2.3 RFID的基本工作原理

RFID的基本工作原理如图2-7所示。

图2-7 RFID的基本工作原理

首先读写器接收管理系统的指令，发射特定频率的无线电波能量，当射频标签进入感应磁场后，接收读写器发出的射频信号凭借感应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据的处理。

在图2-7中，读写器与电子标签之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。以RFID读写器及射频标签之间的通信及能量感应方式来看，大致上可以分成电感耦合（Inductive Coupling）及电磁后向散射耦合（Back Scatter Coupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频的RFID大多采用第二种方式。

电感耦合：变压器模型，依据的是电磁感应定律。读写器一方的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签一方的天线相当于变压器的次级线圈，因此，也称电感耦合方式为变压器方式。电感耦合方式的耦合中介是空间磁场，耦合磁场在读写器初级线圈与射频标签次级线圈之间构成闭合回路。如图2-8所示。

图2-8 RFID电感耦合方式示意

电磁反向散射耦合：雷达原理模型，依据的是电磁波的空间传播规律。读写器的天线将读写器产生的读写射频能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内，形成读写器的有效阅读区域，位于读写器有效阅读区域内的射频标签从读写器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频标签内部的电路及天线，将标签内存储的数据信息传送到读写器，如图2-9所示。

图2-9 RFID电磁反向散射耦合方式示意

电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125 kHz、225 kHz和13.56 MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20 cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433 MHz，915 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz。识别作用距离大于1 m，典型作用距离为3～10 m。

从工作原理上来说，第一种工作方式属单向通信，第二种工作方式为半双工双向通信。

对RFID系统，需要清楚认识到以下三点：数据交换是目的；时序是数据交换实现的方式；能量是时序得以实现的基础。

1.能量

读写器向射频标签供给射频能量。对于无源射频标签来说，其工作所需的能量由该射频能量中取得（一般由整流方法将射频能量转变为直流电源存储在标签中的电容器里）；对于（半）有源射频标签来说，该射频能量的到来起到了唤醒标签转入工作状态的作用；完全有源射频标签一般不利用读写器发出的射频能量，因此读写器可以用较小的能量发射取得较远的通信距离，移动通信中的基站与移动台之间的通信方式可归入该类。

2.时序

对于双向系统（读写器向射频标签发送命令与数据、射频标签向读写器返回所存储的数据）来说，读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，射频标签予以应答，这种方式为读写器先讲方式。

另一种情况是射频标签先讲方式，即射频标签满足工作条件后，首先自报家门，读写器根据射频标签的自报家门，进行记录或进一步发出一些询问信息，与射频标签构成一个完整对话，从而达成读写器对射频标签进行识别的目的。

RFID系统的应用中，根据读写器读写区域中允许出现单个射频标签或多个射频标签的不同，将RFID系统称为单标签识别系统与多标签识别系统。

在读写器的阅读范围内有多个标签时，对于具有多标签识读功能的RFID系统来说，一般情况下，读写器处于主动状态，即读写器先讲方式。读写器通过发出一系列的隔离指令，使得读出范围内的多个射频标签逐一或逐批地被隔离（令其睡眠）出去，最后保留一个处于活动状态的标签与读写器建立起无冲撞的通信。通信结束后，将当前活动标签置为第三态（可称其为休眠状态，只有通过重新上电或特殊命令，才能解除休眠），进一步由读写器对被隔离（睡眠）的标签发出唤醒命令，唤醒一批（或全部）被隔离的标签，使其进入活动状态，再进一步隔离，选出一个标签通信。如此重复，读写器可读出阅读区域内的多个射频标签信息，也可以实现对多个标签分别写入指定的数据。

现实中也有采用标签先讲的方式来实现多标签读取的应用。多标签读写问题是RFID技术及应用中面临的一个较为复杂的问题，目前，已有多种实用方法来解决这一问题。解决方案的评价依据，一般考虑以下三个因素：

