（电磁场与微波技术专业论文）uhf频段rfid阅读器天线研究与设计.pdf

硕士论文u l 口频段r f i d 阅读器天线研究与设计 摘要 射频识别( i 础of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术是一种非接触式自动识别技术，它是通 过无线射频方式实现阅读器与标签之间非接触双向通信，从而实现自动识别并获取相关 数据。与其它识别方式相比，该技术具有抗干扰能力强、无需人工干预、读写速度快、 识别精度高等优点。随着近年来全球各地对物联网技术的重视与投入，r f i d 技术也得 到了很快的发展及广泛的应用。r f i d 阅读器天线作为发射和接收识别信号的设施，在 整个射频识别系统中起到了至关重要的作用，因此对r f i d 阅读器天线的研究有着深刻 的意义。 本文首先介绍了r f i d 系统的组成部件、工作原理等相关知识，对天线的基础理论 做了详细阐述，同时也介绍了微带天线的一些基础理论及其在未来发展中的趋势。 本文在对阅读器天线的设计方法进行研究的基础上，设计了一款用于仓库管理的外 置宽频带圆极化阅读器天线。该天线采用圆形贴片结构，利用3 d b 分支定向耦合器馈电 形式以实现天线圆极化辐射，并在耦合器馈点末端添加开路支节实现宽频带阻抗变化以 辅助调节天线端口匹配。该阅读器天线实现了宽角宽频带圆极化方式，能够适应于u h f 频段中的多种r f i d 系统大范围读取要求。另外，在此基础上，本文还提出了一种天线 阵列，该天线阵列由三个圆极化单元天线排列而成，其增益值相对于单个单元天线有较 大提高，增大了阅读距离。 关键词：射频识别，圆极化，阻抗匹配，微带天线，天线阵列 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 ni san o n - c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i n o r d e rt oa c h i e v et h en o n - c o n t a c tb i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h er e a d e ra n d t h et a g s ， i 江i da c h i e v e da u t o m a t i c a l l yt oi d e n t i f yo b j e c t sa n do b t a i nr e l e v a n td a t aw i t hw i r e l e s sr a d i o f r e q u e n c ys i v a c o m p a r e dw i t ho t h e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，r f dh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y , w i t h o u th u m a ni n v e n t i o n ，f a s tr e a d i n ga n dw r i t i n g ， h i 幽i d e n t i f i c a t i o na c c u r a c y r f i dt e c h n o l o g yh a s b e e nd e v e l o p e df a s ta n dw i d e l yu s e dw i t h t h ew o r l d w i d ea t t e n t i o na n di n v e s t m e n to fi n t e m e to ft h i n g sw i t h i nr e c e n ty e a r s r f i d r e a d e ra n t e n n ah a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ee n t i r er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m a st h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gi d e n t i f i c a t i o ns i g n a l f a c i l i t i e s s oi th a sp r o f o u n d s i g n i f i c a n c et or e s e a r c hr f i dr e a d e ra n t e n n a t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ec o m p o n e n t so ft h er