1.RFID天線與RFID讀寫性能的關(guān)系

      rfid天線是一種能將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，或者將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波的裝置。在RFID系統(tǒng)中，射頻標(biāo)簽和rfid讀寫器中都包含天線，rfid天線既可以集成到射頻標(biāo)簽和rfid讀寫器中，也可以與射頻標(biāo)簽和讀寫器分開放置。為保證射頻識(shí)別系統(tǒng)的正常工作，標(biāo)簽和讀寫讀寫器的天線性能必須滿足一定的要求。
1）射頻標(biāo)簽的天線
    在射頻裝置中，當(dāng)工作頻率增加到微波區(qū)域時(shí)，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。天線的目標(biāo)是保證最大的傳輸能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要綜合考慮天線設(shè)計(jì)、自由空間以及相連的標(biāo)簽芯片。

（1）標(biāo)簽天線的必要條件：
① 足夠小以至于能夠貼到需要的物品上；
② 有全向或半球覆蓋的方向性；
③ 提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；
④ 無(wú)論物品處于什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問(wèn)信號(hào)相匹配；
⑤ 具有魯棒性；
⑥ 非常便宜。
（2）在選擇標(biāo)簽天線時(shí)主要應(yīng)考慮：
① 天線的類型；
② 天線的阻抗；
③ 應(yīng)用到物品上的射頻的性能。
2）讀寫器天線
     射頻系統(tǒng)的讀寫器必須通過(guò)天線來(lái)發(fā)射能量，形成電磁場(chǎng)，再通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)對(duì)射頻標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別?？梢哉f(shuō)，天線所形成的電磁場(chǎng)范圍就是RFID系統(tǒng)的可讀區(qū)域，任意RFID系統(tǒng)至少應(yīng)該包含一根天線（不管是內(nèi)置還是外置）以發(fā)射和接收射頻信號(hào)。有些RFID系統(tǒng)是由一根天線來(lái)同時(shí)完成發(fā)射和接收任務(wù)的，但也有些RFID系統(tǒng)由一根天線來(lái)完成發(fā)射任務(wù)，而由另一根天線來(lái)完成接收任務(wù)，所采用天線的形式及數(shù)量應(yīng)視具體應(yīng)用而定。
     在電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)中，讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向射頻標(biāo)簽提供電源，并在讀寫器和射頻標(biāo)簽之間傳送信息。
     因此，讀寫器天線的設(shè)計(jì)或選擇必須滿足以下基本條件：天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量；功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量；足夠的帶寬，保證載波信號(hào)的傳輸，這些信號(hào)是用數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制而成的。
      在目前的超高頻與微波系統(tǒng)中，廣泛使用平面形天線，包括全向平板天線、水平平板天線和垂直平板天線等。2.RFID天線性能的主要參數(shù)
1）電磁波的輻射
     當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。若兩導(dǎo)線的距離很近，則電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因此輻射很微弱；若將兩導(dǎo)線張開，電場(chǎng)就散播在周圍空間，因此輻射增強(qiáng)。

    必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ時(shí)，輻射很微弱；當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，從而會(huì)形成較強(qiáng)的輻射。
2）RFID天線的對(duì)稱振子
     對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)單、獨(dú)立使用或用做拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。

  兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為1/2波長(zhǎng)的振子，稱為半波對(duì)稱振子，如圖（a）所示。

  另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊制成，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是1/2波長(zhǎng)，因此稱其為半波折合振子，如圖所示。

對(duì)稱振子示意圖
3）RFID天線的方向性
    RFID天線分為發(fā)射天線與接收天線。其中，發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對(duì)稱振子具有平放的“面包圈”形的立體方向圖，如圖（a）所示。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難，圖（b）與圖（c）給出了它的兩個(gè)主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖（b）可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖（c）可以看出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。
     若干個(gè)對(duì)稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號(hào)進(jìn)一步集中到水平面方向上。如圖所示是4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。
     也可以利用反射板把輻射能控制到單側(cè)方向，此時(shí)平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。如圖所示的水平面方向圖說(shuō)明了反射面的作用—反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。
     拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。

