物联网射频识别(RFID)技术与应用-第3章.ppt

物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 2013年年物联网系列教材物联网系列教材荣荣获获陕西省高等教育教学成果陕西省高等教育教学成果二等二等奖奖 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用第第3章章 RFID天线技术天线技术点点击此此处结束放映束放映 天线概述天线概述3.1各类天线简要介绍各类天线简要介绍3.2RFID中的天线技术中的天线技术3.3RFID天线的制造工艺天线的制造工艺3.4物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 天线概述天线概述3.1点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.1.1 天线定义天线定义凡凡是是利利用用电电磁磁波波来来传传递递信信息息和和能能量量的的，都都依依靠靠天天线线来来进进行行工工作作，天天线线是是用用来来发发射射或或接接收收无无线线电电波波的的装置和部件。装置和部件。天天线线是是无无线线通通信信系系统统的的第第一一个个器器件件和和最最后后一一个个器件器件。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用图图3.1 无线通信中的天线无线通信中的天线点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.1.2 天线分类天线分类天线按照结构分类天线按照结构分类如下。如下。（1）线状天线）线状天线（2）面状天线）面状天线（3）缝隙天线）缝隙天线（4）微带天线）微带天线 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.1.3 天线的电参数天线的电参数1.天线的效率天线的效率天线在工作时，并不能将输入天线的能量全部辐天线在工作时，并不能将输入天线的能量全部辐射出去。天线的效率定义为天线的辐射功率射出去。天线的效率定义为天线的辐射功率 与输入与输入功率功率 的比值，即的比值，即：（3.1）点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.输入阻抗输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流的天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流的比值，即比值，即：（3.2）天线的输入端是指天线与馈线的连接处。天线的输入端是指天线与馈线的连接处。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.方向性函数方向性函数天线的方向性函数是指以天线为中心，天线辐射天线的方向性函数是指以天线为中心，天线辐射场与空间方向的关系场与空间方向的关系。例如，电基本振子的电场为例如，电基本振子的电场为方向性函数为方向性函数为 。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.方向图方向图（1）E面方向图（面方向图（2）H面方向图（面方向图（3）立体方向图）立体方向图 电基本振子电基本振子的方向图的方向图点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用（4）主瓣宽度）主瓣宽度（5）旁瓣电平（）旁瓣电平（6）前后比）前后比 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用5.方向性系数方向性系数在离开天线某一距离处，天线在最大辐射方向上在离开天线某一距离处，天线在最大辐射方向上产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，称为天线的方向性系数。称为天线的方向性系数。电基本振子的方向性系数电基本振子的方向性系数为为1.5。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用6.增益增益增益定义为当天线与理想无方向性天线的输入功增益定义为当天线与理想无方向性天线的输入功率相同时，两种天线在最大辐射方向上辐射功率密度之率相同时，两种天线在最大辐射方向上辐射功率密度之比。增益同时考虑了天线的方向性系数和效率比。增益同时考虑了天线的方向性系数和效率。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用7.有效长度有效长度很多天线上的电流分布是不均匀的。天线有效长很多天线上的电流分布是不均匀的。天线有效长度的定义是，在保持实际天线最大辐射方向上场强不变度的定义是，在保持实际天线最大辐射方向上场强不变的前提下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小的前提下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度。等于输入端的电流，此假想天线的长度。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用8.极化极化天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。和椭圆极化。9.频带宽度频带宽度天线的所有电参数都与频率有关。将天线的电参天线的所有电参数都与频率有关。将天线的电参数保持在规定技术指标要求之内的频率范围，称为天线数保持在规定技术指标要求之内的频率范围，称为天线的工作频带宽度，简称为天线的带宽。的工作频带宽度，简称为天线的带宽。