新闻中心

RFID读写器天线的性能要求

RFID读写器天线的性能要求

发布日期:2020-06-03 09:48:19 作者:Ling 点击:15188

1.RFID天线与RFID读写性能的关系

      rfid天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号,或者将电流信号转换成电磁波的装置。在RFID系统中,射频标签和rfid读写器中都包含天线,rfid天线既可以集成到射频标签和rfid读写器中,也可以与射频标签和读写器分开放置。为保证射频识别系统的正常工作,标签和读写读写器的天线性能必须满足一定的要求。
1)射频标签的天线
    在射频装置中,当工作频率增加到微波区域时,天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。天线的目标是保证最大的传输能量进出标签芯片,这需要综合考虑天线设计、自由空间以及相连的标签芯片。

(1)标签天线的必要条件:
① 足够小以至于能够贴到需要的物品上;
② 有全向或半球覆盖的方向性;
③ 提供最大可能的信号给标签的芯片;
④ 无论物品处于什么方向,天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配;
⑤ 具有鲁棒性;
⑥ 非常便宜。
(2)在选择标签天线时主要应考虑:
① 天线的类型;
② 天线的阻抗;
③ 应用到物品上的射频的性能。
2)读写器天线
     射频系统的读写器必须通过天线来发射能量,形成电磁场,再通过电磁场来对射频标签进行识别。可以说,天线所形成的电磁场范围就是RFID系统的可读区域,任意RFID系统至少应该包含一根天线(不管是内置还是外置)以发射和接收射频信号。有些RFID系统是由一根天线来同时完成发射和接收任务的,但也有些RFID系统由一根天线来完成发射任务,而由另一根天线来完成接收任务,所采用天线的形式及数量应视具体应用而定。
     在电感耦合射频识别系统中,读写器天线用于产生磁通量,而磁通量用于向射频标签提供电源,并在读写器和射频标签之间传送信息。
     因此,读写器天线的设计或选择必须满足以下基本条件:天线线圈的电流最大,用于产生最大的磁通量;功率匹配,以最大限度地利用磁通量的可用能量;足够的带宽,保证载波信号的传输,这些信号是用数据信号调制而成的。
      在目前的超高频与微波系统中,广泛使用平面形天线,包括全向平板天线、水平平板天线和垂直平板天线等。2.RFID天线性能的主要参数
1)电磁波的辐射
     当导线上有交变电流流动时,就会产生电磁波的辐射,辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近,则电场被束缚在两导线之间,因此辐射很微弱;若将两导线张开,电场就散播在周围空间,因此辐射增强。

    必须指出,当导线的长度 L 远小于波长λ时,辐射很微弱;当导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,从而会形成较强的辐射。
2)RFID天线的对称振子
     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、独立使用或用做抛物面天线的馈源,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1/4波长、全长为1/2波长的振子,称为半波对称振子,如图(a)所示。

  另外,还有一种异型半波对称振子,可看成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制成,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1/2波长,因此称其为半波折合振子,如图所示。

对称振子示意图
3)RFID天线的方向性
    RFID天线分为发射天线与接收天线。其中,发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图,如图(a)所示。立体方向图虽然立体感强,但绘制困难,图(b)与图(c)给出了它的两个主平面方向图,平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图(b)可以看出,在振子的轴线方向上辐射为零,最大辐射方向在水平面上;而从图(c)可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大。
     若干个对称振子组阵,能够控制辐射,产生“扁平的面包圈”,把信号进一步集中到水平面方向上。如图所示是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。
     也可以利用反射板把辐射能控制到单侧方向,此时平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。如图所示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。
     抛物反射面的使用,更能使天线的辐射,像光学中的探照灯那样,把能量集中到一个小立体角内,从而获得很高的增益。不言而喻,抛物面天线的构成包括两个基本要素:抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。

