微波RFID天线.ppt

微波微波RFID天线天线11019P08 陶丽娟 目录目录1.物联网常用天线简物联网常用天线简介介1.1物联网相关基本概念1.2 天线在物联网中的作用1.3 常用的物联网射频识别（RFID）天线1.4 天线的常见参数及其含义2 物联网常用天线具物联网常用天线具体举例体举例2.1 微波RFID天线技术2.1.1 微波RFID天线的结构、图片 2.1.2 微波天线的特点 2.1.3 微波RFID天线的应用2.1.4 微波天线的主要参数1物联网常用天线简介物联网常用天线简介 1.11.1物联网相关基本概念物联网相关基本概念物联网相关基本概念物联网相关基本概念 物联网物联网(The Internet of things)的定义是：通过射的定义是：通过射频识别频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是年提出的。物联网就是“物物物相连的互联网物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。间，进行信息交换和通讯。1.2 天线在物联网中的作用天线在物联网中的作用(1)提高系统容量提高系统容量 在蜂窝系统中在蜂窝系统中,用户的干扰主要来自其他用户用户的干扰主要来自其他用户,而智能天而智能天线将波束零点对准其他用户线将波束零点对准其他用户,从而减少了干扰的影响。由从而减少了干扰的影响。由于系统提高了接收信噪比于系统提高了接收信噪比,因此减少了频谱资源的复用距因此减少了频谱资源的复用距离离,从而获得了更大的系统容量。从而获得了更大的系统容量。(2)扩大小区覆盖距离和范围扩大小区覆盖距离和范围 使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率,进一进一步扩大基站的通信距离步扩大基站的通信距离,减少功率损失减少功率损失,从而延长电池的寿从而延长电池的寿命命,减小用户的终端。减小用户的终端。(3)减少多径干扰影响减少多径干扰影响 智能天线使用阵列天线智能天线使用阵列天线,通过利用多个天线单元的接收信通过利用多个天线单元的接收信息和分集技术息和分集技术,可以将多径衰落和其他多径效应最小化可以将多径衰落和其他多径效应最小化。(4)降低蜂窝系统的成本降低蜂窝系统的成本 智能天线利用多种技术优化了信号的接收智能天线利用多种技术优化了信号的接收,从而能够显著从而能够显著降低放大器成本和功率损耗降低放大器成本和功率损耗,提高系统的可靠性提高系统的可靠性,实现系统实现系统的低成本。的低成本。(5)提供新服务提供新服务 智能天线在使用过程中必须对用户进行测向智能天线在使用过程中必须对用户进行测向,以确定用户以确定用户的位置的位置,从而为用户提供基于位置信息的服务从而为用户提供基于位置信息的服务,如紧急呼叫如紧急呼叫等。目前等。目前,美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。(6)更好的安全性更好的安全性 使用智能天线后使用智能天线后,窃听用户的通话将会更加困难窃听用户的通话将会更加困难,因为此因为此时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。(7)增强网络管理能力增强网络管理能力 利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情况况,从而为实施更有效的网络管理提供条件。从而为实施更有效的网络管理提供条件。(8)解决远近效应问题和越区切换问题解决远近效应问题和越区切换问题 智能天线可自适应地调节天线增益智能天线可自适应地调节天线增益,较好地解决较好地解决了远近效应问题了远近效应问题,为移动台的进一步简化提供了条为移动台的进一步简化提供了条件。在蜂窝系统中件。在蜂窝系统中,越区切换是根据基站接收的移越区切换是根据基站接收的移动台的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径动台的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致越区转接衰落的影响常常导致越区转接,增加了网络管理的增加了网络管理的负荷和用户呼损率。在相邻小区应用的智能天线负荷和用户呼损率。在相邻小区应用的智能天线技术技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据为越区切换提供更可靠的依据。1.3 常用的物联网射频识别常用的物联网射频识别（RFID）天线）天线按照现在按照现在RFID系统的系统的工作频段工作频段，天线可以分为低频，天线可以分为低频LF、高频、高频HF、超高频、超高频UHF及微波天线，不同频段天线的工作原理不同，及微波天线，不同频段天线的工作原理不同，使得不同天线的设计方法也有本质的不同。在使得不同天线的设计方法也有本质的不同。在RFID系统系统中，中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线按天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线按方向性方向性可分为全向天线和定向天线等；按可分为全向天线和定向天线等；按外形外形可分为线状天线和面可分为线状天线和面状天线等；按状天线等；按结构和形式结构和形式可分为环形天线、偶极天线、双偶可分为环形天线、偶极天线、双偶极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。