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 各类天线简要介绍各类天线简要介绍3.2点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.2.1 对称振子天线对称振子天线对称振子天线是一种应用广泛的基本线形天线，对称振子天线是一种应用广泛的基本线形天线，它既可以单独使用，又可以作为天线阵的单元。它既可以单独使用，又可以作为天线阵的单元。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用1.对称振子天线的辐射场对称振子天线的辐射场对称振子天线的辐射电场为（3.8）点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.对称振子天线的方向图对称振子天线的方向图 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.2.2 引向天线引向天线引向天线又称为八木天线，是一种广泛应用于米波引向天线又称为八木天线，是一种广泛应用于米波和分米波的天线。引向天线是一个紧耦合寄生振子端射阵，和分米波的天线。引向天线是一个紧耦合寄生振子端射阵，它由一个有源振子、一个反射振子（稍长于有源振子）和它由一个有源振子、一个反射振子（稍长于有源振子）和若干个引向振子（稍短于有源振子）构成，除有源振子通若干个引向振子（稍短于有源振子）构成，除有源振子通过馈线与信号源或接收机连接外，其余振子均为无源振子。过馈线与信号源或接收机连接外，其余振子均为无源振子。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 图图3.9 引向天线引向天线点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.2.3 螺旋天线螺旋天线（a）D/0.18 （b）0.25D/0.46 （c）0.250.46 图图3.10 螺旋天线及其方向图螺旋天线及其方向图点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.2.4 微带天线微带天线图图3.11 微带天线微带天线点点击此此处结束放映束放映 RFID中的天线技术中的天线技术3.3物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.3.1 RFID天线的应用现状天线的应用现状1.RFID天线应用的一般要求天线应用的一般要求（1）电子标签天线）电子标签天线 RFID天天线线必必须须足足够够小小；RFID天天线线提提供供最最大大可可能能的的信信号号和和能能量量给给标标签签的的芯芯片片；RFID天天线线具具有有鲁鲁棒棒性性；RFID天线非常便宜天线非常便宜。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用（2）读写器读写器天线天线读读写写器器天天线线既既可可以以与与读读写写器器集集成成在在一一起起，也也可可以以采采用用分分离离式式；读读写写器器天天线线设设计计要要求求多多频频段段覆覆盖盖；应应用智能波束扫描天线阵用智能波束扫描天线阵。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.RFID天线的天线的极化极化有些应用可以采用线极化，例如在流水线上，有些应用可以采用线极化，例如在流水线上，这时电子标签的位置基本上是固定不变的，电子标签这时电子标签的位置基本上是固定不变的，电子标签的天线可以采用线极化方式。但在大多数场合，由于的天线可以采用线极化方式。但在大多数场合，由于电子标签的方位是不可知的，所以大部分电子标签的方位是不可知的，所以大部分RFID系统采系统采用圆极化天线用圆极化天线。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.RFID天线的天线的方向性方向性如果天线波瓣宽度越窄，天线的方向性越好，如果天线波瓣宽度越窄，天线的方向性越好，天线的增益越大，天线作用的距离越远，抗干扰能力天线的增益越大，天线作用的距离越远，抗干扰能力越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。4.RFID天线的天线的阻抗问题阻抗问题为了以最大功率传输，芯片的输入阻抗必须和为了以最大功率传输，芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。天线的输出阻抗匹配。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用5.RFID的的环境问题环境问题电子标签天线的特性，受所标识物体的形状和电子标签天线的特性，受所标识物体的形状和电参数影响。例如，金属对电磁波有衰减作用，金属电参数影响。例如，金属对电磁波有衰减作用，金属表面对电磁波有反射作用，弹性衬底会造成天线变形表面对电磁波有反射作用，弹性衬底会造成天线变形等，这些影响在天线设计与应用中必须加以解决。等，这些影响在天线设计与应用中必须加以解决。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.3.2 RFID天线的设计现状天线的设计现状1.RFID电子标签天线的设计电子标签天线的设计小尺寸要求，低成本要求，所标识物体的形状及小尺寸要求，低成本要求，所标识物体的形状及物理特性要求，电子标签到贴标签物体的距离要求物理特性要求，电子标签到贴标签物体的距离要求，金金属表面的反射要求等。属表面的反射要求等。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.RFID读写器天线的设计读写器天线的设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。还将涉及要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。