RFID干貨專欄｜08 天線的參數(shù)指標（視頻講解）

RFID干貨專欄概述

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2.2.3 天線的參數(shù)指標

影響天線性能的臨界參數(shù)有很多，通常在天線設計過程中可以進行調整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數(shù)等。這里就對一些常見的對RFID影響和作用最大的一些參數(shù)進行詳細介紹。

1.諧振頻率（Resonance Frequency）

天線一般在某一頻率調諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(shù)（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數(shù)的中心頻率相近?！爸C振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。

天線可以在與目標波長成分數(shù)關系的長度所對應的頻率下諧振。一些天線設計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數(shù)周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。我們經常遇到同時支持兩個差異很大的頻率的雙頻天線，如同時支持2.4GHz和900MHz的天線，其在不同頻率的增益就不同。

2.天線阻抗、電壓駐波比（VSWR）、回波損耗（Return Loss）

在使用天線的時候，大家經常會討論你的天線阻抗是多少啊，你的天線VSWR是多少呢？第一個問題很好回答，一般情況下天線的阻抗是50歐（RFID閱讀器天線一般都是50歐姆），而VSWR是什么呢？

VSWR翻譯為電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio），一般簡稱駐波比，指的就是行駐波的電壓波腹值與電壓波節(jié)值之比，此值可以通過反射系數(shù)的模值計算：VSWR=(1+反射系數(shù)模值)/(1-反射系數(shù)模值）。從能量傳輸?shù)慕嵌瓤紤]，理想的VSWR為1，即此時為行波傳輸狀態(tài)，在傳輸線中，稱為阻抗匹配；最差時VSWR無窮大，此時反射系數(shù)模為1，為純駐波狀態(tài)，稱為全反射，沒有能量傳輸。由上可知，駐波比越大反射功率越高，傳輸效率越低。

發(fā)射機與天線匹配的條件是兩者阻抗的電阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果發(fā)射機的阻抗不同，要求天線的阻抗也不同。在電子管時代，一方面電子管輸出阻抗高，另一方面低阻抗的同軸電纜還沒有得到推廣，流行的是特性阻抗為幾百歐的平行饋線，因此發(fā)射機的輸出阻抗多為幾百歐姆。而現(xiàn)代商品固態(tài)無線電通信機的天線標準阻抗則多為50歐姆，因此商品VSWR表也是按50歐姆設計標度的。如果你擁有一臺輸出阻抗為600歐姆的老電臺，那就大可不必費心血用50歐姆的VSWR來修理你的天線，因為那樣反而幫倒忙。只要設法調到你的天線電流最大就可以了。

當天線阻抗不是50歐姆而電纜為50歐姆時，測出的VSWR值會嚴重受到天線長度的影響。只有當電纜的電器長度正好為波長的整倍數(shù)、而且電纜損耗可以忽略不計時，電纜下端呈現(xiàn)的阻抗正好和天線的阻抗完全一樣。但即便電纜長度是整倍波長，電纜有損耗（例如電纜較細、電纜的電氣長度達到波長的幾十倍以上），那么電纜下端測出的VSWR還是會比天線的實際VSWR低。所以，測量VSWR時，尤其在UHF以上頻段，不要忽略電纜的影響。

在講VSWR的時候經常會聽到一個詞回波損耗：Return Loss，回波損耗是表示信號反射性能的參數(shù)?；夭〒p耗說明入射功率的一部分被反射回到信號源。例如，如果注入1mW（0dBm）功率給放大器，其中10%被反射（反彈）回來，回波損耗就是10dB。從數(shù)學角度看，回波損耗為10 lg [(入射功率)/(反射功率)]。駐波比VSWR與回波損耗RL之間的換算公式為：RL=20*log10[(VSWR+1)/(VSWR-1)]。在天線匹配上VSWR和Return Loss是可以互換的，只是計算方法不同，其表達的意思是基本一致的。

3.帶寬（工作頻率）

天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義：

一種是指：在駐波比VSWR ≤1.5條件下，天線的工作頻帶寬度；

一種是指：天線增益下降3分貝范圍內的頻帶寬度。

在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的。具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比VSWR不超過1.5時，天線的工作頻率范圍。一般說來，在工作頻帶寬度內的各個頻率點上,天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。

4.方向增益（Gain）、dBi、 dBd

“方向增益”指天線輻射方向圖中的強度最大值與參考天線的強度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線（理想孤立波源輻射），增益的單位為dBi，大家可以理解為dB(isotropic)，isotropic是全向的意思，dB是比的意思，即與全向比的增益。比如，偶極子天線（半波陣子）的增益為2.15dBi。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造，而理論半波陣子天線與實際偶極子天線增益相似），這種情況下天線的增益以dBd為單位，理解為dB（dipole）。圖2-18為理想孤立波源輻射、理論半波陣子輻射和一個四元半波對稱振子輻射的天線增益圖。

圖2-18理想孤立波源、理論半波陣子與定向天線增益

天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加激勵，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量（與2.1.3節(jié)的射頻增益不同）。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射、接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，對于相同的孔徑頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低。