f i ds y s t e ma n dh o w i tw o r k s ，e t c a n dt h e ni td i dad e t a i lw o r ko nt h eb a s i ct h e o r yo fa n t e n n a ，i n t r o d u c e ds o m eb a s i ct h e o r y a n dt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h em i c r o - s t r i pa n t e n n a t h i sp a p e rb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ed e s i g nm e t h o d so ft h er e a d e ra n t e n n a , p r o p o s e da b r o a d b a n de x t e m a lc i r c u l a r l yp o l a r i z e dr e a d e ra n t e n n aw h i c hi sa p p l i e dt o w a r e h o u s e m a n a g e m e n t t l l i sp r o p o s e da n t e n n au s e dt h es t r u c t u r eo fc i r c u l a rp a t c hw h i c h f e db ya3 d b b r a n c hd i r e c t i o n a lc o u p l e rt oa c h i e v ec i r c u l a rp o l a r i z e d ，a n da d d i n go p e ns t u ba tt h ef e e d i n g e n do fc o u p l e rt oa c h i e v ew i d e b a n di m p e n d e n c em a t c h i n gb ya d j u s tt h ea n t e n n ai m p e n d e n c e i na d d i t i o n ，b a s e do nt h ea b o v ed e s i g n ，t h ep r o p o s e da n t e n n aa c h i e v e dw i d e a n g l e ，w i d e b a n d c i r c u l a r l yp o l a r i z e df o rt h ew i d er e a d i n ga n dw r i t i n gr a n g et oa c c o m m o d a t et h ed e m a n do f s o m er f i ds y s t e mi nt h eu h fb a n d f u r t h e r , t h ea r t i c l ea l s op r o p o s e da na n t e n n aa r r a yb a s e d o nt h ea n t e n n aa b o v e ，t h ea n t e n n aa r r a ya r ea r r a n g e db yt h r e ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o ne l e m e n t a n t e n n a , a n dt h eg a i nv a l u ew i t hr e s p e c tt oas i n g l ea n t e n n ah a si m p r o v e dg r e a t l y , t h er e a d i n g d i s t a n c eh a v eb e e ni n c r e a s e d k e yw o r d s ：r f i d ，c i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ，i m p e n d e n c e m a t c h i n g ，m i c r o 。s t r i pa n t e n n a , a n t e n n aa r r a y i i 硕士论文u h f 频段r f i d 阅读器天线研究与设计 目录 摘| 荽。i a b s t r a c t i i 1 绪论。