學(xué)RFID必須知道的天線(xiàn)知識

　　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?chē)臻g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(lài)，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠地在空間傳播出去。

　　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)。

　　電磁波不同于機械波，它的傳播不需要依賴(lài)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)”的機理來(lái)傳播。

　　當電磁波頻率較低時(shí)，主要籍由有形的導電體才能傳遞；當頻率逐漸提高時(shí)，電磁波就會(huì )外溢到導體之外，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(méi)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(zhù)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。

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

　　對于傳輸線(xiàn)，這種導線(xiàn)的結構應該能傳遞電磁能量，而不會(huì )向外輻射；對于天線(xiàn)，這種導線(xiàn)的結構應該能盡可能將電磁能量傳遞出去。不同形狀、尺寸的導線(xiàn)在發(fā)射和接收某一頻率的無(wú)線(xiàn)電信號時(shí)，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必須采用適當的天線(xiàn)才行！　　研究什么樣結構的導線(xiàn)能夠實(shí)現高效的發(fā)射和接收，也就形成了天線(xiàn)這門(mén)學(xué)問(wèn)。

　　高頻電磁波在空中傳播，如遇著(zhù)導體，就會(huì )發(fā)生感應作用，在導體內產(chǎn)生高頻電流，使我們可以用導線(xiàn)接收來(lái)自遠處的無(wú)線(xiàn)電信號。

　　二、天線(xiàn)

　　在無(wú)線(xiàn)通信系統中，需要將來(lái)自發(fā)射機的導波能量轉變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)電波，或者將無(wú)線(xiàn)電波轉換為導波能量，用來(lái)輻射和接收無(wú)線(xiàn)電波的裝置稱(chēng)為天線(xiàn)。發(fā)射機所產(chǎn)生的已調制的高頻電流能量（或導波能量）經(jīng)饋線(xiàn)傳輸到發(fā)射天線(xiàn)，通過(guò)天線(xiàn)將轉換為某種極化的電磁波能量，并向所需方向出去。到達接收點(diǎn)后，接收天線(xiàn)將來(lái)自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉換為已調制的高頻電流能量，經(jīng)饋線(xiàn)輸送到接收機輸入端。

　　綜上所述，天線(xiàn)應有以下功能：

　?。保?天線(xiàn)應能將導波能量盡可能多地轉變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線(xiàn)是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統，其次要求天線(xiàn)與發(fā)射機或接收機匹配。
　?。玻?天線(xiàn)應使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或對確定方向的來(lái)波最大限度的接受，即方向具有方向性。
　?。常?天線(xiàn)應能發(fā)射或接收規定極化的電磁波，即天線(xiàn)有適當的極化。
　?。矗?天線(xiàn)應有足夠的工作頻帶。

　　這四點(diǎn)是天線(xiàn)最基本的功能，據此可定義若干參數作為設計和評價(jià)天線(xiàn)的依據。

　　把天線(xiàn)和發(fā)射機或接收機連接起來(lái)的系統稱(chēng)為饋線(xiàn)系統。饋線(xiàn)的形式隨頻率的不同而分為又導線(xiàn)傳輸線(xiàn)、同軸線(xiàn)傳輸線(xiàn)、波導或微帶線(xiàn)等。所以，所謂饋線(xiàn)，實(shí)際上就是傳輸線(xiàn)。

　　天線(xiàn)的電參數

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

　　1. 天線(xiàn)的方向性

　　衡量天線(xiàn)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(xiàn)的最大輻射區域的程度的物理量。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，旁瓣區是不需要輻射的區域，所以其電平越低越好。 （天線(xiàn)輻射的主瓣旁瓣類(lèi)似方波信號的頻譜圖）

　　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(xiàn)的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計算十分簡(jiǎn)單--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}

　　方向系數：
　　在離天線(xiàn)某一距離處，天線(xiàn)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(wú)方向性天線(xiàn)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，能精確比較不同天線(xiàn)的方向性，表示了天線(xiàn)集束能量的電參數。

　　2. 天線(xiàn)效率

　　天線(xiàn)效率定義為天線(xiàn)輻射功率與輸入功率之比。

　　常用天線(xiàn)的輻射電阻R來(lái)試題天線(xiàn)輻射功率的能力。天線(xiàn)的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設有一電阻R，當通過(guò)它的電流等于天線(xiàn)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(xiàn)輻射能力的一個(gè)重要指標，即輻射電阻越大，說(shuō)明天線(xiàn)的輻射能力越強。

　　3. 增益系數

　　增益系數是綜合衡量天線(xiàn)能量轉換和方向特性的參數，它的定義為：方向系數與天線(xiàn)效率的乘積，記為： D為方向系數，為天線(xiàn)效率。 可見(jiàn)，天線(xiàn)方向系數和越高，則增益系數也就越高。

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

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

　　4. 極化方向

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

　　極化方向，就是天線(xiàn)電場(chǎng)的方向。天線(xiàn)的極化方式有線(xiàn)極化方式有線(xiàn)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(xiàn)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(zhù)傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一段短線(xiàn)，這種極化就是線(xiàn)極化。那么線(xiàn)極化的方向如何確定呢？當高頻電流通過(guò)天線(xiàn)時(shí)，會(huì )在天線(xiàn)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(xiàn)的走向一致，即線(xiàn)極化的極化方向是與天線(xiàn)的走向一致的。如果天線(xiàn)是水平方向架設的導線(xiàn)，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是水平方向的，叫它“水平極化”天線(xiàn)；如果天線(xiàn)是垂直于地面架設的導線(xiàn)，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是垂直方向的，叫它“垂直極化”天線(xiàn)。（通常直線(xiàn)導線(xiàn)結構的天線(xiàn)為線(xiàn)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(guò)此時(shí)的電場(chǎng)大小始終不變，但是方向圍繞著(zhù)x軸不變旋轉變化，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(lèi)似我們對信號的處理中輻度不變，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。當然，向左旋轉就是左旋極化，向右旋轉就是右旋極化。（通常螺旋結構的天線(xiàn)為圓極化）

　　只有收信天線(xiàn)的極化方向與所接收電磁波的極化方向一致才能感應出最大的信號來(lái)。根據這一原理，我們可以推斷出以下結論。

　　對于線(xiàn)極化，當收信天線(xiàn)的極化方向與線(xiàn)極化方向一致（電場(chǎng)方向）時(shí)，感應出的信號最大（電磁波在極化方向上投影最大）；隨著(zhù)收信天線(xiàn)的極化方向與線(xiàn)極化方向偏離越來(lái)越多時(shí)，感應出的信號越?。ㄍ队安粩鄿p?。?；當收信天線(xiàn)的極化方向與線(xiàn)極化方向正交（磁場(chǎng)方向）時(shí)，感應出的信號為零（投影為零）。線(xiàn)極化方式對天線(xiàn)的方向要求較高。當然在實(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，有時(shí)一個(gè)信號既可以被水平天線(xiàn)接收，也可以被垂直天線(xiàn)接收，但無(wú)論如何，天線(xiàn)的極化方向常常是需要考慮的重要問(wèn)題。

　　對于圓極化，無(wú)論收信天線(xiàn)的極化方向如何，感應出的信號都是相同的，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，使得系統對天線(xiàn)的方位（這里的方位是天線(xiàn)的方位，和前面所提到的方向系統的方位是不同的）敏感性降低。因而，大多數場(chǎng)合都采用了圓極化方式。
打個(gè)形象的比喻，線(xiàn)極化類(lèi)似彎曲在地面上爬行的蛇，圓極化類(lèi)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(xiàn)極化形式的；不斷地畫(huà)圓，傳遞的波就是圓極化的。