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硕士论文 r f i d 天线研究与设计 摘要 fj l u ll i ii i i iii i ii i i ii i 【y 2 0 6 16 7 3 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术是通过无线射频通信的方式实现阅 读器与标签之间非接触双向信息传输，对目标加以信息采集和识别。由于其具有读写速 度快、抗干扰能力强、可识别移动目标、无需人工干扰等特点，已经广泛应用于交通运 输、物流管理、产品的生产存储等诸多领域，射频识别技术广阔的应用前景促使大量资 源投入该技术的研究，促进了该技术的快速发展。天线作为辐射和接收射频信号的设施， 是电子标签与阅读器之间的非接触信息传输的桥梁，在整个射频识别系统中起到至关重 要的作用，因此对射频识别天线的研究具有广泛的研究意义。 本文首先介绍了射频识别技术的相关理论，说明了射频识别系统的组成部件，工作 原理，分类和频率划分，接着详细地阐述了天线的基础理论，并对天线各参数对天线性 能的影响作了简单的介绍，同时介绍了微带天线的相关理论。 本文对射频识别天线的设计方法进行了研究，设计了两款标签天线和一款阅读器天 线，对于标签天线的阻抗匹配的要求，借鉴单枝匹配理论，在弯折的振子臂上加上合适 的匹配枝节，有效地减少了天线的体积和较为简单的实现输入端阻抗匹配。对于阅读器 天线，采用分形贴片的微带天线结构，并且在贴片表面开槽和外围加寄生元，实现了天 线的圆极化。标签天线和阅读器天线都具有体积小，结构简单等特点，适用于射频识别 系统。 关键字：射频识别：天线；阻抗匹配；分形微带天线； a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya c h i e v e st h er e a d e ra n dt h e t a gi 川h 胁a t i o n t r a n s m i s s i o nw i t h o u tc o n t a c tb yt h em e t h o do ft h ew i r e l e s sr a d i of r e q u e n c yc o m m u i l i c a t i o n t o g e tt h ea c q u i s i t i o na n di d e n t i f i c a t i o no ft h et a r g e t a si th a st h ef e a t u r eo fr e a d i n g 觚d 嘶t i n g s p e e d ，a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , i d e n t i f i c a t i o no fa m o v i n gt a r g e t ，w i t h o u th 岫a n i n t e r f e r e n c e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt r a n s p o r t a t i o n ，l o g i s t i c sm a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o n , s t o r a g ea n do t h e ra r e a s t h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t so fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yp r o m o t el o t so fr e s o u r c e si n t ot h er e s e a r c ha n dr a p i dd e v e l o p m e n to fi t a st h e f a c i l i t i e so fr a d i a t i o na n dr e c e p t i o nr fs i g n a l s ，t h ea n t e n n ai st h eb r i d g et h a ta e h i e v e st h e e l e c t r i ct a ga n dt h er e a d e r sn o n c o n t a c ti n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n t h ea n t e n n ap l a y sa c r u c i a lr o l ei nt h ew h o l er fi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，s 0i th a sa l le x t e n s i v es i g n i f i c a n c ef o rr f i d e n t i f i c a t i o na n t e n n ar e s