RFID干货专栏｜07 天线的基本原理定义分类（视频讲解）

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展，超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一，每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中，中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国，在国家对物联网发展的大力支持下，行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而，至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

为了填补这方面的空缺，甘泉老师花费数年之功，撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布，本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述，干货满满！RFID世界网得到了甘泉老师独家授权，在RFID世界网公众号特设专栏，陆续发布本书内容。

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2.1天线基本原理

本节主要讲述一些天线的基本原理和基础知识。很多读者一看到天线和麦克斯韦就头疼，本节没有复杂的推导和公式，只是作为一本RFID的专业工具书使用。读者只需要学习和掌握几个简单的技巧和一些简单的定义。

2.2.1天线与RFID

在所有的无线通信技术中，只有RFID系统的无线收发装置和天线的关系最为特殊。在RFID的家族中，天线和RFID是同样重要的成员，RFID和天线相互依存，不可分割。无论是阅读器还是标签，无论是高频RFID还是超高频RFID，都离不开天线。对于到底是先有RFID还是先有天线的问题，做射频和天线的人马上会跳出来说，当然是先有天线了。那么，到底是先有RFID天线还是先有RFID硬件呢？为什么高频RFID的频率是13.56MHz，而超高频RFID的频率是840M-960MHz呢？本节就针对超高频RFID来讲一下是先有鸡（天线）还是先有蛋（RFID）的故事。

超高频RFID由来：人们在长期使用条码之后发现条码有很多弊端，比如识别率比较低，容易被污染。这个时候就想是不是有一种技术可以通过电磁波来实现通信呢？因为电磁波通信不会被需要介质阻挡，不会出现无法识别的问题，加上电磁波的穿透能力可以实现多个物品一起识别。

有了这个想法的科学家们兴奋了，就开始深入研究，发现条码的尺寸基本固定，一般宽高分别小于3英寸（7.5cm）、5英寸（12.5cm），且总面积小于12平方英寸（75cm2）。通过观察超高频RFID的标签可以发现，大部分面积都是天线，只有中间的一个小黑点是芯片。也就是说，标签的大小主要由天线尺寸决定。

既然已经知道了天线尺寸，接下来就要选择工作频率了。人们通过一组测试数据：固定发射天线输出功率及接收天线（RFID标签天线）尺寸，记录不同频率下读距，得到如图2-15所示为不同频率下的工作距离图。

图2-15不同频率下的工作距离图

从2-15图中可以看到，在800MHz~1GHz的频段范围内，标签工作距离最远。其实早期的手机频率也是在这个频率范围，因为早期的手机尺寸及手机天线尺寸与超高频RFID天线接近，最终做手机协议的科学家就定下了这个频率。随后的故事大家应该都知道了，就是做RFID的科学家由于是晚于手机的制定，只好跟做手机的科学家坐下来开了个会，从人家剩下的频段中找了一段给RFID用。这里声明一下这只是一个故事并非正史，也希望大家通过自己的方式来寻找“超高频RFID的正史”。

故事讲完了，有人就要发问了，为什么天线这么神奇，就只有在这个800M~1GHz的频率才工作距离最远呢？有两种回答：一种是“这就是天意，是上帝创造出来的”；另外一种就是通过经典天线原理或者麦克斯韦方程推算出来。比如通过标准偶极子天线长度与半波长尺寸相比拟，800MHz~1GHz的半波长为15cm~18cm，有宽度的偶极子长度比半波长尺寸略小，可以认为乘以一个系数0.8（宽度越大系数越小），这样就发现与12.5cm非常接近了。

最后插一句，915MHz为无源超高频最好工作频段，美国的RFID科学家就很聪明选择了902MHz到928MHz带宽中心频率915MHz。也难怪UHF RFID创始在美国，最好的频点在美国，最宽的带宽也在美国。实际上，在800MHz~1GHz范围内，超高频RFID标签在不同频率下实际工作距离差异很小，主要还是与标签具体的尺寸相关。

2.2.1天线的定义与分类

1.天线的定义

天线（Antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收（仅仅接收很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机，如图2-16所示。

图2-16 天线的基本组成

可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统等，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，这就是天线的互易定理。

2.天线的工作原理

当导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图2-17（a）所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如图2-17（b）和2-17（c）所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。

必须指出，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；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，因而就能形成较强的辐射。

图2-17 电磁波的辐射原理图

3.天线的分类

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：

按工作性质可分为发射天线和接收天线。

按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

按方向性可分为全向天线和定向天线等。

按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。

按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。

按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线：一维天线：由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双极天线是两种最基本的一维天线；二维天线：变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片）、喇叭状、碟状。

天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类。