（信息与通信工程专业论文）基于rfid门禁系统天线的研究与应用.pdf

南京i i l l j 【1 人学坝i ：研究生学位论文 摘嘤 摘要 现代社会产品越来越丰富，数据管理需求也越来越高，人们需要将多种多样处于生产、 销售、流通过程中的物品进行标识、管理和定位。射频蝴j j ( r f i d ) 系统采用具有穿透性的 电磁波进行识别，所以可以进行较远距离的识别，无须人工干预，可以标识多种多样的物 品。射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，同时作为一项先进的自动识别技术，r f i d 还是唯一可以实现多标签同时识别的自动识别技术。 本文综述了r f i d 的基本结构，它是由电子标签( t a g t r a n s p o n d e r ) 、阅读器( r e a d e r ) 及阅读器天线( r e a d e r i n t e r r o g a t o r ) 三部分组成的一种短距离无线通信系统；介绍了发展 现状及未来趋势，介绍了电磁场、r f i d 电子标签和阅读器天线的基础知识；介绍了r f i d 电子标签，它佩戴在人体上工作，主要利用了对称天线的结构以及工作原理进行结构设计 和模型构造，并最终作为一种产品市场化；介绍了阅读器天线：它作为门禁系统的输出设 备，主要利用了微带天线的结构以及工作原理进行设计结构和构造模型，也最终作为一种 产品市场化。通过电子标签和阅读器天线的设计和调试，实现了非接触式人员信息数据收 发，佩戴电子标签的个体在2 米以外即可被阅读器识别。 关键词：射频识别，电子标签，对称天线，阅读器天线，微带天线 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t p r o d u c t so fm o d e ms o c i e t yi n c r e a s i n g l yg e tr i c h ，d e m a n d sf o rd a t am a n a g e m e n th a v e b e c o m eh i g h e r , a n dp e o p l en e e dt oi d e n t i f i c a t e ，m a n a g ea n dp o s i t i o nav a r i e t yo fi t e m si nt h e p r o c e s so fp r o d u c t i o n ，m a r k e t i n ga n d c i r c u l a t i o n 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 ( r f i d ) s y s t e m u s e se l e c t r o m a g n e t i cw a v ew h i c hi sp e n e t r a t i n gt oi d e n t i f y , s oi tc a nb eu s e di nl o n gd i s t a n c e i d e n t i f i c a t i o n ，n e e dn om a n u a li n t e r v e n t i o n , a n dc a ni d e n t i f yaw i d ev a r i e t yo fi t e m s 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 nt e c h n o l o g yi 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 , a tt h e s a m et i m e ，a sa i la d v a n c e da 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 , r f i di st h eo n l yw a yt or e a l i z e s i m u l t a n e o u s l yi d e n t i f i c a t i o no fm o r et h a no n et a g s t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h er f i ds y s t e mi ss u m m a r i z e di nt h ea r t i c l e i ti sas h o r t - r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，c o m p o s e do ft h r e ep a r t s ，w h i c ha r et h ee l e c t r o n i ct a g ( t a g t r a n s p o n d e r ) ，r e a d e r ( r e a d e r ) a n dt h er e a d e ra n t e n n a ( r e a d e r i n t e r r o g a t o r ) t h ed e v e l o p m e n t o fr f i ds t a t u sa n df u t u