射频识别（RFID）技术与应用 课件 第二章 RFID天线设计与实现

RFID天线设计与实现教师:xxxx时间:2025.01.01项目背景与目标01天线基础02RFID天线技术03RFID电子标签天线设计04RFID阅读器天线设计05目录CONTENTS项目背景与目标01项目背景与学习目标学习目标本项目旨在让学习者全面了解天线的作用、RFID天线的基本类型与结构，并深入掌握其工作原理。通过Matlab仿真，学习者将能够模拟天线的基本性能，包括RFID天线的发送与接收过程，并利用MatlabSimulink构建完整的RFID通信系统，从而提升理论与实践相结合的能力。项目背景随着无线通信技术的飞速发展，天线作为其核心组件之一，发挥着至关重要的作用。从早期的无线电广播到如今的5G通信，天线始终是实现信号传输的关键。在RFID技术中，天线更是实现标签与阅读器之间通信的桥梁，其设计与性能直接影响系统的效率和可靠性。天线基础02天线的作用天线广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达和导航等领域。它不仅能够将电信号转化为电磁波进行远距离传输，还能将接收到的电磁波转换为电信号，实现信息的双向传递。天线的可逆性天线具有可逆性，即同一副天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线，且其基本特性参数保持一致。这一特性使得天线在实际应用中更加灵活，降低了系统的复杂性和成本。天线的定义与作用天线是一种电磁波的变换器，它将传输线上的导行波转换为自由空间中的电磁波，反之亦然。这种转换使得无线电通信成为可能，天线在发射和接收过程中都扮演着核心角色。天线的定义天线能量转换原理能量转换过程在发射端，高频振荡电流通过馈电设备输入天线，天线将其转化为无线电波向周围空间辐射；在接收端，无线电波通过天线转化为高频电流，再传送到接收机。这一过程体现了天线作为能量转换器的作用，是电路与空间的界面器件。天线能量转换原理图2-1天线能量转换原理图天线的原理天线的互易定理表明，同一副天线在发射和接收时的基本特性参数相同。这一特性使得天线设计更加通用，减少了不同应用场景下的设计复杂性。互易定理根据电磁学原理，电流在导体中运动时会产生变化的电磁场。变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，从而实现无线信号的传播。电磁场的产生天线中的电磁辐射能量主要集中在远离天线的地方，称为远场。在远场区域，电磁波的传播特性稳定，适用于长距离通信。电磁辐射的传播天线的原理天线的基本原理是电流在导体中的运动所产生的电磁场，即变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，不断激发下去，就实现了无线信号的传播。同时根据安培定律和法拉第电磁感应定律，电流在导体上运动时，会形成电磁波向外传播，即产生电磁辐射，而天线中的电磁辐射能量主要集中在远离天线的地方，称作远场。天线中的电磁辐射能量主要集中在远离天线的地方，称为远场。在远场区域，电磁波的传播特性稳定，适用于长距离通信。天线的原理天线发射与接收信号上图所示。从图中可以看出，无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。电磁波和高频电流的相互转换实现了信息的传递。天线的原理当发射机的终端开路的平行双导线上载有交变电流时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图2-3所示，从该图可以看出，当两导线的距离很近时，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。图2-3天线的辐射能力天线的原理当两导线完全张开，导线上的电流方向完全相同时，电磁场辐射能力最强。这种能产生显著辐射的直导线，被称为振子。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子。对称振子与折合振子如图2-4所示。图2-4对称振子与折合振子天线的方向性01方向性的定义天线的方向性是指天线向各个方向辐射或接收电磁波的相对强度。对于发射天线，方向性表示其向特定方向辐射电磁波的能力；对于接收天线，则表示其对不同方向传来的电磁波的接收能力。02方向图的表示天线的方向性通常通过立体方向图和平面方向图来表示。例如，垂直放置的半波对称振子在轴线方向上辐射为零，而在水平面上辐射最强。通过设计反射板等结构，可以将辐射能集中到单侧方向，如抛物面天线的应用。天线的方向性发射天线的方向性表示天线把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，并把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图，其中轴线方向上辐射为零，水平面上辐射最强，如图2-5所示。图2-5垂直放置的半波对称振子辐射方向天线的方向性也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，使天线的辐射像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，如图2-6所示。抛物面天线（定向天线）就是利用了此方法，其构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。图2-6利用反射板把辐射控制到单侧方向RFID天线技术03RFID天线概述RFID天线的定义RFID天线是一种将前端射频信号功率以电磁波形式接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用于实现导行波与自由空间波能量的转化。RFID天线分为电子标签天线和读写器天线两大类。电子标签天线主要用于接收能量，而读写器天线则用于发射能量。两者在设计和应用上各有特点。天线的分类不同工作频段的RFID天线在原理和设计上存在差异。天线的增益和阻抗特性直接影响RFID系统的作用距离，因此在设计时需要综合考虑这些因素。频段与特性近场天线近场天线的特点近场天线主要应用于低频和高频段，通过电感耦合方式工作。其电场强度随距离的三次方衰减，磁场强度随距离的二次方衰减，能量不向外辐射，仅在天线表面附近进行电能和磁能的交换。设计与应用线圈型天线是近场天线的典型代表，其设计涉及谐振频率的计算、线圈电感和电容的关系。通过插入铁氧体材料可以增大互感量，从而提高天线性能。近场天线广泛应用于电子门锁系统和非接触式计数用IC卡系统。近场天线近距离RFID系统中的标签工作时不需要发射电磁波，这样就可以为系统的正常工作提供比较大的能量，甚至可以为耗电量大的微处理器供电。近距离RFID系统应用于安全性需求较高但对作用距离要求不大的应用场合中，如电子门锁系统或非接触式计数用IC卡系统。利用近场天线构建的RFID识别系统如图2-7所示。从该图可以看出，对于近场天线，标签和阅读器在比较近的情况下才会通过电磁耦合发生作用，即阅读器在标签比较靠近的情况下才会读取标签的信息。图2-7近场天线构建的RFID识别系统远场天线偶极子天线是远场天线的一种常见类型，其结构简单，工作原理清晰。在RFID电子标签中，偶极子天线通过特定的尺寸设计实现高效的能量传输，是标签天线的重要组成部分。偶极子天线远场天线主要应用于超高频和微波频段，其电场强度和磁场强度随距离的一次方衰减，电场和磁场方向相互垂直，且都垂直于传播方向。远场天线的特点微带贴片天线具有质量轻、体积小、剖面薄等优点，易于与微带技术集成。它适用于通讯方向变化不大的RFID应用系统，能够提供稳定的通信性能。微带贴片天线远场天线①

