目录
第1章绪论1
1.1RFID简介1
1.1.1背景和定义1
1.1.2RFID的发展机遇和挑战2
1.1.3RFID的组成和特点6
1.1.4RFID技术的数据传输原理7
1.1.5RFID的工作原理12
1.1.6UHF的选择14
1.2超高频标签的技术基础20
1.2.1反向散射技术简介20
1.2.2超高频频段系统的工作原理22
1.2.3超高频标签功率和频率的23
1.2.4超高频标签的测试问题26
1.3RFID的相关标准28
1.3.1RFID标准简介28
1.3.2ISO/IEC标准29
1.3.3EPC Global标准36
1.4RFID工程实施说明37
1.4.1理论说明37
1.4.2方法研究38
1.4.3前期准备41
第2章天线的理论基础46
2.1天线的理论发展概述46
2.2天线的理论基础47
2.2.1电磁场基本方程47
2.2.2边界条件49
2.2.3坡印廷定理50
2.2.4麦克斯韦方程的解51
2.2.5电流源辐射52
2.2.6场区域划分54
2.2.7理想磁偶极子57
2.2.8对称振子的辐射场59
2.2.9巴俾涅原理（Babinet Principle）60
2.3偶极子的基本理论62
2.3.1电偶极子的电磁场62
2.3.2电偶极子的方向性因子和方向图64
2.3.3偶极子天线结构64
2.3.4偶极子天线的电流分布65
2.3.5偶极子天线辐射性能66
2.3.6偶极子天线的辐射功率和辐射电阻67
2.3.7折叠型偶极子69
2.3.8Tmatch结构71
2.4标签天线的主要特性72
2.4.1天线的辐射场72
2.4.2辐射功率和辐射强度73
2.4.3阻抗和辐射效率75
2.4.4辐射方向图和增益81
2.4.5天线宽度88
2.4.6天线的极化91
2.4.7天线的有效长度、有效面积和口径效率96
第3章偶极子标签天线的工程设计实例101
3.1超高频标签工程设计中的基本参数101
3.1.1天线的方向性和增益101
3.1.2影响超高频系统的因素104
3.1.3阻抗共轭匹配105
3.1.4偶极子天线设计的理论107
3.1.5标签天线的阻抗匹配方法109
3.2超高频频段RFID标签天线的工程化设计112
3.2.1天线与RFID芯片的阻抗匹配理论112
3.2.2标签天线的RCS分析（雷达反射截面）116
3.2.3简单实例120
3.2.4标签天线设计的前期分析127
3.2.5新型超高频频段RFID标签天线的小型化设计与分析128
3.2.6标签天线的制作与测试136
3.3偶极子超高频标签天线的工程设计实例139
3.3.1半波偶极子的工程问题139
3.3.2变形偶极子天线141
3.3.3折叠偶极子天线144
3.3.4折合偶极子天线148
3.3.5弯曲偶极子天线151
3.3.6弯折偶极子天线154
3.4寄生单元加载的超高频RFID标签天线的工程设计160
3.4.1寄生单元加载天线的实现方式160
3.4.2基于T型馈电的变形偶极子天线162
3.4.3基于串联短截线的折叠偶极子天线168
3.4.4基于耦合馈电的变形偶极子天线172
3.4.5超高频RFID标签天线的工程实现与验证177
3.5偶极子标签天线的加载179
3.5.1弯折线加载的偶极子标签天线179
3.5.2寄生单元加载的偶极子标签天线185
3.6偶极子标签天线的工程设计实例188
3.7印刷偶极子天线仿真设计案例197
3.7.1印刷偶极子天线的结构设计197
3.7.2HFSS建模198
3.7.3天线的物理参数仿真优化199
3.7.4最终优化结果202
3.8基于印刷偶极子天线的改进206
3.8.1改进思路206
3.8.2仿真分析206
3.8.3优化参数及结果209
3.9微波频段天线设计212
3.9.12.45G天线设计213
3.9.25.8GHz天线设计217
3.10实验仿真221
3.10.1偶极子原型221
3.10.2加入Tmatch结构的偶极子天线222
3.10.3Tmatch偶极子间距对阻抗性能的影响223
3.10.4短偶极子长度对阻抗性能的影响223
3.10.5短偶极子半径对阻抗性能的影响224
3.10.6连接馈线宽度对阻抗性能的影响224
3.11基于Tmatch结构的PCB板RFID电子标签天线设计225
3.11.1天线结构225
3.11.2天线性能分析226
3.12RFID标签天线的研究与设计228
3.12.1电子标签天线的匹配理论228
3.12.2超高频频段标签天线设计229
3.12.3频段标签天线设计实例233
3.12.4标签天线的加工与测量235
3.13液体环境对UHF标签天线的影响236
3.13.1理论分析236
3.13.2仿真验证试验236
3.13.3圆柱物体表面超高频标签天线238
3.13.4标签在圆柱（液体）位置的性能影响244
3.14偶极子和缝隙耦合结构实例251
3.14.1天线设计251
3.14.2结果与分析254
第4章RFID微带标签天线256
4.1微带天线256
4.1.1微带天线的基本结构和辐射机理257
4.1.2微带缝隙天线的基本结构分类258
4.1.3矩形微带天线的分析和设计方法260
4.2微带天线的小型化技术261
4.2.1采用高介电常数基片262
4.2.2贴片曲面技术262
4.2.3微带天线加载技术263
4.2.4附加有源网络263
4.2.5微带天线的带宽技术264
4.3矩形微带贴片天线的工程设计265
4.3.1结构和设计要求265
4.3.2确定设计天线的参量270
4.3.3矩形微带贴片天线的仿真与分析274
4.3.4矩形微带贴片天线的阻抗匹配275
4.3.5微带天线的圆极化和实现方法286
4.4矩形标签天线289
4.4.1矩形标签的阻抗289
4.4.2标签芯片的匹配289
4.4.3标签天线带宽拓展292
4.5微带缝隙天线的结构和工程设计296
4.6圆极化环形微带天线的抗金属标签天线实例299
4.6.1天线结构299
4.6.2天线等效电路分析300
4.6.3仿真分析301
4.6.4测试结果303
4.7鲁棒性结构抗金属标签天线设计实例304
4.7.1天线结构304
4.7.2天线等效电路分析305
4.7.3仿真分析305
4.7.4测试结果308
第5章分形结构标签工程设计实例309
5.1分形结构天线的基本理论309
5.1.1分形简介309
5.1.2分形维数311
