问题40：为什么RFID标签天线会有不同的形状？

物联网在很多应用领域都会使用无线通信技术，因此我们在实际工作中会看到很多种天线（antenna）。图3-12给出了各种形状的RFID标签天线。了解一些天线的知识，对于理解物联网应用系统工作原理是有益的。

天线的功能是发送和接收电磁波能量，是无线通信系统重要的组成部分。在大学电磁学课程中，我们会学习到相关的知识。RFID标签中的天线不同于我们日常使用的手机天线、无线路由器天线，它是一种微型天线。

1.天线的基本工作原理

两根连接微波振荡器的两根导线可以组成辐射电磁波能量的天线。电磁学的长线理论研究了天线的长度、角度与电磁波辐射强弱关系。研究结果可以用图3-13a表示。这里需要注意两点：

第一，天线的长度、张开的角度与电磁波辐射强弱的关系。

当组成天线的两根导线呈平行状态，且距离很近，电场被束缚在两根导线之间，辐射能力很弱。

当组成天线的两根导线逐渐张开时，电磁波在周围的自由空间产生交变的磁场，交变的磁场又进一步产生交变的电场，电磁辐射增强。

第二，天线的长度与电磁波辐射强弱的关系。

研究结果指出：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λ相当时，导线的电磁辐射达到最强。

当每一根导线的长度为1/4波长，两根导线长度为1/2波长λ，即λ/2时，称为半波振子或“半波对称振子天线”。很多电视天线就是在对称振子天线基础上发展起来的。在很多复杂通信的设计与性能分析中，人们经常将它们转换成简单的半波振子天线来计算。

图3-13b给出了半波对称振子天线辐射的方向图。天线方向图是根据微波能量测量仪器，在天线辐射区域内不同的角度与距离测量的天线辐射的电磁波能量值绘制的。它反映出半波振子天线在不同角度与距离辐射电磁波能量的强弱的特性。

同时需要注意的是，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方向图、增益、特征阻抗等基本参数是相同的，这就是天线的互易定理。

2.描述天线性能的参数

影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以调整这些参数。在讨论RFID标签天线时，我们通常注意谐振频率、辐射方向图、增益、阻抗、极化等。

（1）谐振频率

谐振频率也称为工作频率，它与天线的电长度相关。天线的电长度通常由波长来表示。例如，微波段RFID工作频率在5.8GHz时，它对应的波长λ约为5.17cm。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一定频率范围（频带宽度）内工作。例如，有的天线标明它的工作频率范围为824～960MHz，频带宽度为70MHz。无论是发射天线还是接收天线，如果发射或接收的电磁波频率偏离设计的工作频率，天线的方向图、增益和阻抗都会随之改变。

（2）辐射方向图

辐射方向图是天线发射或接收相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。天线是无源器件，不能产生能量，天线只能通过调节和控制方向图的方法，将电磁波能量集中发射到某个特定的方向与区域。图3-13b给出了天线方向图的示意图。

（3）增益

在天线设计中，“增益”指天线最强辐射方向下，天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比的对数。增益的单位为分贝（dBi）。天线增益反映出天线在某方向辐射的能量比全向天线辐射能量大多少倍。由于天线辐射的能量是守恒的，天线的方向图、增益只是调节能量分配的方向。因此，天线设计需要在方向图、增益与天线覆盖范围之间取得平衡。天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

（4）特征阻抗

天线的特征阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长相关。它与自由空间的特征阻抗、馈线特征阻抗的匹配情况决定了系统的工作效率。

3.微带天线的基本概念

RFID标签的天线主要有两类：微带天线与绕线天线。微带天线（Microstrip Antenna）是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用绕线、光刻腐蚀、印刷等方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。按结构特征分类，微带天线可分为微带贴片天线和微带缝隙天线。按形状分类，微带天线可分为矩形、圆形、环形微带天线等。贴片形状是多种多样的，实际应用中由于特殊的性能要求和安装条件的限制，常常要用到其他形状的微带贴片天线。

光刻腐蚀多用于UHF频段13.56MHz的RFID天线制造中。光刻腐蚀制作的天线线条精细，线条宽度最细可以达到±0.03mm，微带天线宽度如图3-14所示。用光刻方法制造的天线性能稳定，耐高温、耐高压与潮湿、耐弯折，使用年限可以达到10年。

印刷时，直接用导电油墨（碳浆、银浆或铜浆）按照设计的特性，将天线印刷在薄塑料介质基片或纸介质上，线条宽度最细可以达到±0.1mm，使用年限一般为2～3年。由于印刷方法制造的天线电阻较大，因此应用上受到一定的限制。

4.绕线天线的基本概念

图3-15给出了用绕线方法制造的天线及其应用示意图。绕线方法一般用于125～134MHz的RFID天线制造。这种方法成本低，但是生产效率也低，通常用于封装在玻璃管内的特殊RFID标签。用绕线天线的RFID标签一般用于嵌入有特殊需要的人与动物的体内，作为身份识别的标记。

从以上讨论中可以看出，RFID标签天线的形状是天线设计者根据应用场景、工作频段、性能指标与制造成本的需求来设计的。