第2章 天线

第3章RFID中的天线技术3.1天线概述由发射机产生的高频振荡能量，经过传输线（在天线领域，传输线也称为馈线）传送到发射天线，然后由发射天线变为电磁波能量，向预定方向辐射。电磁波通过传播媒质到达接收天线后，接收天线将接收到的电磁波能量转变为导行电磁波，然后通过馈线送到接收机，完成无线电波传输的过程。天线在上述无线电波传输的过程中，是无线通信系统的第一个和最后一个器件。3.1.1天线的定义凡是利用电磁波来传递信息和能量的，都依靠天线来进行工作，天线是用来发射或接收无线电波的装置和部件。天线可以视为传输线的终端器件。天线作为一个单端口元件，要求与相连接的馈线阻抗匹配。天线的馈线上要尽可能传输行波，使从馈线入射到天线上的能量不被天线反射，尽可能多地辐射出去。天线与馈线、接收机、发射机的匹配或最佳贯通，是天线工程最关心的问题之一。3.1.2天线的分类1．按照波段分类长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。2．按照结构分类线状天线、面状天线、缝隙天线和微带天线等。3．按照用途分类广播天线、通信天线、雷达天线、导航天线和RFID天线等3.1.3天线的研究方法电磁场随时间变化是产生辐射的原因。频率低时，辐射较微弱；频率越高，辐射就越强。天线的结构应该使电场和磁场分布在同一空间，这样可以使两者能量直接转化，电磁能量可以向远处辐射。1．叠加原理天线的辐射符合叠加原理。（1）线天线。线天线首先求出元电流（或称为电基本振子）的辐射场，然后找出线天线上的电流分布，线天线的辐射是元电流辐射的线积分。（2）面天线。面天线将辐射问题分为内问题和外问题，由已知激励源求天线封闭面上的场为内问题，由封闭面上的场求外部空间辐射场为外问题。在求天线的外问题时，辐射场也要用到叠加原理。2．研究天线的3个方法研究天线辐射的常用方法有如下3种。解析解数值解仿真软件3.1.4RFID天线的应用及设计现状1.RFID天线的应用现状影响RFID天线应用性能的参数主要有天线类型、尺寸结构、材料特性、成本价格、工作频率、频带宽度、极化方向、方向性、增益、波瓣宽度、阻抗问题和环境影响等，RFID天线的应用需要对上述参数加以权衡。1）RFID天线应用的一般要求电子标签天线阅读器天线2）RFID天线的极化3）RFID天线的方向性4）RFID天线的阻抗问题5）RFID的环境影响2.RFID天线的设计现状RFID电子标签天线的设计RFID读写器天线的设计RFID天线的设计步骤3.2低频和高频RFID天线技术在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线，线圈之间存在互感，使一个线圈的能量可以耦合到另一个线圈，因此读写器天线与电子标签天线之间采用电感耦合的方式工作。读写器天线与电子标签天线是近场耦合，电子标签处于读写器的近区，当超出上述范围时，近场耦合便失去作用，开始过渡到远距离的电磁场。当电子标签逐渐远离读写器，处于读写器的远区时，电磁场将摆脱天线，并作为电磁波进入空间。本节所讨论的低频和高频RFID天线，是基于近场耦合的概念进行设计。低频和高频RFID天线有如下特点。（1）天线都采用线圈的形式。（2）线圈的形式多样，可以是圆形环，也可以是矩形环。（3）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。（4）有些天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。（5）由天线和芯片构成的电子标签，可以比拇指还小。（6）由天线和芯片构成的电子标签，可以在条带上批量生产。3.3微波RFID天线技术微波RFID技术是目前RFID技术最为活跃和发展最为迅速的领域，微波RFID天线与低频、高频RFID天线相比有本质上的不同。微波RFID天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1m，典型值为1～10m；微波RFID的电子标签较小，使天线的小型化成为设计的重点；微波RFID天线形式多样，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RFID天线要求低造价，因此出现了许多天线制作的新技术。3.3.1微波RFID天线的结构、图片和应用方式1．微波RFID天线的结构和图片2．微波RFID天线的应用方式微波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RFID天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。（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，从而完成物品识别与跟踪的任务。3.3.2微波RFID天线的设计微波RFID天线的设计，需要考虑天线采用的材料、天线的尺寸、天线的作用距离，并需要考虑频带宽度、方向性和增益等电参数。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等。1．弯曲偶极子天线偶极子天线即振子天线，是微波RFID常用的天线。为了缩短天线的尺寸，在微波RFID中偶极子天线常采用弯曲结构。弯曲偶极子天线纵向延伸方向至少折返一次，从而具有至少两个导体段，每个导体段分别具有一个延伸轴，这些导体段借助于一个连接段相互平行且有间隔地排列，并且第一导体段向空间延伸，折返的第二导体段与第一导体段垂直，第一和第二导体段扩展成一个导体平面。