5.1.3常用分形天线314
5.2小型化圆极化分形天线324
5.2.1引言324
5.2.2小型化天线技术324
5.2.3圆极化天线技术326
5.3RFID天线的分形结构332
5.3.1引言332
5.3.2分形天线336
5.3.3Y型树状分形超材料结构设计340
5.3.4三等分树状分形超材料结构设计342
5.3.5Minkowski分形构造344
5.4Hilbert分形迭代原理的实例347
5.4.1天线基板的介电常数和厚度对天线性能影响的研究348
5.4.2实际应用352
5.5加载AMC地板的抗金属标签天线设计354
5.5.1引言354
5.5.2弯折偶极子标签天线设计354
5.5.3人工磁导体地板设计359
5.5.4加载AMC地板的抗金属标签天线363
第6章金属环境标签的工程设计368
6.1环境场对标签的影响368
6.1.1金属表面对标签性能的影响368
6.1.2超高频抗金属标签天线理论基础371
6.1.3各种材料背景下的读写距离测试 373
6.2不同金属环境对标签天线性能的影响374
6.2.1天线周围有金属物体374
6.2.2天线贴在不同大小的金属表面上的分析377
6.2.3天线在金属表面弯曲的分析380
6.3其他介质对标签天线的影响385
6.3.1不同介质的影响385
6.3.2不同距离的影响391
6.4采用相关天线技术降低环境要求393
6.4.1平面反F天线393
6.4.2尺寸的减小395
6.4.3标签天线对环境的影响396
6.5柔性 PIFA 抗金属标签天线设计398
6.5.1天线结构及模型398
6.5.2仿真分析399
6.6柔性微带抗金属标签天线设计401
6.6.1天线结构及模型402
6.6.2仿真分析402
6.6.3测试结果406
6.7超薄柔性微带抗金属标签天线设计408
6.7.1厚度对微带型标签天线的影响408
6.7.2超薄抗金属标签天线的设计410
6.7.3超薄抗金属标签测试结果412
6.7.4几种柔性抗金属标签天线性能的对比414
6.8波导馈电微带环缝标签天线的分析与设计414
6.8.1金属表面天线结构与增益的关系415
6.8.2天线的设计与工程仿真418
6.8.3天线的制作与测试422
6.9同轴线馈电切口微带贴片标签天线的设计和分析424
6.9.1金属表面薄型天线的仿真与分析424
6.9.2天线的设计与仿真427
6.9.3天线的制作与测试433
第7章超高频标签天线测试和仿真436
7.1标签天线的工作原理436
7.1.1雷达散射截面原理436
7.1.2标签天线的雷达散射截面437
7.1.3标签的调制工作方式439
7.1.4标签芯片的可读灵敏度和读写距离439
7.1.5标签的运动速度与读取率447
7.1.6介质对读取性能的影响452
7.1.7天线的极化方向对标签性能的影响458
7.2标签天线的仿真分析462
7.2.1标签(一)的仿真分析462
7.2.2标签(二)的仿真分析463
7.2.3仿真分析的结论464
7.3标签性能测试的原理和方法465
7.3.1标签的相关国际标准465
7.3.2标签性能测试基本原理466
7.3.3标签性能测试的实现方法466
7.3.4标签互操作性能测试的实现方法466
7.3.5标签芯片一致性测试的实现方法467
7.4测试系统的环境468
7.4.1整体测试方案468
7.4.2环行器隔离信号法470
7.4.3测试系统所用天线的仿真与制作471
7.4.4测试系统的整体搭建478
7.5标签性能测试系统的实际测试及结果分析480
7.5.1测量读和写标签的最小电场强度值480
7.5.2测量标签灵敏度481
7.5.3优选操作电场强度值和存活电场强度值482
7.5.4抗干扰能力482
7.5.5标签移动优选衰落率483
7.6超高频RFID标签的测试理论483
7.6.1标签芯片阻抗的测量483
7.6.2S参数分析485
7.6.3标签天线的阻抗测量方法探讨485
7.7标签基材复介电常数的测量488
7.7.1引言488
7.7.2波导传输法原理及仿真结果488
7.7.3矩形谐振腔法原理及仿真结果491
7.7.4微带线谐振法原理及仿真结果493
7.7.5微带线谐振法测试系统498
第8章外部场对标签天线的影响503
8.1标签天线受封装的影响503
8.1.1标签天线的基本类型503
8.1.2RFID标签天线的主要技术参数504
8.1.3仿真天线参数505
8.1.4标签的封装507
8.1.5天线封装对天线性能的影响509
8.2基本环境对RFID标签辐射的影响513
8.2.1温度对标签的影响513
8.2.2温度对标签操作的影响514
8.3湿空气介电常数的推导514
8.3.1不含水蒸气的空气的介电常数514
8.3.2饱和干蒸汽的介电常数515
8.3.3湿空气介电常数的计算516
8.3.4建模仿真516
8.3.5空气粉尘和水雾颗粒对电磁波的影响519
8.4雨、雪、冰对RFID标签的影响523
8.4.1随机雨介质的等效介电常数523
8.4.2水膜对标签的影响的软件仿真526
8.4.3冰雪对标签表面的影响530
8.5人体和金属对RFID标签天线的影响532
8.5.1金属对标签天线的影响532
8.5.2人体对RFID标签天线的影响533
8.5.3可用于人体环境的标签设计537
8.6纸基RFID包装箱的标签天线设计538
8.6.1包装箱环境对RFID标签天线的影响539
8.6.2RFID包装箱的设计540
8.6.3实物测试与结果541
8.7人体对标签天线的影响543
8.7.1天线结构543
8.7.2仿真与测量结果544
附录1标签天线芯片的相关参数——以M4为例546
附录2天线外形参考资料547
参考文献558
摘要
第3章偶极子标签天线的工程设计实例3.1超高频标签工程设计中的基本参数
通过对天线电参数的掌握，可以更透彻地了解天线的性能和特性。在天线的分析和设计中，对天线电参数的分析显得格外重要。
3.1.1天线的方向性和增益
通常采用优选辐射方向上相互正交的平面方向图描述其立体方向图，并取E面和H面作为相互垂直的剖面。E面描述的是电场矢量与优选辐射方向所构成的平面，H面描述的是磁场矢量与优选辐射方向所构成的平面。为了方便起见，一般选择归一化的方式，即把优选辐射方向的值定为1，其他方向即可得到辐射场的相对大小。方向图中会出现沿优选辐射方向以及沿其他方向的波瓣，前者称为主瓣，后者称为副瓣，副瓣又包括旁瓣和后瓣。半功率波束宽度（Half？Power Beam Width，HPBW）是指主瓣的两个半功率点（优选功率点下降3dB）之间的宽度，也可以称为3dB带宽，可以用来描述天线能量集中辐射的程度。基站天线水平面半功率波束宽度影响着基站服务的覆盖范围。