e a r c h t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h et h e o r ya b o u tr fi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds h o w e d t h ec o m p o n e n tp a r t s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，a n df r e q u e n c yd i v i s i o no ft h er fi d e n t i f i c a t i o n s y s t e m s e c o n d l yi td e t a i l e dt h eb a s i ct h e o r yo ft h ea n t e n n aa n db r i e f l yi n t r o d u c e dt h e a n t e n n ap a r a m e t e r sa n dt h ea f f e c to ft h ea n t e n n ap e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd i dt 1 1 er e s e a r c ha b o u tt h ed e s i g nm e t h o do fr fi d e n t i f i c a t i o na n dd e s i g n e d t w ok i n d so ft a ga n t e n n aa n dar e a d e ra n t e n n a a sf o rm er e q u i r e m e n t so ft h ei m p e d a n c e m a t c h i n g ，a d d i n gas u i t a b l em a t c h i n gs u ba tt h eb e n ta r r nb yl e a r n i n gf r o mo n eb r a n c ht h e o r y , i t e f f e c t i v e l yd e c r e a s e dt h es i z eo ft h ea n t e n n aa n ds i m p l ya c h i e v e di n p u t i m p l e m e r i t m a t c h i n g a sf o rt h er e a d e ra n t e n n a , i ta c h i e v e dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o nb yu s i n gf r a c t a lp a t c h a n t e n n as t r u c t u r e ，s l o t t i n go nt h ep a t c h ，a d d i n g p a r a s i t i ce l e m e n t t h et a ga n t e n n aa n dr e a d e r a n t e n n ab o t hh a v eas m a l ls i z ea n da s i m p l es t r u c t u r e ，a n da r es u i t a b l ef o rr f i ds y s t e m k e yw o r d s ：r fi d e n t i f i c a t i o n ；a n t e n n a ；i m p e d a n c em a t c h i n g ；f r a c t a lm i c r o s t r i pa n t e n n a ； n 硕士论文 r f i d 天线研究与设计 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 射频识别技术) 是2 0 世纪末开始兴起的一项无 线自动识别技术，该技术理论起源于第二次世界大战期间的敌我识别系统，是一种综合 射频通信原理和雷达原理来实现的非接触式的自动识别技术，具有无需接触或瞄准，操 作快捷方便，不需要人工干预，识别速度快，应答器使用寿命长，可加密，安全性高等 优点【1 1 。近年来，随着物联网的发展，r f i d 技术在产品的制造存储、公共安全、交通 运输等领域得到了广泛的应用，促进了该技术的快速发展。已经被世界公认为2 1 世纪 十大重要技术之一1 1 j 。1 3 】。 射频识别技术相对于传统的识别技术，具有很多突出的优点【2 】【3 】：r f i d 技术不需要 人工干预，可以在恶劣环境下工作，不需要直接接触，操作简单方便，可以识别高速移 动标签，可以同时识别多个标签，使用寿命长，数据传输快等。射频识别技术由于其特 有的优势，结合当今时代信息技术的发展，已经对全球供应链产生了深远的影响，甚至 是一场革命【3 】o 该技术一经出现，就吸引了全世界各行各业的关注，其对生产制造、物 品存储、销售经营、交通运输带来了巨大的变革，提高了日常工作效率、节约了社会财 富、促进了人类生活水平的提高和人类文明的发展【2 j - 【4 】。 