r et r e n d sa r ei l l u s t r a t e d ，b a s i ck n o w l e d g ea b o u tt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， r f i de l e c t r o n i ct a ga n dr e a d e ra n t e n n ai si n t r o d u c e d b r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h ep r i n c i p l eo f r f i de l e c t r o n i ct a g si sg i v e no 砒i tc a nb ew e a r e do np e o p l e sb o d y s t r u c t u r ed e s i g na n dm o d e l f o r m a t i o nu s e st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l eo ft h es y m m e t r ya n t e n n a , a n de v e n t u a l l yg o e s i n t ot h em a r k e ta sa p r o d u c t b f i e fi n t r o d u c t i o na b o u t t h ep r i n c i p l eo ft h er e a d e ra n t e n n ai sg i v e n d u 毒i ti st h eo u t p u td e v i c eo fa c c e s sc o n t r o ls y s t e m , s t r u c t u r ed e s i g na n dm o d e lf o r m a t i o nu s e s t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em i c r o s t r i pa n t e n n a , a n de v e n t u a l l yg o e si n t ot h e m a r k e ta sap r o d u c t t h r o u g hd e s i g nf o re l e c t r o n i ct a ga n dr e a d e ra n t e n n a , n o n - c o n t a c td a t a s e n d i n ga n dr e c e i v i n gw a sr e a l i z e d , i n d i v i d u a lw e a r i n ge l e c t r o n i ct a g c a nb ei d e n t i f i e do u t s i d e2 m e t e r k e yw o r d s ：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 ( r f i d ) ，e l e c t r o n i ct a g s ，s y m m e t r i ca n t e n n a , r e a d e r a n t e n n a ，m i c r o s t r i pa n t e n n a i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：二哗导师签名：纽日期：牲 堕墨“! ! 生堂坐tr ! ! ! 兰兰堡堡兰 翌二主望堡 第一章绪论 1 1 引言 r y i d 是“无线射频识别”( 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 ) 技术的缩写，指的是利用无 线射频传输技术来存储数据和检索数据的过程，是非接触式自动识别技术的一种。r f i d 具 有非常明显的优势，首先，它尾一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术，已经 被世界公认为2 l 世纪十太重要的技术之一，在生产、销售和流通等领域有着广阔的应用前 景。其次，r f i d 电子标签的数据可以更改且存储量大，因此商家可以重复利用r f i d 的电 子标签，节省成本。此外，r f i d 还具有使用寿命长、安全性高、对环境要求低等优点。所 以使得r f i d 技术受到企业界和科研机构的追捧，它已经运渐成为企业提高物流和供应链管 理水平、降低成本、实现管理信息化、参与国际经济大循环和增强企业竞争力不可缺少的 技术工具和手段。有资料认为，如果说条码识别技术是自动识别技术的始祖。r f l d 则是自 动识别技术的始终，作为一项先进的自动识别技术，r f i d 还是唯一可以实现多标签同时识 别的自动识别技术。 1 2 射频识别技术基本原理 最基本的r f i d 系统有三部分组成：电子标签( t a g ) ：由天线、芯片及封装组成，每 个电子标签都具有唯一的电子编码，附着在物体上识别日标对象；阅读器( r e a d e r ) ：读 取( 有时还可以写入) 电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；阅读器天线 ( a n t e n n a ) ：在标签和阅读器叫传递射频信号。