方向性系数的定义是: 当辐射总功率相等时，天线在某个方向（θ,φ）辐射的功率密度S(θ,φ)和无方向性的天线辐射的功率密度S0的比值。方向性系数表示天线辐射能力的集中程度，一个天线在优选的辐射方向上，其辐射的功率密度Pmax比无方向性的点源辐射的功率密度P0的比值就是天线的方向系数，一般用D表示，即D＝PmaxP0PΣ相同＝|Emax|2|E0|2PΣ相同(3？1）由于P0=PΣ4πr2=|E0|2240π（3？2）故|E0|=60PΣr（3？3）综合式（3？2）和式（3？3）得D=r2|Emax|260PΣ（3？4）式（3？4）中，PΣ表示天线的总辐射功率，如果方向没有指明，则方向性系数指优选辐射方向上的值。
天线的辐射方向图表现了电磁波在自由空间中的传播状况，通过其能量在空间中的分布表示天线的辐射特性，即天线辐射在各点的场强。方向图一般建立在球坐标上的三维图上，以表示能量在三维空间中的分布情况。但在工程上为了方便使用，通常将三维方向图进行剖分，得到两个相互垂直的二维平面方向图，这两个方向图就是人们通常所说的E面和H面。在天线测试中，主要测量的是天线远场的E面和H面的方向图。天线的前后比（front？to？back ratio）是指天线优选辐射方向的功率与相对于该方向旋转180°处的功率的比值。天线前后比是一个针对定向天线的方向图参数，前后比越高，则后向场强造成的干扰越小。
增益G描述的是在输入功率相等的前提下，其特定方向（θ,φ）上的辐射功率密度S（θ,φ）和接近无方向性的天线辐射的功率密度S0的比值，两者辐射功率相等，即G（θ,φ）＝S（θ,φ）S0Pin=Pin0=PΣ0（3？5）Pin0表示接近无方向性的天线的输入功率，PΣ0表示无方向性的天线辐射的功率。
在不考虑天线自身损耗的情况下，天线的方向性系数和增益是相等的。但在实际应用中，天线的增益总是小于方向性系数，这是由于天线的导体损耗、介质损耗等原因所导致的。增益G与方向性系数D之间的关系可以表示为G=ηD（3？6）式（3？6）中，η为天线的效率，表示天线能量的损耗程度，辐射功率与输入功率的比值。表示为η=PΣP1=PΣPΣ+P1（3？7）1. 宽带频率
天线和馈线的连接处称为天线的输入端或馈电点。天线输入端的电压与电流的比值称为天线的输入阻抗。天线的输入阻抗一般为复数，实部为输入电阻，虚部为输入电抗，即ZA=UAIA=RA+jXA（3？8）式中的RA和XA分别对应于天线输入阻抗的实部和虚部，它们分别代表输入阻抗的电阻和电抗。XA是辐射电抗，即未辐射出去的电磁场能力，当电抗值为正值时，表示磁场储能，当电抗值为负值时，表示电场储能。
天线的输入阻抗就是天线输入端的负载阻抗，其值可以表示为天线输入端的电压与电流的比值。当天线系统工作时，信号源产生电磁波信号，经过馈线传输到天线，天线接收到的信号以能量的形式发射到自由空间。在这个电磁波信号所经过的链路中，每一个接口都意味着不同的阻抗。由于阻抗匹配的原因，当接口转换时，总是会有一部分能量由于接口阻抗不匹配而被反射回去，与发射的信号形成驻波。
当反射波与入射波相遇时，入射波的一部分能量会被抵消并形成驻波，这就造成了传输到天线的功率只有一部分被天线辐射到了自由空间，还有一部分会被天线消耗。对于辐射部分的功率，其中有向远场传播的实功率，也有在近场传播的虚功率，即输入阻抗中的实部和虚图3？1天线等效电路图
部。
传输线驻波中的能量优选点和能量最小点的振幅的比值被称为驻波比。天线系统通常使用电压驻波比（Voltage SWR）描述天线的阻抗匹配情况。天线系统可以由图3？1所示的等效电路图表示。输入阻抗Zin=Ra+jXa，其辐射电阻Rr和损耗电阻Rl组成了阻抗实部Ra。天线与一个电压源Vs（特性阻抗Zs=Rs+jXa）相连。天线与传输线相连的等效示意图如图3？1所示。
因此，天线的反射系数、电压驻波比（VSWR）或者回波损耗（Return Loss）等参数都可以用来表示天线的输入阻抗。
反射系数表达式为Γ=Zin-Z0Zin+Z0（3？9）式中,Z0表示传输线的特性阻抗。在天线系统中，常用的传输线(如同轴线)的特性阻抗为50Ω。
电压驻波比的表达式为VSWR=1+|Гin|1-|Гin|（3？10）回波损耗的表达式为RL=-20lg|Гin|（3？11）当反射系数为0时，表明没有反射波存在，输入天线的能量被接近辐射到自由空间，这是一种接近匹配的情况。在实际应用中，天线的损耗是必然存在的，当反射系数为1时，表明没有信号输入到天线，天线发生全反射。
2. 天线带宽 天线的电参量与天线的工作频率相关，任何天线都是在一定频率内工作的。当天线的频率远离工作的中心频率f0时，天线的电参数将变差，其允许变差的程度是由天线设备系统的工作性质决定的，频率宽度即此时对应的频率范围。设天线的工作频率优选为fmax，最小为fmin，在窄频带天线中，常使用相对带宽，即使用［(fmax-fmin)/f0］×100％表示频带的带宽。而在超带宽天线中，常使用绝对带宽，即使用fmax/fmin表示频带的宽度。微带天线受输入阻抗的影响很明显，这制约了天线辐射单元与馈线进行匹配的频率范围，所以通常使用天线的电压驻波比表示天线的带宽，即BW＝VSWR-1QVSWR（3？12）3. 天线效率
天线作为一种转化能量的设备,它的作用是将发射机输出或接收机接收的高频电流能量与空间电磁波信号进行转化。实际上，载有高频电流的传输导体及其介质都会产生损耗，导致输入功率并不能全部转换成电磁波能量。因此，如何提高能量的转换效率就成为了一个问题，可以用天线效率表示这种能量转化的程度。因为接近匹配的馈线不存在，会产生对入射波的反射，发射机就不能把全部的入射功率传输到天线的输入端。同样，发射机也不可能让天线把馈线输入的输入功率全部辐射出去，因为天线会吸收电磁波，而且还有热损耗、介质损耗等现象。
天线的功率分为以下几种。
入射波功率P入: 从发射机输出到天线的功率。反射波功率P反: 从天线反射到发射机的功率。输入功率Pin: 天线从发射机获得的功率。辐射功率PΣ: 天线向自由空间辐射的功率。损耗功率Pd: 由热损耗、介质损耗以及地电流等产生的损耗功率。
