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RFID专题:9 常见天线、天线实例学习

2022-01-05 10:11:19 明申科技 481

2.2.4 常见天线

在超高频 RFID中常见的天线主要有两类,一类是偶极子,一类是微带天线(本节只讨论远场的天线,近场天线5.3.1节有详细讲解)。如图2-30所示的标签ALN9662(图2-30(a))和一个白色平板(图2-30(b))天线分别是偶极子天线和微带天线的代表。

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(a)标签偶极子天线          (b)阅读器平板微带天线

图2-30 常见超高频RFID天线代表

01、偶极子天线(Dipole Antenna)(对称阵子)

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,单个半波对称振子可简单地独立使用或用作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子,如图2-31(a)所示。

另外,还有一种异型半波对称振子,可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框,并把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩形框称为折合振子,注意,折合振子的长度也是为二分之一波长,故称为半波折合振子,如图2-31(b)所示。

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(a)对称阵子                               (b)半波折合振子

图2-31对称振子与折合振子

在超高频 RFID标签天线中,最常见的为偶极子天线的变形,包括一些手持机设备天线也是偶极子天线。偶极子天线的特点是制作简单,设计方便,极化方向为线极化,其缺点为抗环境影响差,标签周围若有其他物质,对其性能有较大影响。偶极子的天线增益一般情况下为2dBi左右,所以常见的标签天线(抗金属标签不算)、手持机天线(偶极子)增益都为2dBi左右,如果天线尺寸偏小,其增益就会变小,如0dBi或者-2dBi的标签天线很多。但是对于4dBi的标签天线,除非特殊工艺尺寸很大,否则很难实现。值得一提的是,偶极子天线没有前后比的概念,其辐射方向是全向的。

02、微带天线

微带天线(Micro Strip Antenna)在一个薄介质基片上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片,利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。按结构特征把微带天线分为两大类,即微带贴片天线和微带缝隙天线。

超高频RFID中最常见的微带天线为贴片天线,如图2-32所示为一个最简单的贴片微带天线图。

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图2-32 一个简单的贴片微带天线图

微带天线利用接地板(反射板),把辐射能控制到单侧方向。如图2-33的水平面方向图说明了反射面的作用,反射面把功率反射到单侧方向,提高了增益。

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图2-33 水平反射板辐射方向图

阅读器使用的陶瓷天线就是利用这个原理,如图2-34为各种尺寸的陶瓷天线。陶瓷天线有很多弊端,比如其轴比很差(2dB-5dB不等),尤其在手持机使用上时,标签旋转一下,工作距离可能会大幅降低,给客户带来很多困扰(详细的阅读器天线应用讨论请见5.3.1节)。

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图2-34 陶瓷天线

如果仔细观察会发现陶瓷天线上会有各式各样的划痕,这些划痕是为了调整谐振频率。因为陶瓷的介电常数很高,在烧制的过程中由于工艺和材料的问题,每个批次的产品的介电常数都不太相同,这就需要进行调整。

如果对性能要求比较高,就需要稳定性比较高的天线,图2-35的天线就是一款常用的圆极化手持机天线(不是微带天线),其特点是一致性好、增益高、轴比小于2,其圆极化特性很好(水平方向与垂直方向工作距离一样远)。这个天线的工作原理是利用4个单极子天线,其相位各相差90°,最终形成一个轴比较好的圆极化天线。

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图2-35 四臂阵子手持机天线

超高频 RFID固定式阅读器最常用的天线为平板天线,也是微带天线。总结一下微带天线的特点:

体积小,重量轻。超高频 RFID应用中智能仓库中的货架和叉车都经常安装微带天线。

电性能多样化。不同设计的微带元,最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整;易于得到各种极化。超高频 RFID在交通应用中常使用线极化天线,而在智能书架多采用圆极化天线。

易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。超高频 RFID的许多PDA设备和手持设备都安装平板天线,还可以作为一体机使用。

2.2.5 天线实例学习

本节对一款超高频 RFID中常用的天线Laird S8658WPR进行分析,对它的产品说明书(Datasheet)进行讲解,并讲解天线的每一个参数与超高频RFID应用的关系。

01、天线特性(AntennaCharacteristics)

这款天线的天线特性如表2-4所示,其中:

天线编号(Antenna Part Number):S8658WPR72RTN。

频率(Frequency):天线的工作频率为865-956MHz,是一个带宽接近100M的天线,可以在美国和中国以及欧洲使用。这个指标非常重要,许多天线的带宽很窄,在选择天线时要注意。

