常见天线、天线实例学习

经过20多年的努力发展，超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一，每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中，中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国，在国家对物联网发展的大力支持下，行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而，至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

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

（a）标签偶极子天线          （b）阅读器平板微带天线

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。

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

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。

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。

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）。

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。

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

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。

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。

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。