1）多标签读取时待读标签的数目。

2）单位时间内识别标签数目的概率分布。

3）标签数目与单位时间内识读标签数目概率分布的联合评估。

理论分析表明，现有的方法都有一定的适用范围，需要根据具体的应用情况，结合上述三点因素对多标签读取方案给出合理评价，选出适合具体应用的方案。多标签读取方案涉及射频标签与读写器之间的协议配合，一旦选定，不易更改。

对于无多标签识读功能的RFID系统来说，当读写器的读写区域内同时出现多个标签时，由于多标签同时响应读写器发出的询问指令，会造成读写器接收信息相互冲突而无从读取标签信息，典型的情况是一个标签信息也读不出来。

3.数据传输

RFID系统中的数据交换包含以下两个方面的含义。

（1）从读写器向射频标签方向的数据交换

读写器向射频标签方向的数据交换主要有两种方式，即接触写入方式（也称有线写入方式）和非接触写入方式（也称无线写入方式）。具体采用何种方式，需结合应用系统的需求、代价、技术实现的难易程度等因素来确定。

在接触写入方式下，读写器的作用是向射频标签中的存储单元写入数据信息。此时，读写器更多地被称为编程器。根据射频标签存储单元及编程写入控制电路的设计情况，写入可以是一次性写入不能修改，也可以是允许多次改写。

在绝大多数通用RFID系统应用中，每个射频标签要求具有唯一的标识，这个唯一的标识被称为射频标签的ID号。ID号的固化过程可以在射频标签芯片生产过程中完成，也可以在射频标签应用指定后的初始化过程中完成。通常情况下在标签出厂时，ID号已被固化在射频标签内，用户无法修改。对于声表面波（SAW）射频标签以及其他无芯片射频标签来说，一般均在标签制造过程中将标签ID号固化到标签记忆体中。

非接触写入方式是RFID系统中读写器向射频标签方向数据交换的另外一种情况。根据RFID系统实现技术方面的一些原因，一般情况下应尽可能地不要采用非接触写入方式，尤其是在RFID系统的工作过程中。主要原因有以下几点。

1）非接触写入功能的RFID系统属于相对复杂的系统。能够采用简单系统解决应用问题是一般的工程设计原理，其背后隐含着简单系统较复杂、系统成本更低、可靠性更高、培训、维护成本更低等优势。

2）采用集成电路芯片的射频标签写入信息要求的能量比读出信息要求的能量要大得多，这个数据可以以10倍的量级进行估算，这就会造成射频标签非接触写入过程花费的时间要比从中读取等量数据信息花费的时间要长许多。写入后，一般均应对写入结果进行检验，检验的过程是一个读取过程，从而造成写入过程所需时间进一步增加。

3）写入过程花费时间的增加非常不利于RFID技术在鉴别高速移动物体方面的应用。这很容易理解，读写器与射频标签之间经空间传输通道交换数据的过程中，数据是一位一位排队串行进行的，其排队行进的速度是RFID系统设计时就决定的。将射频标签看作数据信息的载体，数据信息总是以一定长度的数据位组成，因此，读取或写入这些数据信息位要花费一定的时间。移动物体运动的速度越高，通过阅读区域所花费的时间就越少。当有非接触写入要求时，必然将限制物体的运动速度，以保证有足够的时间用于写入信息。

4）非接触写入过程中面临着射频标签信息的安全隐患。由于写入通道处于空间暴露状态，这给蓄意攻击者提供了改写标签内容的机会。如果将注意力放在读写器向射频标签是否发送命令方面，可以分为两种情况，即射频标签只接受能量激励和既接受能量激励也接受读写器代码命令。射频标签只接受能量激励的系统属于较简单的射频识别系统，这种射频识别系统一般不具备多标签识别能力。射频标签在其工作频带内的射频能量激励下，被唤醒或上电，同时将标签内存储的信息反射出来。目前在用的铁路车号识别系统即采用这种方式工作。而同时接受能量激励和读写器代码命令的系统属于复杂RFID系统。射频标签接受读写器的指令无外乎是为了做两件事，即无线写入和多标签读取。

（2）从射频标签向读写器方向的数据交换

射频标签的工作使命是实现由标签向读写器方向的数据交换，其工作方式包括：①射频标签收到读写器发送的射频能量时即被唤醒，并向读写器反射标签内存储的数据信息；②射频标签收到读写器发送的射频能量被激励后，根据接收到的读写器的指令情况，转入“发送数据”状态或“睡眠/休眠”状态。

