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2.3 RFID天线
在无线通信中，天线占有相当重要的基础地位。简单地讲，天线就是用来辐射和接收无线电波的装置。在无线通信系统中，发射机所产生的已调制的高频电流能量经馈线传输到发射天线，通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向辐射出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送至接收机输入端。天线作为无线通信系统中一个必不可少的重要设备，它的选择与设计是否合理，对整个无线通信系统的性能有很大的影响，若天线设计不当，就可能导致整个系统不能正常工作。对于RFID系统来说，天线同样起到了至关重要的作用，为此在本节中将集中介绍天线方面的基础知识。
研究天线问题，实质上就是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任意一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件，因此，求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件，但由于环境的复杂性，这种数值求解方式是十分困难的。
在实际问题中，往往将条件理想化，进行一些近似处理，从而得到近似结果，这是天线工程中最常用的方法。在某些情况下，如果需要较精确的解，可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。
天线理论与设计作为一门完整的学科，其内容非常丰富。限于篇幅，这里只给出最基本的概念和方法。
实际上，只要是一段带电导线，都有可能成为天线。而理解天线也往往从最简单的电基本振子（电流元）入手。所谓电基本振子，是指一段载有高频电流的短导线，导线全长l<<λ，导线直径d<<l，线上的电流振幅是相等的，线上各点的电流相位亦认为是同相的。
电基本振子是线状天线的基本单元，因此讨论电基本振子具有重要的实际意义。对电基本振子的分析，采用球坐标系。将电基本振子的中心定为坐标系原点，如图2-8所示。
▶ 图2-8 电基本振子的极坐标表示
设电基本振子上电流分布为i=I m e jωt ，由麦克斯韦方程组等电磁学工具可得电基本振子的电磁场分布为
其中，
，为自由空间相移常数；ε
0
=10
-9
/36π（F/m），为自由空间的介电常数；μ
0
=4π×10
-7
（H/m），为自由空间的磁导率。
现根据观察点P离电流元辐射体的远近可分为三个区域：近场区（kr<<1）、远场区（kr>>1）和中间区域。
在近场区，kr<<1，r<λ，电场E θ 和E r 与静电场问题中电偶极子的电场相似，磁场H φ 和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似，所以近区场称为准静态场。
由于场强与l/r的高次方成正比，所以近区场随距离的增大而迅速减小，即离天线较远时，可认为近区场近似为零。
电场与磁场相位相差90°，说明磁能量在场源和场之间来回振荡，没有能量向外辐射，所以近场区又称为感应场。
在RFID系统中，HF频段使用近场区工作。
在远场区范围内，kr>>1，r>>λ，1/r项起主要作用，而1/r 2 和1/r 3 项均很小，可以忽略不计，故远场区的电磁场可近似表示为
在远场区，电基本振子的场只有E θ 和H φ 两个分量，它们在空间上相互垂直，在时间上同相位，这说明电基本振子的远场区是一个沿着径向向外传播的横电磁波，所以远区场又称辐射场。
远区场纵向分量E
r
<<E
θ
，而磁场分量只有横向分H
φ
，量
是一常数，即等于介质的本征阻抗，因而远场区具有与平面波相同的特性。
远场区的相位随r的增加不断滞后，其等相位面为r等于常数的球面。辐射场的强度与距离成反比，随着距离的增大，辐射场减小。这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的，当距离增大时，辐射能量分布到更大的球面面积上。
在不同的方向上，辐射强度是不相等的。这说明电基本振子的辐射是有方向性的。
在UHF频段的RFID系统主要工作在远场区。在RFID系统中，远场区与近场区的划分如下：
设r为边界到天线的距离，若
，则为近场区；若
，则为远场区。
由电基本振子在远场区的电磁场近似分布公式可以看出，电基本振子的辐射场强值在等r距离的球面空间各个方向上是不相同的，它的方向性r函数为
方向性函数的坐标图形称为方向性图，它形象地描绘了辐射体向空间不同方向上的辐射能力。由于方向性函数是坐标θ和φ的函数，因此三维坐标系统中的方向性图为立体图。图 2-9 表示了电基本振子在φ=0平面（E 面），θ=90°平面（H 面）内极坐标的方向图和立体方向性图。
▶ 图2-9 电基本振子的方向性图
一般意义上的天线特征参数包括以下几项。
所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。对于UHF频段天线，通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示。E平面，就是电场矢量所在的平面。对于沿z轴放置的电基本振子而言，子午平面是E平面。H平面，则是磁场矢量所在的平面。对于沿z轴放置的电基本振子，赤道平面是H平面。
典型的H平面方向图如图2-10（a）所示，这是在极坐标中E θ 的归一化模值随φ变化的曲线，通常有一个主要的最大值和若干个次要的最大值。头两个零值之间的最大辐射区域是主瓣（或称主波束），其他次要的最大值区域都是旁瓣（或称边瓣、副瓣）。为了分析方便，将图2-10（a）的极坐标图画成直角坐标图，即如图2-10（b）和图-10（c）所示。
▶ 图2-10 典型的H平面方向图
为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，还需要规定一些特性参数，包括主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。其中，主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域尖锐程度的物理量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度，在场强方向图中，等于最大场强的
两点之间的宽度，称为半功率波瓣宽度；有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度，称为零功率波瓣宽度。旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域，所以其电平应尽可能地低，且天线方向图一般都有这样一条规律：离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低，在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外，在天线的实际应用中，旁瓣的位置也很重要。前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比。方向系数则定义为：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度S
