典型的RFID標簽天線包括微帶貼片天線和偶極子天線。RFID標簽的性能容易受到環境介質的影響，尤其是微帶偶極子天線，當它粘貼在一般的絕緣介質(如玻璃、塑料箱等)表面，會影響天線的電感量和降低諧振頻點的品質因數；當它粘附在金屬上時，由于電磁感應的作用，會吸收射頻能量而轉換成自身的電場能，因此減弱了原有射頻場強的總能量，同時也會產生感應磁場，磁力線垂直于金屬表面，使得射頻場強的分布在金屬表面發生變形，磁力曲線趨于平緩。因此，當標簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時，該空間內實際并無射頻場強分布，標簽天線無法切割磁力線而獲得電磁場能量，因而標簽無法正常工作。

1 微帶RFID貼片天線

微帶貼片天線通常是在一個薄介質基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電，如圖1所示。因為微帶貼片天線自身有一個金屬的地板，當其粘附在各種物體上時，天線背面的電磁場不會受到太大影響，故可以在多種環境下正常讀取。

利用傳輸線模型分析微帶天線是較有效的方法。該方法的基本假設如下：微帶貼片和接地板構成一段微帶傳輸線，傳輸準TEM波，場在傳輸方向是駐波分布。而在其垂直方向是常數；傳輸線的兩個開口端(始端和末端)等效為兩個輻射縫口徑場，即為傳輸線開口端場強，如圖2所示。

圖3是按照傳輸線法建立的微帶天線等效電路。Ys為縫輻射導納；Y0為微帶貼片的特性導納。

2 E型RFID標簽天線設計

對于一般的微帶貼片天線，它的輻射激勵可以等效成一個諧振回路。在矩形微帶貼片天線的基礎上，采取E型結構，即沿天線的匹配方向將金屬貼片開兩條平行寬縫(見圖4)。由于貼片上存在兩個縫隙的作用，促使天線的諧振特性受到了影響，即原來的一個諧振回路變成了兩個諧振回路，當這兩個諧振回路的諧振頻點靠得比較近時，就達到了擴展頻帶的目的。

本文在E型背饋天線的基礎上，提出了一種變形的側饋天線方案，如圖5所示。天線主體由一個矩形貼片開縫構成，頂部切去了兩個角。由一個功分器和一段微帶線作為饋線與芯片匹配，而芯片的另一段通過微帶線接地。

由于高介電常數的介質能有效地減小天線的尺寸，所以基片選用尺寸為84 mm×54 mm×1．4mm的陶瓷氧化鋁．介電常數為9～10。微帶標簽天線的物理尺寸為：L1=47．6 mm，L2=4 mm，L3=18 mm，L4=3．5 mm，W1=1 2．6 mm，W2=10 mm，W3=6 mm，W4=2 mm，S=3 mm。

該天線采用的芯片在915 MHz時的阻抗為34．5一j815，呈現明顯的容抗。采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 10．O對天線進行仿真。經過調試和優化，得到天線的S11曲線，如圖6所示。該天線分別在905 MHz和920 MHz有兩個諧振頻率。在905 MHz時，S11為一28 dB；在920 MHz時，S11為一37 dB，這兩個諧振頻率都比較窄，通過調整天線，使兩個諧振頻率靠近915 MHz，以達到增加帶寬的目的。該天線增益在915 MHz時仿真結果為0．34 dBi(見圖7)，滿足RFID系統讀取的要求。

將RFID標簽天線分別粘附在裝水的塑料盒面(塑料盒很薄)、金屬面、塑料制品上或直接放在空氣中，讀寫器在902～928 MHz中設置廣譜跳頻，RF功率設置為36 dBm，讀寫器天線增益為12 dBi。測試讀取距離如表1所示。該RFID標簽的工作性能在不同物質環境中表現出較為滿意的一致性。

3 結 語

本文設計了一種UHF頻段RFID標簽天線。在微帶矩形天線理論基礎上，改進了E型開槽天線的結構，用微帶線側饋代替了背饋方式，使天線與芯片能良好地匹配，并通過獲得雙諧振頻率擴大了帶寬。實驗測量表明，該天線在金屬表面讀取距離為11．5m，在不同物質表面讀取距離基本不變，且性能穩定。