弯曲天线有几个关键的参数，如载荷棒宽度、距离、间距、弯曲步幅宽度和弯曲步幅高度等。通过调整上述参数，可以改变天线的增益和阻抗，并改变电子标签的谐振、最高射程和带宽。2．微带天线微波RFID常采用微带天线。微带天线是平面型天线，具有小型化、易集成、方向性好等优点，可以做成共形天线，易于形成圆极化，制作成本低，易于大量生产。微带天线按结构特征分类，可以分为微带贴片天线和微带缝隙天线两大类；微带天线按形状分类，可以分为矩形、圆形和环形微带天线等；微带天线按工作原理分类，可以分成谐振型（驻波型）和非揩振型（行波型）微带天线。（1）微带驻波贴片天线。微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。贴片形状可以是多种多样的。（2）微带行波贴片天线。微带行波天线是由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线和基片另一面上的地板组成。TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。（3）微带缝隙天线。微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成，微带缝隙天线是把接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电，缝隙可以是矩形（宽的或窄的）、圆形或环形。（4）微带天线的工作原理。微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数（如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等）预先估算，将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 微带天线的方法，如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果基本是一致的，特别是主波束。3．阵列天线阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列，并通过适当激励获得预定辐射特性的天线。就发射天线来说，简单的辐射源比如点源、对称振子源是常见的，阵列天线是将它们按照直线或者更复杂的形式，排成某种阵列样子，构成阵列形式的辐射源，并通过调整阵列天线馈电电流、间距、电长度等不同参数，来获取最好的辐射方向性。（1）微带阵列天线。微带阵列天线一般应用在几百兆赫兹到几十吉赫兹的频率范围，适合RFID系统使用。微带阵列天线的优点是馈电网络可以与辐射元一起制作，并且可以将发送和接收电路集成在一起，是使用较为广泛的阵列天线。（2）八木天线。八木天线是一种寄生天线阵，只有一个阵元是直接馈电的，其他阵元都是非直接激励，是采用近场耦合从有源阵元获得激励。八木天线有很好的方向性，较偶极子天线有较高的增益，实现了阵列天线提高增益的目的。4．非频变天线一般来说，若天线的相对带宽达到百分之几十，这类天线称为宽频带天线；若天线的频带宽度能够达到10:1，这类天线称为非频变天线。非频变天线能在一个很宽的频率范围内，保持天线的阻抗特性和方向特性基本不变或稍有变化。非频变天线有多种形式，主要包括平面等角螺旋天线圆锥等角螺旋天线对数周期天线3.4RFID天线的制造工艺RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法。低频RFID电子标签天线基本是采用绕线方式制作而成；高频RFID电子标签天线利用以上3种方式均可实现，但以蚀刻天线为主，其材料一般为铝或铜；UHFRFID电子标签天线则以印刷天线为主。3.4.1线圈绕制法利用线圈绕制法制作RFID天线时，要在一个绕制工具上绕制标签线圈，并使用烤漆对其进行固定，此时天线线圈的匝数一般较多。将芯片焊接到天线上之后，需要对天线和芯片进行粘合，并加以固定。3.4.2蚀刻法蚀刻法是在一个塑料薄膜上层压一个平面铜箔片，然后在铜箔片上涂覆光敏胶，干燥后通过一个正片（具有所需形状的图案）对其进行光照，然后放入化学显影液中，此时感光胶的光照部分被洗掉，露出铜，最后放入蚀刻池，所有未被感光胶覆盖部分的铜被蚀刻掉，从而得到所需形状的天线。3.4.3印刷法印刷天线是直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜）上印刷导电线路，形成天线和电路。目前印刷天线的主要印刷方法已从只用丝网印刷，扩展到胶印印刷、柔性版印刷和凹印印刷等，较为成熟的制作工艺为网印技术与凹印技术。1．印刷天线的特点印刷天线与蚀刻天线、绕制天线相比，具有以下独特之处。（1）可更加精确地调整电性能参数。（2）可满足各种个性化要求。（3）可使用各种不同基体材料。（4）可使用各种不同厂家提供的晶片模块2．导电油墨与RFID印刷天线技术导电油墨印刷天线技术的特点如下。（1）成本低。（2）导电性好。（3）操作容易。（4）无污染。（5）使用时间短。3．RFID印刷天线的应用价值（1）促进各行业RFID应用。对于一般商品，RFID标签的使用会导致产品成本的提高，从而阻碍了RFID技术的进一步应用。但导电油墨技术可使RFID应用走出成本瓶颈，利用导电油墨进行RFID标签天线的印刷，可大大降低HF及UHF天线的制作成本，从而降低RFID标签的总体成本。（2）促进印刷产业的发展。RFID天线的制作需要借助于先进的印刷技术，这无疑为印刷行业拓宽了发展的方向，使印刷行业不再仅仅局限于传统的纸面印刷，而是与自动识别行业、半导体行业等有了交叉点，这可以促进各个行业的共同进步。