2.3.1 RFID标签

射频标签又称为电子标签、应答器、数据载体等。与其他数据载体相比，射频标签具有以下特性。

1）数据存储：容量更大，数据可随时更新，可读写。

2）读写速度：读写速度更快，可多目标识别、运动识别。

3）使用方便：体积小，容易封装，可以嵌入产品内。

4）安全：专用芯片、序列号唯一、很难复制。

5）耐用：无机械故障、寿命长、抗恶劣环境。

1.RFID标签结构

RFID标签是射频识别系统的数据载体，样式虽然多种多样，但其内部结构基本一致，通常由标签天线和标签专用芯片组成。射频标签的内部结构，如图2-10所示。

图2-10 射频标签内部结构

a）蚀刻式天线 b）绕线式天线

射频标签电路构成如图2-11所示，主要组成部分包括控制模块，射频模块和标签天线。对于有源标签还包括电源。

图2-11 RFID标签电路构成

射频标签控制部分主要由编解码电路、微处理器（CPU）和EEPROM存储器等组成。

编解码电路工作在前向链路时，将电子标签接收电路传来的数字基带信号进行解码后，传给微处理器；工作在反向链路时，将微处理器传来的处理好的数字基带信号进行编码后，送到电子标签发送电路端。

微处理器用于控制相关协议、指令及处理功能。

EEPROM存储器用于存储电子标签的相关信息和数据，存储时间可以长达几十年，并且在没有供电的情况下，其中存储的数据信息也不会丢失。

射频模块将外接天线和内部数字控制电路、EEPROM数据存储体联系起来，主要包括能量产生、数据解调调制、时钟提取，以及模数接口四部分。主要实现的功能为：

1）从天线耦合得到的电磁场能量中获得标签内部各部分电路工作时所需要的直流电源，这是通过电源产生电路和稳压调节电路完成的。

2）将调制在载波上的指令和数据解调出来送往数字部分处理，以及将待发送的数据进行调制，这由解调和调制电路来实现。

3）从载波中提取电路正常工作所需要的时钟，这部分由时钟提取电路实现。

4）对提取的时钟进行分频，并同步解调出数据，然后送往数字控制单元和EEPROM进行处理，该部分由模数接口来实现。

2.RFID标签工作原理

由于无源RFID标签与有源RFID标签的工作方式不同，因此RFID标签工作原理简单分为三种情况说明。

（1）无源标签工作原理

无源标签也称为被动标签（Passive tags），顾名思义它本身是不带电源的，当不与读写器进行数据传输的时候，标签处于不工作状态。无源标签工作原理如图2-12a所示。当RFID标签进入读写器天线辐射形成的读写范围后，RFID标签天线通过电磁感应产生感应电流，从而驱动RFID芯片电路将存储在标签中的标识信息发送给读写器，读写器再将接收到的标识信息发送给主机。无源标签的工作过程就是读写器向标签传递能量，标签向读写器发送标识信息的过程。读写器与标签之间能够通信的距离称为“可读范围”或“作用范围”。无源RFID标签具有体积小、重量轻、价格低、使用寿命长等优点，但是读写距离短、存储数据较少，工作过程易受到周围电磁场的干扰。

（2）有源标签工作原理

有源标签也称为主动标签（Active tags），这种标签工作所需的能量完全来自于自身的电源模块。其工作原理如图2-12b所示。一般从延长标签工作寿命角度，有源RFID标签可以不主动发送信息。当标签收到读写器发送的读写指令时，标签才向读写器发送存储的标识信息。有源标签的工作过程就是读写器向标签发送读写指令，标签向读写器发送标识信息的过程。有源RFID标签需要内置电源，标签的读写距离较远，存储数据较多，受到周围电磁场干扰较少，但是标签的体积较大、重量较重、价格较高、维护成本较高。