1 1 1 研究的背景和意义1 1 2r f i d 系统简介1 1 3r f i d 天线发展现状和进展2 1 4r f i d 天线面临的主要挑战3 1 5 本论文的主要工作及内容结构4 2 天线基础理论5 2 1 引言5 2 2 电基本振子辐射5 2 3 天线参数7 2 4 微带天线9 2 5 微带天线辐射原理11 3r f i d 阅读器天线的研究与分析1 3 3 1 引言13 3 2u h f 频段r f i d 读写器天线性能要求1 3 3 2 1 天线增益1 3 3 2 2 频率带宽1 4 3 2 3 极化方式1 4 3 2 4 小型化15 3 3 微带天线圆极化技术1 5 3 3 1 单馈法1 5 3 3 2 双馈法1 6 3 3 3 多元法1 6 3 4 微带天线小型化实现方法1 7 3 4 1 特殊材料介质基板法17 3 4 2 天线加载18 3 4 3 曲流技术18 3 4 4 附加有源网络1 9 3 5 天线的宽频带实现方法1 9 i i i 目录 硕士论文 3 5 1 降低天线等效电路的q 值19 3 5 2 阻抗匹配法。2 0 3 5 3 修改天线等效谐振电路2 0 3 6 小结2 l 4u i t f 频段阅读器天线设计2 2 4 1 阅读器天线设计目标2 2 4 2 双点馈圆形贴片天线结构2 2 4 3 双点馈圆形贴片天线仿真分析2 4 4 3 1 分支定向耦合器设计2 4 4 3 2 阅读器天线优化分析2 7 4 4u h f 频段r f i d 阅读器天线仿真与测试3 6 4 4 1u h f 频段r f i d 阅读器天线最终结构的确定3 6 4 4 2 天线实物加工测试4 0 4 5u h f 频段圆极化天线阵列仿真4 1 4 6 小结4 5 5 总结与展望4 6 致谢4 7 参考文献4 8 i v 硕士论文哪频段r f i d 阅读器天线研究与设计 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 r f i d l - r a d i o f 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) 技术起源于第二次世界大战的敌 我识别技术，是2 0 世纪末开始兴起的一项无线自动识别技术。该技术综合了射频通信 原理及雷达原理等，它具有无需直接或间接接触、无需人工干预、操作方便快捷、识别 速度快、安全性高、可加密等优点。随着近年来物联网的快速发展，r f i d 技术在交通 运输、公共安全、产品的制造、存储、流通及后期物品质量跟踪等领域起到至关重要的 作用，已被公认为2 1 世纪十大重要技术之一【1 3 】。 目前，在全球领域内，r f i d 技术得到了很好的发展。2 0 0 9 年，全球的r f i d 市场 规模达到了5 5 6 亿美元，其中我国r f i d 的市场规模达到了9 9 3 亿元人民币，增幅为 7 9 。中国政府也加大了对物联网产业的投入，在铁路交通、物流追踪、航空、海关和 制造企业都进行了r f i d 技术应用试点【4 】。不过在r f i d 技术方面，我国的发展还有许 多的不足，例如，我们国家现在只是给出了试行标准【了7 1 ，具体的r f i d 技术标准制定还 有待时日加强。在国外，r f i d 技术标准早已制定并且得到了很好的发展，同时在实际 的应用方面也得到了较好的应用。 r f i d 天线作为r f i d 系统中的发射和接收设备，是r f i d 系统中不可缺少的一个组 成部分，同时也是r f i d 系统研发过程中的一个难点，制约着r f i d 技术的发展，因此， 对于r f i d 天线的研究也就自然而然的有着其重要的意义。 1 2r f i d 系统简介 典型的r f i d 系统主要由阅读器、电子标签和数据交换及管理系统即通常所称的后 台管理程序三部分组成【5 1 1 6 1 ，如图1 1 所示： 天线、 、 图1 ar f i d 系统组成示意图 l 绪论硕士论文 阅读器主要由读写部分及信号发射接收两部分组成1 9 1 0 ，其中读写部分包括读写电 路及读写程序，信号发射接收部分主要由射频信号放大电路、滤波电路、检波电路及射 频信号发射天线等部分组成。在工作时，阅读器通过阅读器天线发射射频信号传至电子 标签，“唤醒”电子标签，并接收标签返回的信号，经过对返回的信号进行放大，滤波， 数据解调等处理后，完成对电子标签信息的解析，并将有用的数据送至后台管理系统与 其交互。 电子标签主要由标签芯片及标签天线两部分组成【9 1 0 】。电子标签内存储有有关待识 别物品的标示数据。它可以分为有源电子标签和无源电子标签两种，有源电子标签内部 含有电源，无源电子标签不含有电源。当电子标签接收到阅读器发射的“唤醒”信号时， 电子标签芯片被“唤醒”，然后根据阅读器发射出的指令做出相应的操作，并将相应操作 后的数据返回给阅读器操作。 后台管理系统主要完成对数据信息的存储和管理等操作。它可以由简单的本地软件 担当，也可以是集成了r f i d 管理模块的分布式e r p 管理软件【7 j 。 1 3r f i d 天线发展现状和进展 r f i d 天线作为r f i d 系统中的“桥梁”连接着阅读器和电子标签，其在r f i d 系统中 作用的重要性可见一斑。