（光学工程专业论文）基于rfid的圆极化天线的研究.pdf

摘要 摘要 从圆极化波产生理论出发，建立了三种分别采用双馈点馈电、微带馈电和探 针馈电的圆极化天线的理论模型，对性能参数进行了优化，并对天线的关键尺寸 进行分析，用仿真图形及表格清晰地描述了寄生单元的长宽、切角、辐射面大小 等关键尺寸对于增益、轴比、阻抗等性能的影响规律，并由得出的规律对三种馈 电方式的优缺点进行分析总结，得出结论：双馈点馈电的带宽良好但设计复杂， 微带馈电的匹配网络简单但不易实现小型化，探针馈电使性能过于敏感。系统地 给出了r f i d 圆极化天线设计的一般性方法。 微带天线的带宽、增益与小型化之间存在着固有矛盾，本文在深入研究小型 化、宽频等关键技术的基础上，对天线结构进行创新，提出了在介质基片上挖孔 的方法。通过调节孔的直径来调节等效介电常数，进而调节品质因素，成功地解 决了三者之间的矛盾。将结构电容引入了i 心i d 阅读器天线的阻抗匹配网络。加载 结构电容的作用相当于与馈电微带并联电容，此方法成功解决了圆极化天线不易 加载匹配元件的问题。 根据圆极化天线阵原理，设计出形式新颖的采用偶极子天线组阵的天线阵和 应用于e t c 系统的八元微带天线阵。采用2 4 的组阵形式及串并联结合的馈电网 络，成功地将e t c 天线阵的阻抗匹配到5 0 q ，并达到了e t c 系统对于波束宽度 的要求。 关键词：无线射频识别技术圆极化天线馈电方式天线带宽匹配网络 a b s t r a c t 2 a b s 仃a c t b a s e do nl e t l l e o 巧 a b o u t c i r c u l a r l yp o l a r i z e dw a v e ，m r e em o d e l s o f d o u b l y f e e d i n gp o i m f e e d ，i i l i c r o s t r i p f e e d a n d p r o b e - f e e da i l t 锄a h a v e b e e n e s t a b l i s h e d p e r f o 肌a n c ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d ，a n dt l l ek e ys i z e so fa n t e i l n aa r e a n a l y z e d ，e 舵c t so ft h ec r i t i c a ls i z e s ，t l l a ta r es i z e so fp 黜a s i t i ce l e m e n t ，c o m e ra n d r a d i a t i n gs u r f a c e ，o ng a i n ，a ) 【i a lr a t i oa n di m p e d a i l c ea r ed e s c 曲e dc l e a l l yb ys i m u l a t i o n 黟a p k c sa 1 1 d 讪l e s a c c o r d i n gt ot 1 1 i sm ea d v a m a g e sa i l dd i s a d v a n 恤g e so ft l r e ef e e d m e m o d sa r ea n a l y z e da i l ds l l l 】m a r i z e d ，a n dc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ：b a n d w i d n lo f d o u b l y - f e e d i n gp o i n t - f e e da n t e 皿ai sg o o d ，b u tt 1 1 e 、v a yo fd e s i g ni sc o m p l e x ；m a t c h i n g n e t w o r ko fm i c r o s t r i p - f e e da n t e n n ai s s i r n p l e ，b u tm i l l ia _ t u r i z a t i o ni sn o te a s yt ob e r e a l i z e d ；p e r f o r n ：1 a n c e so fp r o b e - f e e d 姐t e 皿aa r et o os e n s i t i v e t h eu n i v e r s a lm e t l l o d s o fd e s i g m n gc 沁u l a r l yp o l a r i z e di u i da n t e n n aa r ep r e s e m e ds y s t e m a t i c a l l y t h e r ea r ei r l l l e r e n tc o n t r a d i c t i o n sa r n o n gb a n d 、i d t h ，g a i na n dm i l l i 州z a t i o n ，o n t h eb 撕so fs t u d yo nk e yt e c l l o l o