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RFID专题:8 天线的参数指标

2022-01-05 10:09:21 明申科技 670

2.2.3 天线的参数指标

影响天线性能的临界参数有很多,通常在天线设计过程中可以进行调整,如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外,发射天线还有最大额定功率,而接收天线则有噪声抑制参数等。这里就对一些常见的对RFID影响和作用最大的一些参数进行详细介绍。

1.谐振频率(Resonance Frequency)

天线一般在某一频率调谐,并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数(尤其是辐射方向图和阻抗)随频率而变,所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。

天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率,另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线,但它的增益相对于窄带天线则要小很多。我们经常遇到同时支持两个差异很大的频率的双频天线,如同时支持2.4GHz和900MHz的天线,其在不同频率的增益就不同。

2.天线阻抗、电压驻波比(VSWR)、回波损耗(Return Loss)

在使用天线的时候,大家经常会讨论你的天线阻抗是多少啊,你的天线VSWR是多少呢?第一个问题很好回答,一般情况下天线的阻抗是50欧(RFID阅读器天线一般都是50欧姆),而VSWR是什么呢?

VSWR翻译为电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio),一般简称驻波比,指的就是行驻波的电压波腹值与电压波节值之比,此值可以通过反射系数的模值计算:VSWR=(1+反射系数模值)/(1-反射系数模值)。从能量传输的角度考虑,理想的VSWR为1,即此时为行波传输状态,在传输线中,称为阻抗匹配;最差时VSWR无穷大,此时反射系数模为1,为纯驻波状态,称为全反射,没有能量传输。由上可知,驻波比越大反射功率越高,传输效率越低。

发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同,要求天线的阻抗也不同。在电子管时代,一方面电子管输出阻抗高,另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广,流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线,因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标准阻抗则多为50欧姆,因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台,那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR来修理你的天线,因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。

当天线阻抗不是50欧姆而电缆为50欧姆时,测出的VSWR值会严重受到天线长度的影响。只有当电缆的电器长度正好为波长的整倍数、而且电缆损耗可以忽略不计时,电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长,电缆有损耗(例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以上),那么电缆下端测出的VSWR还是会比天线的实际VSWR低。所以,测量VSWR时,尤其在UHF以上频段,不要忽略电缆的影响。

在讲VSWR的时候经常会听到一个词回波损耗:Return Loss,回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如,如果注入1mW(0dBm)功率给放大器,其中10%被反射(反弹)回来,回波损耗就是10dB。从数学角度看,回波损耗为10 lg [(入射功率)/(反射功率)]。驻波比VSWR与回波损耗RL之间的换算公式为:RL=20*log10[(VSWR+1)/(VSWR-1)]。在天线匹配上VSWR和Return Loss是可以互换的,只是计算方法不同,其表达的意思是基本一致的。

3.带宽(工作频率)

天线的带宽是指它有效工作的频率范围,通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大,如使用较粗的金属线,使用金属“网笼”来近似更粗的金属线,尖端变细的天线元件(如馈电喇叭中),以及多天线集成的单一部件,使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便,但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。

无论是发射天线还是接收天线,它们总是在一定的频率范围(频带宽度)内工作的,天线的频带宽度有两种不同的定义:

一种是指:在驻波比VSWR ≤1.5条件下,天线的工作频带宽度;

一种是指:天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。

在移动通信系统中,通常是按前一种定义的。具体的说,天线的频带宽度就是天线的驻波比VSWR不超过1.5时,天线的工作频率范围。一般说来,在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的,但这种差异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”指天线辐射方向图中的强度最大值与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线(理想孤立波源辐射),增益的单位为dBi,大家可以理解为dB(isotropic),isotropic是全向的意思,dB是比的意思,即与全向比的增益。比如,偶极子天线(半波阵子)的增益为2.15dBi。偶极子天线也常用作参考天线(这是由于完美全向参考天线无法制造,而理论半波阵子天线与实际偶极子天线增益相似),这种情况下天线的增益以dBd为单位,理解为dB(dipole)。图2-18为理想孤立波源辐射、理论半波阵子辐射和一个四元半波对称振子辐射的天线增益图。

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图2-18理想孤立波源、理论半波阵子与定向天线增益

天线增益是无源现象,天线并不增加激励,而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量(与2.1.3节的射频增益不同)。如果天线在一些方向上增益为正,由于天线的能量守恒,它在其他方向上的增益则为负。因此,天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如,航天器上碟形天线的增益很大,但覆盖范围却很窄,所以它必须精确地指向地球;而广播发射天线由于需要向各个方向辐射,它的增益就很小。

碟形天线的增益与孔径(反射区)、天线反射面表面精度,以及发射、接收的频率成正比。通常来讲,孔径越大增益越大,对于相同的孔径频率越高增益也越大,但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。