关于r f i d 天线技术的研究，国外已取得很大的进步。2 0 0 3 年 日立公司突破片上集成天线技术宣称在0 4 平方毫米的晶圆上集成了天线【l6 。在降低标 签成本的基础上，该芯片的传输距离达到3 0 c m 。2 0 0 4 年，芬兰p a s i r a u m o n e n 等人将 e b g 结构引入阅读器天线设计【l 7 1 ，降低了螺旋曲线天线的高度。2 0 1 1 年，泰国的 n f h a f h i e m e k r a c h o d n o k 和r w o n g s a n 等人提出了利用e b g 结构作为4 元偶极子天线 阵列反射板来增强天线阵列的增益，该阵列天线工作频率为2 3 2 8 5 g h z ，最大增益可 达1 3 2 d b t l 8 】。同时，在2 0 1 1 年，b i j a y as h r e s t h a 等人在贴片天线的周边增加微带贴片 单元，设计了一种远近场都可以工作的天线【l9 1 。该天线的近场和远场的最大阅读距离分 别达到了9 c m 和6 m 。我国近年来对r f i d 天线的研究也取得了一些进步。2 0 0 6 年，华 南理工大学赖晓铮等人提出了一种m i n k o w s k i 分型结构天线【3 刀。该天线谐振频率为 9 1 5 m h z ，阻抗带宽为5 0 m h z ，相对于相同谐振频率的正方形贴片天线，天线面积缩减 比例达到4 4 。2 0 1 2 年，南京邮电大学卢伟等人提出了一款机构紧凑的单层缝隙双频 带天线【l l 】，其谐振频率为2 4 5 g h z 和5 8 g h z ，在实现双频工作的同时，天线的尺寸也 很小巧，其尺寸为2 9 m m 2 9 m m ，易于与读写电路集成。 近期，国外还出现了一些比较新颖的天线设计概念：如智能波束扫描天线阵，在组 装有该天线阵的读写器系统中，读写器可以按照一定的处理顺序，“智能”地打开和关闭 不同单元天线，使系统能够感知不同单元天线覆盖区域的标签，增大系统读取效率及覆 盖范围。 硕士论文u h f 频段r f i d 阅读器天线研究与设计 总而言之，我国在r f i d 天线领域中具有一定的设计和研发能力，但与国外相比还 是有一定差距。在r f i d 天线的形式、体积、成本方面与国外相比还是有待提高。在微 芯片上的嵌入式天线方面，我国目前还是一片空白。 1 4r f m 天线面临的主要挑战 如今，随着物联网技术的快速发展，r f i d 技术也得到了广泛的应用，在服装、物 流、制造等行业，r f i d 的应用随处可见。随着r f i d 技术的应用越来越多，r f i d 面临 的挑战也越来越多，尤其是它的保密性及r f i d 天线的研发。随着国际贸易的日趋频繁， 各国家或地区r f i d 标准的不统一，研发制造出覆盖全球各国家或地区的r f i d 宽频带 天线迫在眉睫。在有的领域，如服装行业，要求电子标签尽可能的小，以便能够与服装 有效的结合在一起而又不至于占服装太多的地方，在大批量地读取这些电子标签时尽量 减少标签漏读、误读、重复读取，提高阅读器的读取效率，这也就要求r f i d 电子标签 能够尽量小，同时标签天线和阅读器天线的增益尽量高，这向天线研发人员提出了挑战。 总之，未来r f i d 天线面临的挑战主要有以下几个方面： 1 宽频带甚至是多频带：由于全球r f i d 标准的不统一，研发生产能够适于全球r f i d 标准的天线对于全球r f i d 市场具有深远的影响，因此研究生产出宽频带r f i d 天线也 就成为未来r f i d 天线研究设计人员所面临的一个挑战。 2 j 、型化：为了对r f i d 某些特殊领域的适应，如服装行业，研制出小型化r f i d 天线也是未来r f i d 挑战所面临的一个方向。在标签天线小型化的挑战方面，研发设计 小型化天线甚至是能够直接嵌入微芯片的嵌入式天线，电子标签的体积大大减小，使得 r f i d 技术的应用领域越来越广泛，这对r f i d 技术本身的发展也是意义非凡的，因此， 微芯片嵌入式天线及小型化天线也是未来r f i d 领域很值得去挑战也是最具挑战性的一 个方向。 3 高增益：随着物流管理等行业的飞速发展，大批量地快速读取电子标签信息也很 频繁，为了使阅读器与电子标签之间能够进行有效地远距离通信，研发制造出高增益的 阅读器天线及电子标签天线也是r f i d 天线开发者们所面临挑战的一个方面。 4 智能天线阵：为了提高阅读器的阅读效率，在阅读器阅读标签的时候，尽可能的 使得阅读器天线的辐射方向为所读标签的方向，这样能更有效地读取标签信息及增大读 取距离，而智能天线阵的智能定向窄波束能很好地适应该要求。因此，智能天线阵也可 作为阅读器天线未来发展的一个方面。 5 绿色、低成本：r f i d 技术的应用广泛与否也与其成本有着密切的联系，同时随着 全球物品的不断增加，研发制造出低成本，可重复利用的绿色电子标签也是r f i d 电子 行业所需要面临的一个挑战。 