2.3 RFID的基本工作原理

RFID的基本工作原理如圖2-7所示。

圖2-7 RFID的基本工作原理

首先讀寫器接收管理系統的指令，發射特定頻率的無線電波能量，當射頻標簽進入感應磁場后，接收讀寫器發出的射頻信號憑借感應電流所獲得的能量，發送出存儲在芯片中的產品信息（Passive Tag，無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽），讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據的處理。

在圖2-7中，讀寫器與電子標簽之間通過耦合元件實現射頻信號的空間（無接觸）耦合，在耦合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞、數據的交換。以RFID讀寫器及射頻標簽之間的通信及能量感應方式來看，大致上可以分成電感耦合（Inductive Coupling）及電磁后向散射耦合（Back Scatter Coupling）兩種。一般低頻的RFID大都采用第一種方式，而較高頻的RFID大多采用第二種方式。

電感耦合：變壓器模型，依據的是電磁感應定律。讀寫器一方的天線相當于變壓器的初級線圈，射頻標簽一方的天線相當于變壓器的次級線圈，因此，也稱電感耦合方式為變壓器方式。電感耦合方式的耦合中介是空間磁場，耦合磁場在讀寫器初級線圈與射頻標簽次級線圈之間構成閉合回路。如圖2-8所示。

圖2-8 RFID電感耦合方式示意

電磁反向散射耦合：雷達原理模型，依據的是電磁波的空間傳播規律。讀寫器的天線將讀寫器產生的讀寫射頻能量以電磁波的方式發送到定向的空間范圍內，形成讀寫器的有效閱讀區域，位于讀寫器有效閱讀區域內的射頻標簽從讀寫器天線發出的電磁場中提取工作電源，并通過射頻標簽內部的電路及天線，將標簽內存儲的數據信息傳送到讀寫器，如圖2-9所示。

圖2-9 RFID電磁反向散射耦合方式示意

電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統。典型的工作頻率有：125 kHz、225 kHz和13.56 MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為10～20 cm。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統。典型的工作頻率有：433 MHz，915 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz。識別作用距離大于1 m，典型作用距離為3～10 m。

從工作原理上來說，第一種工作方式屬單向通信，第二種工作方式為半雙工雙向通信。

對RFID系統，需要清楚認識到以下三點：數據交換是目的；時序是數據交換實現的方式；能量是時序得以實現的基礎。

1.能量

讀寫器向射頻標簽供給射頻能量。對于無源射頻標簽來說，其工作所需的能量由該射頻能量中取得（一般由整流方法將射頻能量轉變為直流電源存儲在標簽中的電容器里）；對于（半）有源射頻標簽來說，該射頻能量的到來起到了喚醒標簽轉入工作狀態的作用；完全有源射頻標簽一般不利用讀寫器發出的射頻能量，因此讀寫器可以用較小的能量發射取得較遠的通信距離，移動通信中的基站與移動臺之間的通信方式可歸入該類。

2.時序

對于雙向系統（讀寫器向射頻標簽發送命令與數據、射頻標簽向讀寫器返回所存儲的數據）來說，讀寫器一般處于主動狀態，即讀寫器發出詢問后，射頻標簽予以應答，這種方式為讀寫器先講方式。

另一種情況是射頻標簽先講方式，即射頻標簽滿足工作條件后，首先自報家門，讀寫器根據射頻標簽的自報家門，進行記錄或進一步發出一些詢問信息，與射頻標簽構成一個完整對話，從而達成讀寫器對射頻標簽進行識別的目的。

RFID系統的應用中，根據讀寫器讀寫區域中允許出現單個射頻標簽或多個射頻標簽的不同，將RFID系統稱為單標簽識別系統與多標簽識別系統。

在讀寫器的閱讀范圍內有多個標簽時，對于具有多標簽識讀功能的RFID系統來說，一般情況下，讀寫器處于主動狀態，即讀寫器先講方式。讀寫器通過發出一系列的隔離指令，使得讀出范圍內的多個射頻標簽逐一或逐批地被隔離（令其睡眠）出去，最后保留一個處于活動狀態的標簽與讀寫器建立起無沖撞的通信。通信結束后，將當前活動標簽置為第三態（可稱其為休眠狀態，只有通過重新上電或特殊命令，才能解除休眠），進一步由讀寫器對被隔離（睡眠）的標簽發出喚醒命令，喚醒一批（或全部）被隔離的標簽，使其進入活動狀態，再進一步隔離，選出一個標簽通信。如此重復，讀寫器可讀出閱讀區域內的多個射頻標簽信息，也可以實現對多個標簽分別寫入指定的數據。

