RFID

RFID专题: 7 天线的基本原理定义分类

2022-01-05 10:09:09 明申科技 758

2.1天线基本原理

本节主要讲述一些天线的基本原理和基础知识。很多读者一看到天线和麦克斯韦就头疼,本节没有复杂的推导和公式,只是作为一本RFID的专业工具书使用。读者只需要学习和掌握几个简单的技巧和一些简单的定义。

2.2.1天线与RFID

在所有的无线通信技术中,只有RFID系统的无线收发装置和天线的关系最为特殊。在RFID的家族中,天线和RFID是同样重要的成员,RFID和天线相互依存,不可分割。无论是阅读器还是标签,无论是高频RFID还是超高频RFID,都离不开天线。对于到底是先有RFID还是先有天线的问题,做射频和天线的人马上会跳出来说,当然是先有天线了。那么,到底是先有RFID天线还是先有RFID硬件呢?为什么高频RFID的频率是13.56MHz,而超高频RFID的频率是840M-960MHz呢?本节就针对超高频RFID来讲一下是先有鸡(天线)还是先有蛋(RFID)的故事。

超高频RFID由来:人们在长期使用条码之后发现条码有很多弊端,比如识别率比较低,容易被污染。这个时候就想是不是有一种技术可以通过电磁波来实现通信呢?因为电磁波通信不会被需要介质阻挡,不会出现无法识别的问题,加上电磁波的穿透能力可以实现多个物品一起识别。

有了这个想法的科学家们兴奋了,就开始深入研究,发现条码的尺寸基本固定,一般宽高分别小于3英寸(7.5cm)、5英寸(12.5cm),且总面积小于12平方英寸(75cm2)。通过观察超高频RFID的标签可以发现,大部分面积都是天线,只有中间的一个小黑点是芯片。也就是说,标签的大小主要由天线尺寸决定。

既然已经知道了天线尺寸,接下来就要选择工作频率了。人们通过一组测试数据:固定发射天线输出功率及接收天线(RFID标签天线)尺寸,记录不同频率下读距,得到如图2-15所示为不同频率下的工作距离图。


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图2-15不同频率下的工作距离图

从2-15图中可以看到,在800MHz~1GHz的频段范围内,标签工作距离最远。其实早期的手机频率也是在这个频率范围,因为早期的手机尺寸及手机天线尺寸与超高频RFID天线接近,最终做手机协议的科学家就定下了这个频率。随后的故事大家应该都知道了,就是做RFID的科学家由于是晚于手机的制定,只好跟做手机的科学家坐下来开了个会,从人家剩下的频段中找了一段给RFID用。这里声明一下这只是一个故事并非正史,也希望大家通过自己的方式来寻找“超高频RFID的正史”。

故事讲完了,有人就要发问了,为什么天线这么神奇,就只有在这个800M~1GHz的频率才工作距离最远呢?有两种回答:一种是“这就是天意,是上帝创造出来的”;另外一种就是通过经典天线原理或者麦克斯韦方程推算出来。比如通过标准偶极子天线长度与半波长尺寸相比拟,800MHz~1GHz的半波长为15cm~18cm,有宽度的偶极子长度比半波长尺寸略小,可以认为乘以一个系数0.8(宽度越大系数越小),这样就发现与12.5cm非常接近了。

最后插一句,915MHz为无源超高频最好工作频段,美国的RFID科学家就很聪明选择了902MHz到928MHz带宽中心频率915MHz。也难怪UHF RFID创始在美国,最好的频点在美国,最宽的带宽也在美国。实际上,在800MHz~1GHz范围内,超高频RFID标签在不同频率下实际工作距离差异很小,主要还是与标签具体的尺寸相关。

2.2.1天线的定义与分类

1.天线的定义

天线(Antenna)是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换。天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接收(仅仅接收很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机,如图2-16所示。


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图2-16 天线的基本组成

可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统等,凡是利用电磁波来传递信息的,都依靠天线来进行工作。此外,在用电磁波传送能量方面,非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的,这就是天线的互易定理。

2.天线的工作原理

当导线上有交变电流流动时,就可以发生电磁波的辐射,辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图2-17(a)所示,若两导线的距离很近,电场被束缚在两导线之间,因而辐射很微弱;将两导线张开,如图2-17(b)和2-17(c)所示,电场就散播在周围空间,因而辐射增强。

必须指出,当导线的长度L远小于波长λ时,辐射很微弱;导线的长度L增大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,因而就能形成较强的辐射。

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图2-17 电磁波的辐射原理图

3.天线的分类

天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线,进行适当的分类是必要的:

按工作性质可分为发射天线和接收天线。

按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

按方向性可分为全向天线和定向天线等。

按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。

按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。

按维数来分可以分成两种类型:一维天线和二维天线:一维天线:由许多电线组成,这些电线或者像手机上用到的直线,或者是一些灵巧的形状,就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双极天线是两种最基本的一维天线;二维天线:变化多样,有片状(一块正方形金属)、阵列状(组织好的二维模式的一束片)、喇叭状、碟状。

天线根据使用场合的不同可以分为:手持台天线、车载天线、基地天线三大类。


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