1 绪论 硕士论文 1 5 本论文的主要工作及内容结构 本文在阅读了大量关于r f i d 和天线理论的相关书籍和文献的基础上，对r f i d 阅 读器天线的要求和设计方法有了一定的了解。这些工作在本论文中有较为详细的阐述。 本论文的主要工作在于设计出了一款覆盖了8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 的全球r f i du h f 频段的 阅读器天线。该天线实现了宽频带圆极化功能，相对于近年来所提的其他该类天线如文 献 1 2 1 3 】所设计天线而言，体积有了比较明显的减小，但也有明显的不足之处，天线 的增益较小。另外，本文在所设计阅读器天线基础上提出了一款高增益天线阵列，提高 了天线的有效读写距离。 本文主要内容如下： 第一章：绪论。简要介绍了本文的研究背景、国内外研究现状及面临的挑战。 第二章：天线基础理论。介绍了天线的辐射原理和用于衡量天线性能的各参数，最 后介绍了微带天线的基础理论包括微带天线的基本分类及微带天线的辐射原理。 第三章：r f i d 阅读器天线研究与分析。介绍了r f i d 系统对阅读器天线的要求以 及如何改善阅读器天线性能的方法，主要包括天线宽频带、小型化、高增益等技术。 第四章：u h f 频段r f i d 阅读器天线设计。本章主要结合u h f 频段r f i d 阅读器 天线的要求，给出了u h f 频段r f i d 阅读器天线的基本结构，同时分析了基本结构中的 结构参数对天线性能的影响，最后利用a n s o f lh f s s 软件仿真优化，给出了天线性能的 基本参数，包括工作带宽，轴比等。另外，在所设计天线基础上，提出了一种天线阵列， 该天线阵列由三个单元按照一定的分布方式组合而成，其天线增益相对于单个天线而言 有较大提高。 最后对本文进行总结，提出本设计中的不足，并展望进一步研究工作。 4 硕士论文呷频段r f i d 阅读器天线研究与设计 2 天线基础理论 2 1 引言 天线作为无线信号收发设备，其主要作用是将导行电磁波转换成自由空间电磁波或 者是将自由空间电磁波转换成导行电磁波。自1 8 8 6 年赫兹为了证明麦克斯韦方程的成 立而建立第一个天线系统以来【2 1 1 ，天线得到了很大的发展，其中包括天线理论和天线形 式，如微带天线、反射面天线、八木天线、螺旋天线等。天线品种繁多，根据不同的功 能、不同的频率、不同用途等可分为不同的类别【2 1 1 。 按天线的工作频段可分为：微波天线、短波天线、超短波天线等； 按天线的外形可分为：线状天线、面状天线等； 按天线的方向性可分为：全向天线，定向天线； 按天线的用途可分为：雷达天线、电视天线、通信天线。 不同的天线有着其不同的应用场合，发挥着不同的天线性能。本章将着重说明天线 的主要性能指标的含义。 2 2 电基本振子辐射 图2 1 为一电基本阵子辐射电磁波示意图【2 3 】。 图2 1 电基本振子坐标 电基本振子长度为，半径为a ，位于z 轴，且中心在x o y 平面_ j 7 _ ，波长为五，口，名。 电基本振子上的电流处处相等且相位相同。设在空间某一点上，电基本阵子辐射出的电 5 ! 丕垡苎里! ! 墨笙生坠生生 场大小为豆：己e + 易易+ 岛，磁场大小为疗= 己耳+ 毛凰+ 毛心。将秀和再、，代 入m a x w e l l 方程可解得： h ，= 0 h e = 0 也= 石s i n 刖争+ 专矿归 巨= 石忑2 c o s 町吾一，妒归 亿d k 石面1 咖町等+ 吉一，归 【易= 0 e = 啊+ 岛毛 ( 2 2 ) 1 日2 弓 式( 2 1 ) 与( 2 2 ) 中，雷为电场强度，单位v m ，豆为磁场强度，单位为a m ： ，臼， 妒分别表示为球坐标各分量，砟，毛，弓为球坐标系中沿，0 ，伊方向的单位矢量，力 为自由空间波长，民为自由空间介电常数( = 1 0 9 ( 3 6 刀) ，单位为f m ) ，风为自由空 间导磁率( 胁：4 9 x 1 0 - 。，单位为h m ) ，七= 国0 丽= 2 万五，为自由空间相移常数。 当b 1 时，吉 击 两1 ，由式( 2 1 ) 可知，电基本振子近区场表达式划冽： 易= 专s 洫乡 巨= 一丽忑2 c 。洲 ( 2 3 ) 易= 一，万面1 s i n 臼 h r = h 8 = e 口= q 由式( 2 3 ) 可知，电场与磁场相位相差舱，坡印廷矢量晶= 1 r e 昆疗】- o ，电基 本振子在近区场没有辐射，因此，近区场也叫感应场。 当扫，时，吉击丽1 ，电磁脏要由包含吉项婉包含丽1 和两1 项 的分量可忽略。由式( 2 1 ) 可知，电基本振子的远区场表达式为3 明： 硕士论文u i 邗频段r f i d 阅读器天线研究与设计 卟j 去妇盯h e a ：i6 0 n i n o s i n o e j k r 丘口2 - ， ” l r h r = h 9 = e 。