天线实训报告

南京信息职业技术学院

实训报告

姓名陶丽娟学号 11019P08 系部电子信息学院

专业电子信息工程技术（物联网技术）

班级 11019P

指导教师谭立容

实训名称天线安装与调试

完成时间： 2012 年 5 月 28 日

目录

1 物联网常用天线简介 (3)

2 物联网常用天线具体举例 (5)

3 物联网常用器件安装测量记录及分析 (7)

4 物联网天线安装测量记录及分析11 参考文献........................................ 加页码

1 物联网常用天线简介

1.1物联网相关基本概念

物联网(The Internet of things)的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。

1.2 天线在物联网中的作用

(1)提高系统容量

在蜂窝系统中,用户的干扰主要来自其他用户,而智能天线将波束零点对准其他用户,从而减少了干扰的影响。由于系统提高了接收信噪比,因此减少了频谱资源的复用距离,从而获得了更大的系统容量。

(2)扩大小区覆盖距离和范围

使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率,进一步扩大基站的通信距离,减少功率损失,从而延长电池的寿命,减小用户的终端。

(3)减少多径干扰影响

智能天线使用阵列天线,通过利用多个天线单元的接收信息和分集技术,可以将多径衰落和其他多径效应最小化。

(4)降低蜂窝系统的成本

智能天线利用多种技术优化了信号的接收,从而能够显著降低放大器成本和功率损耗,提高系统的可靠性,实现系统的低成本。

(5)提供新服务

智能天线在使用过程中必须对用户进行测向,以确定用户的位置,从而为用户提供基于位置信息的服务,如紧急呼叫等。目前,美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。

(6)更好的安全性

使用智能天线后,窃听用户的通话将会更加困难,因为此时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。

(7)增强网络管理能力

利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情况,从而为实施更有效的网络管理提供条件。

(8)解决远近效应问题和越区切换问题

智能天线可自适应地调节天线增益,较好地解决了远近效应问题,为移动台的进一步简化提供了条件。在蜂窝系统中,越区切换是根据基站接收的移动台的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致越区转接,增加了网络管理的负荷和用户呼损率。在相邻小区应用的智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。1.3 常用的物联网射频识别（RFID）天线

按照现在RFID系统的工作频段，天线可以分为低频LF、高频HF、超高频UHF及微波天线，不同频段天线的工作原理不同，使得不同天线的设计方法也有本质的不同。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线按方向性可分为全向天线和定向天线等；按外形可分为线状天线和面状天线等；按结构和形式可分为环形天线、偶极天线、双偶极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。在低频和高频频段，RFID系统主要采用环形天线，用以完成能量和数据的电感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz的微波频段，RFID系统可以采用的天线形式多样，用以完成不同任务。

RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法，这些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术，天线制作的新工艺可使RFID天线制作成本大大降低，走出应用成本瓶颈，并促进RFID技术进一步发展。

1.4 天线的常见参数及其含义

1.4.1 天线的输入阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有

驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。

1.4.2 驻波比

SWR=R/r=(1+K)/(1-K) ，反射系数K=(R-r)/(R+r) (K为负值时表明相位相反)

驻波比是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

1.4.3 回波损耗

回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

回波损耗=-10 lg [(反射功率)/(入射功率)]

驻波比－－回波损耗对照表：

2 物联网常用天线具体举例

天线(Antenna)是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。

2.1 微波RFID天线技术

微波RFID技术是目前RFID技术最为活跃和发展最为迅速的领域，微波RFID天线与低频、高频RFID天线相比有本质上的不同。微波RFID天线采用电磁辐射的方式工作，读写器天线与电子标签天线之间的距离较远，一般超过1m，典型值为1～10m；微波RFID的电子标签较小，使天线的小型化成为设计的重点；微波RFID天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽带天线等；微波RFID天线要求低造价，因此出现了许多天线制作的新技术。

