UHF阅读器天线的设计

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<div class="fn_blog">                        RFID在UHF频段的读写器天线一般具有平面天线的特点，阅读器——天线的平面化，小型化决定了天线要尽量薄，结构要紧凑，性能要高，同时面市时间和成本均给天线设计工程师带来了挑战。
                         
                        UHF阅读器天线的设计的两个主要条件是：1.电气性能 ； 2.机械特性。
                        本文只探讨UHF阅读器天线的电气性能。
                         
                        UHF阅读器天线的电性能：
        (1)带宽                        这也是一个重要但容易被忽略的问题。天线是有一定带宽的，这意味着虽然谐振频率是一个频率点，但是在这个频率点附近一定范围内，这付天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。
                         
                        我们当然希望一付天线的带宽能覆盖一定的范围，天线的带宽和天线的型式、结构、材料的介电常数都有关系。一般来说，材料的介电常数越低，带宽越宽；反之天线增益越高，带宽越窄。
                         
       

               

       

                图1：  谐振于900MHz偶极子天线的等效电路 (a) 图上部天线谐振于（&lambda;/2），（b）图下部天线谐振于（&lambda;/8）

                         
        BW（GHz）=2&pi;Lant                        WB：GHz ,  Rrad：&Omega;, Lant：nH。
        当偶极子天线物理尺寸是16cm,谐振于900MHz（&lambda; / 2） ，如图1等效电路其带宽为：                        65BW（GHz）&asymp;0.17=170MHz
        2&pi;(60)                        这是涵盖国际上大多数国家在UHF频段使用的带宽（860-960MHz）。
                         
        (2)阻抗                        天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配：和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，馈线的阻抗是确定的，所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。RFID UHF天线系统使用50&Omega;阻抗的馈线。
                         
        在阅读器RF连接器与天线通过馈线连接之前，需要有一定的手段来做阻抗变换，称为平衡不平衡转换。 平衡对称的天线是平衡的，如偶极天线、八木天线，而同轴电缆是不平衡的，把这两者连接起来                        BW（GHz）=2&pi;Lant
                        WB：GHz ,  Rrad：&Omega;, Lant：nH。
        当偶极子天线物理尺寸是16cm,谐振于900MHz（&lambda;/2） ，如图1等效电路其带宽为：                        65BW（GHz）&asymp;0.17=170MHz
                        2&pi;(60)
                        这是涵盖国际上大多数国家在UHF频段使用的带宽（860-960MHz）。
                 
                        (2)阻抗
                        在阅读器RF连接器与天线通过馈线连接之前，需要有一定的手段来做阻抗变换，称为平衡不平衡转换。 平衡对称的天线是平衡的，如偶极天线、八木天线，而同轴电缆是不平衡的，把这两者连接起来，就需要解决平衡不平衡转换的问题。
                         
                       
       

                图2：天线的等效电路  (a)偶极子天线：；(b)贴片天线

       

                 

       

                 

        (3)增益                        天线是无源器件，但是天线是可以有增益的。这个增益当然是相对增益，是相对于基本偶极天线而言的。UHF阅读器所用的天线，当然希望增益越高越好。不过别忘了，增益高往往伴随着带宽窄。
                         
        （4）方向性                        不是所有的天线都有方向性的。便携式收音机上的拉杆天线就没有方向性。偶极天线有弱的方向性，八木等定向天线可以得到较好的方向性。好的方向性意味着能够集中收集所需方向的电波，还有一个重要的能力就是能部分地减弱本地信号的影响。
                         
                        但是定向天线并不是什么情况下都好。当没有目标而等待的时候，定向天线就有可能使你错过天线背面的信号。发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周 围空间辐射出去，基本功能之二是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。 立体方向图虽然立体 感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而在水平面上各个方向上的辐射一样大。
                         
                        若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。如图1所示：
                         
       

               

       

                图3：理想偶极子天线的辐射方向图

                 
                        也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向。
                         
       

               

       

                图4：UHF微带天线的3D增益图

                         
                        平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。 天线的基本知识全向阵 （垂直阵列 不带平面反射板）。
                         
                         
       

               

       

                （5）天线的有效面积

                         
                         
