第二章 RFID射頻原理

1、第二章 RFID系統(tǒng) 的射頻基本原理 將傳輸線中的高頻電磁能將傳輸線中的高頻電磁能 轉(zhuǎn)成為轉(zhuǎn)成為 自由空間的電磁波，或反之將自由空自由空間的電磁波，或反之將自由空 間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻 電磁能。因此，要了解天線的特性就電磁能。因此，要了解天線的特性就 必然需要了解自由空間中的電磁波及必然需要了解自由空間中的電磁波及 高頻傳輸線的一些相關(guān)的知識。高頻傳輸線的一些相關(guān)的知識。 一、天線的作用一、天線的作用 導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射， 輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān)輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀

2、有關(guān). .如由于兩導(dǎo)線的距離很如由于兩導(dǎo)線的距離很 近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將 兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動 勢方向相同，因而輻射較強。當(dāng)導(dǎo)線的長度勢方向相同，因而輻射較強。當(dāng)導(dǎo)線的長度 L L遠小于波長時，導(dǎo)線的電流很遠小于波長時，導(dǎo)線的電流很 小，輻射很微弱小，輻射很微弱. . 當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大

3、大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射 的直導(dǎo)線稱為振子。的直導(dǎo)線稱為振子。 二二.天線輻射電磁波的基本原理天線輻射電磁波的基本原理 天線可視為一個四端網(wǎng)絡(luò)天線可視為一個四端網(wǎng)絡(luò) 同軸線變化為天線同軸線變化為天線 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一兩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。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合波長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合 起來的，稱為折合振子。起來的，稱為折合振子。 1/2波長波長 一個一個1/2波長的對稱振子波長的

4、對稱振子 在在 800MHz 約約 200mm長長 400MHz 約約 400mm 長長 1/4波長波長 1/4波長波長 1/2波長波長 振子振子 波長波長 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的 頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能 輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將 減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。 有幾種不同的定義：有幾種不同的定義： 一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；一種是指天線

5、增益下降三分貝時的頻帶寬度； 一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。 在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說， 就是當(dāng)天線的輸入駐波比就是當(dāng)天線的輸入駐波比1.51.5時，天線的工作帶寬。時，天線的工作帶寬。 半波振子上的場分布半波振子上的場分布 在在 820 MHz 1/2 波長波長 為為 180mm, 在在890 MHz 為為 170mm 175mm對對 850MHz 將是最佳的將是最佳的 該天線的頻帶寬度該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz 當(dāng)天線的工作波長不是最佳時天線

6、性能要下降當(dāng)天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降 在在 850MHz 1/2 波長振子波長振子 最佳最佳 在在 890 MHz 天線振子天線振子 在在 820 MHz 在天線工作頻帶內(nèi)在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多天線性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。 自由空間中的電磁波自由空間中的電磁波 . . 無線電波無線電波 什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式， 在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時 這兩者又都垂直于傳播方向。這兩者又都垂直于傳播方向。 無線電波無線電波有

7、點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。 無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)。無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)。 無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用 公里秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為：公里秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為： /，式中，式中為傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù)?？諝獾南鄬閭鞑ッ劫|(zhì)的相對介電常數(shù)?？諝獾南鄬?介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于。 因此，無線電波在空因此，無線電波在空 氣中的傳播速度略小于光速氣中的傳播速度略小于光速

8、 ，通常我們就認為它等于光，通常我們就認為它等于光 速。速。 電磁波的傳播電磁波的傳播 電場電場 電場電場 電場電場 振子振子 電波傳輸方向電波傳輸方向 磁場磁場 磁場磁場 可用式可用式 / / 表示。表示。 式中，為速度，單位為米式中，為速度，單位為米/ /秒；秒； 為頻率，單位為赫茲；為頻率，單位為赫茲； 為波長，單位為米。為波長，單位為米。 由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒 質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。 我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介我們通常

9、使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介 電常數(shù)電常數(shù)約為約為2.12.1，因此，因此，/1.44 /1.44 ，/1.44 /1.44 。 波長波長 無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系 無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化 的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電 波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為 垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平

