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电小天线理论仿真-单极子天线2
天线的形式很多。为了便于讨论，可根据不同情况分类。 
1.  按工作性质分类：可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。 
2.  按用途分类 ：有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。 
3.  按天线特性分类 
■ 从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。 
■ 从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。 
■ 从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。 
4.  按天线上电流分布分类：有行波天线、驻波天线。 
5.  按使用波段分类：有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。 
6.  按载体分：有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。 
7.  按天线外形分类：有鞭状天线、T形天线、Γ形天线、V形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。 另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。
                                                                           ——天线原理与设计-王建(凑字数用)
电小天线-学习参考资料1，提取码：qa0d

	

天线的形式很多。为了便于讨论，可根据不同情况分类。 
1.  按工作性质分类：可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。 
2.  按用途分类 ：有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。 
3.  按天线特性分类 
■ 从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。 
■ 从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。 
■ 从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。 
4.  按天线上电流分布分类：有行波天线、驻波天线。 
5.  按使用波段分类：有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。 
6.  按载体分：有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。 
7.  按天线外形分类：有鞭状天线、T形天线、Γ形天线、V形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。 另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。
                                                                               ——天线原理与设计-王建（凑字数用）
（干货）盘锥天线的原理及设计方法​baijiahao.baidu.com
电小天线-学习参考资料1​pan.baidu.com
提取码：qa0d 

	

本文转自合薪科技网站http://www.gz-hexin.com/service/rfidknow/rfid-know20.html
       RFID读写器的天线也是影响识读率的重要因素。按能量模式划分，RFID
读写器的天线可以有线极化和圆极化两种，它们的原理如下图所示：线极化(左),圆极化(右)
1、线极化天线
线极化天线的读写器天线发出的电磁波是线性的，其电磁场具有较强的
方向性，具有以下特点:A.  无线射频能量以线性的方式从天线发射；B. 线性波束具有单方向的电磁场，相对圆极化天线而言电磁场较强，但范围较窄长;C. 相对圆极化天线单方向识读距离较长，但由于方向性很强，因而识读
宽度较窄;D. 适应于行进方向确定的标签(标识对象)。当RFID标签与读写器天线平行时，线极化天线有较好的识读率，因此，
线极化天线一般用于标识对象行进方向已知的标签识读，如托盘。由于天线
电磁波波束局限于读写器天线平面尺寸内较窄的范围，能量相对集中，可以
穿透密度较大的材料，所以，对密度较高的材料有较好的穿透力，适用于较
高密度的标识对象，如面粉、打印纸等。线极化天线实际上是牺牲了识读范围的宽泛度，换来了标签敏感性强度
和单向识读距离的长度，因此，使用时必须使标签与读写器天线实体平面平行，才能有良好的识读效果，如果标签平面与读写器天线实体平面垂直，则
将完全读不到标签数据。2、圆极化天线
圆极化天线的电磁场发射为螺旋式的波束，具有以下特点：A.  天线射频能量以圆形螺旋式天线发射；B.  圆形螺旋式波束具有多方向电磁场，电磁场范围较宽泛，但相对线极
化天线而言强度较小；C.  识读空间宽，但相对于线极化天线而言单方向标签灵敏度较小且识读
距离较短；D. 适用于行进方向不确定的标签(标识对象)。圆极化天线的圆形电磁波束能够同时向各个方向发送。当遇到障碍时，
圆极化天线的电磁波束具有较强的弹性和绕行能力，增大了标签从各个方向
进入天线的识读几率，因而对标签的粘贴与行进方向的要求相对宽容；但是
圆形波束的宽泛也带来了电磁波强度的相对降低，使标签只能享受某一个方
向的一部分电磁波能量，而使识读距离相对变短。可以说圆极化天线是以牺
牲识读距离为代价，换来了识读范围的宽泛。圆极化天线适应于标签(标识
对象)行进方向未知的场合，如配送中心的货物缓存区等。 3、RFID读写器天线的数量和重量
使用固定式读写器，要考虑所需天线的数量和重量。固定式读写器又内置天线，或者可以通过接口连接多个天线。有内置天线的固定式读写器和外
接天线的读写器的应用相同，各有各的优缺点。 内置天线的固定式读写器安装比较简单，只需要固定好读写器，连接上
电源线即可。其另外一个优点是，因为读写器与天线的连接足够短，不会因
电缆线的长度影响能量传输和读写器的型号强度。而外置天线读写器的优点是覆盖更大的识读面积，在相同面积之下，要想达到相同的识读率，使用内置天线的固定式读写器显然要比使用外置天线
的读写器所需要的数目多。市面上有些读写器虽然只有一个内置天线，但大部分的读写器可以支持扩展到两个、四个设置八个天线。有的还可以通过多路器连接更多的天线，理论上一个读写器可以通过多路器最多连接255个天线，但天线数目过多，能量衰减和数据处理就可能成为应用的瓶颈。将天线放置在识读区域的上、下、左、右四面，形成一个通道，克服了
线极化天线的识读局限，将极大地提高标签的各个方向的识读概率。增加读写器天线的数量可以直接提高识读率，但是读写器天线数量的增加也会提高
读写器的单位成本，价格往往也是用户最为关心的问题。此外，购买读写器时还需要考虑以下几个问题： A.  购买的读写器是否满足今后(比如18个月以后)的应用需求？B.  读写器采集什么样的数据？C.  供应链上的其它企业将采用什么样的读写器？D. 供应链使用的RFID标签采用什么样的标准？

