（电磁场与微波技术专业论文）射频识别系统中近场天线的设计研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学、电磁场与微波技术 研究方向：电磁工程计算机辅助分析与设计 作者：2 0 0 7 级硕士研究生朱坤 指导教师：张旭翔教授 题目：射频识别系统中近场天线的设计研究 英文题目：t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fn e a r - f i e l da n t e n n ai nr f i ds y s t e m 主题词：射频识别技术；近场天线；线极化；标签 k e y w o r d s ：r f i dt e c h n o l o g y ；n e a r - f i e l da n t e n n a ；l i n e a r l yp o l a r i z e d ；t a g 南京邮l 也人学顾：l ：研究生学位论文摘要 摘要 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 ，r f i d ) 技术已逐渐发展成为一项跨学科的 技术，它将许多不同技术综合到一起，如微波技术、电磁兼容( e m c ) 、半导体技术等等。 r f i d 天线是r f i d 系统中的关键技术之一，因此成为一个重要的研究方向。 根据项目需求，本文研究一种工作在8 4 0 8 4 5 m h z 的近场线极化微带天线，它通过 射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。最后实际制作并测试了这两款天线，测试 结果显示了这两款天线具有较好的性能，达到了设计要求。论文的工作及创新点可以归 纳如下： 1 根据微带天线的基本理论，设计了一款线极化近场微带天线，仿真并分析了 s m i t h 圆图、s 参数、v s w r 等。在各项性能指标达到要求后，分析了辐射面各个圆环 半径大小及宽度等关键尺寸对天线整体性能的影响，并通过仿真图作了进一步的比较。 最后实际制作并调试了该天线，调试结果显示了该天线具有较好的性能；同时测试了标 签的读取距离可达l o o c m ，可以同时自动识别最多1 5 个目标，测试结果均满足r f i d 天线的要求。 2 本论文的创新点是( 1 ) 采用三个同心圆环进行耦合，更好实现阻抗匹配，增强近 场场强，驻波l g d , 于1 2 ，相对带宽达到1 5 。( 2 ) 在馈电点处引入- - $ e 长同轴馈线，可 以增强阻抗匹配和增加匹配带宽。( 3 ) 满足t h e t a 角在7 5 1 0 5 度范围，p h i 角在一1 5 1 5 度范围内，近场天线的场强不小于1 3 0 v m 。 关键词：射频识别技术；近场天线；线极化；标签 a b s t r a c t r f i dh a sd e v e l o p e di n t oa ni n t e r d i s c i p l i n a r yt e c h n i q u e i ti n t e g r a t e sm a n yd i f f e r e n t 。 t e c h n i q u e st o g e t h e r s u c ha sm i c r o w a v e ，e m c ，s e m i c o n d u c t o r , e t c r f i da n t e n n a i so n eo f t h ek e yt e c h n i q u e so ft h er f i ds y s t e m ，t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o nf o r s t u d y a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t ，t h i st h e s i ss t u d ya w o r ki n8 4 0 8 4 5 m h zi nt h en e a r 。f i e l dl i n e a r p o l a r i z a t i o na n t e n n a ，i ti st h r o u g ht h er fs i g n a l a u t o m a t i ct a r g e tr e c o g n i t i o na n da c c e s st o r e le v a n td a t a f i n a l l yt h ea c t u a lp r o d u c t i o na n dt e s t i n gt h e s et w oa n t e n n a s ，t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft w oa n t e n n a st oa