根据上述定义可以得到Pin=P入-P反＝PΣ+Pd（3？13）天线的辐射效率和天线效率是两个不同的概念，其中,辐射功率PΣ和输入功率Pin的比值为天线的辐射效率，定义为η=PΣPin（3？14）辐射功率PΣ和入射波功率P入的比值称为天线效率，即η=PΣP入（3？15）也可以表示为η＝PΣPΣ+Pc+Pd+Psw（3？16）其中，Pc为导体贴片损耗的功率，Pd为介质基片损耗的功率，Psw为表面波损耗的功率。
3.1.2影响超高频系统的因素
在读写器与标签单元之间，超高频射频识别系统通过电磁波与电子标签进行耦合和通信。无源电子标签内部无供电电源，因此正常工作时需要的能量就需要从读写器发出的高频电磁波中获得。当读写器和标签的距离较远、远离识别范围时，标签不会被激活，只有在一定范围内，标签才能接收到读写器发出的电磁波，然后才能将部分电磁能量转化为直流电以保障正常工作。
天线设计并不需要知道标签芯片的具体电路，只需要掌握芯片和经过封装后的芯片阻抗，并利用优选能量传递法则设计天线的输入阻抗即可。为了实现能量的优选传递，需要将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭。一般而言，标签芯片阻抗Z=R-jX，对应的标签天线阻抗Z=R+jX。而对于超高频标签天线，为了引入感抗抵消芯片的容抗，需要加入环形结构进行感性馈电，或加入T型匹配等结构。
识别范围是RFID标签最重要的参数之一，主要受到两个参数的影响，即标签能够从读写器获取足够开启功率的优选距离Rtag（标签激活距离）和读写器能够检测到标签反向散射信号的优选距离Rreader，有效识别距离为这两个距离的较小值。
Friis传输理论用于解释并确定无线电通信线路中负载匹配的天线所接收到的功率。Friis公式为Pr=PtGtGrλ2(4πR)2（3？17）式中，Pr为标签的接收功率，Pt为读写器天线的发射功率，Gr为读写器发射天线的增益，Gt为标签接收天线的增益，R为接收天线和发射天线之间的距离。优选读取距离为R=λ4πPtGtGrPr（3？18）如果标签芯片的读取灵敏度为Pth=Pr，则Friis方程可表示为Rtag=λ4πPtGtGrτPth（3？19）功率传输系数τ=1-|Γm|2,0<τ<1。为了修正反射系数，Γm=ZL-Z？AZL+Z？A，其中ZL为负载阻抗，ZA为天线阻抗。当τ=1时，即接近匹配时，标签可达到优选识别距离Rtag。
雷达距离方程是用于计算雷达在各种工作模式下的优选作用距离的方程。雷达散射面积（RCS）为σ=λ2G2r4π？|Γm|2（3？20）则读写器检测到标签反向散射信号的优选距离Rreader为Rreader=Gtλ4π？Pt？σ4π？Preader-th（3？21）其中,Preader-th＝PtGt4πR2σ14πR2λ24πGt为读写器接收发射信号的灵敏度。
通过对自由空间传播模型与RCS模型的分析，分别得出了通过自由空间传播模型可知的优选距离Rtag，以及通过研究雷达散射横截面模型可知的优选距离Rreader，其主要目的在于找到有效方法以研究RFID系统的有效识别范围。
3.1.3阻抗共轭匹配
对于采用被动式标签的RFID系统而言，根据工作频段的不同，有两种工作模式: 一种是感应耦合工作模式，即近场工作模式，主要适用于低频和高频RFID系统；另一种是反向散射工作方式，即远场工作模式，主要适用于超高频和微波RFID系统。
在由被动式标签天线组成的RFID系统中，标签需要从读写器产生的电磁波中获取能量以激活标签芯片。一部分电子标签可以用来检测标签天线上产生的感应电压，并通过二极管电路进行整流，或经过其他电路进行电压放大等。这些电路被集成在标签芯片内部，当芯片进行封装时，通常会引入一部分分布式电容。但是，天线设计本身不需要掌握芯片的具体电路，只需要掌握芯片和封装后的芯片阻抗，并利用优选能量传递法则设计天线的输入阻抗即可。电子标签芯片的输出阻抗为复数形式，含电抗的分量，为实现优选功率传输，需要将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭。工作在低频和高频RFID系统中的被动标签天线采用线圈形式，这种线圈形式可以引入感抗，从而抵消等效电路中的容抗，实现标签芯片和天线之间的优选能量传递。而对于工作在超高频和微波频段的标签天线而言，为了引入感抗以抵消芯片中的容抗，需要在天线设计中加入环形结构进行感性馈电，或者加入T型匹配等结构。
图3？2所示的传输电路，其源阻抗为Zg，负载阻抗为Z1，长度为k，特征阻抗为Z0(设传输线无损耗)。
图3？2传输电路
化简后的负载功率为P=12|Vg|2Rin(Rin+Rg)2+(Xin+Xg)2（3？22）(1) 负载与传输线匹配。
如果负载与传输线匹配，则Z1=Z0，根据此时输入阻抗Zin=Z0，则传输到负载的功率为P=12|Vg|2Z0(Z0+Rg)2+X2g（3？23）(2) 源阻抗与输入阻抗匹配。
如果源阻抗与负载阻抗匹配，即Zg=Zin，代入式（3？23）可得传输到负载的功率为P=12|Vg|2Rg4(X2g+R2g)（3？24）由上式可以得出，负载与传输线阻抗匹配和源阻抗与输入阻抗匹配，这两类情况得到的P值是不一样的。
(3) 共轭匹配。
假设源阻抗Zg恒定，改变输入阻抗Zin，为了使得功率P优选，可以对Zin的实部和虚部进行微分。αPαRin=0,-2Rin(Xin+Xg)(Rin+Rg)2+(Xin+Xg)2
Xin(Xin+Xg)=0（3？25）求解方程式，可得Rin=Rg,Xin=-Xg,Zin=Z？g（3？26）这个条件称为共轭匹配，对于固定的源阻抗，它可以将优选的功率传输到负载。由式（3？26）可得优选功率为P=12|Vg|214Rg（3？27）因为ASIC芯片的研发和量产所需的费用很高，所以需要设计相应的RFID标签天线以匹配市场上特定的标签芯片。不同类型的射频标签芯片的阻抗值不同，在标签的检波电路中，肖特基二极管的电阻值一般为3Ω～80Ω，电抗值一般为100Ω～300Ω。
3.1.4偶极子天线设计的理论
图3？3为理想偶极子天线，在反向散射的RFID系统中，线极化标签天线一般是半波偶极子天线，天线的单臂长度为L，天线的双臂宽度为W，半波偶极子天线的谐振条件为L=c4εerf（3？28）图3？3简单半波偶极子天线