max
与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S
0
之比，记为D，即
设天线归一化方向函数为F（θ，φ），则可得天线方向系数的一般表达式为
由上式可以看出，要使天线的方向系数大，不仅要求主瓣窄，而且要求全空间的旁瓣电平小。
此外，雷达、通信等大部分天线设备都是利用主向（或主平面）的辐射来完成任务的。远远偏离主向的辐射功率不仅被无谓浪费，还会干扰电波信号。因此要尽可能地减少非主向的辐射和增加主向辐射。常采用增益系数这个参数来说明天线在主向辐射功率的集中程度。增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，是方向系数与天线效率的乘积，是天线的一个重要参数。增益系数可以使用dB（分贝）表达，常用的单位为dBi和dBd，dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd是相对于对称振子天线的增益，dBi=dBd+2.15。在相同的条件下，增益系数越高，电波传输的距离越远。
极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说，就是在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。该图形如果是直线，就称为线极化；如果是圆，就称为圆极化；如果是椭圆，就称为椭圆极化。因此按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可再分为左旋和右旋。
一般来说，圆极化天线难以辐射纯圆极化波，其实际辐射的是椭圆极化波，这对利用天线的极化特性实现天线间的电磁隔离是不利的，所以对圆极化通常又引入椭圆度参数。在通信和雷达中，通常采用线极化天线；但如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的，为了提高通信的可靠性，发射和接收都应采用圆极化天线；如果雷达是为了干扰和侦察对方目标，也要使用圆极化天线。另外，在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中，由于信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应，因此其发射和接收也采用圆极化天线。
值得注意的是，从理论上讲左旋圆极化波天线接收不到右旋圆极化波天线的信号，垂直极化的天线接收不到水平极化天线的辐射信号，即天线具有同极接收的特性，在RFID系统应用中，应注意天线的极化特性。
天线的电参数都与频率有关，也就是说，电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化，如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏等。实际上，天线也并非工作在点频，而是有一定的频率范围的。当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。
要使天线效率高，就必须使天线与馈线良好匹配，也就是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，这样才能使天线获得最大功率。
天线与传输线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗，即天线的输入阻抗Z in 为天线的输入端电压与电流之比：
式中，R in 和X in 分别为输入电阻和输入电抗，分别对应有功功率和无功功率。
天线的输入阻抗对频率的变化往往十分敏感，当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏，致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。因此在实际应用中，还引入了电压驻波比参数，并且驻波比不能大于某一规定值。
天线作为无线通信系统的基础，其重要性是不言而喻的，可以说，没有天线就没有无线通信。天线品种繁多，以应不同频率、不同用途、不同场合之要求。按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。在RFID系统中，依据前向链路和后向链路的不同功能和特性，天线可划分为读写器天线和标签天线。2.3.2节主要讲述了天线的性能参数，本节中则给出一些具体的天线实例。
标签的应用需要与物体有较好的共形特性，以及小尺寸、低剖面和低成本等要求，而使其具有一定的特殊性。天线与标签芯片之间的匹配问题是标签天线设计中的关键问题，当工作频率增加到微波区域的时候，该问题更具挑战性。一直以来，标签天线的开发基于50Ω或75Ω输入阻抗，而在RFID应用中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并且很难在工作状态下准确测试，缺少准确的参数，天线的设计难以达到最佳。上面这些因素都导致了标签天线与普通天线的不同。
常见的标签天线类型包括双偶极子、折叠偶极子、印刷偶极子、微带面、对数螺旋天线。图2-11为几种常见的偶极子标签天线结构。
▶ 图2-11 几种常见的偶极子标签天线结构
偶极子天线广泛地应用于RFID标签天线中，尤其是在UHF频段，且其变形非常多，下面以最简单的偶极子天线——半波对称振子天线为例说明标签天线的结构。
对称振子天线由两段同样粗细等长度的直导线构成，在中间的两个端点之间馈电，结构如图2-12所示。振子每边长为l，直径为2a。
▶ 图2-12 对称振子天线结构图
对称振子天线的场可以认为是由许多小段基本振子的场叠加而成的。辐射场只有E θ 分量，为线极化波。对称振子天线的辐射场强E θ 和θ方向有关，具有方向性。对称振子的方向性函数为
式中，
为相位因子。
从上式可以看出，对称振子的方向性函数仅与θ有关，而与φ无关。这种情况下，在H面的方向图是一个圆，与振子的电长度l/λ无关；在E面的方向图随l/λ和θ而改变。
在UHF和微波RFID系统中，读写器天线广泛使用平面型天线（平板天线和补丁天线），如全向平板天线、水平平板天线及垂直平板天线等。
平板天线在UHF频段的读写器中应用非常广泛。所谓平板天线，是一种基于带状线技术的天线，这种天线的特点是天线高度较低并且结构牢固，具有增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直方向图俯角控制方便、密封性能可靠及使用寿命长等优点，所以被广泛应用在RFID系统中。辐射器的基本元件由直角微带导线组成，其结构图如图2-13所示。为了得到不同的定向和极化效应，可以用不同的方式把辐射器元件组合在一起。
▶ 图2-13 读写器平板天线结构图
可以通过在合适位置处的带状导线连接，通过穿过基板的馈线或通过中间层的电容耦合，来实现对辐射器元件的馈接。通过选择馈接点，可以使输入阻抗达到需要的值（一般情况下是50Ω）。