c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e s i sw o r k a n di n n o v a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h e o r yo fm i c r o s t r i pa n t e n n a ，an e a r - f i e l dl i n e a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i p a n 庀e n n ai sd e s i g n e d ，a n dt h e nt h es m i t hf i g u r e ，sp a r a m e t e r , v s w re t ca r es i m u l a t e da n d a n a l y z e d a f t e re v e r yp e r f o r m a n c em e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s ，s e v e r a l c r i t i c a ld i m e n s i o n s i m p a c to nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n aa r ea n a l y z e d ，s u c h a sc i r c l e ，w i d t h ，e t c ， f u r t h e rc o m p a r i s o ni sm a d ew i t ht h eh e l po fs i m u l a t i o ng r a p h i c s f i n a l l y , t h i sa n t e n n a i s f a c t u r e d ，a n dt h e nt h et e s t i n gr e s u l ts h o wt h a tt h ea n t e n n ah a sg o o dp e r f o r m a n c ea f t e rs o m e a d i u s t m e n t s ；a l s ot e s t e dt h et a gr e a dr a n g eu pt o 10 0 c m ，c a na u t o m a t i c a l l yi d e n t i f yu pt o15 t a r g e t s ，t e s tr e s u l t sm e e tt h er e q u i r e m e n t so f r f i da n t e n n a s 2 t h ei n n o v a t i o n si nt h i st h e s i s ：( 1 ) c o u p l i n gw i t h3c o n c e n t r i ct i n g st o a c h i e v et h e i m p e d a n c em a t c h i n g ，e n h a n c et h en e a r - f i e l df i e l di n t e n s i t y a n dm a k et h es t a n d i n g 。w a v er a t i o l o w e rt h a n1 2 ，r e l a t i v eb a n d w i d t hr e a c h15 ( 2 ) i n t r o d u c i n gal o n g c o a x i a lf e e d e ra t f e e d - p o i n tt os t r e n g t h e nt h ei m p e d a n c em a t c h i n ga n di n c r e a s et h em a t c h i n gb a n d w i d t h ( 3 ) m e e ci nt h e7 5 10 5d e g r e er a n g eo fa n g l et h e t a ，p h ia n g l ei nt h er a n g eo f - 1 5 - 15d e g r e e ， n e a r - f i e l da n t e n n af i e l ds t r e n g t ho fn o tl e s st h a n13 0 v m k e y w o r d s ：r f i dt e c h n o l o g y ；n e a r - f i e l da n t e n n a ；l i n e a r l yp o l a r i z e d ；t a g i i 南京邮i b 人学顺士研究生学位论文 缩略词 3 d e m c h f h f s s l f