RFID干貨專欄｜09 常見(jiàn)天線、天線實(shí)例學(xué)習(xí)

RFID干貨專欄概述

經(jīng)過(guò)20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過(guò)程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書(shū)籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫(xiě)的新書(shū)《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書(shū)對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書(shū)內(nèi)容。

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2.2.4 常見(jiàn)天線

在超高頻 RFID中常見(jiàn)的天線主要有兩類，一類是偶極子，一類是微帶天線（本節(jié)只討論遠(yuǎn)場(chǎng)的天線，近場(chǎng)天線5.3.1節(jié)有詳細(xì)講解）。如圖2-30所示的標(biāo)簽ALN9662（圖2-30（a））和一個(gè)白色平板（圖2-30（b））天線分別是偶極子天線和微帶天線的代表。

（a）標(biāo)簽偶極子天線          （b）閱讀器平板微帶天線

圖2-30 常見(jiàn)超高頻RFID天線代表

01、偶極子天線(Dipole Antenna)(對(duì)稱陣子)

對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)單地獨(dú)立使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。

兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱半波對(duì)稱振子，如圖2-31（a）所示。

另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng)，故稱為半波折合振子，如圖2-31（b）所示。

（a）對(duì)稱陣子                               （b）半波折合振子

圖2-31對(duì)稱振子與折合振子

在超高頻 RFID標(biāo)簽天線中，最常見(jiàn)的為偶極子天線的變形，包括一些手持機(jī)設(shè)備天線也是偶極子天線。偶極子天線的特點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，極化方向?yàn)榫€極化，其缺點(diǎn)為抗環(huán)境影響差，標(biāo)簽周圍若有其他物質(zhì)，對(duì)其性能有較大影響。偶極子的天線增益一般情況下為2dBi左右，所以常見(jiàn)的標(biāo)簽天線（抗金屬標(biāo)簽不算）、手持機(jī)天線（偶極子）增益都為2dBi左右，如果天線尺寸偏小，其增益就會(huì)變小，如0dBi或者-2dBi的標(biāo)簽天線很多。但是對(duì)于4dBi的標(biāo)簽天線，除非特殊工藝尺寸很大，否則很難實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，偶極子天線沒(méi)有前后比的概念，其輻射方向是全向的。

02、微帶天線

微帶天線（Micro Strip Antenna）在一個(gè)薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對(duì)貼片饋電構(gòu)成的天線。按結(jié)構(gòu)特征把微帶天線分為兩大類，即微帶貼片天線和微帶縫隙天線。

超高頻RFID中最常見(jiàn)的微帶天線為貼片天線，如圖2-32所示為一個(gè)最簡(jiǎn)單的貼片微帶天線圖。

圖2-32 一個(gè)簡(jiǎn)單的貼片微帶天線圖

微帶天線利用接地板（反射板），把輻射能控制到單側(cè)方向。如圖2-33的水平面方向圖說(shuō)明了反射面的作用，反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。

圖2-33 水平反射板輻射方向圖

閱讀器使用的陶瓷天線就是利用這個(gè)原理，如圖2-34為各種尺寸的陶瓷天線。陶瓷天線有很多弊端，比如其軸比很差（2dB-5dB不等），尤其在手持機(jī)使用上時(shí)，標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)一下，工作距離可能會(huì)大幅降低，給客戶帶來(lái)很多困擾（詳細(xì)的閱讀器天線應(yīng)用討論請(qǐng)見(jiàn)5.3.1節(jié)）。

圖2-34 陶瓷天線

如果仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)陶瓷天線上會(huì)有各式各樣的劃痕，這些劃痕是為了調(diào)整諧振頻率。因?yàn)樘沾傻慕殡姵?shù)很高，在燒制的過(guò)程中由于工藝和材料的問(wèn)題，每個(gè)批次的產(chǎn)品的介電常數(shù)都不太相同，這就需要進(jìn)行調(diào)整。

如果對(duì)性能要求比較高，就需要穩(wěn)定性比較高的天線，圖2-35的天線就是一款常用的圓極化手持機(jī)天線（不是微帶天線），其特點(diǎn)是一致性好、增益高、軸比小于2，其圓極化特性很好（水平方向與垂直方向工作距離一樣遠(yuǎn)）。這個(gè)天線的工作原理是利用4個(gè)單極子天線，其相位各相差90°，最終形成一個(gè)軸比較好的圓極化天線。