偶极子天线偶极子天线，也称为对称振子天线，由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，如图2-8所示。信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场。一般在RFID电子标签中使用的是曲折型的折合偶极子天线。②

微带贴片天线微带贴片天线是一种用于半球形覆盖的窄带微波传输链路流行的印刷谐振天线。由于其平面配置以及易于与微带技术集成，微带贴片天线已经被大量研究，并且常被用于阵列元件。常见的微带天线的形状是正方形、长方形、圆形、环形、等边三角形和椭圆形，任何连续形状都可以。微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄,馈线和匹配网络可以和天线同时制作，与通信系统的印刷电路集成在一起，贴片又可采用光刻工艺制造，成本低、易于大量生产。微带贴片天线以其馈电方式和极化制式的多样化以及馈电网络、有源电路集成一体化等特点而成为印刷天线类的主角。远场天线RFID电子标签天线设计04电感线圈设计电感线圈的主要功能是设置谐振以匹配芯片的电容，其形状可以采取任何形式，只要完成一个闭环。常见的形状包括圆形和方形，具体选择取决于标签的尺寸和应用场景。功能与形状01电感线圈的设计涉及三个关键参数：线宽、环路面积和线长。线宽越宽，欧姆损耗越小，但环路面积需要相应增大以补偿电感的减小。形状越接近圆形或方形，所需的面积越小。设计参数02电感线圈通常被放置在标签区域的中心，以确保能量传输的均匀性。通过展示不同尺寸标签的电感线圈设计实例，可以更好地理解其设计要点和实际应用。布局与实例03电感线圈设计设计标签天线的第一步是构造标签芯片的电感线圈，电感线圈的主要功能之一是设置谐振以匹配芯片的电容。电感线圈的形状可以采取任何形式，只要它完成一个闭环。设计电感线圈时不必太关注是否与芯片在工作频率点谐振，这是因为一旦电感线圈连接到偶极子，其谐振频率会发生改变。电感线圈有三个设计参数，分别为线宽、环路面积（内圈面积）和线长。使用宽的线宽可以减小电阻从而减小损耗。图2-9电感线圈设计偶极子天线设计尺寸限制与材料影响由于偶极子天线必须在标签的尺寸限制内，通常采用弯折等尺寸减小技术。同时，标签材料的介电常数对偶极子天线的设计也有重要影响，需要综合考虑以优化性能。设计要点偶极子天线是标签天线的重要组成部分，其设计需要考虑线宽和线长两个关键参数。更宽的线宽可以减小损耗，但需要更长的长度才能达到相同的谐振频率。偶极子设计偶极子的设计案例如图2-10所示。这里显示的两个偶极子设计几乎完全填满了标签尺寸区域。如果标签的材料具有较高的介电常数特性，则可能需要减少弯折或弯折的次数。相反，如果标签材料的介电常数较小，则可能需要减小线宽并增加弯折度。图2-10偶极子设计耦合设计电感线圈体积小，属于近场结构，无法为标签芯片提供足够的能量。因此，需要在偶极子和电感线圈之间进行能量传输，以确保标签的正常工作。耦合的必要性耦合系数反映了电感线圈与偶极子之间重叠的程度。重叠越深，耦合系数越大，能量传递效率越高，但标签的带宽会变窄。耦合系数控制耦合系数的最简单方法是改变电感线圈和偶极子之间的间距。距离越远，耦合系数越小；距离越近，耦合系数越大。通过合理调整间距，可以优化标签的性能。调整方法天线与芯片阻抗设计阻抗匹配的重要性

匹配条件

天线与芯片阻抗设计阻抗匹配的重要性阻抗匹配的等效电路如图2-12所示，从图中可见看出，电路的电流和功率分别为

图2-12阻抗匹配的等效电路（2-1）

RFID阅读器天线设计05阅读器天线概述重要性

常见类型常见的阅读器天线类型包括环形天线和矩形天线。环形天线的终端负载阻抗可以为零或等于环的特性阻抗，其电流分布与平行传输线类似。矩形天线则具有不同的设计特点，适用于不同的应用场景。辐射特性电小环和垂直于环面放置的小电偶极天线的辐射场除将电和磁的量互换外都是类似的。这种特性使得环形天线在某些特定应用中表现出独特的优势。矩形天线的尺寸矩形天线的磁感应强度$B$与距离$X$成反比，增加线圈的匝数$N$可以增大磁感应强度$B$，从而增加有效工作距离。通过公式（2-2）和（2-3）可以进一步优化设计。电感估算

天线尺寸设计环形天线的辐射场与环的面积、匝数和环上的电流成正比，与工作波长的平方和距离成反比。其形状对辐射特性影响较小，设计时主要关注面积和匝数的优化。环形天线的尺寸天线匹配电路设计