圖天線方向性增強(qiáng)示意圖

圖反射面的作用示意圖
4）天線的輸入阻抗Zin
     天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻.事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。
    天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量，即反射系數(shù)、行波系數(shù)、駐波比和回波損耗，這四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪一個(gè)依據(jù)個(gè)人習(xí)慣而定。在日常維護(hù)中，使用較多的是駐波比和回波損耗。一般移動(dòng)通信天線的輸入阻抗為50Ω。
    輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸及工作波長(zhǎng)有關(guān)。半波對(duì)稱振子是最重要的基本天線，其輸入阻抗為 Zin=73.1+j42.5（Ω）。當(dāng)把其長(zhǎng)度縮短 3%～5%時(shí)，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時(shí)的輸入阻抗為Zin=73.1Ω（標(biāo)稱75Ω）。
    注意，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，純電阻性的天線輸入阻抗只是針對(duì)點(diǎn)頻而言的。
    順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對(duì)稱振子的4倍，即Zin=280Ω（標(biāo)稱300Ω）。
    有趣的是，對(duì)于任一天線，人們總可通過(guò)天線阻抗調(diào)試，并在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近 50Ω，從而使得天線的輸入阻抗為 Zin=Rin=50Ω—這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必需的。
5）駐波比
    在不匹配的情況下，饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方，電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin，形成波節(jié)。其他各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。
反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫做反射系數(shù)，記為R：

    波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比叫做駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR：

   終端負(fù)載阻抗ZL和特性阻抗Z0越接近，反射系數(shù)R越小，駐波比VSWR越接近于1，匹配也就越好。

    電壓駐波比是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無(wú)窮大之間。電壓駐波比為1，表示完全匹配；電壓駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。過(guò)大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)的干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。
6）回波損耗
     回波損耗是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，用分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB到無(wú)窮大之間?；夭〒p耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。
7）天線的極化方式
     天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定電場(chǎng)的方向就是天線極化方向，也就是天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。
    一般使用的天線為單極化的。圖2-15給出了兩種基本的單極化情況：垂直極化—是最常用的；水平極化—也經(jīng)常被用到。
    由于電磁波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。
因此，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播方式。另外，隨著新技術(shù)的發(fā)展，最近又出現(xiàn)了一種雙極化天線。它一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式，一般后者的性能優(yōu)于前者，因此目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線，并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個(gè)小區(qū)的天線數(shù)量；同時(shí)由于±45°為正交極化，從而有效保證了分集接收的良好效果（其極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB）。
     圖 2-16 給了另外兩種單極化的情況：+45°極化與-45°極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。這樣共有四種單極化。把垂直極化和水平極化兩種天線組合在一起，或者把+45°極化和-45°極化兩種天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線—雙極化天線。
     

圖2-17給出了由兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成的雙極化天線。注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭。雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極化在空間相互正交（垂直）的波。

     垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。
     當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小，也就是說(shuō)會(huì)發(fā)生極化損失。例如，當(dāng)用+45°極化天線接收垂直極化波或水平極化波時(shí)，或者用垂直極化天線接收+45°極化波或-45°極化波時(shí)，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者用線極化天線接收任一圓極化波時(shí)，也必然發(fā)生極化損失，但只能接收到來(lái)波的一半能量。
    當(dāng)接收天線的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來(lái)波，或者用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下的極化損失為最大，稱為極化完全隔離。
理想的極化完全隔離是不存在的。因?yàn)轲佀偷揭环N極化天線中去的信號(hào)總會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化天線中出現(xiàn)。在雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，則在水平極化天線的輸出端測(cè)得的輸出功率為10mW。
8）天線增益
     天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。
     天線增益具體是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。天線增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，天線增益越高?？梢赃@樣來(lái)理解天線增益的物理含義：為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)，如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益G=13dB=20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需100W/20=5W，換言之，天線增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)是指與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。
     一般來(lái)說(shuō)，天線增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量極為重要，因?yàn)樗鼪Q定蜂窩邊緣的信號(hào)電平。增加天線增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個(gè)雙向過(guò)程，增加天線增益能同時(shí)減少雙向系統(tǒng)增益的預(yù)算余量。另外，表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi。dBi是相對(duì)于點(diǎn)源天線的增益，它在各方向的輻射是均勻的；dBd是相對(duì)于對(duì)稱陣子天線的增益，dBi=dBd+2.15。相同的條件下，天線增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。半波對(duì)稱振子的天線增益G=2.15dBi。
     4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其天線增益G≈8.15dBi（dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源）。
     如果以半波對(duì)稱振子作為比較對(duì)象，則天線增益的單位是dBd。
    半波對(duì)稱振子的天線增益 G=0dBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?1，取對(duì)數(shù)得零值）；垂直四元陣的增益G=8.15-2.15=6（dBd）。
天線增益的若干近似計(jì)算式如下。
（1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益：