現實中也有采用標簽先講的方式來實現多標簽讀取的應用。多標簽讀寫問題是RFID技術及應用中面臨的一個較為復雜的問題，目前，已有多種實用方法來解決這一問題。解決方案的評價依據，一般考慮以下三個因素：

1）多標簽讀取時待讀標簽的數目。

2）單位時間內識別標簽數目的概率分布。

3）標簽數目與單位時間內識讀標簽數目概率分布的聯合評估。

理論分析表明，現有的方法都有一定的適用范圍，需要根據具體的應用情況，結合上述三點因素對多標簽讀取方案給出合理評價，選出適合具體應用的方案。多標簽讀取方案涉及射頻標簽與讀寫器之間的協議配合，一旦選定，不易更改。

對于無多標簽識讀功能的RFID系統來說，當讀寫器的讀寫區域內同時出現多個標簽時，由于多標簽同時響應讀寫器發出的詢問指令，會造成讀寫器接收信息相互沖突而無從讀取標簽信息，典型的情況是一個標簽信息也讀不出來。

3.數據傳輸

RFID系統中的數據交換包含以下兩個方面的含義。

（1）從讀寫器向射頻標簽方向的數據交換

讀寫器向射頻標簽方向的數據交換主要有兩種方式，即接觸寫入方式（也稱有線寫入方式）和非接觸寫入方式（也稱無線寫入方式）。具體采用何種方式，需結合應用系統的需求、代價、技術實現的難易程度等因素來確定。

在接觸寫入方式下，讀寫器的作用是向射頻標簽中的存儲單元寫入數據信息。此時，讀寫器更多地被稱為編程器。根據射頻標簽存儲單元及編程寫入控制電路的設計情況，寫入可以是一次性寫入不能修改，也可以是允許多次改寫。

在絕大多數通用RFID系統應用中，每個射頻標簽要求具有唯一的標識，這個唯一的標識被稱為射頻標簽的ID號。ID號的固化過程可以在射頻標簽芯片生產過程中完成，也可以在射頻標簽應用指定后的初始化過程中完成。通常情況下在標簽出廠時，ID號已被固化在射頻標簽內，用戶無法修改。對于聲表面波（SAW）射頻標簽以及其他無芯片射頻標簽來說，一般均在標簽制造過程中將標簽ID號固化到標簽記憶體中。

非接觸寫入方式是RFID系統中讀寫器向射頻標簽方向數據交換的另外一種情況。根據RFID系統實現技術方面的一些原因，一般情況下應盡可能地不要采用非接觸寫入方式，尤其是在RFID系統的工作過程中。主要原因有以下幾點。

1）非接觸寫入功能的RFID系統屬于相對復雜的系統。能夠采用簡單系統解決應用問題是一般的工程設計原理，其背后隱含著簡單系統較復雜、系統成本更低、可靠性更高、培訓、維護成本更低等優勢。

2）采用集成電路芯片的射頻標簽寫入信息要求的能量比讀出信息要求的能量要大得多，這個數據可以以10倍的量級進行估算，這就會造成射頻標簽非接觸寫入過程花費的時間要比從中讀取等量數據信息花費的時間要長許多。寫入后，一般均應對寫入結果進行檢驗，檢驗的過程是一個讀取過程，從而造成寫入過程所需時間進一步增加。

