3RFID無線通信技術(shù)RFID原理與實踐開發(fā)章節(jié)內(nèi)容電磁波技術(shù)天線技術(shù)RFID天線技術(shù)RFID天線的制造工藝3.1電磁波技術(shù)按照麥克斯韋的電磁場理論，時變的電場會引起磁場，時變的磁場也會引起電場。電磁場的場源隨時間變化時，其電場與磁場互相激勵導致電磁場的運動而形成電磁波。頻率越高，波長越長3.1電磁波技術(shù)電磁波具有波粒二象性，可在真空中傳播電磁波的電場方向、磁場方向和傳播方向三者互相垂直。太陽光是電磁波的一種可見的輻射形態(tài)。3.1電磁波技術(shù)

3.1.2電磁波頻率表3.1IEEE劃分的電磁波頻譜頻段名稱頻率波段名稱波長ELF（極低頻）3Hz~30Hz極長波100000~10000kmSLF（超低頻）30Hz~300Hz超長波10000~1000kmULF（特低頻）300Hz~3000Hz特長波1000~100kmVLF（甚低頻）3kHz~30kHz甚長波100~10kmLF（低頻）30kHz~300kHz長波10~1kmMF（中頻）300kHz~3000kHz中波1000~100mHF（高頻）3MHz~30MHz短波100~10mVHF（甚高頻）30MHz~300MHz超短波10~1mUHF（特高頻）300MHz~3000MHz分米波100~10cmSHF（超高頻）3GHz~30GHz厘米波10~1cmEHF（極高頻）30GHz~300GHz毫米波10~1mm3.1電磁波頻率ISM（IndustrialScientificMedical，工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段主要是開放給工業(yè)、科學和醫(yī)療三個主要行業(yè)使用的頻段。ISM頻段屬于無需授權(quán)許可就能使用的頻段，對使用的功率有所限制有些ISM頻段在全世界通用，而有些ISM頻段僅在世界上的某些地區(qū)使用。為劃分無線電頻率，國際電信聯(lián)盟將世界劃分為3個區(qū)，中國位于第3區(qū)。3.1.2電磁波頻率頻段范圍中心頻率可行性6.765MHz~6.795MHz6.78MHz取決于當?shù)?3.553MHz~13.567MHz13.56MHz全世界通用26.957MHz~27.283MHz27.12MHz全世界通用40.66MHz~40.7MHz40.68MHz全世界通用433.05MHz~434.79MHz433.92MHz僅用于第1區(qū)，取決于當?shù)?02MHz~928MHz915MHz僅限于第2區(qū)（有例外）2.4GHz~2.5GHz2.45GHz全世界通用5.725GHz~5.875GHz5.8GHz全世界通用24GHz~24.25GHz24.125GHz全世界通用表3.2常用ISM頻段3.1.3電磁波的特性——自由空間傳輸損耗自由空間是理想介質(zhì)，電磁能量不存在吸收損耗。自由空間的傳輸損耗是指電磁波在傳播過程中，隨著傳播距離的增大，能量的自然擴散引起的損耗。自由空間的傳輸損耗（單位：dB）可表示為

