物联网射频识别(RFID)技术与应用_-_第3章教材.ppt

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1、,物联网射频识别（RFID）技术与应用,第3章 RFID天线技术,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.1.1 天线定义 凡是利用电磁波来传递信息和能量的，都依靠天线来进行工作，天线是用来发射或接收无线电波的装置和部件。 天线是无线通信系统的第一个器件和最后一个器件。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,图3.1 无线通信中的天线,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.1.2 天线分类 天线按照结构分类如下。 （1）线状

2、天线 （2）面状天线 （3）缝隙天线 （4）微带天线,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.1.3 天线的电参数 1.天线的效率 天线在工作时，并不能将输入天线的能量全部辐射出去。天线的效率定义为天线的辐射功率 与输入功率 的比值，即： （3.1）,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.输入阻抗 天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流的比值，即： （3.2） 天线的输入端是指天线与馈线的连接处。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.方向性函数 天线的方向性函数是指以天线为中心，天线辐射场与空间方向的关系。 例如，电基本振子的

3、电场为 方向性函数为,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.方向图 （1） E面方向图（2） H面方向图（3）立体方向图 电基本振子的方向图 E面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。,点击此处结束放映,2021/8/9,水平面波束宽度 = 360 垂直面波束宽度= 78,方向图象一个“汽车轮胎”,2021/8/9,将“轮胎”压扁，信号就越集中，实际使用的天线就是采用一个或者多个辐射单元来实现的。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（4）主瓣宽度：分为半功率波瓣宽度和零功率波瓣宽度，电基本振子半功率波瓣宽

4、度为900 （5）旁瓣电平：旁瓣电场最大值与主瓣最大值之比。 （6）前后比：天线最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,5.方向性系数 在离开天线某一距离处，天线在最大辐射方向上产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，称为天线的方向性系数。 电基本振子的方向性系数为1.5。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,6.增益 增益定义为当天线与理想无方向性天线的输入功率相同时，两种天线在最大辐射方向上辐射功率密度之比。增益同时考虑了天线的方向性系数和效

5、率。 dBi和dBd是功率增益的单位，两者都是相对值。 dBi的参考基准为全方向性天线；dBd的参考基准为偶极子。一般认为dBi和dBd表示同一个增益，用dBi表示的值比dBd用表示的值要大2.15，（即 dBi=dBd+2.15）。 G(dBi)=10lgGi G(dBd)=10lgGd GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi）。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,7.有效长度 很多天线上的电流分布是不均匀的。天线有效长度的定义是，在保持实际天线最大辐射方向上场强不变的前提下，假设天线上的电流为均匀分布，电

6、流的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度为有效长度。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,8.极化 天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。 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的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化是最常用的；水平极化也是要被用到的,点击此处结束放映,2021/8/9,9.频带宽度 天线的所有电参数都与频率有关。将天线的电参数保持在规定技术指标要求之内的频率范围，称为天线的工作频带宽度，简称为天线的带宽。,物联网

7、射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.2.1 对称振子天线 对称振子天线是一种应用广泛的基本线形天线，由两个臂长为l,半径为a的直导线构成，两个内端点为馈电点。它既可以单独使用，又可以作为天线阵的单元。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.对称振子天线的辐射场 对称振子天线的辐射电场为 （3.8）,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.对称振子天线的方向图,点击此处结束放映,（a）称为半波对称振子 （b）称为全波对称振子 （c）主辐射方向发生改变，不能使用 （d）主辐射方向发生改变，不能使用,物

8、联网射频识别（RFID）技术与应用,3.2.2 引向天线 引向天线又称为八木天线，是一种广泛应用于米波和分米波的天线。引向天线是一个紧耦合寄生振子端射阵，它由一个有源振子、一个反射振子（稍长于有源振子）和若干个引向振子（稍短于有源振子）构成，除有源振子通过馈线与信号源或接收机连接外，其余振子均为无源振子。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,有源振子为半波长，主要作用是提供辐射能量；无源振子由反射振子和引向振子构成，主要作用是是辐射能量集中到天线的端向。引向天线的主辐射方向为“由反射振子只想引向振子”的方向。以下为八个振子称为八元引向天线，振子数目越多，增益越大，但当振子数

