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1、第6章  RFID中的天線技術天線技術對RFID系統(tǒng)十分重要，是決定RFID系統(tǒng)性能的關鍵部件。RFID天線可以分為低頻、高頻、超高頻及微波天線，每一頻段天線又分為電子標簽天線和讀寫器天線，不同頻段天線的結(jié)構(gòu)、工作原理、設計方法和應用方式有很大差異，導致RFID天線種類繁多、應用各異。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。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，同時微波RFID的電子標簽較小，天線要求低造價、小型化，因此微波RFID出現(xiàn)了許多天線制作的新技術。為適應世界范圍電子標簽的快速應用和不斷發(fā)展，需要提高RFID天線的設計

2、效率，降低RFID天線的制造成本，因此RFID天線大量使用仿真軟件進行設計，并采用了多種制作工藝。天線仿真軟件功能強大，已經(jīng)成為天線技術的一個重要手段，天線仿真和測試相結(jié)合，可以基本滿足RFID天線設計的需要。RFID天線制作工藝主要有線圈繞制法、蝕刻法和印刷法，這些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來發(fā)展起來的新技術，天線制作的新工藝可使RFID天線制作成本大大降低，走出應用成本瓶頸，并促進RFID技術進一步發(fā)展。6.1  RFID天線的應用及設計現(xiàn)狀RFID在不同的應用環(huán)境中使用不同的工作頻段，因此需要采用不同的天線通信技術，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線交換。按照現(xiàn)在RFID系統(tǒng)的工作頻段，天

3、線可以分為低頻LF、高頻HF、超高頻UHF及微波天線，不同頻段天線的工作原理不同，使得不同天線的設計方法也有本質(zhì)的不同。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線，這兩種天線按方向性可分為全向天線和定向天線等；按外形可分為線狀天線和面狀天線等；按結(jié)構(gòu)和形式可分為環(huán)形天線、偶極天線、雙偶極天線、陣列天線、八木天線、微帶天線和螺旋天線等。在低頻和高頻頻段，RFID系統(tǒng)主要采用環(huán)形天線，用以完成能量和數(shù)據(jù)的電感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz的微波頻段，RFID系統(tǒng)可以采用的天線形式多樣，用以完成不同任務。  RFID天線的應用現(xiàn)狀影響RFI

4、D天線應用性能的參數(shù)主要有天線類型、尺寸結(jié)構(gòu)、材料特性、成本價格、工作頻率、頻帶寬度、極化方向、方向性、增益、波瓣寬度、阻抗問題和環(huán)境影響等，RFID天線的應用需要對上述參數(shù)加以權(quán)衡。1RFID天線應用的一般要求（1）電子標簽天線。一般來講，RFID電子標簽天線需要滿足如下條件。RFID天線必須足夠小，以至于能夠附著到需要的物品上。RFID天線必須與電子標簽有機地結(jié)合成一體，或貼在表面，或嵌入到物體內(nèi)部。RFID天線的讀取距離依賴天線的方向性，一些應用需要標簽具備特定的方向性，例如有全向或半球覆蓋的方向性，以滿足零售商品跟蹤等的需要。RFID天線提供最大可能的信號給多種標簽的芯片。無論物品在什

5、么方向，RFID天線的極化都能與讀寫器的詢問信號相匹配。RFID天線具有應用的靈活性。電子標簽可能被用在高速的傳輸帶上，此時有多普勒頻移，天線的頻率和帶寬要不影響RFID工作。電子標簽在讀寫器讀取區(qū)域的時間很少，要求有很高的讀取速率，所以RFID系統(tǒng)必須保證標簽識別的快速無誤。RFID天線具有應用的可靠性。RFID標簽必須可靠，并保證因溫度、濕度、壓力和在標簽插入、印刷和層壓處理中的存活率。RFID天線的頻率和頻帶。頻率和頻帶要滿足技術標準，標簽期望的工作頻率帶寬依賴于標簽使用地的規(guī)定。RFID天線具有魯棒性。RFID天線非常便宜。RFID標簽天線必須是低成本，這約束了天線結(jié)構(gòu)和根據(jù)結(jié)構(gòu)使用的

6、材料。標簽天線多采用銅、鋁或銀油墨。（2）讀寫器天線。讀寫器天線即可以與讀寫器集成在一起，也可以采用分離式。對于遠距離系統(tǒng)，天線和讀寫器采取分離式結(jié)構(gòu)，并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。讀寫器天線設計要求低剖面、小型化。讀寫器由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化發(fā)展。讀寫器天線設計要求多頻段覆蓋。對于分離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設計問題。目前國際上已經(jīng)開始研究讀寫器應用的智能波束掃描天線陣。2RFID天線的極化不同的RFID系統(tǒng)采用的天線極化方式不同。有些應用可以采用線極化，例如在流水線上，這時電子標簽的位置基本上是固定不變的，電子標簽的天線可以采用線極化