孔徑和輻射方向圖與增益緊密相關?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系牟ㄊ孛嫘螤?，是二維的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有副瓣。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高波束）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

天線的方向增益是指：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生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。例如：需要100W的輸入功率，用增益為G = 20（13dB）的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需100 / 20 = 5W。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。

增益特性：

• 天線是無源器件，不能產生能量，天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。

• 天線增益由振子疊加而產生，增益越高，天線長度越長。

• 天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

5.輻射方向圖（RadiationPatterns）

天線的輻射電磁場在固定距離上隨角坐標分布的圖形，稱為方向圖。用輻射場強表示的稱為場強方向圖，用功率密度表示的稱之功率方向圖，用相位表示的稱為相位方向圖。天線方向圖是空間立體圖形，但是通常應用的是兩個互相垂直的主平面內的方向圖，稱為平面方向圖。在線性天線中，由于地面影響較大，都采用垂直面和水平面作為主平面。在面型天線中，則采用E平面和H平面作為兩個主平面。歸一化方向圖取最大值為1。

如圖2-19所示為垂直放置的半波對稱振子具有平放的“面包圈”形的立體方向圖又稱蘋果圖，如圖2-19（a）所示。立體方向圖雖然立體感強，但繪制困難，圖2-19（b）與圖2-19（c）給出了它的兩個主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖2-19（b）可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖2-19（c）可以看出，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。

圖2-19垂直放置的半波對稱陣子輻射方向圖

6.主瓣、旁瓣、波瓣寬度

方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣（Main-lobe），其余的瓣稱為副瓣或旁瓣(side-lobe)。如圖2-20所示，為一個天線的主瓣和旁瓣示意圖。

圖2-20天線的主瓣和旁瓣

在主瓣最大輻射方向兩側，輻射強度降低3 dB（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（Beam width）又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角如圖2-21所示。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。一般超高頻RFID天線常用3dB波瓣寬度來定義，單位是度數(shù)。

圖2-21 -3dB波瓣寬度

還有一種波瓣寬度，即10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強度降低10dB（功率密度降至十分之一）的兩個點間的夾角，如圖2-22所示。

圖2-22 -10dB波瓣寬度

7.前后比、上旁瓣抑制

方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為 F/B（Front-to-Back Ratio），如圖2-23所示。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）}。

一些系統(tǒng)對天線的前后比F/B有要求，其典型值為（18 ~ 30）dB，特殊情況下則要求達（35 ~ 40）dB。一般的超高頻RFID天線對前后比不敏感，只要高于15dB即可；如果是衛(wèi)星天線等對前后比會要求很高，有很多要求達到35dB。

圖2-23前后比

對于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些，如圖2-24所示。這就是所謂的上旁瓣抑制?；镜姆諏ο笫堑孛嫔系囊苿与娫捰脩簦赶蛱炜盏妮椛涫呛翢o意義的。在RFID的應用中，同樣存在類似的環(huán)境，我們需要控制的區(qū)域限制嚴格的時候，可以考慮使用旁瓣抑制的天線。

圖2-24 上旁瓣抑制

8.極化特性——線極化、圓極化、軸比

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化天線，也稱為線極化（Linear polarized）天線。圖2-25給出了兩種基本的單極化的情況，圖2-25（a）為垂直極化，是最常用的單極化天線；圖2-25（b）為水平極化，也經常被用到。

圖2-25 兩種基本的單極化特性示意圖

當一個天線同時存在兩種極化的時候，我們叫做雙極化天線，當水平極化和垂直極化相位差90°時，電場磁場相互轉換旋轉向前輻射，這樣就是圓極化天線（Circular Polarized）。如圖2-26所示為在X軸方向和Y軸方向隨時間變化的線極化矢量，從而形成了圓極化輻射。

圖2-26x/y軸線極化矢量圖

對于一般的情況，即正弦時間變化矢量的兩個分量（水平極化和垂直極化）的大小、方向和相位均為任意大小，合成矢量的末端軌跡是一個橢圓，它們的合成矢量就是橢圓極化?？偟膩碚f，電磁波的極化類型分為線極化、橢圓極化和圓極化。極化波的合成矢量軌跡分別如圖2-27所示。

圖2-27極化波

既然橢圓極化兩個極化矢量（垂直極化和水平極化）大小存在差異（沒有絕對的圓極化天線），那么這里提出一個概念軸比AR（AxisRatio）定義為：

如圖2-28所示：其中OA是半長軸，OB是半短軸。

如果用分貝表示則有

圖2-28 傾角為的橢圓極化

為了反映極化波的旋向，規(guī)定AR具有正、負號：對左旋波，AR的符號為正；對右旋波，AR的符號為負。這樣，由軸比AR和傾角便確定了任一極化狀態(tài)。

圓極化天線的基本電參數(shù)就是它所輻射的電磁波的軸比\AR\，一般是指其最大增益方向上的軸比。對于圓極化波，\AR\=1，即0dB。軸比\AR\不大于3dB的帶寬定義為天線的圓極化帶寬。在進行RFID天線的設計時，軸比小于3的圓極化天線都被認為實現(xiàn)良好的圓極化。

