一種形式新穎的12 d B線極化RFID天線的研究

1 設(shè)計(jì)方案的分析與選擇
    文中在設(shè)計(jì)12 dBi線極化天線時(shí)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(zhǎng)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(jì)單極天線長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，此長(zhǎng)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(zhǎng)度比遠(yuǎn)小于四分之一波長(zhǎng)時(shí)匹配和效率成為嚴(yán)重問(wèn)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(duì)稱(chēng)振子上臂的相同。但輸入端電壓、輸入阻抗是相應(yīng)對(duì)稱(chēng)振子的一半，最大輻射強(qiáng)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(qiáng)度是相應(yīng)對(duì)稱(chēng)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(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)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(lì)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(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(zhǎng)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(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(dǎo)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(dāng)調(diào)節(jié)引向器長(zhǎng)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(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(shù)越多，引向器的最佳長(zhǎng)度就越短，若要得到較寬工作頻段，引向器的長(zhǎng)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(duì)前方信號(hào)的靈敏度使其具有極強(qiáng)的方向性，從而提高增益。1個(gè)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(gè)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(lì)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(shí)，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(lì)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(lì)連接，形式如圖2所示。同時(shí)通過(guò)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(duì)影響天線主要性能的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行分析和說(shuō)明。天線的關(guān)鍵尺寸有以下4項(xiàng)：
    (1)抱桿與單極振子的間距：對(duì)增益影響不大，只有零點(diǎn)幾dB的影響。而對(duì)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?yàn)殚g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(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(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(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(guò)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(shí)針從感性阻抗區(qū)域向容性阻抗區(qū)移動(dòng)，因?yàn)檎褡用娣e的增大使容性逐漸增加。振子的粗細(xì)還會(huì)影響振子的最佳長(zhǎng)度，因?yàn)殡姴ㄔ诮饘僦行羞M(jìn)的速度與真空中不盡相同，實(shí)際制作長(zhǎng)度都要在理論值上減去一個(gè)縮短系數(shù)，而振子越粗，振子的長(zhǎng)度越小。振子的理論長(zhǎng)度為λ／4，這樣最佳長(zhǎng)度就會(huì)比λ／4小，而由電路理論可知，長(zhǎng)度略短于λ／4整數(shù)倍的導(dǎo)體呈電容性，所以此時(shí)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(dòng)，對(duì)整個(gè)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：?jiǎn)卧g距對(duì)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(shí)應(yīng)有d<λ。當(dāng)θ=0即端射陣時(shí)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(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(dǎo)致天線增益降低。通過(guò)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(shí)針移動(dòng)，且電阻逐漸增大；

    (4)引向器的長(zhǎng)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(zhǎng)度變化不明顯。而自阻抗主要取決于振子本身的長(zhǎng)度。當(dāng)導(dǎo)體的長(zhǎng)度略長(zhǎng)于λ／4的整數(shù)倍時(shí)成電感性，略短于λ／4整數(shù)倍時(shí)成電容性。在表2的仿真數(shù)據(jù)中，第一引向器長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度較短時(shí)，后向輻射較小，因?yàn)榇藭r(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(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(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(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(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中設(shè)計(jì)了一種形式新穎的12 dBi線極化天線。實(shí)測(cè)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(guò)對(duì)比法(與標(biāo)準(zhǔn)天線進(jìn)行對(duì)比)可得實(shí)際增益>12 dBi。