在极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。在低频和高频频段，低频和高频频段，RFID系统主要采用环形天线，用以完成能系统主要采用环形天线，用以完成能量和数据的电感耦合；在量和数据的电感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和和5.8GHz的微波频段，的微波频段，RFID系统可以采用的天线形式多样，系统可以采用的天线形式多样，用以完成不同任务。用以完成不同任务。RFID天线天线制作工艺制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法，这主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法，这些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术，些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术，天线制作的新工艺可使天线制作的新工艺可使RFID天线制作成本大大降低，走出应天线制作成本大大降低，走出应用成本瓶颈，并促进用成本瓶颈，并促进RFID技术进一步发展。技术进一步发展。圆极化对数周期天线圆极化对数周期天线平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线八木天线八木天线内部空内部空心的圆心的圆锥等角锥等角螺旋天螺旋天线线对数周期天线对数周期天线1.4 天线的常见参数及其含义天线的常见参数及其含义1.4.1 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50。1.4.2 驻波比驻波比 驻波比是行波系数的倒数驻波比是行波系数的倒数，其值在，其值在1到无穷大之间。驻波比为到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中，但实际应用中VSWR应小于应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。服务性能。SWR=R/r=(1+K)/(1-K)反射系数反射系数K=(R-r)/(R+r)(K为负值时表明相位相反为负值时表明相位相反)1.4.3 回波损耗回波损耗 回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于系统中，一般要求回波损耗大于14dB。回波损耗回波损耗=-10 lg(反射功率反射功率)/(入射功率入射功率)2物联网常用天线具体举物联网常用天线具体举例例2.1 微波微波RFID天线技术天线技术 微波微波RFID技术是目前技术是目前RFID技术最为活跃和技术最为活跃和发展最为迅速的领域，微波发展最为迅速的领域，微波RFID天线与低频、高天线与低频、高频频RFID天线相比有本质上的不同。微波天线相比有本质上的不同。微波RFID天天线采用电磁辐射的方式工作，读写器天线与电子线采用电磁辐射的方式工作，读写器天线与电子标签天线之间的距离较远，一般超过标签天线之间的距离较远，一般超过1m，典型值，典型值为为110m；微波；微波RFID的电子标签较小，使天线的电子标签较小，使天线的小型化成为设计的重点；微波的小型化成为设计的重点；微波RFID天线形式多天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽带天线等；微波线和宽带天线等；微波RFID天线要求低造价，因天线要求低造价，因此出现了许多天线制作的新技术。此出现了许多天线制作的新技术。各种微带各种微带行波天线行波天线的形状的形状各种微带缝隙天线的形状各种微带缝隙天线的形状微带贴片微带贴片2.1.1 微波微波RFID天线的结构天线的结构、图片、图片 图6.5给出了几种实际RFID微波天线的图片，由这些图片可以看出各种微波RFID天线的结构以及与天线相连的芯片。微波RFID天线主要采用偶极子天线、微带天线、非频变天线和阵列天线2.1.2 微波天线的特点微波天线的特点 由图由图6.5可以看出，微波可以看出，微波RFID天线有如下天线有如下特点特点。（1）微波）微波RFID天线的结构多样。天线的结构多样。（2）很多电子标签天线的基板是柔软的，适合粘帖在各）很多电子标签天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。种物体的表面。（3）天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸）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。主要是由天线决定的。（4）由天线和芯片构成的电子标签，很多是在条带上批）由天线和芯片构成的电子标签，很多是在条带上批量生产。量生产。（5）由天线和芯片构成的电子标签尺寸很小。）由天线和芯片构成的电子标签尺寸很小。（6）有些天线提供可扩充装置，来提供短距离和长距离）有些天线提供可扩充装置，来提供短距离和长距离的的RFID电子标签。电子标签。