一種形式新穎的12dBi線極化RFID天線的研究

　　1 設(shè)計方案的分析與選擇

　　文中在設(shè)計12 dBi線極化天線時采用單極振子組陣制作，形式新穎，這是本天線的最大創(chuàng)新點(diǎn)。與微帶天線組陣形式相比，具有強(qiáng)方向性、尺寸小、重量輕、成本低的特點(diǎn)。整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本天線的單極天線是將偶極子天線的一臂長度設(shè)為0并將饋電直接接地，另一臂垂直架設(shè)所構(gòu)成的。設(shè)計單極天線長度為四分之一波長，此長可產(chǎn)生諧振，而諧振電阻與一般傳輸線饋線匹配。而當(dāng)長度比遠(yuǎn)小于四分之一波長時匹配和效率成為嚴(yán)重問題，且饋線區(qū)段的輻射將使整體方向圖特性劣化。單極天線的電流和電荷分布與相應(yīng)對稱振子上臂的相同。但輸入端電壓、輸入阻抗是相應(yīng)對稱振子的一半，最大輻射強(qiáng)度與之相同，但輻射場僅分布在上半空間。輻射功率和平均輻射強(qiáng)度是相應(yīng)對稱振子的一半，因而方向性系數(shù)是其二倍。而實(shí)際地面有限電導(dǎo)率使主瓣上翹強(qiáng)度降低，使輻射效率降低。所以四分之一波長單極天線的有效增益通常低于半波振子天線的增益。本天線中1個單獨(dú)的單極天線增益約為2 dB。為提高增益在單極天線前面添加引向器。理論上引向器與其間距為0.15 λ~0.4 λ，當(dāng)>0.4 λ后增益將迅速下降。引向器長度通常為0.41 λ~O.46 λ，其上感應(yīng)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大于相反方向的場起到提高增益和增強(qiáng)方向性的效果。由于為感應(yīng)饋電其上感應(yīng)電流的幅度小于有源振子。增加引向器數(shù)目可提高增益，但隨引向器遠(yuǎn)離有源振子，其上感應(yīng)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。軸向越長引向器越多，可使方向越尖銳、增益越高、作用距離越遠(yuǎn)，但超過4個引向器后改善效果不明顯，而體積、重量、制作成本大幅增加，同時導(dǎo)致工作頻帶更窄。考慮以上因素采用添加兩個引向器提高增益。適當(dāng)調(diào)節(jié)引向器長度和與單極振子間距，可使行波相速滿足增強(qiáng)方向性條件得到最大方向性系數(shù)。間距大則阻抗高，間距為0.15 λ時阻抗最低，間距為0.2 λ～0.25λ時阻抗高，效率提高。單元數(shù)越多，引向器的最佳長度就越短，若要得到較寬工作頻段，引向器的長度應(yīng)取短些。

　　本天線采用抱桿安裝，抱桿采用金屬鐵材質(zhì)，實(shí)際上起到反射器的作用：有效消除天線方向圖后瓣，并和引向器共同增強(qiáng)天線對前方信號的靈敏度使其具有極強(qiáng)的方向性，從而提高增益。1個單極天線加上引向器和抱桿后，在主輻射方向上增益約為9 dB。為達(dá)到12 dB增益采用2個單極天線組陣。單元因子僅取決于單元的型式和取向，本天線中等于位于坐標(biāo)原點(diǎn)單極天線的歸一化方向圖函數(shù)。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。本天線采用間距為的等幅同相二元陣。當(dāng)兩單元間距>λ時，方向圖將出現(xiàn)多瓣。

　　由于RFID系統(tǒng)阻抗為50Ω，為達(dá)到匹配使天線能夠吸收全部入射波功率，則采用50Ω的同軸線饋電。由于同軸線外面的屏蔽層與銅芯傳導(dǎo)電流的方向是反向的，為使兩單極天線組成等幅同相二元陣，采用將兩同軸饋線反向連接，即一根同軸線的銅芯與激勵相連，外層屏蔽層與地連接，而另一同軸線的銅芯與地相連，外層屏蔽層與激勵連接，形式如圖2所示。同時通過預(yù)留的串聯(lián)和并聯(lián)匹配的位置進(jìn)行阻抗匹配，使得天線阻抗在50 Ω左右，駐波在工作頻帶內(nèi)<1.2。

