一种形式新颖的12dBi线极化RFID天线的研究

1 设计方案的分析与选择

文中在设计12 dBi线极化天线时采用单极振子组阵制作，形式新颖，这是本天线的最大创新点。与微带天线组阵形式相比，具有强方向性、尺寸小、重量轻、成本低的特点。整体结构，如图1所示。本天线的单极天线是将偶极子天线的一臂长度设为0并将馈电直接接地，另一臂垂直架设所构成的。设计单极天线长度为四分之一波长，此长可产生谐振，而谐振电阻与一般传输线馈线匹配。而当长度比远小于四分之一波长时匹配和效率成为严重问题，且馈线区段的辐射将使整体方向图特性劣化。单极天线的电流和电荷分布与相应对称振子上臂的相同。但输入端电压、输入阻抗是相应对称振子的一半，最大辐射强度与之相同，但辐射场仅分布在上半空间。辐射功率和平均辐射强度是相应对称振子的一半，因而方向性系数是其二倍。而实际地面有限电导率使主瓣上翘强度降低，使辐射效率降低。所以四分之一波长单极天线的有效增益通常低于半波振子天线的增益。本天线中1个单独的单极天线增益约为2 dB。为提高增益在单极天线前面添加引向器。理论上引向器与其间距为0.15 λ~0.4 λ，当>0.4 λ后增益将迅速下降。引向器长度通常为0.41 λ~O.46 λ，其上感应电流的相位超前有源振子π～2π或滞后0～π，因而沿激励至引向器方向的场大于相反方向的场起到提高增益和增强方向性的效果。由于为感应馈电其上感应电流的幅度小于有源振子。增加引向器数目可提高增益，但随引向器远离有源振子，其上感应电流幅度逐渐减小，相位也依次滞后，因而有慢波型表面波沿轴向传播。轴向越长引向器越多，可使方向越尖锐、增益越高、作用距离越远，但超过4个引向器后改善效果不明显，而体积、重量、制作成本大幅增加，同时导致工作频带更窄。考虑以上因素采用添加两个引向器提高增益。适当调节引向器长度和与单极振子间距，可使行波相速满足增强方向性条件得到最大方向性系数。间距大则阻抗高，间距为0.15 λ时阻抗最低，间距为0.2 λ～0.25λ时阻抗高，效率提高。单元数越多，引向器的最佳长度就越短，若要得到较宽工作频段，引向器的长度应取短些。

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本天线采用抱杆安装，抱杆采用金属铁材质，实际上起到反射器的作用：有效消除天线方向图后瓣，并和引向器共同增强天线对前方信号的灵敏度使其具有极强的方向性，从而提高增益。1个单极天线加上引向器和抱杆后，在主辐射方向上增益约为9 dB。为达到12 dB增益采用2个单极天线组阵。单元因子仅取决于单元的型式和取向，本天线中等于位于坐标原点单极天线的归一化方向图函数。阵因子仅取决于阵的形状、间距、激励电流的幅度和相位，等于与实际阵具有相同位置、相同电流幅度和相位的各向同性点源阵的方向图。本天线采用间距为的等幅同相二元阵。当两单元间距>λ时，方向图将出现多瓣。

由于RFID系统阻抗为50Ω，为达到匹配使天线能够吸收全部入射波功率，则采用50Ω的同轴线馈电。由于同轴线外面的屏蔽层与铜芯传导电流的方向是反向的，为使两单极天线组成等幅同相二元阵，采用将两同轴馈线反向连接，即一根同轴线的铜芯与激励相连，外层屏蔽层与地连接，而另一同轴线的铜芯与地相连，外层屏蔽层与激励连接，形式如图2所示。同时通过预留的串联和并联匹配的位置进行阻抗匹配，使得天线阻抗在50 Ω左右，驻波在工作频带内<1.2。

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下面对影响天线主要性能的关键尺寸进行分析和说明。天线的关键尺寸有以下4项：