g i e ss u c h 嬲m i n i a t u r i z a t i o na i l d 谢d e - b a i l d ，t 1 1 e s t m c t u r eo fc i r c u l 砌yp o l a r i z e da n t e i u l ai si i l l l o v a t e db yd i g g i n gah o l eo nm e d i u m b o a r dw h j c hs o l v e sc o n t r a d i c t i o n s 锄o n gt h e m t h o u g ha 由u s t i n gt h ed i 锄e t e ro ft 1 1 e h o l eo nm e d i u i nb o a r de q u i v a l e n td i e l e c 仃i cc o n s t a n to fm e d i u mb o a r di sc l m g e d ，a n d q u a j i t ) ，f i a c t o ri sr e g u l a t e d t h es t l l l c t u r ec a p a c i 协c ei su s e di ni m p e d a n c e m a t c h ，w m c h p a r a l l e l sw i t ht l ：l ef e e dm i c r o s t r i p e i i lt h i sw l yp r o b l e mo fl o a d i n gm a t c ho nt h er f i d r e a d e ra 1 1 t e m l ai ss o l v e dp r i m l y a c c o r d i n gt ot l l e o 巧a _ b o u tc i r c u l a d yp o l a r i z e da n t e m l aa r r a mar l o v e ld i p o l e a n t e r ma n a ya i l de i 曲t u 1 1 i tm i c r o 嘶pa n t e i l i l aa n a yf o re t cs y s t e ma r ed e s i g i l e d t h e f e e dn e t w o r k ，i nw 1 1 i c hf o m l so fs e r i e sa n dp a r a l l e la r eu s e d ，a r l d2 4a 1 1 r a yf o r mi s a d o p t e d ，n m st h ei i l l p e d a l l c eo fe t c a 1 1 t e m l aa 玎a yi sma t i ：h e dt o5 0o h ms u c c e s s m l l y ， a i l dr e q u i r e m e n t so fe t cs y s t e mf o rh p b wi sm e t k e y w o r d ：r f i dc i r c u l a r i yp o l a r i z e da n t e n n a f e e dm e t h o d a n t e n n ab a n d w i d t h m a t c h i n gn e t w o r k 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 不实之处，本人承担一切相关责任。 日期星婴：圭：f 翌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影邱、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 年解密后适用本授权书。 日期兰翌皇兰：坦 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源 本学位论文开展的研究工作，得到了中兴通信天津研究所的“基于i 讧i d 阅读 器天线 项目的大力支持，i 讧i d 即无线射频识别技术( i 溯i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 。通过深入研究i 江i d 圆极化天线理论，对馈电方式对于天线性能的 影响进行了分析和研究，并在结构和匹配网络上进行创新，为今后圆极化天线的 研究打下基础。 1 2 课题的目的和意义 r f i d 技术的研究在国内起步较晚。由于知识产权观念淡薄等因素影响，国内 产业界对r f i d 天线专利问题没有引起足够的重视，普遍借用国外的i 心i d 天线式 样，迄今为止，检索到的国内i 讧i d 专利只有1 0 0 多项，且7 0 以上是国外公司注 册的，国内企业和高校申请的专利较少【l 】。在自主知识产权的专利中，又以应用 方面的专利为主，技术类型的发明专利很少【2 】。值得关注的是，国外与i 讧i d 天线 研究相关的文献，大部分是针对特定标签i c 的试验性研究【3 j ，较少论述天线结构 方面的参数对l 强i d 天线性能的影响，缺乏具有普遍意义的天线设计理论和技术。 