　　下面對影響天線主要性能的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行分析和說明。天線的關(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(xiàn)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的空間距離也不同，則形成不同的相位差。適當(dāng)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(qiáng)增益的效果。從仿真結(jié)果可看出間距較小可有效抑制后向輻射，但輸入阻抗較低，難與同軸饋線進(jìn)行良好匹配;

　　(2)單極振子的臂寬：通過仿真可知隨著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，沿著等電阻圓逆時針從感性阻抗區(qū)域向容性阻抗區(qū)移動，因為振子面積的增大使容性逐漸增加。振子的粗細(xì)還會影響振子的最佳長度，因為電波在金屬中行進(jìn)的速度與真空中不盡相同，實(shí)際制作長度都要在理論值上減去一個縮短系數(shù)，而振子越粗，振子的長度越小。振子的理論長度為λ/4，這樣最佳長度就會比λ/4小，而由電路理論可知，長度略短于λ/4整數(shù)倍的導(dǎo)體呈電容性，所以此時單極振子呈容性，使天線的容性增加。在Smith圓圖上使阻抗點(diǎn)逐漸向容性阻抗區(qū)移動，對整個天線的阻抗特性造成一定影響。且振子臂寬約大，天線的Q值就越低，帶寬愈大;

　　(3)組陣單元的間距：單元間距對增益和阻抗影響較大。從表1的仿真數(shù)據(jù)可看出隨著間距的增大主瓣增益及后瓣都變大，即天線側(cè)射方向上的能量增大。此天線波瓣的主波束指向與陣列軸線垂直的方向即為側(cè)射陣。而陣列間距d有限制條件(為主波束的指向)

　　d<λ/1+|cosθ| (1)

　　當(dāng)θ=π/2即側(cè)射陣時應(yīng)有d<λ。當(dāng)θ=0即端射陣時應(yīng)有d<λ/2隨著間距的減小，天線從側(cè)射陣逐漸向端射陣過渡，旁瓣增大、主瓣變小、能量逐漸向陣列軸向方向輻射。從而導(dǎo)致天線增益降低。通過仿真還可知，隨著間距的增大，阻抗點(diǎn)在Smith圓圖上沿等電導(dǎo)圓順時針移動，且電阻逐漸增大;

　　(4)引向器的長度：引向器上感應(yīng)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振子長度變化不明顯。而自阻抗主要取決于振子本身的長度。當(dāng)導(dǎo)體的長度略長于λ/4的整數(shù)倍時成電感性，略短于λ/4整數(shù)倍時成電容性。在表2的仿真數(shù)據(jù)中，第一引向器長度在12.6～13.2 mm時為電感性，為13.4 mm時呈電容性。第二引向器呈容性。所以通過改變兩引向器的長度可改變其各自阻抗的性質(zhì)，使其共同影響天線的阻抗。從仿真數(shù)據(jù)可看出，第二引向器長度的大小比起第一引向器在抑制后向輻射方面有更顯著的影響。第二引向器的長度較短時，后向輻射較小，因為此時使引向器和單極振子在主方向上產(chǎn)生電磁場相加，從而起到增強(qiáng)增益抑制后瓣的效果。

　　2 優(yōu)化后的仿真結(jié)果及分析

　　通過仿真優(yōu)化得到各部分的最優(yōu)尺寸為：單極振子為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，使天線阻抗在50 Ω左右。通過仿真主輻射方向增益為12.2 dBi在840～845 MHz的頻帶內(nèi)，駐波比都<1.2，阻抗得到良好匹配約為50 Ω，仿真結(jié)果如圖3~圖6所示。

　　3 實(shí)測結(jié)果

　　4 結(jié)束語

　　文中設(shè)計了一種形式新穎的12 dBi線極化天線。實(shí)測的駐波比在工作頻帶內(nèi)<1.2，阻抗為50 Ω，阻抗得到良好匹配。通過對比法(與標(biāo)準(zhǔn)天線進(jìn)行對比)可得實(shí)際增益>12 dBi。