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天線類型

固用、行動用天線的趨勢

微型天線的發展趨勢

解決方案：

棒型天線是收發端的方位不定

偶極型天線則開始有部分的定向性

碟型比偶極型更講究定向性

天線設計是相當考驗模樣、實體特性設計的一門學問，天線既可以相當制式的量化生產，也可以高度特定配合的量身訂制。天線的類型有許多種，不同類型的天線有不同的訴求，最粗概而論則有三種：棒型（Rod）、偶極型（Dipole）、以及碟型（Dish）。

天線類型

1.棒型天線

棒型天線是收發端的方位不定，必須從四面八方都能收發信號時所用，最常見的如隨身收音機的天線、計程車用的無線電天線等，人與汽車隨時移動，因此方位不定，需要全向性的收發，此外有些棒型天線會設計成可伸縮的型態，伸長可強化收發訊，縮短則方便收納，如汽車進入低矮的停車場、收音機要放到抽屜時。

模樣收音機的接收天線、車用無線電天線等都是全向性（Omnidirectional）的棒型天線。

2.偶極型天線與八木天線

偶極型天線則開始有部分的定向性，偶極天線是由兩個L狀金屬（多為鋁或銅）條并放成T狀而成，最常見的運用是在業余無線電的火腿族上，必須進行方位對應才有較佳的收發性。此外現有模樣比無線電視（中視、民視等）所用的八木天線（Yagi-UdaAntenna，簡稱：YagiAntenna，俗稱：魚骨天線）也是偶極型天線的進階變化，主要是在天線前端增設信號導波器、在后端增設信號反射器，以此來強化方位感應力。更廣義來說，偶極型天線、八木天線屬線型天線，其他的線型天線還有饋線型天線（FeedingWireAntenna）、旅波型天線（TravelWaveAntenna）等。

偶極型天線如圖呈T型，T型的水平部分長度為波長的1/2，波長若12.5cm，則T型水平部分長度應為6.25cm。

線型天線中的偶極型天線（左）與折偶型天線（右）。

日本東北帝國大學的教授：八木秀次，以及八木研究室的講師：宇田新太郎兩人共同發明了八木?宇田天線，一般簡稱八木天線。

3.碟型天線

碟型天線方面，最常見的即是過去的小耳朵（模樣衛星電視），由于信號來自大氣層外的人造衛星，信號能量打回地球后，由于路程遙遠、信號能量不斷衰減損耗，到地面時已經相當微弱，為了能清晰接收已經微弱的信號，天線必須用類似碗狀的集聚型態，理論上類似放大鏡，也類似聚熱型的太陽能發電。

碟型比偶極型更講究定向性，衛星電視為了有最好的收訊，必須對準大氣層外的衛星軌道方位，此外已經微弱的信號即便集聚也依然微弱，且衛星信號多為極高的頻率，這時必須進行中介性的降頻程序，將高頻信號轉換成較低頻，并將微弱能量信號進行功率放大與強化，之后才能提供給更后端的應用裝置使用。由于碗狀、碟狀天線具有極高的收發方位性，因此軍事上的追蹤雷達、照明雷達也多採此種設計，意味接近的衍生變形設計也有橘皮天線（形狀類似被部分剝開的橘子皮）等。

地面上與衛星收發聯繫的地面站，也是用碟型天線與衛星進行信號的收發通信。

拋物面天線（ParabolicAntenna）與碟型、碗型天線屬同一類型，具有強烈的電波收發方向性，所謂拋物面是指彎弧部位的曲線類似拋物線。

固用、行動用天線的趨勢

只是瞭解基礎是不夠的，近年來無線技術的應用愈來愈廣，過往各式各樣的實際接線也都期望透過無線而獲得去線化，使得天線必須依據各種場合需求而有更合適的變化提升。舉例來說，為了更快的傳輸率，WiFi已經開始使用MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多組收發天線）技術，MIMO是實現智能型天線所必備的基礎，不僅是WiFi，包括WiMAX/WiBro、3G的W-CDMA、CDMA2000也都將MIMO列入后續的預定標準中。