3）寫入過程花費時間的增加非常不利于RFID技術在鑒別高速移動物體方面的應用。這很容易理解，讀寫器與射頻標簽之間經空間傳輸通道交換數據的過程中，數據是一位一位排隊串行進行的，其排隊行進的速度是RFID系統設計時就決定的。將射頻標簽看作數據信息的載體，數據信息總是以一定長度的數據位組成，因此，讀取或寫入這些數據信息位要花費一定的時間。移動物體運動的速度越高，通過閱讀區域所花費的時間就越少。當有非接觸寫入要求時，必然將限制物體的運動速度，以保證有足夠的時間用于寫入信息。

4）非接觸寫入過程中面臨著射頻標簽信息的安全隱患。由于寫入通道處于空間暴露狀態，這給蓄意攻擊者提供了改寫標簽內容的機會。如果將注意力放在讀寫器向射頻標簽是否發送命令方面，可以分為兩種情況，即射頻標簽只接受能量激勵和既接受能量激勵也接受讀寫器代碼命令。射頻標簽只接受能量激勵的系統屬于較簡單的射頻識別系統，這種射頻識別系統一般不具備多標簽識別能力。射頻標簽在其工作頻帶內的射頻能量激勵下，被喚醒或上電，同時將標簽內存儲的信息反射出來。目前在用的鐵路車號識別系統即采用這種方式工作。而同時接受能量激勵和讀寫器代碼命令的系統屬于復雜RFID系統。射頻標簽接受讀寫器的指令無外乎是為了做兩件事，即無線寫入和多標簽讀取。

（2）從射頻標簽向讀寫器方向的數據交換

射頻標簽的工作使命是實現由標簽向讀寫器方向的數據交換，其工作方式包括：①射頻標簽收到讀寫器發送的射頻能量時即被喚醒，并向讀寫器反射標簽內存儲的數據信息；②射頻標簽收到讀寫器發送的射頻能量被激勵后，根據接收到的讀寫器的指令情況，轉入“發送數據”狀態或“睡眠/休眠”狀態。

2.3.1 RFID標簽

射頻標簽又稱為電子標簽、應答器、數據載體等。與其他數據載體相比，射頻標簽具有以下特性。

1）數據存儲：容量更大，數據可隨時更新，可讀寫。

2）讀寫速度：讀寫速度更快，可多目標識別、運動識別。

3）使用方便：體積小，容易封裝，可以嵌入產品內。

4）安全：專用芯片、序列號唯一、很難復制。

5）耐用：無機械故障、壽命長、抗惡劣環境。

1.RFID標簽結構

RFID標簽是射頻識別系統的數據載體，樣式雖然多種多樣，但其內部結構基本一致，通常由標簽天線和標簽專用芯片組成。射頻標簽的內部結構，如圖2-10所示。

圖2-10 射頻標簽內部結構

a）蝕刻式天線 b）繞線式天線

射頻標簽電路構成如圖2-11所示，主要組成部分包括控制模塊，射頻模塊和標簽天線。對于有源標簽還包括電源。

圖2-11 RFID標簽電路構成

射頻標簽控制部分主要由編解碼電路、微處理器（CPU）和EEPROM存儲器等組成。

編解碼電路工作在前向鏈路時，將電子標簽接收電路傳來的數字基帶信號進行解碼后，傳給微處理器；工作在反向鏈路時，將微處理器傳來的處理好的數字基帶信號進行編碼后，送到電子標簽發送電路端。