总之，射频识别技术在其发展过程中，不断的结合其他高新技术，实现了跨地区、 跨领域的多功能识别方向的应用。 1 2r f i d 技术的发展历史 从识别技术的基本原理来说，射频识别技术是通过变压耦合或者空间耦合来实现信 息的传输，与雷达原理相似。r f i d 技术最早出现在第二次世界大战时期，但是由于其 较高的成本限制了该技术的广泛应用。按照r f i d 技术的发展过程，可以将其发展历史 分为七个阶段1 6 j ，如表1 1 所示。 目前，r f i d 技术虽然得到快速的发展，但是还存在一些问题，首要问题就是标准 不统一，目前，r f i d 技术还没有一个全球统一的国际标准，行业标准和相关产品的标 准还没有统一，各个国家和地区的标准不统一使得当前各国各厂家推出的r f i d 产品互 不兼容，这已经成为抑制r f i d 未来发展和互通的重要因素。其次，电子标签作为一种 耗材，这就要求电子标签成本较低。但是，当前一个简单的无源电子标签成本也在几十 美分以上，这就限制其应用于价格较低的单件商品上，只有电子标签的平均价格下降到 几个美分的情况下，才可能大规模应用于单件廉价商品的包装上。当前广泛使用的无源 l 绪论硕士论文 电子标签没有可靠的安全机制，使得无法对数据进行很好的保密，同时r f i d 系统出错 率相对较高，也存在隐私安全问趔7 1 。 但是就目前的发展进度，这些技术问题可望在短期内得到解决。随着r f i d 应用领 域的不断扩大，芯片的制作工艺和生产规模不断发展，成本问题将得到解决。随着r f i d 技术标准的统一和各国制定法律对隐私权的保护，r f i d 技术的隐私安全问题也将随之 得到解决。 表1 1r f i d 发展阶段分类 序号 年代发展阶段及成果 雷达技术的快速发展，催生了射频识别技术，为射频识别技术 1 1 9 4 0 年1 9 5 0 年 奠定了理论基础； 2 1 9 5 0 年1 9 6 0 年早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室的实验研究； 3 1 9 6 0 年1 9 7 0 年r f i d 技术的理论得到了发展，开始一些应用尝试； r f i d 技术与产品处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试得 4 1 9 7 0 年1 9 8 0 年 到加速，出现了一些最早期的r f i d 应用； r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出 5 1 9 8 0 年1 9 9 0 年 现； 6 1 9 9 1 年2 0 0 0 年 r f i d 技术标准化日趋得到重视，r f i d 产品得到广泛应用： 标准化问题日趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源 7 2 0 0 1 年至今 电子标签、无源电子标签得到发展，电子标签成本不断降低。 1 3r f i d 的应用及研究现状 r f i d 技术在国外发展较早也较快，特别是在欧美及日本这些传统的信息技术发达 国家。1 9 9 1 年，世晃上第一套应用r f i d 技术建成的高速公路不停车收费系统在美国的 俄克拉荷马州投入使用1 8 儿引，目前，这些地区的r f i d 技术发展较为成熟、应用规模较 大，相关产业发展也相对成熟，在国际统一标准的制定上占有很大的优势。其中，超高 频( 哪) r f i d 系统在美国得到快速的发展，欧洲主要发展和应用2 4 5 5 8 g h z 有源 r f i d 系统。日本则是快速发展5 8 g h z 有源r f i d 系统【l o 】。 国内r f i d 技术的起步较晚，相关产业还不成熟，特别是国内半导体芯片的落后， 提高了射频识别系统设备成本，中间件厂商较少，制约了r f i d 技术本土化的应用。目 前，国内对低频( 1 2 5 k h z ，1 3 5 6 z ) r f i d 技术应用比较成熟，但是对高频系统， 国内应用较少，少数物流企业和一些政府行业如公共交通、校园、社会保障等已经开始 试点。 2 硕士论文 r f i d 天线研究与设计 不停车收费系统( e t c ) 是我国r f i d 技术应用的主要方面。目前，我国高速公路 及桥梁发展较快，给人们的交通旅行带来快捷。同时，由于高速公路收费却催生了诸多 问题，如交通堵塞，车辆停滞的能源浪费，环境污染等。在我国的北京、上海、广州等 多地都已安装使用不停车收费系统。其他地区的公路交通部门也在不断地大力采购和研 发不停车收费系统 9 1 。 r f i d 系统设备相对于条形码等其他识别技术的设备价格较高，而且标签作为一种 耗材，价格是限制r f i d 技术推广应用的重要因素【7 1 。我国的射频识别技术起步较晚， 还存在技术水平低，无统一标准等问题。但是我国巨大的市场潜力和广阔的发展前景促 使着该技术的不断发展和完善，同时随着国家发展物联网战略提出，为r f i d 技术的快 速发展提供了资源，有了更广阔的发展与应用平台【1 1 1 。 