2.3 电磁场理论对于UHF RFID标签天线设计的指导意义

电磁波在媒质中传播的讨论，对于UHF RFID标签天线设计有怎样的意义呢？

（1）在媒质中，电磁波的工作波长：

从式中可以看出，λ与成反比，而天线尺寸与λ成正比，因此当遇到标签天线的小型化设计中，首先应想到选择高介电常数ε的材料，以减小天线的工作波长，从而减小天线的物理尺寸。

（2）对材料电导率σ的关注，由衰减常数：

可得，只有在理想的天线基材中，σ=0，才能保证衰减常数α=0，电磁波在介质中才能无损耗的传播，而现实中，具有一定介电常数ε的材料，都是具有一定σ，因此在选择高介电常数基板材料的时候，必须关注σ值，而且根据衰减常数公式，σ越小越好，从而降低电磁波在基材中的损耗。

常用损耗角正切值（耗散因子）可以在相关材料参数中找到，如表2.1所示。第二列为基材介电常数；第三列为基材损耗角正切值（耗散因子）。在标签的小型化设计中，选择的基材在保证有较高的介电常数的同时，必须具备较低的损耗角正切值，其对标签天线的效率具有重要的影响，需要引起关注。

表2.1 基材相关参数

（3）什么是超材料（Metamaterial）？

电磁场在媒质中的传播公式

以及相位常数公式

从式中可以看出，只有当相位常数为实数时，电磁场才可以在媒质中有效传输；当相位常数为虚数时（μ*ε为负值），e-jβz也将成为衰减量，电磁场将迅速衰减，从而成为凋落波。

但是，当μ、ε均为负值时，满足μ*ε大于零的条件，相位常数β仍为实数，理论上电磁波仍可以传输。因此，在一定条件下μ、ε均为负值的材料，被称作为超材料或左手材料（电场、磁场与波向量间满足左手定律）。

超材料理论上存在负折射效应、Doppler效应、Cherenkov辐射、透镜效应、Goos-Hanchen位移等独特而意义重大的物理特性。但是，超材料的存在很大程度上为麦克斯韦方程理论推导的结果，在实际的物理实现中仍然存在较大的争议。目前所提出的超材料的实现方案中，绝大多数是通过周期性的结构来实现的，如图2.9所示，从严格意义来说很难被称为材料。

正是因为周期性结构的条件限制，所谓的超材料必须具有一定的尺寸和结构，不可能像使用其他普通材料一样被随意地切割或塑型。

由于信息的不对称和商业利益的诱惑，一些机构和公司对超材料的特性进行了不合实际的描述和宣传，极力地强调和夸大了超材料的优势特性，而对于其学术上的争议和实现上的限制避而不谈，在一些程度上误导了公众的认知。

在UHF RFID标签天线的设计中，对超材料的使用，需要保持一定的谨慎和怀疑。