图1 1 所示为一个典型的r f i d 应用系统， 其中包括电子标签、阅读器、阅读器天线和结构件3 i 。 譬 图11r f i d 应用系统 电子标签，又称射频识别标签、射频标签，包括低频段( l f ) 射频标签，主要用于短 距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等；中高频( h f ) 射频标签，用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统：超高频( u h f ) 射频标签，应用 于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监 控、高速收费等系统中。 南京邮i u 人学坝i ：1 r w j 生学位论义 第一章绪论 阅读器又称读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器( 取决于电子标签是否可以无线 改写数据) ，是r f i d 构件的主要组成部分，人们能够通过计算机应用软件来对射频标签写 入或读取其所携带的数据信息。由于射频标签的非接触性质，人们必须借助于应用系统与 射频标签之间的读写器来实现数据的读写功能【1 8 】【2 0 】。 阅读器天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁 波的装置，在射频识别系统中，射频标签和读写器都包含天线，天线既可以集成到射频标 签和读写器中，也可以与射频标签和读写器分开装置。根据r f i d 系统的基本工作原理，射 频标签与读写器天线的耦合分为两种模式，即电感耦合模式( 变压器模型) ( 如图1 2 所示) 和反向散射耦合模式( 雷达模型) ( 如图1 3 所示) h 1 4 。为保, 正r f i d 射频识别系统的正常 工作，射频标签和读写器天线的性能必须满足一定的要求。 图1 2 电感偶和模式图1 3 反向散射耦合模式 1 3r f i d 的发展历程及现状 1 3 1r f i d 发展历程 r f i d 并不是最近才出现的技术，早在“二战”时它就被美军用于战争识别自己和盟军 的飞机，但由于昂贵的射频标签和读写器价格限制了r f i d 技术的广泛应用。总的说来r f i d 技术的发展可以分为一下几个阶段： 1 9 4 8 年：美国科学家哈里斯托克曼发表的利用反射功率的通信一文奠定了射频 识别技术的理论基础； 1 9 4 0 1 9 5 0 年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1 9 4 8 年奠定了射频识别技术 的理论基础： 1 9 5 0 1 9 6 0 年：早期射频识别技术的探索，主要处于实验室实验研究阶段： 1 9 6 0 1 9 7 0 年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试； 1 9 7 0 1 9 8 0 年：射频识别技术与产品研发进入大发展时期，各种射频识别技术得到加 速发展，出现了一些最早的射频识别应用； 1 9 8 0 1 9 9 0 年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种形式的应用开始出现； 南京邮l u 人学坝f ：研歹e 生学位论文第一币绪论 1 9 9 0 2 0 0 0 年：射频识别技术标准化问题只益得到重视，射频识别产品得到广泛采用， 射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分； 2 0 0 0 年后：标准化问题同趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子 标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行 业扩大。 1 3 2r f i d 的发展现状 从全球的范围来看，美国已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的丌发、应用领 域走在世界的前列；欧洲r f i d 标准追随美国主导的e p cg l o b a l 标准，在封闭系统应用方 面，欧洲与美国基本处在同一阶段；日本虽然已经提出u i d 标准，但主要得到的是本国厂 商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走；r f i d 在韩国的重要性得到了加强，政 府给予了高度重视，但至今韩国在r f i d 标准上仍模糊不清；中国目前也存在r f i d 标准 的模糊不清【l 】【4 】【6 】【7 1 。 1 美国 在产业方面，t i 、i n t e l 等美国集成电路厂商目前都在r f i d 领域投入巨资进行芯片开 发。s y m b o l 等已经研发出同时可以阅读条形码和r f i d 的扫描器。i b m 、m i c r o s o f t 和h p 等也在积极开发相应的软件及系统来支持r f i d 的应用。