归纳了天线类型。图2-2 三种常用天线增益的比较表2-1 天线的类型分类方法分类名称天线结构结构线天线单级、对称、环、螺旋孔径天线喇叭、缝隙微带天线贴片、对称、螺旋增益高增益反射面中增益喇叭低增益单级、对称、环、微隙贴片波束全向对称、单级笔形反射面扇形阵列2.5.1 单级天线和对称阵子天线单极天线和对称阵子是全向天线，如图2-4所示，广泛应用于广播、移动通信和专用无线系统中。对称阵子是基本天线，单极天线是对称阵子的简化形式，长度是对称阵子的一半，与地面的镜像可以等效为对称阵子。对称阵子长度小于一个波长，辐射方向图是个油饼形状或南瓜形状。在时电场辐射最强，时没有辐射。磁场辐射是个圆环,沿方向相同。单极天线是个全向天线，可以接收任何方向的磁场信号，增益为1。图 2-4 单极天线和对称阵子及其方向图（a）单极天线模型（b）天线的辐射图（c）天线的方向图一般地,对称阵子天线的长度等于半波长，单极天线的长度等于四分之一波长，阻抗为73，增益为1.64（2.15dB）。如果天线长度远小于波长，称为短阵子，输入阻抗非常小，难于实现匹配，辐射效率低，短阵子的增益近似为1.5（1.7dB）。实际中把单极阵子称作鞭状天线，长度为四分之一波长，与同轴线内导体相连，接地板与外导体相接，接地板通常是车顶或机箱，如图2-4所示，辐射方向图是对称阵子方向图的一半（上半部分），阻抗也是对称阵子的一半（37）。2.5.2 喇叭天线喇叭天线是波导与空气的过渡段，有圆喇叭和方喇叭两种，分别与圆波导和方波导相连接。喇叭天线可以单独用于微波系统，也可作为面天线的馈源。喇叭天线增益可以严格计算，通常使用喇叭天线做测量标准。2.5.3 抛物面天线抛物面天线，如图2-4所示，是一种高增益天线，是卫星或无线接力通信等点对点系统中使用最多的反射面天线。由图可以看出，金属抛物面反射器将焦点上的馈源发射的球面波变成平面波发射出去。如果照度效率为100，则有效面积等于实际面积，即 （2-15）图2-4 抛物面天线2.5.4 微带天线常用的微带天线的分析设计方法有传输模法和谐振模法。传输模法的思路是