Hilbert分形結構在RFID標簽天線(xiàn)中的應用

現代社會(huì )產(chǎn)品越來(lái)越豐富，數據管理需求也越來(lái)越高，人們需要將多種多樣處于生產(chǎn)、銷(xiāo)售、流通過(guò)程中的物品進(jìn)行標識、管理和定位。采用傳統的條形碼進(jìn)行物品標識將會(huì )帶來(lái)一系列的不便：無(wú)法進(jìn)行較遠距離的識別，需要人工干預、許多物品無(wú)法標識等等。相反，由于射頻識別fRFID1系統采用具有穿透性的電磁波進(jìn)行識別，所以可以進(jìn)行較遠距離的識別，無(wú)須人工干預，可以標識多種多樣的物品。

　　射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)。它是由電子標簽（Tag/TranspONder）、讀寫(xiě)器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無(wú)線(xiàn)通信系統。射頻識別中的標簽是射頻識別標簽芯片和標簽天線(xiàn)的結合體。標簽根據其工作模式不同而分為主動(dòng)標簽和被動(dòng)標簽。主動(dòng)標簽自身攜帶電池為其提供讀寫(xiě)器通信所需的能量：被動(dòng)標簽則采用感應耦合或反向散射工作模式，即通過(guò)標簽天線(xiàn)從讀寫(xiě)器中發(fā)出的電磁場(chǎng)或者電磁波獲得能量激活芯片，并調節射頻識別標簽芯片與標簽天線(xiàn)的匹配程度，將儲存在標簽芯片中的信息反饋給讀寫(xiě)器。因此。射頻識別標簽天線(xiàn)的阻抗必須與標簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫(xiě)器所發(fā)出的電磁能量。此外，標簽天線(xiàn)設計時(shí)還必須考慮電子標簽所應用的場(chǎng)合，如應用在金屬物體表面的標簽天線(xiàn)和應用在普通物體表面的標簽天線(xiàn)在天線(xiàn)的結構和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標簽天線(xiàn)是射頻識別在我國得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　本文分析了一維和二維Hilbert分形結構的RFID標簽天線(xiàn)，并對兩種分形標簽天線(xiàn)分別比較了其長(cháng)度、諧振頻率、反射系數及方向圖隨分形階數的變化關(guān)系。 仿真結果表明，一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)在尺寸縮減的同時(shí)，具有較高的天線(xiàn)效率，適合于RFID標簽應用。

　　1 Hilbert分形天線(xiàn)的幾何描述

　　0至4 階的Hilbert分形結構如圖1 所示。 Hil2bert天線(xiàn)是1 /3等邊分形天線(xiàn)， 0階Hilbert天線(xiàn)各邊長(cháng)均為h. n階Hilbert天線(xiàn)總長(cháng)度為

由圖1可見(jiàn)， Hilbert天線(xiàn)輪廓的總面積保持不變，為h2. 隨著(zhù)Hilbert分形迭代階數的增加， Hilbert曲線(xiàn)的長(cháng)度呈指數上升，趨近于無(wú)窮大，逐漸填充整個(gè)輪廓，此，Hilbert分形天線(xiàn)具有空間填充特性。

　　圖1　0～4階Hilbert分形結構

　　2 二維Hilbert分形標簽天線(xiàn)分析

　　根據圖1中的Hilbert分形結構，文中提出了如圖2所示的二維Hilbert標簽天線(xiàn)結構。 本文取Hil2bert標簽天線(xiàn)外部等邊長(cháng)h = 54mm, 0階Hilbert標簽天線(xiàn)諧振頻率為915MHz. 用矩量法對0~2階的二維Hilbert標簽天線(xiàn)進(jìn)行仿真，結果如圖3, 4 所圖3 二維Hilbert分形標簽天線(xiàn)的方向圖仿真結果

圖2　二維Hilbert分形標簽天線(xiàn)結構

圖3　二維Hilbert分形標簽天線(xiàn)的方向圖仿真結果

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

　　雖然Hilbert分形結構有效地減小了天線(xiàn)的電長(cháng)度，然而隨著(zhù)分形階數的增加，二維Hilbert標簽天線(xiàn)的增益和效率急劇下降， 2階二維Hilbert標簽天線(xiàn)的效率僅為8. 83%. 這表明二維Hilbert分形結構對標簽天線(xiàn)的尺寸縮減是以降低天線(xiàn)增益和天線(xiàn)效率為代價(jià)的，不能滿(mǎn)足RFID標簽天線(xiàn)設計的需要。

　　圖4　二維Hilbert分形標簽天線(xiàn)的S11曲線(xiàn)

表1　二維Hilbert分形標簽天線(xiàn)參數