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，或者將電流信號轉(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，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(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給標(biāo)簽的芯片；
④ 無論物品處于什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問信號相匹配；
⑤ 具有魯棒性；
⑥ 非常便宜。
（2）在選擇標(biāo)簽天線時主要應(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)的讀寫器必須通過天線來發(fā)射能量，形成電磁場，再通過電磁場來對射頻標(biāo)簽進(jìn)行識別?？梢哉f，天線所形成的電磁場范圍就是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。有些RFID系統(tǒng)是由一根天線來同時完成發(fā)射和接收任務(wù)的，但也有些RFID系統(tǒng)由一根天線來完成發(fā)射任務(wù)，而由另一根天線來完成接收任務(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，保證載波信號的傳輸，這些信號是用數(shù)據(jù)信號調(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時，就會產(chǎn)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。若兩導(dǎo)線的距離很近，則電場被束縛在兩導(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)線的長度 L 遠(yuǎn)小于波長λ時，輻射很微弱；當(dāng)導(dǎo)線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流將大大增加，從而會形成較強(qiáng)的輻射。
2）RFID天線的對稱振子
     對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單、獨(dú)立使用或用做拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。

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

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

對稱振子示意圖
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，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。
     若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號進(jìn)一步集中到水平面方向上。如圖所示是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時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。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，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，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，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)劣一般用四個參數(shù)來衡量，即反射系數(shù)、行波系數(shù)、駐波比和回波損耗，這四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪一個依據(jù)個人習(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)、尺寸及工作波長有關(guān)。半波對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)把其長度縮短 3%～5%時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為Zin=73.1Ω（標(biāo)稱75Ω）。
    注意，嚴(yán)格來說，純電阻性的天線輸入阻抗只是針對點(diǎn)頻而言的。
    順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的4倍，即Zin=280Ω（標(biāo)稱300Ω）。
    有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(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到無窮大之間。電壓駐波比為1，表示完全匹配；電壓駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(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。過大的駐波比會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)絕對值的倒數(shù)，用分貝值表示。回波損耗的值在0dB到無窮大之間。回波損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，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(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。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定電場的方向就是天線極化方向，也就是天線輻射時形成的電場強(qiáng)度方向。當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面時，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在貼近地面時會在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，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，保證了信號的有效傳播。
因此，在移動通信系統(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，并同時工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個小區(qū)的天線數(shù)量；同時由于±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，雙極化天線有兩個接頭。雙極化天線輻射（或接收）兩個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接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。
     當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說會發(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，或者用垂直極化天線接收+45°極化波或-45°極化波時，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，也必然發(fā)生極化損失，但只能接收到來波的一半能量。
    當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或者用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，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總會有一點(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得的輸出功率為10mW。
8）天線增益
     天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，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)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個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，如果用理想的無方向性點(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，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說是指與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。
     一般來說，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。天線增益對移動通信系統(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)都是一個雙向過程，增加天線增益能同時減少雙向系統(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是相對于對稱陣子天線的增益，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。半波對稱振子的天線增益G=2.15dBi。
     4個半波對稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其天線增益G≈8.15dBi（dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源）。
     如果以半波對稱振子作為比較對象，則天線增益的單位是dBd。
    半波對稱振子的天線增益 G=0dBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?1，取對數(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 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；32000 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
（2）對于拋物面天線，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。
（3）對于直立全向天線，有近似計(jì)算式：

式中，L為天線長度；λ0為中心工作波長。
9）天線的波瓣寬度
     方向圖通常都有兩個或多個瓣，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方向收發(fā)信號能力的一個指標(biāo)，它通常通過圖形方式來表示出功率強(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應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此，在一定范圍內(nèi)通過對天線垂直度（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，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程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對而言不容易產(chǎn)生對其他小區(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，偏離主波束方向時信號衰減越快，越容易通過調(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)算十分簡單：F/B=10lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}。
對天線的前后比F/B有要求時，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)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。
12）天線的下傾
     為使主波瓣指向地面，安置時需要將天線適度下傾。
13）天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）
      無論是發(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。
        在移動通信系統(tǒng)中，通常是按（1）定義的。具體來說，天線的頻帶寬度就是指天線的駐波比VSWR不超過1.5時，天線的工作頻率范圍。
         一般來說，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點(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，饋線上沒有反射波，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，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，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，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，一個為75ohms，一個為50ohms，阻抗不匹配，所以其結(jié)果是反射損耗不同。