式中，d為電波傳播距離，f為電磁波頻率。電磁波的工作頻率越高，電子標簽和讀寫器之間的距離越大，自由空間的傳輸損耗越大。3.1.3電磁波的特性——傳播機制RFID電磁波的傳播存在直射、反射、繞射和散射等多種情況。直射：電磁波在自由空間傳播，沒有任何障礙物。反射：電磁波照射到比載波波長大的平面物體反射出來的電磁波再被無線通信接收機的天線接收。繞射：當接收機和發(fā)射機之間的無線傳播路徑被較為尖利的邊緣阻擋時，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。電磁波波長與障礙物尺寸比值越大，繞射能力越強。散射：當障礙物的尺寸小于電磁波波長，且單位體積內(nèi)障礙物的個數(shù)非常多時，電磁波會在障礙物表面發(fā)生散射。散射常發(fā)生在粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體的表面。3.1.3電磁波的特性——金屬影響金屬導體會在很大程度上阻止電磁波的傳播，這是因為金屬導體會在電磁波的作用下產(chǎn)生電渦流。電渦流效應是指塊狀金屬導體置于變化磁場中或在磁場中作切割磁力線時，塊狀金屬導體內(nèi)將會產(chǎn)生旋渦狀的感應電流。電渦流只集中于金屬導體的表面，而不是均勻分布于導體內(nèi)部，這種現(xiàn)象稱為電渦流的集膚現(xiàn)象。磁場頻率越高，貫穿深度就越小。3.2天線技術(shù)在無線電設(shè)備中，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。由發(fā)射機產(chǎn)生的高頻振蕩能量，經(jīng)過傳輸線（也稱為饋線）傳送到發(fā)射天線，然后由發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰?，向預定方向輻射。電磁波通過傳播媒質(zhì)到達接收天線后，接收天線將接收到的電磁波能量轉(zhuǎn)變?yōu)閷须姶挪?，然后通過饋線送到接收機，完成無線電波傳輸?shù)倪^程。3.2天線技術(shù)按照不同的標準，天線有多種分類方法。（1）按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。（2）按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。（3）按方向性可分為全向天線和定向天線等。（4）按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。（5）按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線狀天線、面狀天線、縫隙天線和微帶天線等。3.2.1天線基本參數(shù)——方向圖一般用天線的方向圖來表示天線的方向性。天線的方向性指天線向各個方向輻射或接收電磁波相對強度的特性。天線的方向性圖是指該輻射區(qū)域中輻射場的角度分布，圖示為花瓣狀的天線方向性圖。3.2.1天線基本參數(shù)——主瓣寬度主瓣寬度又稱半功率波瓣寬度或3dB波瓣寬度，是指主瓣最大值兩邊場強等于最大值的0.707倍（即最大功率密度下降一半）的兩個輻射方向之間的夾角。大部分的能量都集中于主瓣中。3.2.1天線基本參數(shù)——增益天線通常是無源器件，它并不放大電磁信號。天線增益指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。天線增益用來定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度，衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。天線增益與天線方向圖有密切關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。3.2.1天線基本參數(shù)——阻抗天線輸入端的電壓與電流的比值稱為天線的輸入阻抗。天線的輸入阻抗與天線的幾何形狀、尺寸、饋電點位置、工作波長和周圍環(huán)境等因素有關(guān)。研究天線阻抗的主要目的是實現(xiàn)天線和饋線間的阻抗匹配。當天線與饋線匹配時，由發(fā)射機向天線或由天線向接收機傳輸?shù)墓β首畲?，這時在饋線上不會出現(xiàn)反射波。3.2.1天線基本參數(shù)——駐波比駐波比（StandingWaveRatio，SWR）用來反映饋線與天線之間的匹配情況。如果不匹配，就會在天線產(chǎn)生反射波。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；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，形成波谷。駐波比是駐波波腹處的電壓幅值Vmax與波谷處的電壓幅值Vmin之比。SWR等于1，表示發(fā)射傳輸給天線的電波沒有任何反射，全部發(fā)射出去；SWR大于1，則表示有一部分電波被反射回來，最終變成熱量消耗掉。SWR為無窮大，表示電波被全反射回來，能量完全沒有輻射出去。3.2.1天線基本參數(shù)——極化天線的極化特性是指天線輻射的電磁波在最大輻射方向上電場強度矢量的空間指向。一般以電場矢量的空間指向作為天線輻射電磁波的極化方向。根據(jù)電場強度的矢端軌跡特征，天線的極化分為線極化、圓極化和橢圓極化。3.2.1天線基本參數(shù)——極化

3.2.1天線基本參數(shù)——極化只有接收天線的極化方向與所接收電磁波的極化方向一致才能感應出最大的信號。線極化方式對天線的方向要求較高，一般只用于電子標簽和讀寫器的相對位置固定的場合。圓極化方式各個位置感應得到的信號都是相同的，在RFID系統(tǒng)中常采用圓極化。需要注意的是，圓極化天線不能接收與其正交的電磁波，即左旋圓極化天線不能接收右旋圓極化電磁波，右旋圓極化天線不能接收左旋圓極化電磁波。3.2.1天線基本參數(shù)——場區(qū)根據(jù)觀測點距離天線的距離將天線場區(qū)劃分為三個區(qū)域——無功近場區(qū)、輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。3.2.2天線的選用影響RFID天線性能的參數(shù)主要有天線類型、尺寸結(jié)構(gòu)、材料特性、成本價格、工作頻率、頻帶寬度、極化方向、方向性、增益、波瓣寬度、阻抗問題和環(huán)境影響等。3.2.2天線的選用RFID天線的設(shè)計要求（1）天線的大小。直徑（2）天線的安裝方式。集成、分離式（3）天線的頻率與頻帶寬度。單頻、多頻（4）天線的方向性。定向、全向（5）天線的極化。線極化、圓極化（6）天線的阻抗。（7）天線的可靠性和穩(wěn)健性。（8）天線應用的靈活性。（9）天線的成本。（10）天線的工作環(huán)境。3.3RFID天線技術(shù)——低頻和高頻段在低頻和高頻段，讀寫器與電子標簽基本上都采用線圈天線3.3RFID天線技術(shù)——微波段由于工作頻率較高，天線一般不采用線圈式。微波RFID天線采用電磁輻射的方式工作，通信距離較遠。微波RFID天線的形式多樣，且電子標簽通常體積較小。3.3RFID天線技術(shù)——微波段偶極子天線是在無線電通信中使用最早、結(jié)構(gòu)最簡單、應用最廣泛的一類天線，它由一對對稱放置的等長、等粗細導體構(gòu)成，導體相互靠近的兩端分別與饋電線相連。