天线是r f i d 系统中重要的组成部分，r f i d 系统天线包括阅读器天线和标签天线， 它们是系统收发信号的工具。天线决定了阅读器和电子标签之间信息传输的方式和传输 距离，在信息传输过程中起到了至关重要的作用。在小于l m 的近距离或者中低频r f i d 系统中，一般采用电感耦合模式实现数据通信，r f i d 天线也一般采用工艺简单，成本 较低的电感线圈式天线。在高频或者微波波段r f i d 系统中，一般采用反向散射实现系 统进行信息传输，r f i d 天线也一般采用微带贴片天线和偶极子天线。此类天线的传输 距离也较远，可实现远距离通信l l 2 。 目前，国内天线制造商较多，随着r f i d 技术的市场需求扩大，r f i d 系统天线的 设计制造厂家也在逐渐增多，但是普遍存在的问题就是基础相对较弱，特别是对超高频 和微波波段r f i d 系统天线研究与设计还不成熟【2 l 。标签天线与任意阻抗值标签芯片匹 配的设计与传统的5 0 、7 5 欧姆输入阻抗的天线设计有很大不刚1 3 】，同时天线的小型化 及低成本要求也给天线设计带来了挑战。对于标签天线，国外已经设计出一款在标签芯 片上嵌入天线的方法1 3 】，这种标签芯片不需要外部器件即可实现与阅读器之间的信息传 输。国外对阅读器天线的研究也开始由传统的微带贴片天线转向智能波束扫描天线阵。 1 4 本论文的主要工作 在本课题中，本人在开始设计之前阅读大量关于r f i d 和天线理论的相关书籍，掌 握了相关理论。同时也认真阅读了有关r f i d 天线的设计方面的学术论文，获得了r f i d 标签天线和阅读器天线设计要求和设计方法。这些工作，在本论文的前几章有较为详细 的阐述。鉴于目前国内外对r f i d 天线的研究现状，本文主要包括以下几个章节内容： 第一章：绪论。简要介绍了本文的研究背景、国内外研究现状。 第二章：射频识别的基本理论分析。介绍r f i d 技术的系统组成，工作原理，频率 特性以及分类。 第三章：天线的基本理论分析。介绍了天线的辐射原理以及天线的各项参数，最后 3 l 绪论 硕士论文 介绍了微带天线的辐射原理。 第四章：r f i d 标签天线的研究与设计。介绍了标签天线的匹配理论，分析了标签 天线与标签芯片阻抗匹配的基本途径，根据标签天线的特性要求确定天线结构，利用 a n s o f th f s s 软件仿真优化，设计出两款标签天线，分析其参数特性，包括增益，方向 性，输入端回波损耗等。 第五章：阅读器天线研究与设计。介绍了微带天线实现圆极化和小型化的方法。结 合阅读器天线的特性要求确定阅读器天线的基本结构，同时分析了分形微带天线实现圆 极化的方法。利用a n s o f th f s s 软件仿真优化，设计出一款阅读器天线，分析其参数特 性，包括工作带宽，轴比，输入端回波损耗等。 最后对本文进行总结，提出本文设计中的不足，并展望进一步研究工作。 4 硕士论文 r f i d 天线研究与设计 2 射频识别基本理论 2 1 射频识别系统的组成 在射频识别系统中，一般包括三个部分：阅读器，标签和天线。其系统组成如图 2 1 所示。 l - 一一一一一一一一一- 一一一一一一一- - - - 一一一一一- 一一一一一一一一一一一一一一- - - - - - - - 一j 图2 1r f i d 系统组成示意图 r f i d 系统工作过程一般为阅读器接收主机的指令通过阅读器天线向空间发送相应 的射频信号，当标签进入该阅读器天线的有效辐射范围内，电子标签由标签天线获得能 量，激活标签芯片并向阅读器反射回响应信号，阅读器接收该响应信号并将其传输给主 机，由主机完成对该标签的身份识别【1 4 】。 2 1 1r f i d 阅读器 阅读器是整个r f i d 系统中的最重要的组成部分，它主要完成读取和写入标签信息。 阅读器可以是固定的，也可以是可移动的；可以作为一个整体单独使用，也可以配合其 它部件完成数据的读写、显示、处理等功能。阅读器的工作频率决定了整个射频识别系 统的工作频段，同时，阅读器的发射功率和接收灵敏度是影响系统有效识别距离的重要 因素。 阅读器的主要功能有【2 】【4 】： 、接收主机指令，为天线提供射频信号，完成与电子标签之间的有效双向数据传 输； 、对要传输给电子标签的信息进行编码、加密； 、对接收到电子标签的信息进行解码、解密； 、将接收到的电子标签信息传输给主机； 2 射频识别基本理论 硕士论文 、具备防碰撞功能，即可以同时读取多个电子标签。 阅读器一般都包括硬件部分和软件部分。 ( 1 ) 硬件部分【5 】【1 5 】 一个典型的阅读器硬件电路包括信号处理与控制模块和高频接1 2 1 模块，结构示意图 如图2 2 所示。 向外界传送 数据或接收 信号处理与控 制模块 l 发射信号 l ；饕收信号 、 l，一、 高频接1 ：3 i 一、 1 一一 图2 2r f i d 阅读器结构示意图 天线 由图2 2 可知，高频接口模块与天线相连接，负责产生和解调射频信号，包括滤波 器、放大器、调制解调器等模块，主要作用为：( 1 ) 产生并发射特定频率的射频信号， 为激活电子标签芯片提供能量。( 2 ) 解调来至标签的射频信号并将解调后的信息传输给 信号处理和控制模块。 信号处理模块的核心部件为微处理器，配合数字信号处理芯片控制通信过程、执行 动作指令、执行防碰撞算法等功能。 ( 2 ) 软件部分【5 j 软件部分一般是由生产阅读器厂商在阅读器出厂前就已经嵌入在读写器的处理器 模块中，主要功能是对接收到主机和电子标签的指令进行响应和对电子标签发出相应的 动作指令。在整个r f i d 系统中，软件对阅读器发出各种指令，阅读器对相应的指令做 出响应，同时，根据软件的指令，阅读器对电子标签发出相应动作命令，并与之建立通 信关系。一般的r f i d 阅读器软件部分包括三个部分：控制软件，导入软件和解码软件， 负责根据不同的射频识别协议控制射频阅读器芯片与电子标签进行通信，完成对电子标 签的不同操作。阅读器的软件具有可重写功能，为二次开发提供方便等。 2 1 2 电子标签 电子标签通常附着在被识别的物体表面，存储着被识别物体的相关信息，这些信息 通常可被射频识别系统阅读器通过非接触方式识别。电子标签一般由耦合器件和芯片两 6 硕士论文r f i d 天线研究与设计 部分组成，每个电子标签在其标签芯片中都存储着唯一的识别信息，方便操作人员对不 同的电子标签进行分类管理【l 们。 电子标签的主要功能有【5 j ： 、存储被识别物件的身份识别信息； 、可重新读取和修改电子标签内原有存储信息； 、对阅读器发出的指令做出相应的响应； 、可编程，并保存编程数据。 电子标签主要由射频前端、微处理器、和存储器等模块组成。结构示意图如图2 3 所示。 芯片 图2 3r f i d 电子标签结构示意图 射频前端主要负责发送和接收与阅读器之间通信的指令信号，并对其进行调制、解 调；微处理器的主要作用为完成指令信号的读写操作和标签的身份识别。存储器主要存 储标签身份识别数据和操作指令程序等。电子标签一般分为有源标签和无源标签，主要 区别在于内部是否有电源对标签供电。有源标签是指在标签内部有电源对电子标签供 电，一般为电池供电，有源标签的作用距离较远，但是由于电源使用寿命有限，需要定 期更换电池，且体积大成本较高，不适合在恶劣的环境下工作。无源标签内部没有电源 供电，其可以将接收阅读器的射频信号能量转化为直流电源，为电子标签的工作供电， 无源标签的作用距离相对较近，但是使用寿命较长，成本较低，体积小且对工作环境要 求较低。 2 1 3r f i d 系统天线 由图2 1 可见，一个r f i d 系统应包含两个天线分别为阅读器天线和标签天线。射 频识别阅读器必须通过阅读器天线来发射带有数据信息的电磁波，形成电磁场，通过该 电磁场对电子标签进行识别。同时，也要接收来自电子标签的射频信号。一般地，由于 电子标签粘贴方式或者移动方向不确定，这就要求阅读器天线为圆极化天线，保证标签 粘贴方式或者物体移动方向发生变化时，不会出现极化的完全失配f 1 7 】。同时，r f i d 阅 7 2 射频识别基本理论 硕士论文 读器天线还要求低剖面，低成本，小型化等，有的领域要求多频特性。随着射频识别技 术的发展，阅读器天线也向着多功能、智能天线等方向发展。 电子标签天线不仅要接收和发射电磁波，同时对于无源标签，也要捕获阅读器发射 的电磁波为标签芯片提供能量。由于标签芯片的体积较小，标签天线的体积决定了整个 电子标签的体积，因此要求标签天线体积足够小；大部分情况下，标签的读取方向不确 定，这就要求标签天线具有全向或者半球覆盖的方向性【l9 】；作为一种耗材，天线也要求 低成本。一般的，标签天线与标签芯片直接相连，为了功率的最大传输，天线的输出阻 抗必须与标签芯片的输入阻抗共轭匹配，而标签芯片的阻抗一般不为5 0 欧姆或者7 5 欧 姆，这就需要标签天线能够实现与非5 0 7 5 欧姆标签芯片阻抗的共轭匹配【l3 1 。 2 2 射频识别系统的工作原理 阅读器通过阅读器天线向其所在空间发送包含特定信息的射频信号，在空间形成一 个能量场，当电子标签进入该能量场时，标签天线接收到来自阅读器的射频信号产生感 应电流，激活电子标签，电子标签将带有标签身份信息的射频信号通过标签天线发送出 去；阅读器天线接收到从电子标签发送来的射频信号，经天线后端调节器滤波放大后传 送到阅读器的信号处理模块，信号处理模块对该信息解调和解码后，将有效信息送至后 台主机系统进行相关处理；后台主机根据对信息的处理结果来识别该电子标签的身份， 针对不同的设定做出相应的处理和控制，最后主机发出动作指令对阅读器完成不同的读 写操作进行控制l l 引。 8 图2 4 电感耦合模式原理图 根据射频识别系统的基本工作原理，r f i d 系统主要有两种工作模式，即适用于低 硕士论文 r f i d 天线研究与设计 频r f i d 系统的电感耦合模式( 变压器模式) 和适用于高频和微波波段r f i d 系统的反 向散射模式( 雷达模式) t 1 2 。 电感耦合模式工作原理图如图2 4 所示，电感耦合方式的阅读器天线和标签天线均 采用线圈的形式，即封闭式环形线圈。阅读器天线的线圈内交变电流产生感应磁场，当 电子标签天线线圈进入该感应磁场后，标签天线的线圈中将产生感应电流，为标签芯片 提供电源。阅读器到电子标签的通信过程中，信息通过阅读器天线线圈的电流变化引起 感应磁场的变化，最终通过电子标签天线线圈感应电流的变化反应出来；同样，电子标 签发送给阅读器的信息通过加载调制反映到电子标签天线线圈的负载变化上，负载的变 化从而反映到阅读器天线线圈中感应电压的变化上p j 。 