7、方式。但在大多數(shù)場合，由于電子標簽的方位是不可知的，所以大部分RFID系統(tǒng)采用圓極化天線，以使RFID系統(tǒng)對電子標簽的方位敏感性降低。3RFID天線的方向性RFID系統(tǒng)的工作距離，主要與讀寫器給電子標簽的供電有關。隨著低功耗電子標簽芯片技術的發(fā)展，電子標簽的工作電壓不斷降低，所需功耗很小，這使得進一步增大系統(tǒng)工作距離的潛能轉(zhuǎn)移到天線上，這就要求有方向性較強的天線。如果天線波瓣寬度越窄，天線的方向性越好，天線的增益越大，天線作用的距離越遠，抗干擾能力越強，但同時天線的覆蓋范圍也就越小。4RFID天線的阻抗問題為了以最大功率傳輸，芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來，天線設計多采用50

8、 或75 的阻抗匹配，但是可能還有其他情況。例如，一個縫隙天線可以設計幾百歐姆的阻抗；一個折疊偶極子的阻抗可以是一個標準半波偶極子阻抗的幾倍；印刷貼片天線的引出點能夠提供一個40100 的阻抗范圍。5RFID的環(huán)境影響電子標簽天線的特性，受所標識物體的形狀和電參數(shù)影響。例如，金屬對電磁波有衰減作用，金屬表面對電磁波有反射作用，彈性襯底會造成天線變形等，這些影響在天線設計與應用中必須加以解決。以在金屬物體表面使用天線為例，目前有價值的解決方案有兩個，一個是從天線的形式出發(fā)，采用微帶貼片天線或倒F天線等，另一個是采用雙層介質(zhì)、介質(zhì)覆蓋或電磁帶隙等  RFID天線的設計現(xiàn)狀在RFID系統(tǒng)中

9、，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線，這兩種天線的設計要求和面臨的技術問題是不同的。1RFID電子標簽天線的設計電子標簽天線的設計目標是傳輸最大的能量進出標簽芯片，這需要仔細設計天線和自由空間的匹配，以及天線與標簽芯片的匹配。當工作頻率增加到微波波段，天線與電子標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻。一直以來，電子標簽天線的開發(fā)是基于50 或者75 輸入阻抗，而在RFID應用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準確測試，缺少準確的參數(shù)，天線的設計難以達到最佳。電子標簽天線的設計還面臨許多其他難題，如相應的小尺寸要求，低成本要求，所標識物體的形狀及物理特性要求，電子標簽到貼標簽物體的距

10、離要求，貼標簽物體的介電常數(shù)要求，金屬表面的反射要求，局部結(jié)構(gòu)對輻射模式的影響要求等，這些都將影響電子標簽天線的特性，都是電子標簽設計面臨的問題。2RFID讀寫器天線的設計對于近距離RFID系統(tǒng)（如13.56MHz小于10cm的識別系統(tǒng)），天線一般和讀寫器集成在一起；對于遠距離RFID系統(tǒng)（如UHF頻段大于3m的識別系統(tǒng)），天線和讀寫器常采取分離式結(jié)構(gòu)，并通過阻抗匹配的同軸電纜將讀寫器和天線連接到一起。讀寫器由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，并且讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化發(fā)展，使得讀寫器天線的設計面臨新的挑戰(zhàn)。讀寫器天線設計要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對于分離式讀寫器，還將涉及天

11、線陣的設計問題，小型化帶來的低效率、低增益問題等，這些目前是國內(nèi)外共同關注的研究課題。目前已經(jīng)開始研究讀寫器應用的智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序，通過智能天線使系統(tǒng)能夠感知天線覆蓋區(qū)域的電子標簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍，使讀寫器能夠判定目標的方位、速度和方向信息，具有空間感應能力。3RFID天線的設計步驟RFID電子標簽天線的性能，很大程度依賴于芯片的復數(shù)阻抗，復數(shù)阻抗是隨頻率變換的，因此天線尺寸和工作頻率限制了最大可達到的增益和帶寬，為獲得最佳的標簽性能，需要在設計時做折衷，以滿足設計要求。在天線的設計步驟中，電子標簽的讀取范圍必須嚴密監(jiān)控，在標簽構(gòu)成發(fā)生變更或不同材料不同頻率的

12、天線進行性能優(yōu)化時，通常采用可調(diào)天線設計，以滿足設計允許的偏差。設計RFID天線時，首先選定應用的種類，確定電子標簽天線的需求參數(shù)；然后根據(jù)電子標簽天線的參數(shù)，確定天線采用的材料，并確定了電子標簽天線的結(jié)構(gòu)和ASIC封裝后的阻抗；最后采用優(yōu)化的方式，使ASIC封裝后的阻抗與天線匹配，綜合仿真天線的其他參數(shù)，讓天線滿足技術指標，并用網(wǎng)絡分析儀檢測各項指標。RFID電子標簽天線的設計步驟如圖6.1所示。很多天線因為使用環(huán)境復雜，使得RFID天線的解析方法也很復雜，天線通常采用電磁模型和仿真工具來分析。天線典型的電磁模型分析方法為有限元法FEM、矩量法MOM和時域有限差分法FDTD等。仿真工具對天線

13、的設計非常重要，是一種快速有效的天線設計工具，目前在天線技術中使用越來越多。典型的天線設計方法，首先是將天線模型化，然后將模型仿真，在仿真中監(jiān)測天線射程、天線增益和天線阻抗等，并采用優(yōu)化的方法進一步調(diào)整設計，最后對天線加工并測量，直到滿足要求。6.2  低頻和高頻RFID天線技術在低頻和高頻頻段，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

