一種形式新穎的12dBi線(xiàn)極化RFID天線(xiàn)的研究

制作12 dBi線(xiàn)極化天線(xiàn)最常采用微帶天線(xiàn)組陣，其尺寸較大為580 mm×260 mm×50 mm。而本文采用了一種新穎的形式即單極天線(xiàn)組陣進(jìn)行設計。

1 設計方案的分析與選擇
文中在設計12 dBi線(xiàn)極化天線(xiàn)時(shí)采用單極振子組陣制作，形式新穎，這是本天線(xiàn)的最大創(chuàng )新點(diǎn)。與微帶天線(xiàn)組陣形式相比，具有強方向性、尺寸小、重量輕、成本低的特點(diǎn)。整 體結構，如圖1所示。本天線(xiàn)的單極天線(xiàn)是將偶極子天線(xiàn)的一臂長(cháng)度設為0并將饋電直接接地，另一臂垂直架設所構成的。設計單極天線(xiàn)長(cháng)度為四分之一波長(cháng)，此長(cháng) 可產(chǎn)生諧振，而諧振電阻與一般傳輸線(xiàn)饋線(xiàn)匹配。而當長(cháng)度比遠小于四分之一波長(cháng)時(shí)匹配和效率成為嚴重問(wèn)題，且饋線(xiàn)區段的輻射將使整體方向圖特性劣化。單極天 線(xiàn)的電流和電荷分布與相應對稱(chēng)振子上臂的相同。

但輸入端電壓、輸入阻抗是相應對稱(chēng)振子的一半，最大輻射強度與之相同，但輻射場(chǎng)僅分布在上半空間。輻射功率 和平均輻射強度是相應對稱(chēng)振子的一半，因而方向性系數是其二倍。而實(shí)際地面有限電導率使主瓣上翹強度降低，使輻射效率降低。所以四分之一波長(cháng)單極天線(xiàn)的有 效增益通常低于半波振子天線(xiàn)的增益。本天線(xiàn)中1個(gè)單獨的單極天線(xiàn)增益約為2 dB。為提高增益在單極天線(xiàn)前面添加引向器。理論上引向器與其間距為0．15 λ~0．4 λ，當>0．4 λ后增益將迅速下降。引向器長(cháng)度通常為0．41 λ~O．46 λ，其上感應電流的相位超前有源振子π～2π或滯后0～π，因而沿激勵至引向器方向的場(chǎng)大于相反方向的場(chǎng)起到提高增益和增強方向性的效果。

由于為感應饋電 其上感應電流的幅度小于有源振子。增加引向器數目可提高增益，但隨引向器遠離有源振子，其上感應電流幅度逐漸減小，相位也依次滯后，因而有慢波型表面波沿 軸向傳播。軸向越長(cháng)引向器越多，可使方向越尖銳、增益越高、作用距離越遠，但超過(guò)4個(gè)引向器后改善效果不明顯，而體積、重量、制作成本大幅增加，同時(shí)導致 工作頻帶更窄?？紤]以上因素采用添加兩個(gè)引向器提高增益。適當調節引向器長(cháng)度和與單極振子間距，可使行波相速滿(mǎn)足增強方向性條件得到最大方向性系數。間距 大則阻抗高，間距為0．15 λ時(shí)阻抗最低，間距為0．2 λ～0．25λ時(shí)阻抗高，效率提高。單元數越多，引向器的最佳長(cháng)度就越短，若要得到較寬工作頻段，引向器的長(cháng)度應取短些。

本天線(xiàn)采用抱桿安裝，抱桿采用金屬鐵材質(zhì)，實(shí)際上起到反射器的作用：有效消除天線(xiàn)方向圖后瓣，并和引向器共同增強天線(xiàn)對前方信號的靈敏度使其具有極強的方 向性，從而提高增益。1個(gè)單極天線(xiàn)加上引向器和抱桿后，在主輻射方向上增益約為9 dB。為達到12 dB增益采用2個(gè)單極天線(xiàn)組陣。單元因子僅取決于單元的型式和取向，本天線(xiàn)中等于位于坐標原點(diǎn)單極天線(xiàn)的歸一化方向圖函數。陣因子僅取決于陣的形狀、間 距、激勵電流的幅度和相位，等于與實(shí)際陣具有相同位置、相同電流幅度和相位的各向同性點(diǎn)源陣的方向圖。本天線(xiàn)采用間距為的等幅同相二元陣。當兩單元間 距>λ時(shí)，方向圖將出現多瓣。

由于RFID系統阻抗為50Ω，為達到匹配使天線(xiàn)能夠吸收全部入射波功率，則采用50Ω的同軸線(xiàn)饋電。由于同軸線(xiàn)外面的屏蔽層與銅芯傳導電流的方向是反向 的，為使兩單極天線(xiàn)組成等幅同相二元陣，采用將兩同軸饋線(xiàn)反向連接，即一根同軸線(xiàn)的銅芯與激勵相連，外層屏蔽層與地連接，而另一同軸線(xiàn)的銅芯與地相連，外 層屏蔽層與激勵連接，形式如圖2所示。同時(shí)通過(guò)預留的串聯(lián)和并聯(lián)匹配的位置進(jìn)行阻抗匹配，使得天線(xiàn)阻抗在50 Ω左右，駐波在工作頻帶內1．2。

