RFID天線知識，都學(xué)會了嗎

據(jù)麥克斯韋電磁場理論，變化的電場在其周圍空間要產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又要產(chǎn)生變化的電場。這樣，變化的電場和變化的磁場之間相互依賴、相互激發(fā)并交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠地在空間傳播出去。

電磁波不同于機械波，它的傳播不需要依賴任何彈性介質(zhì)，它只靠“變化電場產(chǎn)生變化磁場，變化磁場產(chǎn)生變化電場”的機理來傳播。當(dāng)電磁波頻率較低時，主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳遞；當(dāng)頻率逐漸提高時，電磁波就會外溢到導(dǎo)體之外，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。

在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去。

因此，每一段流過高頻電流的導(dǎo)線都會有電磁輻射。有的導(dǎo)線用作傳輸，就不希望有太多的電磁輻射損耗能量；有的導(dǎo)線用作天線，就希望能盡可能地將能量轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。于是就有了傳輸線和天線。無論是天線還是傳輸線，都是電磁波理論或麥克斯韋方程在不同情況下的應(yīng)用。

對于傳輸線，這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能傳遞電磁能量，而不會向外輻射；對于天線，這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能盡可能將電磁能量傳遞出去。不同形狀、尺寸的導(dǎo)線在發(fā)射和接收某一頻率的無線電信號時，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必須采用合適的RFID天線才行。

RFID天線是RFID系統(tǒng)中必不可少的元素，因為它們將RFID讀寫器的信號轉(zhuǎn)換為可以被RFID標簽接收的RF波。如果沒有某種類型的RFID天線（無論是集成的還是獨立的），RFID讀寫器就無法正確地向RFID電子標簽發(fā)送和接收信號。

與RFID閱讀器不同，RFID天線是被動裝置，它通過RFID讀寫器接收功率。當(dāng)RFID讀寫器的能量傳輸?shù)教炀€時，天線會產(chǎn)生RF場，之后RF信號就會傳輸?shù)礁浇臉撕?。RFID天線在特定方向上產(chǎn)生波的效率稱為天線增益。簡而言之，增益越高，天線將具有越強的RF場和更廣的范圍。

RFID天線沿水平或垂直平面發(fā)出RFID波，這被描述為天線的極性。如果RF場是水平面，則將其描述為水平線性，并且相同原理適用于創(chuàng)建垂直平面的RFID天線。天線的極性可能會嚴重影響系統(tǒng)的讀取范圍。最大化讀取范圍的關(guān)鍵是確保天線的極性與RFID標簽的極性對齊。如果這些不匹配，例如垂直線性極化天線和帶有水平線性極化天線的標簽，則會嚴重降低讀取范圍。

圓極化天線發(fā)射在水平和垂直平面之間連續(xù)旋轉(zhuǎn)的波，以通過允許在多個方向讀取RFID標簽來為應(yīng)用程序提供增強的靈活性。但是，由于能量在兩個平面。

在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線，通過天線將轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量，并向所需方向出去。到達接收點后，接收天線將來自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量，經(jīng)饋線輸送到接收機輸入端。

綜上所述，RFID天線應(yīng)有以下功能：

1、天線應(yīng)該能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。這就要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng)，其次要求天線與發(fā)射機或接收機相匹配。

2、天線應(yīng)該能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。

3、天線應(yīng)該使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受，即方向具有方向性。

4、天線應(yīng)該有足夠的工作頻帶。

饋線系統(tǒng)是把天線和發(fā)射機或接收機連接起來的系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而分為又導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。所以，饋線實際上就是傳輸線。

天線的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射，所謂天線的電參數(shù)，就是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。

天線的電參數(shù)

極化特性：

是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。

極化方向：

就是天線電場的方向。天線的極化方式有線極化方式有線極化(水平極化和垂直極化)和圓極化(左旋極化和右旋極化)等方式。

什么圓極化？

在經(jīng)典的電磁波傳播圖，不過此時的電場大小始終不變，但是方向圍繞著x軸不變旋轉(zhuǎn)變化，但在任何一個平面上的投影都是一個正弦波，有點類似我們對信號的處理中輻度不變，但相位在不斷變化。此時，從原點向傳播方向去看電場，看到的就是一個圓，這種極化就是圓極化。當(dāng)然，向左旋轉(zhuǎn)就是左旋極化，向右旋轉(zhuǎn)就是右旋極化。