式（3？28）中，c为真空中的光速，f为中心频率，εer为基板等效相对介电常数。简单半波偶极子天线的谐振长度、波长以及波长缩小系数存在如下关系:4L=λδ（3？29）波长缩小系数δ=1+0.225/ln(kW)，由式(3？29)可见,偶极子天线的谐振宽度与谐振频率呈正比。半波偶极子天线的辐射阻抗为R=30π∫2π0∫π0|F(θ)|2sin(θ)d(θ)dφ（3？30）其中,θ为辐射角度，F(θ)是偶极子天线E面的方向函数,即F(θ)=cosπ2cosθsinθ（3？31）当θ=90°时，F(θ)具有优选值，由上式可以求得半波偶极子天线的辐射电阻为73.1Ω，方向性系数可以用式(3？32)表示,即D=4π∫2π0∫π0|F(θ)|2sin(θ)d(θ)dφ（3？32）半波偶极子阻抗呈现纯阻性，可近似于无耗天线，η=1时的增益为G=D=11.64=2.15dBi。
1. 偶极子天线的辐射场分析
天线空间总场强数值等于EiZ+ESZ，天线面电流从外面的电场引入，根据理想导体边界条件得到(EiZ+ESZ)=0（导体表面），则EiZ导体面=-ESZ导体面（3？33）由以上条件可以推算出直线天线的Pocklington积分方程为EiZ导体面=-ESZ导体面=-1jwε0∫？0-？0I(z′)？2G(z,z′)？z2+k20G(z,z′)dz′（3？34）式中，I（z′）是等效电流源。G(z,z′)为三维自由空间内的格林公式，即G(z,z′)=exp-jk0a2+(z,z′)24πa2+(z,z′)（3？35）其中，a2+(z-z′)为源与场之间的点到点的距离，在上述推算中，Hallen推导出了面电流I(z)的积分方程为∫？0-？0I(z′)e-jkR4πRdz′=-jV2η0sin(k0|z|)+Ccos(k0z)（3？36）其中,V和C是面电场EZ的通解，也是特解导出的常数，η0和R是源与场点之间的距离。
2. 偶极子天线参数分析
假设对称偶极子天线的电流分布为J(r′)=Imδ(χ′)δ(y′)sink0(？-z′)z0 J(r′)=Imδ(χ′)δ(y′)sink0(？+z′)z-？ H？=Eθη0（3？39）目前使用得比较多的是半波偶极子天线(？/λ0=0.25)，综合式(3？38)和式（3？39）可以推算出本类天线辐射场的计算等式为Eθ=j60Imrcosπ2cosθsinθe-jk0r
Hθ=jIm2πrcosπ2cosθsinθe-jk0r（3？40）半波偶极子天线的方向函数为f(θ)=cosπ2cosθsinθ（3？41）半波偶极子天线的辐射流密度为Sθ=12Re(EθH？？)=η0I2m2(2πr)2cosπ2cosθsinθ（3？42）通过对式(3？42)进行积分，求出半波偶极子的总辐射功率为Pr=∫2π0∫π0S(θ)r2sinθdθd？（3？43）在方向为θ＝π/2的辐射方向的方向性系数为Dmax=S(π/2)Pr/4πr2=1.64（3？44）此值大于优选方向性系数的值，综上分析得出，对称半波偶极子天线的有效长度公式为12？e=？Im∫？0Imsink0(？-z′)dz′=1k0（3？45）有效长度？e为？e=2k0=λ0π（3？46）相比于实际长度λ0/2，半波偶极子天线的有效长度近似于λ0/3，此推算结果可以作为超高频RFID标签天线在设计研究时的依据。
3.1.5标签天线的阻抗匹配方法1. 横条加载技术如图3？4所示，当横条与偶极子天线的双臂靠近时，靠近距离的远近会导致辐射电阻和耦合电容发生改变，调整横条与偶极子天线的双臂之间的距离就可以调整天线的输入阻抗，特别是调整天线输入阻抗的实部；而弯折的紧凑程度主要用于调节输入阻抗的电感量，调节其长度和弯折重复次数就可以调节天线输入阻抗的虚部。
图3？4横条和弯折偶极子天线
2. 感性耦合技术 采用感性耦合技术使射频芯片与馈线相连，馈线通常会绕成一个电感圈，电感圈的电流优选的边与辐射体的某条边靠近，从而向辐射体感性耦合馈电，如图3？5所示。通过改变电感耦合系数可以调节天线的输入阻抗，可以通过调整馈线与辐射体之间的距离实现；调节馈线圈的周长可以调节馈线圈的自感，从而调节天线的输入阻抗。
图3？5弯折偶极子天线和电感圈
3. 终端开路短截线感性加载技术和串联短截线馈电技术
终端开路短截线感性加载技术即容性耦合技术，将射频芯片的两端与两条馈线相接，两条馈线分别经过约1/4波长的长度后在开路点进行容性耦合，其中一条馈线直接连接辐射体，如图3？6所示，调节开路点之间的距离就可以调节天线的输入阻抗，间距越大，天线的输入阻抗越小。
图3？6终端开路短截线感性加载技术
串联短截线馈电技术主要通过调节电阻短截线的长度和宽度改变输入电阻，以实现电阻匹配。双电感短截线由两条电感短截线组成，为RFID标签的两端提供对称结构。双电感短截线的末端分别连接射频芯片的GND端和RF端，作为标签天线的馈电端。与感性耦合匹配的天线相比，串联短截线馈电天线能产生更低的相位角，更加适合与低电阻的射频芯片进行匹配，如图3？7所示。
图3？7串联短截线馈电技术
4. T型匹配技术
T型匹配是标签天线设计中重要的阻抗匹配技术。共面偶极子天线的T型匹配结构和等效电路如图3？8所示。长度为l的偶极子天线的输入阻抗可以通过引入一个中心短路臂进行调节。天线源连接到第2个偶极子，第2个偶极子的长度a较小，并且距离第1个偶极子的距离较近，距离为b。根据偶极子过度部分的大小，电流沿着两个主要的辐射体分布。研究表明，天线源处的输入阻抗为Zin=2Zq(1+α)2Zw2Zq+(1+α)2Zw（3？47）图3？8T型匹配结构和等效电路
式中，Zq为短路线的输入阻抗，Z0表示距离为b的双导体传输线的特征阻抗，Zw是偶极子无T型匹配连接时的阻抗，α是两个导体之间的电流分配系数。
通过改变参数a、b和微带线宽可以调整天线的阻抗，以便使其与芯片的阻抗实现共轭匹配，如图3？8所示。当具有较大电阻特性的天线与具有较小电阻特性的标签芯片进行匹配时会很困难，因此，单一的T型匹配设计不能满足与具有高阻抗相位角的标签芯片相匹配的要求。针对这种情况，通常采用多级T型匹配技术或将T型匹配嵌入主辐射体以形成紧凑结构弥补单一的T型匹配的不足。将T型匹配嵌入主辐射体的天线几何结构如图3？9所示。
5. 嵌入缝隙匹配
