一種形式新穎的12dB線極化RFID天線的研究

制作12dBi線極化天線最常采用微帶天線組陣，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組陣進(jìn)行設(shè)計。

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?？紤]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(xiàng)：