微處理器用于控制相關協議、指令及處理功能。

EEPROM存儲器用于存儲電子標簽的相關信息和數據，存儲時間可以長達幾十年，并且在沒有供電的情況下，其中存儲的數據信息也不會丟失。

射頻模塊將外接天線和內部數字控制電路、EEPROM數據存儲體聯系起來，主要包括能量產生、數據解調調制、時鐘提取，以及模數接口四部分。主要實現的功能為：

1）從天線耦合得到的電磁場能量中獲得標簽內部各部分電路工作時所需要的直流電源，這是通過電源產生電路和穩壓調節電路完成的。

2）將調制在載波上的指令和數據解調出來送往數字部分處理，以及將待發送的數據進行調制，這由解調和調制電路來實現。

3）從載波中提取電路正常工作所需要的時鐘，這部分由時鐘提取電路實現。

4）對提取的時鐘進行分頻，并同步解調出數據，然后送往數字控制單元和EEPROM進行處理，該部分由模數接口來實現。

2.RFID標簽工作原理

由于無源RFID標簽與有源RFID標簽的工作方式不同，因此RFID標簽工作原理簡單分為三種情況說明。

（1）無源標簽工作原理

無源標簽也稱為被動標簽（Passive tags），顧名思義它本身是不帶電源的，當不與讀寫器進行數據傳輸的時候，標簽處于不工作狀態。無源標簽工作原理如圖2-12a所示。當RFID標簽進入讀寫器天線輻射形成的讀寫范圍后，RFID標簽天線通過電磁感應產生感應電流，從而驅動RFID芯片電路將存儲在標簽中的標識信息發送給讀寫器，讀寫器再將接收到的標識信息發送給主機。無源標簽的工作過程就是讀寫器向標簽傳遞能量，標簽向讀寫器發送標識信息的過程。讀寫器與標簽之間能夠通信的距離稱為“可讀范圍”或“作用范圍”。無源RFID標簽具有體積小、重量輕、價格低、使用壽命長等優點，但是讀寫距離短、存儲數據較少，工作過程易受到周圍電磁場的干擾。

（2）有源標簽工作原理

有源標簽也稱為主動標簽（Active tags），這種標簽工作所需的能量完全來自于自身的電源模塊。其工作原理如圖2-12b所示。一般從延長標簽工作壽命角度，有源RFID標簽可以不主動發送信息。當標簽收到讀寫器發送的讀寫指令時，標簽才向讀寫器發送存儲的標識信息。有源標簽的工作過程就是讀寫器向標簽發送讀寫指令，標簽向讀寫器發送標識信息的過程。有源RFID標簽需要內置電源，標簽的讀寫距離較遠，存儲數據較多，受到周圍電磁場干擾較少，但是標簽的體積較大、重量較重、價格較高、維護成本較高。

（3）半無源標簽工作原理

半無源標簽（Semi-passive tag）繼承了無源標簽的優點，但該類型的標簽內部帶有電源模塊，只是自帶的電源僅僅是起輔助作用，該電源單元的作用多為維持存儲器內部的數據狀態和對標簽與讀寫器的信息交互起輔助作用，也可以增加標簽的讀寫距離，提高通信的可靠性。與讀寫器進行傳輸時，射頻通信所需的能量由讀寫器來提供，在沒有信息交互過程時，半有源標簽處于休眠狀態，當受讀寫器射頻磁場的激勵作用時，才會使標簽進入正常的工作狀態。

圖2-12 RFID標簽工作原理

a）無源RFID標簽 b）有源RFID標簽

3.RFID標簽常見形式與分類

從應用案例看，電子標簽的封裝形式根據實際應用需要，設計出各種外形與結構的RFID標簽，它不受標準形狀和尺寸的限制。電子標簽所標識的對象可以是人、動物和物品，在實際使用時還應綜合考慮應用場合、成本與環境等因素的影響。總之，在根據實際要求來設計電子標簽時要發揮想象力和創造力，靈活地采用切合實際的方案。同時，實踐證明，電子標簽的構成是保證應用成功的重要因素之一。主要的電子標簽形式如下所述。

（1）卡片類（PVC、紙、其他）

1）層壓：有熔壓和封壓兩種。熔壓是由中心層的INLAY片材和上下兩片PVC材加溫加壓制作而成。PVC材料與INLAY熔合后，經沖切成ISO7816標準所規定的尺寸大小。當芯片采用傳輸邦時，芯片凸起在天線平面上（天線厚0.01～0.03 mm）。也可以采用另一種層壓方式——封壓，此時，基材通常為PET或紙，芯片厚度通常為0.20～0.38 mm，制卡封裝時僅將PVC在天線周邊封合，而不是熔合，芯片部位又不受擠壓，可以避免芯片被壓碎的情況出現。