14、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計。  低頻和高頻RFID天線的結(jié)構(gòu)和圖片低頻和高頻RFID天線可以有不同的構(gòu)成方式，并可以采用不同的材料。圖6.2所示為幾種實際RFID低頻和高頻天線的圖片，由這些圖片可以看出各種RFID天線的結(jié)構(gòu)，同時這些圖片還給出了與天線相連的芯片。由圖6.2可以看出，低頻和高頻RFID天線有如下特點。（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

15、基板是柔軟的，適合粘帖在各種物體的表面。（5）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽，可以比拇指還小。（6）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽，可以在條帶上批量生產(chǎn)。  低頻和高頻RFID天線的磁場安培從實驗中總結(jié)出，電流在周圍產(chǎn)生了磁場。電流周圍磁場的存在方式，與電流的分布有關，不同的電流分布，在周圍會產(chǎn)生不同的磁感應強度。1直線周圍產(chǎn)生的磁場根據(jù)安培定律，長直電流周圍將產(chǎn)生磁場強度，磁場強度為： 磁感應強度與磁場強度的關系為： 式（6.2）中， （亨/米），稱為真空中的磁導率； 稱為相對磁導率，用來描述媒質(zhì)的參數(shù)。長直電流周圍產(chǎn)生的磁場如圖6.3所示。2圓形線

16、圈周圍產(chǎn)生的磁場很多低頻和高頻RFID天線是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，采用了"短圓柱形線圈"，"短圓柱形線圈"在周圍產(chǎn)生的磁場為： 式（6.3）中，R為線圈的半徑，Z為在線圈中心軸線上距線圈圓心的距離，I為圓形線圈上的電流，N為圓形線圈的圈數(shù)。"短圓柱形線圈"的結(jié)構(gòu)和在周圍產(chǎn)生的磁場如圖 6.4所示。  "短圓柱形線圈"周圍的磁場有如下特點。（1）磁場與線圈的圈數(shù) 有關，線圈的圈數(shù)越大，磁場越強。一般低頻線圈的圈數(shù)較多，有幾百至上千圈；高頻線圈的圈數(shù)較少，有幾至幾十圈。（2）當被測點沿線圈軸 離開線圈

17、時，如果 ，磁場的強度幾乎不變。當Z=0時，磁場的公式簡化為： （3）當被測點沿線圈軸 離開線圈較大時，即 時，磁場強度的衰減與Z的三次方成比例，衰減比較急劇，衰減約為60dB/10倍距離。這時磁場的公式簡化為 3矩形線圈周圍產(chǎn)生的磁場有些低頻和高頻RFID天線是矩形線圈結(jié)構(gòu)，當被測點沿線圈軸離開線圈Z時，矩形線圈結(jié)構(gòu)在軸線產(chǎn)生的磁場為 式（6.6）中，a和b為矩形線圈的兩個邊長，Z為在線圈中心軸線上距線圈中心的距離，i為矩形上線圈的電流，N為矩形線圈的圈數(shù)。計算結(jié)果證實，當被測點沿線圈軸Z離開線圈時，如果 及 ，即在與線圈

18、的距離較近時，磁場的強度幾乎不變。當被測點沿線圈軸 離開線圈較大時，磁場強度的衰減比較急劇。6.2.3  低頻和高頻RFID天線的最佳尺寸線圈天線的最佳尺寸，是指線圈上的電流I為常數(shù)，且與天線的距離Z為常數(shù)時，線圈的尺寸與磁場的關系。下面以圓環(huán)形線圈為例，討論線圈的最佳尺寸。為從數(shù)學上討論最大磁場與線圈尺寸的關系，需要對式（6.3）中的磁場求導，計算出磁場的拐點。計算的結(jié)果表明，最大磁場與線圈尺寸的關系為： 式（6.7）表明，當距離Z為常數(shù)時，如果線圈的半徑為 ，可以獲得最大磁場。也就是說，當線圈的半徑R為常數(shù)時，如果距離為 ，可以獲得最大磁場。雖然增大

19、線圈的半徑R，會在線圈的較遠處Z獲得最大的磁場，但由式（6.3）可以看出，隨著距離Z的增大，會使磁場值減小，影響電子標簽與讀寫器線圈之間的耦合強度，導致對電子標簽能量的供給降低。6.3  微波RFID天線技術微波RFID技術是目前RFID技術最為活躍和發(fā)展最為迅速的領域，微波RFID天線與低頻、高頻RFID天線相比有本質(zhì)上的不同。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，一般超過1m，典型值為110m；微波RFID的電子標簽較小，使天線的小型化成為設計的重點；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；微波RF

20、ID天線要求低造價，因此出現(xiàn)了許多天線制作的新技術。  微波RFID天線的結(jié)構(gòu)、圖片和應用方式微波RFID天線結(jié)構(gòu)多樣，是物聯(lián)網(wǎng)天線的主要形式，可以應用在制造、物流、防偽和交通等多種領域，是現(xiàn)在RFID天線的主要形式。1微波RFID天線的結(jié)構(gòu)和圖片微波RFID天線有如下特點。（1）微波RFID天線的結(jié)構(gòu)多樣。（2）很多電子標簽天線的基板是柔軟的，適合粘帖在各種物體的表面。（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）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽，很多是在條帶上批量生產(chǎn)。（5）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽尺寸很小。（6）有些天線提供可擴充裝置，來提供短距離和長