目前美国的交通、车辆管理、身 份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域已经开始逐步应用r f i d 技术。 在物流方面，美国已有1 0 0 多家企业承诺支持r e i d 应用，这其中包括：零售商沃尔玛； 制造商吉列、强生、宝洁；物流行业的联合包裹服务公司以及政府方面国防部的物流应用。 另外，值得注意的是美国政府是r e i d 应用的积极推动者。按照美国防部的合同规定， 2 0 0 4 年1 0 月1 日或者2 0 0 5 年1 月1 闩以后，所有军需物资都要使用r f i d 标签；美国食 品及药物管理局( f d a ) 建议制药商从2 0 0 6 年起利用r f i d 跟踪最常造假的药品；美国社会 福利局( s s a ) 已于2 0 0 5 年年初正式使用r e i d 技术追踪s s a 各种表格和手册。 2 欧洲 在产业方面，欧洲的p h i l i p s 、s t m i c r o e l e c t r o n i c s 在积极开发廉价r e i d 芯片；c h e c k p o i n t 在丌发支持多系统的r e i d 识别系统；诺基亚在开发能够基于r e i d 的移动电话购物系统； s a p 则在积极开发支持r e i d 的企业应用管理软件。在应用方面，欧洲在诸如交通、身份 识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系统与美国基本处在同一阶段。目前，欧洲许 多大型企业都纷纷进行r f i d 的应用实验。例如，英国的零售企业t e s c o 早于2 0 0 3 年9 月 结束了第一阶段试验。试验由该公司的物流中心和英国的两家商店进行，试验是对物流中 心和两家商店之问的包装盒及货盘的流通路径进行追踪，使用的9 1 5 m h z 频带。 南京i i i b t l 人学颂i ：研究生学位论义第一章绪论 3 同本 r 本是一个制造业强国，它在电子标签研究领域起步较早，政府也将r f i d 作为一项 关键的技术来发展。m p h p t 早在2 0 0 4 年3 月发布了针对r f i d 的”关于在传感网络时代运 用先进的r f i d 技术的最终研究草案报告”，报告称m p h p t 将继续支持测试在u h f 频段 的被动及主动的电子标签技术，并在此基础上进一步讨论管制的问题；2 0 0 4 年7 月，日本 经济产业省m e t i 选择了七大产业做r f i d 的应用试验，包括消费电子、书籍、服装、音 乐c d 、建筑机械、制药和物流。从近年来同本在r f i d 领域的动态来看，与行业应用相结 合的基于r f i d 技术的产品和解决方案丌始集中出现，这为2 0 0 5 年r f i d 在同本应用的推 广，特别是在物流等非制造领域，奠定了坚实的基础。 4 韩国 韩国主要通过国家的发展计划，再联合企业的力量来推动r f i d 的发展，即主要是由 产业资源部和情报通信部来推动r f i d 的发展计划。特别值得注意的是在2 0 0 4 年3 月韩国 提出i t 8 3 9 计划以来，r f i d 重要性得到了进一步的加强。虽然目前韩国在r f i d 的开发和 应用领域乏善可陈，但值得引起关注的是在韩国政府的高度重视下，韩国关于r f i d 的技 术开发和应用试验正在加速展开。同只本类似，韩国也出现了将r f i d 引入开放系统的趋 势。在2 0 0 5 年3 月，韩国政府将耗资7 8 4 亿美元在仁川新建技术中心，主要从事电子标 签技术包括r f i d 研发以及生产，以帮助韩国企业快速确立在全球r f i d 市场的主流地位。 该中心的建设在2 0 0 7 年前已完成，r f i d 标签和传感器在2 0 0 8 年批量出货。 5 国内 r f i d 已经被有关专家认定为2 1 世纪最具影响力的科技领域之一，然而它在我国的发 展才刚刚开始。近几年来，r f i d 芯片的制造，标准的制定以及测试技术在中国都取得了 一定的成果。如今国内r f i d 技术的相关研究成果主要集中在高频段，在超高频段仍然有 些欠缺。国内的企业虽然在r f i d 研究方面的参与并不是很充分，但已经做出了很多的努 力。研发及测试机构目前已经在芯片核心电路，标准制定，测试等方面取得一些成果。电 子标签与芯片研发机构目前已经开发出国产u h f ，h f 电子标签，特别是h f 已经比较成 熟的实现了规模化的量产，获得广泛应用。读写器及终端方面已经实现了一定程度上的规 模化生产，但总体性能指标上与国外同类产品有一定的差距。在软件及系统集成方面，目 前国内有2 0 0 多家企业，研究机构，大学等从事中间件，r f i d 数据管理，r f i d 公共信息 服务网络及其应用软件的开发。此外，国内有多家机构在开展具有独立自主知识产权的电 子标签封装装备与技术的研发，主要有华中科技大学，深圳惠罔科技公司等，目前还处于 原形样机的丌发阶段。 4 南京i i i i “e 人学顾l 研究生学位论义第一章绪论 1 4 本课题的研究意义 尽管r f i d 技术已经应用于多个领域，但是其应用是局限在某一封闭市场内，因此其 市场规模受到了极大的限制。但是随着r f i d 技术的发展演进以及成本的降低，未来几年 内r f i d 技术主要以供应链的应用为赢利的主体，全球开放的市场将为r f i d 带来巨大的 商机。简单来讲，从采购、仓储、生产、包装、卸载、流通加工、配送、销售到服务，这 些是供应链上的业务流程和环节。