p c b r f i d u h f v s w r 缩略词 l l s to fa b b r e v i a t i o n s t h r e ed i m e n s i o n s e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y h i g hf r e q u e n c y h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t o r l o w f r e q u e n c y p r i n t e dc i r c u i tb o a r 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 u l n ah i g hf r e q u e n c y v o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o i i i 三维 电磁兼容 高频 高频结构仿真器 低频 印刷电路板 无线射频识别 超高频 电压驻波比 南京邮电人学硕：l ：研究生学位论文 e l 录 目录 摘要j i a b s t r a c t i i 缩略词i i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3r f i d 技术的应用3 1 4 课题的来源和任务3 1 5 论文的主要工作内容和组织结构3 第二章r f i d 技术基础- 5 2 1r f id 系统组成与分类5 2 1 1r f i d 系统的组成5 2 1 2r f i d 系统的分类6 2 2r f i d 系统天线及其性能指标6 2 2 1r f i d 系统天线6 2 2 2 天线的性能指标7 2 3r f i d 系统的工作原理一1 3 2 4 本章小结1 5 第三章微带天线的基本理论1 6 3 1 微带天线1 6 3 1 1 微带天线的基本结构1 6 3 1 2 微带天线的优缺点。1 6 3 1 3 微带馈电天线的工作原理1 7 3 2 圆极化技术：1 8 3 2 1 圆极化波的特性和参数18 3 3 微带阵列天线2 0 i v 堕塞! ! ! ! ! ! 皇奎兰型! 主堕壅生兰垡堡塞旦墨 3 4 本章小结2 1 第四章微带天线的设计与调试j 一2 2 4 1 天线的设计原理2 2 4 2 设计方案的选择2 3 4 3 关键尺寸设计与仿真结果分析2 4 4 3 1p c b 板上辐射面( 导体贴片) 的尺寸2 4 4 4 最优结果与分析3 8 4 5 天线实测结果与分析4 2 4 6 本章小结4 9 第五章结束语5 0 参考文献一51 致谢5 4 攻读硕士期问的研究成果5 5 v 南京邮f 也火学顾j 卜研究生学位论义第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 射频识另l j ( 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 ) 技术是一种利用射频通信实现的非 接触式自动识别技术( 以下通称r f i d 技术) 。r f i d 系统的基本工作方式是将r f i d 标签 ( t a g ) 安装在被识别对象上( 粘贴、插放、佩挂、植入等) ，当被识别对象进入r f i d 阅读 器( r e a d e r ) 的读取范围时，标签和阅读器之间建立起无线方式的通信链路，标签向阅读 器发送自身信息，如标签编号和标签存储数据等，阅读器接收这些信息并进行编码，然 后传送给后台计算机处理，从而完成整个信息处理过程。 据有关权威数据显示，射频识别产品在全世界的销量如下：1 9 9 3 年为9 9 0 万套， 1 9 9 4 年就猛增到2 0 3 0 万套，1 9 9 7 年有关产品的销量达9 8 1 0 万套。而在全世界范围内， 射频产品的销售额如下：1 9 8 9 年为0 8 1 亿美元，1 9 9 2 年为1 4 1 亿美元，1 9 9 7 年为4 3 3 亿美元，1 9 9 9 年则为6 8 5 亿美元。其中1 9 9 2 1 9 9 9 年间射频识别产品在全世界销售额 的年平均增长率达2 5 3 。由此可见，射频识别技术具有广阔的市场前景。正是因为良 好的市场前景，各个r h d 厂商都投入巨资进行技术开发与市场拓展。 表1 12 0 0 2 年全球r f i d 市场构成 软件服务标签读头 5 7 2 1 4 4 8 2 4 9 r f i d 主要工作频率是0 - - , 1 3 5 k h z ，以及i s m 频率6 7 8 m h z 、1 3 5 6 m h z 、 2 7 1 2 5 m h z 、4 0 6 8 m h z 、4 3 3 9 2 m h z 、8 6 9 o m h z 、9 1 5 m h z ( 欧洲不使用) 、2 4 5 g h z 、 5 8 g h z 以及2 4 1 2 5 g h z ，如图1 1 所示。