21、距離的RFID電子標簽。2微波RFID天線的應用方式微波RFID天線的應用方式很多，下面以倉庫流水線上紙箱跟蹤為例，給出微波RFID天線在跟蹤紙箱過程中的使用方法。（1）紙箱放在流水線上，通過傳動皮帶送入倉庫。（2）紙箱上貼有標簽，標簽有兩種形式，一種是電子標簽，一種是條碼標簽。為防止電子標簽損毀，紙箱上還貼有條碼標簽，以作備用。（3）在倉庫門口，放置3個讀寫器天線，讀寫器天線用來識別紙箱上的電子標簽，從而完成物品識別與跟蹤的任務。  微波RFID天線的設計（1）微波RFID天線的設計，需要考慮天線采用的材料、天線的尺寸、天線的作用距離，并需要考慮頻帶寬度、方向性和增益等電參數(shù)。微波

22、RFID天線主要采用偶極子天線、微帶天線、非頻變天線和陣列天線等，下面對這些天線加以討論。1彎曲偶極子天線偶極子天線即振子天線，是微波RFID常用的天線。為了縮短天線的尺寸，在微波RFID中偶極子天線常采用彎曲結(jié)構(gòu)。彎曲偶極子天線縱向延伸方向至少折返一次，從而具有至少兩個導體段，每個導體段分別具有一個延伸軸，這些導體段借助于一個連接段相互平行且有間隔地排列，并且第一導體段向空間延伸，折返的第二導體段與第一導體段垂直，第一和第二導體段擴展成一個導體平面。彎曲偶極子天線如圖6.7所示。 （點擊查看大圖）圖6.7  彎曲偶極子天線因為尺寸和調(diào)諧的要求，偶極子天線采用彎曲結(jié)構(gòu)是一個

23、自然的選擇。彎曲允許天線緊湊，并提供了與彎曲軸垂直平面上的全向性能。為更好控制天線電阻，增加了一個同等寬度的載荷棒作為彎曲輪廓；為供給芯片一個好的電容性阻抗，需進一步彎曲截面；彎曲輪廓的長度和載荷棒可以變更，以獲得適宜的阻抗匹配。彎曲天線有幾個關鍵的參數(shù)，如載荷棒寬度、距離、間距、彎曲步幅寬度和彎曲步幅高度等，如圖6.7所示。通過調(diào)整上述參數(shù)，可以改變天線的增益和阻抗，并改變電子標簽的諧振、最高射程和帶寬。圖6.8給出了一種最高射程與頻率的曲線關系。 （點擊查看大圖）圖6.8  電子標簽最高射程與頻率的曲線關系2微帶天線微波RFID常采用微帶天線。微帶天線是平面型天線，具有

24、小型化、易集成、方向性好等優(yōu)點，可以做成共形天線，易于形成圓極化，制作成本低，易于大量生產(chǎn)。微帶天線按結(jié)構(gòu)特征分類，可以分為微帶貼片天線和微帶縫隙天線兩大類；微帶天線按形狀分類，可以分為矩形、圓形和環(huán)形微帶天線等；微帶天線按工作原理分類，可以分成諧振型（駐波型）和非揩振型（行波型）微帶天線。下面將微帶天線分為3種基本類型進行討論，這3種類型分別是微帶駐波貼片天線、微帶行波貼片天線和微帶縫隙天線。（1）微帶駐波貼片天線。微帶貼片天線（MPA）是由介質(zhì)基片、在基片一面上任意平面幾何形狀的導電貼片和基片另一面上的地板所構(gòu)成。貼片形狀可以是多種多樣的，實際應用中由于某些特殊的性能要求和安裝條件的限制，

25、必須用到某種形狀的微帶貼片天線，為使微帶天線適用于各種特殊用途，對各種幾何形狀的微帶貼片天線進行分析就具有相當?shù)闹匾?。各種微帶貼片天線的貼片形狀如圖6.9所示。（2）微帶行波貼片天線。微帶行波天線（MTA）是由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長TEM波傳輸線和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負載，當天線上維持行波時，可從天線結(jié)構(gòu)設計上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。各種微帶行波天線的形狀如圖6.10所示。 圖6.9  各種微帶貼片天線的貼片形狀 圖6.10  各種微帶行波天線的形狀（3）微帶縫隙天線。微帶縫隙天線由微帶饋線

26、和開在地板上的縫隙組成，微帶縫隙天線是把接地板刻出窗口即縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印刷出微帶線對縫隙饋電，縫隙可以是矩形（寬的或窄的）、圓形或環(huán)形。各種微帶縫隙天線的形狀如圖6.11所示。 圖6.11  各種微帶縫隙天線的形狀  微波RFID天線的設計（2）（4）微帶天線的工作原理。微帶天線進行工程設計時，要對天線的性能參數(shù)（例如方向圖、方向性系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等）預先估算，這將大大提高天線研制的質(zhì)量和效率，降低研制的成本。這種理論工作的開展，帶來了多種分析微帶天線的方法，例如傳輸線、腔模理論、格林函數(shù)法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計算微帶