所以该课题的目的是通过设计仿真调试r f i d 圆极化天线对这些不足和空白进行 探索，对这一目前发展较慢、研究较少、但有潜力的课题展开开放式研究，力图 发现创新点。 基于i 讧i d 的阅读器天线应具有工作距离长( 大于1 米) ，通信速度高，可绕 开障碍物，无需保持视线接触，可定向识别的优点【4 】。尤其是随着电子技术的迅猛 发展和制造技术水平的不断提高，射频识别技术发展非常迅速，具有巨大的发展 和应用潜力【l 】。但我国的现状是应用基础薄弱、应用分散并缺乏规模优势，没有掌 握芯片设计制造、天线设计、封装技术等核心技术【5 】。另一方面，i 强i d 技术门槛 略高，相关的工作频率标准没有确定，涉足的企业相对少，产品应用成本高，应 用相对滞后，其市场占有率还不到1 0 ，有待于进一步发展【6 j 。i 江i d 系统的关键 部件是天线，其实际应用的关键也取决于其天线的设计。因此，面对i 强i d 天线严 重的发展滞后问题，对其进行研究和设计，使其发挥出自身巨大的优势和重要的 作用，显得尤为迫切。实际上，研究i 强i d 天线技术对r f i d 技术的成熟和应用具 有重要的理论意义和实用价值。 天线是影响无线通信系统可靠性等性能的关键因素之一，选择合适的天线使 其满足系统性能指标的要求是非常重要的。由于标签摆放位置的不固定，因此要 2 基于r f i d 的圆极化天线的研究 求读取其信息的阅读器天线是圆极化。在r f i d 领域中，圆极化天线有着重要应用， 已成为当前国内外研究热点。故与线极化天线相比，圆极化天线应用更广、发展 潜力更大。对圆极化天线的研究会大大加快r f i d 设备的普及速度。 1 3 所选课题的国内外科技发展动态 r f i d 是从二十世纪九十年代开始兴起并逐渐走向成熟的一项利用射频信号进 行非接触式双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术【3 1 。 它是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的目的。r f i d 技术具有条形码所不具备的优点【3 】：体 积小、抗污染、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大，且标签上的数据可加 密，数据的记忆容量大，存储信息更改自如，且具有穿透性，能实现非视距扫描 和无屏障阅读，并可多次重复使用。如果i 强i d 技术能与电子供应链紧密联系，那 很可能在几年内取代条形码扫描技术。 r f i d 技术在国外发展较早较快，尤其是美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日 本、南非等国，均已拥有了较为成熟且先进的r f i d 技术【7 1 。目前，i 江i d 技术已 被广泛应用于工业自动化、交通运输控制管理、物资跟踪等众多领域，如高速公 路自动收费系统、流水线生产自动化、安全出入检查、身份识别等【8 】【9 1 。其应用仍 层出不穷：基于i 江i d 技术的车载防盗系统，德国试用非接触式的射频卡作为飞机 票，m o t o r o l a 公司在超净车间里利用r f i d 技术来控制流水线的零件流向。 在r f i d 技术发展的头十年，有关i 心i d 技术国际标准的研讨空前热烈。国际 化标准组织( i s o i e c ) 的联合技术委员会( j t c l ) 下的s c 3 1 下级委员会，成立 了i 强i d 标准化研究工作组w g 4 【l 训。目前美国已经在i 强i d 标准的建立及相关软 硬件技术的开发、应用领域走在了世界的前列【1 0 】。欧洲r f i d 标准则追随美国主导 的e p c g l o b a l 标准【1 1 j 。另外，国际的i s o i e c1 8 0 0 0 标准和日本的u i d 标准也具 有很强的影响力【1 2 j 。目前，美国e p c 9 1 0 b a l 、国际i s o i e c1 8 0 0 0 、日本u i d 三大 标准之间的争夺日益剧烈，已进入白热化阶段。 与美德日等发达国家相比，中国在i 强i d 技术和应用上还只是处于发展初期。 在i 讧i d 技术研究及产品开发方面国内已具有了自主开发低频、高频与微波i 强i d 电子标签与读写器的能力。中国i u i d 企业总数有1 0 0 多家，i 强i d 行业产业链基 本形成，但是缺乏相关的r f i d 关键技术，自主知识产权的产品较少【1 3 】。目前我国 i 玎i d 应用市场上大的项目寥寥可数。迄今为止最大的项目是学生证的防伪，用量 达到2 0 0 0 万；其次是火车车皮和集装箱的识别，用量也达到了百万左右；再就是 对高压气瓶等安全物品及计价器的防伪等。可喜的是，2 0 0 6 年中国i 江i d 领域各 种新技术和应用点不断出现【3 j 。r f i d 相关应用与技术发展进入了真正的市场争夺 第一章绪论 阶段。中国射频识别技术政策白皮书于2 0 0 6 年6 月9 号出台，为中国的r f i d 发 展指明了方向，奠定了基础。 