本文将要研究的天线的工作频段是 8 4 0 8 4 5 m h z 。 南京邮l 【i 大学硕j j 研究生学位论文 第一章绪论 1 0 m i i z1 0 0 m - i z i g k zl 眦 图1 1r f i d 系统使用频率 r f i d 的行业应用十分广泛，每一个行业的成功应用都会孕育出一个十分庞大的市 场。正如t i m e 杂志惊呼的那样，“在未来，没有r f i d ，我们的生活将会怎样? ”或许 有些夸张，但是r f i d 确实会在我们的尘活中扮演一个不可或缺的角色【3 】。 1 2 国内外研究现状 从全球的范围来看，美国已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的开发、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 c g 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。 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步开花结果。在r f 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r f i d 电子标签与读 写器的技术能力及系统集成能力。与国外r f i d 先进技术之间的差距主要体现在r f i d 芯片技术方面。尽管如此，在标签芯片设计及开发方面，国内已有多个成功的低频r f i d 系统标签芯片面市。 纵观全球；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4 l f 5 1 。 2厶 南京邮i 【l 大学硕上研究生学位论文第一章绪论 1 3r f i d 技术的应用 不同频率的射频识别系统具有不同的特点，有着不同的技术指标和应用领域，其中， 低频近距离r f i d 系统主要集中在1 2 5 k h z 、1 3 5 6 k h z 系统；高频远距离r f i d 系统主 要集中在u h f 频段( 9 0 2 9 2 8 m h z ) 9 15 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。u h f 频段的远距离 r f i d 系统在北美得到了很好的发展：欧洲的应用则以有源2 4 5 g h z 系统应用较多。 5 8 g h z 系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源r f i d 系统。本文所要研究的近场天线 的项目主要应用于物流管理系统，图书管理系统，考勤系统等。该项目以射频识别技术 为核心，将传统的纸质出入证更换为类似于公交i c 卡大小的卡片，贴有标签的货物， 图书或卡片，通过系统即可实现自动识别判断，杜绝了人为的失误和作弊，还可以有效 地提高了物流管理的效率【6 】【7 1 。 1 4 课题的来源和任务 本课题来源于中兴通讯股份有限公司，本文作者主要负责r f i d 系统中天线的设计 与调试。本文主要研究的是用于r f i d 系统的微带天线，研究一种工作在8 4 0 8 4 5 m i - i z 的近场线极化微带天线，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。该款天线 主要应用于物流管理系统，图书管理系统，以及考勤系统等。现在该天线已经正式应用 于物流管理系统。目前该天线均已经转产，应用于项目中，运行良好。 本课题的任务是结合r f i d 系统，开发出一款近场信号稳定的微带天线，同时驻波 比要求小于1 2 ，阻抗匹配良好，相对带宽达到1 5 。转产后的天线定点读取标签的距 离能够达到1 0 0 c m 左右，这样的性能完全能够保证近距离对货物实现自动识别的判断， 这样就杜绝了人为的失误和作弊，提高了物流的运作效率。如果应用于图书管理系统或 考勤系统，近距离对图书和考勤卡进行识别就更安全可靠，且可以同时自动识别最多 1 5 个目标，大大提高工作效率。 1 5 论文的主要工作内容和组织结构 本论文的工作内容主要包括以下几个方面： 1 简要介绍了r f i d 技术及其基本原理，并对其应用作了简要阐述。 堕塞业! 堡叁堂堕生丛塑竺堂篁堡茎 笙：至竺堡 2 研究了微带天线、极化技术、天线主要性能参数的相关理论。 3 研究了基于r f i d 系统的近场天线的设计与调试。 本论文的结构安排如下： 第一章：绪论，简要介绍了r f i d 技术及其基本原理，综述了r f i d 技术的应用，说 明了该课题的来源，明确了本论文的出发点和工作内容。 第二章：r f i d 工作的相关原理及r f i d 天线的一些性能指标，介绍了r f i d 系统的 组成与分类。 t 第三章：微带天线的基本理论，主要介绍了圆极化、微带天线、天线场区划分的一 些概念和特性参数，研究了微带天线的工作原理以及本文阻抗匹配的问题。