MIMO雖然興盛，但主要是用于固定式通信，如基地臺、HotSpot、至多用在筆記型電腦，然而行動裝置、掌上裝置本身的體積已相當嬌小，很難再放入更多數目的天線，對手持/掌上裝置而言它們更需要的是微型天線、嵌入式天線。特別是在WPAN、WSAN領域格要需要，如Bluetooth、ZigBee、Z-Wave、RFID等。比較不同的是，MIMO所用的依然是偶極型天線，只是增多天線數目，并運用天線后端的運算比對分析而使無線收發有更多的效益。而微型天線則是期望在相同的天線功效上能在物理特性上有更多的設計彈性。接下來我們將針對智能型天線與微型天線進行更多的說明。 智能型天線

智能型天線（SmartAntenna，有時也稱：可適性天線系統，AdaptiveAntennaSystem；AAS，或稱AdaptiveAntennaArray；AAA），它有別于過去多半用單一天線進行收發，而是同時動用多組天線來強化收發效果。智能型天線的第一個好處是拓增頻寬，倘若1組天線可以傳輸通量55Mbps，那么同時用上2組天線理想上就可獲得110Mbps的傳輸通量，但先決條件是發送與接收端都要同時具備與啟用2組天線，以此類推也可以加增第3、第4天線，目前IEEE802.11n的最高定義也是至4組，4接收、4發送的4×4組態。

除了簡單的增組增通量外，事實上多組天線也可以實現更多以往單組天線所辦不到的收發特性，以接收而言，多組天線同時接收，由于各天線有其方位差別，所接收到的信號也不盡相同，然而利用不同天線接收相同信號的些微差異，這個差異透過更后端的數字信號處理器進行比對、分析，如此原本對單組天線而言已經微弱（在傳送路徑中已經反射、散射性地減弱）到不能辨識的信號，也可透過這種多組接收比對使信號仍有機會再現，進而強化信號的接收性。

此外，智能型天線也可以先向遠處的收發端進行一個發波，之后接收發波反射的回應時間而得知受服務端的遠近距離，得知距離后便可以依據遠近的不同而發送不同功率的傳輸，A裝置較近就發送較低弱的功率，B裝置較遠較發送較高強的功率，而不是對任何服務裝置都發送相同功率，如此反而會增加干擾機會，適傳距適功率也是智能型天線特性中的一環，此種技術機制一般稱為BeamForming。更進一步的，智能型天線也因為天線數的增加而可以有方位性的應用，PHS基地臺所用的分空多方存取（Space-DivisionMultipleAccess，SDMA）即是運用智能型天線技術所實現。

D-Link友訊的Pren/11n型無線路由器：RangeBoosterN650RouterDIR-635，圖中可看出三個直豎天線。

D-Link友訊的Pren/11n型無線網路卡：RangeBoosterN650DesktopAdapterDWA-547，圖中可看出三個直豎天線。

微型天線：平板、槽孔

智能型天線是編碼、調變、演算層面的信號技術，而另一個天線技術趨勢是微型化，也稱微型天線或微帶天線，這是為了更合乎、因應手持、掌上裝置應用需求而有的新趨。微型天線多半為平板型（Planar）設計，或同時用上多片平板的陣列平板（ArrayPlanar）型，此外也有採行槽孔（Slot）型等設計。

事實上微型天線依然是傳統偶極天線，只是為了縮小體積而特別改變外貌，例如變化成圓形、橢圓形、環形、矩形、三角形等，以此讓天線更短小輕薄，而天線背后的基板（Substrate）則多是使用FR4的玻璃纖維印刷電路板（PCB），以此能更符合電子應用產品的一體性設計。此也稱為印刷式天線（PrintedAntenna），印刷式天線可以是單偶、雙偶、折偶等多種形式。

另外，不與應用電路一體成形，而採額外附加的微型天線也有貼片式的天線（PatchAntenna）、表面黏著的天線（SurfaceMountableAntenna），或者是螺旋狀天線（HelixAntenna）。值得留意的是，內嵌作法中近年來愈來愈流行用平面倒F型天線（PlanarInvertedFAntenna，PIFA），此種天線具有短路結構，可以讓天線的諧振長度從1/2縮減到近1/4，如此可以使天線進一步縮小。 其他技術趨勢