圖2-35 四臂陣子手持機(jī)天線

超高頻 RFID固定式閱讀器最常用的天線為平板天線，也是微帶天線。總結(jié)一下微帶天線的特點(diǎn)：

體積小，重量輕。超高頻 RFID應(yīng)用中智能倉(cāng)庫(kù)中的貨架和叉車都經(jīng)常安裝微帶天線。

電性能多樣化。不同設(shè)計(jì)的微帶元，最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整；易于得到各種極化。超高頻 RFID在交通應(yīng)用中常使用線極化天線，而在智能書(shū)架多采用圓極化天線。

易集成。能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件。超高頻 RFID的許多PDA設(shè)備和手持設(shè)備都安裝平板天線，還可以作為一體機(jī)使用。

2.2.5 天線實(shí)例學(xué)習(xí)

本節(jié)對(duì)一款超高頻 RFID中常用的天線Laird S8658WPR進(jìn)行分析，對(duì)它的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)（Datasheet）進(jìn)行講解，并講解天線的每一個(gè)參數(shù)與超高頻RFID應(yīng)用的關(guān)系。

01、天線特性（AntennaCharacteristics）

這款天線的天線特性如表2-4所示，其中：

天線編號(hào)（Antenna Part Number）：S8658WPR72RTN。

頻率（Frequency）：天線的工作頻率為865-956MHz，是一個(gè)帶寬接近100M的天線，可以在美國(guó)和中國(guó)以及歐洲使用。這個(gè)指標(biāo)非常重要，許多天線的帶寬很窄，在選擇天線時(shí)要注意。

天線增益（Gain）：6dBil max；dBil是指與全向天線比的線極化增益大小，可以理解為dB+i (isotropic)）+l（linearpolarization）。這里的天線增益為6dBil并非6dBi，請(qǐng)一定要注意。由于天線是圓極化天線，也可以理解為該天線是最大增益為9dBi的圓極化天線。

軸比（AxialRatio）:2dB。

天線阻抗（Nominal Impedance）：50歐姆。

極化特性（Polarization）：RHCP（RightHand Circular Polarized）右手圓極化，常見(jiàn)的還有LHCP 為左手圓極化天線。超高頻RFID應(yīng)用中主要使用右手圓極化天線。

電壓駐波比（VSWR）：小于1.4:1；這里強(qiáng)調(diào)Free Space表示在自由空間中的駐波比，而不是在其它介質(zhì)中或正面靠近金屬的駐波比。在超高頻RFID的應(yīng)用中一般要求駐波比小于2：1即可使用，建議天線小于1.5:1。

水平極化方向3dB波瓣寬度（Horizontal 3dB Beamwidth）:65°（本節(jié)的輻射圖部分會(huì)做詳細(xì)解釋）。

垂直極化方向3dB波瓣寬度（Vertical 3dB Beamwidth）:65°。

前后比（Front Back Ratio）：18dB。在超高頻 RFID的應(yīng)用中這個(gè)參數(shù)并不重要，只要達(dá)到15dB即可。

連接饋線（Pigtail）：72英寸（1.8m）；1英寸=0.0254米。Pigtail字面意思是豬尾巴，其實(shí)是指天線的饋線的長(zhǎng)度。在超高頻RFID應(yīng)用和項(xiàng)目中，一定要注意饋線的長(zhǎng)度，是否要增加額外的饋線，比如智能交通系統(tǒng)的饋線長(zhǎng)度為6m，而這個(gè)天線自帶的饋線只有1.8m，就需要再采購(gòu)4.2m的射頻饋線。

射頻接頭（RF Connector）：Rev-Polarity TNC（M），反極性TNC接頭（公頭），其中（M）代表（Male）公頭，如果是（F）代表（Female）母頭，TNC是一種常用的接頭，還有常用的為SMA接頭和N型接頭。在超高頻RFID的應(yīng)用中一定要注意接頭的型號(hào)，尤其是在有轉(zhuǎn)接設(shè)備饋線的情況下，以免買回來(lái)的天線和閱讀器饋線無(wú)法連接在一起。

輸入功率（Power）：最高輸入功率2瓦，限制閱讀器輸出功率不能超過(guò)2瓦，否則天線會(huì)受損或天線的性能會(huì)發(fā)生變化。

重量（Weight）：天線重量2.5lbs 其中1lbs=0.4532kg，天線重量約為1.1kg。

RoHS認(rèn)證通過(guò)：RoHS Compliant，現(xiàn)在的大公司都需要有RoHS認(rèn)證的要求。

表2-4 萊爾德天線特性表

02、VSWR與頻率

如圖2-36所示，為該天線在不同頻率下的駐波比，從數(shù)據(jù)看這個(gè)天線的駐波比非常理想，從865MHz到956MHz所有的頻點(diǎn)都在1.2之下，在915M頻率附近的駐波比最好，最適合用在中國(guó)頻段和美國(guó)頻段應(yīng)用。一般正規(guī)的天線廠商都會(huì)提供VSWR頻率圖。