在供应链运转时，企业必须随时随地、精确的掌握供应 链上的商流、物流、信息和资金的流向，才能够使企业发挥出最大的效率和效益。但实际 上，物体在流动的过程中各种环节处于松散的状况，商流、物流、信息和资金常常随着时 间和位置的变化而变化，使企业对这四种流的控制能力大大下降，从而产生失误造成不必 要的损失。r f i d 技术f 是有效解决供应链上各项业务运作资料的输入与输出、业务过程 的控制与跟踪，以及减少出错率等难题的一种技术。例如，最近香港工业工程师学会及香 港生产力促进局就开展了项名为”提升制造及工业工程师应用无线标签来实施供应链管 理”的项目。该项目主要是为香港制造及工业工程师设计，项目包括一系列的工业及技术专 题研讨会、工作坊等。港府正是借助r f i d 技术在产品供应链上的每个环节发挥的效用， 实现物料供应、生产、贮存、包装，以及物流、货运出境、船务运输，存货控制及零售等 各个环节的管理，帮助企业加快物流速度，改善生产效率，促进贸易活动。 据d e l o i t t e 研究中心的分析和预测，从2 0 0 6 年开始，供应链将成为推动r f i d 的主要 产业，而且每年都在高速成长，推动r f i d 产业前进。至2 0 1 0 年，约7 0 的r f i d 应用都 在供应链产业中。事实上，供应链的每一个环节加入r f i d 之后，就会变得更加顺畅，相 对的其他产业所占的比例也只有3 0 而已。 1 5 本文内容组织安排 全文共分为五章。本文简单介绍了射频识别技术；系统地介绍了电磁场的基础知识； 简要介绍了微带天线与偶极子天线的基础知识；进行了门禁系统阅读器天线与电子标签的 设计与调试，并进行了测试，而且该设备已经开始实际应用，并带来了利润；最后做出了 总结与展望 各章的具体安排是： 第一章，绪论。简单介绍了射频识别技术，分析了射频识别技术的技术优势，r f i d 技 术的发展现状以及本课题的研究意义，最后对本文内容进行了总结。 第二章，天线的工作原理。介绍了电磁场理论、与电磁波传播有关的量、天线及其辐 射场、天线的工作原理。 s 南京邮l 乜人学顾i j 研究生学位论文 第一币绪论 第三章，对称天线与门禁系统的电子标签的设计与调试。介绍对称天线的结构与原理， 通过以对称天线为基本依据进行建模仿真，来设计电子标签，并佩戴在人体进行调试和测 试，最后作为一种产品市场化。 第四章，微带天线与门禁系统的阅读器天线的设计与调试。介绍微带天线的结构与原 理，通过以微带天线为基本依据进行建模仿真，来设计阅读器天线，并在微波暗室旱进行 调试和测试，最后作为一种产品市场化。 第五章，总结与展望。总结了本课题的研究工作及成果并就研究成果的前景做出了展 望。 6 南京邮i u 人学硕l ：研究生学位论文第二章天线的t 作原理 第二章天线的工作原理 电磁场理论是- - f - j 研究各类电磁现象内在规律的基本理论，表现为电磁形式的能量和 信息，具有便于产生传送、测量、加工处理、控制及转化为其它能量和信息的特点，因此 得到广泛的应用。人们对电磁能的认识可以追溯到公元元年，那时人们就丌始使用并利用 天然磁石，并用磁石制成了指南车。近代，越来越多的人对电、磁、光进行深入的观察及 数学基础研究。1 8 6 4 年英国科学家麦克斯韦( j a m e sc l e r km a x w e l l ，1 8 3 1 1 8 7 9 ) 集以往电 磁学的实验和理论之大成建立了电磁学的完整理论一麦克斯韦方程，从理论上预言了电磁 波的存在。 1 8 8 7 年被德国科学家亨瑞士鲁道夫赫兹( h e i n r i c hr u d o l f h e r t z ) 通过实验证明 了麦克斯韦方程。该方程被认为是电磁学的经典理论基础。由该方程所导出的一些关于电 磁场的基本关系及相关结论是求解电磁学问题的理论依据。 2 1 电磁场理论 2 1 1 静电场和稳恒磁场的基本规律 1 静电场和稳恒磁场的高斯定律【9 】【1 0 1 根据高斯定理，对于矢量场中某一有限体积矿，矢量场对包围该体积封闭面s 的通量 应等于该体积内的所有散度源的总量，即： a d 亏= p a d v sy ( 2 - 1 ) 可以得到静电场的高斯定理： 护舔= g ， s i ( 2 2 ) 穿过体积y 的边界曲面s 的通量等于体积y 中的总电荷。 因为稳恒磁场处产生稳恒电流，并没有教度源，所以稳恒磁场的高斯定理为： 舻d 蜃- - 0 s ( 2 3 ) 2 静电场和稳恒磁场的环路定理 根据斯托科斯定理，矢量场对闭合曲线的环量等于矢量场对每个微面元边界的环量之 和，即： 弘蕊= l f a 蠢 ，s ( 2 4 ) 可以得到稳恒磁场的环路定理 堕室坐! 坚叁堂塑! 型! ! ! 圭兰垡堡兰笙三主丕垡堕! 堡堕里 a 蕊= j i ， ( 2 5 ) 磁场强度厅对闭合曲线，的环量等于该闭合曲线中的总电流。 由于静电场有电荷产生，没有旋度源，所以静电场的坏路定理为： i e d = 0 7 ( 2 6 ) 2 1 2 变化电磁场的规律 在麦克斯韦电磁场理论中，自由电荷可以激发电场，变化磁场也可以激发电场，则在 一般情况下，空间任何一点的电场强度应该表示为豆= 雷。+ 豆：；由于恒稳电流可以激发磁 场，变化电场也可以激发磁场，则在一般情况下，空间任一点的磁场强度应该表示为 雪= 巨+ 否：。因此在一般情况下，电磁场的基本规律中应该既包含恒稳电磁场的规律，也 包含变化电磁场的规律。 