2.1.3 微波RFID天线的应用 微波微波RFID天线结构多样，是物联网天线的主要形式，微波天线结构多样，是物联网天线的主要形式，微波RFID天线的应用方式很多，天线的应用方式很多，可以应用在制造、物流、防伪和交通等多种领域，是现在可以应用在制造、物流、防伪和交通等多种领域，是现在RFID天线的主要形式。微波天线的主要形式。微波RFID天线的应用方式很多，下面以仓库流水线上纸箱跟踪为例，给出微波天线的应用方式很多，下面以仓库流水线上纸箱跟踪为例，给出微波RFID天线天线在跟踪纸箱过程中的使用方法。在跟踪纸箱过程中的使用方法。（1）纸箱放在流水线上，通过传动皮带送入仓库。）纸箱放在流水线上，通过传动皮带送入仓库。（2）纸箱上贴有标签，标签有两种形式，一种是电子标签，一种是条码标签。为防止）纸箱上贴有标签，标签有两种形式，一种是电子标签，一种是条码标签。为防止电子标签损毁，纸箱上还贴有条码标签，以作备用。电子标签损毁，纸箱上还贴有条码标签，以作备用。（3）在仓库门口，放置）在仓库门口，放置3个读写器天线，读写器天线用来识别纸箱上的电子标签，从个读写器天线，读写器天线用来识别纸箱上的电子标签，从而完成物品识别与跟踪的任务。而完成物品识别与跟踪的任务。2.1.4 微波天线的主要参数1、方向性图方向性图：天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传：天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强）播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强）在空间各点分布的情况，它是描述天线的主要传输之一。天线的方向在空间各点分布的情况，它是描述天线的主要传输之一。天线的方向性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（E平面平面和和H平面）内方向性图来描述。平面）内方向性图来描述。2、方向性系数方向性系数：上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态，：上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态，但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性系数这一概念。方向性系数定义是：在同一距离及相同辐射条件下，系数这一概念。方向性系数定义是：在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度Smax（或场强平方（或场强平方E2max）与无方向天线（点源）辐射功率密度）与无方向天线（点源）辐射功率密度S0（或场强平方（或场强平方E20）之比，用之比，用D来表示。来表示。3、天线效率天线效率：一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损：一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，我们把天线辐射功率我们把天线辐射功率Pr与天线输入功率之比称作天线效率与天线输入功率之比称作天线效率4、增益系数：增益系数：简称增益，它的定义是：在同一距离及相简称增益，它的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某一天线在最大辐射方向上的辐射同输入功率的条件下，某一天线在最大辐射方向上的辐射功率密度功率密度Smax（或场强平方（或场强平方E2max）与无方向天线（理）与无方向天线（理想点源）的辐射功率密度想点源）的辐射功率密度S0（或场强平方（或场强平方E20）之比，用）之比，用G来表示来表示5、天线阻抗：天线阻抗：是指天线输入端口向天线辐射口方向看过是指天线输入端口向天线辐射口方向看过去的输入阻抗，它取决于天线结构和工作频率。只有天线去的输入阻抗，它取决于天线结构和工作频率。只有天线的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时，天线的转换效率才最的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时，天线的转换效率才最高（参见高（参见4式），否则将在天线输入端口上产生反射，在式），否则将在天线输入端口上产生反射，在馈线上形成驻波，从而增加了传输损耗。馈线上形成驻波，从而增加了传输损耗。6、天线极化：天线极化：是指天线最大辐射方向上的电场强度是指天线最大辐射方向上的电场强度（E）矢量的取向。线极化是一种比较常用的极化方式，）矢量的取向。线极化是一种比较常用的极化方式，线极化又可分为线极化又可分为“垂直极化和水平极化垂直极化和水平极化”，前者电场矢量，前者电场矢量与地面垂直，后者则与地面平行与地面垂直，后者则与地面平行互动环节互动环节 天线的常见参数有哪些？天线的常见参数有哪些？天线的输入阻抗：天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。驻波比：驻波比是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。回波损耗：回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。2012.5.25