（3）半无源标签工作原理

半无源标签（Semi-passive tag）继承了无源标签的优点，但该类型的标签内部带有电源模块，只是自带的电源仅仅是起辅助作用，该电源单元的作用多为维持存储器内部的数据状态和对标签与读写器的信息交互起辅助作用，也可以增加标签的读写距离，提高通信的可靠性。与读写器进行传输时，射频通信所需的能量由读写器来提供，在没有信息交互过程时，半有源标签处于休眠状态，当受读写器射频磁场的激励作用时，才会使标签进入正常的工作状态。

图2-12 RFID标签工作原理

a）无源RFID标签 b）有源RFID标签

3.RFID标签常见形式与分类

从应用案例看，电子标签的封装形式根据实际应用需要，设计出各种外形与结构的RFID标签，它不受标准形状和尺寸的限制。电子标签所标识的对象可以是人、动物和物品，在实际使用时还应综合考虑应用场合、成本与环境等因素的影响。总之，在根据实际要求来设计电子标签时要发挥想象力和创造力，灵活地采用切合实际的方案。同时，实践证明，电子标签的构成是保证应用成功的重要因素之一。主要的电子标签形式如下所述。

（1）卡片类（PVC、纸、其他）

1）层压：有熔压和封压两种。熔压是由中心层的INLAY片材和上下两片PVC材加温加压制作而成。PVC材料与INLAY熔合后，经冲切成ISO7816标准所规定的尺寸大小。当芯片采用传输邦时，芯片凸起在天线平面上（天线厚0.01～0.03 mm）。也可以采用另一种层压方式——封压，此时，基材通常为PET或纸，芯片厚度通常为0.20～0.38 mm，制卡封装时仅将PVC在天线周边封合，而不是熔合，芯片部位又不受挤压，可以避免芯片被压碎的情况出现。

2）胶合：采用纸或其他材料通过冷胶的方式使电子标签上下材料胶合成一体，再模切成各种尺寸的卡片或吊牌。

图2-13所示为卡片类RFID标签。

图2-13 卡片类RFID标签

（2）标签类

1）粘贴式：成品可制成人工或贴标机揭取的卷标形式，粘贴式电子标签是应用最多的主流产品，即商标背面附着电子标签，直接贴在被标识物上。如航空用行李标签、托盘用标签等。

2）吊牌类：对应于服装、物品等被标识物一般采用吊牌类产品，其特点是尺寸紧凑，可以打印，也可以回收。

图2-14所示为粘贴、吊牌类标签。

图2-14 粘贴、吊牌类标签

图2-14 粘贴、吊牌类标签（续）

（3）异形类

1）金属表面设置型：大多数电子标签不同程度地会受到接触的（甚至附近的）金属的影响而不能正常工作。这类标签经过特殊处理，可以设置在金属上，并可以读写。所谓的特殊处理指的是需要增大安装空隙、设置屏蔽金属影响的材料等。产品封装可以采用注塑式或滴塑式。多应用于压力容器、锅炉、消防器材等各类金属件的表面。

2）腕带型：可以一次性（如医用）或重复使用（如游乐场、海滩浴场等）。

3）动物、植物使用型：封装形式可以是注射式玻璃管、悬挂式耳标、套扣式脚环、嵌入式识别钉等多种形式。

图2-15所示为异形类标签。

图2-15 异形类标签

总的来说，RFID标签的分类方法有多种，这里仅简单列举一下。

1）依据电子标签供电方式的不同，可分为有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签。

2）依据电子标签工作频率的不同，可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。见表2-1。

表2-1 不同频段RFID的应用特点

3）依据电子标签封装形式的不同，可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。

2.3.2 RFID读写器

1.RFID读写器的结构与工作原理

RFID读写器（阅读器）又称为读出装置，扫描器、通信器。读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。读写器根据使用的结构和技术不同，可以是只读或读/写装置，它是RFID系统的信息控制和处理中心。典型的读写器包含有射频模块（发送器和接收器）、控制单元、接口单元以及读写器天线。内部结构与典型的读写器实物照片如图2-16所示。

