2.2 天线基础概念

天线设计本身属于比较专业的技术领域，国内仅有几所专门的电子和通信类高校与研究所研究该领域，这也造成了目前有相当比例的天线工程师并不是通信、电子或者微波专业出身的现象。电磁场和天线的基础概念对于这些非专业人士而言，是晦涩难懂的。本节针对天线设计目前存在的这些客观情况，简单介绍天线的基础概念，从工程实践的角度出发，尽量减少采用难懂的理论分析，以便读者快速入门。

2.2.1 方向图

天线方向图指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强随方向变化的图形（归一化值）。天线方向图是一个三维概念，但是为了表述方便，经常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互正交的平面方向图来表示，通常分别称为E面方向图和H 面方向图。

天线方向图示意性地表示了天线在各个方向上辐射能力的强弱。不同的天线，其辐射方向图会有比较大的差异，如图2-8所示，理想天线可以用一个圆形的气球来表示，而偶极子天线的方向图就像从气球中间使劲捏之后形成的形状，定向天线的方向图是从气球下端使劲捏气球形成的形状。当然，根据天线的不同，还会有更多用气球展示不了的天线方向图。

在天线方向图中有主瓣、副瓣、后瓣、前后比等概念。

主瓣是包含辐射强度最强值方向在内的天线辐射波瓣。主瓣宽度衡量了天线最大辐射区域的尖锐程度，通常其宽度取天线主瓣两个半功率点之间的宽度，称为主瓣宽度。

副瓣是指主瓣之外的其他辐射波瓣，主瓣之外与主瓣指向相反的波瓣称为后瓣。主瓣最大辐射方向上的功率密度与后瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数值，又称为前后比。前后比直接反应天线定向辐射的能力，前后比越大，天线定向辐射能力越强；前后比越小，天线定向辐射能力越弱。

通过上述的天线方向图的概念就可以定性地描述一个天线的辐射特性。其实，对于某一特性的天线而言，其天线方向图往往都是比较接近的，即最大辐射方向上的辐射强度可能是不一样的，但是归一化的辐射方向图往往是类似的，如半波偶极子天线在E面上方向图呈现出8字形，在H面上呈现出圆形，单振子微带天线在E面和H面上均呈现出上大下小的定向8字形。因此有经验的工程师可以根据天线的方向图粗略估计天线的结构。

影响天线方向图的因素有很多。天线本身的构造是决定天线方向图的重要因素，这就犹如人类的基因，特定的天线往往具有特定的方向图，只是在形状上稍有差异。如图2-9所示，空气中偶极子天线E面的方向图为8字形，H面的方向图接近圆形，而在具有一定介电常数的材料上，偶极子天线H面方向图向材料两边延展，变成了近似的椭圆形，在半包围的金属腔体中，天线H面方向图明显地向腔体缺口的方向倾斜了。

天线周边的介质和金属材料也会对天线的方向图造成非常严重的影响。天线周围的介质材料往往具有引向能力，即靠近介质材料的一面，天线方向图会向介质材料倾斜，金属材料具有电磁波反射作用，在天线靠近金属表面时，天线方向图会向远离金属表面的一面倾斜。

2.2.2 增益

天线增益与通常所说的放大器增益是不同的。天线增益是指在相同的输入功率条件下，天线与理想辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。通常所说的天线增益是指天线产生最大增益方向上的增益。增益定量地描述了一个天线辐射能力的强弱，表示天线朝某一个方向辐射和接收电磁信号能力的强弱。天线增益越大，电磁波理论上的传播距离就会越远，也可以说，在同一点天线接收到的电磁信号强度越强。

天线增益的概念与天线方向图的概念是紧密相连的。方向图中主瓣越窄，副瓣越小，天线增益就越高；主瓣越宽，副瓣越大，天线增益就越小。

如图2-10所示，天线增益就像一个球可以被投掷的距离，在球的质量相同的条件下，如果球被投掷得远，那么就可以说这个天线的增益大；如果球被投掷得近，那么就可以说这个天线的增益低。

天线增益通常用dBi和dBd两种方式来表示。dBi表示上述定义中天线与理想辐射单元在空间某一处的功率密度之比的对数值；dBd表示上述定义中天线与半波偶极子天线在空间某一处的功率密度之比的对数值。通常而言，dBi和dBd之间存在如下关系：

