《物联网射频识别(RFID)核心技术教程》-PPT-5

1、物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映电电子子教教案案物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程 本书本书物联网物联网-射频识别（射频识别（RFID）核心技术教程）核心技术教程由由物联网物联网-射频识别射频识别（RFID）核心技术详解）核心技术详解一书改编而来。一书改编而来。物联网物联网-射频识别（射频识别（R

2、FID）核心技）核心技术详解术详解2011年年11月荣获陕西省普通高等学校优秀教材一等奖月荣获陕西省普通高等学校优秀教材一等奖，2012年年12月月修订出版第修订出版第2版，版，2013年荣年荣获获陕西省高等教育教学成果陕西省高等教育教学成果二等二等奖奖。物联网物联网-射射频识别（频识别（RFID）核心技术教程）核心技术教程2016年出版，本书适合作为高校教材。年出版，本书适合作为高校教材。 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程第第5章章 天线基础天线基础点击此处结束放映点击此处结束放映 天线概述天线概述5.1基本振子的辐

3、射基本振子的辐射5.2天线的电参数天线的电参数5.3对称振子天线对称振子天线5.4天线阵天线阵5.5物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程其他类型天线简要介绍其他类型天线简要介绍 5.6点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程 天线概述天线概述5.1点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.1.1 天线的定义天线的定义凡是利用电磁波来传递信息和能量的，都依靠凡是利用电磁波来传递信息和能量的，都依靠天线来进行工作，天线是用

4、来发射或接收无线电波的天线来进行工作，天线是用来发射或接收无线电波的装置和部件。装置和部件。天线是无线通信系统的第一个器件和最后一个天线是无线通信系统的第一个器件和最后一个器件器件。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.1.2 天线的分类天线的分类1. 天线按照波段分类天线按照波段分类2. 天线按照结构分类天线按照结构分类（1）线状天线）线状天线（2）面状天线）面状天线（3）缝隙天线）缝隙天线（4）微带天线）微带天

5、线3. 天线按照用途分类天线按照用途分类点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.1.3 天线的研究方法和设计方法天线的研究方法和设计方法1.叠加原理叠加原理天线的辐射符合叠加原理。天线的辐射符合叠加原理。2.研究天线的三个方法研究天线的三个方法（1）解析解）解析解（2）数值解）数值解（3）仿真软件）仿真软件 3.设计设计天线的方法天线的方法 Ansoft公司的公司的HFSS， CST公司的公司的MWS等等点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程 基本振子的

6、辐射基本振子的辐射5.2点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程各种天线都可以分割成无限多个基本元，每一个各种天线都可以分割成无限多个基本元，每一个基本元上电磁流的振幅、相位和方向均假设是相同的。基本元上电磁流的振幅、相位和方向均假设是相同的。基本元是一种基本的辐射单元，实际天线可以看成是无基本元是一种基本的辐射单元，实际天线可以看成是无穷多个基本元的叠加，如果掌握了基本元的辐射特性，穷多个基本元的叠加，如果掌握了基本元的辐射特性，可以按照电磁场的叠加原理，得出各类天线的辐射特性。可以按照电磁场的叠加原理，得出各类天线的辐射特

7、性。RFID天线主要由电基本振子和磁基本振子天线主要由电基本振子和磁基本振子这两种这两种基本元基本元构成构成。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.2.1 电基本振子的辐射电基本振子的辐射电基本振子是为分析线天线而抽象出来的天线最电基本振子是为分析线天线而抽象出来的天线最小构成单元。电基本振子是一段长度小构成单元。电基本振子是一段长度 远小于波长的细短远小于波长的细短导线导线，导线上电流的振幅和相位都认为是恒定的，电流导线上电流的振幅和相位都认为是恒定的，电流为等幅同相分布。设该电基本振子位于坐标原点，并沿为等幅同相分布

8、。设该电基本振子位于坐标原点，并沿 轴放置在自由空间，如图轴放置在自由空间，如图5.2所示。所示。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程1.天线近区场天线近区场近区场的条件为近区场的条件为 (5.2)(5.2)低频和高频低频和高频RFID工作在天线的近区。工作在天线的近区。近区电磁场为近区电磁场为(5.3)(5.3)2rsin4sin4cos223030rIlHrIljErIljEr点击此处结束放映点击此处结束放映物联