射频模块实现的任务主要有两项：①将读写器欲发往射频标签的命令调制（装载）到射频信号（也称为读写器/射频标签的射频工作频率）上，经由发射天线发送出去。②将射频标签返回到读写器的回波信号进行必要的加工处理，并从中解调（卸载）提取出射频标签回送的数据。

控制模块实现的任务也包含以下两项：①读写器智能单元（通常为计算机单元CPU或MPU）发出的命令并进行加工（编码）形成调制（装载）到射频信号上的编码调制信号。②对经过射频模块解调处理的标签回送数据信号进行必要的处理（包含解码），并将处理后的结果送入到读写器智能单元。

一般情况下，智能单元是读写器的控制核心，从实现角度来说，通常采用嵌入式MPU，并通过编制相应的MPU控制程序，对收发信号实现智能处理以及与后端应用程序之间的接口——API（Application Program Interface）。

图2-16 读写器内部结构与典型实物

射频模块与控制模块的接口为调制（装载）/解调（卸载），在系统实现中，通常射频模块包括调制/解调部分，并且也包括解调之后对回波小信号的必要加工处理（如放大、整形）等。射频模块的收发分离是采用单天线系统时射频模块必须处理好的一个关键问题。

射频读写器的工作过程如图2-17所示。

图2-17 射频读写器的工作过程

具体过程描述如下：

1）读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线的工作区域时，产生感应电流，射频卡获得能量被激活。

2）射频卡将自身编码等信息通过卡内置的发送天线发送出去。

3）读写器的接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，由读写器对接收到的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理。

4）处理器根据逻辑运算来判断该卡的合法性，针对不同的设定，做出相应的处理和控制，发出指令信号，控制执行机构的运作。

此外，在RFID系统中，通过读写器实现对射频标签数据的非接触式收集，或由读写器向射频标签中写入信息，均要回送应用系统中或来自应用系统。因此要求读写器能接收来自应用系统的命令，并根据命令或约定的协议，做出相应的响应（回送收集到的标签数据等）。

读写器和射频标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时，读写器通过耦合，给无源射频标签提供能量和时序。在实际应用中，可以进一步通过以太网（Ethernet）或无线局域网（WLAN）等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。

2.RFID读写器的分类

RFID读写器可以从使用方法、结构、工作频率、实现功能以及使用环境等角度进行分类。从使用方法角度可以分为移动式和固定式；从结构角度可分为天线与读写模块集成结构与天线与读写模块分离结构；从工作的频率角度可分为低频、中高频、超高频与微波；从实现功能角度可分为只能够读取数据的与可读/写数据的；从使用环境角度可分为商业零售、身份认证、食品安全溯源、位置感知与家庭应用等等。这里我们只简要介绍移动式与固定式读写器。

（1）移动式读写器

移动式读写器也叫作手持RFID设备。它的天线和移动设备一般是固定在一起的。移动式读写器适用于仓库盘点、现场货物清查、图书馆书架清点、动物识别、超市购货付款、医疗保健等应用场合。从外观上看，移动式读写器一般带有液晶显示屏，配置有键盘来进行操作和数据输入，可以通过各种有线或无线接口，与高层计算机实现通信。移动式读写器是一种嵌入式系统，它将天线与读写模块集成在一个手持设备中，操作系统可采用WinCE、Linux或专用的嵌入式操作系统。移动式读写器一般使用在低频、中高频、超高频段，是否是只读式或读/写式，以及内存的大小需要根据应用的需求来确定。在现有成熟的RFID应用中，使用移动式读写器应用最为广泛。

（2）固定式读写器

固定式读写器一般采取将天线与读写器模块分开设计的方法。天线通过电缆与读写器模块连接。天线可以方便地安装在固定的闸门式门柱上、门禁的门框上、不停车收费通道的顶端、仓库进出口、生产线传送带旁等。固定式读写器一般使用超高频与微波段，作用距离相对比较远。

2.3.3 RFID天线

1.天线的基础知识

天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。当前的RFID系统主要集中在LF、HF（13.56 MHz）、UHF（860～960 MHz）和微波频段，不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同。RFID天线的增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离产生影响，RFID系统的工作频段反过来对天线尺寸以及辐射损耗有一定要求。所以RFID天线设计的好坏关系到整个RFID系统的成功与否。