圖2-36 VSWR與頻率圖

03、天線輻射圖

如圖2-37所示，為天線輻射方向定義圖，定義天線的垂直極化和水平極化的初始角度，方便理解后面的輻射圖。

圖2-37 天線輻射方向定義圖

圖2-38為865MHz時(shí)的天線輻射方向圖，共三張，分別為A方向線極化增益圖，B方向線極化增益圖以及軸向的增益圖?？梢钥吹綀D2-38（a）和圖2-38（b）很相似，且軸向輻射圖2-38（c）為一個(gè)圓形。一個(gè)圓極化微帶天線的輻射圖，基本都是通過(guò)三張輻射圖的的形式展現(xiàn)。利用剛剛學(xué)過(guò)的天線知識(shí)，通過(guò)分析圖可以看到天線的3dB波瓣寬度、10dB波瓣寬度前后比等參數(shù)。同時(shí)，可以看到旁瓣值很小基本都在主瓣的背后。圖2-38（c）表明天線的軸比很好，圓極化特性很好。在超高頻RFID項(xiàng)目中，選擇天線，一定要關(guān)注主瓣和旁瓣的大小和位置，如果旁瓣很大或者位置靠近主瓣，在類似倉(cāng)庫(kù)管理的項(xiàng)目實(shí)施時(shí)會(huì)遇到很大問(wèn)題，請(qǐng)慎重選擇。

（a）A方向極化輻射 （b）B方向極化輻射 （c）軸向輻射

圖2-38 865MHz時(shí)的天線輻射方向圖

圖2-39和圖2-40也是輻射特性圖，其頻點(diǎn)分別是915MHz和956MHz，其目的是通過(guò)這3組不同頻率的天線輻射圖讓客戶更加了解天線的特性，這三個(gè)頻率分別是中心頻率和邊界頻率，足以說(shuō)明天線的性能穩(wěn)定各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

（a）A方向極化輻射 （b）B方向極化輻射 （c）軸向輻射

圖2-39 915MHz輻射特性圖

（a）A方向極化輻射 （b）B方向極化輻射（c）軸向輻射

圖2-40 956MHz輻射特性圖

04、軸比Axial Ratio與頻率

如圖2-41所示為天線在不同頻率下的軸比圖，從圖中可以看到，其軸比全部小于2dB，且在大部分頻率范圍只有1dB左右，說(shuō)明這個(gè)天線的圓極化特性非常好。剛剛在天線輻射圖中我們通過(guò)圖2-38（c）可以看到天線的圓極化特性很好，但是具體軸比數(shù)據(jù)通過(guò)軸比圖來(lái)了解更加準(zhǔn)確。通過(guò)這個(gè)參數(shù)就可以更加了解并有效使用該天線，無(wú)論標(biāo)簽如何旋轉(zhuǎn)貼放（面對(duì)面放置），其最遠(yuǎn)與最近工作距離差小于10%（1dB對(duì)應(yīng)工作距離約10%，具體計(jì)算可參照2.3.1節(jié)）。

圖2-41 天線在不同頻率下的軸比圖

05、線極化峰值增益角度（Peak Gain Angle Linear）

如圖2-42所示線極化增益角度與頻率圖。對(duì)于此圖，我們重點(diǎn)關(guān)注天線輻射最大增益的時(shí)候，是不是在0°的位置。根據(jù)圖2-24（a），A方向線極化峰值增益正好在0°的位置，性能非常好。在超高頻RFID的應(yīng)用中這一點(diǎn)非常重要，比如在車輛管理的時(shí)候，要求采集每個(gè)車道哪輛車通過(guò)，天線對(duì)車道的掃描范圍要求很高，就需要準(zhǔn)確了解天線的最強(qiáng)增益的角度。圖2-24（b）所示為B方向的線極化峰值增益角度與頻率圖，可以看到其并不是在0°位置，而是在1°~5°之間，在要求嚴(yán)格的項(xiàng)目應(yīng)用中需要調(diào)整并校準(zhǔn)位置。