9、网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程2.天线天线远远区场区场远远区场的条件为区场的条件为 (5.5)(5.5)微波微波RFID工作在天线的近区。工作在天线的近区。远区电磁场为远区电磁场为(5.6)(5.6)2rjkrjkrerIljHerIljEsin2sin20点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.2.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射实际上，并不真正存在磁基本振子，但它可以

10、与实际上，并不真正存在磁基本振子，但它可以与一些实际波源相对应，用此概念可以简化计算。半径一些实际波源相对应，用此概念可以简化计算。半径远远小于波长小于波长的小电流环，辐射场与电基本振子相对偶，小的小电流环，辐射场与电基本振子相对偶，小电流环可以等效为一个磁基本振子。电流环可以等效为一个磁基本振子。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核

11、心技术教程）核心技术教程天线的电参数天线的电参数5.3点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.3.1 发射天线的电参数发射天线的电参数1.天线的效率天线的效率天线在工作时，并不能将输入天线的能量全部辐天线在工作时，并不能将输入天线的能量全部辐射出去。天线的效率定义为天线的辐射功率射出去。天线的效率定义为天线的辐射功率 与输入与输入功率功率 的比值，即的比值，即：（5.15）上式中，上式中， 是天线的总损耗能量，包括天线导体的损耗是天线的总损耗能量，包括天线导体的损耗和天线介质的损耗。和天线介质的损耗。LinAPPPPPPi

12、nPLP点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程2.输入阻抗输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流的天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流的比值，即比值，即：（5.17）天线的输入端是指天线与馈线的连接处。天线作为馈线天线的输入端是指天线与馈线的连接处。天线作为馈线的负载，通常要求做到阻抗匹配。的负载，通常要求做到阻抗匹配。inininininjXRIUZ点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程3.方向性函数方向性函数天线的方向性函数，是指以天线为

13、中心，在相同天线的方向性函数，是指以天线为中心，在相同距离距离 的条件下，天线辐射场与空间方向的关系，是天线的条件下，天线辐射场与空间方向的关系，是天线辐射场的相对值辐射场的相对值。例如，电基本振子的电场为例如，电基本振子的电场为方向性函数为方向性函数为 。jkrerIljEsin20sin,f点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程4.方向图方向图（1）立体方向图）立体方向图（2） E面方向图面方向图（3） H面方向图

14、面方向图（4）主瓣宽度）主瓣宽度（5）旁瓣电平）旁瓣电平（6）前后比）前后比点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.方向性系数方向性系数在离开天线某一距离处，天线在最大辐射方向上在离开天线某一距离处，天线在最大辐射方向上产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分

15、到空间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，称为天线的方向性系数。称为天线的方向性系数。电基本振子的方向性系数电基本振子的方向性系数为为1.5。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程6.增益增益增益定义为当天线与理想无方向性天线的输入功增益定义为当天线与理想无方向性天线的输入功率相同时，两种天线在最大辐射方向上辐射功率密度之率相同时，两种天线在最大辐射方向上辐

16、射功率密度之比。增益同时考虑了天线的方向性系数和效率比。增益同时考虑了天线的方向性系数和效率。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程7.有效长度有效长度很多天线上的电流分布是不均匀的。天线有效长很多天线上的电流分布是不均匀的。天线有效长度的定义是，在保持实际天线最大辐射方向上场强不变度的定义是，在保持实际天线最大辐射方向上场强不变的前提下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小的前提下，假设天线上的电流为均匀分布，电流

17、的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度。等于输入端的电流，此假想天线的长度。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程8.极化极化天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。和椭圆极化。 天线不能接收与其正交的极化分量，例如，垂直天线不能接收与其正交的极化分量，例如，垂直线极化天线不能接收水平线极化波。接收天线要保持与线极化天线不能接收水平线极化波。接收天线要保持与发射天线极化匹配