圓極化波具有以下重要性質：

①圓極化波是一個等幅的瞬時旋轉場。即沿其傳播方向看去，波的瞬時電場矢量的端點軌跡是一個圓。若瞬時電場矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉，則稱之為左旋圓極化波；若沿傳播方向按右手螺旋旋轉，則稱之為右旋圓極化波。

②一個圓極化波可以分解為兩個在空間上和在時間上均正交的等幅線極化波。由此，實現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是：產生兩個空間上正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等、相位相差90°。

③任意極化波都可以分解成兩個旋向相反的圓極化波。比如，一個線極化波可以分解成兩個旋向相反、振幅相等的圓極化波。因此，任意極化的來波都可由圓極化波天線接收；同樣，圓極化天線輻射的圓極化波也可以由任意極化的天線接收。在超高頻RFID某些應用中，比如機場行李處理系統(tǒng)，為了能在特定范圍內提供高方向性和窄波束來更好識別物體，閱讀器天線一般設計成線極化，而由于標簽擺放的方向不定，為了滿足閱讀器天線極化特性要求必須實現(xiàn)標簽天線的圓極化。

④天線若輻射左旋圓極化波，則只能接收左旋圓極化波而不能接收右旋圓極化波；反之，若天線輻射右旋圓極化波，則只能接收右旋圓極化波而不能接收左旋圓極化波。這稱為圓極化天線的旋向正交性。在超高頻RFID系統(tǒng)應用中應注意天線的極化特性。

⑤圓極化波入射到對稱目標（如平面、球面等）時，反射波會變?yōu)榉葱虻摹＜醋笮冇倚?，右旋變左旋。根據這個性質，采用圓極化波工作的雷達具有抑制雨霧干擾的能力。由于不同的物體對波具有不同的反射特性，用圓極化波照射物體，分析接收的反射波可以知道物體的特性，因此，圓極化天線在目標識別中也有著廣泛的應用。

9.極化損耗（Loss）、極化隔離（Isolation）

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。

當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。例如：當用+ 45°極化天線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時，等等情況下，都要產生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失，只能接收到來波的一半能量。

表2-3給出了極化損失的典型實例，應用中可以參考本表計算極化損耗。

表2-3 極化損失的典型實例

在超高頻RFID實際應用中，為了增加取向的多樣性，閱讀器天線通常設置為圓極化輻射，而大多數(shù)的超高頻RFID標簽都設計成線極化，這時就會產生極化損失，而且標簽只能接收到傳輸功率的一半。比如閱讀器天線對于一個線極化標簽來說標稱8dBi的圓極化天線其實只相當于5dBi的線極化天線；因此在這種情況下如果把閱讀器天線換位線極化天線，且極化方向相同，則標簽的功率接收可以改善3dB。

當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。

理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點點在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如圖2-29所示的雙極化天線中，設輸入垂直極化天線的功率為10W，結果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為10mW。在這種情況下的極化隔離為Loss= 10 lg (10,000 mW / 10 mW) = 30（dB）。

圖2-29 極化隔離

在超高頻RFID的一些應用中，我們可以充分的利用極化隔離來避免一些信號的干擾。如在一個車輛管理系統(tǒng)中，有兩組電子車牌使用，且需要同時工作，可以一組使用垂直極化，一組使用水平極化，同時閱讀器天線也使用垂直極化和水平極化，這時兩個閱讀器可以同時對靠近的兩個標簽進行識別，且不會互相干擾，就是利用了極化隔離的技術。

10.天線的輸入阻抗Z

定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin，即Zin= Rin+ j Xin。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設計、調試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。

輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關，半波對稱振子是最重要的基本天線，其輸入阻抗為Zin=73.1＋j42.5Ω。當把其長度縮短（3~5）％時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為Zin=73.1Ω,（標稱75歐）。注意，嚴格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。

關于超高RFID的閱讀器，其輸出端口阻抗為50Ω，且常用的平板天線都是50Ω阻抗，正常情況下閱讀器和平板天線不用考慮失配問題（平板天線受環(huán)境影響不大），但是如果項目中使用的是訂制天線（如智能貨架、智能書柜），其在不同的環(huán)境中的阻抗會有很大的變化（對稱陣子類天線容易受到外界影響），在項目實施時盡可能用設備進行測量，如無法提供設備可以用閱讀器進行測量（現(xiàn)在一些閱讀器提供反射能量參數(shù)，通過反射能量與入射能量可以算出VSWR等參數(shù)，5.2.3節(jié)中有相關介紹）。

關于超高頻RFID標簽芯片，其阻抗由實部和虛部組成，如15-j150Ω，并不是50Ω，所以標簽天線不能直接用50Ω的天線，要根據不同芯片的阻抗進行設計。如果一定是要連接50Ω的平板天線，可以接一段匹配電路使其阻抗變?yōu)?0Ω。