目前i 江i d 系统的工作频率基本可分为1 2 5 k h z 的低频( l f ) ，1 3 5 6 m h z 的高 频( 肼) ，9 0 0 m h z 左右的超高频( u h f ) 以及2 4 g h z 的微波频段( m i c r o w a v e ) 。 低频和高频i 强i d 发展较早，技术成熟，产品应用广泛，由于其技术门槛低，产品 成本低，使得这两个频段的产业得到充分发展，例如二代身份证的大规模换发和 电子标签与芯片研发机构开发的国产高频电子标签的规模化量产【2 】。超高频i 江i d 发展较晚，但超高频频段市场潜力巨大，是迫切需要开发的领域。 由于r f i d 技术的标准问题、个人隐私的安全问题及电磁辐射对人体健康的负 影响等诸多因素，其发展受到定的制约。针对i 强i d 的侵权和隐私问题，我国已 鼓励开发“夹子标签”技术，使标签不能被随意读取【7 j 。 r f i d 天线除了追求性能和品质的提升外，将朝着宽频及多频的应用方面发展， 在具体制作技术上将朝着小型化、平面化及易于制作的方向发展。从技术的角度 来说，i 讧i d 技术的发展有待于若干关键技术的突破，这些关键技术包括天线技术、 无线收发技术、电磁传播技术等。 对于r f i d 阅读器天线，前人主要的研究成果包括宽频带技术和实现圆极化的 方法。宽频带技术主要是采用厚的低介电常数基片和修改谐振电路来进行频带扩 展【1 8 】【2 3 1 。圆极化主要是采用不同的馈电方式来实现，包括单馈点馈电、双馈点馈 电和口径耦合馈电等方法【l 引。 1 4 研究方法及设想 本文采取理论、仿真及对实际天线调测研究相结合的研究方法。先从理论上 进行研究，得出天线尺寸的理论值，再利用h f s s 仿真软件对设计的天线模型进行 仿真，得到天线关键参数的曲线图，然后对之进行分析，力求掌握该天线的特性， 进而将关键参数优化到所需的数值。最后利用网络分析仪等仪器对仿真优化后制 作出来的天线进行测试，并根据测试结果进行调试。通过仿真、分析、测试及多 次的调试过程，对r f i d 圆极化天线进行探索研究，掌握其各方面的特性。 通过研究发现，小型化、扩频及馈电技术之间往往存在着不可调和的矛盾， 这一矛盾使r f i d 圆极化阅读器天线的增益、轴比、带宽性能很难达到某种平衡而 同时良好。本文设想能否通过结构上的创新来改善各性能，如采用特殊形式的匹 配网络或介质基片，使各性能达到一个平衡点。 1 5 主要工作及章节内容 本文主要是针对基于i 强i d 的圆极化天线进行研究，尤其针对馈电方式、小型 4 基于r f d 的圆极化天线的研究 化、扩展带宽及匹配网络。 首先阐述r f i d 圆极化天线的基本性能参数和优化圆极化天线性能的各种关 键技术。其次对实现圆极化的三种馈电方式，包括双馈点馈电、微带边馈和探针 馈电，及其对增益、轴比、带宽等性能的影响进行研究，总结出了三种馈电方式 各自的优缺点。在此基础上设计天线，系统地给出了i 江i d 圆极化天线设计的一般 方法。成功设计了三种采用双馈点馈电、微带边馈和探针馈电的圆极化天线，对 天线的关键尺寸进行分析仿真，运用得到的仿真结果归纳了关键尺寸影响天线性 能的规律。在设计方面进行创新，创造性地提出通过调节介质板上孔的大小来调 整等效介电常数的方法，创新地引入了结构电容。在对单个天线深入研究的基础 上，对天线单元进行组阵，设计了一种偶极子组阵的新型组阵方式。对e t c 系统 进行分析，对组阵形式和馈电网络进行了重点的设计和分析，得到一款半功率波 束宽度为1 9 0 3 2 5 4 0 ，阻抗为5 0 q 的八元微带天线阵。 本文的主要结构和章节包括： 第一章从当今的i 强i d 天线的研究现状和发展状况出发，提出了研究基于r f i d 的圆极化天线的意义和必要性，对圆极化天线的研究方法及国内外的研究成果进 行了较为系统的论述。 第二章对i 讧i d 系统及其实现原理进行了简要介绍，详细描述了衡量l 讧i d 天 线的主要性能指标。 第三章对优化i 讧i d 天线性能的三种重要的关键技术进行了阐述，为r f i d 天 线的设计和优化奠定技术基础。且经过分析，初步提出了通过改变结构来解决小 型化技术与扩展带宽技术之间矛盾的构想。 第四章对于圆极化波的产生方式及其性质进行了介绍，并对微带天线、单馈 点圆极化微带天线及微带天线阵的原理做了详细说明，为基于i 强i d 的圆极化天线 的设计奠定了良好的理论基础。 第五章运用圆极化天线的设计原理和优化性能的关键技术，设计并研究了三 款不同馈电方式的圆极化天线，包括双馈点馈电、微带边馈和探针馈电，并系统 地阐述了解决带宽、小型化、增益和匹配之间固有矛盾的方法，在天线的结构上 进行了创新。在匹配网络的设计上引入结构电容，详细描述了结构电容的原理及 调整方式，成功地解决了不易加载匹配的难题。 第六章根据圆极化天线阵的原理，借助h f s s 仿真软件设计并优化了两款 i 讧i d 圆极化天线阵：偶极子组阵的天线阵和e t c 系统的微带八元天线阵，并通过 测试e t c 天线的实物对理论仿真模型进行了验证。 第二章基于r f d 系统的天线的基本理论 5 第二章基于r fld 系统的天线的基本理论 2 1 r f i d 系统的组成及工作原理 i 冲i d 应用系统的基本组成部分主要包括：标签、阅读器、中间件以及业务应 用，如图2 1 所示。 