孔径和辐射方向图与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的波束截面形状,是二维的(有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角)。辐射方向图则是表示增益的三维图,但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有副瓣。副瓣是指增益中除主瓣(增益最高波束)外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候,会影响天线质量,由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。

天线的方向增益是指:在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。例如:需要100W的输入功率,用增益为G = 20(13dB)的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需100 / 20 = 5W。换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。

增益特性:

  • 天线是无源器件,不能产生能量,天线增益只是将能量有效集中向某特定的方向辐射或接收电磁波能力。

  • 天线增益由振子叠加而产生,增益越高,天线长度越长。

  • 天线增益越高,方向性越好,能量越集中,波瓣越窄。

5.辐射方向图(RadiationPatterns)

天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形,称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图,用功率密度表示的称之功率方向图,用相位表示的称为相位方向图。天线方向图是空间立体图形,但是通常应用的是两个互相垂直的主平面内的方向图,称为平面方向图。在线性天线中,由于地面影响较大,都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中,则采用E平面和H平面作为两个主平面。归一化方向图取最大值为1。

如图2-19所示为垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图又称苹果图,如图2-19(a)所示。立体方向图虽然立体感强,但绘制困难,图2-19(b)与图2-19(c)给出了它的两个主平面方向图,平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图2-19(b)可以看出,在振子的轴线方向上辐射为零,最大辐射方向在水平面上;而从图2-19(c)可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大。

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图2-19垂直放置的半波对称阵子辐射方向图

6.主瓣、旁瓣、波瓣宽度

方向图通常都有两个或多个瓣,其中辐射强度最大的瓣称为主瓣(Main-lobe),其余的瓣称为副瓣或旁瓣(side-lobe)。如图2-20所示,为一个天线的主瓣和旁瓣示意图。

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图2-20天线的主瓣和旁瓣

在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低3 dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(Beam width)又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角如图2-21所示。波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强。一般超高频RFID天线常用3dB波瓣宽度来定义,单位是度数。

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图2-21 -3dB波瓣宽度

还有一种波瓣宽度,即10dB波瓣宽度,顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB(功率密度降至十分之一)的两个点间的夹角,如图2-22所示。

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图2-22 -10dB波瓣宽度

7.前后比、上旁瓣抑制

方向图中,前后瓣最大值之比称为前后比,记为 F/B(Front-to-Back Ratio),如图2-23所示。前后比越大,天线的后向辐射(或接收)越小。前后比F/B的计算十分简单:

F/B=10lg{(前向功率密度)/(后向功率密度)}。

一些系统对天线的前后比F/B有要求,其典型值为(18 ~ 30)dB,特殊情况下则要求达(35 ~ 40)dB。一般的超高频RFID天线对前后比不敏感,只要高于15dB即可;如果是卫星天线等对前后比会要求很高,有很多要求达到35dB。

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图2-23前后比

对于基站天线,人们常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向图中,主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些,如图2-24所示。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户,指向天空的辐射是毫无意义的。在RFID的应用中,同样存在类似的环境,我们需要控制的区域限制严格的时候,可以考虑使用旁瓣抑制的天线。

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图2-24 上旁瓣抑制

8.极化特性——线极化、圆极化、轴比

天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定:电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化天线,也称为线极化(Linear polarized)天线。图2-25给出了两种基本的单极化的情况,图2-25(a)为垂直极化,是最常用的单极化天线;图2-25(b)为水平极化,也经常被用到。

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图2-25 两种基本的单极化特性示意图

当一个天线同时存在两种极化的时候,我们叫做双极化天线,当水平极化和垂直极化相位差90°时,电场磁场相互转换旋转向前辐射,这样就是圆极化天线(Circular Polarized)。如图2-26所示为在X轴方向和Y轴方向随时间变化的线极化矢量,从而形成了圆极化辐射。

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图2-26x/y轴线极化矢量图

对于一般的情况,即正弦时间变化矢量的两个分量(水平极化和垂直极化)的大小、方向和相位均为任意大小,合成矢量的末端轨迹是一个椭圆,它们的合成矢量就是椭圆极化。总的来说,电磁波的极化类型分为线极化、椭圆极化和圆极化。极化波的合成矢量轨迹分别如图2-27所示。

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图2-27极化波

既然椭圆极化两个极化矢量(垂直极化和水平极化)大小存在差异(没有绝对的圆极化天线),那么这里提出一个概念轴比AR(AxisRatio)定义为:

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如图2-28所示:其中OA是半长轴,OB是半短轴。

如果用分贝表示则有

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图2-28 倾角为的椭圆极化

为了反映极化波的旋向,规定AR具有正、负号:对左旋波,AR的符号为正;对右旋波,AR的符号为负。这样,由轴比AR和倾角便确定了任一极化状态。

圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比\AR\,一般是指其最大增益方向上的轴比。对于圆极化波,\AR\=1,即0dB。轴比\AR\不大于3dB的带宽定义为天线的圆极化带宽。在进行RFID天线的设计时,轴比小于3的圆极化天线都被认为实现良好的圆极化。