2）膠合：采用紙或其他材料通過冷膠的方式使電子標簽上下材料膠合成一體，再模切成各種尺寸的卡片或吊牌。

圖2-13所示為卡片類RFID標簽。

圖2-13 卡片類RFID標簽

（2）標簽類

1）粘貼式：成品可制成人工或貼標機揭取的卷標形式，粘貼式電子標簽是應用最多的主流產品，即商標背面附著電子標簽，直接貼在被標識物上。如航空用行李標簽、托盤用標簽等。

2）吊牌類：對應于服裝、物品等被標識物一般采用吊牌類產品，其特點是尺寸緊湊，可以打印，也可以回收。

圖2-14所示為粘貼、吊牌類標簽。

圖2-14 粘貼、吊牌類標簽

圖2-14 粘貼、吊牌類標簽（續）

（3）異形類

1）金屬表面設置型：大多數電子標簽不同程度地會受到接觸的（甚至附近的）金屬的影響而不能正常工作。這類標簽經過特殊處理，可以設置在金屬上，并可以讀寫。所謂的特殊處理指的是需要增大安裝空隙、設置屏蔽金屬影響的材料等。產品封裝可以采用注塑式或滴塑式。多應用于壓力容器、鍋爐、消防器材等各類金屬件的表面。

2）腕帶型：可以一次性（如醫用）或重復使用（如游樂場、海灘浴場等）。

3）動物、植物使用型：封裝形式可以是注射式玻璃管、懸掛式耳標、套扣式腳環、嵌入式識別釘等多種形式。

圖2-15所示為異形類標簽。

圖2-15 異形類標簽

總的來說，RFID標簽的分類方法有多種，這里僅簡單列舉一下。

1）依據電子標簽供電方式的不同，可分為有源電子標簽、無源電子標簽和半無源電子標簽。

2）依據電子標簽工作頻率的不同，可分為低頻電子標簽、高頻電子標簽、超高頻電子標簽和微波電子標簽。見表2-1。

表2-1 不同頻段RFID的應用特點

3）依據電子標簽封裝形式的不同，可分為信用卡標簽、線形標簽、紙狀標簽、玻璃管標簽、圓形標簽及特殊用途的異形標簽等。

2.3.2 RFID讀寫器

1.RFID讀寫器的結構與工作原理

RFID讀寫器（閱讀器）又稱為讀出裝置，掃描器、通信器。讀寫器通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。讀寫器根據使用的結構和技術不同，可以是只讀或讀/寫裝置，它是RFID系統的信息控制和處理中心。典型的讀寫器包含有射頻模塊（發送器和接收器）、控制單元、接口單元以及讀寫器天線。內部結構與典型的讀寫器實物照片如圖2-16所示。

射頻模塊實現的任務主要有兩項：①將讀寫器欲發往射頻標簽的命令調制（裝載）到射頻信號（也稱為讀寫器/射頻標簽的射頻工作頻率）上，經由發射天線發送出去。②將射頻標簽返回到讀寫器的回波信號進行必要的加工處理，并從中解調（卸載）提取出射頻標簽回送的數據。

控制模塊實現的任務也包含以下兩項：①讀寫器智能單元（通常為計算機單元CPU或MPU）發出的命令并進行加工（編碼）形成調制（裝載）到射頻信號上的編碼調制信號。②對經過射頻模塊解調處理的標簽回送數據信號進行必要的處理（包含解碼），并將處理后的結果送入到讀寫器智能單元。

一般情況下，智能單元是讀寫器的控制核心，從實現角度來說，通常采用嵌入式MPU，并通過編制相應的MPU控制程序，對收發信號實現智能處理以及與后端應用程序之間的接口——API（Application Program Interface）。

圖2-16 讀寫器內部結構與典型實物

射頻模塊與控制模塊的接口為調制（裝載）/解調（卸載），在系統實現中，通常射頻模塊包括調制/解調部分，并且也包括解調之后對回波小信號的必要加工處理（如放大、整形）等。射頻模塊的收發分離是采用單天線系統時射頻模塊必須處理好的一個關鍵問題。

射頻讀寫器的工作過程如圖2-17所示。

圖2-17 射頻讀寫器的工作過程

具體過程描述如下：

1）讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發射天線的工作區域時，產生感應電流，射頻卡獲得能量被激活。

2）射頻卡將自身編碼等信息通過卡內置的發送天線發送出去。

3）讀寫器的接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到讀寫器，由讀寫器對接收到的信號進行解調和解碼，然后送到后臺主系統進行相關處理。

4）處理器根據邏輯運算來判斷該卡的合法性，針對不同的設定，做出相應的處理和控制，發出指令信號，控制執行機構的運作。

此外，在RFID系統中，通過讀寫器實現對射頻標簽數據的非接觸式收集，或由讀寫器向射頻標簽中寫入信息，均要回送應用系統中或來自應用系統。因此要求讀寫器能接收來自應用系統的命令，并根據命令或約定的協議，做出相應的響應（回送收集到的標簽數據等）。

讀寫器和射頻標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時，讀寫器通過耦合，給無源射頻標簽提供能量和時序。在實際應用中，可以進一步通過以太網（Ethernet）或無線局域網（WLAN）等實現對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。

2.RFID讀寫器的分類

RFID讀寫器可以從使用方法、結構、工作頻率、實現功能以及使用環境等角度進行分類。從使用方法角度可以分為移動式和固定式；從結構角度可分為天線與讀寫模塊集成結構與天線與讀寫模塊分離結構；從工作的頻率角度可分為低頻、中高頻、超高頻與微波；從實現功能角度可分為只能夠讀取數據的與可讀/寫數據的；從使用環境角度可分為商業零售、身份認證、食品安全溯源、位置感知與家庭應用等等。這里我們只簡要介紹移動式與固定式讀寫器。

（1）移動式讀寫器

移動式讀寫器也叫作手持RFID設備。它的天線和移動設備一般是固定在一起的。移動式讀寫器適用于倉庫盤點、現場貨物清查、圖書館書架清點、動物識別、超市購貨付款、醫療保健等應用場合。從外觀上看，移動式讀寫器一般帶有液晶顯示屏，配置有鍵盤來進行操作和數據輸入，可以通過各種有線或無線接口，與高層計算機實現通信。移動式讀寫器是一種嵌入式系統，它將天線與讀寫模塊集成在一個手持設備中，操作系統可采用WinCE、Linux或專用的嵌入式操作系統。移動式讀寫器一般使用在低頻、中高頻、超高頻段，是否是只讀式或讀/寫式，以及內存的大小需要根據應用的需求來確定。在現有成熟的RFID應用中，使用移動式讀寫器應用最為廣泛。

（2）固定式讀寫器

固定式讀寫器一般采取將天線與讀寫器模塊分開設計的方法。天線通過電纜與讀寫器模塊連接。天線可以方便地安裝在固定的閘門式門柱上、門禁的門框上、不停車收費通道的頂端、倉庫進出口、生產線傳送帶旁等。固定式讀寫器一般使用超高頻與微波段，作用距離相對比較遠。

2.3.3 RFID天線

1.天線的基礎知識

天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實現導行波與自由空間波能量的轉化。在RFID系統中，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔接收能量和發射能量的作用。當前的RFID系統主要集中在LF、HF（13.56 MHz）、UHF（860～960 MHz）和微波頻段，不同工作頻段的RFID系統天線的原理和設計有著根本上的不同。RFID天線的增益和阻抗特性會對RFID系統的作用距離產生影響，RFID系統的工作頻段反過來對天線尺寸以及輻射損耗有一定要求。所以RFID天線設計的好壞關系到整個RFID系統的成功與否。

天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；按工作頻率分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等。

天線的主要參數有以下幾個。

（1）天線方向性

天線的作用是將發射機的輸出功率有效地轉換成在自由空間傳播的電磁波功率或將自由空間傳播的電磁波功率有效地轉換為接收輸入端的功率。一個天線在所有方向上均輻射功率，但在各個方向上的輻射功率不一定相等，在離天線一定距離處，輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的圖形稱為天線方向圖，它是描述天線特性的重要特征之一，也稱為天線的輻射模式（Radiation Pattern），通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。三個主平面方向如圖2-18所示。