= e r = 0 由式( 2 4 ) 可知，远区场中只有易，玩两个相位相同的分量，坡印廷矢量为： ( 2 4 ) 瓦= r e t e 们= 砖等s i i l 口 ( 2 5 ) 因此在远场，有能量沿半径，方向向外辐射，远区场又称辐射场。式( 2 4 ) q b ，易， 以都与，成反比，这表示场强随着距离的增加而减小；易，也表达式中都包含相位因 子p 一归，这表示，恒等的球面为辐射场的等相位面。易，吃都与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 2 1 1 。 2 3 天线参数 1 、天线方向图 由电基本阵子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀 球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。天线方向性也就是在相同距离的 条件下天线辐射场的相对值与空间方向的关系，这种关系用函数表示即为方向函数【2 。 假设天线辐射的电场强度为露( ，秒，缈) ，则电场强度绝对值可以表示为： l 豆9 ，9 ，9 ) i - 6 0 if ( 0 ，咖( 2 6 ) 其中i 为归算电流，f ( 0 ，缈) 为场强方向函数。 朋纠= 掣 ( 2 7 ) 该函数在三维坐标系下表示的图形即为天线方向图。由于画出此方向图较复杂，程 上常用两个正交的方向图( e 面和h 面) 简便描述天线在空间辐射能量的集中程度。 2 、方向系数 天线方向系数的引入是为了能定量地表示天线定向传播电磁能量的程度，从而能更 好地比较出不同天线之间的方向性。方向系数的定义为：在同一距离及相同辐射功率的 条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度s m 敬( 或场强l e i i l 戤j 的平方) 和无方向性 天线( 点源) 的辐射功率密度s o ( 或场强i z o l 的平方) 之比，用d ( d i r e c t i v i t y ) 来表示。用公 7 2 天线基础理论 硕士论文 式来表示如下： 肚尊= 等k 亿8 ， 式中p ，、p r o 分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线本身的方 向系数为1 。 3 、天线效率 2 7 】 天线效率表示的是天线辐射功率p ，与天线输入功率p i n 之比，用玑来表示玑= 詈， 这里定义的天线效率并未包含天线与传输线失配引起的反射损失。 4 、增益系数【2 1 】 天线增益系数表示的是在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方 向上的辐射功率密度s m 麟( 或场强l e m 戤i 的平方) 和理想无方向性天线( 理想点源) 的辐射功 率密度s o ( 或场强1 e o l 的平方) 之比，用g ( g a i n ) 来表示： g - 等h = 警i p r = 耳。 ( 2 9 ) 式中p 小p i n o 分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线 本身的增益系数为1 ，效率为1 0 0 。由式可以看出g 与d 之间的关系为g = 锄d ，与 天线的效率及方向系数有这一定的关系。 5 、天线的极化【2 1 】【2 7 】 天线的极化指的是该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向，也即在空间某一 固定位置上电场矢量末端随时间运动的轨迹。天线的极化可分为线极化、圆极化和椭圆 极化三种，如图2 2 所示，其中，圆极化和线极化两种极化方式也可看为是椭圆极化的 特殊情况。在工程上通常用轴比a r 来衡量天线为椭圆极化还是其它形式。 y 。 絮 f i 态、 o ， w le ， j 、 厂 入、厂 v 。 y 。 k jl 厂、 u夕 1 j i 1 ( a ) 椭圆极化( b ) 圆极化a r - _ 1 ( c ) 线极化a r - o o 图2 2 三种极化波示意图 硕士论文u i - i f 频段r f i d 阅读器天线研究与设计 6 、输入阻抗与辐射阻抗 2 1 】【3 0 】 天线输入阻抗z 协表示的是天线输入端的电压与电流之比 ，厂 乙= 挚= 如+ 风 ( 2 1 0 ) 删 其中，如、瓦分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。 有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，而无功功率则驻存在近区中。 7 、天线的有效接收面积【2 l 】【2 3 】 天线有效接收面积指的是在天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天 线的极化与来波极化相匹配，接收天线送到匹配负载的平均功率p l m 娃与来波的功率密 d，2 度s a y 之比，其表示式4 = 等。