除了智能化、微型化設計外，其他的天線設計趨勢包括讓多個頻率波段共用同一組天線、使用更具可彎曲性的的材質，好搭配今日講究穿戴式、可彎曲式的電子設計、顯示器設計。日前日本歐姆龍（OMRON）公司就將天線背部基板從過往常用的陶瓷改成樹脂塑膠，使其具有更佳的天線可彎性。

此外，隨著新版的Bluetooth與WirelessUSB等無線通信都採用超寬頻（UltraWideBand）UWB技術后，超寬頻所用的天線也逐漸受到重視，超寬頻的特性是通跨極大的頻率波段帶，但功率卻相當，類似更偏執的展頻作法。目前超寬頻用的天線多採行單極設計（也別于偶極），更進一步的區分還有梯狀、U狀、單極三分饋式（monopolewiththree-branchfeedingstrip）、波段槽刻單極式（Band-notchmonopole）等。另外也有晶片型態的天線，例如積層陶瓷晶片型（Multi-layerceramicbasechip）或平面金屬板晶片型（Planarmetal-platechip）等，未來發展皆值得關注。

美國羅德島大學（UniversityofRhodeIsland）物理系研究工程師：RobVincent發明了分散式負載單極（DistributedLoadMonopole，DLM）天線，Vincent宣稱該技術可使單極天線的尺寸縮小至傳統設計的1/4尺寸，目前此一研究由美國海軍持續資助中。

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許多無線服務供應商采用SDMA技術對可用頻譜進行優化利用，在360deg.覆蓋區域內它一般被限制在三個區間。但采用多束天線系統，其覆蓋的區間可被增加至多達48個。因系統的波束成型網絡可重復利用可用頻率并降低了干擾，所以，對無線網絡服務區域來說，它可服務更多用戶且具有更好的服務質量。

該系統可在多個方向長距離傳輸數據、語音和視頻信號且不需中繼站。這樣，就把網絡的運營成本降至最低且顯著提升了可靠性、質量并增加了用戶數。用長距離(高增益)窄束定向天線取代短距離(低增益)全向天線。通常，長距離天線會增加單一方向上的用戶數，但不允許其它方向上的用戶使用該系統。本文建議的系統通過采用既可同時又可順序重復利用高增益窄束天線的多束技術解決了該問題，該技術有效實現了全向天線的球面型覆蓋范圍從而顯著增加了各個方向的用戶數。采用頻率再用技術可進一步增加容量。

多束系統是基于相控陣天線和Electromagnetic Technologies Industries(ETI, www.etiworld.com)公司開發的Optibeam專有波束成型網絡的硬件方案。因該硬件方案不需要軟件編程和外接電源，所以很適合惡劣環境使用。

論及的多束天線系統的主要部件是天線和波束成型網絡。天線包含諸如偶極子或貼片(patch)天線等小的天線元素，它們被組合成陣列。波束成型器為全部天線貼片提供所需的信號相位用以在各方向上生成波束。多束天線系統為得到期望的性能，兩種要素的設計參數都很關鍵。

在本文討論的系統內采用的天線基于組成矩陣的貼片天線。貼片天線以經過驗證的微帶高頻印刷電路技術為基礎。在這樣一個矩陣安排中采用貼片部件的優點有：體積小、制造成本低、重量輕、易于安裝且可靠性高。根據期望的電磁輻射方向，把不同信號幅值和相位的激勵饋送至每個貼片。輻射部件的不同相位會與天線遠場結合以形成窄束。本文所論述的天線被設計成線性相控陣天線系統，其中，各貼片間等距并在整個矩陣采用遞進相移技術。