(1)抱杆与单极振子的间距：对增益影响不大，只有零点几dB的影响。而对前后辐射比和输入阻抗有较大影响，间距不同后瓣的增益明显不同，从而前后比出现很大差距。反射器上电流电压的幅度和相位与间距有关。因为间距不同则电磁波走过的空间距离也不同，则形成不同的相位差。适当安排反射器与单极振子的间距可使反射器和有源振子产生的电磁场在反射器后方相互抵消，而在有源振子的前方上相加，从而起到抑制后瓣增强增益的效果。从仿真结果可看出间距较小可有效抑制后向辐射，但输入阻抗较低，难与同轴馈线进行良好匹配;

(2)单极振子的臂宽：通过仿真可知随着单极振子臂宽的增加，增益随之增大。Smith圆图上阻抗点位置随臂宽的增加，沿着等电阻圆逆时针从感性阻抗区域向容性阻抗区移动，因为振子面积的增大使容性逐渐增加。振子的粗细还会影响振子的最佳长度，因为电波在金属中行进的速度与真空中不尽相同，实际制作长度都要在理论值上减去一个缩短系数，而振子越粗，振子的长度越小。振子的理论长度为λ/4，这样最佳长度就会比λ/4小，而由电路理论可知，长度略短于λ/4整数倍的导体呈电容性，所以此时单极振子呈容性，使天线的容性增加。在Smith圆图上使阻抗点逐渐向容性阻抗区移动，对整个天线的阻抗特性造成一定影响。且振子臂宽约大，天线的Q值就越低，带宽愈大;

(3)组阵单元的间距：单元间距对增益和阻抗影响较大。从表1的仿真数据可看出随着间距的增大主瓣增益及后瓣都变大，即天线侧射方向上的能量增大。此天线波瓣的主波束指向与阵列轴线垂直的方向即为侧射阵。而阵列间距d有限制条件(为主波束的指向)

d<λ/1+|cosθ| (1)

当θ=π/2即侧射阵时应有d<λ。当θ=0即端射阵时应有d<λ/2随着间距的减小，天线从侧射阵逐渐向端射阵过渡，旁瓣增大、主瓣变小、能量逐渐向阵列轴向方向辐射。从而导致天线增益降低。通过仿真还可知，随着间距的增大，阻抗点在Smith圆图上沿等电导圆顺时针移动，且电阻逐渐增大;

(4)引向器的长度：引向器上感应电流的幅度与相位取决于其本身的自阻抗和与有源振子间的互阻抗。互阻抗随振子长度变化不明显。而自阻抗主要取决于振子本身的长度。当导体的长度略长于λ/4的整数倍时成电感性，略短于λ/4整数倍时成电容性。在表2的仿真数据中，第一引向器长度在12.6～13.2 mm时为电感性，为13.4 mm时呈电容性。第二引向器呈容性。所以通过改变两引向器的长度可改变其各自阻抗的性质，使其共同影响天线的阻抗。从仿真数据可看出，第二引向器长度的大小比起第一引向器在抑制后向辐射方面有更显著的影响。第二引向器的长度较短时，后向辐射较小，因为此时使引向器和单极振子在主方向上产生电磁场相加，从而起到增强增益抑制后瓣的效果。

2 优化后的仿真结果及分析

通过仿真优化得到各部分的最优尺寸为：单极振子为94 mm，第一引向器为130 mm，第二引向器为140 mm;第一引向器与单极振子间距为40 mm，第二引向器与单极振子间距为104 mm，组阵单元的间距为360 mm，抱杆与单极振子的间距为90mm。并联25 pF电容进行阻抗匹配，使天线阻抗在50 Ω左右。通过仿真主辐射方向增益为12.2 dBi在840～845 MHz的频带内，驻波比都<1.2，阻抗得到良好匹配约为50 Ω，仿真结果如图3~图6所示。

3 实测结果

4 结束语

文中设计了一种形式新颖的12 dBi线极化天线。实测的驻波比在工作频带内<1.2，阻抗为50 Ω，阻抗得到良好匹配。通过对比法(与标准天线进行对比)可得实际增益>12 dBi。