27、天線的方向圖，其結(jié)果基本是一致的，特別是主波束。大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此可以用微帶天線或同軸線饋電。因為天線輸入阻抗不等于通常的50 傳輸線阻抗，所以需要匹配。矩形微帶天線的饋電方式基本上分成側(cè)饋和背饋兩種，不論哪種饋電方式，其諧振輸入電阻 Rin 很大，為使 Rin與50 饋電系統(tǒng)相匹配，阻抗變換器是不可少的。為實現(xiàn)匹配，輸入阻抗的大小必須知道，匹配可由適當選擇饋電的位置來做到，但是饋電的位置也影響輻射特性。很多微帶天線接近開路狀態(tài)，因此限制了天線的阻抗頻帶，為了使頻帶加寬，可增加基片的厚度，或減小基片的r值。微帶陣列天線的方向函數(shù)由兩個因子組成，其中一個為基本元天

28、線的方向函數(shù)，另一個就是長度為L的等幅同相連續(xù)陣的陣因子，如果改變介質(zhì)板的厚度、介電常數(shù)和微帶貼片的寬度等，就從根本上改變了微帶傳輸線上的波形。從對方向圖影響的角度來看，赤道面上方向圖影響不大，但在子午面上方向圖影響明顯，前傾的半圓形方向圖可能會變成橫8字型方向圖。3陣列天線陣列天線是一類由不少于兩個天線單元規(guī)則或隨機排列，并通過適當激勵獲得預定輻射特性的天線。就發(fā)射天線來說，簡單的輻射源比如點源、對稱振子源是常見的，陣列天線是將它們按照直線或者更復雜的形式，排成某種陣列樣子，構(gòu)成陣列形式的輻射源，并通過調(diào)整陣列天線饋電電流、間距、電長度等不同參數(shù)，來獲取最好的輻射方向性。目前隨著通信技術的迅

29、速發(fā)展，以及對天線諸多研究方向的提出，都促使了新型天線的誕生，這其中就包括智能天線。智能天線技術利用各個用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發(fā)射多個用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。自適應陣列天線是智能天線的主要類型，可以實現(xiàn)全向天線，完成用戶信號的接收和發(fā)送。自適應陣列天線采用數(shù)字信號處理技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。自適應天線陣是一個由天線陣和實時自適應信號接收處理器所組成的一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用反饋控制方法自動調(diào)準天線陣的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而且可以使有用信號得到加強，從而達到抗

30、干擾的目的。（1）微帶陣列天線。微帶陣列天線一般應用在幾百MHz到幾十GHz的頻率范圍，適合RFID系統(tǒng)使用。微帶陣列天線的優(yōu)點是饋電網(wǎng)絡可以與輻射元一起制作，并且可以將發(fā)送和接收電路集成在一起，是使用較為廣泛的陣列天線。圖 6.12 給出了一種八元微帶陣列天線，這個微帶陣列天線與物體的外立面共形，每個陣元為矩形，采用微帶線將陣元連接起來，并用同軸線當做饋線。圖6.12給出了陣元的結(jié)構(gòu)、陣元的連接方法、匹配的方法、饋電點的選取和饋線的形式等。 圖6.12  八元微帶陣列天線（2）八木天線。八木天線是一種寄生天線陣，它只有一個陣元是直接饋電的，其他陣元都是非直接激勵，是采用近

31、場耦合從有源陣元獲得激勵。八木天線有很好的方向性，較偶極子天線有較高的增益，實現(xiàn)了陣列天線提高增益的目的。八木天線如圖6.13所示。 （點擊查看大圖）圖6.13  八木天線八木天線的方向性八木天線比有源振子稍長一點的稱為反射器，它在有源振子的一側(cè)，起著削弱從這個方向傳來的電波或從本天線發(fā)射去的電波的作用；比有源振子略短的稱為引向器，它位于有源振子的另一側(cè)，能增強從這一側(cè)方向傳來的或向這個方向發(fā)射出去的電波。引向器可以有許多個，每根長度都要與其相鄰的并靠近有源振子的那根相同或略短一點。引向器數(shù)量越多，方向越尖銳，增益越高，但實際上超過四、五個引向器之后，這種增加就不太明顯了，

32、而體積大、自重增加、對材料強度要求提高、成本加大等問題卻逐漸突出。八木天線的"大梁"八木天線每個引向器和反射器都是用一根金屬棒做成，所有振子都是按一定的間距平行固定在一根"大梁"上，大梁也是用金屬材料做成的。振子中點不需要與大梁絕緣，振子的中點正好位于電壓的零點，零點接地沒有問題。而且這還有一個好處，在空間感應到的靜電正好可以通過這個中間接觸點，將天線金屬立桿導通到建筑物的避雷地網(wǎng)中去。八木天線的有源振子八木天線的有源振子是一個關鍵的單元，有源振子有兩種常見的形態(tài)，一種是直振子，另一種是折合振子。直振子是二分之一波長偶極振子，折合振子是直振子的變形。有源

