基于Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線

    近年來,射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的研究日益受到關(guān)注,并得到迅速發(fā)展. 典型的RFID 系統(tǒng)由RFID閱讀器和標(biāo)簽兩部分組成, RFID無源標(biāo)簽依靠RFID閱讀器發(fā)射的電磁信號(hào)供電,并通過反射調(diào)制電磁信號(hào)與閱讀器通信 . 因此, RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)RFID 系統(tǒng)工作性能有較大的影響. 由于RFID標(biāo)簽小型化和附著物體表面等特點(diǎn),如何在有限空間中提高標(biāo)簽天線效率, 是RFID 技術(shù)中至關(guān)重要的課題.

    分形理論由Manderblot在1975年提出,具有分形結(jié)構(gòu)的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點(diǎn) ,應(yīng)用到天線設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)天線多頻段特性和尺寸縮減特性. 國內(nèi)外對(duì)Sierp inski單極子 、Sierp inski貼片、Koch 曲線單極子 、Koch貼片等分形結(jié)構(gòu)的天線做了大量研究工作,證實(shí)了分形結(jié)構(gòu)的天線具有良好的尺寸縮減特性,可以在有限的空間內(nèi)大幅度提高天線效率.

    本文分析了一維和二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線,并對(duì)兩種分形標(biāo)簽天線分別比較了其長度、諧振頻率、反射系數(shù)及方向圖隨分形階數(shù)的變化關(guān)系. 仿真結(jié)果表明,一維Hilbert分形標(biāo)簽天線在尺寸縮減的同時(shí),具有較高的天線效率,適合于RFID標(biāo)簽應(yīng)用.

1　Hilbert分形天線的幾何描述

    0至4 階的Hilbert分形結(jié)構(gòu)如圖1 所示. Hil2bert天線是1 /3等邊分形天線, 0階Hilbert天線各邊長均為h. n階Hilbert天線總長度為

　由圖1可見, Hilbert天線輪廓的總面積保持不變,為h2. 隨著Hilbert分形迭代階數(shù)的增加, Hilbert曲線的長度呈指數(shù)上升,趨近于無窮大,逐漸填充整個(gè)輪廓,此,Hilbert分形天線具有空間填充特性.



圖1　0～4階Hilbert分形結(jié)構(gòu)

2　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線分析

    根據(jù)圖1中的Hilbert分形結(jié)構(gòu),文中提出了如圖2所示的二維Hilbert標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu). 本文取Hil2bert標(biāo)簽天線外部等邊長h = 54mm, 0階Hilbert標(biāo)簽天線諧振頻率為915MHz. 用矩量法對(duì)0～2階的二維Hilbert標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖3, 4 所圖3　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖仿真結(jié)果



圖2　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)



圖3　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖仿真結(jié)果

    從圖3和表1可以看出,相對(duì)于相同縱向長度的普通偶極子天線,隨著分形階數(shù)的增加, 0～2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的方向圖基本保持不變,但諧振頻率逐漸減小: 2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的諧振頻率約為410MHz,若要保持諧振頻率為915MHz,則2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的等邊長度約為0. 46 h.

　 雖然Hilbert分形結(jié)構(gòu)有效地減小了天線的電長度,然而隨著分形階數(shù)的增加,二維Hilbert標(biāo)簽天線的增益和效率急劇下降, 2階二維Hilbert標(biāo)簽天線的效率僅為8. 83%. 這表明二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)簽天線的尺寸縮減是以降低天線增益和天線效率為代價(jià)的,不能滿足RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的需要.



圖4　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線的S11曲線


表1　二維Hilbert分形標(biāo)簽天線參數(shù)

3　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線分析

    為了提高Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線的效率,本文提出了另一種形式的Hilbert標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu),如圖5所示. 諧振頻率為915MHz的半波振子天線長度2L = 149mm. 取三等分彎折線,各彎折線段長度均為h = 2417mm,在彎折線部分采用Hilbert分形變換,彎折線天線為0階Hilbert標(biāo)簽天線.

　　用矩量法對(duì)一維Hilbert標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖6, 7所示,天線參數(shù)見表2.



圖5　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)



圖6　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖仿真結(jié)果



圖7　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的S11曲線

　　從圖6和表2可以看出,一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的方向圖基本相同,諧振頻率隨階數(shù)的增加不斷下降,但下降幅度逐漸趨緩. 2階一維Hilbert標(biāo)簽天線的諧振頻率下降到半波偶極子天線諧振頻率的49. 2%時(shí),其天線效率為62. 91% ,是2階二維Hil2bert標(biāo)簽天線效率(8. 83% )的7. 1倍. 這說明了一維Hilbert結(jié)構(gòu)的分形天線在縮減天線尺寸的同時(shí),能夠保持標(biāo)簽天線的性能不急劇下降. 經(jīng)過推算,在915MHz諧振頻率下, 2 階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線的兩臂長度約為半波振子天線長度的50% ,具有較好的尺寸縮減特性.



表2　一維Hilbert分形標(biāo)簽天線參數(shù)

4　試驗(yàn)測試

    根據(jù)前面Hilbert天線的仿真結(jié)果,制作了如圖8所示的1階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線.



圖8　1階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線

　 天線兩端的直線長度為50mm, Hilbert分形高度為20mm,饋點(diǎn)間距1mm,測得915MHz頻率處天線的等效輸入阻抗為15 + j245. 采用的標(biāo)簽IC是Atmel公司的ATA5590,芯片IC端口阻抗為12 -j217,符合RFID國際標(biāo)準(zhǔn)EPC Class1 Gen2.

    使用的閱讀器是AW ID公司的MPR23014閱讀器,支持EPC Class1 Gen2 標(biāo)準(zhǔn). 在天線輻射功率4W、中心頻率915MHz、標(biāo)簽天線面與閱讀器天線面水平的試驗(yàn)條件下,閱讀距離為5. 6m. 根據(jù)報(bào)導(dǎo),偶極子RFID 標(biāo)簽在RFID 閱讀器輸出
4W射頻功率的條件下可以達(dá)到7. 2m的識(shí)別距離.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,本文制作的RFID 標(biāo)簽天線的性能基本達(dá)到應(yīng)用的要求.

5　結(jié)論

    Hilbert分形結(jié)構(gòu)天線由于其具有空間填充特性,有利于RFID標(biāo)簽天線的小型化設(shè)計(jì). 隨著分形階數(shù)的不斷增加,與二維Hilbert標(biāo)簽天線相比,一維Hilbert標(biāo)簽天線在具備尺寸縮減特性的同時(shí),有效地保持了天線的效率不急劇下降. 運(yùn)用一維Hil2bert標(biāo)簽天線,可以實(shí)現(xiàn)諧振在915MHz的小型化高效率的RFID標(biāo)簽天線.