RFID干貨專欄｜07 天線的基本原理定義分類（視頻講解）

RFID干貨專欄概述

經(jīng)過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)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《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)布本書內(nèi)容。

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2.1天線基本原理

本節(jié)主要講述一些天線的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)。很多讀者一看到天線和麥克斯韋就頭疼，本節(jié)沒有復(fù)雜的推導(dǎo)和公式，只是作為一本RFID的專業(yè)工具書使用。讀者只需要學(xué)習(xí)和掌握幾個(gè)簡(jiǎn)單的技巧和一些簡(jiǎn)單的定義。

2.2.1天線與RFID

在所有的無(wú)線通信技術(shù)中，只有RFID系統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)裝置和天線的關(guān)系最為特殊。在RFID的家族中，天線和RFID是同樣重要的成員，RFID和天線相互依存，不可分割。無(wú)論是閱讀器還是標(biāo)簽，無(wú)論是高頻RFID還是超高頻RFID，都離不開天線。對(duì)于到底是先有RFID還是先有天線的問題，做射頻和天線的人馬上會(huì)跳出來說，當(dāng)然是先有天線了。那么，到底是先有RFID天線還是先有RFID硬件呢？為什么高頻RFID的頻率是13.56MHz，而超高頻RFID的頻率是840M-960MHz呢？本節(jié)就針對(duì)超高頻RFID來講一下是先有雞（天線）還是先有蛋（RFID）的故事。

超高頻RFID由來：人們?cè)陂L(zhǎng)期使用條碼之后發(fā)現(xiàn)條碼有很多弊端，比如識(shí)別率比較低，容易被污染。這個(gè)時(shí)候就想是不是有一種技術(shù)可以通過電磁波來實(shí)現(xiàn)通信呢？因?yàn)殡姶挪ㄍㄐ挪粫?huì)被需要介質(zhì)阻擋，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別的問題，加上電磁波的穿透能力可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)物品一起識(shí)別。

有了這個(gè)想法的科學(xué)家們興奮了，就開始深入研究，發(fā)現(xiàn)條碼的尺寸基本固定，一般寬高分別小于3英寸（7.5cm）、5英寸（12.5cm），且總面積小于12平方英寸（75cm2）。通過觀察超高頻RFID的標(biāo)簽可以發(fā)現(xiàn)，大部分面積都是天線，只有中間的一個(gè)小黑點(diǎn)是芯片。也就是說，標(biāo)簽的大小主要由天線尺寸決定。

既然已經(jīng)知道了天線尺寸，接下來就要選擇工作頻率了。人們通過一組測(cè)試數(shù)據(jù)：固定發(fā)射天線輸出功率及接收天線（RFID標(biāo)簽天線）尺寸，記錄不同頻率下讀距，得到如圖2-15所示為不同頻率下的工作距離圖。

圖2-15不同頻率下的工作距離圖

從2-15圖中可以看到，在800MHz~1GHz的頻段范圍內(nèi)，標(biāo)簽工作距離最遠(yuǎn)。其實(shí)早期的手機(jī)頻率也是在這個(gè)頻率范圍，因?yàn)樵缙诘氖謾C(jī)尺寸及手機(jī)天線尺寸與超高頻RFID天線接近，最終做手機(jī)協(xié)議的科學(xué)家就定下了這個(gè)頻率。隨后的故事大家應(yīng)該都知道了，就是做RFID的科學(xué)家由于是晚于手機(jī)的制定，只好跟做手機(jī)的科學(xué)家坐下來開了個(gè)會(huì)，從人家剩下的頻段中找了一段給RFID用。這里聲明一下這只是一個(gè)故事并非正史，也希望大家通過自己的方式來尋找“超高頻RFID的正史”。

故事講完了，有人就要發(fā)問了，為什么天線這么神奇，就只有在這個(gè)800M~1GHz的頻率才工作距離最遠(yuǎn)呢？有兩種回答：一種是“這就是天意，是上帝創(chuàng)造出來的”；另外一種就是通過經(jīng)典天線原理或者麥克斯韋方程推算出來。比如通過標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線長(zhǎng)度與半波長(zhǎng)尺寸相比擬，800MHz~1GHz的半波長(zhǎng)為15cm~18cm，有寬度的偶極子長(zhǎng)度比半波長(zhǎng)尺寸略小，可以認(rèn)為乘以一個(gè)系數(shù)0.8（寬度越大系數(shù)越小），這樣就發(fā)現(xiàn)與12.5cm非常接近了。

最后插一句，915MHz為無(wú)源超高頻最好工作頻段，美國(guó)的RFID科學(xué)家就很聰明選擇了902MHz到928MHz帶寬中心頻率915MHz。也難怪UHF RFID創(chuàng)始在美國(guó)，最好的頻點(diǎn)在美國(guó)，最寬的帶寬也在美國(guó)。實(shí)際上，在800MHz~1GHz范圍內(nèi)，超高頻RFID標(biāo)簽在不同頻率下實(shí)際工作距離差異很小，主要還是與標(biāo)簽具體的尺寸相關(guān)。

2.2.1天線的定義與分類

1.天線的定義

天線（Antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。天線是無(wú)線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接收（僅僅接收很小一部分功率），并通過饋線送到無(wú)線電接收機(jī)，如圖2-16所示。

圖2-16 天線的基本組成

可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無(wú)線電通信。無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)等，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進(jìn)行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號(hào)的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的，這就是天線的互易定理。

2.天線的工作原理

當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如圖2-17（a）所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，如圖2-17（b）和2-17（c）所示，電場(chǎng)就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。

必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長(zhǎng)度L增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。

圖2-17 電磁波的輻射原理圖

3.天線的分類

天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。對(duì)于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模?/p>

按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。

按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達(dá)天線等。

按方向性可分為全向天線和定向天線等。

按工作波長(zhǎng)可分為超長(zhǎng)波天線、長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。

按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬。

按維數(shù)來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線：一維天線：由許多電線組成，這些電線或者像手機(jī)上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現(xiàn)電纜之前在電視機(jī)上使用的老兔子耳朵。單極和雙極天線是兩種最基本的一維天線；二維天線：變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織好的二維模式的一束片）、喇叭狀、碟狀。

天線根據(jù)使用場(chǎng)合的不同可以分為：手持臺(tái)天線、車載天線、基地天線三大類。