33、振子與饋線相接的地方必需與主梁保持良好的絕緣，而折合振子中點仍可以與大梁相通。八木天線的輸入阻抗二分之一波長折合振子的輸入阻抗，比二分之一波長偶極天線的輸入阻抗高4倍。當加了引向器和反射器后，輸入阻抗的關系就變得復雜起來了。總的來說，八木天線的輸入阻抗比僅有基本振子的輸入阻抗要低很多，而且八木天線各單元間距越大則阻抗越高，反之則阻抗變低，同時天線的效率也降低。八木天線的阻抗匹配八木天線需要與饋線達到阻抗匹配，于是就有了各種各樣的匹配方法。一種匹配方法是在饋電處并接一段U型導體，它起著一個電感器的作用，和天線本身的電容形成并聯(lián)諧振，從而提高了天線阻抗。還有一種簡單的匹配做法，是把靠近天線饋電處的

34、饋線繞成一個約六、七圈的線圈掛在那里，這與U型導體匹配的原理類似。八木天線的平衡輸出八木天線是平衡輸出，它的兩個饋電點對"地"呈現(xiàn)相同的特性。但通常的收發(fā)信機天線端口卻是不平衡的，這將破壞天線原有的方向特性，而且在饋線上也會產(chǎn)生不必要的發(fā)射。一副好的八木天線，應該有"平衡不平衡"轉(zhuǎn)換。八木天線振子的直徑八木天線振子的直徑對天線性能有影響。直徑影響振子的長度，直徑大則長度應略短。直徑影響帶寬，直徑大，天線Q值低些，工作頻率帶寬就大一些。八木天線的架設架設八木天線時，要注意振子是與大地平行還是垂直，并注意收信、發(fā)信雙方保持姿態(tài)一致，以保證收發(fā)雙方保持相同的極

35、化方式。振子以大地為參考面，振子水平時，發(fā)射電波的電場與大地平行，稱為水平極化波；振子與地垂直時，發(fā)射的電波與大地垂直，是垂直極化波。  微波RFID天線的設計（3）4非頻變天線一般來說，若天線的相對帶寬達到百分之幾十，這類天線稱為寬頻帶天線；若天線的頻帶寬度能夠達到10:1，這類天線稱為非頻變天線。非頻變天線能在一個很寬的頻率范圍內(nèi)，保持天線的阻抗特性和方向特性基本不變或稍有變化?，F(xiàn)在RFID使用的頻率很多，這要求一臺讀寫器可以接收不同頻率電子標簽的信號，因此讀寫器發(fā)展的一個趨勢是可以在不同的頻率使用，這使得非頻變天線成為RFID的一個關鍵技術。非頻變天線有多種形式，主要包括平面等

36、角螺旋天線、圓錐等角螺旋天線和對數(shù)周期天線等。下面對上述非頻變天線加以介紹。（1）平面等角螺旋天線。平面等角螺旋天線是一種角度天線，有兩條臂，每一條臂都有兩條邊緣線，每一條邊緣線均為等角螺旋線。平面等角螺旋天線如圖6.14所示。 （點擊查看大圖）圖6.14  平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線的螺旋線符合如下極坐標方程： 在圖6.14中，兩個臂四條邊緣有相同的 ，由于平面等角螺旋天線的邊緣臂僅由角度決定，因此平面等角螺旋天線滿足非頻變天線對形狀的要求。平面等角螺旋天線的兩個臂可以看成是一對變形的傳輸線，臂上電流沿傳輸線邊傳輸、邊輻射、邊衰減，臂上每一小段都是輻射元，

37、總的輻射場就是輻射元的疊加。實驗表明，臂上電流在流過約一個波長后，就迅速衰減到20dB以上，終端效應很弱，存在截斷點效應，超過截斷點的螺旋線對天線輻射影響不大。平面等角螺旋天線的最大輻射方向與天線平面垂直，其方向圖近似為正弦函數(shù)，半功率波瓣寬度為90°，極化方式接近于圓極化。（2）圓錐等角螺旋天線。平面等角螺旋天線的輻射是雙方向的，為了得到單方向輻射，可以做成圓錐等角螺旋天線。圖6.15和圖6.16給出了兩種實際的圓錐等角螺旋天線。 圖6.15  內(nèi)部空心的圓錐等角螺旋天線 6.16  有基層的圓錐等角螺旋天線（3）對數(shù)周期天線。對數(shù)周期天線是

38、非頻變天線的另一種形式，它基于以下的概念：當某一天線按某一比例因子 變換后，若依然等于它原來的結(jié)構(gòu)，則天線的性能在頻率為 和頻率為 時保持相同。對數(shù)周期天線常采用振子結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，在短波、超短波和微波波段都得到了廣泛應用。對數(shù)周期天線如圖6.17所示。 圖6.17  對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線的饋電點選擇在最短振子處，天線的最大輻射方向由最長振子端指向最短振子端，極化方式為線極化，方向性系數(shù)主要為58dB。對數(shù)周期天線有時需要圓極化，兩幅對數(shù)周期天線可以構(gòu)成圓極化，這需要將這兩幅天線的振子相對垂直放置。圓極化對數(shù)周期天線如圖6.18所示。 （點擊查看大圖）圖6.

39、18  圓極化對數(shù)周期天線6.4  天線仿真設計方法在對天線粗略設計的基礎上，要想得到較精確的性能參數(shù)，就需要利用現(xiàn)代數(shù)值計算技術和軟件對天線進行仿真。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，電磁場數(shù)值解法和仿真軟件在天線設計和制造領域的應用越來越多，已經(jīng)成為天線技術的一個重要手段，這在科研院所和各大IT公司大量使用。天線仿真軟件功能強大，大大提高了復雜天線的設計效率，天線仿真和測試相結(jié)合，可以基本滿足天線設計的需要?，F(xiàn)在天線仿真軟件的種類很多，最主要的仿真軟件包括Ansoft HFSS、CST和 IE3D等，下面對這些仿真軟件加以簡單介紹，并討論天線仿真設計方法。  Anso

40、ft HFSS仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）是 Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件，是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，是業(yè)界公認的三維電磁場設計和分析的工業(yè)標準。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，HFSS以其仿真精度、可靠性、方便易用的操作界面和穩(wěn)定成熟的自適應網(wǎng)格剖分技術，成為高頻結(jié)構(gòu)設計的首選工具，已經(jīng)廣泛應用于航空、航天、電子、半導體、計算機和通信等多個領域，可以幫助工程師高效地設計各種高頻結(jié)構(gòu)，同時也成為當今天線設計領域最流行的設計軟件。1Ansoft HFSS軟件的主要功能Ansoft HFSS提供了簡潔直觀的用戶設計界面

41、，具有功能強大的電性能分析能力和后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，可以計算天線多種參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬等；可以繪制三維圖形，包括球形場分量、圓極化場分量、極化特性和軸比等。使用Ansoft HFSS可以完成的主要功能如下。（1）可以完成基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題及近遠場輻射問題。（2）可以完成端口特征阻抗和傳輸常數(shù)。（3）可以完成S參數(shù)和相應端口阻抗的歸一化。（4）可以完成結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。（5）由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前

42、唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，覆蓋了高頻設計的所有環(huán)節(jié)。2Ansoft HFSS軟件射頻和微波器件的設計功能Ansoft HFSS軟件能夠快速、精確地計算各種射頻和微波部件的電磁特性，得到優(yōu)化部件S參數(shù)、傳播特性和高功率擊穿特性的性能指標，并可以進行容差分析，幫助工程師們快速把握各類器件的電磁特性，完成設計任務。Ansoft HFSS軟件主要可以完成如下射頻和微波器件的設計功能。（1）完成波導器件的設計功能。（2）完成濾波器的設計功能。（3）完成轉(zhuǎn)換器的設計功能。（4）完成耦合器的設計功能。（5）完成功率分配器和功率合成器的設計功能

43、。（6）完成鐵氧體環(huán)行器和隔離器的設計功能。（7）完成腔體的設計功能等。3Ansoft HFSS軟件電真空器件的設計功能電真空器件包括行波管和速調(diào)管等，Ansoft HFSS本征模式求解器結(jié)合周期性邊界條件，能夠準確地仿真器件的色散特性以及結(jié)構(gòu)中的電磁場分布，為這類器件的設計提供了強有力的設計手段。4Ansoft HFSS軟件天線的設計功能Ansoft HFSS可以設計天線、天線陣及天線罩，為天線及其系統(tǒng)設計提供全面的仿真功能，從而降低天線設計成本，減少天線設計周期。Ansoft HFSS軟件主要可以完成如下方面的設計功能。（1）完成二維、三維遠場輻射方向圖的設計功能。（2）完成天線增益的設計

44、功能。（3）完成軸比的設計功能。（4）完成半功率波瓣寬度的設計功能。（5）完成內(nèi)部電磁場分布的分析功能。（6）完成天線阻抗的設計功能。（7）完成電壓駐波比的設計功能等。5Ansoft HFSS軟件仿真所需的時間一般來講，Ansoft HFSS軟件仿真所需的時間與天線的結(jié)構(gòu)和電尺寸有關，天線的結(jié)構(gòu)越復雜，天線的電尺寸越大，仿真所需的時間越長。如果采用個人計算機進行仿真，簡單天線的仿真時間在幾十分鐘到幾小時之間，復雜天線的仿真時間甚至需要幾天或更長  CSTmICROWAVE STUDIO仿真軟件CST MICROWAVE STUDIO仿真軟件是德國CST（Computer Simula

45、tion Technology）公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件，它采用有限積分算法，從數(shù)學上保證了其可計算的電尺寸比矩量法和有限元法要大得多。CSTMICROWAVE STUDIO仿真軟件使用方便，能為用戶的高頻設計提供直觀的電磁特性，可廣泛應用于移動通信、藍牙無線通信、信號集成和電磁兼容等領域。  IE3D仿真軟件IE3D仿真軟件是平面和三維電磁場仿真與優(yōu)化軟件包，是一個基于矩量法的電磁場仿真工具。IE3D仿真軟件利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而可以解決不連續(xù)性效應、耦合效應和輻射效應等問題。IE3D仿真軟件可以仿真S參數(shù)、VWSR、RLC等效電路、電流分布、近場分布

