一种方式新颖的12dBi线极化RFID天线的研讨

制造12 dBi线极化天线最常选用微带天线组阵，其尺度较大为580 mm×260 mm×50 mm。而本文选用了一种新颖的方式即单极天线组阵进行规划。

1 规划方案的剖析与挑选
文中在规划12 dBi线极化天线时选用单极振子组阵制造，方式新颖，这是本天线的最大立异点。与微带天线组阵方式比较，具有强方向性、尺度小、分量轻、本钱低的特色。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，另一臂笔直架起所构成的。规划单极天线长度为四分之一波长，此长 可发生谐振，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功率成为严重问题，且馈线区段的辐射将使全体方向图特性劣化。单极天 线的电流和电荷散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，但辐射场仅散布在上半空间。辐射功率 和均匀辐射强度是相应对称振子的一半，因此方向性系数是其二倍。而实践地上有限电导率使主瓣上翘强度下降，使辐射功率下降。所以四分之一波长单极天线的有 效增益一般低于半波振子天线的增益。本天线中1个独自的单极天线增益约为2 dB。为进步增益在单极天线前面添加引向器。理论上引向器与其间隔为0．15 λ~0．4 λ，当>0．4 λ后增益将敏捷下降。引向器长度一般为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，因此沿鼓励至引向器方向的场大于相反方向的场起到进步增益和增强方向性的作用。

由于为感应馈电 其上感应电流的起伏小于有源振子。添加引向器数目可进步增益，但随引向器远离有源振子，其上感应电流起伏逐步减小，相位也顺次滞后，因此有慢波型表面波沿 轴向传达。轴向越长引向器越多，可使方向越尖利、增益越高、作用间隔越远，但超越4个引向器后改进作用不显着，而体积、分量、制造本钱大幅添加，一起导致 作业频带更窄。考虑以上要素选用添加两个引向器进步增益。恰当调理引向器长度和与单极振子间隔，可使行波相速满意增强方向性条件得到最大方向性系数。间隔 大则阻抗高，间隔为0．15 λ时阻抗最低，间隔为0．2 λ～0．25λ时阻抗高，功率进步。单元数越多，引向器的最佳长度就越短，若要得到较宽作业频段，引向器的长度应取短些。

本天线选用抱杆装置，抱杆选用金属铁原料，实践上起到反射器的作用：有用消除天线方向图后瓣，并和引向器一起增强天线对前方信号的灵敏度使其具有极强的方 向性，然后进步增益。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。为到达12 dB增益选用2个单极天线组阵。单元因子仅取决于单元的型式和取向，本天线中等于坐落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、鼓励电流的起伏和相位，等于与实践阵具有相同方位、相同电流起伏和相位的各向同性点源阵的方向图。本天线选用间隔为的等幅同相二元阵。当两单元间 距>λ时，方向图将呈现多瓣。

由于RFID体系阻抗为50Ω，为到达匹配使天线可以吸收悉数入射波功率，则选用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，选用将两同轴馈线反向衔接，即一根同轴线的铜芯与鼓励相连，外层屏蔽层与地衔接，而另一同轴线的铜芯与地相连，外 层屏蔽层与鼓励衔接，方式如图2所示。一起经过预留的串联和并联匹配的方位进行阻抗匹配，使得天线阻抗在50 Ω左右，驻波在作业频带内1．2。

下面临影响天线首要性能的要害尺度进行剖析和阐明。天线的要害尺度有以下4项：

(1)抱杆与单极振子的间隔：对增益影响不大，只要零点几dB的影响。而对前后辐射比和输入阻抗有较大影响，间隔不同后瓣的增益显着不同，然后前后比呈现 很大间隔。反射器上电流电压的起伏和相位与间隔有关。由于间隔不同则电磁波走过的空间隔离也不同，则构成不同的相位差。恰当组织反射器与单极振子的间隔可 使反射器和有源振子发生的电磁场在反射器后方彼此抵消，而在有源振子的前方上相加，然后起到按捺后瓣增强增益的作用。从仿真成果可看出间隔较小可有用按捺 后向辐射，但输入阻抗较低，难与同轴馈线进行杰出匹配；

(2)单极振子的臂宽：经过仿真可知跟着单极振子臂宽的添加，增益随之增大。Smith圆图上阻抗点方位随臂宽的添加，沿着等电阻圆逆时针从理性阻抗区域 向容性阻抗区移动，由于振子面积的增大使容性逐步添加。振子的粗细还会影响振子的最佳长度，由于电波在金属中跋涉的速度与真空中不尽相同，实践制造长度都 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，所以此刻单极振子呈容性，使天线的容性添加。在Smith圆图上使阻抗点逐步向容性阻抗区移动，对整个天线的阻抗特性形成一定影 响。且振子臂宽约大，天线的Q值就越低，带宽愈大；

(3)组阵单元的间隔：单元间隔对增益和阻抗影响较大。从表1的仿真数据可看出跟着间隔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笔直的方向即为侧射阵。而阵列间隔d有约束条件(为主波束的指向)
dλ／1+|cosθ| (1)

当θ=π／2即侧射阵时应有dλ。当θ=0即端射阵时应有dλ／2跟着间隔的减小，天线从侧射阵逐步向端射阵过渡，旁瓣增大、主瓣变小、 能量逐步向阵列轴向方向辐射。然后导致天线增益下降。经过仿真还可知，跟着间隔的增大，阻抗点在Smith圆图上沿等电导圆顺时针移动，且电阻逐步增大；

(4)引向器的长度：引向器上感应电流的起伏与相位取决于其自身的自阻抗和与有源振子间的互阻抗。互阻抗随振子长度改动不显着。而自阻抗首要取决于振子本 身的长度。当导体的长度略善于λ／4的整数倍时成电理性，略短于λ／4整数倍时成电容性。在表2的仿真数据中，榜首引向器长度在12．6～13．2 mm时为电理性，为13．4 mm时呈电容性。第二引向器呈容性。所以经过改动两引向器的长度可改动其各自阻抗的性质，使其一起影响天线的阻抗。从仿真数据可看出，第二引向器长度的大 小比起榜首引向器在按捺后向辐射方面有更明显的影响。第二引向器的长度较短时，后向辐射较小，由于此刻使引向器和单极振子在主方向上发生电磁场相加，然后 起到增强增益按捺后瓣的作用。

2 优化后的仿真成果及剖析
经过仿真优化得到各部分的最优尺度为：单极振子为94 mm，榜首引向器为130 mm，第二引向器为140 mm；榜首引向器与单极振子间隔为40 mm，第二引向器与单极振子间隔为104 mm，组阵单元的间隔为360 mm，抱杆与单极振子的间隔为90mm。并联25 pF%&&&&&%进行阻抗匹配，使天线阻抗在50 Ω左右。经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，阻抗得到杰出匹配约为50 Ω，仿真成果如图3~图6所示。

3 实测成果