a 1 口n o d 6 d 0 0 1 b r a a a lb i c 口 皇壕铷 g t a g r e a d e rm i d d l e w a f e 图2 1r f d 系统 r f i d n h 钟k 其中，阅读器是进行数据的收集并发射射频信号的，其无线接口为阅读器天 线，天线用来发射射频信号来进行标签的读取。标签是记录数据的载体，分为天 线、芯片和封装几部分，标签的天线是标签的无线接口。标签和阅读器通过阅读 器天线进行无线通信。 阅读器通过天线发射特定频率的无线电波能量，当标签进入该磁场( 或电磁 场) 时产生感应电流，同时利用此能量发送出自身编码等信息，阅读器读取信息 并解码后传送至主机进行相关处理，从而达到自动识别物体的目的【2 l j 。在实际应 用中，电子标签附着在待识别物体的表面，其中保存有约定格式的电子数据。 在实际应用中，诸多环境因素会对r f i d 天线的性能造成很大的影响。首先是 金属的影响。金属在天线的磁场里产生蜗旋电流，改变天线的场结构；其次为附 近天线的影响。当一个标签天线放在阅读器天线旁边并且调至频率相同时，此天 线就从周围的场消耗能量，造成阅读器天线的能量损耗；再者，温度会对天线的 性能造成重要影响。天线和匹配电路元器件的电参数的温漂也会引起阅读器天线 的失谐【2 2 1 。 天线是i 玎i d 系统的重要组成部分，几乎可以用任何导电材料制作，比如用铜 或铝都会得到较好的效果，起到收发电磁波、完成无线通信的作用。天线性能的 好坏直接影响系统的质量，天线的性能主要取决于其自身的性能参数。 ，罄整o灌磊堕隳煞 6 基于r f i d 的圆极化天线的研究 2 2 1 天线的增益 2 2 r f i d 天线的主要性能参数 方向性系数是以辐射功率为基点的，没有考虑天线的能量转换效率，为了更 完整地描述天线性能，改用以天线输入功率为基点来定义天线增益，即在输入功 率相同条件下，天线在某方向某点产生的场强的平方与点源天线在同方向同一点 产生场强的平方的比值，即天线的增益为1 4 】： g ( 咖) = 掣 或者定义为在某方向某点产生相同场强的情况下， 输入功率的比值【1 4 1 ，即： g ( 咖) 2 赢 通常天线增益均指最大辐射方向的增益。 接收天线的增益可写为1 4 】： ( 2 1 ) 点源的输入功率与该天线 ( 2 2 ) g ( 9 ，9 ) = ! 掣( 相同来波场强) ( 2 3 ) 主瓣最大值方向接收时，则有1 4 】： g ( 臼，妒) = 争( 相同来波场强) ( 2 _ 4 ) 发射和接收天线增益尽管含义不同，但数值是一样的。天线增益也被称为增 益系数或功率增益。 天线增益不仅反映天线的辐射能力，还考虑了天线的损耗因数。 2 2 2 阻抗特性 首先，i 心i d 天线最重要的阻抗特性就是天线的输入阻抗。天线输入端电压与 输入端电流的比值定义为天线的输入阻抗【l4 1 ，工程上一般用天线馈电点处的电压 与电流之比来表示。它通常是一个复阻抗，具有电阻及电抗两部分。当输入电压 与输入电流同相时，输入阻抗成纯阻性【1 4 1 。接到发射机或接收机的天线，其输入 阻抗则等效为发射机或接收机的负载。因此输入阻抗值的大小就表征天线与发射 机或接收机的匹配状况，即表示导行波与辐射波之间能量转换的好坏，故是天线 的重要电路参数【1 4 】。且输入阻抗是频率的函数。r f i d 天线的阻抗应该设计成5 0 q 或者是7 5q ，以便于和常规的馈线实现阻抗匹配。 第二章基于r f d 系统的天线的基本理论 其次介绍损耗电阻。 如果把天线系统中的损耗功率( 包括导体中的热损耗，绝缘介质中的介质损 耗，地电流损耗等) 也看成是被一个等效电阻足所吸收的功率，则损耗电阻为【1 4 】： 局= 乒 ( 2 5 ) 式中，只为损耗功率，是天线上某参考点电流的有效值。 天线的输入电阻r 、辐射电阻辟及损耗电阻局有关系1 4 1 ： 墨= 辟+ 马 ( 2 - 6 ) 2 2 3 天线的带宽 天线带宽可用相对带宽和倍频带宽表示。相对带宽是指天线的绝对带宽( 工 作频率的上限频率与下限频率之差) 与工作带内中心频率之比。倍频带宽是指工 作频带的上限频率与下限频率之比。 天线带宽主要取决于各项性能参数的频率特性，因此天线主要的电参数均有 其各自定义的带宽： 1 方向图带宽【1 4 j 当频率偏离设计频率时，可能发生主瓣指向偏移、主瓣分裂、副瓣电平增大、 前后辐射比下降等问题。当方向图恶化到不能满足设计者要求时就限定了方向图 带宽。一般高频段方向图易迅速恶化，方向图带宽是限制上限工作频率的主要因 素。 2 增益带引1 4 j 增益下降到允许值时的频带宽度称为增益带宽。对于r f i d 天线来说，天线尺 寸变小，增益明显下降，所以增益带宽限定了下限工作频率。 3 阻抗带宽( 输入阻抗带宽) 【1 4 1 谐振天线输入阻抗随频率而变化，当频率偏离谐振兀为缈，即厂= 兀矽， 天线的输入阻抗将从谐振时的纯电阻尽。变为z 加= 如豇加，且= 如时，将使 输入端电流从谐振时的电流i a 下降为0 7 0 7 i a ，其相应的带宽2 称为3 分贝阻抗带 宽。 天线的阻抗带宽也可用馈线上的电压驻波比表示。根据设计者的要求，以驻 波比小于某一规定值时的频带宽度作为天线的阻抗带宽。它反映了天线阻抗的频 率特性，也说明了天线与馈线的匹配效果，在i 讧i d 天线的设计、测试及调试中是 一项被普遍使用的电指标。 无源i 讧i d 天线在频率偏离设计频率时，其电尺寸会发生变化，输入阻抗也会 随之发生变化，从而造成天线与传输线的失配，最终导致频带变窄。 8 基于r f d 的圆极化天线的研究 4 极化带宽【1 4 】 对于圆极化天线，极化带宽是非常重要的技术指标。当频率变化时，天线极 化特性往往随之改变。常以主瓣半功率波瓣宽度的角域内，轴比小于3 分贝的要 求来确定天线的极化宽度。圆极化天线的极化特性是限制工作带宽的主要因素。 2 2 4 驻波比 在考察天线和馈线连接的品质好坏时，驻波比和回波损耗是两个重要的参数。 在匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射 波。在这种情况下，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线获得全部信号功率。 在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波【1 4 1 。在入射波和反射波相位 相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅v m 戤形成波腹；而在入射波和反射波相 位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅v m i n 形成波节【1 4 】。其他各点的振幅值则 介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波【1 4 1 。反射波电压和入射波电压幅度 之比称为反射系数，记为r ，即可表示为【1 4 】： r = 入射波幅度乞+ z o 波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数【1 4 1 ，记为v s w r ： 塔脓= 筹器= 等 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 可知，终端负载阻抗z l 和特性阻抗z o 越接近，反射系 数r 越小，驻波比v s w r 越接近于1 ，匹配越好。 2 2 5 天线的效率 天线效率定义为天线的辐射功率与输入功率之比【1 4 1 ，即 叩专= 彘 协9 ， 也可用相应的电阻关系表示【1 4 1 ： 叩2 鲁2 彘 ( 2 1 0 ) 由于天线效率是辐射功率与输入功率之比，故把方向性系数和增益联系起来， 天线增益等于方向性系数与天线效率的乘积。 第二章基于r f i d 系统的天线的基本理论 9 2 2 6 天线的极化 天线极化是描述天线辐射电磁波场矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有 恒定的关系，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向【1 4 】。 天线的极化是指在给定方向上，一般指最大辐射方向上所辐射或接收电磁波 的极化。而电磁波的极化就是沿波的传播方向看去时，其瞬时电场矢量端点的轨 迹。天线所辐射的电磁波在其远区成为横电磁波，电磁场矢量轨迹都位于与传播 方向相垂直的横向平面上，这种波被称为平面极化波【1 4 1 。沿波的方向看去，当其 瞬时电场矢量的矢端轨迹是椭圆时，称该天线为椭圆极化波。当椭圆极化的长轴 与短轴相等时称为圆极化波【l 训。而相对应的天线分别被称为椭圆极化天线、圆极 化天线。 从理论上讲，左旋圆极化波天线不能接收到右旋圆极化波天线的辐射信号， 垂直极化的天线接收不到水平极化天线的辐射信号，即具有同极化接收特性【2 2 1 。 在i 讧i d 系统应用中，应注意天线的极化特性。 衡量天线圆极化特性的一个重要参数是轴比，其被定义为极化椭圆的长轴与 短轴之比，一般规定是最大增益方向上的轴比。对于纯圆极化波，h = 1 ，即o d b 。 轴比为1 只是理想值，在进行r f i d 天线的设计时，轴比小于3 的圆极化天线都被认 为实现良好的圆极化。 天线可能会在非预定的极化上辐射( 或接收) 不需要的极化分量，这种不需 要的辐射极化波被称为交叉极化。对于圆极化波来说，交叉极化与预定极化的轴 比相同、但旋向相反i l4 。 极化损失是指接收天线的极化与发射天线辐射的来波极化不匹配时，接收功 率的损失【1 4 1 。表2 1 给出了极化损失的典型实例【1 4 1 。 表2 1 极化损失的典型实例 发射( 或接收) 天线接收( 或发射) 天线接收功率p 伊m 默 垂直( 或水平) 极化垂直( 或水平) 极化 1 垂直( 或水平) 极化水平( 或垂盲) 极化 0 垂直( 或水平) 极化圆极化 1 2 左旋( 或右旋) 圆极化左旋( 或右旋) 圆极化 1 左旋( 或右旋) 圆极化右旋( 或左旋) 圆极化 o 2 2 7r f i d 天线的辐射场区 假设将一发射天线置于球坐标系统的原点处，它向周围辐射电磁波，则其周 围的电磁波功率密度( 或场强) 分布是距离r 及角坐标( 9 ，妒) 的函数。因此，根据 离开天线距离的不同，将天线周围的场区划分为感应场区，辐射近场区和辐射远 场区【1 4 1 。 1 0 基于r f i d 的圆极化天线的研究 感应场区是指很靠近天线的区域。此区域中电磁波的感应场分量远大于辐射 场，占优势的感应场之电场和磁场的时间相位差9 0 0 ，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贮存于天线附近的空间内【1 4 】。 