(a) A方向極化 (b) B方向極化

圖2-42線極化增益角度與頻率圖

06、波瓣寬度與頻率

如圖2-43所示，分別為波瓣寬度與頻率的關(guān)系和在兩個(gè)極化方向的3dB波瓣寬度與頻率的關(guān)系，其寬度隨著頻率變大而變小。一般情況下，天線在頻率高的時(shí)候增益高，波瓣寬度窄。在超高頻RFID的項(xiàng)目中，由于不同地區(qū)使用的頻率不同，就要根據(jù)頻率來(lái)確定波瓣寬度從而計(jì)算覆蓋范圍。具體的測(cè)試和應(yīng)用方法會(huì)在6.1.3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)講解。

(a)A方向極化 (b) B方向極化

圖2-43 波瓣寬度與頻率的關(guān)系圖

07、前后比（Front to Back）

圖2-44為天線的前后比，其前后比隨著頻率的增加而降低，最低點(diǎn)為16.8dB。該天線的前后比大于15dB，在一般的超高頻RFID項(xiàng)目中可以正常使用。

這里舉一個(gè)關(guān)于超高頻 RFID項(xiàng)目中關(guān)于前后比的實(shí)際案例。有一個(gè)通道天線固定在支架上，其前后比為12dB，天線正方向讀取標(biāo)簽的距離為8m，在項(xiàng)目運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)莫名其妙多讀到很多標(biāo)簽，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，在天線的正后方1m多的一些地方依然可以穩(wěn)定的讀取標(biāo)簽，原因就是這個(gè)前后比太差。最終的解決辦法就是在天線的背板后面又放了一個(gè)金屬板才解決了平板天線背后讀取標(biāo)簽的問(wèn)題。

圖2-44 天線的前后比

08、測(cè)試環(huán)境（Test Equipment summary）

圖2-45為該天線的測(cè)試環(huán)境，分別為測(cè)試駐波比和測(cè)輻射方向圖的測(cè)試環(huán)境。其中測(cè)試駐波比用的是安捷倫的E5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試暗室為高36英寸、寬36英寸、深34英寸（可以理解為一個(gè)1m*1m*1m的立方體），其內(nèi)部的吸波材料為底為2×2英寸高為5英寸的方錐。輻射方向圖的暗室就大很多了，測(cè)試天線距離被測(cè)天線之間的距離為8.8m，天線的中心距離地面72英寸（暗室的高度為144英寸）。測(cè)試時(shí)使用單軸、單測(cè)試源測(cè)試的方法（關(guān)于暗室的詳細(xì)介紹請(qǐng)參照6.1.1節(jié)）。

萊爾德讓我們了解他的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法，是想告訴我們他的天線是經(jīng)過(guò)認(rèn)真測(cè)試的，當(dāng)然如果要設(shè)計(jì)和測(cè)試天線，可以直接照搬他的測(cè)試方法。

圖2-45 天線的測(cè)試環(huán)境

09、增益與頻率

萊爾德的天線說(shuō)明書(shū)介紹完畢，其中還有一個(gè)很重要的指標(biāo)說(shuō)明書(shū)沒(méi)有列出，就是增益與頻率。這里通過(guò)Huber+Suhner公司的SPA8090這款天線進(jìn)行分析。SPA8090天線是一個(gè)線極化天線，如圖2-46所示，增益隨頻率變化是有波動(dòng)的，960MHz增益比800MHz整整高1dB。在標(biāo)簽性能測(cè)試或高精度測(cè)試時(shí)需要精確的知道閱讀器天線的頻率增益曲線，一般高端的閱讀器天線會(huì)提供相應(yīng)報(bào)告。

圖2-46 SPA8090天線增益頻譜圖

10、裝配圖

裝配圖是指天線的尺寸和固定孔位信息。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的影響很大，在前期做方案的時(shí)候就要考慮，如圖2-47所示，為Alien公司的ALR-8696C的天線裝配圖。從這個(gè)裝配圖上同樣可以獲得很多信息，如孔徑，孔位置，饋線長(zhǎng)度等。

圖2-47 ALR-8696C的天線裝配圖

經(jīng)過(guò)前面的天線實(shí)例學(xué)習(xí)，我們知道了一個(gè)天線的每一個(gè)參數(shù)應(yīng)該怎么理解，如何選型。但是并不是所有的公司都會(huì)提供齊全的產(chǎn)品資料，一些天線廠家只提供一份參數(shù)表和一個(gè)非常簡(jiǎn)單的輻射方向圖，最后附上一張裝配圖。大家一定要靈活的運(yùn)用自己學(xué)到的知識(shí)靈活的分析這些給出的參數(shù)，根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇。