基于Hilbert分形結構的電子標簽天線(xiàn)設計研究

從表1可以看到，高頻點(diǎn)與低頻點(diǎn)的比值也約為1.85，保持恒定，可說(shuō)明天線(xiàn)諧振點(diǎn)的分布也不是由基板厚度決定而是由天線(xiàn)的結構決定的。

3.3 外圍封裝材料對天線(xiàn)的影響

當標簽天線(xiàn)設計之后，在實(shí)際應用中，需要將電子標簽封裝起來(lái)使用。這樣，封裝材料的介電常數和厚度也會(huì )對天線(xiàn)性能產(chǎn)生一定的影響。有關(guān)這種影響的定量分析，可采用與以上分析類(lèi)似的方法建模仿真并通過(guò)實(shí)測檢驗。

4 實(shí)際應用

本文根據Hilbert分形的原理設計了如圖2所示的電子標簽，第一諧振頻率為0.93 GHz，但是未考慮基板材料的影響。這樣，將天線(xiàn)蝕刻在相對介電常數為4.4，厚度為0.2 mm的FR4材料上，用遠望谷公司的XCRF-804閱讀器讀得距離約0.5 m左右(功率20 dBm)。鑒于此將天線(xiàn)結構進(jìn)行改進(jìn)，如圖10(b)所示。

這里，基板采用相對介電常數為4.4，厚度為0.2 mm的FR4-epoxy，從圖10可以看到，由于外界材料的影響，天線(xiàn)的尺寸逐漸減小。

從圖11可以看到，天線(xiàn)在諧振頻率0.915 GHz處的S11=-214.71 dB，而且具有較好的帶寬，駐波比為1.12，天線(xiàn)的輻射方向圖依然具有普通偶極子的低方向性。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，在20 dBm的功率條件下，閱讀距離可以達到4 m左右，與仿真不帶介質(zhì)基板的天線(xiàn)相比，閱讀距離有了很大提高，但是如果進(jìn)行包裝測試，則效果又會(huì )很差，這樣，就必須進(jìn)一步修改天線(xiàn)的尺寸。這里，基板的采用相對介電常數為4.4，厚度為0.2 mm的FR4-epoxy，實(shí)際中的封裝材料為T(mén)PU，這里采用相對介電常數為4的Polyimidequartz近似。天線(xiàn)上表面的厚度為1 mm，下表面的厚度為0.7 mm，如圖10(c)所示模型。仿真結果如圖12所示。

從圖12可以看到，反射系數為S11=-31.41 dB,，帶寬有了更進(jìn)一步提高。駐波比在諧振頻率處為1.06，可以看到，在諧振頻率915 MHz處，標簽天線(xiàn)和標簽芯片實(shí)現了較好的共軛匹配，而且方向圖幾乎沒(méi)有變化。

從上面的仿真結果可以看出，盡管電子標簽的阻抗匹配，帶寬和輻射方向都很好，但是從仿真結果可以發(fā)現，天線(xiàn)的增益很小約-4 dB，所以，在要求較高的條件下使用時(shí)，還必須對天線(xiàn)進(jìn)行修改，以提高天線(xiàn)的增益。

5 結語(yǔ)

在電子標簽設計中，綜合考慮基板材料、封裝材料對天線(xiàn)的影響是必要的。在仿真中考慮這些因素，可以減少在實(shí)際調試中對天線(xiàn)結構的修改。

經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)際測試，發(fā)現介質(zhì)基板，封裝材料的相對介電常數和材料的厚度對天線(xiàn)諧振頻率點(diǎn)都有較大影響。即諧振頻率點(diǎn)隨著(zhù)介電常數和基板厚度的增大而減小，對于分形天線(xiàn)，它們只影響諧振頻點(diǎn)的下降，但不會(huì )影響各個(gè)諧振頻點(diǎn)的相對位置。也就是說(shuō)，分形天線(xiàn)具有多諧振點(diǎn)特征，但是多個(gè)諧振頻率之間的關(guān)系是由分形的結構確定的，而不是由材料的介電常數和介質(zhì)厚度確定的。相對介電常數和材料的厚度對天線(xiàn)的輻射方向圖和天線(xiàn)增益不產(chǎn)生影響， 這種性質(zhì)也可用于天線(xiàn)小型化的設計中。