2.1.1 微波RFID天线的结构、图片

图6.5给出了几种实际RFID微波天线的图片，由这些图片可以看出各种微波RFID天线的结构以及与天线相连的芯片。

由图6.5可以看出，微波RFID天线有如下特点。

（1）微波RFID天线的结构多样。

2.1.2 微波天线的特点

由图6.5可以看出，微波RFID天线有如下特点。

（1）微波RFID天线的结构多样。

（2）很多电子标签天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。

（3）天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的。

（4）由天线和芯片构成的电子标签，很多是在条带上批量生产。

（5）由天线和芯片构成的电子标签尺寸很小。

（6）有些天线提供可扩充装置，来提供短距离和长距离的RFID电子标签。

2.1.3 微波RFID天线的应用

微波RFID天线结构多样，是物联网天线的主要形式，微波RFID天线的应用方式很多，

可以应用在制造、物流、防伪和交通等多种领域，是现在RFID天线的主要形式。微波RFID天线的应用方式很多，下面以仓库流水线上纸箱跟踪为例，给出微波RFID天线在跟踪纸箱过程中的使用方法。

（1）纸箱放在流水线上，通过传动皮带送入仓库。

（2）纸箱上贴有标签，标签有两种形式，一种是电子标签，一种是条码标签。为防止电子标签损毁，纸箱上还贴有条码标签，以作备用。

（3）在仓库门口，放置3个读写器天线，读写器天线用来识别纸箱上的电子标签，从而完成物品识别与跟踪的任务。

2.1.4 微波天线的主要参数

1、方向性图：天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强）在空间各点分布的情况，它是描述天线的主要传输之一。天线的方向性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（E平面和H 平面）内方向性图来描述。

2、方向性系数：上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态，但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性系数这一概念。方向性系数定义是：在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度Smax（或场强平方E2max）与无方向天线（点源）辐射功率密度S0（或场强平方E20）之比，用D来表示。

3、天线效率：一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，我们把天线辐射功率Pr与天线输入功率之比称作天线效率

4、增益系数：简称增益，它的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某一天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax（或场强平方E2max）与无方向天线（理想点源）的辐射功率密度S0（或场强平方E20）之比，用G来表示

5、天线阻抗：是指天线输入端口向天线辐射口方向看过去的输入阻抗，它取决于天线结构和工作频率。只有天线的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时，天线的转换效率才最高（参见4式），否则将在天线输入端口上产生反射，在馈线上形成驻波，从而增加了传输损耗。

6、天线极化是指天线最大辐射方向上的电场强度（E）矢量的取向。线极化是一种比较常用的极化方式，线极化又可分为“垂直极化和水平极化”，前者电场矢量与地面垂直，后者则与地面平行