什么線極化？

在經(jīng)典的電磁波傳播圖，電場在一個平面以正弦波傳播，磁場在電場的正交平面也以正弦波傳播，我們從起點沿著傳播方向去看電場，看到的就是一段短線，這種極化就是線極化。

那么，線極化的方向如何確定呢？當(dāng)高頻電流通過天線時，會在天線上產(chǎn)生高頻電壓，形成高頻電場，這個電場方向一般與天線的走向一致，即線極化的極化方向是與天線的走向一致的。如果天線是水平方向架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場也是水平方向的，叫它“水平極化”天線；如果天線是垂直于地面架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場也是垂直方向的，叫它“垂直極化”天線。

只有收信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(yīng)出最大的信號來。

因此，對于圓極化，無論收信天線的極化方向如何，感應(yīng)出的信號都是相同的，不會有什么差別（電磁波在任何方向上的投影都是一樣的）。所以，采用圓極化方式，使得系統(tǒng)對天線的方位（這里的方位是天線的方位，和前面所提到的方向系統(tǒng)的方位是不同的）敏感性降低。因而，大多數(shù)應(yīng)用都采用了圓極化RFID天線。

而對于線極化，當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向一致（電場方向）時，感應(yīng)出的信號最大（電磁波在極化方向上投影最大）；隨著收信天線的極化方向與線極化方向偏離越來越多時，感應(yīng)出的信號越小（投影不斷減?。?；當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向正交（磁場方向）時，感應(yīng)出的信號為零（投影為零）。線極化方式對天線的方向要求較高。當(dāng)然在實際條件下，電磁波傳播途中遇到反射折射，會引起極化方向偏轉(zhuǎn)，有時一個信號既可以被水平天線接收，也可以被垂直天線接收，但無論如何，天線的極化方向常常是需要考慮的重要問題。

主瓣寬度：

是衡量天線的最大輻射區(qū)域的程度的物理量，越寬越好。

旁瓣電平：

是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣的電平。實際上，旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域，所以其電平越低越好。

（天線輻射的主瓣旁瓣類似方波信號的頻譜圖）

天線的方向性：

是衡量天線將能量向所需方向輻射的能力。

方向系數(shù)：

是在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。這是方向性中最重要的指標，能精確比較不同天線的方向性，表示了天線集束能量的電參數(shù)。

天線效率：

為天線輻射功率與輸入功率之比。

常用天線的輻射電阻R來試題天線輻射功率的能力。天線的輻射電阻是一個虛擬的量，定義如下：設(shè)有一電阻R，當(dāng)通過它的電流等于天線上的最大電流時，其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然，輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個重要指標，即輻射電阻越大，說明天線的輻射能力越強。

增益系數(shù)：

是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，可以定義為：方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為：D為方向系數(shù)，為天線效率?？梢?，天線方向系數(shù)和越高，則增益系數(shù)也就越高。

物理意義：天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無方向性天線相比在最大輻射方向上將輸出功率放大的倍數(shù)。也可以這樣通俗地理解，為定向天線與理想全向天線（其輻射在各方向均等）在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號之比。

輸入阻抗：

只有當(dāng)天線本身的阻抗與發(fā)信機的阻抗相等是，才能得到最大的發(fā)射功率！

對于高頻信號講，天線是很長的導(dǎo)線。高頻信號從饋點流向天線端點以及從端點反射回來所用的時間，足以引起天線各部分電壓、電流的幅度和相位產(chǎn)生很大的差別，致使天線的長度、結(jié)構(gòu)以及饋電點的位置不同，呈現(xiàn)的阻抗也不同。如中心饋電的偶極振子，當(dāng)每臂長度為四分一波長時，呈現(xiàn)約50至75歐的純電阻，容易做到與饋電電纜及發(fā)信機直接匹配。

當(dāng)條件限制，無法將天線的長度修整到適當(dāng)數(shù)值時，一般應(yīng)在天線電路中附加電感電容等電抗元件抵消天線本身呈現(xiàn)的電抗，有時還需要加阻抗變壓器將天線阻抗變換到發(fā)信電路的要求值，這些附加元件構(gòu)成的設(shè)備叫“天線調(diào)諧器”或“天線匹配器”。

前后比：

指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F/B的計算十分簡單——F/B =10Lg{（前向功率密度）/（ 后向功率密度）}

頻帶寬度：

是當(dāng)工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍。天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，電參數(shù)都是針對某一工作頻率設(shè)計的，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計頻率時，往往要引起天線參數(shù)的變化。

有效長度：

是衡量天線輻射能力的又一個重要指標。

天線的有效長度：

是在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下，假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。有效長度越長，表明天線的輻射能力越強。

