1 分析和选择设计方案 文中在设计12 dBi线极化天线采用单极振子组阵制作，形式新颖，是本天线最大的创新点。与微带天线组阵形式相比，具有方向性强、尺寸小、重量轻、成本低的特点。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置为0，并将馈电直接接地，另一臂垂直架设而成。单极天线长度为四分之一，可产生谐振，谐振电阻与一般传输线馈线相匹配。当长度比远小于四分之一波时，匹配和效率成为一个严重的问题，馈线段的辐射会降低整体方向图的特性。单极天线的电流和电荷分布与相应的对称振子上臂相同。但输入端电压和输入阻抗是对称振子的一半，最大辐射强度相同，但辐射场仅分布在上部空间。辐射功率和平均辐射强度是对称振子的一半，因此方向系数是对称振子的两倍。实际地面的有限电导率降低了主瓣的上翘强度，降低了辐射效率。因此，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。
本天线中单个单极天线的增长约为2 dB。在单极天线前添加引向器，以提高增益。从理论上讲，导向器之间的为0.15 λ~0．4 λ，当>0．4 λ后增益将迅速下降。引导器的长度通常为0.41 λ~O．46 λ，感应电流的相位超前有源振子π～2π或滞后0～π，因此，从激励到引导器的场大于相反方向的场，可以提高增益和方向性。感应电流小于有源振子，因为小于有源振子。增加引导器的数量可以增加增益，但随着引导器远离有源振子，其上传感应电流范围逐渐减小，相位依次滞后，慢波表面波沿轴向传播。轴向越长，导向器越多，方向越尖锐，增益越高，效果越远，但改进效果不明显，体积、重量、生产成本显著增加，工作频带越窄。考虑到上述因素，增加两个引向器以增加增益。适当调整引向器长度和单极振子间距，使波相速达到增强方向性条件，获得最大方向系数。间距为0.15 λ最低间距为0.2 λ～0．25λ高阻抗，提高效率。单元数越多，引导器的最佳长度越短。如果要得到更宽的工作频段，引导器的长度应该更短。
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天线安装在抱杆上，抱杆由金属铁制成，实际上起着反射器的作用:有效消除天线方向图的后瓣，与引导器一起增强天线对前方信号的敏感性，使其具有很强的方向性，从而提高增益。单极天线加引导器和抱杆后，主辐射方向的增益约为9 dB。为达到12 dB两个单极天线组阵用于增益。单元因子仅取决于单元的类型和方向，本天线等于坐标原点单极天线的归一方向图函数。阵因子仅取决于阵的形状、间距、激励电流的范围和相位，相当于各向同性点源阵的方向图，与实际阵位置、电流范围和相位相同。本天线采用间距等幅相同的二元阵。两个单元之间的间距>λ多瓣将出现在方向图中。
由于RFID系统阻抗为50Ω，为了达到匹配，天线可以吸收所有的射波功率，使用50Ω同轴馈电。由于同轴外屏蔽层与铜芯传导电流的方向相反，为了使两个单极天线形成相同的二元阵，两个同轴馈线反向连接，即一个同轴铜芯与激励连接，外屏蔽层与地面连接，另一个同轴铜芯与地面连接，外屏蔽层与激励连接，如图2所示。同时，通过预留的串联和并联匹配位置进行阻抗匹配，50天线阻抗 Ω驻波在工作频带内<1．2。
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以下是对影响天线主要性能的关键尺寸的分析和说明。天线的关键尺寸如下：
(1)抱杆与单极振子之间的距离:对增益影响不大，只有零点dB的影响。前后辐射比和输入阻抗影响较大，后瓣间距明显不同，前后比差距较大。反射器上电流电压的幅度、相位和间距。由于间距不同，电磁波通过的空间距离也不同，形成不同的相位差。适当安排反射器与单极振子之间的间距，可以在反射器后面抵消反射器与有源振子产生的电磁场，并在有源振子前面添加，从而抑制后瓣增益。从模拟结果可以看出，间距小可以有效抑制后辐射，但输入阻抗低，难以与同轴馈线匹配；
(2)单极振子臂宽:通过模拟可以看出，随着单极振子臂宽的增加，增益增加。Smith随着手臂宽度的增加，圆图上的阻抗点位置沿着等电阻圆逆时针从感性阻抗区移动到容性阻抗区，因为振子面积的增加逐渐增加了容性。振子的厚度也会影响振子的最佳长度，因为电波在金属中的速度不同于真空，实际生产长度应在理论值上减去缩短系数，振子越厚，振子越小。振子的理论长度为λ/4，这样最佳长度就会比较λ从电路理论可以看出，长度略短于λ/4整数倍的导体呈电容性，因此单极振子呈电容性增加了天线的容性。在Smith在圆图上，阻抗点逐渐移动到容性阻抗区，对整个天线的阻抗特性有一定的影响。而且振子臂宽度大，天线Q值越低，带宽越大；
（3）阵列单元间距：单元间距对增益和阻抗有很大影响。从表1的模拟数据可以看出，随着间距的增加，主瓣增益和后瓣增大，即天线侧射方向上的能量增加。天线波瓣的主波束指向垂直于阵列轴的方向为侧射阵。阵列间距d有限（主波束指向）
d<λ／1+|cosθ| (1)
当θ=π/2即侧射阵时应有d<λ。当θ=应有0即端射阵d<λ/2随着间距的缩小，天线逐渐从侧射阵向端射阵过渡，侧瓣增大，主瓣减小，能量逐渐向阵列轴向辐射。这导致了天线增益的减少。通过模拟也可以看出，随着间距的增加，阻抗点在Smith等电导圆顺时针沿圆图移动，电阻逐渐增大；
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(4)引导器长度:引导器上感应电流的范围和相位取决于自身的自阻抗和与有源振子的相互阻抗。随振子长度变化不明显。自阻抗主要取决于振子本身的长度。当导体长度略长于时λ/4的整数倍时成电感，略短于λ/4整数倍时成电容性。第一引向器长度为12.6~13.2 mm13.4 mm呈电容性。第二导向器呈容性。因此，通过改变两引向器的长度，可以改变其各自的阻抗性能，使其共同影响天线的阻抗。从模拟数据可以看出，第二引向器的长度比第一引向器在抑制后辐射方面有更明显的影响。当第二个引导器长度较短时，后辐射较小，因为引导器和单极振子在主方向产生电磁场，从而增强增益，抑制后瓣。
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2 优化后的模拟结果和分析
各部分的最佳尺寸为：单极振子为94 mm，第一个引导器是130 mm，第二个引向器是140 mm；第一导向器与单极振子之间的距离为40 mm，第二导向器与单极振子之间的间距为104 mm，组阵单元间距为360 mm，抱杆与单极振子的间距为90mm。并联25 pF阻抗匹配电容，50天线阻抗 Ω左右。并联25 pF阻抗匹配电容，50天线阻抗 Ω左右。模拟主辐射方向增长为12.2 dBi在840～845 MHz驻波比都在频带内<1.2良好的阻抗匹配约为50 Ω，模拟结果如图3~图6所示。
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3 实测结果
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4 结束语
文章设计了一种新颖的12形式 dBi线极化天线。工作频带内实测驻波比<1．2，阻抗为50 Ω，阻抗匹配得很好。实际增益可以通过对比法(与标准天线对比)获得。>12 dBi。