3 物联网常用器件安装测量记录及分析

3.1 实验目的

了解物联网常用射频同轴电缆的常规性能与测试方法。

3.2 实验仪器和设备

(1) 任一款网络分析仪 1台；

(2) 射频测试附件 1套；

(3) 匹配负载 1只；

(4) 待测电缆 1根。

3.3 实验原理

当电缆的末端接上匹配负载时,其输入端的驻波比即是电缆的驻波比。仪器接入电缆

与不接入电缆时,信号的减少即插损。

3.4 实验步骤

1. 接通网络分析仪的电源，按下电源开关，等待屏幕上显示测量界面。

2. 根据器件的工作频率，设置仪表的测量频率，仪表的测量频率宽度一般大于器件的工作频率宽度。设置仪表的起始频率为10MHz，截止频率为1300MHz。

按键，进入如图频率设置界面。

在此界面下可以有以下软键可以通过侧面按键选中设置

例：设置起始频率为1MHz，截止频率为

1300MHz步骤如下：

→→

→→→→→

3. 调节扫频信号源输出电平的大小。按信号源输出设置键，进入如图电平设置界面，设置幅度为0dBm，步骤如下：

→→→

4. 设置参考电平

按键进入参考电平设置，测量时按各项菜单对应软键可进行相关通道参考电平以及参考电平位置的设置。

例：设置A通道参考电平为-40dB，步骤如下：

→→→→

5. 设置栅格幅度

按此对应软键可以进行相应通道栅格对应幅值设置，范围在1-10dB。

例：设置A通道栅格幅度为8dB，步骤如下：

→→→

6. 通道校准

按仪器校准设置键，进入校准界面。在此键状态下可选择“通道路径校准”、“电桥校准”、更加确保测量的准确性。

通道校准，主要是对用户的线缆进行校准。通道校准时连接如下图，操作按

键顺序→。

例：

7．传输参数（即，衰减或损耗）的测量。通道校准后，用待测元件替换双阴接头（如下图），此时显示器上有一定的衰减数据。打开频标的开关并设置需要观察的频率点。通过频标的指示，可以读出器件各个工作频率值及相应的衰减或损耗数据，填入表1中的插损1。

8.将器件反向接入该连接线路中，重复以上步骤，记录观察的频率点相应数据。填入表1

中的插损2中。

9.电桥校准

电桥校准，主要是对驻波电桥及线缆等进行校准。校准时，检波器电缆线接射频输出端，

通过驻波电桥，彼此连接。校准操作按键顺序

→

，根据界面提示

进行操作，依次进行开路校准。

10.驻波比（或反射系数或回波损耗）的测量。根据反射系数，可以换算出输入、输出端

的电压驻波比，也可以换算为回波损耗。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。

电桥校准后，将被测器件的一端接在电桥的输出端，另一端用同轴匹配负载连接，如下图：

改变频标的频率值，读出各个频率值及相应数值，填入表2中的驻波比。

重复以上步骤10，只是改测回波损耗，记录观察的频率点相应数据。填入表2中回波损耗。

3.5 测试分析

1.描绘出传输线插入损耗的频率特性图。

2.描绘出传输线回波损耗的频率特性图。

3.计算当反射系数为1.2时，对应驻波比和回波损耗。

4 物联网天线安装测量记录及分析

4.1 测试概要

通过对标签天线进行测试，测试其功能是否达到设计要求。

通过阅读器及阅读器天线辅助测量，对置于各种物体上标签天线的能识别最大距离进行了实际测试。

测试的设备由于仪器、场地等各方面条件限制，不能测标签天线的具体技术指标，主要通过阅读器、阅读器天线辅助测量能识别的最大距离。需要的设备有标签阅读器、阅读器天线、电脑等，测试示意图如下：

（用手画）

4.2 测试步骤

1)把读写器通过RS232口与PC机连接

2)选用高频电缆连接读写器和天线。

3)使用配套的电源变换器给读写器供电（+9V）。

4)在PC机上运行读写器配套软件，对读写器进行工作参数设置和读写测试。

5)先将电子标签放在纸板上，考察阅读器天线及标签天线摆放位置对读取距离的影响：将标

签天线先放在离阅读器很近的地方测试，发现阅读器能正常识别；慢慢增加标签天线与阅读器的距离，测试阅读器能识别其最大距离

6)将电子标签放在金属板上，考察阅读器天线及标签天线摆放位置对读取距离的影响：将标

签天线先放在离阅读器很近的地方测试，发现阅读器能正常识别；慢慢增加标签天线与阅读器的距离，测试阅读器能识别其最大距离

4.3 测试分析

1、手绘出所测试天线的结构。

2、填写测试数据

3.根据测试结果分析所测试标签天线在何种情况读取距离最大，给出分析结论，并分析原因。

参考文献

1 深圳市汉海科技有限公司，微带天线结构与分类，2012-03-14

2 [德]Klaus Finkenzeller著. 陈大才编译射频识别技术(RFID) 电子工业出版

社,2001,78-89.

3 RFID技术系统工程与应用指南,谭民等编著,机械工业出版社,2007,231-250

4李秀萍.基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计[J].北京邮电大学学报,2006,29(5)

5 李秀萍.刘禹.基于RFID应用的印刷偶极子天线受环境影响测试[J].电子器件.Aug.2007,30(4):1289-1291.