微波RFID天线

1、微波微波RFID天线天线 11019P08 陶丽娟 目录目录 1.物联网常用天线简物联网常用天线简 介介 1.1物联网相关基本概念 1.2 天线在物联网中的作 用 1.3 常用的物联网射频识 别（RFID）天线 1.4 天线的常见参数及其 含义 2 物联网常用天线具物联网常用天线具 体举例体举例 2.1 微波RFID天线技术 2.1.1 微波RFID天线的结 构 、图片 2.1.2 微波天线的特点 2.1.3 微波RFID天线的应 用 2.1.4 微波天线的主要参 数 1物联网常用天线简介物联网常用天线简介 物联网物联网(The Internet of things)的定义是：通过射的定义是：

2、通过射 频识别频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描、红外感应器、全球定位系统、激光扫描 器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联 网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、 定位、跟踪、监控和管理的一种网络。定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 物联网的概念是在物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是年提出的。物联网就是“物物 物相连的互联网物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核。这有两层意思：第一，物联网的核 心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的

3、延伸和扩心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩 展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与 物品之间，进行信息交换和通讯。物品之间，进行信息交换和通讯。 1.2 天线在物联网中的作用天线在物联网中的作用 (1)提高系统容量提高系统容量 在蜂窝系统中在蜂窝系统中,用户的干扰主要来自其他用户用户的干扰主要来自其他用户,而智能天而智能天 线将波束零点对准其他用户线将波束零点对准其他用户,从而减少了干扰的影响。由从而减少了干扰的影响。由 于系统提高了接收信噪比于系统提高了接收信噪比,因此减少了频谱资源的复用距因此减少了频谱资源的复用距 离

4、离,从而获得了更大的系统容量。从而获得了更大的系统容量。 (2)扩大小区覆盖距离和范围扩大小区覆盖距离和范围 使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率,进一进一 步扩大基站的通信距离步扩大基站的通信距离,减少功率损失减少功率损失,从而延长电池的寿从而延长电池的寿 命命,减小用户的终端。减小用户的终端。 (3)减少多径干扰影响减少多径干扰影响 智能天线使用阵列天线智能天线使用阵列天线,通过利用多个天线单元的接收信通过利用多个天线单元的接收信 息和分集技术息和分集技术,可以将多径衰落和其他多径效应最小化可以将多径衰落和其他多径效应最小化 (4)降低蜂

5、窝系统的成本降低蜂窝系统的成本 智能天线利用多种技术优化了信号的接收智能天线利用多种技术优化了信号的接收,从而能够显著从而能够显著 降低放大器成本和功率损耗降低放大器成本和功率损耗,提高系统的可靠性提高系统的可靠性,实现系统实现系统 的低成本。的低成本。 (5)提供新服务提供新服务 智能天线在使用过程中必须对用户进行测向智能天线在使用过程中必须对用户进行测向,以确定用户以确定用户 的位置的位置,从而为用户提供基于位置信息的服务从而为用户提供基于位置信息的服务,如紧急呼叫如紧急呼叫 等。目前等。目前,美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。 (6)更好

6、的安全性更好的安全性 使用智能天线后使用智能天线后,窃听用户的通话将会更加困难窃听用户的通话将会更加困难,因为此因为此 时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。 (7)增强网络管理能力增强网络管理能力 利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情 况况,从而为实施更有效的网络管理提供条件。从而为实施更有效的网络管理提供条件。 (8)解决远近效应问题和越区切换问题解决远近效应问题和越区切换问题 智能天线可自适应地调节天线增益智能天线可自适应地调节天线增益,较好地解决较好地解决 了远近效应问题了远近效应问题,为移动台的进一

7、步简化提供了条为移动台的进一步简化提供了条 件。在蜂窝系统中件。在蜂窝系统中,越区切换是根据基站接收的移越区切换是根据基站接收的移 动台的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径动台的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径 衰落的影响常常导致越区转接衰落的影响常常导致越区转接,增加了网络管理的增加了网络管理的 负荷和用户呼损率。在相邻小区应用的智能天线负荷和用户呼损率。在相邻小区应用的智能天线 技术技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度可以实时地测量和记录移动台的位置和速度, 为越区切换提供更可靠的依据为越区切换提供更可靠的依据。 1.3 常用的物联网射频识别常用的物联网射频识别 （RFID）

