工程硕士学位论文
作，并要实时处理数据信息，这需要系统高层处理问题。系统高层是计算机网络系统，数据交换与管理由计算机网络完成，读写器可以通过标准接门与计算机网络连接，计算机网络完成数据处理、传输和通信的功能。
RFID系统的工作原理：标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；读写器读取信息并译码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
2.2天线理论
2.2.1天线基本理论
天线是将传输线中的高频电磁波转化为自由空间中的电磁波，或者将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁波。天线为传输线的终端负载可视为一个二端网络，天线的输入阻抗指的是天线的输入端电压与电流之比，如图2.2为发射天线，天线输入端如图中AB端口。
AARtIgRrVg辐射波RXg激励源BB（a）发射天线XA（b）戴维南等效电路
图 2.2发射天线及其戴维南等效电路
则天线的输入阻抗为：
ZA?
Uin?RA?jXAIin
天线的输入阻抗虚部表示近场的能量，输入阻抗的实部是由辐射电阻和损耗电阻组成，表示为：
如果将天线辐射的功率看做一个等效电路的吸收功率，其等效电阻称为天线的辐射电阻。将天线的的损耗功率看做一个等效的损耗电阻所吸收的功率。天线连接的激励源内部阻抗为：
若要实现激励源与天线的最大化能量传输，两者需要满足阻抗共轭匹配，即：
Zg?Rg?jXgRA?Rr?Rl 9
UHF RFID标签天线设计理论研究与应用
??RA?Rr?Rl?Rg???XA??Xg
2.2.2天线性能参数
天线的基本性能参数主要包括方向图、增益、输入阻抗、天线极化、辐射强度、方向性系数、效率等。
1．方向图
天线向一定方向辐射电磁波的能力称为天线的方向性。接收天线的方向性是指天线对不同方向上的电磁波的接受能力。天线的方向性是与其在自由空间中辐射出去的场强图样联系在一起的，这种显示在离天线固定远处，场强随天线的方向变化的函数关系的真实或相对的图样，称为天线的方向图25，即方向图是天线方向性的特性曲线，用来说明天线在空间各个方向上具有的发射或者接收电磁波的能力。
2．方向性系数
天线的方向性系数D定义为在远场区的一球面上天线的辐射强度比平均辐射强度，即：
D??,???U(?,?)U0
其中，U0为平均辐射强度，其值为辐射功率与球面积之比，即：
U0?14???U??,??sin?d?d?
002??所以，一般方向性系数D是指最大辐射方向上的方向性系数，即：
D?3．效率
UmaxU0
一般在天线系统中存在损耗，如导体损耗、介质损耗等，所以辐射到空间内的电磁波功率小于发射机输出到天线的功率。天线的效率表示天线将输入高频能量转化为无线电波能量的有效程度，其值为天线辐射功率比输入功率，即：
PradPin
其中，Prad为天线的辐射辐射功率，Pin为天线的输入功率。
?A?4．增益
方向性系数主要考虑的是射功率，而天线的增益G表示将输入功率在特定方向上的辐射能力，其定义为在输入功率、距离相同的条件下，天线在最大辐射方向上其功率密度比无方向性天线在最大辐射方向上辐射功率密度，其值为：
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G?4?Pin
即：
G??AD
5．输入阻抗
一般天线通过馈线与发射机相连，其连接处为天线的输入端，输入端的阻抗值就是天线的输入阻抗，即天线和馈线的连接馈电点两端感应的信号电压和信号电流之比。输入阻抗的大小与天线的工作波长和天线结构有关，包括电阻分量和电抗分量，而电抗分量会减小天线进入馈线的有效信号功率。因此在天线设计时必须使天线的电抗分量尽可能为零，天线的输入阻抗为纯电阻。
天线通常存在天线与馈线阻抗匹配的问题，其阻抗匹配程度决定功率传输的效率。通常情况下馈线使用的是50?的标准阻抗，因此在天线设计时尽可能的将天线的输入阻抗设计为50?，这样在工作频带可达到尽可能小的驻波比。
6．极化
天线的极化定义为天线辐射最大方向上的电磁波中的电场强度，也即一个周期内瞬时电场矢量描述的轨迹，轨迹一般是直线、椭圆或圆，其极化分别称之为线极化、椭圆极化和圆极化。三种不同的极化其如图2.3所示：
图2.3（a）线极化 图2.3（b）圆极化 图2-.3（c）椭圆极化
图 2.3天线的极化方式
三种极化方式又可以做细的划分，线极化分为垂直极化和水平极化，垂直极化的电场矢量与地面垂直，水平极化的电场矢量与地面平行。圆极化分为左旋圆极化与右旋圆极化，左旋圆极化指的是电场矢量按照传播方向左旋变化，当电场矢量按照传播方向右旋变化则称之为右旋极化。同样的，椭圆极化也有左旋和右旋极化之分。