下面對影響天線(xiàn)主要性能的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行分析和說(shuō)明。天線(xiàn)的關(guān)鍵尺寸有以下4項：

(1)抱桿與單極振子的間距：對增益影響不大，只有零點(diǎn)幾dB的影響。而對前后輻射比和輸入阻抗有較大影響，間距不同后瓣的增益明顯不同，從而前后比出現 很大差距。反射器上電流電壓的幅度和相位與間距有關(guān)。因為間距不同則電磁波走過(guò)的空間距離也不同，則形成不同的相位差。適當安排反射器與單極振子的間距可 使反射器和有源振子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在反射器后方相互抵消，而在有源振子的前方上相加，從而起到抑制后瓣增強增益的效果。從仿真結果可看出間距較小可有效抑制 后向輻射，但輸入阻抗較低，難與同軸饋線(xiàn)進(jìn)行良好匹配；

(2)單極振子的臂寬：通過(guò)仿真可知隨著(zhù)單極振子臂寬的增加，增益隨之增大。Smith圓圖上阻抗點(diǎn)位置隨臂寬的增加，沿著(zhù)等電阻圓逆時(shí)針從感性阻抗區域 向容性阻抗區移動(dòng)，因為振子面積的增大使容性逐漸增加。振子的粗細還會(huì )影響振子的最佳長(cháng)度，因為電波在金屬中行進(jìn)的速度與真空中不盡相同，實(shí)際制作長(cháng)度都 要在理論值上減去一個(gè)縮短系數，而振子越粗，振子的長(cháng)度越小。振子的理論長(cháng)度為λ／4，這樣最佳長(cháng)度就會(huì )比λ／4小，而由電路理論可知，長(cháng)度略短于λ／4 整數倍的導體呈電容性，所以此時(shí)單極振子呈容性，使天線(xiàn)的容性增加。在Smith圓圖上使阻抗點(diǎn)逐漸向容性阻抗區移動(dòng)，對整個(gè)天線(xiàn)的阻抗特性造成一定影 響。且振子臂寬約大，天線(xiàn)的Q值就越低，帶寬愈大；

(3)組陣單元的間距：?jiǎn)卧g距對增益和阻抗影響較大。從表1的仿真數據可看出隨著(zhù)間距的增大主瓣增益及后瓣都變大，即天線(xiàn)側射方向上的能量增大。此天線(xiàn)波瓣的主波束指向與陣列軸線(xiàn)垂直的方向即為側射陣。而陣列間距d有限制條件(為主波束的指向)
dλ／1+|cosθ| (1)

當θ=π／2即側射陣時(shí)應有dλ。當θ=0即端射陣時(shí)應有dλ／2隨著(zhù)間距的減小，天線(xiàn)從側射陣逐漸向端射陣過(guò)渡，旁瓣增大、主瓣變小、 能量逐漸向陣列軸向方向輻射。從而導致天線(xiàn)增益降低。通過(guò)仿真還可知，隨著(zhù)間距的增大，阻抗點(diǎn)在Smith圓圖上沿等電導圓順時(shí)針移動(dòng)，且電阻逐漸增大；

(4)引向器的長(cháng)度：引向器上感應電流的幅度與相位取決于其本身的自阻抗和與有源振子間的互阻抗?；プ杩闺S振子長(cháng)度變化不明顯。而自阻抗主要取決于振子本 身的長(cháng)度。當導體的長(cháng)度略長(cháng)于λ／4的整數倍時(shí)成電感性，略短于λ／4整數倍時(shí)成電容性。在表2的仿真數據中，第一引向器長(cháng)度在12．6～13．2 mm時(shí)為電感性，為13．4 mm時(shí)呈電容性。第二引向器呈容性。所以通過(guò)改變兩引向器的長(cháng)度可改變其各自阻抗的性質(zhì)，使其共同影響天線(xiàn)的阻抗。從仿真數據可看出，第二引向器長(cháng)度的大 小比起第一引向器在抑制后向輻射方面有更顯著(zhù)的影響。第二引向器的長(cháng)度較短時(shí)，后向輻射較小，因為此時(shí)使引向器和單極振子在主方向上產(chǎn)生電磁場(chǎng)相加，從而 起到增強增益抑制后瓣的效果。

2 優(yōu)化后的仿真結果及分析
通過(guò)仿真優(yōu)化得到各部分的最優(yōu)尺寸為：?jiǎn)螛O振子為94 mm，第一引向器為130 mm，第二引向器為140 mm；第一引向器與單極振子間距為40 mm，第二引向器與單極振子間距為104 mm，組陣單元的間距為360 mm，抱桿與單極振子的間距為90mm。并聯(lián)25 pF電容進(jìn)行阻抗匹配，使天線(xiàn)阻抗在50 Ω左右。通過(guò)仿真主輻射方向增益為12．2 dBi在840～845 MHz的頻帶內，駐波比都1．2，阻抗得到良好匹配約為50 Ω，仿真結果如圖3~圖6所示。

3 實(shí)測結果