在圆极化天线中，很多资料提到了dBic的概念。dBic表示的是圆极化天线的增益单位，通常dBi比dBic多3dB。我们是比较赞成这种表示的，因为如果按照dBi的方式表示圆极化天线，就很容易给使用者造成误解，认为圆极化天线的增益和线极化天线的增益是相同的，实际上在相同面积和构造的前提下，两者的增益差会影响天线的实际使用。而有了dBic的概念之后，就很容易区分线极化和圆极化天线了，并且可以让使用者知道两者之间的增益是有区别的。

在无源RFID系统中，无论是读写器天线还是电子标签天线都是无源的，即天线本身并不能产生信号的放大作用，那么为什么会采用类似功率放大器的增益概念呢？

天线增益其实是表示将理想辐射点源的能量在空间某点上的放大效应。例如，在不考虑衰减的情况下，使用理想辐射点源进行信号传输，在距离天线为L的地方想要获取足够的能量，需要在理想点源的端口输入1W的功率，如果使用增益为G=10dB的天线，那么在这个天线的输入端口只要输入0.1W的功率就可以在距离为L的地方获取到同样的能量。因此天线增益其实代表了最大辐射方向的功率相对于理想点源或者半波偶极子天线的功率放大倍数。

在无源RFID系统中，高频和低频系统的天线由于均在近场范围内工作，一般不提及天线的增益；而对于超高频天线，增益是非常重要的。

影响天线增益的因素有很多，如天线尺寸、天线本身的损耗、天线的谐振频率等。

天线的增益并不是一个固定值，它随着工作频率的变化而发生一定的变化。例如，有些微带天线，在920MHz频点增益为7.5dBi，而在840MHz频点的增益为8.2dBi，这在实际使用中可能不会对系统可用性造成太大的影响，但是我们在设计RFID系统和电子标签天线及读写器天线时必须考虑这个问题。由于标签会黏附在被识别物体上，被识别物体的介电常数和厚度的不同会极大地影响天线的谐振频率，因此天线在不同的被识别物体上的增益可能出现较大的变化，这会影响无源RFID系统的稳定性和可用性。

有时虽然天线谐振频率相同，但是由于天线本身的尺寸不同、制作天线所使用的材料不同、天线本身构造不同等因素也会很大程度地影响天线的增益。例如，不同尺寸的偶极子天线都可以在某一特定的频率谐振。但是，如果天线尺寸不同，如有的天线尺寸正好为半波长，而有的天线尺寸却只有1/4波长，那么这两个天线的实际增益将发生很大的变化。如果天线本身是黏附在具有较大损耗因子的材料上，并且材料本身厚度较大，那么天线的增益也会明显减小。

在金属标签的使用中，金属标签所黏附的金属底板的大小也会影响天线的增益，但是金属板尺寸小到一定程度或者大到一定程度之后，就不会对增益产生影响了。这在带有金属标签的使用环境中很重要。

2.2.3 波瓣宽度

波瓣宽度是天线参数中非常重要和基础的参量，通过方向图、增益和波瓣宽度基本可以确定一个天线的辐射特性。

波瓣宽度是天线辐射面在远场张开的角度。通常将最大辐射方向上的功率下降3dB的两个方向之间的夹角定义为波瓣宽度，即主瓣上距离最大辐射方向上增益下降3dB的夹角角度，如图2-11所示。波瓣宽度通常也称半功率角、3dB波束宽度或半功率波束宽度。

通常，根据方向图的E面和H 面，又将波瓣宽度分为E面波瓣宽度和H 面波瓣宽度。

在定向天线中，波瓣宽度越宽，天线的增益就越小；波瓣宽度越窄，天线的增益就越大。天线增益与波瓣宽度存在如下的近似关系：

其中，G为天线增益；β为E面波瓣宽度；θ为H 面波瓣宽度。从上述公式也可以看出，在天线增益不变的情况下，如果水平波瓣宽度变大了，那么垂直波瓣宽度必然减小；反之亦然。这在很多阵列天线的方向图中可以很容易得到验证。例如，4×1的阵列天线，其E面波瓣宽度为18°，而2×2的阵列天线，其E面波瓣宽度为45°，但是天线的增益都为12dBi左右。

影响波瓣宽度的因素很多，如天线本身的构造、天线的谐振频率、天线是否组阵、天线周边环境等。与天线方向图类似，很多特定种类的天线的波瓣宽度往往是比较固定和接近的，例如半波偶极子天线、八木天线等。当然，根据天线频率、引向器和底板的多少和大小，波瓣宽度会发生一些细微的变化，但是不会有太大的变化。天线组阵也会比较大地影响天线的波瓣宽度，正常的线性阵列会提高天线的增益，天线波瓣宽度在组阵的方向上会变窄，并且随着阵列当中振子的增加，波瓣宽度会越来越窄。