2.3RFID天线设计
2.3.1RFID天线简介
RFID天线分为读写器天线和标签天线，负责无线电信号的感应，在标签和读
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写器之间传递射频信号，天线设计对RFID读取性能有较大的影响。
1．读写器天线
天线是一种能够将接收到的电磁波转化为电流信号，或者将电流信号转化为电磁波的装置。读写器天线具有多种不同的形式和结构，如偶极子天线、双偶极子天线、阵列天线、八木天线、平板天线、螺旋天线和环形天线等。其中环形天线主要用于低频和中频的射频系统中，完成能量和数据的电磁耦合。而在433MHz、915MHz和2.45GHz的射频识别系统中，主要采用平板天线、八木天线和阵列天线。
2．标签天线
根据射频识别系统的应用要求，电子标签天线需具备以下几个方面的性能：体积小，可以贴附或嵌入到本身就很小的待识别物体上；方向性，有全向或半球覆盖的方向性；读写器给标签提供的能量，天线需能够提供最大的信号给标签芯片；无论标签处于待识别物体的什么位置、什么方向上，标签天线的极化都能与读写器的查询信号相匹配；作为整个系统损耗部件的一部分，考虑到成本问题，也必须控制标签天线的成本。
在具体需求中选择标签天线时必须考虑以下因素： 1．天线的类型
根据不同的频段，天线类型不同，如高频RFID标签天线为线圈天线，形状多数为圆形或方形，还有其它特殊应用中，标签天线可以根据需求设计成不同的形状的线圈。超高频RFID标签天线分为两类：近场标签和远场标签。一般的近场标签天线设计成一个线圈或一个环形回路。远场UHF RFID 标签天线根据天线类型主要有微带贴片型和偶极子天线。偶极子天线有半波对称偶极子天线、折合偶极子天线和弯折偶极子天线几种类型。
2．贴附到物体上，天线的射频性能
当标签贴附在待识别物体上，特别是UHFRFID标签，标签性能受到待识别物体形状和材质的影响，因此，最终标签的性能关注的是当标签贴附到物体上天线的射频性能。
3．应用到具体环境中，天线的射频性能
当标签贴附在物体上，在具体应用中存在一定的环境干扰，如：液体和金属，这时标签的性能受到外界环境的影响标签性能下降，甚至无法识别。
2.3.2UHF RFID标签天线设计要求
判断标签天线性能好坏的关键依据是标签的阅读距离，标签的阅读距离直接和天线的增益及功率传输系数有关。而功率传输系数和标签天线与芯片的匹配情况有关。因此，阻抗匹配和增益是UHF RFID标签天线设计的两大设计目标。
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1．阻抗匹配
RFID天线的的阻抗是否与标签芯片的阻抗相匹配决定了标签的天线的供电效率和天线灵敏度，即决定了标签的读写距离和识别成功率。UHF RFID标签芯片的阻抗具有实部很小、虚部很大的特征，将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭，来实现能量的最大化传递。
2．增益
当标签芯片与天线完全匹配，标签的最大工作距离为：
Rtag?PGG??trt4?Pth，
其中：Pt为读写器天线发射功率，Gr为标签接收天线增益，Gt为读写器发射天线增益，Pth标签芯片的读取灵敏度。因此，标签的天线增益直接影响标签的读取距离。对于UHF RFID标签常用的弯折偶极子天线，通过弯折可以减少天线的尺寸，达到天线小型化的目的，但是天线增益会随着尺寸的减小而减小。因此，天线设计需要对高增益与小型化进行折中考虑。
2.3.3UHF RFID标签天线性能参数
超高频标签天线性能参数包括中心频点、带宽、阻抗匹配程度、方向特性以及增益大小，可以通过以下天线性能参数分析。
1．回波损耗
回波损耗是天线设计关注的重要参数之一， 其定义为入射波功率与反射波功率之比。通过天线的回波损耗曲线，可以得到天线的中心频点、天线带宽以及天线的阻抗匹配程度。
2．输入阻抗
天线的阻抗包括阻抗实部和阻抗虚部，阻抗匹配要求天线的阻抗实部与芯片的阻抗实部相等，虚部相反，即共轭匹配。
3．方向图
天线方向图是方向性函数的图形化表示，有增益方向图、场强方向图等。其中又分为三维立体方向图和平面方向图，一般UHF RFID标签天线关注的是增益方向图。方向图描绘了天线的辐射特性随空间坐标变化的关系，可以观察到天线的多项性能参数，即极化方向、方向特性和增益大小。
2.4本章小结
本章介绍了RFID技术、天线的基本理论以及RFID天线的基本理论。对于RFID技术，首先对RFID技术做了简单地介绍，然后对RFID系统的组成以及RFID
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