基于領(lǐng)帶結Sierpinski分形結構的RFID標簽

1 引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是興起于上世紀90年代的一項自動(dòng)識別技術(shù)。該技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行雙向通信，并在一定工作距離內達到識別目標與數據交換的目的。同其他的磁卡、IC卡等識別技術(shù)相比，射頻識別技術(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(chēng)之為第三代的自動(dòng)識別技術(shù)。

從系統的工作頻率上，RFID系統可以劃分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波等頻段。其中，低頻與高頻的RFID系統已廣泛應用于門(mén)鎖、智能卡、圖書(shū)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，由于其閱讀距離更遠、讀取速度更快、并具有多目標快速識別等優(yōu)勢，已受到更加廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，隨著(zhù)超高頻RFID技術(shù)在眾多場(chǎng)合--物流和供應管理、生產(chǎn)制造和裝配、行李／郵包追蹤、圖書(shū)管理、身份證識別、運動(dòng)計時(shí)、門(mén)禁系統、高速公路自動(dòng)收費等的成功試點(diǎn)，已顯示其廣闊的應用前景。

一個(gè)射頻識別系統由兩部分組成：讀寫(xiě)器和電子標簽。其中天線(xiàn)在讀寫(xiě)器和電子標簽中都擔當了重要的角色。他被用來(lái)發(fā)射和接收信號，并擔負著(zhù)向電子標簽芯片中耦合能量的重要任務(wù)。所以，電子標簽天線(xiàn)設計的好壞直接影響了電子標簽的識別距離，并決定了整個(gè)系統的識別率。而對于電子標簽天線(xiàn)方面的研究，卻很少見(jiàn)諸報導。RFID系統中，由于電子標簽需要附著(zhù)在被識別和物體上，作為被識別物體的身份象征，并由于被識別物體的多樣性，因而，人們對電子標簽的天線(xiàn)提出了很高的要求，主要體現在電子標簽的寬頻帶范圍更廣、天線(xiàn)的體積更小、便于安裝和攜帶，同時(shí)也要求天線(xiàn)具有很高的效率。天線(xiàn)的設計很大程度上依賴(lài)于天線(xiàn)的工作頻率，然而也有許多類(lèi)型的天線(xiàn)具有很寬的工作帶寬，如螺旋天線(xiàn)、對數周期天線(xiàn)、喇叭天線(xiàn)等，這些天線(xiàn)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(xiàn)工作頻率的對應關(guān)系對天線(xiàn)的設計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SierpinskiGasket分形結構的標簽天線(xiàn)，并對不同分形維數的標簽天線(xiàn)分別比較了其諧振頻率、S11等特性，從中選出了適合于RFID系統所使用的標簽天線(xiàn)，并分析了其端口特性與分形自相似結構間的對應關(guān)系。

文中將Sierpinski分形天線(xiàn)與領(lǐng)帶結天線(xiàn)相結合，提出了一種領(lǐng)帶結型的Sierpinski分形電子標簽天線(xiàn)，從仿真結果可看出，由于分形結構的自相似性，高階結構的Si-erpinski領(lǐng)帶結型天線(xiàn)顯示了多頻段的工作特性。同時(shí)，由于其結構簡(jiǎn)單而且適合于印刷加工，因而這種天線(xiàn)形式特別適合于作為RFID系統中的電子標簽天線(xiàn)。

2 Sierpinski分形天線(xiàn)特性

Sierpinski三角形分形結構是從一個(gè)等邊三角形中反復依次去掉一個(gè)反向的等邊三角形構造出來(lái)的，如圖1所示，Sierpinski三角形分形結構的分形維數為：

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

3領(lǐng)帶結Sierpinski分形標簽天線(xiàn)結構

根據圖2中的Sierpinski分形結構，本文提出了如圖2所示的領(lǐng)帶結Sierpinski標簽天線(xiàn)結構。

4領(lǐng)帶結Sierpinski分形標簽天線(xiàn)分析

根據圖2中的分形結構，在εr=2.2，h0=1 mm的介質(zhì)基板上刻一個(gè)以?xún)蓚€(gè)等邊三角形的Sierpinski Gasket的分形結構為基礎的領(lǐng)帶結天線(xiàn)，饋電點(diǎn)位置設為圖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Sierpinski標簽天線(xiàn)的諧振頻率為915 MHz，用HFSS方法對圖2中各階天線(xiàn)進(jìn)行仿真，結果如圖3所示，天線(xiàn)參數見(jiàn)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(xiàn)，隨著(zhù)分形階數的上升，他將出現多頻帶特性。一階分形結構中，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，標簽天線(xiàn)的方向圖和增益都沒(méi)有太大的變化，仍然保持著(zhù)較好的性能，不僅可以滿(mǎn)足標簽多頻段的要求，而且對生產(chǎn)成本的縮減也是非常有意義的。

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

5結 語(yǔ)

基于領(lǐng)帶結Sierpinski Gasket分形結構的標簽天線(xiàn)由于具有內部空白區間的擴充性，隨著(zhù)階數的增加，在保證多頻段特性的同時(shí)，有效地保持了天線(xiàn)的增益和效率不急劇下降。利用此分形結構的標簽天線(xiàn)，可以實(shí)現多頻段高效率的RFID標簽天線(xiàn)，有利于生產(chǎn)規?；cRFID的普及。