一種形式新穎的12dB線(xiàn)極化RFID天線(xiàn)的研究

制作12dBi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：