并逐渐引向 本论文的中心议题。 第四章：近场天线的设计与调试，研究了工作在8 4 0 - 8 4 5 m h z 的近场线极化微带天线， 对其设计方案、设计仿真、关键尺寸、天线实物及r f i d 天线系统进行了具体研究，并 简要阐述了该款天线的具体应用。 第五章：结束语，介绍了课题的研究步骤以及在研究过程中的心得体会。 4 南京邮也人学硕- j z l o f 究生学位论文第二章r f i d 技术挂础 第二章r f i d 技术基础 2 1r f i d 系统组成与分类 射频设别技术( r f i d ) 作为信息管理系统的入口系统或者是基本的数据采集系统来 讲，终归是一个独立的系统。作为这样的一个系统，就必须考虑到系统的建设以及其他 与工程相关的问题。本节中，将重点介绍r f i d 系统的组成及其分类。 2 1 1r fld 系统的组成 一个完整的r f i d 应用系统包括r f i d 识别系统、计算机处理系统以及辅助机械与 电子系统，此外就是相关的应用与系统软件，其基本组成如图2 1 所示。 o 盖0 0 0 g a 基1 0 n o l 毡尹0 d d 土bc lde a 静“$ t h ，一- “掘即7 舢蝌h 十 蚺 # v m r 站* 弘忱枷t t 鳓 黪出 一 1 i j 日 j 警毫赢f ， 一、一，一： t a g r e a d e rm i d d l e w a r e 笏 ! 【j 1 _ 并 g 彩一q r f ld 缈 n e t w o 噍譬孥 缀： ? ，髓 磐j 荔 图2 1r f i d 应用系统的基本组成 1 阅读器( r e a d e r ) ：在r f i d 系统中，阅读器是r f i d 最基本的构成组件之一。可 通过计算机应用软件来对射频标签写入或者采集其所携带的数据信息。由于标签的非接 触性质，故必须借助位于应用系统与标签之间的阅读器来实现数据的读写功能。 2 电子标签( t a g ) ：按照能量供给方式的不同，r f i d 标签分为有源、无源和半有源 三种；按照工作频率的不同，r f i d 标签分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波 频段( m w ) 的标签。电子标签由芯片和内置天线组成，通过标签天线和阅读器进行通信。 3 天线( a n t e n n a ) ：在r f i d 系统中，阅读器和标签之间的通信是以无线方式完成的。 5 鱼塞些! 塾奎兰堡! ：坐壅生堂垡堡茎塑三童垦兰! 里垫查茎些 因此，阅读器和标签都必须具有自己的天线，以接收和发送电磁波，从而完成数据的传 输。本文将要重点研究8 4 0 8 4 5 m h z 频段的近场微带天线，对近距离标签进行识别，且 识别距离有很大提高，来满足实际工程的各种需求8 】【9 】。 2 1 2r fld 系统的分类 根据不同的分类方式，r f i d 系统可以具有很多不同的分类方式，一般来讲，可以 按照如下的方式进行分类。 1 根据标签的供电形势分类 根据标签工作所需能量的供给方式的不同，r f i d 系统可分为有源、无源以及半有 源系统。 2 根据标签的数据调制方式分类 根据标签的数据调制方式的不同，r f i d 系统可分为主动式、被动式和半主动式系 统。一般来讲，无源系统为被动式；有源系统为主动式；半有源系统为半主动式。 3 根据标签的工作频率分类 根据标签的工作频率的不同，r f i d 系统可分为低频、高频、超高频、微波系统。 阅读器发送无线信号时所使用的频率被称为r f i d 的工作频率，可划分为低频 ( l f ：3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( h f ：3 - 3 0 m h z ) 、超高频( u h f ：3 0 0 9 6 8 m h z ) 。 还有其他的一些分类。如根据标签的可读写性分类，根据标签和阅读器之间的通信 工作时序分类等等，这里就不再赘述了0 0 1 】。 2 2r f i d 系统天线及其性能指标 2 2 1r fid 系统天线 本文重点介绍的是阅读器圆环面状天线，频段为8 4 0 8 4 5 m h z 。天线和阅读器通常 采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。阅读器由于结构、安装和使 用环境的多样性，以及其小型化甚至超小型化的发展要求，r f i d 天线设计面临着新的 挑战。对于分离式阅读器，还将涉及到天线阵列的设计问题，小型化问题也会带来低效 率、低增益等问题。 6 南京i | | i i i 【1 人学硕上研究生学位论文第二章r f i d 技术幕础 可以这样来理解天线在r f i d 系统进行自动识别过程中的作用 1 2 1 1 ”j 【1 4 】： ( 1 ) 当r f i d 系统工作时，控制电脑向阅读器下达作业指令，此时阅读器射频模块通 过控制阅读器天线的电流量来将指令以电磁波的方式发射出去。 ( 2 ) 当标签进入阅读器的可识别范围时，标签天线感应电磁波耦合，并对标签内部 的电容进行充电，以驱动标签芯片工作，随着标签芯片和阅读器建立无线通信，从而完 成标签数据到阅读器的自动传输。 ( 3 ) 当阅读器天线感应到标签回传的射频波( 已经调制的识别信号) 时，阅读器控制电 路对该信号进行解调，并通过阅读器数据接口传回控制电脑，从而完成标签的自动识别 工作。 本文对天线的研究主要集中在天线的结构上，天线的结构决定了天线的场强、驻波 比、极化方式、阻抗特性、s 参数等等。由于标签的摆放位置不可控制，方向可以是任 意的，这就要求阅读器天线采用圆极化方式。但在近场天线中，进行近距离识别，采用 线极化就可以满足设计要求，并且方法更简单，使得标签能够很快读到数据。此外，阅 读器天线的阻抗特性、场强都影响着标签的读取距离，本文中设计的天线的驻波比要求 小于1 2 。天线的工作频段对天线的外形设计也有很大的影响。 2 2 2 天线的性能指标 1 天线及其辐射场 假设将一发射天线置于图2 2 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) 分布一般都是距离尹及角坐标p ，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和辐射场区 t s l 陋】。 图2 2 球坐标中的天线 ( 1 ) 感应场区 7 图2 3 天线周围的场区 堕堡塑! 垦盔兰堡：i 二堕塑圭堂篁堡茎 丝三里竖! 旦丝查墨些 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， 而电场和磁场的时问相位相差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问内。无限大孔径天线不存在感应场区， 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 离开天线距离的增加而极速衰减，超过感应场区后，就是辐射场占优势的辐射场区了。 ( 2 ) 辐射近场区 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。这是因为：( 1 ) 由天线各辐射元所建立的场之问相对相位关系是随距离而 变的；( 2 ) 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( 1 i l j 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。随离开天线距离的增加， 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。 ( 3 ) 辐射远场区 辐射近场的外边就是辐射远场区，如图2 3 所示。这个区域里的特点是：( 1 ) 场的大 小与离开天线的距离成反比；( 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。 远场区的初始边界通常规定为： r ：孚( 7 - 1 ) 式中，r 是从观察点到天线的距离，d 是天线孔径的最大线尺寸。 在这个距离上，孔径中心与孑l 径边缘到观察点的行程差为见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，其结果与在无穷远距离上测 得的结果相差甚微1 1 1 1 1 1 8 】。 2 方向图 根据天线的方向函数在各种坐标系中绘出的表征天线方向特性的图称为天线的方 向图。为了方便，常采用两个相互正交的主平面上的剖面图来描述天线的方向性，通常 取e 平面( 电场矢量与传播方向构成的平面) 和h 平面( 磁场矢量与传播方向构成的平面) 作为两个正交的主平面1 9 】【2 们。 绘制方向图通常采用极坐标，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1 ，既得归化方向性函数，记为 r 南京邮i u 人学硕士研究生学位论文第二章r f i d 技术挂础 即川2 等 。式中，f n l a 。是方向性函数f ( o ，妒) 的最大值。 ( 2 2 ) 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定些特性参数。这些参数 有：波瓣宽度、前后比及方向系数等1 1 7 1 1 婚1 1 旧】。 ( 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0 7 0 7 最大值处) 之间的夹角，记为2 0 0 5 ，有时 也称主瓣宽度为半功率波束宽度，又叫3 d b i 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。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。 