8、天线）天线 按照现在按照现在RFID系统的系统的工作频段工作频段，天线可以分为低频，天线可以分为低频LF、高频、高频 HF、超高频、超高频UHF及微波天线，不同频段天线的工作原理不同，及微波天线，不同频段天线的工作原理不同， 使得不同天线的设计方法也有本质的不同。在使得不同天线的设计方法也有本质的不同。在RFID系统系统中，中， 天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线按天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线按方向性方向性 可分为全向天线和定向天线等；按可分为全向天线和定向天线等；按外形外形可分为线状天线和面可分为线状天线和面 状天线等；按状天线等；按结构和形式结构和形式可分为环形天

9、线、偶极天线、双偶可分为环形天线、偶极天线、双偶 极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。在极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。在 低频和高频频段，低频和高频频段，RFID系统主要采用环形天线，用以完成能系统主要采用环形天线，用以完成能 量和数据的电感耦合；在量和数据的电感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz 和和5.8GHz的微波频段，的微波频段，RFID系统可以采用的天线形式多样，系统可以采用的天线形式多样， 用以完成不同任务。用以完成不同任务。 RFID天线天线制作工艺制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法，这主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷

10、法，这 些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术，些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术， 天线制作的新工艺可使天线制作的新工艺可使RFID天线制作成本大大降低，走出应天线制作成本大大降低，走出应 用成本瓶颈，并促进用成本瓶颈，并促进RFID技术进一步发展。技术进一步发展。 圆极化对数周期天线圆极化对数周期天线 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线 八木天线八木天线 内部空内部空 心的圆心的圆 锥等角锥等角 螺旋天螺旋天 线线 对数周期天线对数周期天线 1.4 天线的常见参数及其含义天线的常见参数及其含义 1.4.1 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电

11、端输入电压与输入电流天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流 的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗 是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功 率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变 化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中 的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。 匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数

12、，行波系匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系 数，驻波比和回波损耗数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关四个参数之间有固定的数值关 系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的 较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入 阻抗为阻抗为50。 1.4.2 驻波比驻波比 驻波比是行波系数的倒数驻波比是行波系数的倒数，其值在，其值在1到无穷大之间。驻波比为到无穷大之间。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。在移动通表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全

13、反射，完全失配。在移动通 信系统中，一般要求驻波比小于信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中，但实际应用中VSWR应小于应小于1.2。 过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站 的服务性能。的服务性能。 SWR=R/r=(1+K)/(1-K) 反射系数反射系数K=(R-r)/(R+r) (K为负值时表明相位相反为负值时表明相位相反) 1.4.3 回波损耗回波损耗 回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗 的值在的值在0dB的到无穷大之间，回波

14、损耗越大表示匹配越差，回波损耗的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗 越大表示匹配越好。越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通 信系统中，一般要求回波损耗大于信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。 回波损耗回波损耗=-10 lg (反射功率反射功率)/(入射功率入射功率) 2物联网常用天线具体举物联网常用天线具体举 例例 2.1 微波微波RFID天线技术天线技术 微波微波RFID技术是目前技术是目前RFID技术最为活跃和技术最为活跃和 发展最为迅速的领域，微波发展最为迅速的领域，微波RFID天线与低频、高天线与低频、高

15、 频频RFID天线相比有本质上的不同。微波天线相比有本质上的不同。微波RFID天天 线采用电磁辐射的方式工作，读写器天线与电子线采用电磁辐射的方式工作，读写器天线与电子 标签天线之间的距离较远，一般超过标签天线之间的距离较远，一般超过1m，典型，典型 值为值为110m；微波；微波RFID的电子标签较小，使天的电子标签较小，使天 线的小型化成为设计的重点；微波线的小型化成为设计的重点；微波RFID天线形式天线形式 多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列 天线和宽带天线等；微波天线和宽带天线等；微波RFID天线要求低造价，天线要求低造价， 因此出现了许

