摘 要：基于三角形Sierpinski微帶分形貼片，提出了一種新型的小尺寸領(lǐng)帶結(jié)RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)。通過仿真，給出了該分形天線的端口特性，同時(shí)給出了該領(lǐng)帶結(jié)型Sierpinski標(biāo)簽天線的諧振頻率、方向圖以及天線效率。結(jié)果表明，采用不同維數(shù)的分形結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多頻段的工作特性，因而該天線可以很方便地應(yīng)用于RFID電子標(biāo)簽中。

關(guān)鍵詞：Sierpinski分形結(jié)構(gòu)；分形天線；射頻識(shí)別；電子標(biāo)簽

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0507402

Bow Tie Sierpinski Fractal Structure-based RFID Tag Antenna

LIU Yichang，GUAN Xinping

(Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，066004，China)

Abstract：A novel miniaturization bow tie RFID tag antenna is proposed based on the triangular Sierpinski fractal microstrip.The port characteristics of the proposed antenna are presented by simulation.At the same time，the resonance frequency，the radiation pattern and the efficiency of the Sierpinski tag antenna is given.The results of the simulation show that multiple frequency band can be obtained by varying the dimensions of the fractal structure.Hence this kind of antenna can be used into the RFID tag antenna very conveniently.

Keywords：Sierpinski fractal structure;fractal antenna;RFID;tag antenna

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)^[1]。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)^[2]。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^[3-9]。

針對這些需求，本文介紹了基于領(lǐng)帶結(jié)Sierpinski Gasket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、S11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Sierpinski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εr=2.2，h0=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l1=48 mm，l2=24 mm，l3=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。

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作者簡介

劉奕昌 男，1976年生，博士研究生。主要從事RFID技術(shù)研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>