天线增益(Gain):6dBil max;dBil是指与全向天线比的线极化增益大小,可以理解为dB+i (isotropic))+l(linearpolarization)。这里的天线增益为6dBil并非6dBi,请一定要注意。由于天线是圆极化天线,也可以理解为该天线是最大增益为9dBi的圆极化天线。

轴比(AxialRatio):2dB。

天线阻抗(Nominal Impedance):50欧姆。

极化特性(Polarization):RHCP(RightHand Circular Polarized)右手圆极化,常见的还有LHCP 为左手圆极化天线。超高频RFID应用中主要使用右手圆极化天线。

电压驻波比(VSWR):小于1.4:1;这里强调Free Space表示在自由空间中的驻波比,而不是在其它介质中或正面靠近金属的驻波比。在超高频RFID的应用中一般要求驻波比小于2:1即可使用,建议天线小于1.5:1。

水平极化方向3dB波瓣宽度(Horizontal 3dB Beamwidth):65°(本节的辐射图部分会做详细解释)。

垂直极化方向3dB波瓣宽度(Vertical 3dB Beamwidth):65°。

前后比(Front Back Ratio):18dB。在超高频 RFID的应用中这个参数并不重要,只要达到15dB即可。

连接馈线(Pigtail):72英寸(1.8m);1英寸=0.0254米。Pigtail字面意思是猪尾巴,其实是指天线的馈线的长度。在超高频RFID应用和项目中,一定要注意馈线的长度,是否要增加额外的馈线,比如智能交通系统的馈线长度为6m,而这个天线自带的馈线只有1.8m,就需要再采购4.2m的射频馈线。

射频接头(RF Connector):Rev-Polarity TNC(M),反极性TNC接头(公头),其中(M)代表(Male)公头,如果是(F)代表(Female)母头,TNC是一种常用的接头,还有常用的为SMA接头和N型接头。在超高频RFID的应用中一定要注意接头的型号,尤其是在有转接设备馈线的情况下,以免买回来的天线和阅读器馈线无法连接在一起。

输入功率(Power):最高输入功率2瓦,限制阅读器输出功率不能超过2瓦,否则天线会受损或天线的性能会发生变化。

重量(Weight):天线重量2.5lbs 其中1lbs=0.4532kg,天线重量约为1.1kg。

RoHS认证通过:RoHS Compliant,现在的大公司都需要有RoHS认证的要求。

表2-4 莱尔德天线特性表

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02、VSWR与频率

如图2-36所示,为该天线在不同频率下的驻波比,从数据看这个天线的驻波比非常理想,从865MHz到956MHz所有的频点都在1.2之下,在915M频率附近的驻波比最好,最适合用在中国频段和美国频段应用。一般正规的天线厂商都会提供VSWR频率图。

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图2-36 VSWR与频率图

03、天线辐射图

如图2-37所示,为天线辐射方向定义图,定义天线的垂直极化和水平极化的初始角度,方便理解后面的辐射图。

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图2-37 天线辐射方向定义图

图2-38为865MHz时的天线辐射方向图,共三张,分别为A方向线极化增益图,B方向线极化增益图以及轴向的增益图。可以看到图2-38(a)和图2-38(b)很相似,且轴向辐射图2-38(c)为一个圆形。一个圆极化微带天线的辐射图,基本都是通过三张辐射图的的形式展现。利用刚刚学过的天线知识,通过分析图可以看到天线的3dB波瓣宽度、10dB波瓣宽度前后比等参数。同时,可以看到旁瓣值很小基本都在主瓣的背后。图2-38(c)表明天线的轴比很好,圆极化特性很好。在超高频RFID项目中,选择天线,一定要关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,在类似仓库管理的项目实施时会遇到很大问题,请慎重选择。

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(a)A方向极化辐射 (b)B方向极化辐射 (c)轴向辐射

图2-38 865MHz时的天线辐射方向图

图2-39和图2-40也是辐射特性图,其频点分别是915MHz和956MHz,其目的是通过这3组不同频率的天线辐射图让客户更加了解天线的特性,这三个频率分别是中心频率和边界频率,足以说明天线的性能稳定各项指标达标。

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(a)A方向极化辐射 (b)B方向极化辐射 (c)轴向辐射

图2-39 915MHz辐射特性图

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(a)A方向极化辐射 (b)B方向极化辐射(c)轴向辐射

