姜 宇，孫岳忠，楊 帆

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱150001)

射頻識(shí)別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙工通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)識(shí)別目標(biāo)并相互傳遞信息的技術(shù).RFID技術(shù)相比傳統(tǒng)的識(shí)別技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，比如:可以實(shí)現(xiàn)定向的遠(yuǎn)距離讀寫信息，而無(wú)需可視目標(biāo);工作不受環(huán)境惡劣的影響;可以同時(shí)與多目標(biāo)進(jìn)行通信;存儲(chǔ)容量大;可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行空間定位等等.近年來(lái)，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后，信息技術(shù)領(lǐng)域里的又一場(chǎng)技術(shù)革命［1－2］.配合逐漸興起的云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，RFID已成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一［3］.目前，我國(guó)在超高頻和微波頻段的RFID設(shè)備還主要依賴進(jìn)口，實(shí)力還相對(duì)弱，在我國(guó)最新頒布的“十二五”規(guī)劃中，微波段的RFID技術(shù)被明確為國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，國(guó)家將在相關(guān)領(lǐng)域里追加大量投資.因此今后幾年，RFID技術(shù)在我國(guó)將有很大的發(fā)展和應(yīng)用前景.

當(dāng)前的RFID系統(tǒng)主要應(yīng)用在LF、HF(13.56MH)z、UHF和微波頻段.天線的原理和設(shè)計(jì)在各個(gè)波段上有著較大的不同.實(shí)質(zhì)上，由于RFID技術(shù)在低頻段中，電磁波的傳播的方式與高頻段明顯不同，天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要還是集中在微波頻段中［4－5］.本文主要針對(duì)微波頻段的RFID天線的設(shè)計(jì).近年來(lái)對(duì)于RFID天線的設(shè)計(jì)和研究開始多了起來(lái)，對(duì)于RFID天線性能提高與改進(jìn)的需要愈加強(qiáng)烈.同時(shí)這類研究對(duì)于RFD系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用也具有較高的理論意義和實(shí)用價(jià)值.

本文將分形理論中的Vicsek結(jié)構(gòu)引入到RFID天線的設(shè)計(jì)中，提出了一種改進(jìn)型的Vicsek雙頻分形微帶天線，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化設(shè)計(jì)并得到了良好天線指標(biāo)，符合RFID系統(tǒng)天線的要求.

1 分形天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 分形原理

1975年，Mandelbrot首次提出了分形理論，其原意本來(lái)是指不規(guī)則的、互相分離的物體.在其出版的《自然界的分形幾何》中，首次將分形的概念公之于眾，進(jìn)而傳遍全球.分形理論簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，是指具有某種特定類型的，自相似性的圖形或結(jié)構(gòu).自相似性是指局部與整體相似，局部中又有與之相似的單元，每一細(xì)化的單元中包含的細(xì)節(jié)已經(jīng)可以涵蓋整體的全部細(xì)節(jié).這種經(jīng)過(guò)不斷重復(fù)剖分的無(wú)窮嵌套，形成了奇妙的分形圖案，它不但遵從嚴(yán)格的幾何相似性，而且包含通過(guò)大量的概率統(tǒng)計(jì)而得到的自相似性［6］.分形理論的特點(diǎn)就是無(wú)限的自相似性［7］.

分型理論中的維數(shù)是指，假設(shè)一個(gè)分形結(jié)構(gòu)由n個(gè)相似的單元的組成，那么其中每一個(gè)小單元都是整體的1/m，則分形維數(shù)定義為［8］.

D被稱作相似性維數(shù).維數(shù)可以取整數(shù)，也可以取小數(shù).維數(shù)有很多分類，如Hausdorff維數(shù)等等［9］，但是大部分的維數(shù)的分類都是基于尺度L進(jìn)行的劃分與量度，都運(yùn)用了與之相類似的方法進(jìn)行測(cè)量:既忽略尺寸小于L時(shí)細(xì)節(jié)的不規(guī)則性，并觀察當(dāng)L趨于0時(shí)，這些測(cè)量值會(huì)發(fā)生怎樣的變化［10－12］.

在多數(shù)情形下，分形天線可以用非常簡(jiǎn)單的方法定義，可以由變化的迭代來(lái)生成.由于分形結(jié)構(gòu)具有自相似的特點(diǎn)，利用分型理論這一基本特性可以大大提高天線的性能.由于他在不同的尺寸下仍然相似，從而可構(gòu)成天線的多頻段輻射特性.國(guó)內(nèi)近年來(lái)研究較多的分形模型有Minkowski結(jié)構(gòu)，Koch結(jié)構(gòu)和Sierpinski結(jié)構(gòu)［13］.本文采用 Vicsek分型結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，以滿足RFID天線小型化，寬頻帶的要求［14］.

