常見天線、天線實例學習

經過20多年的努力發展，超高頻RFID技術已經成為物聯網的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產品的主要生產國，在國家對物聯網發展的大力支持下，行業應用和整個生態的發展十分迅猛。然而，至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

2.2.4 常見天線

在超高頻 RFID中常見的天線主要有兩類，一類是偶極子，一類是微帶天線（本節只討論遠場的天線，近場天線5.3.1節有詳細講解）。如圖2-30所示的標簽ALN9662（圖2-30（a））和一個白色平板（圖2-30（b））天線分別是偶極子天線和微帶天線的代表

（a）標簽偶極子天線          （b）閱讀器平板微帶天線

01、偶極子天線(Dipole Antenna)(對稱陣子)

對稱振子是一種經典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地獨立使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。

兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子，如圖2-31（a）所示。

另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子，如圖2-31（b）所示。

（a）對稱陣子                               （b）半波折合振子

在超高頻 RFID標簽天線中，最常見的為偶極子天線的變形，包括一些手持機設備天線也是偶極子天線。偶極子天線的特點是制作簡單，設計方便，極化方向為線極化，其缺點為抗環境影響差，標簽周圍若有其他物質，對其性能有較大影響。偶極子的天線增益一般情況下為2dBi左右，所以常見的標簽天線（抗金屬標簽不算）、手持機天線（偶極子）增益都為2dBi左右，如果天線尺寸偏小，其增益就會變小，如0dBi或者-2dBi的標簽天線很多。但是對于4dBi的標簽天線，除非特殊工藝尺寸很大，否則很難實現。值得一提的是，偶極子天線沒有前后比的概念，其輻射方向是全向的。

02、微帶天線

微帶天線（Micro Strip Antenna）在一個薄介質基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構成的天線。按結構特征把微帶天線分為兩大類，即微帶貼片天線和微帶縫隙天線。

超高頻RFID中最常見的微帶天線為貼片天線，如圖2-32所示為一個最簡單的貼片微帶天線圖。

微帶天線利用接地板（反射板），把輻射能控制到單側方向。如圖2-33的水平面方向圖說明了反射面的作用，反射面把功率反射到單側方向，提高了增益。

閱讀器使用的陶瓷天線就是利用這個原理，如圖2-34為各種尺寸的陶瓷天線。陶瓷天線有很多弊端，比如其軸比很差（2dB-5dB不等），尤其在手持機使用上時，標簽旋轉一下，工作距離可能會大幅降低，給客戶帶來很多困擾（詳細的閱讀器天線應用討論請見5.3.1節）。

如果仔細觀察會發現陶瓷天線上會有各式各樣的劃痕，這些劃痕是為了調整諧振頻率。因為陶瓷的介電常數很高，在燒制的過程中由于工藝和材料的問題，每個批次的產品的介電常數都不太相同，這就需要進行調整。

如果對性能要求比較高，就需要穩定性比較高的天線，圖2-35的天線就是一款常用的圓極化手持機天線（不是微帶天線），其特點是一致性好、增益高、軸比小于2，其圓極化特性很好（水平方向與垂直方向工作距離一樣遠）。這個天線的工作原理是利用4個單極子天線，其相位各相差90°，最終形成一個軸比較好的圓極化天線。

超高頻 RFID固定式閱讀器最常用的天線為平板天線，也是微帶天線。總結一下微帶天線的特點：

體積小，重量輕。超高頻 RFID應用中智能倉庫中的貨架和叉車都經常安裝微帶天線。

電性能多樣化。不同設計的微帶元，最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內調整；易于得到各種極化。超高頻 RFID在交通應用中常使用線極化天線，而在智能書架多采用圓極化天線。

易集成。能和有源器件、電路集成為統一的組件。超高頻 RFID的許多PDA設備和手持設備都安裝平板天線，還可以作為一體機使用。

2.2.5 天線實例學習

本節對一款超高頻 RFID中常用的天線Laird S8658WPR進行分析，對它的產品說明書（Datasheet）進行講解，并講解天線的每一個參數與超高頻RFID應用的關系。