图2-40 956MHz辐射特性图

04、轴比Axial Ratio与频率

如图2-41所示为天线在不同频率下的轴比图,从图中可以看到,其轴比全部小于2dB,且在大部分频率范围只有1dB左右,说明这个天线的圆极化特性非常好。刚刚在天线辐射图中我们通过图2-38(c)可以看到天线的圆极化特性很好,但是具体轴比数据通过轴比图来了解更加准确。通过这个参数就可以更加了解并有效使用该天线,无论标签如何旋转贴放(面对面放置),其最远与最近工作距离差小于10%(1dB对应工作距离约10%,具体计算可参照2.3.1节)。

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图2-41 天线在不同频率下的轴比图

05、线极化峰值增益角度(Peak Gain Angle Linear)

如图2-42所示线极化增益角度与频率图。对于此图,我们重点关注天线辐射最大增益的时候,是不是在0°的位置。根据图2-24(a),A方向线极化峰值增益正好在0°的位置,性能非常好。在超高频RFID的应用中这一点非常重要,比如在车辆管理的时候,要求采集每个车道哪辆车通过,天线对车道的扫描范围要求很高,就需要准确了解天线的最强增益的角度。图2-24(b)所示为B方向的线极化峰值增益角度与频率图,可以看到其并不是在0°位置,而是在1°~5°之间,在要求严格的项目应用中需要调整并校准位置。

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(a) A方向极化 (b) B方向极化

图2-42线极化增益角度与频率图

06、波瓣宽度与频率

如图2-43所示,分别为波瓣宽度与频率的关系和在两个极化方向的3dB波瓣宽度与频率的关系,其宽度随着频率变大而变小。一般情况下,天线在频率高的时候增益高,波瓣宽度窄。在超高频RFID的项目中,由于不同地区使用的频率不同,就要根据频率来确定波瓣宽度从而计算覆盖范围。具体的测试和应用方法会在6.1.3节进行详细讲解。

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(a)A方向极化 (b) B方向极化

图2-43 波瓣宽度与频率的关系图

07、前后比(Front to Back)

图2-44为天线的前后比,其前后比随着频率的增加而降低,最低点为16.8dB。该天线的前后比大于15dB,在一般的超高频RFID项目中可以正常使用。

这里举一个关于超高频 RFID项目中关于前后比的实际案例。有一个通道天线固定在支架上,其前后比为12dB,天线正方向读取标签的距离为8m,在项目运行中经常发现莫名其妙多读到很多标签,经过检查发现,在天线的正后方1m多的一些地方依然可以稳定的读取标签,原因就是这个前后比太差。最终的解决办法就是在天线的背板后面又放了一个金属板才解决了平板天线背后读取标签的问题。

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图2-44 天线的前后比

08、测试环境(Test Equipment summary)

图2-45为该天线的测试环境,分别为测试驻波比和测辐射方向图的测试环境。其中测试驻波比用的是安捷伦的E5071B网络分析仪,测试暗室为高36英寸、宽36英寸、深34英寸(可以理解为一个1m*1m*1m的立方体),其内部的吸波材料为底为2×2英寸高为5英寸的方锥。辐射方向图的暗室就大很多了,测试天线距离被测天线之间的距离为8.8m,天线的中心距离地面72英寸(暗室的高度为144英寸)。测试时使用单轴、单测试源测试的方法(关于暗室的详细介绍请参照6.1.1节)。

莱尔德让我们了解他的测试环境和测试方法,是想告诉我们他的天线是经过认真测试的,当然如果要设计和测试天线,可以直接照搬他的测试方法。

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图2-45 天线的测试环境

09、增益与频率

莱尔德的天线说明书介绍完毕,其中还有一个很重要的指标说明书没有列出,就是增益与频率。这里通过Huber+Suhner公司的SPA8090这款天线进行分析。SPA8090天线是一个线极化天线,如图2-46所示,增益随频率变化是有波动的,960MHz增益比800MHz整整高1dB。在标签性能测试或高精度测试时需要精确的知道阅读器天线的频率增益曲线,一般高端的阅读器天线会提供相应报告。

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图2-46 SPA8090天线增益频谱图

10、装配图

装配图是指天线的尺寸和固定孔位信息。对现场施工的影响很大,在前期做方案的时候就要考虑,如图2-47所示,为Alien公司的ALR-8696C的天线装配图。从这个装配图上同样可以获得很多信息,如孔径,孔位置,馈线长度等。

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图2-47 ALR-8696C的天线装配图

经过前面的天线实例学习,我们知道了一个天线的每一个参数应该怎么理解,如何选型。但是并不是所有的公司都会提供齐全的产品资料,一些天线厂家只提供一份参数表和一个非常简单的辐射方向图,最后附上一张装配图。大家一定要灵活的运用自己学到的知识灵活的分析这些给出的参数,根据自己的需求进行选择。


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