嵌入缝隙匹配是指通过采用大共面偶极子和悬浮贴片并嵌入缝隙以实现共轭匹配，这是与传统方法接近不同的匹配策略。在悬浮贴片中嵌入缝隙的几何结构如图3？10所示。归功于非谐振缝隙的电感，即使把标签放在高介电常数的基底上，该反馈策略也具有复阻抗匹配能力。缝隙的剖面可以看作一个线缝隙阻抗变压器，每个间断面能够储存能量和提供辐射，间断面每增加一部分，其自由度也相应增加，因此使得天线具备了小型化和多频谐振等特性。因为缝隙大小和贴面表面大小具有可比性，所以天线特征与这两个物体都有关。贴片边长的大小影响天线增益，而天线阻抗可以通过改变缝隙的长宽比进行调节。根据内部缝隙的形状和大小，天线可以分为H型缝隙天线、宽带偶极子和双折叠偶极子等。当缝隙的宽度b远小于贴片长度l时，可以观测到大电抗峰值的RLC（阻抗属于高频谐振，电抗在谐振频率处具有峰值）行为。随着b值的增加，该谐振接近于直流，阻抗高频特性逐渐减弱或消失，电抗的峰值下降。当缝隙宽度近似于天线的边长，即2b=l时，其输入阻抗受频率的影响很小，变化缓慢，因此宽频带内的标签可以保持较好的调谐。特例是，若长度a和
图3？9嵌入T型匹配结构的天线几何图形
图3？10方形贴片嵌入缝隙的几何图形
长度b增大到几乎填满贴片的表面时，则天线将变为折叠偶极子天线。电阻主要对缝隙的宽度b比较敏感，而电抗随a、b的变化几乎呈快速线性变化。对于任何固定的电抗值，可以动态地获得较宽范围的电阻值。因此，嵌入缝隙匹配方法具有很高的阻抗匹配能力。
6. 标签天线的增益
标签天线的增益直接影响标签的读取距离，弯曲偶极子可以减小天线的尺寸，但是天线增益会随着尺寸的减小而快速下降。弯曲偶极子的电流方向如图3？11所示。
图3？11弯曲偶极子的电流方向
当从远距离看向天线时，垂直相反方向的电流近似抵消，只有同一方向由左到右的电流才能产生辐射，弯曲偶极子的辐射电阻近似为Rrad=LprojLhalf？wave2Rrad？wave=2Lprojλ2×65（3？48）其中，Lproj、Lhalf？wave、Rrad？wave分别是弯曲偶极子天线的辐射有效长度、传统偶极子天线的长度、传统偶极子天线的辐射电阻；λ是波长。
在天线选形的时候，要尽量增大辐射臂之间的距离，以减小相互抵消的耦合，从而提高天线的增益，如图3？11所示。
3.2超高频频段RFID标签天线的工程化设计〖*4/5〗3.2.1天线与RFID芯片的阻抗匹配理论标签最重要的指标之一就是识别距离，识别距离就是指RFID读写器与标签之间，读写器能够检测到标签的反向散射信号的优选距离。相比较而言，读写器一般具有较高的灵敏度，识别距离主要由标签的性能决定。特别对于无源标签，由于维持和激励标签工作的能量来自所捕捉的读写器的射频能量，标签天线和芯片的匹配情况将直接影响标签电路能否正常运转和芯片是否具有足够的能量进行反向散射通信，进而影响识别距离的远近。
为了获得优选的传输功率，与天线连接的芯片的输入阻抗必须和天线阻抗共轭匹配。当工作频率增加到微波区域时，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，标签天线的开发都基于50Ω或者75Ω的输入阻抗。而在RFID应用中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并随频率的变化而变化，也会因为输入功率的不同而有差异。天线与芯片实现合适的阻抗匹配在RFID中极其重要。当前，新的IC设计和制作需要巨大的投入，需要设计出可以与已有芯片匹配的标签天线。在RFID标签中，由于制作以及成本的问题，通过添加匹配网络的方法实现天线与芯片的匹配是行不通的。为了解决这个问题，天线需要具有较宽的阻抗实现范围，能够通过调整天线的结构和尺寸直接匹配芯片。如何设计出可以与具有任意输入阻抗的芯片相匹配的天线是RFID系统设计不可回避的问题。
对标签进行分析，得到其等效电路，如图3？12所示。其中，Za为天线阻抗，Za=Ra+jXa，Zc为芯片阻抗，Zc=Rc+jXc。
图3？12RFID标签的等效电路
此处，定义复功率波反射系数为s=Za-Z？cZa+Zc（3？49）功率反射系数为|s|2=Za-Z？cZa+Zc2=(Ra-Rc)+j(Xa+Xc)(Ra+Rc)+j(Xa+Xc)2
=［Ra+j(Xa+Xc)］-Rc［Ra+j(Xa+Xc)］+Rc2=RaRc+jXa+XcRc-1RaRc+jXa+XcRc+12（3？50）令RaRc+jXa+XcRc=r+jy=Za为归一于Rc的天线归一化阻抗，则有|s|2=Za-1Za+12或|s|=Za-1Za+1（3？51）这样就可以应用传统的史密斯圆图描述天线与芯片的阻抗匹配问题，即将Za的实部与虚部如一般的归一化阻抗在圆图上标示，从Za的各个归一化阻抗点到圆心的距离就是复功率波反射系数的大小，而以从各个归一化阻抗点到圆心为等距离的阻抗点轨迹组成的同心圆称为等功率反射圆。圆心为阻抗的理想共轭匹配点，最边缘的同心圆代表接近失配情况，即|s|=1。
也可定义功率传输系数τ，有Pc=Paτ，Pa为标签天线捕获的来自读写器的能量，Pc为标签天线传输到芯片的能量。对于无源标签，认为读写器具有足够高的灵敏度，识别距离由可保证唤醒标签的电路中的标签与读写器之间的优选距离决定。根据自由空间传输公式，识别距离为r=λ4πPtGtGrτPth（3？52）其中，Pt为读写器的发射功率，Gt为读写器发射天线的增益，Gr为标签接收天线的增益，Pth为可唤醒标签电路的最小门限功率。可以发现，功率传输系数τ可以直接影响识别距离。
根据标签等效电路，有τ=4RcRa|Za+Zc|2,0≤t≤1
τ+|s|2=1（3？53）令χa=XaRc,ra=RaRc,Qc=XcRc，则等功率传输圆方程为ra-2τ-12+［χa+Qc］2=4τ2(1-τ)（3？54）图3？13等功率传输阻抗匹配圆图 根据式（3？54），可以得到天线与芯片连接的等功率传输阻抗匹配圆图，如图3？13所示。x轴坐标代表归一化实部ra=Ra/Rc，y轴坐标代表归一化虚部xa=Xa/Rc，之前绘出的各个圆为等功率传输圆，分别实现的功率传输为1、0.75、0.5、0？25，等功率传输圆的半径依次为0、16/9、8、48。x轴为谐振线，谐振线上的所有点均满足Xa=-Xc，y轴为接近失配线，可以认为当τ→0时，等功率传输圆逼近它的切线，即y轴，其上的点不可能实现功率传输。
当芯片与天线谐振时，Xa=-Xc，则有Xa=-Qc，ra-2τ-12=4τ2(1-τ)
［τra-(2-τ)］2=4(1-τ)（3？55）对上式的等号两端进行求导，得2［τra-(2-τ)］τ+radτdra+dτdra=-4dτdra（3？56）τ=1时为理想匹配，结合式（3？56）可知ra=1，则dτdra=0。
τ=0时为接近匹配，dτdra=0。
可见，理想匹配和接近失配均为ra对τ有影响的稳定点。
