RFID原理与实践 课件 2.1 射频基础

2.1射频基础解释频谱含义1描述天线的特点和基本参数2描述电磁波的传播特性3任务要求描述RFID系统构成及工作原理4分析各种不同频率RFID系统的特点5反映信号幅值在时间域上的变化关系反映信号幅值在频率域上的分布情况时间幅值频率时域分析频域分析傅立叶变换时域和频域信号：随着时间随机变化的电压或电流频谱概念频谱——频，就是频率，谱，就是一系列的内容。频谱，就是一个信号包含了哪些频率内容，即组成信号的全部频率分量的集合。任何非正弦信号都可以分解为一系列幅度不同，频率不同和相位不同的正弦分量。周期性信号由基波和高次谐波叠加而成。将各正弦分量的幅度按其频率的高低依次排列，就可以得到幅度频谱，简称幅谱；将各正弦分量的初相位也按其频率的高低依次排列，即为相位频谱，简称相谱。幅谱和相谱总称为频谱。通常频谱指幅谱。频谱谱线的幅度反映了音频信号的峰值大小，频谱谱线距频率轴原点的远近反映了音频信号频率的高低。频谱概念通常实际音频信号并非单频正弦波，因此其频谱也是由多条谱线组成，图中所示为“啊…”音信号的波形。频谱概念电信号中包含了各种频率的信息，就需要有一定的频带宽度。一般语音通信时，带宽为3kHz就可以满足要求。而传输高质量的音乐信号，所需要的频率范围为30Hz～16kHz一个矩形脉冲波的波形和频谱带宽电磁波是一个大家族按波长分：宇宙射线，γ射线，X射线，紫外线，可见光，红外线（反射红外，热红外，微波），无线电波和长波，不仅无线电波是电磁波，光、X射线、γ射线也都是电磁波。可见光:visiblelight

无线电波:radiowaves

微波:microwaves

红外:infraredlight

紫外:ultravioletlight

X-射线:X-rays

γ-射线:γ-rays各种电磁波的产生机理不同无线电波由振荡电路中自由电子的运动产生；红外线、可见光和紫外线是原子的外层受到激发后产生的；X射线是原子内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。电磁波光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。不同频率的电磁波在传输过程中具有不同的特性电磁波谱无线电波与无线电频谱

无线电波（radiowaves）频率在3000GHz以下，不用人工波导而在空间传播的电磁波。无线电频谱（radiospectrum）一般指9KHz－3000GHz频率范围内发射无线电波的无线电频率的总称。作为传输载体的无线电波都具有一定的频率和波长，即位于无线电频谱中的一定位置，并占据一定的宽度。无线电频谱资源所有的无线电业务都离不开无线电频率，就像车辆必须行驶在道路上。无线电频谱是看不见、摸不着的自然资源，它具有下述特性。无线电频谱特性有限性排他性复用性非耗竭性固有传播特性易污染性无线通信频谱