每個貼片的間距被保持為中心頻點波長的一半(λ/2)。貼片的中心線被初選為饋送點，但饋送點的實際準確位置是由用高頻矢量網絡分析儀(VNA)進行的對輸入反射的測量結果實施經驗化處理決定的。除饋送點外，為在相關的頻率范圍內獲得小于1.50:1的電壓駐波比(VSWR)，還對每個貼片的形狀進行了仔細選擇。為改進感興趣頻率范圍內的性能，饋送點選得比中心點略高。該貼片天線部件的其它設計參數包括：諧振頻率=3.7GHz；基板高=0.030英寸；基板電介常數=2.2；貼片天線長=1.575英寸；貼片天線寬=0.710英寸；饋送點位置略高于貼片中心點；極化=垂直。

許多貼片天線都是在單一電介質基板上以線性方式對貼片元素進行排列以分別獲得15 deg.的方位束寬和7deg.的垂直束寬。四束天線設計需要最少四個貼片天線部件。采用本建議技術的四束系統被設計成具有26 dB天線增益、前-后比率高于30dB、副瓣水平20dB(小于主瓣水平)等指標。采用商用微波VNA對一個四束天線設計的性能進行了測量，采用的全掃頻范圍是2.0 到4.5 GHz、結果顯示在圖1中。天線系統的工作范圍在3.2 到4.2 GHz、VSWR小于1.50:1。

波束成型器設計

波束成型器是由無源微波器件組成的復雜網絡。它用于在天線和系統收發器間提供所需的相位和幅值。波束成型網絡從天線矩陣形成波束，并采用無需機械運動的電控方式控制波束方向。可通過采用對天線元素和相關電氣元件的時間或頻率域分析來設計這樣一種電控波束成型網絡。對論及的多束天線系統，在設計用于寬帶應用的波束成型網絡時采用的是頻域分析。

為最小化RF信號損耗并保持諸如相位和幅值等信號屬性，一般要將波束成型網絡緊挨著天線組件放置或將其整合進天線組件。在本例中，波束成型器被挨著天線放置并采用相位匹配電纜匹配跨接矩陣的相位(見圖2)。這些相位匹配電纜在期望的頻帶范圍提供±1deg.的相位匹配精度。每36英寸電纜長度貢獻的插入損耗小于0.5 dB。

在本例中，波束成型器的設計采用了組合了正交耦合子、微波混合和相移器等技術以實現在60deg.區間內產生四個波束的相位要求。可利用完全對稱的90deg.混合接合以實現矢量增加來生成預期的相位權重。借助其與生俱來的阻抗轉換能力并通過把匹配變換器的使用最少化來減小整個插入損耗，從而可將該混合整合進組件。

為展示該設計方法，設計了一個用于3.4到3.6GHz頻段的四束天線波束成型器。用安捷倫科技的(www.agilent.com)N5230A矢量網絡分析儀對其性能進行了測量，N5230A在工作時與同樣來自安捷倫的也工作在3.4到3.6GHz范圍的U3042A多口測試裝置連接。圖3、圖4和圖5顯示的是基于該設計方法的典型八波束波束成型網絡的結果。

在3.4到3.6GHz頻段的開放環境對多束天線系統的輻射模式進行了測量。采用相位匹配RF電纜連接波束成型器與天線。波束成型器的輸入端口接3.440、3.480、3.520和 3.580GHz這四個不同的中心頻率、每個頻道的帶寬是7MHz。測試所用的RF功率是+5dBm，來自天線和波束成型器的聯合接收功率的測量是利用頻譜分析儀在距離200m處進行的。接收到信號的功率在以200ｍ為半徑的圓周每隔1.0deg.測量一次，其中把四束天線作為圓周中心。圖7顯示了該實際輻射樣式。圖6也給出了采用MATLAB 軟件模擬得到的理論輻射樣式。

基于對制造四束天線系統的分析可以看出，有可能采用六個這樣的天線系統提供全360deg. 無線通信覆蓋范圍。多束天線技術潛在的應用領域是微波接入全球互通(WiMAX)和蜂窩網絡。該方法可極大增加此類通信網絡的用戶容量和頻譜效率。

諸如本文討論的基于SDMA的多束天線系統通過頻率再用可極大增加通信網絡的容量和吞吐率。該設計方法簡捷明白且借助商用測試設備在戶外環境對其性能進行了驗證。實測結果與得自MATLAB軟件模擬的結果吻合得相當好。

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