3.3RFID天線技術(shù)——微波段為了縮短天線尺寸，微波RFID天線中的偶極子天線常釆用彎曲結(jié)構(gòu)，這樣可使天線更加緊湊。

（a）二線折疊偶極子天線

（b）三線折疊偶極子天線3.3RFID天線技術(shù)——微波段微帶天線是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面是一定形狀的金屬貼片，并且利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構(gòu)成的天線。微帶天線按形狀分類，可以分為矩形、圓形和環(huán)形微帶天線等。微帶天線按工作原理分類，可以分為諧振型（駐波型）和非諧振型（行波型）微帶天線。微帶天線按其結(jié)構(gòu)特征，可以分為微帶貼片天線和微帶縫隙天線，其中微帶貼片天線又可以分為微帶駐波貼片天線和微帶行波貼片天線。

3.3RFID天線技術(shù)——微波段微帶駐波貼片天線由介質(zhì)基片、在基片一面上任意平面幾何形狀的導電貼片和基片另一面上的地板組成。各種形狀的微帶駐波貼片天線如圖3.9所示。3.3RFID天線技術(shù)——微波段微帶行波貼片天線由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長TEM波傳輸線和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負載，當天線上維持行波時，可設(shè)計天線結(jié)構(gòu)使主波束位于從邊射到端射的任意方向。

3.3RFID天線技術(shù)——微波段微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成，微帶縫隙天線是在地板上刻出窗口即縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印刷出微帶線對縫隙饋電，縫隙可以是矩形（寬的或窄的）、圓形或環(huán)形。

（a）窄縫

（b）寬縫

（c）圓環(huán)縫

（d）圓貼片縫3.3RFID天線技術(shù)——微波段與普通天線相比，微帶天線的主要優(yōu)點有以下幾點。（1）剖而薄、體積小、重量輕，易變形。（2）適合用印刷電路板技術(shù)大量生產(chǎn)，成本低。（3）易于與有源器件集成，構(gòu)成有源集成天線。（4）易于實現(xiàn)圓極化、多頻段、雙極化等特性。

3.3RFID天線技術(shù)——微波段與普通天線相比，微帶天線的主要缺點有以下幾點。（1）頻帶窄，相對帶寬一般在1%~5%。（2）輻射區(qū)只限于半個平面。（3）存在導體和介質(zhì)損耗，并且會激勵起表面波，導致輻射效率低。（4）功率容量較小

3.3RFID天線技術(shù)——微波段陣列天線是由不少于兩個天線單元規(guī)則或隨機排列，并通過適當激勵獲得預定輻射特性的天線。

3.3RFID天線技術(shù)——微波段非頻變天線指能在一個很寬的頻率范圍內(nèi)保持天線的阻抗特性和方向性基本不變或稍有變化的天線。非頻變天線實現(xiàn)條件①角度條件。天線的幾何形狀僅僅由角度確定，而與其他尺寸無關(guān)。天線結(jié)構(gòu)需從中心點開始一直擴展到無限遠。②終端效應弱。若天線上電流衰減得很快，則決定天線輻射特性的主要部分是載有較大電流的部分，而其延伸部分的作用很小。在這種情況下，有限長天線就具有無限長天線的電性能，這種現(xiàn)象就是終端效應弱的表現(xiàn)，反之則為終端效應強。

3.3RFID天線技術(shù)——微波段實際非頻變天線可以分成兩類。①天線的形狀僅由角度來確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性，如無限長雙錐天線、平面等角螺旋天線以及阿基米德螺旋天線等。

（a）平面等角螺旋天線

（b）阿基米德螺旋天線3.3RFID天線技術(shù)——微波段②天線的尺寸按某一特定的比例因子τ變化，天線在f和τf兩頻率上的性能是相同的，只要f與τf的頻率間隔不大，在中間頻率上天線的性能變化也不會太大。典型例子是對數(shù)周期天線，

（a）正面

（b）背面圖3.15對數(shù)周期天線3.4RFID天線的制造工藝常用的有線圈繞制法、蝕刻法和印刷法。低頻RFID天線基本采用繞線方式制作而成；高頻RFID天線采用上述三種方法均可實現(xiàn)，但以蝕刻天線為主，其材料一般為鋁和銅；微波RFID天線則以印刷天線為主。

3.4RFID天線的制造工藝利用線圈繞制法制作RFID天線時，先在一個繞制工具上繞制線圈，然后使用烤漆對線圈進行固定。將芯片焊接到天線上之后，還要對天線和芯片進行固定。成本高，生產(chǎn)速度慢，容易出現(xiàn)虛焊、假焊和偏焊等缺陷。

（a）矩形繞制線圈天線

（b）圓形繞制線圈天線3.4RFID天線的制造工藝蝕刻法是在一個塑料薄