UHF阅读器天线的设计

RFID在UHF频段的读写器天线一般具有平面天线的特点，阅读器--天线的平面化，小型化决定了天线要尽量薄，结构要紧凑，性能要高，同时面市时间和成本均给天线设计工程师带来了挑战。

UHF阅读器天线的设计的两个主要条件是：1.电气性能 ； 2.机械特性。

本文只探讨UHF阅读器天线的电气性能。

UHF阅读器天线的电性能：

(1)带宽

这也是一个重要但容易被忽略的问题。天线是有一定带宽的，这意味着虽然谐振频率是一个频率点，但是在这个频率点附近一定范围内，这付天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。

我们当然希望一付天线的带宽能覆盖一定的范围，天线的带宽和天线的型式、结构、材料的介电常数都有关系。一般来说，材料的介电常数越低，带宽越宽；反之天线增益越高，带宽越窄。

图1： 谐振于900MHz偶极子天线的等效电路 (a) 图上部天线谐振于（λ/2），（b）图下部天线谐振于（λ/8）

BW（GHz）=2πLant

WB：GHz , Rrad：Ω, Lant：nH。

当偶极子天线物理尺寸是16cm,谐振于900MHz（λ / 2） ，如图1等效电路其带宽为：

65BW（GHz）≈0.17=170MHz

2π(60)

这是涵盖国际上大多数国家在UHF频段使用的带宽（860-960MHz）。

(2)阻抗

天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配：和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，馈线的阻抗是确定的，所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。RFID UHF天线系统使用50Ω阻抗的馈线。

在阅读器RF连接器与天线通过馈线连接之前，需要有一定的手段来做阻抗变换，称为平衡不平衡转换。 平衡对称的天线是平衡的，如偶极天线、八木天线，而同轴电缆是不平衡的，把这两者连接起来

BW（GHz）=2πLant

WB：GHz , Rrad：Ω, Lant：nH。

当偶极子天线物理尺寸是16cm,谐振于900MHz（λ/2） ，如图1等效电路其带宽为：

65BW（GHz）≈0.17=170MHz

2π(60)

这是涵盖国际上大多数国家在UHF频段使用的带宽（860-960MHz）。

(2)阻抗

在阅读器RF连接器与天线通过馈线连接之前，需要有一定的手段来做阻抗变换，称为平衡不平衡转换。 平衡对称的天线是平衡的，如偶极天线、八木天线，而同轴电缆是不平衡的，把这两者连接起来，就需要解决平衡不平衡转换的问题。

图2：天线的等效电路 (a)偶极子天线：；(b)贴片天线

(3)增益

天线是无源器件，但是天线是可以有增益的。这个增益当然是相对增益，是相对于基本偶极天线而言的。UHF阅读器所用的天线，当然希望增益越高越好。不过别忘了，增益高往往伴随着带宽窄。

（4）方向性

不是所有的天线都有方向性的。便携式收音机上的拉杆天线就没有方向性。偶极天线有弱的方向性，八木等定向天线可以得到较好的方向性。好的方向性意味着能够集中收集所需方向的电波，还有一个重要的能力就是能部分地减弱本地信号的影响。

但是定向天线并不是什么情况下都好。当没有目标而等待的时候，定向天线就有可能使你错过天线背面的信号。发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周 围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的 "面包圈" 形的立体方向图。 立体方向图虽然立体 感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而在水平面上各个方向上的辐射一样大。

若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生"扁平的面包圈"，把信号进一步集中到在水平面方向上。如图1所示：

图3：理想偶极子天线的辐射方向图

也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向。

图4：UHF微带天线的3D增益图

平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。 天线的基本知识全向阵 （垂直阵列 不带平面反射板）。

（5）天线的有效面积

天线的增益G与天线有效面积Ac之间的关系为：G=4πAc/λ2

通常承认以上公式就行了，不必深究。

天线的有效面积越大，其波束越窄，相对其增益越高。而绝不是相反。

有效孔径天线，面积超过它所收集的来自标签天线的微弱信号，也就是与天线增益密切相关的一个重要指标。该接收功率是成正比的功率密