圆极化波具有以下重要性质:

①圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即沿其传播方向看去,波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转,则称之为左旋圆极化波;若沿传播方向按右手螺旋旋转,则称之为右旋圆极化波。

②一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此,实现圆极化天线的基本原理就是:产生两个空间上正交的线极化电场分量,并使二者振幅相等、相位相差90°。

③任意极化波都可以分解成两个旋向相反的圆极化波。比如,一个线极化波可以分解成两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此,任意极化的来波都可由圆极化波天线接收;同样,圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线接收。在超高频RFID某些应用中,比如机场行李处理系统,为了能在特定范围内提供高方向性和窄波束来更好识别物体,阅读器天线一般设计成线极化,而由于标签摆放的方向不定,为了满足阅读器天线极化特性要求必须实现标签天线的圆极化。

④天线若辐射左旋圆极化波,则只能接收左旋圆极化波而不能接收右旋圆极化波;反之,若天线辐射右旋圆极化波,则只能接收右旋圆极化波而不能接收左旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。在超高频RFID系统应用中应注意天线的极化特性。

⑤圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时,反射波会变为反旋向的。即左旋变右旋,右旋变左旋。根据这个性质,采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。由于不同的物体对波具有不同的反射特性,用圆极化波照射物体,分析接收的反射波可以知道物体的特性,因此,圆极化天线在目标识别中也有着广泛的应用。

9.极化损耗(Loss)、极化隔离(Isolation)

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收,水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收,而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。

当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,接收到的信号都会变小,也就是说,发生极化损失。例如:当用+ 45°极化天线接收垂直极化或水平极化波时,或者,当用垂直极化天线接收+45°极化或-45°极化波时,等等情况下,都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波,或者,用线极化天线接收任一圆极化波,等等情况下,也必然发生极化损失,只能接收到来波的一半能量。

表2-3给出了极化损失的典型实例,应用中可以参考本表计算极化损耗。

表2-3 极化损失的典型实例

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在超高频RFID实际应用中,为了增加取向的多样性,阅读器天线通常设置为圆极化辐射,而大多数的超高频RFID标签都设计成线极化,这时就会产生极化损失,而且标签只能接收到传输功率的一半。比如阅读器天线对于一个线极化标签来说标称8dBi的圆极化天线其实只相当于5dBi的线极化天线;因此在这种情况下如果把阅读器天线换位线极化天线,且极化方向相同,则标签的功率接收可以改善3dB。

当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时,例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波,或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时,天线就完全接收不到来波的能量,这种情况下极化损失为最大,称极化完全隔离。

理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如图2-29所示的双极化天线中,设输入垂直极化天线的功率为10W,结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为10mW。在这种情况下的极化隔离为Loss= 10 lg (10,000 mW / 10 mW) = 30(dB)。

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图2-29 极化隔离

在超高频RFID的一些应用中,我们可以充分的利用极化隔离来避免一些信号的干扰。如在一个车辆管理系统中,有两组电子车牌使用,且需要同时工作,可以一组使用垂直极化,一组使用水平极化,同时阅读器天线也使用垂直极化和水平极化,这时两个阅读器可以同时对靠近的两个标签进行识别,且不会互相干扰,就是利用了极化隔离的技术。

10.天线的输入阻抗Z

定义:天线输入端信号电压与信号电流之比,称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin,即Zin= Rin+ j Xin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取,因此,必须使电抗分量尽可能为零,也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上,即使是设计、调试得很好的天线,其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。

输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关,半波对称振子是最重要的基本天线,其输入阻抗为Zin=73.1+j42.5Ω。当把其长度缩短(3~5)%时,就可以消除其中的电抗分量,使天线的输入阻抗为纯电阻,此时的输入阻抗为Zin=73.1Ω,(标称75欧)。注意,严格的说,纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。

关于超高RFID的阅读器,其输出端口阻抗为50Ω,且常用的平板天线都是50Ω阻抗,正常情况下阅读器和平板天线不用考虑失配问题(平板天线受环境影响不大),但是如果项目中使用的是订制天线(如智能货架、智能书柜),其在不同的环境中的阻抗会有很大的变化(对称阵子类天线容易受到外界影响),在项目实施时尽可能用设备进行测量,如无法提供设备可以用阅读器进行测量(现在一些阅读器提供反射能量参数,通过反射能量与入射能量可以算出VSWR等参数,5.2.3节中有相关介绍)。

关于超高频RFID标签芯片,其阻抗由实部和虚部组成,如15-j150Ω,并不是50Ω,所以标签天线不能直接用50Ω的天线,要根据不同芯片的阻抗进行设计。如果一定是要连接50Ω的平板天线,可以接一段匹配电路使其阻抗变为50Ω。


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