辐射近场区里电磁场的角分布与离开天线的距离有关，即在不同距离处的天 线方向图是不同的。这首先是因为由天线各辐射元所建立的场的相对相位关系是 随距离而变的；其次，这些场的相对振幅也是随距离而改变的。在辐射近场区的 内边界处( 即感应区的外边界处) ，方向图是一个主瓣和副瓣难以区分的起伏包络。 随着离开天线距离的增加，直到靠近远场区时，天线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【1 4 】。 辐射近场区以外是辐射远场区。此区域中场的大小与离开天线的距离成反比， 方向图与离开天线的距离无关，且方向图的主瓣、副瓣和零值点已全部形成【1 4 1 。 天线通常是用来向远场区传送能量的，因此本文中涉及到的天线均为远场天线。 2 2 8 功率通量密度 自由空间理想点源天线的功率通量密度为： df 2 & 2 寺2 赢 心。1 ) 其中，& 、反分别为理想点源天线的功率通量密度和场强；，是电波传输距离；忍。 表示理想点源天线的辐射功率；1 2 0 万是自由空间波阻抗。 在相同的辐射功率下，某天线产生于某点的功率通量密度( 或者场强的平方) 与理想电源天线产生于同一点的功率通量密度( 或者场强的平方) 的比值，称为 该天线在该点方向的方向系数。假设某天线在最大辐射方向的功率通量密度和场 强分别为瓯与e 。，则该天线的方向系数d 为： d ：昱i：娶i ( 2 - 1 2 ) & i 恐= r o 霹i 最嘞 式中只为某天线的辐射功率。因此可以得到某天线在该点的功率通量密度为： 瓯= 强= 筹 ( 2 - 1 3 ) 当某天线的效率不为l o o 而是7 7 时，假设输入功率为尸a ，则 足= 足o = 只7 7 ( 2 1 4 ) 则可以得到天线效率为7 7 时在某点的功率密度为： 耻等= 等 式中，g 为天线增益。 第二章基于r f d 系统的天线的基本理论 1 1 2 2 9 天线的有效接收面积 当天线以最大接收方向对准来波方向接收，且当负载与天线完全匹配时天线 向负载输出的功率设为最蚴，设想此功率是由一块与来波方向垂直的面积所接收， 此面积称为接收天线的有效接收面积彳，有效接收面积与波长及增益的关系为： 彳：丛：堕叩 ( 2 1 6 ) 4 冗4 兀j 其中a 表示工作波长。 2 2 1 0 读取标签的有效作用距离 有效作用距离是衡量r f i d 系统的一个重要指标。r f i d 系统的有效作用距离 与阅读器发射功率、阅读器天线增益、标签天线增益、天线与传输线的匹配因子、 天线与芯片的匹配因子、工作频率、工作环境及阅读器的灵敏度等因素有关。 阅读器不同的接收功率应对应不同的检测概率。其他参数确定时，接收功率 可与作用距离对应起来，这样不同距离与不同检测概率对应起来。因此在设计阅 读器时应该明确不同接收功率时对应的检测概率。 接着给出标签功率与阅读器天线读取标签的有效作用距离之间的关系表达式 为： ：掣丢叩枘删妇 ( 2 - 1 7 ) 1 1 孵 4 万，24 7 r 一。u y ，7 7p o l 黜 。7 其中，为标签的功率，辟为阅读器发射功率，g t ( a ，) 为阅读器天线增益，厂为 阅读器与标签的间距，g 。( 臼，妒) 为标签天线增益，a 为工作波长，y 为标签天线与 标签芯片匹配系数，y 。r i z e 为极化匹配因子。 式( 2 1 7 ) 中假设阅读器的灵敏度足够高( 本文涉及的阅读器的灵敏度为 6 5 d b m 7 0 d b m ) ，反向不受限。且该公式适用于自由空间环境( 可在微波暗室中 进行测量校验) 。在实际工作环境中会受到存在多径干扰、衰落其他信号源的干扰。 因此，不同信道环境要达到同样的检测概率，基带需要的信噪比可能不同，即决 定阅读器需要接收到的功率不同，i 江i d 系统的阅读器天线读取标签的有效作用距 离将因此受到影响。 。 2 3 小结 本章对i 强i d 系统及其实现原理进行了简要介绍，详细描述了i 心i d 天线的主 要性能指标，并对阅读器天线的场区划分做了说明。 基于r f d 的圆极化天线的研究 第三章优化天线性能的关键技术 3 1 小型化技术 由于i u i d 系统小型化的趋势，作为该系统必不可少的天线已成为小型化的障 碍，因此天线小型化已成为热点问题和急需解决的技术。小型化技术的主要方法 有： 1 采用高介电常数的材料作为基板 1 8 】【2 3 】 高介电常数的铁氧体，能很好的实现小型化，且在较宽频带范围内频率可调， 但铁氧体在微波频段损耗很大。有机高分子磁性材料在宽温度范围内电感和磁性 能稳定，但损耗大、增益低。高温超导裁量h t s 及光子带隙p g b 有极高的表面电 阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限制，且可提高增 益，但价格高昂不适合做产品使用。 使用此方法可有效实现小型化，但高介电常数材料的应用有所限制。在设计 i 强i d 天线时不能仅靠增大基板的介电常数来实现小型化，这样会很难兼顾到其他 性能。 2 加载短路探针【2 3 】 在微带天线上加载短路探针，利用短路探针和同轴馈电探针之间的强耦合效 应，会在一定程度上减小微带贴片的尺寸。