《电磁波与天线仿真与实践》课件-电波与天线知识点21 天线在物联网中的应用

天线在物联网中的应用

物联网概述物联网(Internetofthings)定义：通过射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感器设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，使用LAN，GPRS，Wi－Fi，Bluetooth，Zigbee，UWB等进行信息交换和通信，以实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。国际电信联盟（ITU）曾描绘“物联网”时代的情形：司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求;……物联网定义的理解技术理解物联网是指物体的信息通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。应用理解物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与现有的“互联网”结合,实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和动态的方式去管理生产和生活。通俗理解将RFID（无线射频识别）和WSN（无线传感器网络）结合为用户提供生产生活的监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的服务。物联网中的天线物联网技术的三大基础技术之一即为通信技术，而且主要集中在无线通信。目前得到广泛应用的无线通信设备，诸如手机、射频识别RFID、蓝牙Bluetooth、无线局域网WLAN网卡以及全球卫星定位系统GPS等产品均为物联网的构成部分，这些产品都需要使用天线来发射和接收无线电信号。物联网中的天线移动通信天线物联网中的天线移动通信天线物联网中的天线Radiofrequencyidentification(RFID)技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术。它包括电子标签(tag)和读写器(reader)2个主要部分RFID天线电子标签天线简介作为射频电子标签的天线必须满足一下的性能要求：（1）足够小以至于能够嵌入制造到本身就很小的电子标签上。（2）有全向或半球覆盖的方向性。（3）提供最大可能的信号给标签的芯片，并给标签提供能量。（4）无论标签处于什么方向，天线的极化都能与阅读器的询问信号相匹配。（5）具有鲁棒性。（6）作为损耗件的一部分，天线的价格必须非常便宜。因此，在选择天线的时候，必须考虑如下因素：（1）天线的类型。（2）天线的阻抗。（3）在应用到电子标签上时的射频性能。（4）在有其他的物品围绕标签物品时的射频性能。在实际应用中，标签的使用方式有两种，一种是标签移动，通过固定的阅读器进行识别；一种是标签不动，通过手持机等移动的阅读器来进行识别。在一个电子标签中，标签面积主要是由天线面积决定的。然而天线的物理尺寸受到工作频率电磁波波长的限制，如超高频（900MHz）的电磁波波长为30cm，因此应该在设计时考虑到天线的尺寸，一般设计为5~10cm的小天线。此外，考虑到天线的阻抗问题、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大功率进行传输数据，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗相匹配。电子标签天线的分类

RFID电子标签主要有线圈型、微波RFID天线等。工作距离小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，工作在中、低频段。工作在1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子的RFID天线，工作在高频及微波频段。

1线圈型某些应用要求RFID的线圈天线外形很小，且需要一定的工作距离，如动物识别。为了增大RFID与读写器之间的天线线圈互感量，通常在天线线圈内部插入具有高磁导率μ的铁氧体材料，来补偿线圈横截面小的问题。

2微波RFID天线微波RFID天线中常见微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体构成的。微带贴片天线质量轻，体积小，剖面薄，其馈线方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源电路集成一体化等特点成为了印刷天线的主流。微带贴片天线适用于通信方向变化不大的RFID应用系统中。线圈型

微波RFID天线的结构、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、微带天线等远距离RFID系统中，常用偶极子天线。信号从偶极子天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁场。RFID系统中，实际使用的偶极子天线多为印刷偶极子天线的变形。物联网常用读写器天线在无线射频识别系统中，阅读器是主要的组成部分之一。它在射频识别系统中起到了举足轻重的作用。在射频识别系统工作过程中，通常由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场。电子标签通过这一区域时被触发，发送存储在电子标签中的数据，或根据阅读器的指令来改写存储在电子标签中的数据。根据天线和阅读器模块是否分离，可以分为分离式阅读器和集成式阅读器。常见的分离式阅读器有固定式阅读器，而典型的集成式阅读器有手持阅读器。手持式电子标签阅读器功能简介：

可读写和识别EPCClass1被动式电子标签；

是一款基于EPC_Class1标准的UFH波段手持式电子标签阅读器;产品集成了ARM9硬件环境，Win_CE.net操作系统和UFH波段电子标签识别模块;同时可以支持移动数据库，WiFi无线局域网，GPRS等多种应用需求，是一款资源丰富，功能完善的电子标签移动识别产品。

UHF固定式阅读器技术指标

工作频率：902～928MHz

通信接口：串行接口RS232/RS485Wiegand26/34口。

工作模式：读/写双工

读写速率：单张小于30ms

电源要求100～240VAC（自适应）

工作距离:读取距离可调

读取距离大于8m，写操作距离大于5m产品特点

RF功率可调（0~+31.5dbm）

单天线输出口

多标签读写功能，最多每秒可读写30张

具备超强的抗干扰能力

能够兼容多家公司标签协议：SCS、ISO-18000-6等主要应用

广泛应用于交通运输车辆的自动化管理、工业生产数据自动管理、公路自动识别收费、商品防伪监控系统、仓储/物流的自动化识别管理、人员/车辆门禁保安管理、电子防伪及自动识别门票管理、养殖业的动物自动跟踪识别管理等。

读写器天线有很多种形式和结构，如平板天线、环形天线、螺旋天线等。在电感耦合RFID系统中主要使用环形天线。环形天线主要用于中、低频射频识别系统中，用来实现能量和数据的电磁耦合。读写器天线读写器天线在电磁散射RFID系统中常使用微带天线。主要用于超高频、微波频段射频识别系统中读写器天线读写器天线1：天线结构根据数据管理系统的功能需求以及不同设备制造商的生产习惯，阅读器有不同的结构与外观形式。物联网中的天线GPS天线就是通过接收卫星信号，进行定位或者导航。而接收信号就必须用到天线。常用GPS卫星信号有L1波段1.57542GHz、L2波段1.22760GHz、L3波段1.38105GHz和L4波段1.84140GHz等，其中L1为开放的民用信号，信号为圆极化。GPS信号强度比较弱，这决定了要为GPS信号准备专门的接收天线。大部分GPS天线为陶瓷介质的右旋极化微带天线，如图。GPS天线物联网中的天线无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，简称WLAN)由无线网卡和无线接入点(AccessPoint，AP)构成。简单地说WLAN就是指不需要网线就可以通过无线方式发送和接收数据的局域网，只要通过安装无线路由器或无线AP，在终端安装无线网卡就可以实现无线连接。无线局域网中天线类型有很多，例如：鞭状的单极天线、微带天线等。无线局域网天线物联网中的天线蓝牙技术中常用一种特别小型化的陶瓷天线。该陶瓷天线的种类可分为块状陶瓷天线与多层陶瓷天线，前者是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部份印在陶瓷块的表面上；后者则采用低温共烧（LTTC）的方式将多层陶瓷迭压对位后再低温烧结，所以天线的金属导体可以依设计需要印在每一层陶瓷介质层上，故可有效缩