由于线圈天线所产生的感应磁场作用距离有限，电感耦合模式一般适用于近距离 r f i d 系统( 一般小于l m ) ；同时，由于电感耦合的效率不高，电感耦合模式只适用于 中低频和低功耗r f i d 系统【1 引。 反向散射耦合完整表述为电磁反向散射耦合，工作原理图如图2 5 所示，与电感耦 合模式相比，反向散射耦合的阅读器天线与电子标签天线是真正意义上的天线( 有效地 辐射电磁波) ，耦合的实质是阅读器天线辐射出已调制的射频信号，当电子标签进入阅 读器的有效辐射区，电子标签天线接收到该射频信号，同时激活电子标签芯片，对信号 处理后进行应答，电子标签天线将应答信息传输给阅读器天线，阅读器接收到该信息处 理后完成对电子标签的身份识别p j 。 图2 5 反向散射模式原理图 由于反向散射模式是阅读器天线与标签天线之间的信息传播，所以传输距离和传输 效率都相对较高，一般应用在远距离超高频和微波r f i d 系统1 引。 9 2 射频识别基本理论 硕士论文 2 3r f i d 的分类 射频识别系统可以根据其系统特征对其进行多种分类，按照使用频率的不同可以分 为低频射频识别系统、中高频射频识别系统和微波射频识别系统三类；而根据电子标签 内是否有电池供电可以将其分为有源射频识别系统和无源射频识别系统，表2 1 列出了 射频识别系统的几种分类【1 8 】。 表2 1r f i d 系统的特征及其分类 系统特征， 系统分类 工作方式 全双工半双工 时序系统 数据量l b i t 系统多b i t 系统 可否编程可编程系统不可编程系统 数据载体 i c 表面波系统 运行情况状态机系统微处理器系统 能量供应有源系统无源系统 工作频率低频系统中高频系统微波系统 数据传输电感耦合系统电磁散射系统 信息注入方式集成电路固化式系统现场有线改写式系统现场无线改写式系统 读取信息手段 广播发射式系统倍频式系统反射调制系统 作用距离密耦合系统遥耦合系统远距离系统 系统特征低档系统中档系统高档系统 2 4r f i d 的频率特性 射频识别系统的工作频率，决定于阅读器发送射频信号的频率。根据使用频率的划 分，低频系统一般工作在1 0 0 k h z 5 0 0 k h z ，典型的工作频率有1 2 5 k h z 、1 3 4 2 z ；高 频系统工作在1 0 m h z 1 5 m h z ，典型的高频工作中心频率为1 3 5 m h z ；超高频一般工作 在8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ，常用的工作中心频率为9 1 5 m h z ，也有少数采用4 3 3 9 2 m h z ；微波 波段的工作中心频率一般为2 4 5 5 8 g h z 2 0 】【2 l 】。其频率特性及应用范围如表2 2 所示。 对于同一频段，不同的国家和地区也有不同频带划分标准。对于u h f 频段，欧洲 的使用频段为8 6 6 m h z 8 6 9 m h z ，美洲为9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，日本和一些亚洲地区应用 的频段为9 5 0 9 5 6 m h z ，韩国为9 0 8 5 m h z 9 1 4 m h z ，中国大陆地区有两个频段，分别为 8 4 0 m h z 8 6 0 m h z 和9 1 8 m h z 一9 2 5 m h z 。对于微波波段中的2 4 g h z 频段，北美地区和日 本所使用频段都为2 4 g h z 2 4 8 3 g h z ( 中心频率为2 4 5 g h z ) ，欧洲使用的频段为 2 4 4 6 g h z 2 4 5 4 g h z ( 中心频率为2 4 5 g h z ) ，中国大陆地区使用的频段为 1 0 硕士论文r f i d 天线研究与设计 2 4 g h z 2 4 2 5 g h z ( 中心频率为2 4 1g h z ) ，此外对于5 8 g h z 的使用，大部分国家和地 区都一样，为5 7 2 5 g h z - 5 8 7 5 g h z ( 中心频率为5 s g h z ) f 2 0 】- f 2 2 】。 表2 2r f i d 频率特性及应用范围 频率低频高频超高频微波 1 2 4 k h z1 3 5 6m h z 4 3 3 9 2m h z 8 6 0 9 6 0m h z2 4 5 5 8 8 g h z 识别距离 6 0 c r n约6 0 c m5 0 1 0 0 c m3 5 m 10 0 m 5 0 m 一般特性价格较高价格较低长识别距先进的i c特性与i j h f 受环境影适合短距 离技术 频段类似 响较小，可在 离识别和多实时跟踪 可多重识受环境影响 复杂环境下重标签识别受环境影别，各方面性较大 工作 系统响较大能突出 运行方式无源无源无源有源+ 无源有源+ 无源 典型应用动物识别、工电子车票、电车辆自动识别、集装箱识别、移动车辆识 具识别、电子子身份证、物自动收费系统等别、电子闭锁 闭锁防盗等业管理等防盗、医疗科 研等 识别速度低速+ _ 高速 环境影响小- 大 标签尺寸小大 3 天线基础理论 硕士论文 3 天线基础理论 3 1 引言 自从赫兹于1 8 8 6 年在实验室建立第一个天线系统和1 8 9 7 年马可尼获得一个完整的 天线电报系统专利以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，随着现代通信技术的快 速发展，天线已经成为现代人类生活不可或缺的工具【2 3 1 。 “天线”一词在英文中最早为动物触觉器官，但是在过去的一个多世纪里，天线又 被赋予了新的含义【2 4 | 。根据天线标准术语的定义，天线为“辐射和接收电波的设备”， 天线的主要作用是使导行波与“自由空间波 之间的相互转换，所以可以借助于任何其 他设备完成信息远距离的传输。 1 8 8 6 年德国物理学家赫兹建立了第一个天线系统，他当时所设计的系统如今可以 描述为工作在米波波段的完整的无线电系统，其发射天线为一个终端加载的偶极子天 线，接收天线为一个谐振方环，同时，赫兹也采用过抛物面反射镜天线。但是这个系统 只停留在实验室阶段。2 0 世纪初意大利的马可尼在赫兹的基础上添加了调谐电路，完 成了跨越大西洋的远距离无线通信，随后应用于航海领域，为无线电技术的商业应用奠 定了基础。随着上世纪雷达在军事、航海领域的普及，厘米波在雷达系统中得到广泛的 应用，无线电频谱才得到了充分的应用。上世纪6 0 年代，卫星、导弹、航天、遥测遥 感等的技术的发展，对天线有更高的技术要求，也出现了大量的新种类天线，如相控阵 天线，微带天线，卡塞格伦天线，自适应天线掣2 5 】。 进入二十一世纪以来，天线的理论得到了不断的发展和补充，很多商业的数值计算 仿真软件的不断出现，大大提高了天线的设计效率。同时，由于无线电通信的技术及业 务的迅速发展，对天线提出了许多新的要求和研究方向，也促使了很多新型天线的诞生， 特别是第三代移动通信中应用的智能天线，主要功能是一种改传统天线为能量转换器， 已经成为移动通信领域的研究热点。总之，根据天线在电子系统中的应用，天线可分为 广播天线、通信天线、雷达天线等。另外天线在遥测遥感、工业微波烹饪、医疗卫生等 领域也有很多应用。 1 2 硕士论文 一 些里茎垡塑壅皇丝生 - i - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ i _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一一。 3 2 天线及其辐射场 图3 1 电基本振子坐标 如图3 1 所示，一电基本振子沿坐标z 轴放置，其长度为，半径为a ，波长为入， a k 入，同时该电基本振子电流i 沿z 轴方向处处等幅同相，在无限大自由空间中，该 基本振子的空间场强可表示为【2 4 】： - ，2u 风= 0 以= 石s m 町吾+ 专) p 一归 e ：旦三c 。s 。( 歹毒一，丢) p 一归 4 n o ”r 2 。r 岛卫4 n 上0 3 e o 如町等专一，妒步 瓦= o e = e 弓+ e o 毛 l h = 风瓦 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式( 3 1 ) 与( 3 2 ) 中，豆为电场强度，单位v m ，豆为磁场强度，单位为m ； ，0 ，驴分别表示为球坐标各矢量分量，砟， 磊，焉为球坐标系中沿，0 ，妒方向的 1 3 3 天线基础理论 硕士论文 单位矢量，九为自由空间波长，8 。为自由空间介电常数( 。= 1 0 9 “3 6 兀) ，单位为f m ) ， 为自由空间导磁率( = 缸1 0 - 7 ，单位为l - g m ) ，k = m 厩= 2 n 九，为自由空间 相移常数。 由式( 3 2 ) 可知，电基本振子矢量由三个分量e ，晶，风组成，每个分量都与 距离r 有复杂的关系。所以，根据r 的大小，可将振子的辐射场分为近区场和远区场。 3 2 1 近区场 当敞1 ( 心叫，吉 1 ( r 入( 2 ) ) ，吉 击 丽1 了，所以，电场主要由万1 决定，可忽略话1 了 和万专，有式( 3 1 ) 可知，电基本振子的远区场表达式为2 6 】： l k r 。 1 4 耳= 杀s i n 眩归 岛：广。6 _ 0 r 1 ls i n 。口弦 ( 3 4 ) 几， h r = h b2 e m = er = 0 硕士论文 r f i d 天线研究与设计 对比式( 3 3 ) 与式( 3 4 ) 可知，远区场与近区场的性质完全不同。远区场中只有昂， i - 两个相位相同的分量，因此坡印廷矢量为： 瓦= 1 r o t 豆府】= 警s i n 。弓 ( 3 5 ) 所以在远区场，有能量沿方向r 向外辐射，因此，远区场又称辐射场。式( 3 4 ) 中， 岛，风都与，成反比，这表示场强随着距离的增加而减小；晶，致表达式中都包含 相位因子e - j 白，这表示，恒等的球面为辐射场的等相位面。岛，风都与s i n o 成正比， 这表示辐射场不是一个均匀的球体，具有方向性。 3 3 天线参数 l 、天线方向图 天线的主要作用就是接收和辐射电磁波，由前面的讨论可知，天线辐射出去的电磁 波是不均匀的球面波，具有一定的方向性，这种方向性是指天线朝着所在空间不同方向 所辐射的电磁场的强度不同，也就是在相同距离下天线辐射场的相对值与空间方向的关 系，把这种关系用函数表示即为方向函数【2 4 1 ，假设天线辐射的电场强度为豆( r ，0 ，q ) ， 可以把其绝对值表示为： j 云( ，。