此时相当于等效加载了一个电容，从 而进行阻抗补偿，使得在低于谐振频率位置达到阻抗匹配。适当的调整短路探针 的粗细和位置，天线的尺寸可缩小近5 0 。 但这种技术的缺点是天线的阻抗匹配极大的依赖短路探针与馈电点的距离， 给制造工艺和调试过程增大了难度，使天线太过于敏感。h 面的交叉极化电平相 对较高。且短路探针引入的强电感会使天线的带宽非常窄，阻抗也不易匹配。 3 表面开槽【1 8 】【2 3 】 当在贴片表面开槽或细缝时，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲 折流过而路径变长，在等效电路中相当于引入了级联电感。随着槽长度的增加， 天线的谐振频率会降低，这样就会使尺寸减小。这种技术结构简单，加工方便， 但阻抗变得难以匹配。另外，虽然开槽可使尺寸减小，但尺寸的过分减小会引起 带宽、增益等性能急剧恶化。 4 附加有源网络【1 8 】【2 3 】 当进行小型化时会导致辐射电阻减小，效率降低。而有源网络的放大作用及 阻抗补偿技术能弥补由天线尺寸缩小引起的指标下降。这种技术能使天线有较宽 的工作频带。因为有源网络具有高输出阻抗、低输入阻抗。且也能使天线有较高 第三章优化天线性能的关键技术 的增益，便于实现阻抗匹配，易实施天线方向图，包括主波束方向、宽度、前后 辐射比等的电控。但附加有源网络的天线阵会使单元间具有弱互耦的潜在问题。 其缺点是需另加供电电路和有源器件，且有噪声和非线性失真。 5 采用特殊形式瞄】 此方法的思想是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化。近几年 出现了一些特殊形式的天线实现了小型化，如倒f 型天线、碟形天线、e 型天线、 一种将同轴馈电改为电容馈电的天线等。 为了实现小型化，可以同时使用多种方法。但各种方法都存在优缺点，且天 线的性能如增益、带宽与小型化之间会互相牵制，应综合考虑一种结构来解决各 性能上的矛盾。本文的第五章在结构上就有所创新，使增益、带宽、小型化达到 一种平衡，各性能都得到满足。 3 2 1 影响带宽的因素 3 2 展宽带宽技术 微带贴片天线的窄频特性是由其高q 的谐振本性决定的。通常贴片天线的阻 抗带宽由其对应的等效电路的频率响应决定。对于并联谐振电路，其半功率带宽 可以表示为【1 8 】： 胛= 寺 ( 3 - 1 ) 瓦i 弛 式中j ，= g + 声是谐振频率时的输入导纳。 对于串联谐振电路，其半功率带宽可以表示为1 8 】： 召矽= 毛争 ( 3 _ 2 ) 4 上j 石i 铀“w 。 式中z = 尺+ 弘是谐振频率时的输入阻抗。 对于微带传输线有1 8 】： t a n 艿：三：上+ 上+ 上+ 上 ( 3 3 ) qq ，q 幺绋 式中t a i l 6 为微带天线的等效损耗角正切，q ，为辐射损耗引起的相应的品质因素， q 为导体损耗引起的相应的品质因素，q 为介质损耗引起的相应的品质因素，鳊 为表面波损耗引起的相应的品质因素。 带宽与品质因素成反比。降低天线品质因素是改善带宽的根本途径。而t a i l 6 增 加使介质损耗加大，q 下降，使频带变宽，但必然使天线的效率降低。 1 4 基于r f d 的圆极化天线的研究 3 2 2 带宽拓展方法 天线的频带宽度主要限制于阻抗带宽，可采用宽频带技术来增大天线的带宽。 对于给定的贴片形式，展宽其阻抗频带有四条途径：降低q 值，改变贴片的结构， 采用特殊基板，加载微带天线。 1 降低q 值【1 7 】【1 8 】 品质因素q 与带宽成反比，降低q 值就可增加带宽。增加基片厚度减小基片 的介电常数是降低微带天线等效谐振电路q 值来拓展带宽的基本方法。但此种方 法会导致增益减小且破坏小型化，而且介电常数下降的潜力也是有限的，最小值 为采用空气介质的情况，且不适用于对空间共形要求极高的场合。但是如果将其 与其他方法配合使用，往往起到很好的效果。 2 改变贴片结构【1 7 】【1 8 】 此方法包括：多贴片结构，在贴片或接地板上开槽和电路中采用非线性调制 元件。 采用电磁耦合馈电的多贴片结构是在一个或多个平面内使用多个贴片，通过 寄生耦合，改变天线的等效谐振回路，把普通单贴片微带天线的简单i u c 等效电 路修改为多频点的耦合谐振电路，使在中心频率附近的较宽频段内实现匹配，从 而拓展微带天线的带宽。这种展宽带宽的方法原理清晰，设计制作起来相对较易， 但因为采用多层结构，厚度较大，占用空间也大。在贴片或接地板上开槽的方法 在拓展带宽的同时，还可实现微带天线的小型化。在微带贴片天线的不同位置开 不同形状的槽或缝隙，可等效成引入阻抗匹配元件，使微带天线的馈电端形成多 级的等效谐振电路，从而实现频带的展宽。 用传输线分析矩形贴片微带天线时，其两个辐射端的边缘效应可以看作是各 并联一个电容。该电容可看作是传输线的等效伸长，从而使实际的谐振频率低于 以谐振长度算得的理论值。因此，如果在上述辐射端各并联一个变容管，通过控 制加载在变容管两端的电压来改变电容的大小，就可以控制天线的工作频率，从 而加大天线的工作频率范围。此方法并不增加天线的瞬时阻抗带宽。尽管与m m i c 技术相兼容，但此技术仍然相当复杂。 3 微带天线加载技术【1 7 】【1 8 】 加载技术是通过加载电阻的方法引入欧姆损耗，从而降低天线的品质因素， 有效地增加带宽并可在提高天线带宽的同时实现天线