18、，例如，发射天线极化匹配，例如，左旋左旋圆极化天线不能接收圆极化天线不能接收右右旋旋圆极化波。圆极化波。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程9.频带宽度频带宽度天线的所有电参数都与频率有关。当频率偏离中天线的所有电参数都与频率有关。当频率偏离中心频率时，会引起电参数的变化。将天线的电参数保持心频率时，会引起电参数的变化。将天线的电参数保持在规定技术指标要求之内的频率范围，称为天线的工作在规定技术指标要求之内的频率范围，称为天线的工作频带宽度，简称为天线的带宽。窄频带天线的相对带宽频带宽度，简称为天线的带宽。窄频带天线的相对

19、带宽只有百分之几，宽频带天线的相对带宽可以达到百分之只有百分之几，宽频带天线的相对带宽可以达到百分之几十，超宽频带天线的相对带宽可以达到几个倍频程。几十，超宽频带天线的相对带宽可以达到几个倍频程。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.3.2 互易定理和接收天线的电参数互易定理和接收天线的电参数某一天线作为接收天线的电参数，与作为发射天某一天线作为接收天线的电参数，与作为发射天线的电参数相同，符合互易定理。线的电参数相同，符合互易定理。任何天线用作接收时，它的方向性、阻抗、极化任何天线用作接收时，它的方向性、阻抗、极化和有

20、效长度等，均与用作发射天线时相同。和有效长度等，均与用作发射天线时相同。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程对称振子天线对称振子天线5.4点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程对称振子天线的结构如图对称振子天线的结构如图5.8所示。对称振子所示。对称振子天线是一种应用广泛的基本线形天线，它既可以单独天线是一种应用广泛的基本线形天线，它既可以单独使用

21、，又可以作为天线阵的单元。使用，又可以作为天线阵的单元。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.4.1 对称振子天线的电流分布对称振子天线的电流分布要计算天线的辐射场，首先需要知道天线上的电要计算天线的辐射场，首先需要知道天线上的电流分布。流分布。（5.28） zlkIzImsin点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.4.2 对称振子天线的辐射

22、场与方向图对称振子天线的辐射场与方向图1.对称振子天线的辐射场对称振子天线的辐射场对称振子天线的辐射电场为（5.29） jkrmeklklrIjEsincoscoscos60点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程2.对称振子天线的方向图对称振子天线的方向图点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频

23、识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.4.3 对称振子天线的辐射对称振子天线的辐射电阻电阻电基本振子的辐射功率曾用一个等效电阻的消耗来电基本振子的辐射功率曾用一个等效电阻的消耗来等效，这个等效电阻称为辐射电阻等效，这个等效电阻称为辐射电阻。（1）半波对称振子的辐射电阻为）半波对称振子的辐射电阻为 （2）全全波对称振子的辐射电阻为波对称振子的辐射电阻为1 .73200点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.4.4 对称振子天线的输入阻抗对称振子天线的输入阻抗点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联

24、网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程天线阵天线阵5.5点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程用许多单元天线按一定方式排列构成一个辐射系用许多单元天线按一定方式排列构成一个辐射系统，这个辐射系统称为天线阵，构成天线阵的每个单元统，这个辐射系统称为天线阵，构成天线阵的每个单元称为阵元。天线阵的辐射特性取决于阵元的结构、数目、称为阵元。天线阵的辐射特性取决于阵元的结构、数目、排列方式、间距、阵元上电流的振幅和相位等。按阵元排列方式、间距、阵元上电流的振幅和相位等。按阵元的排列方式，天线阵有直线阵、平面阵和立体阵

25、等。的排列方式，天线阵有直线阵、平面阵和立体阵等。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程5.5.1二元阵与方向性乘积原理二元阵与方向性乘积原理二元阵由两个相距较近、取向一致的阵元组成。二元阵由两个相距较近、取向一致的阵元组成。下面讨论下面讨论由由对称振子构成的二元阵，如图对称振子构成的二元阵，如图5.11所示。所示。 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程）核心技术教程天线阵在观察点产生的辐射电场为天线阵在观察点产生的辐射电场为（5.39）归一化方向性函数归一化方向性函数 等于等于阵元归一化方向性函数阵元归一化方向性函数 与与阵因子归一化方向性阵因子归一化方向性函数函数 的的乘积乘积，称为方向性，称为方向性乘积乘积原理。原理。1,601121jkrareFrIje eE EE EE E,2FFFar,F,2F点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）核心技术教程