46、、輻射方向圖和效率等，在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF印制板電路、微帶天線、線天線和其他形式RF天線的設計方面是一個非常有用的工具。  仿真與調(diào)試仿真和調(diào)試是相輔相成的關系，對于同一個天線，最好一邊做仿真，一邊做調(diào)試，如果調(diào)試的結(jié)果和仿真的結(jié)果相差較大，看看仿真在設置上是否有不符合實際的地方，這樣可以看出哪些外部或者內(nèi)部條件對結(jié)果影響較大，將來仿真的時候就可以按照外部或者內(nèi)部實際條件去設置。6.5  RFID天線的制造工藝為適應世界范圍電子標簽的快速應用和發(fā)展，RFID天線采用了多種制作工藝，這些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來發(fā)展起來的新技術。RFID標簽天線應

47、該具有低成本、高效率和低污染的特性，并應考慮各種工藝對參數(shù)的影響，通過導電材料選取、網(wǎng)版選用和基材選擇等，結(jié)合實際工藝方法和工藝實驗，制作出天線實物。RFID天線制作工藝主要有線圈繞制法、蝕刻法和印刷法。低頻RFID電子標簽天線基本是采用繞線方式制作而成；高頻RFID電子標簽天線利用以上3種方式均可實現(xiàn)，但以蝕刻天線為主，其材料一般為鋁或銅；UHF RFID電子標簽天線則以印刷天線為主。各種標簽天線制作工藝都有優(yōu)缺點，下面將對各種工藝加以介紹。  線圈繞制法利用線圈繞制法制作RFID天線時，要在一個繞制工具上繞制標簽線圈，并使用烤漆對其進行固定，此時天線線圈的匝數(shù)一般較多。將芯片焊接

48、到天線上之后，需要對天線和芯片進行粘合，并加以固定。線圈繞制法制作的RFID天線如圖6.19所示。 （點擊查看大圖）圖6.19  線圈繞制法制作的RFID天線線圈繞制法的特點如下。（1）頻率范圍為125134kHz的RFID電子標簽，只能采用這種工藝，線圈的圈數(shù)一般為幾百到上千。（2）這種方法的缺點是成本高，生產(chǎn)速度慢。（3）高頻RFID天線也可以采用這種工藝，線圈的圈數(shù)一般為幾到幾十。（4）UHF天線很少采用這種工藝。（5）這種方法天線通常采用焊接的方式與芯片連接，此種技術只有在保證焊接牢靠、天線硬實、模塊位置十分準確以及焊接電流控制較好的情況下，才能保證較好的連接。由于

49、受控的因素較多，這種方法容易出現(xiàn)虛焊、假焊和偏焊等缺陷。  蝕刻法蝕刻法是在一個塑料薄膜上層壓一個平面銅箔片，然后在銅箔片上涂覆光敏膠，干燥后通過一個正片（具有所需形狀的圖案）對其進行光照，然后放入化學顯影液中，此時感光膠的光照部分被洗掉，露出銅，最后放入蝕刻池，所有未被感光膠覆蓋部分的銅被蝕刻掉，從而得到所需形狀的天線。蝕刻法制作的RFID天線如圖6.20所示。 （點擊查看大圖）圖6.20  蝕刻法制作的RFID天線蝕刻法的特點如下。（1）蝕刻天線精度高，能夠與讀寫機的詢問信號相匹配，天線的阻抗、方向性等性能等都很好，天線性能優(yōu)異且穩(wěn)定。（2）這種方法的缺點就是

50、成本太高，制做程序繁瑣，產(chǎn)能低下。（3）高頻RFID標簽常采用這種工藝。（4）蝕刻的RFID標簽耐用年限為十年以上。  印刷法印刷天線是直接用導電油墨在絕緣基板（薄膜）上印刷導電線路，形成天線和電路。目前印刷天線的主要印刷方法已從只用絲網(wǎng)印刷，擴展到膠印印刷、柔性版印刷和凹印印刷等，較為成熟的制作工藝為網(wǎng)印技術與凹印技術。印刷天線技術的進步，使RFID標簽的生產(chǎn)成本降低，從而促進了RFID電子標簽的應用。印刷天線技術可以用于大量制造13.56MHz和UHF頻段的RFID電子標簽。該工藝的優(yōu)點是產(chǎn)出最大，成本最低；但是這種方法的缺點是電阻大，附著力低，耐用年限較短。印刷法制作的RFID

51、天線如圖6.21所示。 （點擊查看大圖）圖6.21  印刷法制作的RFID天線1印刷天線的特點印刷天線與蝕刻天線、繞制天線相比，具有以下獨特之處。（1）可更加精確地調(diào)整電性能參數(shù)。RFID標簽的主要技術參數(shù)有諧振頻率、Q值和阻抗等。為了達到天線的最優(yōu)性能，印刷RFID標簽可以采用改變天線匝數(shù)、改變天線尺寸和改變線徑粗細的方法，將電性能參數(shù)精確調(diào)整到所需的目標值。（2）可滿足各種個性化要求。印刷天線技術可以通過局部改變線的寬度、改變晶片層的厚度、改變物體表面的曲率和角度等，來完成RFID多種使用用途，以滿足客戶各種個性化的要求，而不降低任何使用性能。（3）可使用各種不同基體材料。印刷天線可按用戶要求使用不同基體材料，除可以使用聚氯乙烯（PVC）外，還可使用共聚酯（