对于固定的RaRc、XaXc，有τ=4RaRc1+RaRc+jQ1+XaXc=4RaRc1+RaRc2+Q2c1+XaXc2
dτdQc=-8Qc1+XaXc2RaRc1+RaRc2+Q2c1+XaXc2-2（3？57）当芯片的内部阻抗为容性，即Qc<0时，dτdQ>0；当芯片的内部阻抗为感性，即Qc>0时，dτdQc<0。
当Qc=0，即Xc=0时，同时认为Xa=0，有τ=4RcRa(Rc+Ra)2（3？58）由以上推导可得图3？14。
结论: 当天线和芯片连接时，对于固定的RaRc、XaXc，从功率传输的角度来图3？14τ随Q变化的曲线
看，应要求Qc尽可能地小。
对于一般的标签天线，阻抗的实部较虚部变化缓慢，这样可以结合阻抗匹配圆图，首先根据芯片性能和预计要达到的功率传输系数确定满足要求的ra，然后调节阻抗虚部，使得天线的归一化阻抗在图3？14中的等功率传输系数圆内，以达到功率传输的设计要求。该阻抗匹配圆图不仅可以用在RFID标签设计中，还可以用在其他应用设计中，具有重要的理论意义和工程应用价值。
通过对标签天线与芯片的连接问题进行分析，对相关的阻抗匹配理论和概念进行了说明，得到了天线与芯片连接的等功率传输阻抗匹配圆图，并对相关问题进行了理论说明。
RFID标签的结构包含天线和芯片两个部分。在后向散射RFID标签中，标签天线需要从读写器中接收尽可能多的高频电磁能，从而增强标签的识别距离，因此芯片与天线之间的阻抗匹配就至关重要，对于能量接近来自所接收到的电磁波的无源标签更是如此。
标签与天线共轭匹配的程度已经成为决定RFID系统识别距离的重要因素。但是，ASIC芯片的设计和批量生产是一项昂贵的投资，所以需要设计出能够匹配市场上可用的特定芯片的标签天线。阻抗直接匹配的方法省去了匹配电路，不仅减小了系统的损耗，而且还减小了标签的体积。由于各种芯片的阻抗值并不相同，标签检波电路中的肖特基二极管使得电阻值通常为3Ω～80Ω，电抗值通常为100Ω～300Ω。这样的高容抗、低阻抗的芯片的值是很高的，从而使得设计天线的难度增加，天线阻抗带宽变窄。
同时，RFID产品的制造必须遵守使用者所在国家和地区的标准机构制定的标准。标准的差异使得产品的设计和生产更加复杂、昂贵。例如在欧洲，RFID确定的超高频频段为865MHz～868MHz，日本和部分亚洲国家为950MHz～956MHz，南北美洲为902MHz～928MHz，我国信息产业部公布的《800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用规定(试行)》则将800/900MHz频段划分为840/845MHz和920/925MHz两个频段。因此，标签天线的设计应尽可能具有宽频带的特性，以适用于不同国家和地区的标准，从而减小设计成本和生产成本。另外，由于频段天线受环境(金属、液体)影响明显，而且当标签贴近读写器时，标签天线的阻抗会由于反射波而产生改变，因此，标签天线需要设计更大的带宽以防止谐振频率的偏移。
设计的目的在于如何在一个很宽的频带范围内实现标签天线和芯片的阻抗的共轭匹配。
直接匹配芯片天线的宽频特性的方法有很多，例如增加寄生回路，采用近似连接形式的馈电结构，利用双辐射体产生邻近的谐振频率从而增加带宽，采用电感耦合馈电形式，电容耦合馈电形式，在馈电处增加共面短线，采用电阻型的短路线和电感型的短线共同完成匹配等方法。
3.2.2标签天线的RCS分析（雷达反射截面）
电磁波在自由空间中传播，当遇到物体时，一部分能量会发生反射，一部分能量会穿过物体继续传播，还会有一部分能量会被吸收。如果物体为导体，由于入射波的作用，导体上会产生表面电流，从而激励产生散射场。由于天线不同于一般的导体，天线不仅会如同金属导体一样在物体表面激励产生表面电流，还会接收电磁能量，使电磁外问题变成电磁内问题，完成能量传输，然后根据端口性能对接收到的能量进行再辐射或再吸收。所以天线的电磁散射问题需要分为天线模式和结构模式进行分析。
天线散射机理可分为结构模式散射和天线模式散射。天线的结构模式散射取决于天线的结构、形状和材料，与天线用来发射还是接收无关，而天线模式却与天线以何种方向图进行辐射或接收能量有关，如图3？15所示。
图3？15天线散射
当电磁波照射目标时，电磁波会被反射、散射和吸收，目标特性信息会被调制到散射波中，这就是雷达的工作原理。当电磁波照射天线时，电磁波会被接收、吸收和散射，天线将存储信息反向散射调制到散射波中，使得其能够被读写器读取，这就是RFID的工作原理。
射频识别系统由标签、读写器和面向应用的主机组成。读写器和标签进行无线通信以获得存储在标签上的信息。来自读写器的功率流和数据在被调制后，又从标签反向散射给读写器。为了适应广泛应用RFID和大量使用标签的要求，标签应尽可能地便宜。当前，相对便宜且具有巨大市场潜力的RFID标签是无源标签，该种标签通过获取读写器的通信信号的能量支持自身的运行以及与标签进行通信。该类型的RFID的工作原理可用于RFID频段在远场区域内的远距离无线通信。在图3？16中，读写器向标签发射一段连续波，电磁波激励标签，标签接收到来自读写器的命令，同时也获得了维持自身运行的能量，然后标签执行命令，对于使用ASK键控的RFID系统，标签控制电路根据存储信息改变芯片的输入阻抗，进而改变反向散射波的负载阻抗调制，从而将标签信息调制到后向散射波，供读写器读取。
图3？16无源RFID的工作原理
对于使用二进制数字振幅键控（2ASK）调制的系统，传输信息中的“0”和“1”分别用不同大小的振幅表示，信息传输的误码率主要由两个表示不同代码的振幅电平的差决定。对于使用多进制数字振幅键控(MASK)调制的系统，传输信息使用多个大小不同的振幅表示，信息传输的误码率主要由表示不同代码的各个振幅的电平的差决定。为保障读写器对反向散射信号的正确读取，解调器必须能够对代表不同代码的振幅电平作出正确判断，这就需要各个振幅之间有足够的电平差。标签通过改变芯片的输入阻抗实现对标签RCS的信息调制，读写器接收到的标签后向散射波就是载有标签信息的电磁波，解调后即可获得标签信息。σ=σ1Zin=Z2"1"
σ2Zin=Z2"0"或σ=σ1Zin=Z1"0"
σ2Zin=Z2"1"
？？？
σMZin=ZM"M-1"
Pr=PtG2tσλ2(4π)3R4
Pr=P1"1"
P2"0"或Pr＝P1"0"
P2"1"
？？
PM"M-1"（3？59）图3？17天线散射