9、目达到8个以上时，增益增加的就有限了。 图3.9 引向天线,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.2.3 螺旋天线 （a）D/0.46 图3.10 螺旋天线及其方向图,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.2.4 微带天线 微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，矩形微带贴片天线尺寸为d x L，基片厚度为h0,0为自由空间波长。该贴片可看作为长为d，宽为L的一段微带传输线，沿d边终端处呈现开路，因而将形成电压波腹与宽度为W的导带馈线相连，一般取d=g/2，g为微带天线上波长，于是d边另一端也呈电压波腹，天线的辐射主要就由贴

10、片与接地板之间沿着两端的L边隙缝形成，于是矩形贴片可表示为相距d的两条具有复导纳的隙缝。通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，在导体贴片与接地板之间激励器高频电磁场，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。 图3.11 微带天线,点击此处结束放映,2021/8/9,由于微带天线具有一系列突出优点，因此在很多领域内获得了广泛的应用，如：卫星通信，多普勒及其他雷达，射频测量计，指挥和控制系统，导弹遥测，武器引信，环境检测仪表和遥感，卫星导航接收，生物医学辐射器等等。在某些领域内还可望取代常规的微波天线。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3

11、.3.1 RFID天线的应用现状 1. RFID天线应用的一般要求 （1）电子标签天线 RFID天线必须足够小； RFID天线提供最大可能的信号和能量给标签的芯片； RFID天线具有鲁棒性； RFID天线非常便宜。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（2）读写器天线 读写器天线既可以与读写器集成在一起，也可以采用分离式；读写器天线设计要求多频段覆盖；应用智能波束扫描天线阵。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2. RFID天线的极化 有些应用可以采用线极化，例如在流水线上，这时电子标签的位置基本上是固定不变的，电子标签的天线可以采用线极化方式。但在大

12、多数场合，由于电子标签的方位是不可知的，所以大部分RFID系统采用圆极化天线。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3. RFID天线的方向性 如果天线波瓣宽度越窄，天线的方向性越好，天线的增益越大，天线作用的距离越远，抗干扰能力越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。 4. RFID天线的阻抗问题 为了以最大功率传输，芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,5. RFID的环境问题 电子标签天线的特性，受所标识物体的形状和电参数影响。例如，金属对电磁波有衰减作用，金属表面对电磁波有反射作用，弹性衬底会造成天线变形等，这

13、些影响在天线设计与应用中必须加以解决。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.3.2 RFID天线的设计现状 1. RFID电子标签天线的设计 小尺寸要求，低成本要求，所标识物体的形状及物理特性要求，电子标签到贴标签物体的距离要求，金属表面的反射要求等。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2. RFID读写器天线的设计 要求低剖面（比如微带天线可以做得很薄，介质基片的厚度一般在0.51.2毫米之间，这种薄的天线非常适用于高速飞机及空间飞行器使用，因为天线可以平装的贴在飞机及诸如火箭，导弹，卫星等空间飞行器表面上，既不会妨碍外部的气流而有利于空气动力学

14、和力学设计，又不向内凸出，节省了飞行器内部的空间）、小型化以及多频段覆盖。还将涉及到天线阵的设计问题，小型化带来的低效率、低增益问题等。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3. RFID天线的设计步骤,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.3.3 低频和高频RFID天线技术 在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线。线圈之间存在互感，使一个线圈的能量可以耦合到另一个线圈，因此读写器天线与电子标签天线之间是采用电感耦合的方式工作。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.低频和高频RFID天线的结构和图片,点击此处结束放