式中，2θ3dB，E×2θ3dB，H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；32000 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
（2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益：

式中，D為拋物面直徑，λ0為中心工作波長(zhǎng)。
（3）對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式：

式中，L為天線長(zhǎng)度；λ0為中心工作波長(zhǎng)。
9）天線的波瓣寬度
     方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。如圖2-18（a）所示，在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。
     波瓣寬度是定向天線常用的一個(gè)很重要的參數(shù)，它是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個(gè)方向收發(fā)信號(hào)能力的一個(gè)指標(biāo)，它通常通過(guò)圖形方式來(lái)表示出功率強(qiáng)度與夾角的關(guān)系）。
    天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對(duì)應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此，在一定范圍內(nèi)通過(guò)對(duì)天線垂直度（俯仰角）的調(diào)節(jié)，可以達(dá)到改善小區(qū)覆蓋質(zhì)量的目的，這也是在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中經(jīng)常采用的一種手段。天線的波瓣寬度主要涉及兩個(gè)方面，即水平平面波瓣寬度和垂直平面波瓣寬度。水平平面的半功率角（H—Plane Half Power beamwidth，為45°、60°、90°等）定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大，在扇區(qū)交界處的覆蓋越好，但當(dāng)提高天線傾角時(shí)，也越容易發(fā)生波束畸變，形成越區(qū)覆蓋。角度越小，在扇區(qū)交界處的覆蓋越差。提高天線傾角可以在移動(dòng)程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對(duì)而言不容易產(chǎn)生對(duì)其他小區(qū)的越區(qū)覆蓋。在市中心基站由于站距小，天線傾角大，應(yīng)當(dāng)采用水平平面的半功率角小的天線，在郊區(qū)應(yīng)選用水平平面的半功率角大的天線；垂直平面的半功率角（V—Plane Half Power beamwidth，為 48°、33°、15°、8°）定義了天線垂直平面的波束寬度。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時(shí)信號(hào)衰減越快，越容易通過(guò)調(diào)整天線傾角準(zhǔn)確控制覆蓋范圍。
     還有一種波瓣寬度，即10dB波瓣寬度。顧名思義，它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低10dB（功率密度降至十分之一）的兩點(diǎn)間的夾角，如圖（b）所示。

10）前后比（Front-Back Ratio）
      前后比表明了天線對(duì)后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線，天線的后瓣有可能產(chǎn)生越區(qū)覆蓋，導(dǎo)致切換關(guān)系混亂，產(chǎn)生掉話。其值一般在25～30dB之間，應(yīng)優(yōu)先選用前后比為30的天線。
圖波瓣寬度
在前后比方向中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為F/B。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F/B的計(jì)算十分簡(jiǎn)單：F/B=10lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}。
對(duì)天線的前后比F/B有要求時(shí)，其典型值為（18～30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35～40）dB。
11）上旁瓣抑制
      對(duì)于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中的主瓣上方的第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制（如圖2-20所示）?；镜姆?wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶，指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。
12）天線的下傾
     為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾。
13）天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）
      無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，因此天線的頻帶寬度有以下兩種不同的定義。
（1）在駐波比VSWR≤1.5條件下，天線的工作頻帶寬度。
（2）天線增益下降3dB范圍內(nèi)的頻帶寬度。
        在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按（1）定義的。具體來(lái)說(shuō)，天線的頻帶寬度就是指天線的駐波比VSWR不超過(guò)1.5時(shí)，天線的工作頻率范圍。
         一般來(lái)說(shuō)，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上，天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。
14）反射損耗
     前面已指出，當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，饋線上沒(méi)有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時(shí)，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。

而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。
      例如，在圖2-21中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個(gè)為75ohms，一個(gè)為50ohms，阻抗不匹配，所以其結(jié)果是反射損耗不同。