16、多天线制作的新技术。因此出现了许多天线制作的新技术。 各种微带各种微带 行波天线行波天线 的形状的形状 各种微带缝隙天线的形状各种微带缝隙天线的形状 微带贴片微带贴片 2.1.1 微波微波RFID天线的结构天线的结构 、 图片图片 图6.5给出了几种 实际RFID微波天线的 图片，由这些图片可 以看出各种微波RFID 天线的结构以及与天 线相连的芯片。微波 RFID天线主要采用偶 极子天线、微带天线、 非频变天线和阵列天 线 2.1.2 微波天线的特点微波天线的特点 由图由图6.5可以看出，微波可以看出，微波RFID天线有如下天线有如下特点特点。 （1）微波）微波RFID天线的结构多样。天线的

17、结构多样。 （2）很多电子标签天线的基板是柔软的，适合粘帖在各）很多电子标签天线的基板是柔软的，适合粘帖在各 种物体的表面。种物体的表面。 （3）天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸）天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸 主要是由天线决定的。主要是由天线决定的。 （4）由天线和芯片构成的电子标签，很多是在条带上批）由天线和芯片构成的电子标签，很多是在条带上批 量生产。量生产。 （5）由天线和芯片构成的电子标签尺寸很小。）由天线和芯片构成的电子标签尺寸很小。 （6）有些天线提供可扩充装置，来提供短距离和长距离）有些天线提供可扩充装置，来提供短距离和长距离 的的RFID电子标签。电

18、子标签。 2.1.3 微波RFID天线的应用 微波微波RFID天线结构多样，是物联网天线的主要形式，微波天线结构多样，是物联网天线的主要形式，微波RFID天线的应用方式很多，天线的应用方式很多， 可以应用在制造、物流、防伪和交通等多种领域，是现在可以应用在制造、物流、防伪和交通等多种领域，是现在RFID天线的主要形式。微天线的主要形式。微 波波RFID天线的应用方式很多，下面以仓库流水线上纸箱跟踪为例，给出微波天线的应用方式很多，下面以仓库流水线上纸箱跟踪为例，给出微波RFID天天 线在跟踪纸箱过程中的使用方法。线在跟踪纸箱过程中的使用方法。 （1）纸箱放在流水线上，通过传动皮带送入仓库。）纸

19、箱放在流水线上，通过传动皮带送入仓库。 （2）纸箱上贴有标签，标签有两种形式，一种是电子标签，一种是条码标签。为防）纸箱上贴有标签，标签有两种形式，一种是电子标签，一种是条码标签。为防 止电子标签损毁，纸箱上还贴有条码标签，以作备用。止电子标签损毁，纸箱上还贴有条码标签，以作备用。 （3）在仓库门口，放置）在仓库门口，放置3个读写器天线，读写器天线用来识别纸箱上的电子标签，从个读写器天线，读写器天线用来识别纸箱上的电子标签，从 而完成物品识别与跟踪的任务。而完成物品识别与跟踪的任务。 2.1.4 微波天线的主要参数 1、方向性图方向性图：天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传：天线的

20、基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传 播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强）播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强） 在空间各点分布的情况，它是描述天线的主要传输之一。天线的方向在空间各点分布的情况，它是描述天线的主要传输之一。天线的方向 性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（E平面平面 和和H平面）内方向性图来描述。平面）内方向性图来描述。 2、方向性系数方向性系数：上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态，：上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态， 但它是一个相对

21、值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性 系数这一概念。方向性系数定义是：在同一距离及相同辐射条件下，系数这一概念。方向性系数定义是：在同一距离及相同辐射条件下， 某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度Smax（或场强平方（或场强平方E2max） 与无方向天线（点源）辐射功率密度与无方向天线（点源）辐射功率密度S0（或场强平方（或场强平方E20）之比，用）之比，用 D来表示。来表示。 3、天线效率天线效率：一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量：一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量 损耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，损耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率， 我们把天线辐射功率我们把天线辐射功率Pr与天线输入功率之比称作天线效率与天线输入功率之比称作天线效率 4、增益系数：增益系数：简称增益，它的定义是：在同一距离及相简称增益，它的定