根据麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流的概念，变化的磁场可以在空间激发变化的 电场，而变化的电场可以在空间激发变化的磁场。因此电磁场可以在没有自由电荷和稳恒 电流的空间单独存在。变化电磁场的规律是【3 】【7 】【8 】： 1 、变化电场的高斯定理 在没有自由电荷的空间，有变化磁场激发的涡旋电场的电力线是一系列的闭合曲线。 通过场中任何封闭曲面的电位移通量等于零。所以 髓6 a g = o s(2-7) 2 、变化电场的环路定理 涡旋电场有旋度源，并且通过法拉第电磁感应定律可以得到电场的环路定理 妒一黪 亿8 ， 3 、变化磁场的高斯定理 变化的电场产生的磁场和稳恒电流产生的磁场一样，都是涡旋状的场，磁感应线是闭 合线。因此稳恒磁场的高斯定理仍使用，即： 髓吾蕊= 0 雪 ( 2 9 ) 4 、变化磁场的环路定理 南京i i i i j l 【1 人学顾l ：研究生学位论文第_ 二章天线的t 作原理 变化的磁场有旋度源，即为激发该变化磁场的变化电场，所以变化磁场满足的环路定 理为： 妒2 晦 p 聊 在变化电磁场的上述规律中，电场和磁场成为不可分割的一个整体 2 0 】【2 5 1 。 2 1 。3 麦克斯韦方程组 将上面两种电磁场的规律合并在一起，就得到电磁场的基本规律【5 】【9 】【1 1 1 ，即麦克斯韦方 程组，表示如下： 舻店= g ， 葛勇d = 0 s 蕊2 p 唠谣 蕊= 一略蠢 ，s v ( 2 1 1 ) 上式即为麦克斯韦方程组的积分形式 将麦克斯韦方程组的积分形式用高等数学中的方法可变换成微分形式。微分形式如下： 飞- d2p v 巨：一一0 b 戍 v 疗：t 7 + 望 o t v - b = 0 ( 2 1 2 ) 其中：巨是电场强度，单位为v m ； a 是磁场强度，单位为a m ； d 是电位移矢量，单位为c m 2 ( 电通量密度) ； 豆是磁感应强度，单位为嬲朋2 ( 磁通量密度) ； 歹是电流密度，单位为a m 2 ； p 是电荷密度，单位为a m 3 ； 7 与p 为产生电磁场巨、露的源，通常歹与p 之间的关系为： 9 南京i l l l 5 l u 人学硕l ：研究生学位论义第 二章天线的丁作原理 v 了= - j c o p 电流连续性方程 式2 1 2 可以说明为，在电磁场中任一点处： 1 电位移的散度等于该点处自由电荷的密度； 2 电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的负值； 3 磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移电流密度的矢量和； 4 磁感强度的散度为零； 麦氏方程组中的矢量有如下关系： 西= 占，豆，雪= 胁所疗，歹= 面。其中，是真空介电常数，s ，是介质相对介电常 数，风是真空磁导率，所是介质相对磁导率，仃是电导率。 在时间依赖关系为e 7 甜的假设式( 2 - 1 2 ) 中的时间微分可以用，国来代替。相量形式的麦克 斯韦方程组变成： v e = - j o # z h v h = j + j c o e 可a ：0 v e = p e ( 2 1 3 ) 在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已成为一个不可分割的整体。麦克斯韦方程组完整 而系统的概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 2 2 与电磁波传播有关的量 2 2 i 坡印亭矢量 坡印亭矢量是电磁场中的能流密度矢量。电磁波在空间传播，任一处的能流密度s 等 于该处电场强度豆和磁场强度a 的叉乘积： s = e x h ( 2 - 1 4 ) 坡印亭矢量的方向是电磁波传播的方向，即电磁能传递的方向【5 】【9 】【12 1 。豆、a 、彼 此垂直构成右手螺旋关系。季代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能，单位是 w m 2 。 电磁波中豆、a 、都随时间迅速变化，季是电磁波的瞬时能流密度，它在一个周期内 l o 南京| l i | j i u 人学颐i ：研究生学位论文第- 二章天线的t 作原理 平均值称为平均能流密度s 列。对于简谐波 s a y = i & h o 其中e 。、h 。分别是豆、a 的振幅。 ( 2 - 1 5 ) 2 2 2 波阻抗 对于远场或平面波，波阻抗的表达式为【1 o 1 】 z 2 每2 摆 倍峋 在真空或空气中，有z = 1 2 0 r e = 3 7 7 f 2 。波阻抗对于非平面波或近场区，则没有确定的 值。 2 3 天线的工作原理 电磁波是通过天线发射出来的，所以在对r f i d 系统天线辐射场的分析过程中，要用到 很多有关天线的基本概念。本节介绍关于天线的一些常用的基本概念。 2 3 1 天线及其辐射场 假设将一发射天线至于图2 1 所示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) 分布一般都是距离f 及角坐标p ，缈) 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和辐射场区【1 3 】【1 引。 