基于領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線

1 引 言

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是興起于上世紀(jì)90年代的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)利用無線射頻方式進(jìn)行雙向通信，并在一定工作距離內(nèi)達(dá)到識(shí)別目標(biāo)與數(shù)據(jù)交換的目的。同其他的磁卡、IC卡等識(shí)別技術(shù)相比，射頻識(shí)別技術(shù)最大的優(yōu)勢在于他是以非接觸的方式進(jìn)行工作，可以稱之為第三代的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

從系統(tǒng)的工作頻率上，RFID系統(tǒng)可以劃分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波等頻段。其中，低頻與高頻的RFID系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于門鎖、智能卡、圖書館等眾多的領(lǐng)域，其技術(shù)也已相對成熟。而對于超高頻的RFID系統(tǒng)，由于其閱讀距離更遠(yuǎn)、讀取速度更快、并具有多目標(biāo)快速識(shí)別等優(yōu)勢，已受到更加廣泛的關(guān)注。近年來，隨著超高頻RFID技術(shù)在眾多場合--物流和供應(yīng)管理、生產(chǎn)制造和裝配、行李／郵包追蹤、圖書管理、身份證識(shí)別、運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、門禁系統(tǒng)、高速公路自動(dòng)收費(fèi)等的成功試點(diǎn)，已顯示其廣闊的應(yīng)用前景。

一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)由兩部分組成：讀寫器和電子標(biāo)簽。其中天線在讀寫器和電子標(biāo)簽中都擔(dān)當(dāng)了重要的角色。他被用來發(fā)射和接收信號(hào)，并擔(dān)負(fù)著向電子標(biāo)簽芯片中耦合能量的重要任務(wù)。所以，電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的好壞直接影響了電子標(biāo)簽的識(shí)別距離，并決定了整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別率。而對于電子標(biāo)簽天線方面的研究，卻很少見諸報(bào)導(dǎo)。RFID系統(tǒng)中，由于電子標(biāo)簽需要附著在被識(shí)別和物體上，作為被識(shí)別物體的身份象征，并由于被識(shí)別物體的多樣性，因而，人們對電子標(biāo)簽的天線提出了很高的要求，主要體現(xiàn)在電子標(biāo)簽的寬頻帶范圍更廣、天線的體積更小、便于安裝和攜帶，同時(shí)也要求天線具有很高的效率。天線的設(shè)計(jì)很大程度上依賴于天線的工作頻率，然而也有許多類型的天線具有很寬的工作帶寬，如螺旋天線、對數(shù)周期天線、喇叭天線等，這些天線從某種意義上講具有分形理論中所講的自相似性，分形幾何的自相似性與天線工作頻率的對應(yīng)關(guān)系對天線的設(shè)計(jì)而言具有重要的意義。

針對這些需求，本文介紹了基于領(lǐng)帶結(jié)SierpinskiGasket分形結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線，并對不同分形維數(shù)的標(biāo)簽天線分別比較了其諧振頻率、S11等特性，從中選出了適合于RFID系統(tǒng)所使用的標(biāo)簽天線，并分析了其端口特性與分形自相似結(jié)構(gòu)間的對應(yīng)關(guān)系。

文中將Sierpinski分形天線與領(lǐng)帶結(jié)天線相結(jié)合，提出了一種領(lǐng)帶結(jié)型的Sierpinski分形電子標(biāo)簽天線，從仿真結(jié)果可看出，由于分形結(jié)構(gòu)的自相似性，高階結(jié)構(gòu)的Si-erpinski領(lǐng)帶結(jié)型天線顯示了多頻段的工作特性。同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)簡單而且適合于印刷加工，因而這種天線形式特別適合于作為RFID系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽天線。

2 Sierpinski分形天線特性

Sierpinski三角形分形結(jié)構(gòu)是從一個(gè)等邊三角形中反復(fù)依次去掉一個(gè)反向的等邊三角形構(gòu)造出來的，如圖1所示，Sierpinski三角形分形結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)為：

由圖1可見，Sierpinski天線輪廓的總面積保持不變，隨著迭代階數(shù)增加，其內(nèi)部空白面積逐漸增加，因而，與文獻(xiàn)[2]中提到的Hilbert分形天線具有空間填充特性恰好相反，其內(nèi)部空白區(qū)間具有擴(kuò)充性。

3領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski分形標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2中的Sierpinski分形結(jié)構(gòu)，本文提出了如圖2所示的領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)。

4領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski分形標(biāo)簽天線分析

根據(jù)圖2中的分形結(jié)構(gòu)，在εr=2.2，h0=1 mm的介質(zhì)基板上刻一個(gè)以兩個(gè)等邊三角形的Sierpinski Gasket的分形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的領(lǐng)帶結(jié)天線，饋電點(diǎn)位置設(shè)為圖2中的o點(diǎn)。選取了尺寸l1=48 mm，l2=24 mm，l3=12 mm。此時(shí)，0階領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski標(biāo)簽天線的諧振頻率為915 MHz，用HFSS方法對圖2中各階天線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示，天線參數(shù)見表1。

從圖3和表1中可以看出：

(1)對于理想的偶極子分形天線，隨著分形階數(shù)的上升，他將出現(xiàn)多頻帶特性。一階分形結(jié)構(gòu)中，在低端產(chǎn)生了一個(gè)諧振點(diǎn)f=940 MHz，在高端也產(chǎn)生了一個(gè)諧振點(diǎn)f=3.615 MHz，且出現(xiàn)較好的效率和寬帶特性。

(2)從0～1階的變化中還可以看到，標(biāo)簽天線的方向圖和增益都沒有太大的變化，仍然保持著較好的性能，不僅可以滿足標(biāo)簽多頻段的要求，而且對生產(chǎn)成本的縮減也是非常有意義的。

(3)但是，隨著分形階數(shù)的上升，在低端，天線的增益和輻射效率呈現(xiàn)下降趨勢，這表明通過分形來獲得多頻段是以降低一部分增益和效率為代價(jià)的。

5結(jié) 語

基于領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski Gasket分形結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線由于具有內(nèi)部空白區(qū)間的擴(kuò)充性，隨著階數(shù)的增加，在保證多頻段特性的同時(shí)，有效地保持了天線的增益和效率不急劇下降。利用此分形結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽天線，可以實(shí)現(xiàn)多頻段高效率的RFID標(biāo)簽天線，有利于生產(chǎn)規(guī)?；cRFID的普及。