天线的波瓣宽度在RFID系统中会影响系统的可用性，本书开篇已经说明RFID系统设计的表象其实是在误读和漏读之间做斗争，而当读写器天线的波瓣宽度较大时，它能够激活和接收电子标签的范围就会扩大，这在很多要求对电子标签识别具唯一性的场合是致命的，会导致读写器误读到很多的标签，造成RFID系统的可用性下降。因此，在设计电子标签天线和读写器天线时，对于天线的波瓣宽度必须着重考虑。

2.2.4 带宽

带宽是电磁波领域最常见的概念之一，在天线中也是比较常见的概念。并且，每一个天线都有特定的带宽。带宽是描述天线工作频率范围的参数。带宽通常都是同天线的其他参数紧密相连，如驻波比带宽、增益带宽、轴比带宽。不带限制的带宽概念是没有意义的。例如，在超高频RFID系统中通常要求读写器天线在电压驻波比小于1.5的情况下，天线带宽为902～928MHz，而在此情况下，如果脱离了电压驻波比的概念，我们所说的频率范围对于天线来说就没有意义了。

在前面的章节中提到过，天线的增益是随着频率的变化而发生变化的，那么在一个需要的增益条件下，天线能够达到这个增益值的频率范围就是天线的增益带宽。以此类推，可以定义天线的不同形式的带宽。

描述带宽的方法包括绝对带宽和相对带宽。绝对带宽是以频率的实际工作范围为描述对象的，绝对带宽表示的是天线在某一限制条件下实际的最高工作频率与最低工作频率的差值，以赫兹（Hz）为基本单位。相对带宽表示天线工作中心点频率与绝对带宽的比值，可以以小数或者百分比的形式表示。如图2-12所示，天线在电压驻波比（VSWR）小于2的情况下的实际工作频率范围为805～940MHz，那么天线的绝对带宽为135MHz，而天线的相对带宽为15.4%。

根据相对带宽的不同，天线可以分为窄带天线、宽带天线和超宽带天线。假设fl为天线工作的下限频率，fu为天线工作的上限频率，当fu/fl大于2时，天线可以称为宽带天线；当fu/fl大于10时，天线可以称为超宽带天线。以fu/fl来描述的带宽也可以称为倍频带宽。

本书将电子标签或天线正常工作所需要的带有一定限制的工作频带范围称为工作带宽。

天线增益与带宽之间存在一定的约束关系。通常来说，同一类型的天线，天线的带宽越宽，天线增益就会相对减小；天线带宽越窄，天线增益就会相对增加。在天线设计中，对于天线和增益经常会有“鱼与熊掌难以兼得”的感受。

2.2.5 天线极化

天线极化是描述天线辐射电磁波场矢量空间指向的参数。以电场矢量的空间指向为天线辐射电磁波的极化方向。电场矢量在空间的取向是一个与时间和空间相关的参数。

沿电磁波传播的方向看去，在垂直于电磁波传播的平面上，电场矢量可以分为x和y两个方向的分量。当这两个分量合成电场矢量在空间的取向固定不变时，称为线极化；当这两个分量合成的电场矢量在空间的取向随时间而变化时，若其矢量端点在垂直于传播方向的平面内描绘的轨迹是椭圆，称为椭圆极化，若描绘轨迹为一个圆，则称为圆极化。

以地面为参考，线极化分为水平极化和垂直极化，电场矢量平行于地面时为水平极化，电场矢量垂直于地面时为垂直极化。水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，有利于信号的有效传播，因此在RFID系统中，如果需要用到线极化天线，应以垂直极化天线为首选，当然如果受安装环境等条件限制，则可以考虑采用水平极化天线。

椭圆极化在椭圆面上分为长轴和短轴，长轴与短轴之比称为轴比，单位为dB。轴比是描述椭圆极化天线的重要参数，表示椭圆极化天线的不圆度，即指明有一个方向上天线的辐射性能会更好，有的方向会较差，这也与轴比的实际值相关。线极化是椭圆极化的特例，椭圆极化的另一个特例是圆极化。

当天线的轴比为0dB时，椭圆极化可以成为圆极化。根据电场矢量旋向的不同，可以分为左旋圆极化和右旋圆极化。在工程上，若沿着电磁波传播方向看去，电场矢量是顺时针方向旋转的，称为右旋圆极化；电场矢量是逆时针旋转的，称为左旋圆极化。图2-13描述了通用微带圆极化天线的极化方向。