辐射远场区 ， 一一r 一一一_ 、- - 图2 1 球坐标中的天线图2 2 天线周围的场区 1 感应场区 感应场区是指很靠近天线的场区。在这个场区里，电磁波的感应分量远大于辐射场， 而战优势的感应电场之电场和磁场的时间相位相差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在天线附近的空间内。在电尺寸小的对称( 偶 极子) 天线里，其感应场区的边界是2 2 n - 。这罩五是工作波长。无限大孔径天线不存在 l l 宣室些! ! 叁堂竺! ：型! 壅生堂垡笙苎笙三雯丕堑堕三堡璺墨 感应场区，有限大孔径天线，在其感应场区仍可忽略，只是在孔径边缘附近存在感应场， 感应场随离丌天线距离的增加而极快衰减，超过感应场区后，就是占优势的辐射场区了 1 3 l i t 5 1 0 2 辐射近场区 辐射近场区罩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。这是因为：( a ) 由天线各辐射元所建立的场之间相对相位关系是随距离而变的；( b ) 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) ， 天线方向图是一个主瓣和副瓣难分的起伏包络。随离丌天线距离的增加，直到靠近远场辐 射区时，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平均较高【1 5 】【1 7 】【1 引。 3 辐射远场区 辐射近场的外边就是辐射远场区，如图2 2 所示。这个区域旱的特点是：( 1 ) 场的大小与 离丌天线的距离成反比；( 2 ) 场的角分布( 即方向图) 与离开天线的距离无关：( 3 ) 方向图主瓣、 副瓣和零点值已全部形成【1 3 】【1 4 】【1 6 】。 远场区的初始边界通常规定为： r ：堡 五 ( 2 - 1 7 ) 式中，r 是从观察点到天线的距离，d 是天线孔径的最大尺寸。 在这个距离上，孑l 径中心与孔径边缘到观察点的行程差为2 1 6 ，相应的相位差为2 2 5 。 如果在这个距离上对孔径天线的辐射特性进行测量，其结果于在无穷远距离上测得的结果 相差甚微。 2 3 2 方向图及增益 将天线置于图2 1 所示球坐标戏中，由于天线的定向辐射( 或接受) 作用，它在距离为厂( 满 足原创那个距离条件) 的球面上各个点的辐射( 或接受) 强度是不同的，即使角坐标( 乡，缈) 的 函数，可写为【1 6 , 1 7 , 1 8 】： e = 矽p ，伊) ( 2 1 8 ) 式中，a 为比例常数，j ( o ，9 ) 称为天线的方向性函数。 为了便于各种天线的方向图进行比较以及绘图方便，一般取方向性函数的最大值为l ， 既得归一化方向性函数，记为【1 9 1 ： 南京i t l l j q l 人学顺i ：研究生学位论文 第一二帝天线的t 作原理 f ( o ，加掣( 2 - 1 9 ) 式中，厶是方向性函数厂p ，够) 的最大值。 根据方向性函数f ( o ，缈) 或厂p ，缈) 绘制的图形称为天线的方向图。大多数方向图是在远 场确定的。 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。这些参数有： 波瓣宽度、前后比及方向系数等【2 0 】【2 1 】【2 3 】。 1 波瓣宽度 波瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常取方向图主瓣上两个 半功率比电平点( 即场强从最大值降到o 7 0 7 最大值处) 之间的夹角，记为2 岛5 ，有时也称主 瓣宽度为半功率波束宽度，又q 3 d b 波瓣宽度。有时也将主瓣最大值两边最近的两个零辐 射方向之间的夹角作为主瓣宽度，称为零功率波瓣宽度。还有一种波瓣宽度，即1 0 d b 波瓣 宽度。它是方向图中辐射强度降低l o d b ( 功率密度降至十分之一) 的两个点间的夹角。主瓣 宽度愈小，说明天线辐射能量愈集中( 或接受能力愈强) ，定向作用或方向性愈强【2 0 】【2 2 】。 副瓣电平是指副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用分贝数表示为 副瓣榔抛) = 2 0 i g 戮 p 2 。， 由于副瓣方向通常是不需要辐射( 或接受) 能量的方向，因此，天线副瓣电平愈低，表明 天线在不需要方向上辐射的能量愈弱，或者在这些方向上对杂散来波的抑制能力愈强。 2 方向性系数 方向系数定义为：在距离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度 s 一与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度s 。之比，记为 d ，即 。2 普2 瞥 p 2 。， 天线方向系数的一半表达式为 肚而焉面 亿2 2 ， 式中f ( o ，矽) 是天线的归一化方向性函数。 南京i i l l 吨人学烦i ：研究生学位论文第- 二章天线的丁作原理 当天线的空问立体方向图是对称时，则式( 2 2 2 ) 可化简为 d ： 三 j r f 2 ( 岫i n 伽 ( 2 2 3 ) 方向性系数可以有式( 2 2 2 ) 或式( 2 2 3 ) 直接积分计算得到，采用数值积分或图形积分方 法均可。d 1 ，对于无方向性天线才有d = i 。d 越大，天线辐射的电磁能量就越集中，方 向性越强【2 5 】【2 7 】【3 0 1 。 