        天线的增益G与天线有效面积Ac之间的关系为：G=4&pi;Ac/&lambda;2                        通常承认以上公式就行了，不必深究。
                        天线的有效面积越大，其波束越窄，相对其增益越高。而绝不是相反。
                         
                        有效孔径天线，面积超过它所收集的来自标签天线的微弱信号，也就是与天线增益密切相关的一个重要指标。该接收功率是成正比的功率密度在接收天线乘以有效孔 径，使用高增益接收发射天线也是也是RFID增加读写距离的不错选择。在RFID方面，具连接有限的范围内（ 在一定距离上的标签得到足够射频功率确保其 工作性能和射频匹配特性）的平方根成正比于该阅读器天线的增益，由于是反向链路范围有限。 有效各向同性辐射功率是主要能量来源，以提供相同的功率密度的 天线是否在全方向的获得最大增益。
                         
                        （6）天线的极化
                        天线的极化是指天线辐射时形成的电场强度方向。一般而言，特指为该天线
                        在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。
                         
                        辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化。媒质中某点的电场作为时间的函数沿直线振荡时称之为线极化波。电场端点沿圆运动，称圆极化波。电场沿椭圆路径，则称椭圆极化波。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波称为水平极化波。水平极化波因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。一般移动通信系统中采用垂直极化的传播方式。
                 
                        随着新技术的发展，为了减少标签信号的闪烁和增大数据容量，出现了一种双极化天线。正交极化的隔离度通常要求在30db以上。一般分为垂直与水平极化 和± 45° 极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用± 45° 极化方式。双极化天线组合了+ 45° 和&minus; 45° 两副极化方 向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式，大大节省了小区的天线数量。
                         
                        任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆。极化椭圆的长轴2A 和短轴2B 之比，称为轴比AR(Axial Ratio)，或简记为|r|:|r| = A/ B,1 &le;|r| &le; &infin; 。它的分贝形式为：|r|(dB) 20lg| r|20lg(A/B )。
                         
                        圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比|r|,一般是指其最大增益方向上的轴比。对于纯圆极化波， |r|=1，即0dB。轴比|r|大于3dB 的带宽，定义为天线的圆极化带宽。
                         
       

               

                         
                        对于RFID系统而言，阅读器天线和标签天线使用园极化的要求可以提高系统的抗干扰能力。就阅读器天线和标签天线在多路和高离散性，复杂位置的标签方向性不敏感， 因而提高了系统的性能。
                         
                        (7)RFID阅读器天线架设高度
                        天线有一个架设高度。这个高度实际上是两个高度，一个高度我们考虑它的水平面高度，这个高度对于本地信号有些用，对于DX其实用处不大。第二个常常被忽略 的高度是地面高度，是指天线到电气地面的高度。比如架设在钢筋水泥房顶的天线，虽然房子高有20米，但是天线距房顶只有1米，那么这付天线的高度只是1米。
                         
                        例如：高速公路不停车收费系统的阅读器天线是安装在路灯杆上的，仓储物流管理系统的阅读器天线有时根据需要安装在仓库的顶部，如同移动通讯室内覆盖系统的吸顶天线的安装方式一样。
                         
                        阅读器天线的高度对不同的天线有不同的影响，一般会影响天线的阻抗和仰角。通常我们认为天线的地面高度应在0.4个波长以上，才比较不受地面的影响。
                         
        （8）天线入口驻波比                        驻波比反映了天馈系统的匹配情况。它是以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量的比来衡量天线性能的。驻波比是由天馈系统的阻抗决定的。天线的阻抗与馈线的阻抗与接收机的阻抗一致，驻波比就小。驻波比高的天馈系统，信号在馈线中的损失很大。
                 
        （9）S 参数：                        散射矩阵S 参数可以完全反映高频器件的反射与传输特性。只需测得S 参数，便可得到以上所需测量的参数。
                         
        以二端口为例：       

               

       

                四端口S参数

                         
                       
                         
        （10）天线的互调指标                        在RFID系统里，阅读器发射和接收一般使用同一个天线。当两个以上射频信号同时存在时，如果天线含有非线性（如材料不良，工艺不佳），连接器互调性能不高，可导致RFID系统传输的数字信号误码率增加，最终导致整个RFID系统性能恶化。