10、行，則稱它為水平極垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極 化波化波。 . . 無線電波的極化無線電波的極化 垂直極化垂直極化水平極化水平極化 + 45度傾斜的極化度傾斜的極化 天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向 - 45度傾斜的極化度傾斜的極化 五五. .天天線的極化線的極化 3.圓極化波圓極化波 如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓 極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們 就叫它為圓極

11、化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓 極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化 波要用具有水平極化特性的天線來接收；波要用具有水平極化特性的天線來接收； 右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左 旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極 化方向與接收

12、天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要 產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用 線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生分貝的極化損失， 即只能接收到來波的一半能量；即只能接收到來波的一半能量； 兩個天線為一個整體兩個天線為一個整體 V/H (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45) 傳輸兩個獨立的波傳輸兩個獨立的波 1. 雙極化天線雙極化天線 2.極化損失極化損失 當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向

13、不一致時，當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時， 在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極 化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓 極化波時，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，即只能接收到極化波時，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，即只能接收到 來波的一半能量；來波的一半能量； 當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化） 與來波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全正與來波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全正 交時，接收天線也就完全接收不到

14、來波的能量，這時稱交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱 來波與接收天線極化是隔離的。來波與接收天線極化是隔離的。 隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極 化中出現(xiàn)的比例 1000mW (即即1W)1mW 在這種情況下的隔離為在這種情況下的隔離為 10log(1000mW/1mW) = 30dB 3.( (極化極化) )隔離隔離 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電天線的方向性是指天線向一定方向輻射電 磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天 線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天 線的方向性

15、的特性曲線通常用方向圖來表示線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示. . 方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所 具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。 頂視頂視 側(cè)視側(cè)視 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要 求把求把“面包圈面包圈” 壓成扁平的壓成扁平的 一個單一的對稱振子具有一個單一的對稱振子具有“面包圈面包圈” 形的方向圖形的方向圖 在這兒增益在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd 一個對稱臺振子一個對稱臺振子 假設(shè)在接收機中假設(shè)在接收機中有1mW功率功率

16、在陣中有在陣中有4個對稱振子個對稱振子 在接收機中就在接收機中就有4 mW功率功率 更加集中的信號更加集中的信號 在我們的在我們的“扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。 這里這里, “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線” 與單個對稱振子相比的增益為與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線 ” 將在接收機中有將在接收機中有8mW功率功率 “全向陣全向陣” 例如在接收機中為例如在接收機中為4mW功率功率 (頂視) 天線天線 2.形成定向輻射的原理形成定向輻射的原理 反

17、射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線 增益是指在輸入功率相等的條件下，增益是指在輸入功率相等的條件下， 實際天線與理想的輻射單元在空間實際天線與理想的輻射單元在空間 同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比， 即功率之比。增益一般與天線方向即功率之比。增益一般與天線方向 圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、 副瓣越小，增益越高。副瓣越小，增益越高。 七七. .天線的增益天線的增益 1.增益的定義增益的定義 全向天線增益與垂直波瓣寬度全向天線增益與垂直波瓣寬度 一個單一對稱振子具有面包一個單一對稱振子具有面包 圈形的

18、方向圖輻射圈形的方向圖輻射 一個各向同性的輻射器在所一個各向同性的輻射器在所 有方向具有相同的輻射有方向具有相同的輻射 一個天線與對稱振子相比較的增益一個天線與對稱振子相比較的增益 用用“dBd”表示表示 一個天線與各向同性輻射器相比較的一個天線與各向同性輻射器相比較的 增益用增益用“dBi”表示表示 例如例如: 3dBd = 5.17dBi 2.17dB 對稱振子的增益為對稱振子的增益為2.17dB 3. 天線增益與方向圖的關(guān)系天線增益與方向圖的關(guān)系 一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增 益越高。當(dāng)旁瓣電平及前后比正常的情況下，可益越高。當(dāng)旁瓣電平

19、及前后比正常的情況下，可 用下式近似表示用下式近似表示 反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響， 故故 HE idBG 505022 32000 10 . log)( HE idBG 505022 27000 10 . log)( 連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱 為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量。為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量。 因此它應(yīng)能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸因此它應(yīng)能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸 入端，