天线的有效接收面积与增益之间的关系为4 = 兰g 。 o 斗刀 8 、天线带宽【3 2 】 天线带宽是指天线在某一段频段内，天线的某项或某几项性能参数满足要求。根据 不同的性能参数可以定义不同带宽，如方向图带宽，增益带宽，阻抗带宽等。通常情况， 增益带宽和阻抗带宽是工程中最常用的。 增益带宽：在该频段内天线的增益不小于某指标。 阻抗带宽：在该频段内天线的驻波比小于某一指标，通常情况下小于2 。 上述带宽指的是绝对带宽矽，为了衡量不同频率上的天线带宽的程度，人们引入 了相对带宽。天线的相对带宽为绝对带宽与中心频率的比值。 2 4 微带天线 微带天线的概念首先是由d e s c h a m p s 3 4 j 在1 9 5 3 年提出的，但是由于未能提出较好的 理论模型和制作技术，微带天线还没有制造出来，只是提出这一概念。随着较好的理论 模型的提出以及对覆铜或覆金的介质基片的光刻技术发展后，实际的天线才制造出来。 最早的微带天线是由h o w e l l 3 5 1 和m u n s o n 3 6 在二十世纪七十年代初研制成的，之后微带 天线得到了广泛的发展和应用。微带天线的形式也多种多样，通常可分为微带贴片天线、 微带行波天线和微带缝隙天线等基本类型【3 3 】。 ( 1 ) 微带贴片天线【3 7 】 微带贴片天线是在一面为金属地板的基板的另一面上蚀刻出任意形状的导电贴片， 图2 3 所示为一矩形贴片天线。导电贴片形状一般有矩形、三角形、圆形、五边形、圆 环、椭圆形等形状。 9 2 天线基础理论硕士论文 图2 3 微带贴片天线结构 ( 2 ) 微带行波天线【3 7 j 微带行波天线是在带有金属地板的介质基片的另一面上蚀刻出链形周期结构或是 普通的t e m 波传输线( 维持一个t e 模) 。t e m 波传输线的末端接匹配负载，当天线上 维持t e m 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，图2 4 所示为微带行波天线的图形。 图2 4 微带行波天线 ( 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。缝隙可以是矩形，圆形或者其 他图形。图2 5 所示为一微带矩形缝隙天线。 1 0 图2 5 微带矩形缝隙天线 与常规的微波天线相比，微带天线主要有以下优点： ( 1 ) 重量轻、体积小、低剖面，可以与载体很好的共形； ( 2 ) 易于得到各种极化、易于实现多频谐振； ( 3 ) 能和有源器件、电路集成为统一的组件； ( 4 ) 易于组阵。 硕士论文u h f 频段r f i d 阅读器天线研究与设计 2 5 微带天线辐射原理 为了理解微带天线的基本辐射原理【2 7 】【3 1 1 ，首先对矩形贴片微带天线进行其电磁场分 布的分析，矩形贴片微带天线典型结构如图2 6 所示： y 图2 6 贴片微带天线结构 矩形贴片的长度和宽度分别为l p 和w p ，介质基板的高度为h 。，因此，可以将辐射 贴片看成是一段长为l p 、宽为w p 的终端开路的低阻抗微带传输线。若基板高度h d 远小 于电磁波在真空中的波长力p ，则电场在z 方向没有变化，只有在y 方向上发生变化。 由于在终端处将形成电压波腹和电流的波节，所以一般取三。= 无。2 ( 旯，为微带线上的 波长) ，所以在) r = 0 处也呈现电压的波腹和电流的波节。其贴片与金属接地板之间的电 流分布如图2 6 所示，电场可以近似的表示为： e = e 0c o s ( 竽- - ) ( 2 1 1 ) l p 微带天线的辐射是由介质板表面的金属贴片与介质板下方的金属接地板之间的缝 隙形成的，缝隙上电场的辐射可以等效为面磁流的辐射，面磁流可以表示为【3 3 】： 坂= e 元( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，豆= 葱，三为z 方向的单位矢量，厅为缝隙向外的法线单位矢量。在 两条宽边上，豆和元均反向，由式( 2 1 2 ) v j 以得到沿两条宽边( w p ) 的磁流同向，辐射场 在贴片向外的法线方向同相叠加，在贴片中心位置辐射场最大，随着偏离角度臼的增大 而减小，在沿长边( l p ) 的磁流是由两个反对称部分组成，它们在x o z 面上产生的辐射场 相互抵消，同时在x o y 面产生的辐射场也相互抵消。在其他面上，虽然辐射场不会完全 被抵消，但是相比宽边的辐射已经很小。 天线在远区场的h 面( x o z 面1 方向函数为： 2 天线基础理论 晶( 口) = e 面( x o y 面) 方向函数为： 1 2 s l n 疋( 乡) = | c o s 哇僻s i n 伊) 硕士论文 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) s i 畸c 硎) 三c 。