天线散射可分为结构模式散射（structural mode）和天线模式散射(antenna mode)。结构模式散射由天线的已有外形和材料决定，与天线用来接收还是发射无关；而天线模式散射是指天线以一定方向图的方式发射或接收。电磁波照射到天线时将散射一部分能量，同时将接收到的能量传输给芯片，由于芯片与天线不可能理想匹配，所以存在发射波，这部分能量又被辐射到外部空间，如图3？17所示。根据天线端口特性，可以将天线散射分为三种特殊情况: 短路情况；开路情况；匹配情况。当天线端口短路时，天线模式中的RCS值为零，此时测得的RCS值(天线模式的RCS值和结构模式的RCS值之和)也是天线散射结构模式的RCS值。其他情况下，两种散射模式的RCS都不为零。虽然在短路时，天线模式的RCS值为零，但并不意味着短路时的RCS值最小，恰恰相反，一般情况下，天线在短路时的RCS值比其他两种情况的RCS值都大，因为无论是端口开路还是匹配，都使得天线从只具有简单的外部结构特性变为不仅具有外部结构特性，还具有电磁能量的传输特性，这样就会在提高天线模式下的散射的同时降低天线结构模式下的散射。在一般情况下，结构模式的散射要比天线模式的散射显著得多。这里不对天线模式散射的具体理论、公式、方程进行说明和推导，读者可参阅其他相关参考文献。
一般地，在RFID系统中使用的天线大多数其尺寸和波长相当，则RFID系统中的散射主要为谐振区散射，即天线尺寸发生较小的变化，而散射能量发生较大的变化。而且各个标签天线的端口特性各不相同，天线的散射也会有所不同，导致系统的性能有一定差别，这就需要对不同结构的标签天线进行计算，得到天线性能的RCS分析结果，而且基于RCS的标签天线性能分析具有其特殊的优点。
对RFID系统性能的评估通常使用指标(优选)识别距离，经过对RFID反向散射调制通信机制的公式进行推导，有R=λ04π4PtG2tG2rPs（3？60）其中,R为识别距离，Pt为读写器的发射功率，Gt为读写器天线的增益，Gr为标签天线的增益，λ0为工作频率的自由空间波长，Ps为读写器的灵敏度。
图3？18天线散射等效电路
从式(3？60)可知，不同读写器的灵敏度Ps会产生不同的R，无法得到标签天线的独立性能分析。这里需要基于RCS对标签天线性能进行分析。对于标签的散射，可使用图3？18中的等效电路进行分析。ZA为标签的天线阻抗，其中实部Rs代表天线辐射能量的能力，RL为天线的等效损耗阻抗，虚部XA代表天线辐射场的储能，ZC为标签芯片的输入阻抗。在以下分析中，为方便讨论，总认为可以通过调节使得XA=-XC，这在芯片和天线的匹配设计中是可以实现的，用于实现天线芯片之间的优选能量传输，对不能实现匹配的标签进行讨论是没有意义的，这样就得到Ps=VRs+RL+RC2Rs,0 图3？19几种常用的超高频频段标签天线（尺寸单位为mm，各枝节宽度为1mm）
在表3？1中，使用电磁计算软件HFSS对图3？19中的几种工作频率为911MHz的标签天线的RCS进行了计算，特别是对弓字形振子的RCS计算已得到验证。在相同设置下对其他的天线结构进行了RCS计算。表3？1和表3？2中的计算结果证明了以上分析。同时，从表3？2中可以发现，合理选择匹配阻抗能够得到多个具有较大差值的RCS，可以降低误码率。也可以选择多个匹配阻抗以得到多个具有一定差值的RCS，在确保通信正常的前提下实现MASK，提高通信容量和识别速度。具有较大短路RCS和开路RCS差值的标签提供了较大的阻抗选择自由度，便于实现解调的负载调制，有利于降低误码率。同样，具有较大短路RCS和开路RCS差值的标签天线使实现MASK数字调制成为可能。在对标签天线进行选择时，除了考虑阻抗特性和辐射特性之外，还应尽量选择具有较大的短路后向散射截面和较大的短路RCS与开路RCS差值的标签天线，在保证获得不同的可分辨RCS的同时，可以选择接近短路RCS的匹配阻抗RCS。如此就可以提高识别距离，获得读写器对标签数据的稳定读取。表3？1常用的超高频频段标签天线的RCS单位: dBm2
天 线 结 构天线阻抗（Ω）完 全 匹 配短路开路对称振子74-16.526-10.472-33.996折合振子47-17.474-11.273-40.826对称倒F21-20.322-15.112-36.596弓字形振子35-17.075-11.242-30.876表3？2常用的超高频频段标签天线不同匹配阻抗的RCS单位: dBm2
天 线 结 构天线阻抗（Ω）20Ω35Ω50Ω75Ω100Ω对称振子74-12.745-13.735-14.925-16.347-19.614折合振子47-16.082-16.224-17.725-19.592-21.355对称倒F21-20.541-22.735-24.774-26.713-29.398弓字形振子35-14.882-16.899-18.423-20.312-22.028经过以上分析可知，标签天线的RCS优选值一般在天线端口短路时得到，当天线与芯片匹配时，天线和芯片之间实现优选功率传输。所以，一般的无源标签的芯片阻抗状态应在短路和匹配负载之间切换负载阻抗，进而完成当前RFID系统最常用也是最容易实现的二进制数字振幅键控(2ASK)调制的数据通信。
基于识别距离对标签的性能进行分析依赖于读写器的灵敏度，无法给出标签天线性能的独立分析和评估，不能对标签性能作出统一的说明，从而也不能实现不同标签独立于读写器之外的性能比较。对连接不同阻抗的芯片的标签天线进行RCS分析，得出了一种分析标签性能的新方法，不仅摆脱了对读写器灵敏度的依赖，而且还能够反应标签性能足够的信息。因此，基于RCS对RFID标签天线进行分析的方法具有重要意义。
3.2.3简单实例
（1） 标签芯片阻抗（40-j190Ω）。
（2） 介质板的厚度为75μm，介质板的相对介电常数为2.7，损耗角正切为0.003，磁导率为1。
（3） 调节标签天线的宽度和长度可改变天线的复数阻抗，用于匹配具有不同复数阻抗的芯片。
1. 天线设计
天线的基本结构采用了两个偶极子a和偶极子b，使天线具备全向辐射的特性，并通过双T匹配网络实现宽频匹配，使用Agilent ADS进行仿真设计。
图3？20RFID标签天线的结构图从图3？20中可以看出，双U？T结构宽频带标签天线是在双T天线的基础上加上了U形结构，其余天线尺寸及介质参数均保持不变。这是一款匹配输入阻抗为(40-j190)Ω的芯片的标签天线，天线印刷在厚度为75μm、介电常数εr=2.7的PET薄膜上，PET薄膜的损耗角正切tanδ=0.003，偶极子两臂的进一步弯折有效地减小了天线尺寸。双T匹配网