图天线方向性增强示意图

图反射面的作用示意图
4)天线的输入阻抗Zin
     天线馈电端输入电压与输入电流的比值,称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin,即Zin=Rin+jXin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取,因此,必须使电抗分量尽可能为零,也就是尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻.事实上,即使是设计、调试得很好的天线,其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。
    天线与馈线的连接,最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗,这时馈线终端没有功率反射,馈线上没有驻波,天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量,使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量,即反射系数、行波系数、驻波比和回波损耗,这四个参数之间有固定的数值关系,使用哪一个依据个人习惯而定。在日常维护中,使用较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。
    输入阻抗与天线的结构、尺寸及工作波长有关。半波对称振子是最重要的基本天线,其输入阻抗为 Zin=73.1+j42.5(Ω)。当把其长度缩短 3%~5%时,就可以消除其中的电抗分量,使天线的输入阻抗为纯电阻,此时的输入阻抗为Zin=73.1Ω(标称75Ω)。
    注意,严格来说,纯电阻性的天线输入阻抗只是针对点频而言的。
    顺便指出,半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的4倍,即Zin=280Ω(标称300Ω)。
    有趣的是,对于任一天线,人们总可通过天线阻抗调试,并在要求的工作频率范围内,使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50Ω,从而使得天线的输入阻抗为 Zin=Rin=50Ω—这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必需的。
5)驻波比
    在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,电压振幅相加为最大电压振幅Vmax,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方,电压振幅相减为最小电压振幅Vmin,形成波节。其他各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。
反射波电压和入射波电压幅度之比叫做反射系数,记为R:

    波腹电压与波节电压幅度之比叫做驻波系数,也叫电压驻波比,记为VSWR:


   终端负载阻抗ZL和特性阻抗Z0越接近,反射系数R越小,驻波比VSWR越接近于1,匹配也就越好。


    电压驻波比是行波系数的倒数,其值在1到无穷大之间。电压驻波比为1,表示完全匹配;电压驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。在移动通信系统中,一般要求驻波比小于1.5,但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内的干扰加大,影响基站的服务性能。
6)回波损耗
     回波损耗是反射系数绝对值的倒数,用分贝值表示。回波损耗的值在0dB到无穷大之间。回波损耗越小表示匹配越差,回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射,无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14dB。
7)天线的极化方式
     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,也就是天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波。
    一般使用的天线为单极化的。图2-15给出了两种基本的单极化情况:垂直极化—是最常用的;水平极化—也经常被用到。
    由于电磁波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。
因此,在移动通信系统中,一般均采用垂直极化的传播方式。另外,随着新技术的发展,最近又出现了一种双极化天线。它一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式,一般后者的性能优于前者,因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线,并同时工作在收发双工模式下,大大节省了每个小区的天线数量;同时由于±45°为正交极化,从而有效保证了分集接收的良好效果(其极化分集增益约为5dB,比单极化天线提高约2dB)。
     图 2-16 给了另外两种单极化的情况:+45°极化与-45°极化,它们仅仅在特殊场合下使用。这样共有四种单极化。把垂直极化和水平极化两种天线组合在一起,或者把+45°极化和-45°极化两种天线组合在一起,就构成了一种新的天线—双极化天线。
     

图2-17给出了由两个单极化天线安装在一起组成的双极化天线。注意,双极化天线有两个接头。双极化天线辐射(或接收)两个极化在空间相互正交(垂直)的波。


     垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收,水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收;右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收,而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。
     当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,接收到的信号都会变小,也就是说会发生极化损失。例如,当用+45°极化天线接收垂直极化波或水平极化波时,或者用垂直极化天线接收+45°极化波或-45°极化波时,都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波,或者用线极化天线接收任一圆极化波时,也必然发生极化损失,但只能接收到来波的一半能量。
    当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时,如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波,或者用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时,天线就完全接收不到来波的能量,这种情况下的极化损失为最大,称为极化完全隔离。
理想的极化完全隔离是不存在的。因为馈送到一种极化天线中去的信号总会有一点点在另外一种极化天线中出现。在双极化天线中,设输入垂直极化天线的功率为10W,则在水平极化天线的输出端测得的输出功率为10mW。
8)天线增益
     天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择基站天线最重要的参数之一。
     天线增益具体是指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。天线增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,天线增益越高。可以这样来理解天线增益的物理含义:为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输入功率,而用增益G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需100W/20=5W,换言之,天线增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说是指与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。
     一般来说,天线增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度,而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要,因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加天线增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程,增加天线增益能同时减少双向系统增益的预算余量。另外,表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益,它在各方向的辐射是均匀的;dBd是相对于对称阵子天线的增益,dBi=dBd+2.15。相同的条件下,天线增益越高,电波传播的距离越远。一般地,GSM定向基站的天线增益为18dBi,全向的为11dBi。半波对称振子的天线增益G=2.15dBi。
     4个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直四元阵,其天线增益G≈8.15dBi(dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。
     如果以半波对称振子作为比较对象,则天线增益的单位是dBd。
    半波对称振子的天线增益 G=0dBd(因为是自己跟自己比,比值为 1,取对数得零值);垂直四元阵的增益G=8.15-2.15=6(dBd)。
天线增益的若干近似计算式如下。
(1)天线主瓣宽度越窄,增益越高。对于一般天线,可用下式估算其增益:


式中,2θ3dB,E×2θ3dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度;32000 是统计出来的经验数据。
(2)对于抛物面天线,可用下式近似计算其增益:


式中,D为抛物面直径,λ0为中心工作波长。
(3)对于直立全向天线,有近似计算式:


式中,L为天线长度;λ0为中心工作波长。
9)天线的波瓣宽度
     方向图通常都有两个或多个瓣,其中辐射强度最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。如图2-18(a)所示,在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低3dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角为波瓣宽度(又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角)。波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强。
     波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数,它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度(天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标,它通常通过图形方式来表示出功率强度与夹角的关系)。
    天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此,在一定范围内通过对天线垂直度(俯仰角)的调节,可以达到改善小区覆盖质量的目的,这也是在网络优化中经常采用的一种手段。天线的波瓣宽度主要涉及两个方面,即水平平面波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角(H—Plane Half Power beamwidth,为45°、60°、90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好,但当提高天线倾角时,也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小,在扇区交界处的覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖,而且相对而言不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小,天线倾角大,应当采用水平平面的半功率角小的天线,在郊区应选用水平平面的半功率角大的天线;垂直平面的半功率角(V—Plane Half Power beamwidth,为 48°、33°、15°、8°)定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小,偏离主波束方向时信号衰减越快,越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。
     还有一种波瓣宽度,即10dB波瓣宽度。顾名思义,它是方向图中辐射强度降低10dB(功率密度降至十分之一)的两点间的夹角,如图(b)所示。


10)前后比(Front-Back Ratio)
      前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线,天线的后瓣有可能产生越区覆盖,导致切换关系混乱,产生掉话。其值一般在25~30dB之间,应优先选用前后比为30的天线。
图波瓣宽度
在前后比方向中,前后瓣最大值之比称为前后比,记为F/B。前后比越大,天线的后向辐射(或接收)越小。前后比F/B的计算十分简单:F/B=10lg{(前向功率密度)/(后向功率密度)}。
对天线的前后比F/B有要求时,其典型值为(18~30)dB,特殊情况下则要求达(35~40)dB。
11)上旁瓣抑制
      对于基站天线,人们常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向图中的主瓣上方的第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制(如图2-20所示)。基站的服务对象是地面上的移动电话用户,指向天空的辐射是毫无意义的。
12)天线的下倾
     为使主波瓣指向地面,安置时需要将天线适度下倾。
13)天线的工作频率范围(频带宽度)
      无论是发射天线还是接收天线,它们总是在一定的频率范围(频带宽度)内工作的,因此天线的频带宽度有以下两种不同的定义。
(1)在驻波比VSWR≤1.5条件下,天线的工作频带宽度。
(2)天线增益下降3dB范围内的频带宽度。
        在移动通信系统中,通常是按(1)定义的。具体来说,天线的频带宽度就是指天线的驻波比VSWR不超过1.5时,天线的工作频率范围。
         一般来说,在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的,但这种差异造成的性能下降是可以接受的。
14)反射损耗
     前面已指出,当馈线和天线匹配时,馈线上没有反射波,只有入射波,即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时,馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等,馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。
      例如,在图2-21中,由于天线与馈线的阻抗不同,一个为75ohms,一个为50ohms,阻抗不匹配,所以其结果是反射损耗不同。

本文网址:http://www.hysrfid.com/article/RFIDduxieqitianxiandexingnengyaoqiu.html

关键词: RFID读写器天线的性能要求RFID读写器rfidRFID天线

芯创益技术专注于RFID标签读写器设备生产厂家,所提供RFID解决方案集成RFID系统、RFID标签,RFID读写器等设备应用,为国内外企业提供完善高效的RFID技术应用。
服务热线  13691762133
服务热线  13691762133服务热线 13691762133
微信二维码
手机二维码
返回顶部
返回顶部返回顶部