學(xué)RFID必須知道的天線知識(shí)

　　一、 電磁波產(chǎn)生的基本原理

　　按照麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)在其周圍空間要產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又要產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。這樣，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)之間相互依賴，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間傳播出去。

　　周期性變化的磁場(chǎng)激發(fā)周期性變化的電場(chǎng)，周期性變化的電場(chǎng)激發(fā)周期性變化的磁場(chǎng)。

　　電磁波不同于機(jī)械波，它的傳播不需要依賴任何彈性介質(zhì)，它只靠“變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)”的機(jī)理來傳播。

　　當(dāng)電磁波頻率較低時(shí)，主要籍由有形的導(dǎo)電體才能傳遞；當(dāng)頻率逐漸提高時(shí)，電磁波就會(huì)外溢到導(dǎo)體之外，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部反回原電路而沒有能量輻射出去。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能反回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去。

　　根據(jù)以上的理論，每一段流過高頻電流的導(dǎo)線都會(huì)有電磁輻射。有的導(dǎo)線用作傳輸，就不希望有太多的電磁輻射損耗能量；有的導(dǎo)線用作天線，就希望能盡可能地將能量轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。于是就有了傳輸線和天線。無論是天線還是傳輸線，都是電磁波理論或麥克斯韋方程在不同情況下的應(yīng)用。

　　對(duì)于傳輸線，這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能傳遞電磁能量，而不會(huì)向外輻射；對(duì)于天線，這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能盡可能將電磁能量傳遞出去。不同形狀、尺寸的導(dǎo)線在發(fā)射和接收某一頻率的無線電信號(hào)時(shí)，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必須采用適當(dāng)?shù)奶炀€才行！　　研究什么樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線能夠?qū)崿F(xiàn)高效的發(fā)射和接收，也就形成了天線這門學(xué)問。

　　高頻電磁波在空中傳播，如遇著導(dǎo)體，就會(huì)發(fā)生感應(yīng)作用，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生高頻電流，使我們可以用導(dǎo)線接收來自遠(yuǎn)處的無線電信號(hào)。

　　二、天線

　　在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線，通過天線將轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量，并向所需方向出去。到達(dá)接收點(diǎn)后，接收天線將來自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量，經(jīng)饋線輸送到接收機(jī)輸入端。

　　綜上所述，天線應(yīng)有以下功能：

　?。保?天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開放系統(tǒng)，其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。
　?。玻?天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受，即方向具有方向性。
　?。常?天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。
　?。矗?天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。

　　這四點(diǎn)是天線最基本的功能，據(jù)此可定義若干參數(shù)作為設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)天線的依據(jù)。

　　把天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而分為又導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。所以，所謂饋線，實(shí)際上就是傳輸線。

　　天線的電參數(shù)

　　天線的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射，所謂天線的電參數(shù)，就是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。

　　1. 天線的方向性

　　衡量天線將能量向所需方向輻射的能力。 　　

　　主瓣寬度：
　　主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的程度的物理量。越寬越好。

　　旁瓣電平：
　　旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣的電平。實(shí)際上，旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域，所以其電平越低越好。 （天線輻射的主瓣旁瓣類似方波信號(hào)的頻譜圖）

　　前后比：
　　前后比指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡單--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}

　　方向系數(shù)：
　　在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。這是方向性中最重要的指標(biāo)，能精確比較不同天線的方向性，表示了天線集束能量的電參數(shù)。

　　2. 天線效率

　　天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比。

　　常用天線的輻射電阻R來試題天線輻射功率的能力。天線的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設(shè)有一電阻R，當(dāng)通過它的電流等于天線上的最大電流時(shí)，其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然，輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo)，即輻射電阻越大，說明天線的輻射能力越強(qiáng)。

　　3. 增益系數(shù)

　　增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它的定義為：方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為： D為方向系數(shù)，為天線效率。 可見，天線方向系數(shù)和越高，則增益系數(shù)也就越高。

　　物理意義：天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無方向性天線相比在最大輻射方向上將輸出功率放大的倍數(shù)。也可以這樣通俗地理解，為定向天線與理想全向天線（其輻射在各方向均等）在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)之比。

　　例：如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。

　　4. 極化方向

　　極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。

　　極化方向，就是天線電場(chǎng)的方向。天線的極化方式有線極化方式有線極化(水平極化和垂直極化)和圓極化(左旋極化和右旋極化)等方式。

　　如何理解線極化？首先想象那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，電場(chǎng)在一個(gè)平面以正弦波傳播，磁場(chǎng)在電場(chǎng)的正交平面也以正弦波傳播，我們從起點(diǎn)沿著傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一段短線，這種極化就是線極化。那么線極化的方向如何確定呢？當(dāng)高頻電流通過天線時(shí)，會(huì)在天線上產(chǎn)生高頻電壓，形成高頻電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)方向一般與天線的走向一致，即線極化的極化方向是與天線的走向一致的。如果天線是水平方向架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是水平方向的，叫它“水平極化”天線；如果天線是垂直于地面架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是垂直方向的，叫它“垂直極化”天線。（通常直線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的天線為線極化）

　　如何理解圓極化呢？同樣是那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，不過此時(shí)的電場(chǎng)大小始終不變，但是方向圍繞著x軸不變旋轉(zhuǎn)變化，但在任何一個(gè)平面上的投影都是一個(gè)正弦波，有點(diǎn)類似我們對(duì)信號(hào)的處理中輻度不變，但相位在不斷變化。此時(shí)，從原點(diǎn)向傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一個(gè)圓，這種極化就是圓極化。當(dāng)然，向左旋轉(zhuǎn)就是左旋極化，向右旋轉(zhuǎn)就是右旋極化。（通常螺旋結(jié)構(gòu)的天線為圓極化）

　　只有收信天線的極化方向與所接收電磁波的極化方向一致才能感應(yīng)出最大的信號(hào)來。根據(jù)這一原理，我們可以推斷出以下結(jié)論。

　　對(duì)于線極化，當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向一致（電場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)最大（電磁波在極化方向上投影最大）；隨著收信天線的極化方向與線極化方向偏離越來越多時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)越?。ㄍ队安粩鄿p?。?；當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向正交（磁場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)為零（投影為零）。線極化方式對(duì)天線的方向要求較高。當(dāng)然在實(shí)際條件下，電磁波傳播途中遇到反射折射，會(huì)引起極化方向偏轉(zhuǎn)，有時(shí)一個(gè)信號(hào)既可以被水平天線接收，也可以被垂直天線接收，但無論如何，天線的極化方向常常是需要考慮的重要問題。

　　對(duì)于圓極化，無論收信天線的極化方向如何，感應(yīng)出的信號(hào)都是相同的，不會(huì)有什么差別（電磁波在任何方向上的投影都是一樣的）。所以，采用圓極化方式，使得系統(tǒng)對(duì)天線的方位（這里的方位是天線的方位，和前面所提到的方向系統(tǒng)的方位是不同的）敏感性降低。因而，大多數(shù)場(chǎng)合都采用了圓極化方式。
打個(gè)形象的比喻，線極化類似彎曲在地面上爬行的蛇，圓極化類似蛇繞在木棍上繞行。再打個(gè)比喻，你拿一根繩子，上下擺，繩子傳遞的波就是線極化形式的；不斷地畫圓，傳遞的波就是圓極化的。