频谱是我们区别各种电波的一个重要依据，无线通信的频谱在RF(RadioFrequency)这一段包括了我们常见的调频收音机，各种手机，无线电话，无线卫星电视等等，由于从几十兆到几千兆的频谱上，集中了各种不同的无线应用，而且这些无线电传播都使用同一个通讯媒介——空气，所以为了保证各种无线通讯之间不相互干扰，就需要对无线频道的使用进行必要的管理。频谱的使用与管理频谱分配必须以频谱利用的有效性和合理性为基础，既要充分有效地利用频谱资源，又要保证相互之间不存在电磁干扰，即满足电磁兼容性。频谱管理就是为了实现电磁频谱的有效管理、保护和合理利用等，确保各类无线电业务的有效进行，包括了无线电频谱资源的频率划分、指配和控制。国际电信联盟（ITU）规定了各个频段的用途。各个国家根据国际电信公约和国际无线电规则设立国家级的频谱管理机构，为本国分配和管理电磁频谱。在我国则由全国无线电管理委员会负责频谱的分配、协调和管理。人类目前利用的电磁频谱大约在0Hz---3000GHz，并向更高的频段发展。应用最多的仍然在中频300-3000kHz、高频3-30MHz、甚高频30-300MHz、超高频300-3000MHz、特高频3-30GHz。通信、电视、广播、导航、雷达、测控均在此频段范围内。电磁波传播特性无线电磁波是无色、无味，但又是客观存在的物质，它在均匀媒质中以恒定的速度沿直线传播。在不均匀的媒质中（相对介电系数和相对导磁系数不等的两种或两种以上的媒质），不仅电磁波的传播速度会发生变化，而且电磁波的传播方向也会发生变化，产生反射、折射、绕射及散射现象。在电磁波传播的过程中，电磁波之间将发生叠加，使电磁波得到加强、衰减或相互抵消。由于能量的扩散和媒质的吸收，电磁波在传播过程中，能量将逐渐减小，场强逐渐减弱。电磁波只能在绝缘体中传播而不能穿过导体。因为导体内部不可能存在交变电场和交变磁场，所以，电磁波不能在导体中存在，当电磁波射向导体时将全部被反射。电磁波传播特性无线信号最基本的四种传播机制为直射、反射、绕射和散射。不同频率电磁波的传播特点电波的频率不同，或者说波长不同，其传播特点也不完全相同，甚至很不相同。按照无线电波的波长人为地把电波分为长波（波长1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等。长波传播的特点由于长波的波长很长，地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略。在通信距离小于300km时，到达接收点的电波，基本上是表面波。长波穿入电离层的深度很浅，受电离层变化的影响很小，电离层对长波的吸收也不大。因而长波的传播比较稳定。虽然长波通信在接收点的场强相当稳定，但是它有两个重要的缺点：①由于表面波衰减慢，发射台发出的表面波对其他接受台干扰很强烈。②天电干扰对长波的接收影响严重，特别是雷雨较多的夏季。中波传播的特点中波能以表面波或天波的形式传播，这一点和长波一样。但长波穿入电离层极浅，在电离层的下界面即能反射。中波较长波频率高，故需要在比较深入的电离层处才能发生反射。波长在3000－2000米的无线电通信，用无线或表面波传播，接收场强都很稳定，可用以完成可靠的通信，如船舶通信与导航等。波长在2000－200m的中短波主要用于广播，故此波段又称广播波段。短波传播的特点与长，中波一样，短波可以靠表面波和天波传播。由于短波频率较高，地面吸收较强，用表面波传播时，衰减很快，在一般情况下，短波的表面波传播的距离只有几十公里，不适合用于远距离通信和广播。与表面波相反，频率增高，天波在电离层中的损耗却减小。因此可利用电离层对天波的一次或多次反射，进行远距离无线电通信。不同频率电磁波的传播特点超短波和微波传播的特点超短波，微波的频率很高，表面波衰减很大；电波穿入电离层很深，甚至不能反射回来，所以超短波，微波一般不用表面波，天波的传播方式，而只能用空间波，散射波和穿透外层空间的传播方式。超短波，微波，由于他们的频带很宽，因此应用很广。超短波广泛应用于电视，调频广播，雷达等方面。利用微波通信时，可同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰。不同频率电磁波的传播特点常见参数1、功率/电平（dBm）：功率的一般定义：P=U×I。单位W、mW等。在射频频率下，使用的功率值往往范围(差距)较大，如0.00001mW和1000mW，这样一来使用十进制的功率表述时带来不便。将十进制的功率(称之为线性功率Linearpower)表示成对数功率形式(logarithmicpower),以便于使用。dBm是取1mw作基准值，以分贝表示的绝对功率电平。5W→10lg5000=37dBm10W→10lg10000=40dBm20W→10lg20000=43dBm不难看出，功率每增加一倍，电平值增加3dBm常见参数2、增益（dB）：

即放大倍数，单位可表示为分贝（dB）。

即：dB=10lgA（A为功率放大倍数）3、插损：

当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减，单位用dB表示。4、选择性：

衡量工作频带内的增益及带外辐射的抑制能力。-3dB带宽即增益下降3dB时的带宽，-40dB、-60dB同理。5、噪声系数：

一般定义为输出信噪比与输入信噪比的比值，实际使用中化为分贝来计算。单位用dB。常见参数6、耦合度：

耦合端口与输入端口的功率比,单位用dB。7、隔离度：

本振或信号泄露到其他端口的功率与原有功率之比，单位dB。8、滤波器：(filter)通过有用频率信号抑制无用频率信号的部件或设备9、负载：

终端在某一电路（如放大器）或电器输出端口，接收电功率的元/器件、部件或装置统称为负载。对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。天线基础天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置；它能够将高频振荡能量和电磁波能量作可逆转换，是一种“换能器”。天线基础电磁波的辐射导线上有交变电流流动时，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。若两导线的距离很近，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。必须指出，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。对称振子