目前，在无线通信和军事通信中，如：山区公路通信、铁路隧道通信，常常需要一种体积小、重量轻、方向性强的圆极化天线，螺旋天线因能满足这些要求而受到重视，并在这个领域发挥了重要的作用。
本文设计基于有限元方法，利用此方法对所设计的螺旋天线进行了仿真、优化设计，得出了一系列有用的数据，并依据设计结果制作天线。通过对天线进行适当的调试和测试，结果表明，在相同条件下，螺旋天线性能优于现有天线，是一种具有广泛应用前景的UHF天线。
2 基本理论
2.1 有限元法
有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。他是20世纪50年代首先在连续体力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
有限元是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值方法，他是将考察的连续场分割为有限个单元，再用比较简单的函数表示每个单元的解，但并不要求每个单元的试探解都满足边界条件，边界条件并不进入有限元的关系式中，所以对内部和边界都可以采用同样的函数，边界条件只在集合体的方程中引入，其过程比较简单，只需要考虑强迫边界条件。有限元的优点可以总结为：最终求解的线性代数方程组一般为正定的稀疏系数矩阵;特别适合处理具有复杂几何形状物体和边界的问题;便于处理有多种介质和非均匀连续媒质问题;便于计算机上实现，可以做成标准化的软件包。
2.2 螺旋天线特性
2.2.1 一般螺旋天线
螺旋是一种基本的三维几何形式，结合了直线、圆以及柱体等几何形式。将金属导线绕制成一定尺寸的圆柱形螺旋线，其一端处于自由状态，另一端用同轴线内导体馈电，馈电端的金属接地板与同轴线的外导体相连，构成一个圆柱螺旋天线，其结构如图1所示。
图中，D为螺旋直径，a为螺距角，S为螺距，N为圈数，L为螺旋轴向长度，l为螺旋一匝的长度。显然，s=πDtan a，L=NS。根据螺旋线上不同的电流分布，圆柱螺旋天线的辐射状态又可以分为法向、轴向和圆锥形3种辐射状态。其中，轴向辐射状态是指在螺旋天线的轴向有最强的辐射，他具有以下的特点：沿天线轴线方向有最强的辐射，即当D=(0.25～0.46)λ时，即螺旋的圈长在一个波长左右的时候，轴线方向的辐射最大;辐射场是圆极化场;沿螺旋导线传播的电流波是行波，输入阻抗近似地等于纯电阻;频带较宽。基于这些特点，其在宽频带的定向天线中得到了广泛的应用。在这里，根据设计要求(f：800～900 MHz;增益：13 dB;前后比：14 dB;VSWR：不大于1.5)，我们采用轴向模螺旋天线，下面着重讨论此种天线。
2.2.2 轴向螺旋天线
螺旋天线工作在轴向模式时，其辐射的情形如端射天线，沿着螺旋天线本身的轴辐射出去。此模式发生在天线的圆周长大约为一个波长的时候。如图2所示。
轴向模螺旋天线可以提供到15 dB左右的稳定增益和圆极化，所以普遍应用在超高频上(UHF)。