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 副瓣电平= 2 0 1 9 戮( d b i ) ( 2 - 3 ) 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 0 】。 ( 2 ) 前后比 前后比是指最大辐射( 或接收) 方向( 设为0 0 方向) 的场值与18 0 0 6 0 0 方向内最大场 值之比，通常以符号f b 表示，因此，前后比的分贝值为 f = 2 0 1 9 器( d b i ) ( 2 _ 4 ) ( 3 ) 方向性系数 方向性系数用来表征天线辐射能量集中的程度，其定义为：在相同的辐射功率下， 某天线在空间某点产生的电场强度平方与理想无方向性点源天线在同一点产生的电场 强度平方的比值。方向性系数用d 表示。 d ：拿：鳟( 2 - 5 ) s o 吲2 理想无方向性点源天线产生的电场强度平方可认为是实际天线产生电场强度的平 方在全空间的平均值。因此上式也可以表示成天线在空问某点的辐射功率密度( 坡印廷 9 南京邮电大学颂i ：研究生学位论义 第二章r f i d 技术耧础 矢量) 与该天线的平均辐射功率之比： 卵翮= 器 ( 2 6 ) 天线在各方向辐射的场强不同，方向性系数与方向有关，与天线方向函数的平方成 正比。通常以天线在最大辐射方向上的方向性系数作为这一天线的方向性系数【2 0 】。方 向性系数通常用分贝的来表示。若天线对最大辐射方向( a o ，) 归一化的方向函数为 f ( o ，妒) ，则该天线的方向性系数为： 一= 1 0 l g 掣= 1 0 k 而矗s i n o d o d ( a 叩忉 丘o ii 厂2r p 纠 3 天线增益 天线增益是一个实际的参量，该参量因天线或天线罩的欧姆损耗而小于定向性。在 发射状况下，天线的增益还包括向天线馈送功率的损耗。这种损耗并不意味着辐射，而 是意味着加热天线结构。天线的馈线的失配也会减小增益。增益与定向性之比是天线的 效率因子。这种关系可表示为 g = k d ( 2 - 8 ) 这里，效率因子k ( 0 k 1 ) 是无量纲的【2 0 】 2 。 通常情况下，通过比较待测天线( a u t ) 和一个已知其增益的参考天线( 如短偶极子) 在相同输入功率下所辐射的最大功率密度，就能测出天线的增益，即 g a i n = g = 乏器g ( 参考天线) ( 2 _ 9 ) 微带天线的增益测试方法有多种，其中之一就是用到偶极子对比法，源自于式2 - 9 ， 如图2 4 所示，其具体步骤如下： ( 1 ) 源天线( 发射用的线极化天线) 和标准天线( 半波振子) 都垂直于地面架设( 使 两天线都垂直极化) ( 2 ) 调节标准天线的长度，使其在待测天线工作频段内某一频点f 以半波振子方式工 作 ( 3 ) 调整两天线的方向，使最。在频率f 的幅度最大。此时是的幅度记为：l o ( d b i ) ( 4 ) 用待测天线替代标准天线( 天线中心位置不变) ，调整待测天线的方向，使& 在 f 的幅度最大 ( 5 ) 假设源天线的中心为a 点，待测天线的中心为b 点：以直线a b 为轴，匀速平 缓地转动待测天线 南京d 1 8r g 大学硕士研究生学位论文第二章r f i d 技术基础 ( 6 ) i p , - f 待测天线旋转到所有角度时的曼。的幅度：厶( 护) ( d b i ) ( 7 ) 假设厶( 臼) ( d b i ) 的最大值为上，。，最小值为k i 。；则待测天线的增益： ! 坚! 二! ! ：! ：堕l m i n - l o + 2 1 5 g = l o l g ( 1 0 o + 1 0 1 0 ) ( d b i )( 2 1 0 ) 改变f ，重复以上步骤，可以得到待测天线在其他频点的增益和轴比【2 2 1 。 圈2 4 天线增益测试框图 4 天线阻抗 ( 1 ) 辐射电阻 辐射电阻的大小说明了天线辐射能力或接受能力的强弱。将天线辐射功率等效为一 个电阻吸收的功率，这个等效电阻就称为天线的辐射电阻。辐射功率与辐射电阻的关系 为 p = 1 21 2b(2-11) 当天线的辐射功率已知时，则辐射电阻尺，的大小与电流，的参考点的取值有关。一 般取天线电流驻波的波腹电流l 或输入电流作为归算电流，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 。= r 。s i n 2 ( 2 1 2 ) 其中，表示天线臂长。 ( 2 ) 输入阻抗 天线的输入电压与输入电流的比值称为天线的输入阻抗，是决定天线与馈线匹配状 南京邮l 乜大学硕：l 研究生学位论文第二章r f i d 技术基础 态的重要参数，即 v z = - 二。l 1 i i ( 2 1 3 ) 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 i = r i + j x i ( 2 1 4 ) 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 入阻抗的大小就表征天线与发射机或接收机的匹配状况，是天线一个重要电路参数【3 1 。 ( 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尺，所吸收的功率，则损耗电阻为 p b 2 2 ，_ l 2 ( 2 - 1 5 ) 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l 为归算电流1 。 显然 rf=r，+r，(2-16) ( 4 ) 阻抗匹配 在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长 就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信 号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等( 即不匹配) 时，在负载端就会产 生反射。传输线的特征阻抗( 也叫做特性阻抗) 是由传输线的结构以及材料决定的，而 与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。 射频系统阻抗匹配，特别要注意使电压驻波比达到一定要求，因为在宽带运用时频 率范围很广，驻波比会随着频率而变，应使阻抗在宽范围内尽量匹配。 本文天线设计的创新点就在于( 1 ) 采用三个同心圆环进行耦合，更好实现阻抗匹配， 增强近场场强，能很好满足驻波比小于1 2 。( 2 ) 在馈电点处引入一根长同轴馈线，可 以增强阻抗匹配和增加匹配带宽。( 3 ) 设计近场微带天线是通过一块充满f r 4 介质的介 质板连接成一款天线，这块介质板的下表面镀上了一层铜，在介质板的上表面的镀银铜 线的焊接点处，也镀上了一层铜，由此形成结构电容，来进行阻抗匹配2 6 2 7 1 。 1 2 雨京l i l i ；咆人学坝i ：研歹生学位论义第二章r f i d 技术基础 5 电压驻波比( v s w r ) 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，电压振幅相加为最大电压振幅，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i 隔，形成波节。其他各点的振幅值则介于波腹与波节之 问。这科- 合成波称为行驻波。 反射波电压与入射波电压之比叫做反射系数，记为1 1 r i 焉l 陆忉 z ，+ z o l 、7 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 - 等( 2 - 1 8 )1 一r 终端负载电阻抗乙和馈线特性电阻抗z o 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。般要求v s w r 援地板 ( c ) 微带线型天线( 行波天线) 3 1 2 微带天线的优缺点 图3 1 微带天线形式 与普通微波天线相比，微带天线有如下优点 s l ： 1 6 ( d ) 微带缝隙天线 扳 南京邮l 乜人学硕十研究生学位论文第三章微带天线的基本理论 1 剖面薄、体积小、重量轻，可以做成共形天线； 2 具有平面结构；馈电网络可以和天线一起制成： 3 制造成本低，适合用于印刷电路技术大批量生产； 4 便于实现圆极化、双极化、双频段工作； 微带天线的缺点： 1 功率容量小； 2 损耗( 介质损耗和表面波损耗等) 大； 3 带宽有限： 4 性能受介质基片材料的影响较大； 3 1 3 微带馈电天线的工作原理 微带天线的基本工作原理可由考察矩形微带贴片来解释，如图3 2 所示。贴片尺寸为 a x b ，介质基片厚度为h ，h t o ，五为自由空间波长，微带贴片可看作宽度为a ，长度为b 的一段微带传输线，其终端处因为呈现开路，形成电压波腹。 一般取6 九2 ，九为微带线上波长，于是另一端处也呈现电压波腹，此时贴片与接 地板问的电场分布如图3 3 所示。 图3 2 矩形微带贴片天线图3 3 贴片与地板间的电场分布 设沿贴片宽度和厚度方向电场无变化，则电场可近似表达为 t = 晶c o s ( 砂i b ) ( 3 - 1 ) 天线辐射由贴片四周与接地板间的窄隙形成，由等效性原理知，窄缝隙上电场的辐射 可由面电磁流的辐射来等效，等效的面磁流密度为 m ：= 一x e ( 3 - 2 ) 其中，豆= 元t ，夏是x 方向上的单位矢量，元是缝隙表面( 辐射口径) 的外法线方向单 位矢量，这些等效磁流的方向已在图3 3 中用虚线标出。可以看出，沿两条a 边的磁流是 1 7 塑塞些皇盔堂堕：生竺! ! 竺堂篁堡塞丝三皇塑望奎垡塑苎查些堡 同方向的，故其辐射场在贴片法线方向相叠加，成最大值，且随偏离此方向的角度的增大 而减小，形成边射方向图。沿每条b 边的磁流都有反方向的两个部分构成，他们在h 面 各处的辐射互相抵消，而两条b 边的磁流又彼此成反对称分布，因而在e 面上各处的场 也相互抵