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1.RFID天線與RFID讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)器中,也可以與射頻標(biāo)簽和讀寫(xiě)器分開(kāi)放置。為保證射頻識(shí)別系統(tǒng)的正常工作,標(biāo)簽和讀寫(xiě)讀寫(xiě)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(xiě)器天線
射頻系統(tǒng)的讀寫(xiě)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。可以說(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(xiě)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(xiě)器和射頻標(biāo)簽之間傳送信息。
因此,讀寫(xiě)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(kāi),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。回波損耗的值在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。