当螺旋天线的圈数很少时，天线在3λ/4≤C≤4λ/3的频率范围内表现很好，可提供的带宽比由下式为1.78，且在较长的螺旋天线时，工作频率，f要低于4λ/3。
轴向模螺旋天线的周长约为差1波长，所以任意两相对的端点约为1/2波长，当一个线圈的电流在螺旋天线(如图3所示)，原来右端的电流应该向上，因为距离差1/2波长，使得电流相位偏移了180°，在右端的电流因而与左端的电流同相，一起向下，加上任意两个对端的电流相位相同并且电流大小相等又在同一圆轴上，所以产生圆极化。
从以上的叙述了解到，单一线圈可产生圆极化，当天线为多线圈时，每一圈的电流都为同相，如图3所示，其辐射场将沿着天线的轴方向加强辐射，如同阵列天线。
这里给出了一些半经验公式：
(1) 方向增益
相对于各向同性圆极化电源时的增益值，在估算时忽略了副瓣的影响，因而较实测值略大，但通常不会超过1～2 dB。
(2) 波瓣宽度
半功率波瓣宽度和零功率波瓣宽度分别为：
3 数值计算与测试结果分析
3.1 数值优化与仿真
有限元方法的建模过程分为以下几个步骤(如图4所示)：
(1) 区域离散
在任何有限元分析中，区域离散是第一步，也是最重要的一步，因为区域离散的方式将影响计算机内存的需求、计算时间和数值结果的精确度。
(2) 插值函数的选择
在每一个离散单元的结点上的值是我们要求的未知量，在其内部其他点上的值是依靠结点值对其进行插值。
(3) 方程组的建立
对Maxwell方程利用变分方法建立误差泛函，对于问题已经离散化为很多个子域的组合，可以首先在每个单元内建立泛函对应的小的线性表达式，其次将其填充到全域矩阵中的相应位置，最后应用边界条件来得到矩阵方程的最终形式。
(4) 方程组的求解
方程组的求解是有限元分析的最后一步，最终的方程组是下列两种形式之一：
方程式(1)是确定型的，他是从非齐次微分方程或非齐次边界条件或从他们两者兼有的问题中导出的。在电磁学中确定性方程组通常与散射、辐射以及其他存在源或激励的确定性问题有关。而方程(2)是本征值型的，他是从齐次微分方程和齐次边界条件导出的。本征值方程组通常与诸如波导中波传输和腔体中的谐振等无源问题有关。在这种情形下，己知向量{f}为零，矩阵[L]可以写成[A]-λ[B]的形式，这里的λ表示未知的本征值。
经过数值计算，得到满足性能指标的螺旋天线，其天线仿真模型如图5所示，并且得到其在中心频率850 MHz的方向图(图6)，从图中可以看出其增益为15 dB，其他数据如表1所示。
3.2 测试结果与仿真结果分析
根据仿真结果，对天线进行加工设计，并进行适当的调试，得到如下的测试结果：
从表1可以看出，仿真结果和测试结果取得了较好的一致，由于在仿真时是一种理想化的设计情况，所以实际测试结果比仿真略低一些，但已完全满足设计指标要求。
4 结语
文章根据圆柱螺旋天线的一些辐射特性，结合有限元方法对轴向模螺旋天线进行了优化和仿真设计，成功设计了一副工作在800～900 MHz频段上的小型化天线。对UHF天线小型化的设计具有一定的现实指导意义，非常适合工程上的需要，并且提高了法向模螺旋天线在现代无线移动通信中的实用价值。