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频率分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。

天线的主要参数有以下几个。

（1）天线方向性

天线的作用是将发射机的输出功率有效地转换成在自由空间传播的电磁波功率或将自由空间传播的电磁波功率有效地转换为接收输入端的功率。一个天线在所有方向上均辐射功率，但在各个方向上的辐射功率不一定相等，在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形称为天线方向图，它是描述天线特性的重要特征之一，也称为天线的辐射模式（Radiation Pattern），通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。三个主平面方向如图2-18所示。

图2-18显示的是全向天线的方向，利用反射板可以把辐射能控制到天线的单侧方向，在平板的一侧形成一个扇形区的天线方向，如图2-19带平板反射的天线方向图所示。反射面把电磁功率反射到了单侧方向，提高了增益。如果把反射板做成抛物反射面，那能使天线的辐射像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得更高的增益。

图2-18 天线的三个主平面方向

a）立体方向 b）垂直面方向 c）水平面方向

图2-19 带平板反射的天线方向

根据电磁辐射的方向，天线可分为全向天线和定向天线，一般形状如图2-20和图2-21所示。

（2）天线的增益

增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度。我们可以这样理解增益的物理含义，即在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100 W的输入功率，而用增益为G=13 dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 W/20=5 W。换言之，某天线的增益就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，是把输入功率放大的倍数。

图2-20 全向天线

图2-21 平板式定向天线

（3）主瓣宽度

方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，如图2-22所示。

图2-22 天线的波瓣

在主瓣最大辐射方向的两侧，辐射强度降低3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称为波束宽度、主瓣宽度或半功率角），如图2-23a所示。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即10 dB（功率密度降至1/10）的两个点间的夹角，如图2-23b所示。

图2-23 天线波瓣宽度

a）3 dB波瓣宽度 b）10 dB波瓣宽度

（4）天线的极化

天线向周围空间辐射电磁波，而电磁波由电场和磁场构成，当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波；电场的方向就是天线极化方向，所以天线也分为水平极化和垂直极化。由于电波的特性，决定了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而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，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，还有+45°和-45°极化方向，随着新技术的发展，大量采用双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了天线数量。如图2-24所示为四种基本的天线单极化方式。

图2-24 四种基本的天线单极化方式

（5）极化损失

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生了极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称为极化完全隔离。

（6）天线的输入阻抗（Zin）

天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗同分量Xin，即Zin=Rin+jXin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关。严格地说，纯电阻的天线输入阻抗只是对点频而言的。

2.RFID的天线

RFID的天线可分为近场天线、远场天线等。

对于LF和HF频段，系统采用电感耦合方式工作，电子标签所需的工作能量通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，一般为无源系统，工作距离较小，不大于1 m。在读写器的近场实际上不涉及电磁波传播的问题，天线设计比较简单，一般采用工艺简单、成本低廉的线圈型天线。

对于UHF和微波频段，电子标签工作时一般位于读写器天线的远场，工作距离较远。读写器的天线为电子标签提供工作能量或唤醒有源电子标签，UHF频段多为无源被动工作系统，微波频段（2.45 GHz和5.8 GHz）则以半主动工作方式为主。UHF和微波频段电子标签天线一般采用微带天线形式。微带贴片天线通常是金属贴片贴在接地平面上的一片薄层，如图2-25所示。微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄，馈线和匹配网络可以和天线同时制作，与通信系统的印制电路集成在一起，贴片又可采用光刻工艺制造，成本低、易于大量生产。

读写器天线一般要求使用定向天线，可以分为合装和分装两类，如图2-26所示。合装是指天线与芯片集成在一起，分装则是天线与芯片通过同轴线相连。一般而言，读写器天线设计要求比标签天线要低。对于近距离13.56 MHz RFID应用（<10 cm），比如门禁系统，天线一般和读写器集成在一起，对于远距离13.56 MHz（10 cm～1 m）或者UHF频段（<3 m）的RFID系统，天线和读写器采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。

图2-25 微带贴片天线

图2-26 读写器天线

a）合装天线 b）分装天线