15、映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,低频和高频RFID天线有如下特点。 天线都采用线圈的形式； 线圈可以是圆形环，也可以是矩形环； 天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.低频和高频RFID天线的磁场 “短圆柱形线圈”在周围产生的磁场为 (3.11),点击此处结束放映,2021/8/9,“短圆柱形线圈”在周围产生的磁场有如下特点：,（1）磁场与线圈的匝数N有关，线圈的匝数越大，磁场越强。一般低频线圈的匝数较多，有几百至上千圈；高频线圈的匝数较少，有几至几十圈。 （2）当被测点沿线圈的轴线离开线圈时，如果

16、zR,磁场的强度几乎不变，当z=0时，磁场的共识简化为 （3）但被测点沿线圈的轴线离开线圈较大时，即zR时，磁场强度的衰减与z的三次方成比例，衰减比较急剧，衰减为60dB/10倍距离，这是磁场公式简化为：,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.低频和高频RFID天线的最佳尺寸 线圈天线的最佳尺寸，是指线圈上的电流为常数，且与天线的距离为常数时，线圈的尺寸与产生磁场的关系。以圆环形线圈为例，最大磁场与线圈尺寸的关系为： (3.15) 上式表明：当距离z为常数时，当线圈半径满足上式时，可以获得最大磁场；当距离为z=0.707R,可以获得最大磁场,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术

17、与应用,3.3.4 微波RFID天线技术 1.微波RFID天线的结构和图片,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,微波RFID天线有如下特点。 微波RFID天线的结构多样； 适合粘帖在各种物体的表面； 很多是在条带上批量生产； 电子标签的尺寸主要是由天线决定的。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.微波RFID天线的应用方式,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.RFID天线的设计 （1）弯曲偶极子天线 （2）微带天线,点击此处结束放映,1、一般说偶极天线是指天线两臂的几何尺寸或结构形式完全对称，即中心馈电的对称振子； 2、若两臂

18、的结构或尺寸不完全相对应，则称为不对称偶极天线。 3、若偶极天线的一臂长度为零并将馈点直接接地，另一臂垂直于地面架设则构成单极天线。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法。低频RFID电子标签天线基本是采用绕线方式制作而成；高频RFID电子标签天线利用以上三种方式均可实现，但以蚀刻天线为主，其材料一般为铝或铜；UHF RFID电子标签天线则以印刷天线为主。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.4.1 线圈绕制法,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与

19、应用,线圈绕制法的特点如下： 频率范围在125-134 KHz 的电子标签只能采用这种工艺；线圈的圈数一般在几百到上千 成本高，生产速度慢； 高频RFID天线也可以采用这种工艺，线圈的匝数一般在几到几十； UHF(超高频，300-3000MHz)天线很少采用这种工艺。 芯片和天线采用焊接技术，易出现虚焊，假焊，偏焊等问题；,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.4.2 蚀刻法 在一个塑料薄膜上层压一个平面铜箔片，然后再铜箔片上涂覆光敏胶，干燥后，通过一个正片（具有所需形状的图案），对其进行光照，然后放入化学显影液中，感光胶的光照部分被洗掉，露出铜，再放入蚀刻池，所有未被感

20、光胶覆盖部分的铜被蚀刻掉，从而得到所需形状的天线。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,蚀刻法的特点如下。 蚀刻天线精度高，天线性能优异且稳定； 缺点就是成本太高； 高频电子标签常采用这种工艺，耐用年限为10年以上。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.4.3 印刷法 印刷天线是直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜）上印刷导电线路，形成天线和电路。 可用于大量制造13.56MHz和UHF频段的RFID电子标签，该工艺优点是：产出最大，成本最低；缺点是：电阻大，附着力低，耐用年限短；,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.印刷天线的特点 可更加精确地调整电性能参数； 可满足各种个性化要求； 可使用各种不同基体材料； 可使用各种不同厂家提供的晶片模块。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2. RFID印刷天线应用价值 （1）促进各行业RFID应用。 （2）促进印刷产业发展。,点击此处结束放映,