s 臼 硕士论文u h f 频段r f l d 阅读器天线研究与设计 3r f i d 阅读器天线的研究与分析 3 1 引言 阅读器天线作为阅读器系统中一个必不可少的部分，其作用就是将阅读器的“唤醒” 信号发送给电子标签并接收电子标签返回的信号。阅读器天线的性能直接影响了射频识 别系统性能优越程度。 不同的射频识别系统对阅读器天线有着不同的要求，如有的系统需要多频带天线 等，一般情况下，对阅读器天线的要求为低剖面、小型化、后瓣小，另外为了降低阅读 器对电子标签位置的敏感度，要求阅读器天线的极化方式为圆极化。在超高频及微波波 段射频识别系统中，阅读器天线一般所采用的形式为微带天线结构。微带天线的特点是 适合大批量地生产、剖面低、易于与其它微带电路集成，并且微带天线可以较为简单的 实现天线的圆极化特性，而且在端口匹配时匹配的实现方法也比较多，即匹配网络可以 多样化。 本章主要是对微带天线设计的方法及发展趋势做了研究分析，为阅读器天线的设计 实现做好基础。 3 2u i t f 频段r f i d 读写器天线性能要求 3 2 1 天线增益 在r f i d 系统中，阅读器的阅读距离即阅读器能够读取到的标签的最远距离，是r f i d 系统中一个比较重要的指标，它影响着阅读器的阅读区域p 9 1 。 由自由空间中天线发射接收功率公式，可以得到标签天线接收的功率p r 为： p r = p t g t g r ( 南) 2 ( 3 1 ) 其中g 。为读写器天线增益，p t 表示的是读写器天线的输入功率，g ，为标签天线增益，五 为阅读器发射的无线信号对应的自由空间波长，d 为标签天线与读写器天线的实际距 离。设电子标签中芯片的开启功率也即标签能够工作的最小功率为p 血，则阅读器的读 写距离r 如下式： r - - q - 墨万- 2 y 气p t g , g r r( 3 2 ) f 为标签天线功率传输相关系数，定义如下【4 0 】： f ：害 o 矧 ( 3 3 ) i z 。+ z 。1 2 一1 v 。7 3 r f i d 阅读器天线的研究与分析硕士论文 其中，z 。= r 。+ j x 。为标签天线阻抗，z 。= r 。+ j x 。为标签芯片阻抗。由上式可以 看出标签天线的阻抗匹配对r f i d 系统的阅读距离也有着很大的影响。标签天线与标签 芯片匹配时f = 1 ，系统有最大阅读距离。同时由式( 3 2 ) 可以看出，读写器天线的增益也 影响其读写距离，在读写器天线的输入功率为某定值的情况下，其增益越大，读写距离 也就越远。 3 2 2 频率带宽 对于r f i d 标准来说，不同的国家或者地区有着不同的标准，这些标准规定的工作 频率范围也不相同。 表3 1 为不同地区r f i d 频率范围划分表。 表3 1 不同地区r f i d 频率范围划分表 波段地区频率范围 l f 全球 1 2 5 k h z 1 3 4 k h z h f 全球 1 3 5 6 m h z 美洲地区9 0 2 m h z - 9 2 8 m z 欧洲 8 6 8 m h z 8 9 0 m z 唧 日本及一些亚洲地区9 5 0 m h z - 9 5 6 m h z 中国大陆8 4 0 m h z 8 4 5 m z ，9 2 0 m h z - 9 2 5 m z 微波波段全球2 4 5 g h z ，5 8 g h z 总的来说，r f i d 应用的频率可以划分为以下几大类：低频l f ( 1 2 5 k h z 到1 3 4 乜) 、 高频h f ( 频率为1 3 5 6 m h z ) 、超高频u h f ( 频率为8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ) ，微波频段( 2 4 5 g h z 和5 8 g h z ) 。对于u h f 频段来说，美洲地区划分的频率为9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，欧洲使用 的频率为8 6 8 m h z 8 8 9 m h z ，日本及一些亚洲地区所应用的频段为9 5 0 m h z 9 5 6 m h z ， 中国大陆地区试运行的标准有8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 和9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 两种频段。对于 u h f 频段r f i d 阅读器系统来说，最好是能够设计生产出覆盖8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 的全球 u h f 频段，以满足不同地区的需求4 1 1 4 2 1 。 3 2 3 极化方式 在发射天线与接收天线通信的时候，两者之间的极化匹配程度是通信好坏的一个比 较重要的参考量。在两者极化匹配的时候，接收天线接收到的能量是最大的；两者极化