通常，我们做的圆极化天线都要求轴比不大于3dB。天线的轴比是随着频率变化而发生变化的，有文献将轴比不大于3dB的天线工作频率带宽称为轴比带宽。

圆极化天线或者椭圆极化天线可以接收任何的线极化电磁信号。如果采用椭圆极化或圆极化天线接收线极化电磁信号，极化存在一定的不匹配，称为极化损失。极化损失是非常普遍的，椭圆极化天线之间会存在极化损失，线极化天线之间也会存在极化损失。

根据极化损失的概念，当两个极化方向正交的时候，这两个极化的信号是不能彼此接收的，即垂直极化天线无法接收到水平极化的电磁信号，水平极化天线也无法接收垂直极化的电磁信号，左旋圆极化天线无法接收到右旋圆极化的电磁信号，右旋圆极化天线无法接收到左旋圆极化的电磁信号。这是我们在工程实践中要极力避免发生的情况。

有别于圆极化的概念，还存在双极化的情况。双极化指的是天线存在相互正交的两个极化方向，一般分为水平与垂直极化和±45°极化。双极化一般是以两个激励端口的方式实现的，同理如果需要更多的方向上的极化，只需要增加对应极化形式的天线和激励端口就可以了。

在电子标签中会用到双极化天线，以偶极子天线为例，两个偶极子天线形成的双极化天线的好处是当天线的两个端口分时或同时工作的时候，天线在x轴方向和y轴方向上会形成一个360°无缺陷的方向图，即一个偶极子天线E面上的接收零点可以由另一个正交天线的H 面方向图弥补，在使用效果上形成了接近于理想辐射源的球形辐射方向图。双极化天线的电子标签的另一个好处是在天线平面上形成了一个类似于圆极化的极化现象，但是在与线极化天线进行信号接收时不存在极化损失。

2.2.6 巴俾涅原理

巴俾涅原理描述了具有互补结构和对偶结构的两类电磁场问题的解之间的相互关系。利用巴俾涅原理可以方便地从已知天线推导出其互补天线的辐射特性。

巴俾涅原理源于光学，它阐述了光学中关于完全吸收的衍射屏和它的互补屏的衍射场的关系。如图2-14所示，观察一光源S在观察点P处的光强，设S与P之间无任何障碍时P点处的光强为L，当S与P之间有衍射屏时，P点的光强为L1，当衍射屏用它的互补屏代替时，P点的光强为L2，根据巴俾涅原理，L与L1和L2之间存在如下关系：

光学中的巴俾涅原理不能直接套用到电磁场和天线中。图2-15为电磁场的巴俾涅原理示意图。图2-15（a）为无任何屏蔽的开放空间，P点处的电磁场为（Ei, Hi）；图2-15（b）为放置一无限大的开孔理想导体面；图2-15（c）为放置互补磁屏，即去掉图2-15（b）中的理想导体面，在开孔位置用理想导磁平面代替。那么在P点的电磁场关系为

利用巴俾涅原理，天线设计中解决了互补天线的问题。图2-16描述了两个互补天线，其中图2-16（a）为在理想导电面上的缝隙天线，图2-16（b）为与之互补的偶极子天线。

根据巴俾涅原理，天线（a）和天线（b）的方向图是完全相同的，极化方向相差90°，或者说两个天线的E面和H 面方向图正好互换，即这两个天线的极化正好是正交的，在利用这两种天线进行信号发射和接收时，需要将其中一个天线旋转90°放置。

这两个天线的阻抗存在如下关系：

其中，Za为天线（a）的阻抗；Zb为天线（b）的阻抗；Z为天线所处空间的本征阻抗。

由于缝隙天线和与之互补的偶极子天线之间存在互补关系，因此在电子标签天线设计中，很多情况下需要将偶极子天线变形为缝隙天线，这样会有利于天线适应使用环境，并且在很多时候可以提高电子标签天线的性能。

电磁场、微波和天线理论众多且繁杂，但是这些理论在天线设计中起到了非常重要的指导作用，没有扎实的理论基础是不太可能设计和制造出好的天线的。本书作为介绍针对特种类型和应用的天线技术的工程类书籍，不太可能列出所有的电磁场、微波和天线理论，读者如果希望设计出优良的电子标签天线，应加强对电磁场、微波、天线等基础理论知识的学习。