分形天線的分析方法有很多，應(yīng)用最廣泛的是矩量法，但是計(jì)算量較大.隨著計(jì)算電磁學(xué)的迅猛發(fā)展，F(xiàn)DTD和有限積分法在天線數(shù)值計(jì)算方面也得到了較多的應(yīng)用.現(xiàn)在大多數(shù)情況下，一般對(duì)于分形天線都采用比較成熟的商業(yè)軟件進(jìn)行仿真.本文仿真軟件采用CST MWS(CST微波工作室CST Microwave Studio).CST MWS是成立于德國(guó)的CST公司開發(fā)的一款電磁場(chǎng)仿真軟件.廣泛的用于仿真天線、RCS、濾波器、諧振腔、EMC等領(lǐng)域中.

1.2 Vicsek分形結(jié)構(gòu)

匈牙利的Vicsek提出了一種分形方法，將一個(gè)正方形分成九個(gè)相同的小正方形，去掉四角上的四個(gè)小正方形，而保留剩余的部分.無(wú)限重復(fù)上面的步驟，得到圖1(A)所示的圖形.類似的，將一個(gè)正方形九等分后，只保留四個(gè)角的上小正方形，其余的去掉，這樣得到的結(jié)構(gòu)如圖1(B)所示.這兩種結(jié)構(gòu)都被稱為Vicsek結(jié)構(gòu).

圖1 兩種形式的Vicsek分形結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的分型結(jié)構(gòu)應(yīng)用在天線中，天線的性能，例如回波損耗帶寬等在仿真中總是與理想中有所差距.為了提高天線的性能，本文對(duì)Vicsek結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，選取圖1(A)的形式，將原先周圍四個(gè)正方形跟中間的相連的形式，變形為圖2(A)所示的結(jié)構(gòu)，將中間的部分變大，進(jìn)一步得到2(B)所示的改進(jìn)型Vicsek分形結(jié)構(gòu).

圖2 改進(jìn)型Vicsek分形結(jié)構(gòu)

要求設(shè)計(jì)的天線的兩個(gè)頻段中心頻率分別為900 MHz和2.45 GHz.當(dāng)正方形寬度為50 mm左右、中間方塊寬度為30 mm左右時(shí)，改進(jìn)型Vicsek天線容易在兩個(gè)設(shè)定的工作頻率附近實(shí)現(xiàn)諧振.饋電方式采用背饋式.圖3為改進(jìn)型Vicsek天線在CST中的模型圖.

圖3 改進(jìn)型Vicsek天線在CST中的模型圖

2 仿真結(jié)果分析

2.1 天線與阻抗圖

CST是基于有限積分法的，仿真的時(shí)候需要進(jìn)行網(wǎng)格剖分.對(duì)圖3的Vicsek分形天線，將采取系統(tǒng)的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分.在高頻段由于波長(zhǎng)相對(duì)較短，網(wǎng)格需要?jiǎng)澐值暮芗?xì)，若采取掃頻仿真的方式，計(jì)算量會(huì)很大.因此本文采取折中的辦法，只在工作的兩個(gè)中心頻點(diǎn)附近進(jìn)行仿真，低頻段的掃頻間隔設(shè)定的稍短，高頻段的則長(zhǎng)一些.仿真得到的兩個(gè)中心頻點(diǎn)的S11，如圖4、5所示.

觀察Vicsek分形天線的S11圖和阻抗圖，可以得出:天線在兩個(gè)頻段內(nèi)有諧振點(diǎn)，工作的中心諧振頻率分別為f1=0.9 GHz，f2=2.5 GHz;在兩個(gè)頻帶的10 dB回波損耗分別達(dá)到20、190 MHz.較傳統(tǒng)分形天線的性能有了一定的提高.

2.2 天線輻射場(chǎng)方向圖與駐波比

在915 MHz與2.45 GHz兩個(gè)頻率對(duì)其天線輻射場(chǎng)方向圖仿真，圖6以及圖7即為仿真結(jié)果.低頻915 MHz天線H面輻射狀態(tài)良好，而在高頻2.45 GHz時(shí)天線性能稍有下降，基本滿足RFID系統(tǒng)天線的要求.

電壓駐波比VSWR為圖8所示.當(dāng)Vicsek分形天線中心頻率在915MHz時(shí)，VSWR的工作帶寬為11.5%.Vicsek分形天線中心頻率在2.45 GHz時(shí)，VSWR的工作帶寬為18.2%.從圖8中可以看出滿足微波段RFID系統(tǒng)的要求，相對(duì)傳統(tǒng)分形天線有了一定的提高.

圖8 仿真結(jié)果VSWR

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)微波頻段的RFID系統(tǒng)的要求，提出了一種改進(jìn)型的Vicsek分形天線.工作頻率在915 MHz和2.45 GHz，當(dāng)工作頻率915 MHz時(shí)，VSWR的工作帶寬為11.5%，當(dāng)中心頻率在2.45 GHz時(shí)，VSWR的工作帶寬為18.2%.得到了較理想的回波帶寬.滿足了RFID天線的要求.本文為今后對(duì)RFID分形天線的繼續(xù)研究打下了良好的基礎(chǔ).

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