基于Hilbert分形結構的RFID標簽天線(xiàn)設計

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
3 一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)分析

　　為了提高Hilbert分形結構的RFID標簽天線(xiàn)的效率，本文提出了另一種形式的Hilbert標簽天線(xiàn)結構，如圖5所示。 諧振頻率為915MHz的半波振子天線(xiàn)長(cháng)度2L = 149mm. 取三等分彎折線(xiàn)，各彎折線(xiàn)段長(cháng)度均為h = 2417mm,在彎折線(xiàn)部分采用Hilbert分形變換，彎折線(xiàn)天線(xiàn)為0階Hilbert標簽天線(xiàn)。

　　用矩量法對一維Hilbert標簽天線(xiàn)進(jìn)行仿真，結果如圖6, 7所示，天線(xiàn)參數見(jiàn)表2.

　　圖5　一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)結構

圖6　一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)的方向圖仿真結果

圖7　一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)的S11曲線(xiàn)

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

　　表2　一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)參數

4　試驗測試

根據前面Hilbert天線(xiàn)的仿真結果，制作了如圖8所示的1階一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)。

　　圖8　1階一維Hilbert分形標簽天線(xiàn)

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

　　使用的閱讀器是AW ID公司的MPR23014閱讀器，支持EPC Class1 Gen2 標準。 在天線(xiàn)輻射功率4W、中心頻率915MHz、標簽天線(xiàn)面與閱讀器天線(xiàn)面水平的試驗條件下，閱讀距離為5. 6m. 根據報導，偶極子RFID 標簽在RFID 閱讀器輸出4W射頻功率的條件下可以達到7. 2m的識別距離。實(shí)驗結果顯示，本文制作的RFID 標簽天線(xiàn)的性能基本達到應用的要求。

　　5 結論

　　Hilbert分形結構天線(xiàn)由于其具有空間填充特性，有利于RFID標簽天線(xiàn)的小型化設計。 隨著(zhù)分形階數的不斷增加，與二維Hilbert標簽天線(xiàn)相比，一維Hilbert標簽天線(xiàn)在具備尺寸縮減特性的同時(shí)，有效地保持了天線(xiàn)的效率不急劇下降。 運用一維Hil2bert標簽天線(xiàn)，可以實(shí)現諧振在915MHz的小型化高效率的RFID標簽天線(xiàn)。