基于電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)電子標簽的雙頻分形天線(xiàn)研究

本文針對RFID系統雙頻工作的要求，設計了兩款能夠雙頻帶工作的π型分形折疊偶極子天線(xiàn)，使其能夠同時(shí)覆蓋現代電子商務(wù)物流RFID 系統常用的兩個(gè)工作頻段：0.902~0.928 GHz和2.4~2.483 5 GHz,且在兩個(gè)工作頻段都有較好的性能，分別仿真并測試了兩款天線(xiàn)的回波損耗和方向圖特性。

0 引言

電子商務(wù)作為一個(gè)新的業(yè)務(wù)形態(tài)正逐步成為商業(yè)的主流，電子商務(wù)企業(yè)開(kāi)展業(yè)務(wù)過(guò)程中市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和推廣活 動(dòng)面對的是全網(wǎng)用戶(hù)，龐大的客戶(hù)群會(huì )在活動(dòng)的短時(shí)間內同時(shí)產(chǎn)生大量的物流需求。在2012年淘寶雙11節的促銷(xiāo)活動(dòng)中，當日產(chǎn)生8 000多萬(wàn)單的快件，而目前我國整個(gè)物流行業(yè)單日運力之和僅有1 600萬(wàn)~2 000萬(wàn)單左右，沒(méi)有更加科技化和自動(dòng)化手段支持的物流系統無(wú)法滿(mǎn)足電子商務(wù)物流業(yè)務(wù)的需求，無(wú)法有效支撐網(wǎng)絡(luò )經(jīng)濟的發(fā)展。借助電子標簽技術(shù)的現代化電子 商務(wù)物流揀貨系統需要逐步建設和推廣。自動(dòng)化的電子標簽揀貨系統一般包括主機、控制器、電子標簽、系統軟件、數據庫、機械設備等，通過(guò)系統化的統一服務(wù)， 可以大幅度地提高分揀效率，減少誤撿率，從而提高電子商務(wù)物流的整體效率。

電子標簽即射頻識別（RFID）技術(shù)是20 世紀90 年代開(kāi)始興起的一種用射頻通信實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)。與傳統的自動(dòng)識別系統如條形碼相比，RFID技術(shù)具有很多優(yōu)勢：可以定向或不定向的遠距離讀取或寫(xiě)入數據，無(wú)需保持識別的目標可見(jiàn)，可以透過(guò)外部非屏蔽材料讀 取數據，可以在復雜環(huán)境下工作，可以同時(shí)處理多個(gè)電子標簽，可以?xún)Υ娴男畔⒘枯^大等等。天線(xiàn)是一種將無(wú)線(xiàn)電收發(fā)信機的射頻功率信號以電磁波的形式接收或輻 射出去的器件，天線(xiàn)所形成的電磁場(chǎng)強度和有效作用范圍決定了RFID 系統的識別距離和范圍，因此天線(xiàn)設計及制造技術(shù)是RFID的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 雙頻RFID系統對天線(xiàn)的要求

當前，國際上RFID 系統兩個(gè)常用工作頻段的頻率范圍分別為0.902~0.928 GHz 和2.4~2.483 5 GHz,其帶寬要求分別為26 MHz和83.5 MHz.由于傳統的天線(xiàn)只能工作在單一的頻段范圍內，應用傳統天線(xiàn)的RFID 標簽只能被工作在某一頻率上的讀寫(xiě)設備所讀取，若更換不同頻率的讀寫(xiě)設備，則標簽失效，這限制了RFID 系統的應用范圍。而應用了雙頻天線(xiàn)的RFID 標簽使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單，它可以被工作在兩個(gè)頻段的讀寫(xiě)設備識別，具有良好的頻率兼容性?，F有的雙頻RFID天線(xiàn)兩個(gè)工作頻段的性能常出現不平衡，呈現“一主 一從”的輻射特性，天線(xiàn)在兩個(gè)工作頻段的回波損耗和帶寬有較大差異，限制了雙頻RFID天線(xiàn)的應用。

一款性能良好的雙頻RFID 天線(xiàn)，必須能夠同時(shí)覆蓋現代RFID系統兩個(gè)常用工作頻段：0.902~0.928 GHz和2.4~2.483 5 GHz,且在兩個(gè)工作頻段都有較好的性能，天線(xiàn) 的 回 波 損 耗 （S11） 值 在 兩 個(gè) 工 作 頻 帶 內 都 應在-10 dB以下，低頻段的回波損耗最小值應小于-20 dB,工作帶寬應大于100 MHz;高頻段的回波損耗最小值應小于-20 dB,工作帶寬應大于200 MHz;天線(xiàn)在兩個(gè)工作頻段都應有全向輻射特性。

2 π型分形折疊結構簡(jiǎn)介

分形天線(xiàn)是把天線(xiàn)輻射結構設計為分形結構的天線(xiàn)，其整體與局部以及局部和局部之間都具有自相似性，多層次的自相似性使得分形天線(xiàn)上的射頻電流得到均勻分布，因此天線(xiàn)具備寬頻工作特性。

π型分形結構是一種線(xiàn)式分形結構，其迭代構造過(guò)程如下：將一條一定長(cháng)度的直線(xiàn)段分為三段，分別在左 右兩段橫向線(xiàn)段和中段橫向線(xiàn)段間插入兩段縱向線(xiàn)段，即構成一個(gè)1 階π型折線(xiàn)。對1 階π型分形折線(xiàn)的所有直線(xiàn)段依次進(jìn)行π型分形折疊，則生成了2 階π型分形折線(xiàn)，如圖1所示。

3 1 階雙頻π型分形折疊偶極子天線(xiàn)的設計與制作

在遠距離耦合的RFID 應用系統中，最常用的是偶極子天線(xiàn)。典型的偶極子天線(xiàn)由兩段同樣粗細和等長(cháng)的直導線(xiàn)排成一條直線(xiàn)構成。為了縮小天線(xiàn)的尺寸，使之可以放進(jìn)RFID 標簽或讀寫(xiě)器中，采用π型分形折疊技術(shù)對偶極子天線(xiàn)臂進(jìn)行了改進(jìn)設計。

在設計中，在一個(gè)偶極子天線(xiàn)的橫向臂上添加兩個(gè)折疊臂。折疊臂的形狀為變形π型分形折疊結構，如圖 2所示。使用FR4介質(zhì)板作為天線(xiàn)的介質(zhì)基板。介質(zhì)板厚度為h = 1.5 mm,相對介電常數εr = 3.7.天線(xiàn)的結構示意圖如圖3所示，天線(xiàn)尺寸為95 mm×40 mm.

　　在忽略天線(xiàn)粗細的橫向影響下，偶極子天線(xiàn)設計可以取天線(xiàn)臂的長(cháng)度為λ/4 的整數倍。在設計中，為了使偶極子天線(xiàn)有更大的帶寬和更好的輻射特性，采用了全波偶極子天線(xiàn)的設計方案。偶極子天線(xiàn)臂需滿(mǎn)足以下條件：