01、天線特性（AntennaCharacteristics）

這款天線的天線特性如表2-4所示，其中：

天線編號（Antenna Part Number）：S8658WPR72RTN。

頻率（Frequency）：天線的工作頻率為865-956MHz，是一個帶寬接近100M的天線，可以在美國和中國以及歐洲使用。這個指標非常重要，許多天線的帶寬很窄，在選擇天線時要注意。

天線增益（Gain）：6dBil max；dBil是指與全向天線比的線極化增益大小，可以理解為dB+i (isotropic)）+l（linearpolarization）。這里的天線增益為6dBil并非6dBi，請一定要注意。由于天線是圓極化天線，也可以理解為該天線是最大增益為9dBi的圓極化天線。

軸比（AxialRatio）:2dB。

天線阻抗（Nominal Impedance）：50歐姆。

極化特性（Polarization）：RHCP（RightHand Circular Polarized）右手圓極化，常見的還有LHCP 為左手圓極化天線。超高頻RFID應用中主要使用右手圓極化天線。

電壓駐波比（VSWR）：小于1.4:1；這里強調Free Space表示在自由空間中的駐波比，而不是在其它介質中或正面靠近金屬的駐波比。在超高頻RFID的應用中一般要求駐波比小于2：1即可使用，建議天線小于1.5:1。

水平極化方向3dB波瓣寬度（Horizontal 3dB Beamwidth）:65°（本節的輻射圖部分會做詳細解釋）。

垂直極化方向3dB波瓣寬度（Vertical 3dB Beamwidth）:65°。

前后比（Front Back Ratio）：18dB。在超高頻 RFID的應用中這個參數并不重要，只要達到15dB即可。

連接饋線（Pigtail）：72英寸（1.8m）；1英寸=0.0254米。Pigtail字面意思是豬尾巴，其實是指天線的饋線的長度。在超高頻RFID應用和項目中，一定要注意饋線的長度，是否要增加額外的饋線，比如智能交通系統的饋線長度為6m，而這個天線自帶的饋線只有1.8m，就需要再采購4.2m的射頻饋線。

射頻接頭（RF Connector）：Rev-Polarity TNC（M），反極性TNC接頭（公頭），其中（M）代表（Male）公頭，如果是（F）代表（Female）母頭，TNC是一種常用的接頭，還有常用的為SMA接頭和N型接頭。在超高頻RFID的應用中一定要注意接頭的型號，尤其是在有轉接設備饋線的情況下，以免買回來的天線和閱讀器饋線無法連接在一起。

輸入功率（Power）：最高輸入功率2瓦，限制閱讀器輸出功率不能超過2瓦，否則天線會受損或天線的性能會發生變化。

重量（Weight）：天線重量2.5lbs 其中1lbs=0.4532kg，天線重量約為1.1kg。

RoHS認證通過：RoHS Compliant，現在的大公司都需要有RoHS認證的要求。

表2-4 萊爾德天線特性表

02、VSWR與頻率

如圖2-36所示，為該天線在不同頻率下的駐波比，從數據看這個天線的駐波比非常理想，從865MHz到956MHz所有的頻點都在1.2之下，在915M頻率附近的駐波比最好，最適合用在中國頻段和美國頻段應用。一般正規的天線廠商都會提供VSWR頻率圖。

03、天線輻射圖

如圖2-37所示，為天線輻射方向定義圖，定義天線的垂直極化和水平極化的初始角度，方便理解后面的輻射圖。

2-38為865MHz時的天線輻射方向圖，共三張，分別為A方向線極化增益圖，B方向線極化增益圖以及軸向的增益圖。可以看到圖2-38（a）和圖2-38（b）很相似，且軸向輻射圖2-38（c）為一個圓形。一個圓極化微帶天線的輻射圖，基本都是通過三張輻射圖的的形式展現。利用剛剛學過的天線知識，通過分析圖可以看到天線的3dB波瓣寬度、10dB波瓣寬度前后比等參數。同時，可以看到旁瓣值很小基本都在主瓣的背后。圖2-38（c）表明天線的軸比很好，圓極化特性很好。在超高頻RFID項目中，選擇天線，一定要關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，在類似倉庫管理的項目實施時會遇到很大問題，請慎重選擇。