接收天線理論：

高頻電磁波在空中傳播，如遇著導(dǎo)體，就會發(fā)生感應(yīng)作用，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生高頻電流，使我們可以用導(dǎo)線接收來自遠處的無線電信號。接收電磁波所用的導(dǎo)線，一般叫做“接收天線”。

有效接收面積：

是衡量一個天線接收無線電波能力的重要指標，可以定義為：當(dāng)天線以最大接收方向?qū)蕘聿ǚ较蜻M行接收時，接收天線傳送到匹配負載的平均功率為PLmax，并假定此功率是由一塊與來波方向相垂直的面積所截獲，則這個面積就稱為接收天線的有效接收面積。有效接收面積越大，天線接收無線電波的能力也就越強。

等效噪聲溫度：

是反映天線接收微弱信號性能的重要電參數(shù)。接收天線把從周圍空間接收到的噪聲功率送到接收機的過程類似于噪聲電阻把噪聲功率輸送給與其相連的電阻網(wǎng)絡(luò)。因此接收天線等效為一個溫度為Ta的電阻。Ta越高，天線送至接收機的噪聲越大，反之越小。

傳輸線：

是用以傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱，主要作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸，因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)。其所引導(dǎo)的電磁波被稱為導(dǎo)行波。傳輸線也是一種導(dǎo)體，但是與天線不同，不希望電磁波在這里傳播時有輻射。所以，用金屬做成的傳輸線的結(jié)構(gòu)，是盡量不輻射能量。以最常的同軸線纜為例，中間一根導(dǎo)線，外面還有一圈環(huán)形導(dǎo)線，電磁波就在這樣一個空間中傳播，而不會輻射出去。最常用的是TEM波（橫波）傳輸線，主要包括：雙行平等線，同軸線，帶狀線，微帶線等。

RFID天線的制造工藝：

主要包括線圈繞制法、蝕刻法和印刷法，根據(jù)天線種類的不同各有差異。

1、線圈繞制法

用線圈繞制法制作RFID標簽天線時，要在一個繞制工具上繞制標簽線圈并進行固定，要求天線線圈的匝數(shù)較多，線圈既可以是圓形環(huán)的，也可以是矩形環(huán)的。這種方法一般用于頻率范圍在125至134KHz的RFID標簽。用這種加工方式制作天線的缺點很明顯，主要可以概括為成本高、生產(chǎn)效率較低、加工后產(chǎn)品的一致性不夠好等等。

2、蝕刻法

蝕刻法常用銅或鋁來制作天線，這種方式在生產(chǎn)工藝上與撓性印制電路板的蝕刻工藝接近。蝕刻法可以運用于大量制造13.56MHz、UHF頻寬的電子標簽，它具有線路精細、電阻率低、耐候性好、信號穩(wěn)定等優(yōu)點。不過這種方式的缺點也很明顯，如制作程序繁瑣、產(chǎn)能低下等。

3、印刷法

印刷天線是直接用導(dǎo)電油墨在絕緣基板(或薄膜)上印刷導(dǎo)電線路，形成天線的電路。主要的印刷方法已從只用絲網(wǎng)印刷擴展到膠印、柔性版印刷、凹印等制作方法。印刷法適合用于大量制作13.56MHz和RFID超高頻頻段的電子標簽。其特點是生產(chǎn)速度快，但由于導(dǎo)電油墨形成的電路的電阻較大，它的應(yīng)用范圍受到一定的局限。由于印刷天線技術(shù)的進步，使得RFID標簽的成本有效降低，推動了RFID的應(yīng)用普及。

若在一個倉儲管理項目中，RFID天線的成本在總體成本中占比還不足1%。但如果為了一味降低成本或其他原因?qū)е逻x型失誤，選用性能欠佳的RFID天線，在布局RFID天線的過程中就會容易出現(xiàn)讀取不穩(wěn)定、漏讀、串讀、讀取失敗等問題。在這種情況下，不但成本不會降低，反而會增加好幾倍。因此，在RFID系統(tǒng)部署時，選擇合適的RFID天線尤為重要。

鴻陸RFID天線由于外形輕薄，性能穩(wěn)定，使用靈活便捷。配合鴻陸RFID讀寫器進行非接觸式、遠距離的自動采集數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)快速準確盤點，廣泛用于物流倉儲配送、零售門店庫存盤點、生產(chǎn)線管理、固定資產(chǎn)管理、檔案管理等眾多應(yīng)用。

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審核編輯 黃宇