3 天线增益 增益是综合衡量天线能量转换和方向性特征的参数，它是方向性系数与天线效率的乘 积【4 】【13 1 ，记为g ，即 g = 归 ( 2 2 4 ) 增益描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍 数，单位是d b i 或d b d 。d b i 表示比较对象是各点均匀辐射的理想点源，d b d 表示以半波对称 阵子做比较对象。半波对称阵子的增益是2 1 5 d b i ，也就是0 d b d ( 因为与自身相比结果为l ， 1 取对数为o ) 【5 】【2 引。 发射天线和接收天线的数值是一样的【1 3 1 【1 7 l ，但是含义不同，一般我们谈及天线增益的 时候是不区分发射和接受的。天线增益有时也成为功率增益。 2 - 3 3 天线阻抗、效率及电压驻波比 1 天线阻抗 ( 1 ) 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【2 3 】【2 4 1 ，即 z ：旦 1 i ( 2 2 5 ) 当输入电压和输入电流同相时，输入电阻呈纯阻性。一般情况下输入阻抗具有电阻及 电抗两个部分： z i2r i + 成 ( 2 2 6 ) ( 2 ) 辐射电阻 天线作为一个辐射源向空间辐射电磁功率( p ，) ，而辐射的功率可以看成被一个等效电 阻吸收，该电阻称为天线的辐射电阻( r ，) 8 1 1 1 0 l ，定义为： 1 4 南京邮i 【1 人学顺l ：研究生学位论文第二章天线的t 作原理 耻导 ( 2 2 7 ) 其中p i 、1 2 分别为辐射功率和天线上某参考点处电流的有效值。 当天线辐射功率己知时，则辐射电阻r ，的大小就与电流i 参考点的取值有关。一般取 天线电流驻波的波腹电流im 或输入电流ii 做为归算电流，由此得到的电阻分别称为“归于 波腹点电流的辐射电阻”和“归于输入点电流的辐射电阻”。分别用r 。和r 。表示，对于正弦 电流分布的线天线情况，他们之间的关系为： r m = r n s i n 2p 4(2-28) 其中，表示天线臂长。 辐射电阻的大小说明了天线辐射能力或接受能力的强弱【1 7 】【2 9 i 。 ( 3 ) 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，低电流 损耗等) 也看成是被一个等效电阻r ，所吸收的功率，则损耗电阻为 b 2 ( 2 - 2 9 ) 其中，p ，为损耗功率，是天线上某点参考电流的有效值。计算损耗电阻时，参考点 多取腹点电流，。为归算电流【9 】【1 3 1 。 显然 r f = r r + r j f 2 3 0 ) 2 天线效率 天线在实际应用中总会存在一定的功率损耗，由此导致天线实际辐射功率p ，小于发射 机提供的功率p j 。为了比较不同天线损耗的高低，引入天线效率参数，7 。 ，7 ：旦：j l 。 p i n 只+ 尸， ( 2 3 1 ) 相应的电阻关系表示为： ，7 ：旦：j l 。 kr ，+ r j ( 2 3 2 ) 南京i l i l l l l ! , 人学顾l ：研究生学位论文笫_ 二章天线的t 作原理 r l 。只有无耗天线才有节= 1 ，节越大，天线的功耗越小【1 5 】【1 8 1 。 3 电压驻波比 在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波，在入射波和反射波相位相同的 地方，电压振幅4 i j d n 为最大电压振幅，形成波腹：再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，形成波节。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【2 7 】【2 9 1 。 反射波电压与入射波电压之比叫做反射系数，记为r f = 波腹电压与波节电压之比定义为电压驻波比，记为v s w r v s w r ：坐 l r ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 终端负载电阻抗z ，和馈线特性电阻抗z 0 越接近，反射系数r 越小，驻波比v s w r 越接 近l ，匹配也就越好。一般要求v s w r 1 4 1 1 】【1 7 】。 2 3 4 天线极化、轴比及极化损失 i 波的极化 天线极化是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有恒定的关系， 所以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 8 】【2 l 】。 电场矢量在空间取向固定不变的电磁波叫线极化( 图2 3 所示) 。以地面为参考，电场 矢量方向与地面垂直的叫垂直极化，与地面平行的叫水平极化。电场矢量与传播方向构成 的平面叫极化平面。垂直极化波的极化平面与地面垂直；水平极化波的极化平面则垂直于 入射线，反射线和入射点地面的法线构成入射平面。 与电场矢量取向随时间而变化，其矢量端点在垂直于传播方向的平面内描绘的轨迹是 个椭圆，就称为椭圆极化( 图2 4 所示) ，描绘的是一个圆，则称为圆极化( 图2 5 所示) 。 圆极化和线极化都是椭圆极化的特殊情况。 圆极化波和椭圆极化波都有左旋右旋向特性。工程上规定：沿电磁