，伞) | = 6 0 - - - - l f ( o ，平) ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 中，为归算电流，因此场强方向函数f ( 0 ，9 ) 可以表示为： f ( 0 荆= 掣 ( 3 7 ) 由这种函数表示的空间立体图形即为天线的辐射方向图，理论上方向图应该为空间 立体三维图，但是出于方便观察的考虑，在实际的工程应用中，一般采用两个正交的方 向图( e 面和h 面) 来描绘自由空间中天线的辐射能量的集中程度，e 面为电场强度矢 量和最大辐射方向所组成的平面，h 面为磁场强度矢量与最大辐射方向所组成的平面。 2 、天线的方向性系数 为了方便和精确地比较不同天线的之间的方向性，需要引入一个定量来描述天线的 方向性，即方向性系数，其定义为：在同距离以及同一辐射功率的条件下，一个天线 在最大辐射方向上的辐射功率密度s m 救( 或者是场强i e l i l 舣1 2 ) 与无方向性天线( 理想点 源天线) 的辐射功率密度s o ( 或者是场强j e o l 2 ) 之比，所以方向性系数d 可以表示为【2 4 】： 3 天线基础理论 硕士论文 。寺b 旷群k ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 中p ，为该天线辐射功率，p 加为无方向性天线( 点源天线) 的辐射功率， 理想无方向性天线( 点源天线) 在同一距离各个方向的辐射功率相等，所以无方向性天 线的辐射方向系数为1 。 由于无方向性天线在，处的辐射功率密度为： s o = 嘉= 爨 9 ， 2 苏2 揣 o 9 ) 由式( 3 8 ) 得 d ：! ：l 墨蛏 ( 3 1 0 ) 6 0 9 所以 ：塑丝 ( 3 1 1 ) 若在同一距离r 处辐射场相等，对于不同的天线，则有： 益：堡( 3 1 2 ) p ：d l 所以，在同位置辐射场相同的情况下，方向系数与辐射功率成反比。 3 、天线的效率1 由于天线为一无源器件，载有高频电流的天线导体及其介质层都会产生损耗，所以 天线的输入能量并不能完全转化为电磁波能量辐射出去，天线的辐射功率p r 与输入功 率之比定义为天线的效率，记为r la 即 ”一= 了- r ( 3 1 3 ) 4 、天线增益 天线的增益是天线的重要参数，表示天线在某一定向的收益程度，定义为在相同距 离及相同输入功率的情况下，天线在的最大辐射方向上的辐射功率密度s m 戕与理想点源 的辐射功率密度s o 之比，即 强鲁h 一般天线都是有损耗的，所以，功率密度与无耗时相差r 1 倍，则式( 3 1 5 ) 又可表 示为 1 6 硕士论文壁! 里委堡旦茎圭塑 - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ - _ _ - _ - _ - _ l - - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 一 g = 等h = t 百i a s m x k ( 3 1 5 ) 即 g = 1 1 d ( 3 1 6 ) 由式( 3 1 6 ) 可知，天线的增益与天线的方向系数及效率存在一定关系，他们都是 天线性能的重要参数。 5 、天线的极化【2 4 】【2 6 】 天线的极化是指天线在某一特定方向上远区场的取向随时间变化的特性。而天线的 极化是由辐射出电磁波的极化决定的，即为空间某一定点位置上电场矢量随时间变化的 轨迹。天线的极化方式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种，如图3 2 所示。 y 。 匙 f | f态。 o 7w j e ， j 厂 於。厂 过“ e ，- y 。 jl 厂、。 u 囔 1r ( a ) 椭圆极化 ( b ) 圆极化a r = i ( c ) 线极化a r = 图3 2 三种极化、破不恿图 在图3 2 ( a ) 中，椭圆极化的长轴与短轴之比为天线极化轴比，当天线轴比为1 时， 则为圆极化天线，而轴比为时，则为线极化。圆极化根据其旋转方向的不同可分为左 旋极化和右旋极化，而线极化又可分为垂直极化和水平极化。在工程应用中，一般轴比 小于3 d b 就可以认为是圆极化。 6 、天线的有效接收面积【2 3 】 天线的有效接收面积是衡量天线接收空间自由电磁波能力的重要指标。其定义为： 在天线以最大增益方向接收来波，且天线的极化与来波极化相匹配的情况下，接收天线 送到匹配负载的平均功率p l m 觚与来波的功率密度s w 之比，则天线的有效接收面积丸 可以表示为： 4 = 每 1 7 ) 天线的有效接收面积与增益之间的关系可以表示为： 1 7 3 天线基础理论 硕士论文 4 2 苦g ( 3 1 8 ) 7 、输入阻抗【2 6 】 天线的输入阻抗是指天线的馈电端所呈现的阻抗值，天线输入阻抗值为天线的输入 电压与输入电流的比值。即 rr 乙= 挚= 如+ 风 ( 3 1 9 ) 加 式( 3 1 9 ) 中，r 加为输入电阻，对应于有功功率，它以损耗和辐射的方式耗散， 为输入电抗，对应于无功功率，无功功率则存储在近区场。 为了使天线与其连接器件之间能量的最大传输，就必须使得天线