还将涉及到天线阵的设计问题，小型化带来的低效率、低增益问到天线阵的设计问题，小型化带来的低效率、低增益问题等题等。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.RFID天线的设计步骤天线的设计步骤点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.3.3 低频和高频低频和高频RFID天线天线技术技术 在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线线圈天线。线圈之间存在互感，使一个线圈的能量可以线圈之间存在互感，使一个线圈的能量可以耦合到另一个线圈，因此读写器天线与电子标签天线之耦合到另一个线圈，因此读写器天线与电子标签天线之间是采用电感耦合的方式工作。间是采用电感耦合的方式工作。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用1.低频和高频低频和高频RFID天线的结构和图片天线的结构和图片 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用低频和高频低频和高频RFID天线有如下特点。天线有如下特点。天线都采用线圈的形式；天线都采用线圈的形式；线圈可以是圆形环，也可以是矩形环；线圈可以是圆形环，也可以是矩形环；天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的寸主要是由天线决定的。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.低频和高频低频和高频RFID天线的磁场天线的磁场“短圆柱形线圈短圆柱形线圈”在周围产生的磁场为在周围产生的磁场为(3.11)(3.11)点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.低频和高频低频和高频RFID天线的最佳尺寸天线的最佳尺寸线圈天线的最佳尺寸，是指线圈上的电流为常数，线圈天线的最佳尺寸，是指线圈上的电流为常数，且与天线的距离为常数时，线圈的尺寸与产生磁场的关且与天线的距离为常数时，线圈的尺寸与产生磁场的关系。系。(3.15)(3.15)点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.3.4 微波微波RFID天线天线技术技术1.微波微波RFID天线的结构和图片天线的结构和图片 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用微波微波RFID天线有如下特点。天线有如下特点。微波微波RFID天线的结构多样；天线的结构多样；适合粘帖在各种物体的表面；适合粘帖在各种物体的表面；很多是在条带上批量生产；很多是在条带上批量生产；电子标签的尺寸主要是由天线决定的。电子标签的尺寸主要是由天线决定的。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.微波微波RFID天线的应用方式天线的应用方式 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.RFID天线天线的设计的设计（1）弯曲偶极子天线弯曲偶极子天线（2）微带天线）微带天线点点击此此处结束放映束放映 RFID天线的制造工艺天线的制造工艺3.4物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法。低频印刷法。低频RFID电子标签天线基本是采用绕线方式制电子标签天线基本是采用绕线方式制作而成；高频作而成；高频RFID电子标签天线利用以上三种方式均可电子标签天线利用以上三种方式均可实现，但以蚀刻天线为主，其材料一般为铝或铜；实现，但以蚀刻天线为主，其材料一般为铝或铜；UHF RFID电子标签天线则以印刷天线为主。电子标签天线则以印刷天线为主。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.4.1 线圈绕制法线圈绕制法 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用线圈绕制法的特点如下。线圈绕制法的特点如下。频率范围在频率范围在125-134 KHz 的电子标签只能采用这种的电子标签只能采用这种工艺工艺；成本高，生产速度慢；成本高，生产速度慢；UHF天线很少采用这种工艺天线很少采用这种工艺。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.4.2 蚀刻法蚀刻法 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用蚀刻法的特点如下。蚀刻法的特点如下。蚀刻天线精度高，天线性能优异且稳定蚀刻天线精度高，天线性能优异且稳定；缺点就是成本太高；缺点就是成本太高；高频高频电子电子标签常采用这种工艺标签常采用这种工艺。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.4.3 印刷印刷法法 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用1.印刷天线的特点印刷天线的特点可更加精确地调整电性能参数可更加精确地调整电性能参数；可满足各种个性化要求；可满足各种个性化要求；可使用各种不同基体材料可使用各种不同基体材料；可使用各种不同厂家提供的晶片模块可使用各种不同厂家提供的晶片模块。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.RFID印刷天线印刷天线应用价值应用价值（1）促进各行业）促进各行业RFID应用应用。（2）促进印刷产业发展）促进印刷产业发展。点点击此此处结束放映束放映