一种形式新颖的12dB线极化RFID天线的研究

制作12dBi线极化天线最常采用微带天线组阵，其尺寸较大为580 mm×260 mm×50 mm。而本文采用了一种新颖的形式即单极天线组阵进行设计。

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。

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。

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：