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(shí)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(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(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。考慮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(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)：