圖2-18顯示的是全向天線的方向，利用反射板可以把輻射能控制到天線的單側方向，在平板的一側形成一個扇形區的天線方向，如圖2-19帶平板反射的天線方向圖所示。反射面把電磁功率反射到了單側方向，提高了增益。如果把反射板做成拋物反射面，那能使天線的輻射像光學中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內，從而獲得更高的增益。

圖2-18 天線的三個主平面方向

a）立體方向 b）垂直面方向 c）水平面方向

圖2-19 帶平板反射的天線方向

根據電磁輻射的方向，天線可分為全向天線和定向天線，一般形狀如圖2-20和圖2-21所示。

（2）天線的增益

增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述了一個天線把輸入功率集中輻射的程度。我們可以這樣理解增益的物理含義，即在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發射天線，需要100 W的輸入功率，而用增益為G=13 dB=20的某定向天線作為發射天線時，輸入功率只需100 W/20=5 W。換言之，某天線的增益就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，是把輸入功率放大的倍數。

圖2-20 全向天線

圖2-21 平板式定向天線

（3）主瓣寬度

方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣，如圖2-22所示。

圖2-22 天線的波瓣

在主瓣最大輻射方向的兩側，輻射強度降低3 dB（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱為波束寬度、主瓣寬度或半功率角），如圖2-23a所示。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。還有一種波瓣寬度，即10 dB（功率密度降至1/10）的兩個點間的夾角，如圖2-23b所示。

圖2-23 天線波瓣寬度

a）3 dB波瓣寬度 b）10 dB波瓣寬度

（4）天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波，而電磁波由電場和磁場構成，當電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波；電場的方向就是天線極化方向，所以天線也分為水平極化和垂直極化。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。因此，在移動通信系統中，一般均采用垂直極化的傳播方式。另外，還有+45°和-45°極化方向，隨著新技術的發展，大量采用雙極化天線。就其設計思路而言，一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式，性能上一般后者優于前者，因此大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線，并同時工作在收發雙工模式下，大大節省了天線數量。如圖2-24所示為四種基本的天線單極化方式。

圖2-24 四種基本的天線單極化方式

（5）極化損失

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發生了極化損失。當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱為極化完全隔離。

（6）天線的輸入阻抗（Zin）

天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗同分量Xin，即Zin=Rin+jXin。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設計、調試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關。嚴格地說，純電阻的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。

2.RFID的天線

RFID的天線可分為近場天線、遠場天線等。

對于LF和HF頻段，系統采用電感耦合方式工作，電子標簽所需的工作能量通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場獲得，一般為無源系統，工作距離較小，不大于1 m。在讀寫器的近場實際上不涉及電磁波傳播的問題，天線設計比較簡單，一般采用工藝簡單、成本低廉的線圈型天線。

對于UHF和微波頻段，電子標簽工作時一般位于讀寫器天線的遠場，工作距離較遠。讀寫器的天線為電子標簽提供工作能量或喚醒有源電子標簽，UHF頻段多為無源被動工作系統，微波頻段（2.45 GHz和5.8 GHz）則以半主動工作方式為主。UHF和微波頻段電子標簽天線一般采用微帶天線形式。微帶貼片天線通常是金屬貼片貼在接地平面上的一片薄層，如圖2-25所示。微帶貼片天線質量輕、體積小、剖面薄，饋線和匹配網絡可以和天線同時制作，與通信系統的印制電路集成在一起，貼片又可采用光刻工藝制造，成本低、易于大量生產。

讀寫器天線一般要求使用定向天線，可以分為合裝和分裝兩類，如圖2-26所示。合裝是指天線與芯片集成在一起，分裝則是天線與芯片通過同軸線相連。一般而言，讀寫器天線設計要求比標簽天線要低。對于近距離13.56 MHz RFID應用（<10 cm），比如門禁系統，天線一般和讀寫器集成在一起，對于遠距離13.56 MHz（10 cm～1 m）或者UHF頻段（<3 m）的RFID系統，天線和讀寫器采取分離式結構，并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。

圖2-25 微帶貼片天線

圖2-26 讀寫器天線

a）合裝天線 b）分裝天線