20、或?qū)l(fā)射機發(fā)出的信號以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)l(fā)射機發(fā)出的信號以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸 入端，同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號。這樣，就要求入端，同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號。這樣，就要求 傳輸線必須屏蔽或平衡。傳輸線必須屏蔽或平衡。 當(dāng)傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做當(dāng)傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做 長傳輸線，簡稱長線。長傳輸線，簡稱長線。 天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應(yīng)的信號電壓與信號天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應(yīng)的信號電壓與信號 電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分電流之比，稱為天線的輸

21、入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分 量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。 因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。 輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即 由中間對稱饋電的半波長導(dǎo)線，其輸入阻抗為（由中間對稱饋電的半波長導(dǎo)線，其輸入阻抗為（73.173.142.542.5） 歐姆。當(dāng)把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗歐姆。當(dāng)把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗 分量，使

22、天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為 73.173.1歐（標(biāo)稱歐（標(biāo)稱7575歐）。歐）。 2. 2. 傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗 無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用 符號。表示。同軸電纜的特性阻抗符號。表示。同軸電纜的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)歐姆。歐姆。 通常。通常。=50=50歐姆歐姆/ /或或7575歐姆歐姆 式中，式中，D D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d d為其芯線外徑；為其芯線

23、外徑； r r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo) 體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端 所接負載阻抗大小無關(guān)。所接負載阻抗大小無關(guān)。 在不匹配的情況下在不匹配的情況下, ,饋線上同時存在入射波和反射波。饋線上同時存在入射波和反射波。 兩者疊加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加兩者疊加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加 最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方最大，形

24、成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方 振幅相減為最小，形成波節(jié)。其它各點的振幅則介于波振幅相減為最小，形成波節(jié)。其它各點的振幅則介于波 幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波 幅度之比叫作反射系數(shù)。幅度之比叫作反射系數(shù)。 終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小， 駐駐 波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。 頻率范圍頻率范圍MHz820 - 890 頻帶寬度頻帶寬度MHz70 增益增益dBi15.5 極化極化垂直極化垂直極化 阻抗阻抗 50 駐波系數(shù)駐波系數(shù) 1.

25、5 半功率半功率(3dB) 方位方位64 俯仰俯仰15 10分貝分貝 (10dB)波束寬度波束寬度 方位方位120 俯仰俯仰30 前后比前后比dB30 俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB -12 俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB -14 機械下傾角機械下傾角(推薦推薦)6 無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前GSMGSM和和 CDMACDMA移動通信使用的頻段都屬于移動通信使用的頻段都屬于UHFUHF（特高頻）超短波段，其高（特高頻）超短波段，其高 端屬于微波。端屬于微波。 超短波和微波的視距傳播超短波和微波的視距傳播 超短波和微波的頻率很

26、高，波長較短，它的地面波衰減很快。超短波和微波的頻率很高，波長較短，它的地面波衰減很快。 因此也不能依靠地面波作較遠距離的傳播，它主要是由空間波來因此也不能依靠地面波作較遠距離的傳播，它主要是由空間波來 傳播的?？臻g波一般只能沿直線方向傳播到直接可見的地方。在傳播的?？臻g波一般只能沿直線方向傳播到直接可見的地方。在 直視距離內(nèi)超短波的傳播區(qū)域習(xí)慣上稱為直視距離內(nèi)超短波的傳播區(qū)域習(xí)慣上稱為“照明區(qū)照明區(qū)”。在直視距。在直視距 離內(nèi)超短波接收裝置才能穩(wěn)定地接收信號。離內(nèi)超短波接收裝置才能穩(wěn)定地接收信號。 1.1.電波的多徑傳播電波的多徑傳播 電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、 森林、地面或樓房等高大建筑物，還會產(chǎn)生反射。因此，森林、地面或樓房等高大建筑物，還會產(chǎn)生反射。因此， 到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這 種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。 由于多途徑傳播使得信號場強分布相當(dāng)復(fù)雜，波動由于多途徑傳播使得信號場強分布相當(dāng)復(fù)雜，波動 很大；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，會使電?/p>