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。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。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是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，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子。1/4波长对称振子1/4波长1/2波长天线的基本参数天线既然是空间无线电波信号和电路中的交流电流信号的转换装置，必然一端和电路中的交流电流信号接触，一端和自由空间中的无线电波信号接触。因此，天线的基本参数可分两部分，一部分描述天线在电路中的特性（即阻抗特性）；一部分描述天线与自由空间中电波的关系（即辐射特性）；另外从实际应用方面出发引入了工作频带这一参数。描述天线辐射特性的主要参数：效率、方向图、增益、极化描述天线阻抗特性的主要参数：输入阻抗

天线效率天线效率描述了天线将输入端功率转化为辐射功率的能力。天线效率为天线辐射功率Pr与天线输入功率Pin之比。天线效率＝辐射功率÷输入功率假如在天线端口的输入功率是1，由于匹配不好，有0.2的功率在端口处被反射回去了，剩下0.8的功率送入了天线，由于天线材料损耗使得0.1的功率损失了，还由于表面波或者天线周围物体的存在，0.1的功率沿其他途径传输到其他地方消散了，没有辐射出去，最后还有0.6的功率转化成了空间电磁波辐射到周围空间中去了，那么天线的效率就是(1－0.2－0.1－0.1)÷1＝60%方向图天线的方向图可以反映出天线的辐射特性，一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形。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。该天线在水平方向的辐射最强，在垂直方向的辐射几乎为零。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，通常我们可以选择在两个相互垂直的平面，用水平面和垂直面的方向图曲线来表示该天线的方向图特性。增益天线增益描述了天线在某个方向的辐射强弱程度，是衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线在最大辐射方向与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB（20倍）的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100/20=5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。表征天线增益的参数有DBd和DBi.DBi是相对于点源天线（全向天线）的增益；DBd是相对于对称振子天线的增益。半波对称振子的增益为G=2.15dBi或者G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。）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，故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。电场的极化最普遍的是椭圆极化。如图所示，电场在向前传播的过程中，电场的方向也在绕着传播方向旋转，图中用长度表示电场的大小，用箭头表示了电场的方向，那么沿电波传播方向看过去，电场矢量的末端沿着一个椭圆的轨迹在旋转，椭圆长轴为a短轴为b。极化电场的极化是根据沿电波传播方向看过去，电场矢量末端的移动轨迹来定义的。当轨迹是椭圆时，就是椭圆极化；当轨迹是圆时，就是圆极化；当轨迹是一条线是，就是线极化——若电场矢量与地面垂直时，称为垂直极化，与地面平行时称为水平极化。圆极化和线极化是椭圆极化的特殊情况，当椭圆的长轴a和短轴b相等时，就是圆了；当椭圆的长轴a远远大于短轴b时，就是一条线了。垂直极化水平极化EE+45°

极化E-45°

极化E极化损失垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+45°极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收+45°极化或-45°极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。输入阻抗天线输入阻抗的意义在于天线和电路的匹配方面。天线的输入阻抗是天线输入端输入电压与输入电流的比值。输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。通常，电路的输出阻抗都设计成50Ω或者75Ω，要使天线和电路连接时匹配，那么天线的输入阻抗应设计成和电路的输出阻抗相等。工作频带天线的工作频率范围（频带宽度）无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义------一种是指：在驻波比SWR≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。传输线基础传输线是传输电磁能的一种装置。连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。常见传输线有：平行双线传输线、同轴电缆传输线、波导和微带线等。平行双线传输线由两根平行的导线组成，它是对称式或平衡式的传输线，这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。基本参数特性阻抗当传输线上载行波时，其沿线电压与电流的比值是一个常数，该常数被定义为传输线的特性阻抗，记作Z0。通常我们认馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关，常用同轴电缆特性阻抗为Z0=50欧，也有Z0=75欧的。输入阻抗输入阻抗是传输线理论中一个很重要的概念，它可以很方便地分析传输线的工作状态。传输线上某点向负载方向“看”的输入阻抗定义为该点总电压与总电流之比。输入阻抗与观察点、传输线工作频率、传输线的特性阻抗、传输线所接负载等有关。基本参数传输线的反射系数一般来讲，